Миронов В.В. Современные философские проблемы естественных_ технических и социогуманитарных наук (2006) (1184475), страница 22
Текст из файла (страница 22)
Экспериментальные данные подтверждают, что частиц на самом деле гораздо больше и существует два дополнительных семейства частиц. Эти семейства (их называют еше поколениями) также состоят из кварков — аналогов и и с((«очарованные» (з) и «странные (2з) кварки), заряженных лептонов — аналогов электрона (мюон и т-лептон) и двух типов нейтрино — аналогов р (соответственно — мюонное нейтрино и т-нейтрино). Частицы второго и третьего поколений рассматривают обычно как возбужденные состояния частиц первого поколения.
Сходство этих поколений состоит в том, что они совершенно одинаково участвуют в фундаментальных взаимодействиях. Различие же проявляется в том, что массы частиц второго поколения систематически выше масс частиц пер- 2. и Философские проблемы Физики 79 вого поколения. То же самое можно сказать и об отношении масс третьего и второго поколений. Стандартная модель (СМ) кроме частиц вещества включает в себя также кванты полей, переносчиков соответствующих взаимодействий. Фотоны (у) осуществляют электромагнитное взаимодействие между заряженными частицами.
Масса покоя фотона равна нулю, так же как и его электрический заряд. Переносчиками слабого взаимодействия выступают так называемые промежуточные векторные бозоны, две заряженные частицы — И'+, // и одна нейтральная Р~. Они обладают значительной массой, в связи с чем слабое взаимодействие является короткодействующим в отличие от электромагн итн о~ о. Кванты полей, переносягцих сильное взаимодействие, называются глюонами (от англ.
яЬе — клей). Глюоны «склеивают» между собой кварки, осуществляя их так называемый конфайнмент (анап сопбпегпеп1 — пленение). Конфайнмент демонстрирует то необычное обстоятельство, что кварки никогда нс наблюдаются в свободном состоянии, они всегда находятся «в плену», заключены внутри адронов. Их масса равна нулю, но, в отличие от фотонов, они несут на себе двойной цветной заряд. Анализ показывает, что имеется восемь типов глюонов.
То обстоятельство, что глюоны несут на себе цветной заряд, приводит к интересному следствию; они сильно взаимодействуют не только с кваркачи, но также и между собой. Поэтому глюонное поле совсем не похоже на фотонное, оно является нелинейным, что приводит к серьезным трудностям в его описании. Предположительно переносчиком гравитационного взаимодействия является гравитон. Однако его существование пока экспериментально не установлено, как и не построена квантовая теория гравитации, из которой и следует его существование. Все взаимодействия характеризуются силой, определяемой величиной заряда соответствующего взаимодействия.
Их относительные силы. если взять за единицу константу связи сильного взаимодействия, соотносятся следуюгцим образом: /г,; /ге: /,„; /г = 1:(1/137):1О 5:10»9, где /га — константа связи сильного взаимодействия, /ге — константа связи электромагнитного взаимодействия, /г„— константа связи слабого взаимодействия и /г — константа связи гравитационного взаимодействия. К Данные константы связи вовсе не являются постоянными и зависят от энергии взаимодействующих частиц. Предполагается, что константы связи с ростом энергии взаимодействия растут и сливаются при больших энергиях. Это обстоятельство стимулирует поиски единой теории всех физических взаимодействий — единой теории поля.
В настоящее время построена и подтверждена экспериментально лишь единая теория электро- 2. срилософск»1е проблемы естествознания магнитных и слабых взаимодействий (С. Вайнберг, А. Салам, Ш. Глэшоу— ! 967) — теория электрослабых взаимодействий. Существует также теория, объединяющая в единое поле сильное и электрослабое поля. Она предсказывает несохранение барионного заряда и как следствие — спонтанный распад протона (со временем жизни портщка 102~ — 1022 лет), ряд других эффектов, которые пока экспериментально никак не подтверждены. В создании единой теории поля, как отмечалось выше, ключевую роль играет идея спонтанного нарушения вакуума.
Вакуум в современной физике не абсолютное ни гго, как представлялось ранее, а некоторое низшее состояние квантованных полей, характеризующееся отсутствием каких-либо реальных частиц. Классический вакуум (полное отсутствие поля), по сути, означает наличие определенных (равных нулю) значений полевых динамических переменных. Квантовый же принцип неопределенности говорит о невозможности для квантовых полей иметь в фиксированной точке пространства одновременно нулевое значение некоторой переменной и ее нулевую скорость изменения. Это и порождает специфическое свойство квантованных полей — их нулевые колебания, принципиально не устранимое своеобразное «дрожание», которое зафиксировано экспериментально.
Вакуумные флуктуации (нулевые колебания) существуют в каждой точке пространства и могут взаимодействовать с любыми элементарными частицами. В современной физике понятие вакуума стаю одним из основных в том смысле, что его свойства определяют свойства всех остальных состояний. Частицы и поля являются в некотором смысле лишь «модификацией» вакуума, а сами их свойства определяются взаимодействием с самим вакуумом, структуры, их породившей. Вакуум, по современным прелставлениям, обладает сложной структурой, и структура эта тесно связана с теорией расслоенных пространств. Элементы материи, частицы, рассматриваются как возбуждения вакуума. Сами по себе вакуумные флуктуации нестабильны, олнако стабилизируются при взаимодействии с кварковыми структурами. Именно так образуются реальные мезоны и барионы.
Это и означает, что вакуум можно считать системой, порождающей материю. Ключевым понятием при таком подходе становится понятие спонтанного нарушения симметрии, Идея спонтанного нарушения симметрии вакуума означает отход от представления о вакууме, в котором среднее значение энергии всех Физических полей равно нулю.
Оказывается, что могут существовать состояния с наименьшей энергией при отличном от нуля значении некоторых Физических полей. Неустойчивость и, как слелствие, спонтанное нарушение симметрии вакуума, своеобразная его «деформация» привалит к существованию вакуумного конденсата — состояния с отличным от нуля вакуумным средним. Вакуум в этом состоянии имеет вполне определенные энергетические характеристики, и это состояние следует рас- 2Л, Философские ородлсчы Физики сматривать как материальный объект.
Оно называется хиггсовским конденсатом (ХК), по имени Хиггса, впервые предложившего идею спонтанного нарушения симметрии. Как показывает теория, могут существовать и коллективные возбуждения ХК. Кванты этих возбуждений называют хиггсовскими бозонами (ХБ). В задаче экспериментального обнаружения ХБ состоит первая и основная проблема станлартной модели (СМ). Ее решение планируется осуществить в ближайшие 10 лет на крупнейших ускорителях.
Свойства ХБ несут уникальную информацию о свойствах самого вакуумного конденсата и его функциях, одной из которых является формирование масс покоя всех элементарных частиц. Обнаружение ХБ — ключевое событие, необхолимое для подтверждения всех изложенных концепций современной теории фундаментальных взаимодействий. Другой проблемой СМ является обоснование количества известных поколений частиц, выяснение природы их сходств и различий. Сходство заключается в том. что частицы всех поколений совершенно одинаково участвуют в фундаментальных взаимолействиях. Различие же, в частности, состоит в упомянутол1 выше расшеплении их спектра масс частицы второго и третье1 о поколений имеют более высокое значение масс.
В рамках сушествуюшей теории это объясняется на основании гипотезы о различной интенсивности взаимодействий час~ни разных поколений с изначальным ХК. В целом такая гипотеза представляется достаточно искусственной. Частицы, которые в принципе тождественны во всех отношениях, по какойто причине по-разному взаимодействуют с одним и тем же конденсатом. Очевидно, в этом проявляется неполнота наших знаний о вакууме. Третья принципиальная проблема СМ вЂ” это выделенный статус нейтрино. В настоящее время накопилось достаточно много экспериментальных данных, говорящих в пользу того, что нейтрино обладают очень маленькой (но все же отличной от нуля) массой. Численные оценки показывают, что они лежат в интервале от 1 до 1О эВ, что примерно в 1О тыс. раз меньше ближайшей к ним массы электрона и в 1О млрд раз легче самого тяжелого т-кварка.
Необходимо понять, в чем состоит физическая причина столь сильного различия масс элементарных частиц. Вопрос этот представляется тем более острым. что в рамках сушествуюшсй теории нет никаких причин, запрешаюших нейтрино иметь тс же величины массы, что и другие частицы. Эксперимент заставляет вводить в теорию некий малый параметр. связанный с массой нейтрино, резко отделяюший их от других частиц в спектре лшсс своего поколения.
В настоящее время мы просто не знаем причин пояыения столь малого параметра. Рассмотрение этих проблем требует либо включения в теорию более сложных и пока неизвестных вакуумных структур, либо принципиального выхода за рамки СМ, и даже пересмотр тех принципиальных оснований, на которых она строилась. 82 2 ФилосоФские проблемы сстсствозиииил Здесь мы напрямую сталкиваемся с философскими проблемами современной физики, а именно — с проблемой онтологического статуса объектов, рассматриваемых в теории. Частицы и поля, возникающие в теории, предполагаются существующими в прироле, что вовсе не очевидно.
В качестве примеров можно привести так называемые виртуальные частицы, а также хиггсовский бозон. Рассмотрим пример виртуальных частиц. В квантовой теории, точнее в теории взаимодействия частиц, само взаимодействие представляется как обмен промежуточными — виртуальными — частицами (ВЧ). Это теоретические объекты, в связи с которыми в свое время обсуждалась проблема физической реальное~и. ВЧ вЂ” объекты в современной квантовой теории поля, наделенные всеми характеристиками, что и реальные, «физические» частицы, но не удовлетворяющие некоторым существенным условиям и ограничениям, накладываемым на характеристики реальных частиц.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
