Физика элементарных частиц и t-кварк

Возможно ли, что с повышением максимально достижимых энергий ускорителей элементарных частиц ученые обнаружат, что оставшиеся три взаимодействия сводятся к меньшему числу еще более фундаментальных взаимодействий? Теоретики абсолюно уверены в положительном ответе на данный вопрос. Предложен целый ряд сценариев подобного объединения (например, теории великого объединения и суперсимметричные теории). Однако пока нет ясности, на каком масшабе энергий достигается новая стадия объединения и будет ли доступен этот масштаб для эксперименальной проверки в XXI-ом веке. Может возникнуть иной вопрос, а не откроют ли физики новое фундаментальное взаимодействие, принципиально отличное от всех вышеперечисленных? С одной стороны, зксперименты по обнаружению так называемой "пятой силы" (если четырьмя хорошо установленными считать гравитационные, электромагнитные, сильные и слабые силы) ставятся постоянно, но пока ни один из них не привел к положительному результату. С другой - никто не доказал, что "пятая сила" принципиально не может существовать в природе.

На микроскопическом уровне все фундаменальные взаимодействия передаюся при помощи посредников - полей калибровочных бозонов. Бозоны - потому, что ассоциированные с рассматриваемыми полями частицы подчиняются статистике Бозе-Эйнштейна, то есть имеют целый спин. Переносчик электромагнетизма - фотон () - имеет спин равный единице. Переносчики слабого взаимодействия электрически нейтральный - бозон и электрически заряженные - бозоны, а также переносчики сильного взаимодействия () - глюоны, аналогично фотону имеют спин, равный единице . Эти частицы открыты экспериментально, их свойства хорошо изучены. Считается, что переносчик гравитационного взаимодействия - гравитон - имеет спин, равный двум. Гравитон до сих пор не обнаружен и, скорее всего, не будет обнаружен еще очень долго. Слово "калибровочный" указывает на теоретический прием, используя который, переносчики фундаментальных взаимодействий вводятся в теорию. Даже качественное обсуждение данного приема далеко выходит за рамки предисловия.

Читателя не должен смущать и тот факт, что физики постоянно говорят о полях и частицах как о чем-то взаимозаменяемом, блее того, эквивалентном. Действительно, в классических теориях частицы и поля суть совершенно разные физические объекты. Например, электромагнитное поле и альфа-частица. В квантовой теории оба понятия получают естественное обобщение, восходящее к принципу корпускулярно-волнового дуализма Луи де Бройля. Любая микрочастица описывается волновой функцией (или полем), которая, в свою очередь, (вторично) квантуется в терминах операторов рождения и уничтожения квантов этого поля, то есть в терминах рождения и уничтожения частиц. Одним из первых подобный подход в 20-х годах XX-го века был предложен отечественным физиком-теоретиком В.А.Фоком.

У многих студентов младших курсов и у "здравомыслящих" людей, не имеющих дела с микромиром, возникает естественное непонимание, как это может быть, что одна и таже микрочастица в некоторых экспериментальных ситуациях ведет себя подобно волне, а в некоторых - подобно частице? Подсознательно хочется иметь некую наглядную картинку столь странного поведения. Попытаемся нарисовать один из возможных вариантов такой картинки.

Предположим, что жители плоскости хотят описать результаты исследований трехмерного куба, половина граней которого - зеленые, а половина - красные. У плоских ученых в наличии имеются лишь двумерные приборы, а в качестве понятийного аппарата используется двумерная геометрия Евклида. Куб в данном примере играет роль наглядного образа микрочастицы. Куб не зеленый, не красный и не плоский. Он цельный трехмерный объект с шестью гранями разного цвета. Как же могут себе представить куб двумерные ученые? По их мнению, исследуемый объект есть совокупность квадратов, имеющих то странное свойство, что в зависимости от постановки эксперимента квадрат становится то красным, то зеленым, но никогда не красно-зеленым или зелено-красным. На основе своих экспериментов плоские ученые могут создать "квантовую механику" трехмерного цветного куба, которая в качестве существенного элемента будет опираться на принцип "красно-зеленого дуализма". Взаимодействие куба с плоскостью двумерные ученые вполне могут описывать при помощи "волновой функции куба", которая редуцируется после взаимодействия либо к зеленому, либо к красному квадрату. Переходя от кубов и плоскостей к реальным микрочастицам, можно сказать, что любая микрочастица обладает цельным свойством "микрочастичности", для описания которого мы - жители сугубо макроскопического мира - вынуждены неким непротиворечивым образом манипулировать исключительно макроскопическим понятием (других не имеем и не воспринимаем!) плотности вероятности, крайними проявлениями которого в координатном представлении являются макроскопические понятия волны и корпускулы. Очевидно, что представленная наглядная картинка страдает рядом дефектов. Предлагаю читателям самостоятельно придумать более корректный пример.

Другое по теме

Аппараты для воздействия на водонефтяные эмульсии магнитным полем
В статье проведен анализ водонефтяных эмульсий Волковского, Южно-Ягунского и Арланского месторождений, а также известных методов и способов, направленных на разрушение водонефтяных эмульсий. Подробно рассмотрены установки для обработки эмульсий электромагнитным полем, показаны их технические характеристики и результаты ...

Антропный космологический принцип
Идеи антропного космологического принципа, развивавшиеся в последнем столетии XX века, представляют большой научный интерес с точки зрения ответа на вопросы происхождения и эволюции окружающего мира. Основная идея этого принципа состоит в том, что фундаментальные свойства Вселенной, значения основных физических констант ...