Механический принцип относительности 8 страница

Кварки в свободном состоянии не существуют, участвуют во всех типах взаимодействий.

7). Античастицы

У каждой элементарной частицы согласно принципу зарядового сопряжения имеется античастица.

Массы, время жизни и спин частицы и античастицы одинаковы. Остальные характеристики, в т.ч. электрический заряд и магнитный момент, равны по модулю, но противоположны по знаку.

Первой античастицей был открыт позитрон (е⁺) – античастица электрона (е^-).

Некоторые частицы (⁰₀  ‑ фотоны, π⁰ – мезоны и др.), называемые истинно нейтральными, тождественны своим античастицам.

Встречаясь друг с другом, медленные электрон и позитрон аннигилируют, порождая два (реже три) фотона: е^- + е⁺ → 2

Понятия «частица» и «античастица» являются относительными, а не абсолютными. Основные уравнения теории не изменяются при замене частицы и античастицы и обратно.

Однако, в больших количествах антивещества во Вселенной не обнаружено. Причина зарядовой асимметрии реальной Вселенной до конца пока не выяснена.

8). Актуальные проблемы физики элементарных частиц

В последние годы содержание квантово-полевой картины мира значительно расширилось. Прежде всего, в соответствии с новыми экспериментами углублялись квантово-полевые представления о материи и движении, что оказывало влияние на картину мира в целом. В процессе более обстоятельного изучения взаимодействий между частицами было установлено, что понятие «состоять из» приобретает особый смысл. Оказалось возможным образовывать частицы с малой массой из частиц с большой массой. Таким образом, понятия «часть» и «целое» становились относительными, поскольку «часть» могла быть больше «целого». На этой основе сложились представления о том, что различия между микромиром и макромиром также относительны. Возникла гипотеза о «фридмонах» как о таких объектах, которые обладают космическими масштабами, но для внешнего наблюдателя проявляются как частицы сколь угодно малых размеров.

Перед современной физикой поставлена задача «великого объединения» — построения единой теории, охватывающей все виды взаимодействий элементарных частиц. Только такая теория могла бы рассматриваться в рамках достаточно разработанной картины мира в качестве фундаментальной квантово-полевой теории. Вместе с тем с ее появлением можно было бы считать завершенным формирование основ квантово-полевой картины мира. Отдельные элементы такого «великого объединения» уже созданы. Так, в 1967 г. С. Вайнбергом[170] и А. Саламом[171] была разработана теория, объединяющая электромагнитные и слабые взаимодействия. Вслед за этим возникла задача объединения в одной теории этих взаимодействий с сильными взаимодействиями.

Однако в поисках такой единой теории физики натолкнулись на трудности, что свидетельствует о недостаточной разработанности ее основ. По-видимому, нужны качественно новые идеи и гипотезы. В этом плане плодотворным оказалось предположение о спонтанном нарушении симметрии вакуума, что связано с расширением представлений о вакууме как особом виде квантово-полевой материи: хотя вакуум является нулевым (основным) состоянием квантовой системы, он тем не менее обладает не нулевой энергией. Для дальнейшего успешного развития физики необходимо углубление философских основ современной научной картины мира.

Заключение

Современная квантово-полевая картина мира — сложное образование, по ряду своих параметров принципиально отличающаяся от предшествующих физических картин мира:

1). Произошло углубление наших представлений о материи: противоположность концепций дискретности и континуальности строения материи преодолены в концепции корпускулярно-волнового дуализма.

2). Вероятность связана не с мерой нашего незнания, как в классической физике, а с основополагающим свойством атомной действительности, управляющей ходом всех процессов.

3). Понятия, которыми оперирует квантовая теория, и явления, которые она рассматривает, лишены наглядности, присущей классической физике.

4). Применительно к элементарным частицам в силу их способности к трансмутации[172]становится бессодержательным представление о себетождественном теле, на котором базировалась вся предшествующая физика.

5). Новая картина мира впервые включила в себя наблюдателя, от присутствия которого зависели получаемые результаты исследований. Более того, был сформулирован так называемый антропный принцип, который утверждает, что наш мир таков, каков он есть, только благодаря существованию человека. Отныне появление человека считается закономерным результатом эволюции Вселенной.

6). Одним из главных достижений квантовой физики следует считать формирование нового способа мышления, которое теперь называют неклассическим, что привело к дальнейшему развитию рационализма и кардинальному изменению картины мира.

Вместе с тем в КПКМ остались нерешёнными ряд проблем:

1). В КПКМ наряду с новым, квантово-полевым пониманием материи и движения сохранились старые, электродинамические (релятивистские) представления о пространстве и времени. Поэтому актуальной становится задача разработки таких представлений о пространстве и времени, которые находились бы в полном соответствии с квантово-полевыми представлениями о материи и движении.

В этом плане заслуживают внимания идеи квантования пространства и времени, идеи связи пространства и времени с внутренней симметрией элементарных частиц. Возможны и иные гипотезы об особенностях квантово-полевых объектов и форм их существования.

2) Попытки создать единую теорию всех взаимодействий пока не увенчались успехом.

3). Не объяснены зафиксированные значения зарядов, масс и времен жизни элементарных частиц.

4). Не создана теория физического вакуума.

5). Пока отсутствует законченная теория развития Вселенной, которая описывала бы её до «Большого взрыва» и предсказывала её будущее.

2.2.6. Актуальные проблемы современной физики

 В конце XIX века среди ученых существовало убеждение, что физика – наука бесперспективная, т.к. все фундаментальные задачи в рамках физики уже решены.

Но прошло несколько десятков лет, и в физике появились теории, полностью перевернувшие взгляд на мир – теория относительности и квантовая механика.

Но и эта новая физика была обречена рано или поздно столкнуться с новыми фундаментальными проблемами.

1). М-теория[173] как продолжение теории струн[174]

Сегодня в физике существуют две основные теории, многократно проверенные на практике и наиболее точно описывающие наш мир. Это квантовая теория поля, являющаяся развитием квантовой механики, а также общая теория относительности Эйнштейна – развитие специальной теории относительности.

Квантовая теория поля описывает наш мир на очень маленьких масштабах, вплоть до мельчайших элементарных частиц . Она включает в себя три из четырех известных нам фундаментальных взаимодействия: электромагнитное, слабое и сильное.

За четвертое – гравитацию – отвечает как раз общая теория относительности. Она прекрасно проверена на макроскопических масштабах, где сомневаться в ее верности не приходится, проблема лишь в том, что в микромире она, грубо говоря, не работает. При попытках объединить ОТО с квантовой теорией возникают неустранимые  противоречия.

Дело в том, что квантовая теория поля и ОТО изначально базируются на разных принципах. К примеру, в квантовой теории пространство-время выступает простым вместилищем частиц, которые являются колебаниями соответствующих им полей. В теории Эйнштейна пространство-время выступает непосредственным участником событий и сама его конфигурация зависит от находящихся в нем тел.

Именно построение теории квантовой гравитации является сегодня главной задачей фундаментальной физики. Уже существует несколько претендентов на звание подобной теории, наиболее известные из которых – это петлевая квантовая гравитация и современная модификация теории струн, так называемая М-теория.

Именно М-теория является главным претендентом на то, чтобы объединить в себе все четыре фундаментальных взаимодействия. Кроме того, М-теория успешно справляется и с другими нетривиальными задачами – к примеру, она устраняет так называемые сингулярности, появившиеся в ОТО, которые являются точками с бесконечной кривизной в пространстве-времени.

Но и у подобных теорий также хватает своих проблем. К примеру, уравнения М-теории настолько сложны, что физикам приходится иметь дело лишь с их приблизительными решениями. Для упрощения необходим соответствующий математический аппарат, который пока что просто не разработан.

2). Проблема космологической постоянной[175]

Еще одно противоречие квантовой теории поля и ОТО кроется в проблеме космологической постоянной. Космологическая постоянная – это введенный Эйнштейном в ОТО параметр физического вакуума, который появился в теории только ради того, чтобы та могла описывать однородную и стационарную Вселенную. Сам Эйнштейн считал введение космологической постоянной недостатком теории, ведь тогда еще не было известно о том, что наша Вселенная на самом деле действительно не стационарна. Лишь в 1998 г. было установлено, что Вселенная на самом деле расширяется с ускорением.

Считается, что за это ускорение ответственна так называемая темная энергия, которая в самом простом представлении является не чем иным, как энергией вакуума. А значит, выражается той самой космологической постоянной.

Проблема в том, что в квантовой теории поля физический вакуум имеет ненулевую энергию, а значит, с точки зрения ОТО, обладает массой и вносит в пространство-время  гравитационные возмущения. Если мы будем высчитывать энергию вакуума, учитывая квантовые эффекты, то его значение получится слишком большим и не согласующимся с реальными наблюдениями. Полученное значение будет отличаться на 120 порядков, что, по заявлениям некоторых ученых, можно смело считать наихудшим предсказанием теоретической физики в истории.

Решение данной проблемы важно не только для объяснения величины космологической постоянной и устранения противоречий в квантовой теории поля, но и для понимания темной энергии.

3). Проблема конфайнмента[176]

Согласно кварковой модели адронов протоны и нейтроны, состоят из кварков. Эти мельчайшие частицы обладают удивительными свойствами – кварки не могут существовать по отдельности. В настоящее время известно 6 разных типов кварков, и каждый из них существует либо в паре, либо в тройке с другими кварками. Протоны и нейтроны, к примеру, состоят именно из трех разных кварков.

Это свойство кварков – невозможность существовать по отдельности – называется конфайнментом. Уместно спросить: если мы не можем наблюдать отдельные кварки, почему мы вообще можем говорить об их существовании? Дело в том, что теория кварков (квантовая хромодинамика) прекрасно согласуется с экспериментальными данными и является наиболее простым их объяснением.

Так при рассеянии электрон на протоне при очень больших энергиях картина рассеивания у протона обнаруживаются три центра рассеяния. Однако при низких энергиях картина приобретает другой вид, и электрон рассеивается на протоне как на целостном объекте. Этот переход с одной картины на другую не вполне ясен, и он непосредственно связан с явлением конфайнмента. Данная задача интересна еще и тем, что она имеет математическое выражение в виде так называемой теории Янга – Миллса[177], которая была сформулирована еще в 1950-х гг.

Математический институт Клэя[178] включил доказательство этой теории в число так называемых проблем тысячелетия, за решение которых полагается приз в миллион долларов. Пока что из семи задач тысячелетия была решена лишь одна – наш соотечественник Григорий Перельман[179] в 2002 г. доказал гипотезу Пуанкаре[180].

4). Темная материя[181]

Согласно современным научным наблюдениям, наша Вселенная лишь на 4,9% состоит из обычной (барионной) материи. Эта материя составляет все видимое нами вещество: звезды, планеты, межзвездную пыль. Еще 68,3% приходится на темную энергию[182], а оставшиеся 26,8% – на так называемую темную материю.

Темную материю и темную энергию нельзя путать, так как это совершенно разные явления. Темная энергия имеет низкую плотность, отрицательное давление (она как бы подвергается растяжению) и распределена равномерно по всей видимой нами Вселенной. Темная материя же собирается в галактики вместе с барионной и составляет значительную часть их массы.

Дело в том, что данные космических наблюдений нам говорят, что звезды на окраинах галактик движутся значительно быстрее, чем они должны. Некоторые косвенные данные указывают на то, что галактики на самом деле несколько тяжелее, чем, если бы мы просто посчитали суммарную массу всех содержащихся в них звезд. Эти признаки указывают на то, что значительную часть массы галактик составляет невидимое таинственное вещество, названное темной материей. Причем эта темная материя, в отличие от барионной, не концентрируется вокруг центра галактики, а образует так называемое гало, имеющее сферическую форму и окружающее видимую часть галактики.

Природа темной материи точно не известна.

5). Единая теория и антропный принцип[183]

Существует мнение, что четыре описанные выше проблемы, возможно можно решить в рамках единой теории. Такая теория должна будет не только объединить четыре фундаментальных взаимодействия (электромагнитное, сильное, слабое и гравитационное), но и ответить на множество других вопросов: почему мир такой, а не иной, откуда взялись значения известных нам физических констант, что было в самом начале Вселенной, что ждет ее в конце и так далее.

Однако некоторые современные физики скептически относятся к возможности построения такой теории. Среди них популярен аргумент так называемого антропного принципа, который гласит, что Вселенная вокруг нас имеет именно такие свойства, потому что, будь она другой, разумной жизни бы не существовало. В рамках антропного принципа допускается  возможность для существования некоего Высшего разума, создавшего именно такую Вселенную.

Если прежняя физика отвечала на вопрос «Как?», то современная физика пытается ответить на вопрос «Почему?». Удастся ли это – покажет будущее.