Єдина теорія полів і взаємодій (стр. 5 из 8)

Після побудови наприкінці XIX століття електродинаміки, що об'єднала на основі рівнянь Максвелла в єдиній теоретичній схемі явища електрики, магнетизму й оптики, у фізику виникла ідея пояснення на основі електромагнетизму всіх відомих фізичних явищ. Однак створення загальної теорії відносності привело фізиків до думки, що для опису на єдиній основі всіх явищ необхідне об'єднання теорій електромагнетизму й гравітації.

Перші варіанти єдиних теорій поля були створені Давидом Гильбертом і Германом Вейлем. Надалі велику увагу «теорії всього» приділив Альберт Ейнштейн. Він присвятив спробам її створення більшу частину свого життя. Гильберт, Вейль і, надалі, Ейнштейн думали, що досить об'єднати загальну теорію відносності й електромагнетизм, до того ж спочатку не малося на увазі, що вони повинні бути квантовими, тому що сама квантова механіка ще не була досить розвитий. Значною мірою, якщо не повністю, мінімальна програма - об'єднання ВІД і електродинаміки була вирішена в рамках теорії Калуци - Клейна (можливо, і ще деяких теорій), але майже вже вчасно її створення стало актуальним включення в теорію інших полів і пророкування існування багатьох часток, що було не зовсім тривіальним, а надалі прояснилися й нові труднощі, а квантовий варіант теорії Калуци-Клейна хоч і був мислимий, однак квантування натрапляло на труднощі конкретної розробки, як і квантування самої загальної теорії відносності окремо.

Сучасна фізика жадає від «теорії всього» об'єднання чотирьох відомих у цей час фундаментальних взаємодій:

гравітаційна взаємодія,

електромагнітна взаємодія,

сильна ядерна взаємодія,

слабка ядерна взаємодія.

Крім того, вона повинна пояснювати існування всіх елементарних часток. Першим кроком на шляху до цього стало об'єднання електромагнітної й слабкої взаємодій у теорії електрослабкої взаємодії, створеної в 1967 році Стивеном Вайнбергом, Шелдоном Глешоу й Абдусом Саламом. В 1973 році була запропонована теорія сильної взаємодії. Після чого з'явилося кілька варіантів теорій Великого об'єднання (найбільш відома з них - теорія Пати - Салама, 1974 рік), у рамках яких удалося об'єднати всі типи взаємодій, крім гравітаційного. Правда, жодна з теорій Великого об'єднання поки не знайшла підтвердження, а деякі вже спростовані експериментально на основі даних по відсутності розпаду протона. Відсутньою ланкою в «теорії всього» залишається підтвердження якої-небудь із теорій Великого об'єднання й побудова квантової теорії гравітації на основі квантової механіки й загальної теорії відносності.

У цей час основними кандидатами в якості «теорії всього» є теорія струн, петельна теорія й теорія Калуци - Клейна. Про останню докладніше. На початку двадцятого століття з'явилися припущення, що Всесвіт має більше вимірів, чим спостережувані три просторових і одне тимчасово. Поштовхом до цього стала теорія Калуци - Клейна, що дозволяє побачити, що введення в загальну теорію відносності додаткового виміру приводить до одержання рівнянь Максвелла. Завдяки ідеям Калуци й Клейна стало можливим створення теорій. Використання додаткових вимірів підказало відповідь на питання про те, чому дія гравітації проявляється значно слабкіше, ніж інші види взаємодій. Загальноприйнята відповідь полягає в тому, що гравітація існує в додаткових вимірах, тому її вплив на спостережувані виміри слабшає.

Наприкінці 2007 року Гаррет Лиси запропонував «Винятково просту теорію всього», засновану на властивостях алгебр Чи. Незважаючи на виявлені недоліки теорії Лиси вона може відкрити новий напрямок робіт в області єдиних теорій поля.

Наприкінці 1990-х стало ясно, що загальною проблемою пропонованих варіантів «теорії всього» є те, що вони не строго визначають характеристики спостережуваного Всесвіту. Так, багато теорій квантової гравітації припускають існування всесвітів з довільним числом вимірів або довільним значенням космологічної постійної. Деякі фізики дотримуються думки, що насправді існує безліч вселених, але лише невелика їхня кількість населені, а виходить, фундаментальні константи всесвіту визначаються антропним принципом. Макс Тегмарк (англ.) довів цей принцип до логічного завершення, постулирующего, що «всі математично несуперечливі структури існують фізично». Це означає, що досить складні математичні структури можуть містити « структуру, щосамоусвідомлює,», що буде суб'єктивно сприймати себе «живучої в реальному світі».

В 2007 році американський учений Ентони Гаррет Лиси запропонував свій варіант Єдиної теорії. Теорія була опублікована в 31-сторінковому препринті. Як пише газета The Telegraph, вона викликала фурор у науковому світі. Дана теорія пояснює взаємозв'язок чотирьох фундаментальних сил у Всесвіті - сильної взаємодії, слабкої взаємодії, електромагнітної сили й сили притягання. Вона також поєднує дві глобальні теорії - квантову механіку й загальну теорію відносності. Рішення, знайдене Лиси, одні вчені називають «винятково простим» і «гарним», а інші впевнені, що теоретик помилився. Якщо ж він не помилився, то вченому вдалося виконати науковий заповіт Ейнштейна, уважають його колеги. Найважливіше - теорія пророкує існування ще 20-ти елементарних часток, поки невідомих науці.

Велике об'єднання – об'єднання при надвисоких енергіях трьох фундаментальних взаємодій – сильного, електромагнітного й слабкого. Передумовою до об'єднання трьох згаданих взаємодій є те, що сили (інтенсивності) цих взаємодій, що кардинально різняться при звичайних (низьких) енергіях, з ростом енергії й, відповідно, зменшенням відстані між частками, зближаються й по оцінках сходяться при енергії 10¹⁵–10¹⁶ ГеВ (

10^-29 див), називаною крапкою Великого об'єднання.

У міру росту енергії (починаючи від найнижчих) сильна, електромагнітна й слабка взаємодії зливаються в єдине у два етапи. При енергії 10² ГеВ (відстані

10^-16 див) електромагнітна взаємодія зливається зі слабким в електрослбке. Утворення електрослабкої взаємодії є встановленим фактом і його теорією створена (електрослабка модель). У крапці Великого об'єднання електрослабка взаємодія зливається із сильним. Це злиття є гіпотезою. Переносниками сил Великого об'єднання вважаються гіпотетичні бозони X і Y, що мають величезні маси 10¹⁵ – 10¹⁶ ГеВ/з².

Незважаючи на те, що неможливо штучно створити умови для Великого об'єднання через фантастичні енергії, необхідних для цього, існує ряд якісно нових ефектів, що пророкуються цим об'єднанням, які можна перевірити в лабораторних умовах. Так теорії Великого об'єднання (ТВО) пророкують розпад протона на позитрон і нейтральну півонію. У цьому розпаді не зберігається ні баріонне, ні лептонне квантове число (у всіх процесах, що спостерігалися, ці числа зберігалися), причому час такого розпаду в найпростіших ТВО близько 1030 років. Такі розпади не виявлені й нижня границя часу такого розпаду

10³² років.

Умови для Великого об'єднання могли існувати у Всесвіті в короткий період відразу після Великого вибуху, тобто близько 13-14 млрд років тому, коли її вік становив 10^–43-10^–36 с.

Ще більш дивні частки пророкує теорія«великого об'єднання», у якій поле поєднується із сильним, ядерним. Ця теорія-подальший розвиток ідей Янга й Миллса, що випливає крок у побудові єдиної теорії поля. Хоча теорія«великого об'єднання»ще досить невизначена, у неї багато різних варіантів і погано вивчених можливостей, пророкування цунамі-монополів виходить майже в будь-якому її варіанті. Заглянути в цю саму область, що інтригує, нашої історії, аж до фантастично малих величин порядку 10~35 секунд, дозволяє тепер теорія«великого об'єднання». Це був мир первозданної плазми, де ще не існувало елементарних часток, а були тільки їхнього тридцятилітні частини-первинні«кубики» - кварки і єднальне їхнє поле сильної взаємодії. Деякі часточки, що перебували в цьому вогненному сиропі, можливо, несли магнітний заряд. Втім, який це був заряд, сказати важко. Температура була ще так велика, що в перші миті після свого народження розпечений мир залишався зовсім симетричним, будь-які його властивості проявлялися з рівною ймовірністю. Розщеплення єдиної симетричної взаємодії на електромагнітне, слабке, сильне-на ті види взаємодій, які діють у сучасному світі, - відбулося пізніше, приблизно через 10~14-10~13 секунд після початку розширення. Розрахунки показують, що від тих давніх часів нам у спадщину повинне було залишитися досить багато важких монополів. Спочатку навіть виходило, що монополів у Всесвіті повинне бути стільки ж,«скільки протонів. Потім, при більше детальному розгляді реакцій у первинній вогненній кулі, масу магнітної речовини довелося зменшити, але однаково вона дуже велика-на багато порядків більш того, що треба з аналізу експериментальних даних.