Б.С. Ишханов, И.М. Капитонов, Н.П. Юдин - Частицы и атомные ядра (1120562), страница 102
Текст из файла (страница 102)
11.!1. Вещество и вакуум в расширяющейся Вселенной космические объекты друг от лруга. Вакуум создает анти- гравитацию, которая определяет динамику Вселенной в современную эпоху. Средняя плотность энергии вакуума в единицах плотности массы р „т„0,76 10 г/см -м и не изменяется со временем. 5!5 й' !О. Элехгентарные частицы — струны? Таким образом, в первой половине своего существования Вселенная расширялась вследствие инерции Большого взрыва. Во Вселенной доминировало вещество, и скорость ее расширения замедлялась.
Галактики и звезды все дальше удалялись друг от друга, и плотность материи во Вселенной падала. Со временем галактики и звезды стали редкими вкраплениями в космологическол1 вакууме, и Вселенная перешла из состояния ламинирования вещества в состояние доминирования вакуума, обеспечившее ей «переключение» в режим дальнейшего ускоренного расширения.
Так как вакуум статичен, то и окружающий мир станет тоже статичным, но в отличие от статичного мира Эйнштейна, в котором состояние равновесия достигалось уравновешиванием сил гравитации и космологического Л-члена, теперь равновесие достигается постоянной плотностью вакуума. Как образуется космологический вакуум и какова его природа, еше предстоит выяснить.
Важно отметить, что физический вакуум — особое состояние квантового поля, в котором при нулевых квантовых числах суммарных зарядов, импульсов и лругих переменных могут возникать виртуальные частицы. Диаграммы таких процессов — образование пар электрон — позитрон и кварк — антикварк — показаны на рис. ! !.12. Образовавшиеся виртуальные частицы могут создавать в пустом пространстве ненулевую энергию вакуума, Во всех областях физики, не связанных с гравитацией, абсолютная величина энергии системы не имеет значениЯ, важ- Ряс.11Д2. Образование в вакууме пар на лишь разность энергий состо- электрон — позитрон и кварк — антикварк яний.
В гравитации, однако, это не так — необходимо учитывать все формы энергии. Однозначного ответа на вопрос о тождественности физического вакуума и темной энергии Вселенной пока нет. Другой причиной обсуждаемых эффектов могут быть лополнительные измерения пространства. Одно несомненно, что достаточно надежно описываемые формы материи, которые хорошо известны, составляют всего несколько процентов от общей плотности космологической материи.
Изучение этих новых форм материи, безусловно, важнейшая проблема. Природа бросила очерелной вызов человеку. ф 10. Элементарные частицы — струны? Практически все предсказания Станлартной модели подтвердились с большой точностью. Стандартная модель. тем не менее, не люжет быть окончательной теорией, так как она не включает гравитационное взаимодействие. зт 516 !лава ! !. Проблемы. Персвективы Кроме того, Стандартная модель не дает описания объектов, с которыми работает. Почему природа выбрала именно такой набор фундаментальных частиц и взаимолействий, из которых мы выстраиваем иерархическую структуру Вселенной7 В Стандартной модели они являются входными параметрами. Успех квантовой теории сильных, слабых и электромагнитных взаимодействий является сильнейшим стимулом в создании квантовой теории гравитации.
Гладкость пространства-времени, лежащая в основе общей теории относительности, разрушается под действием квантовых Флуктуаций в ультрамикроскопических масштабах. На практике этот конФликт проявляется в том, что расчеты, основанные на совместном использовании теории гравитации и квантовой механики, приводят к бесконечностям. Таким образом, на пути создания единой теории всех взаимодействий должна быть решена задача построения последовательной теории гравитации, соединяющей принципы квантовой теории поля и суперсимметрии. Возможно, решение проблемы будет достигнуто в теории струя — типотетических одномерных обьектов, имеющих линейные размеры порядка планковской ллины (!О зз см) и натяжение (энергию на единицудлины) планковского масштаба.
Ниже планковской энергии теория струн не отличается от суперсимметричной квантовой теории поля с точечными фермионами. Струнная природа частиц должна проявляться при энергиях выше планховской. Минимальная размерность пространства-времени, в котором может быть построена теория струн, равна !Π— одна временная координата и 9 пространственных. Это пространство при энергиях ниже планковской должно «свертываться» (компактифицироваться) в наблюдаемое четырехмерное пространство-время.
Итак, в теории струн, претендующей на объединение теории гравитации и квантовой теории поля, утверждается, что если бы мы могли исследовать Фундаментальные частицы (кварки и лептоны) с более высокой точностью, на много порядков превосходящей наши современные возможности, то обнаружили бы, что каждая частица является не точечным объектом, а состоит из одномерной петли микроскопических размеров — с~руны. Все наблюдаемые свойства частиц являются проявлением различных типов колебания струн. Электрон представляет собой один тип колебаний, в-кварк — лругой и т.д. Поскольку масса частицы определяет ее гравитационные характеристики, существует прямая связь между типом колебаний струны и откликом частицы на действие гравитационной силы.
Электрический заряд, константы взаимодействий определяются типом ее колебаний. Тот же самый принцип справеллив и для частиц, переносящих взаимодействие. Фотоны, калибровочные бозоны, глюоны представляют собой всего лишь разные варианты колебаний абсолютно идентичных струн. Материал всего вещества и всех взаимодействий один и тот же — колеблющиеся струны. Теория струн, как отмечалось, предсказывает, что пространство не является четырехмерным (три пространственных измерения и одно времен- Э!О. Элементарные часгляцы — струям? 517 нос), а имеет дополнительные измерения, которые свернуты до очень маленьких размеров.
Струны могут двигаться в этих дополнительных пространствах. Ко~да струна перемещается, осциллнруя по ходу своего движения, геометрическая форма дополнительных измерений играет решающую роль, определяя типы резонансных колебаний. Поскольку типы резонансных колебаний проявляются в виде масс н зарядов элементарных частиц, утверждается, что эти фундаментальные свойства Вселенной в значительной степени определяются размерами и формой дополнительных измерений. Когда струны закручиваются и вибрируют в развернутых и свернутых измерениях, часть их обширного спектра колебаний представлена такими типами, которые соответствуют спину Х = ! или 1 = 2. Эти типы являются кандидатами на роль переносчиков фундаментальных взаимодействий.
Дополнительные пространственные измерения теории струн не могут быть свернуты произвольным образом: уравнения, следующие из теории струн, существенно ограничивают геометрическую форму, которую они могут принимать. Они носят названия пространств Калаби — Яу. В каждой точке нашего привычного трехмерного пространства, согласно теории струн, имеется шесть невидимых измерений, тесно свернутых в одну из этих причудливых форм шестимерного многообразия. Физические законы, действующие в трех больших измерениях, зависят от структуры, размеров и формы этого шестимерного многообразия. Каждая конфигурация имеет свою потенциальную энергию.
В отсутствие материи это энергия вакуума. Дополнительные измерения стремятся принять форму, обеспечивающую минимальную энергию вакуума. Предполагается, что в нашей Вселенной размер скрытых измерений с течением времени не меняется, так как это привело бы к изменению физических постоянных. В теории струн многомерный ландшафт с большим числом переменных характеризует геометрию пространства. В минимумах ландшафта могут располагаться устойчивые вселенные. Каждому решению соответствует свой закон в четырехмерном макроскопическом пространстве, свой набор частиц и законов их взаимодействия.
В результате квантовых флуктуаций вселенные могут переходить из одного квантового состояния в другое. Такое описание приводит к радикально новой картине Вселенной. Большой взрыв может быть одним из таких квантовых переходов в новую конфигурацию пространства. В целом в такой модели Вселенная представляет собой пену нз вложеннгях друг в друга расширяющихся пузырей. А наблюдаемые нами законы природы зависят от скрытых измерений, т.е. от того, в каком из множества вселенских пузырей мы находимся.
Как в теории струн удается примирить противоречие теории гравитации и квантовой теории? Струна в отличие от точечной частицы сглаживает квантовые флуктуации. Разрешающая способность точечной частицы определяется ассоциированной с ней длиной волны. Увеличение энергии струны не приводит к увеличению ее разрешающей способности. Когда энергия струны превышает значение, необходимое для исследования 518 Глава 11. Проблемы.
Перслекотиеы юбииьнми сокуум Эне метр т Рис. !!.!3. Состояние физического вакуума в теории струн размеров в масштабе планковской длины, дополнительная энергия идет на увеличение размеров струны, тем самым уменьшая ее разрешающую способность, сглаживая квантовые флуктуации пространства-времени. Как известно, фундаментальные частицы — кварки и лептоны— разделяются на три семейства с идентичной организацией, при этом частицы каждого следующего семейства имеют все большую массу. Вопросы, на которые до появления теории струн не было ответа: почему семейств три? С чем связано существование семейств? Число семейств в теории струн ассоциируется с числом отверстий в геометрической форме, которую образуют дополнительные измерения.
В некоторых вариантах теории струн число отверстий может достигать 480. Проблема состоит в том, что никто в настоящее время не знает, как из уравнений теории струн установить, какое из многообразий Калаби— Яу определяет число дополнительных пространственных измерений. Большинство вариантов теории струн дают картину, существенно отличающуюся от нашего мира. В нем, помимо всего прочего, другое число семейств элементарных частиц, иные типы и константы фундаментальных взаимодействий.
Теория струн допускает существование типов резонансных колебаний, которым соответствуют частицы с существенно иными, чем известные, электрическими зарядами, например, 1/5, 1/11, 1/53 в единицах элементарного заряда. Если в общей теории относительности постулируется, 52О Глава 1!. Проблемы, Перспективы например, искать бозоны Хиггса и суперсимметричные частицы. Среди «неускорительных» экспериментов можно выделить опыты по поиску монополей Дирака и распада протона. Определенные надежды связаны стем, что Вселенная должна была пройти все стадии, показанные на рис.
1!.14, в процессе своего охлажления после Большого взрыва (моменты достижения этих стадий после Большого взрыва указаны на рисунке). Таким образом, возникает прямая связь между физикой частиц сверхвысоких энергий и космологией. Установление этой связи позволяет выявить те объекты нынешней Вселенной, которые несут «следы» ее самого раннего горячего состояния и, возможно, падут недостающие подтверждения справедливости елиных теорий. Заключение В самом конце Х!Х столетия„занимаясь довольно хорошо известным в то время процессом люминесценции, А.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
