ЕДИНАЯ ТЕОРИЯ ПОЛЯ –
advertisement
ЕДИНАЯ ТЕОРИЯ ПОЛЯ – ТЕОРИЯ ФИЗИЧЕСКОГО ВАКУУМА Единая теория поля, иначе говоря – единая теория материи призвана свести всё многообразие свойств элементарных частиц и законов их взаимопревращения (взаимодействия) к неким универсальным принципам. Первым примером объединения различных физических явлений принято считать уравнения Максвелла. Электрические, магнитные и световые явления соединились в теории электромагнитного поля. Следующим этапом были попытки объединения электромагнитных и гравитационных явлений на основе общей теории относительности Эйнштейна, связывающей гравитационное взаимодействие материи с геометрическими свойствами пространства-времени. Однако существенно продвинуться, как принято считать, в этом направлении «геометризации» взаимодействий не удалось. Более плодотворным оказался путь расширения глобальной симметрии уравнений движения до локальной калибровочной симметрии, справедливой в каждой точке пространства-времени. На этом пути учёные построили объединённую теорию слабого и электромагнитного взаимодействий лептонов и кварков, не имеющую пока противоречий с экспериментом. Делаются попытки включения в эту схему и сильного взаимодействия. Другим направлением объединения, включающим также и гравитационное взаимодействие, является расширение калибровочной симметрии до так называемой супергравитации, объединяющей частицы с различными спинами. Единая теория поля остаётся мечтой. Но неразрывная связь между всеми частицами, их взаимопревращаемость, всё более явственно проявляющиеся черты единства материи заставляют учёных с настойчивостью искать пути подхода к единой теории, призванной объяснить всё многообразие форм материи. Что касается перспектив создания единой теории поля, то мы находимся, как я думаю, в уникальной ситуации, так как все основные элементы этой картины единой теории уже имеются. Важно увидеть их, важно найти верную точку зрения на давно привычные понятия и представления. И созданы эти элементы картины усилиями множества учёных на протяжении длительного времени. Однако драма современной фундаментальной науки в том, что она лежит под тяжестью собственного веса, под тяжестью всего того, что несёт с собой, нужного и ненужного. Излишний хлам, устаревшее, анахронизмы, отжившее свой век всё ещё довлеют над нашими представлениями. Как в этой груде когда-то нужного, но теперь мёртвого, как в этом вавилонском столпотворении разглядеть черты единой теории?! Поневоле вспомнишь один из подвигов мифического Геракла, который взялся вычистить авгиевы конюшни. Михаилу Ломоносову понадобилась не только научная честность, но и смелость, чтобы изгнать из физики понятие о теплотворной жидкости – флогистоне, общепринятой тогда некой материальной субстанции, проникающей в тела и их разогревающей. А посмотрите, сколько сегодня подобных «флогистонов», скрывающихся под различными названиями! Всемирное тяготение, положительный и отрицательный электрический заряд, химическое сродство, магнитное притяжение… Довольно и этого. Критикуется не явление в данном случае, а изжившие себя определения явлений. Часто определения совершенно не соответствуют сути явления. Например, солнце восходит, солнце заходит. С тяготением, с зарядами, со сродством дело обстоит таким же образом. И Эйнштейну понадобилась изрядная научная смелость, дабы отодвинуть в сторону общепризнанную гипотезу эфира, заполняющего пространство космоса. Осталось пустое пространство, остались частицы материи и поля. Единой среды, которая при ином исходе могла бы объединить частицы и поля, больше не было. Правда, впоследствии самому пространству пришлось придать черты материальности. А к концу двадцатого века под напором экспериментальных и теоретических данных учёные вынуждены были вернуться к единой материальной среде, и миф о пустом пространстве тихо исчез. И действительно, может ли пространство быть пустым?! Аристотель утверждал, что нет, ибо частицы в таком пространстве, не испытывая сопротивления, двигались бы с бесконечными скоростями. Нет – утверждал в средние века и Декарт. Пустота – ничто, а ничто не имеет линейных размеров. Всё, в том числе пространство, имеющее линейные размеры, материально! Длительное противостояние атомистов, признающих существование атомов и пустоты, и сторонников альтернативных представлений о континууме (материя бесконечно делима и не содержит пустоты) заканчивается, кажется, достойной победой последних. Сегодня передний край фундаментальных исследований – физический вакуум. Отнюдь не пустота, но сложный, многоликий, загадочный мир! Именно в теории физического вакуума воплотятся черты единой теории поля. В этой работе мне бы хотелось, помимо критики существующих представлений, коротко изложить своё видение узловых моментов будущей теории физического вакуума, то есть обозначить действительную природу четырёх основных видов взаимодействий материи: сильного, слабого, электромагнитного и гравитационного. Сильное взаимодействие Сильное взаимодействие – короткодействующее, существует только в пределах атомного ядра. За пределами ядра оно не проявляется. В обычном стабильном веществе при не слишком высокой температуре сильное взаимодействие не вызывает никаких процессов, и его роль сводится к созданию прочной связи между нуклонами в ядрах. Однако при столкновении ядер или нуклонов, обладающих высокой энергией, сильное взаимодействие приводит к многочисленным ядерным реакциям, к рождению тяжелых коротко-живущих частиц, с массами, превышающими массу нуклона в десятки, в сотни и даже в тысячу раз. Все эти сильновзаимодействующие частицы назвали адронами. Законченной теории адронов и их взаимодействий ещё нет, но имеется теория, которая, не являясь ни законченной, ни общепризнанной, позволяет объяснить основные свойства адронов. Эта теория – квантовая хромодинамика. Согласно теории, адроны состоят из кварков, а силы между кварками обусловлены обменом глюонами. В процессах сильных взаимодействий сталкивающиеся адроны могут обмениваться содержащимися в них кварками, и, кроме того, происходит также рождение и аннигиляция пар кварк-антикварк. Когда адрон участвует в процессе, в котором он получает большой импульс, то основное взаимодействие разыгрывается на малых расстояниях, глубоко внутри адрона. Здесь сильное взаимодействие кварков с глюонами, а следовательно, и кварков между собой, ослабевает и на столкновение кварка с энергичной частицей (с электроном или другим кварком) соседние кварки влияют очень слабо. Таким образом, при больших передачах импульса кварки (и глюоны) сталкиваются как практически свободные частицы. Подобное свойство кварков и глюонов назвали асимптотической свободой. Теория сильных взаимодействий на малых расстояниях, связанная с асимптотической свободой, практически завершена. Но динамика взаимодействия на больших расстояниях и, в частности, механизм «пленения» кварков поняты пока не столь хорошо. Здесь, как считают учёные, важную роль играют глюонные флуктуации физического вакуума. Возможно, что адроны являются как бы пузырьками кваркового газа в плотном вакууме, создаваемом флуктуациями глюонного поля. Качественно такой вывод согласуется с описанием адронов на основе так называемой «модели мешков». Понять и объяснить рождение множества тяжелых частиц адронов в реакциях столкновения нуклонов и ядер можно, как мне кажется, только одним образом: нуклон не крупица некой материи с формой, размером и электрическим зарядом, а нуклон – это процесс, движение, динамика в материальной среде, в данном случае, в физическом вакууме, движение колебательной, осциллирующей природы с известным значением амплитуды. Физический вакуум – среда, имеющая строение, свойства, характеристики. Вакуум – среда с колоссальной плотностью, о чём говорит скорость распространения электромагнитных волн. Она обладает свойствами прерывности и непрерывности. Первоэлементы среды – масштабные точки – и локальны в пространстве, и бесконечны. Поведение масштабных точек вакуума подобно поведению двух шариков, соединённых пружинкой (Рис. 1). Рис. 1 Механический осциллятор Рис. 2 Одномерный осциллятор в цепочке и его амплитудная характеристика Сближение или разведение их вызывает возникновение в пружине возвратной силы. Отпустив шарики, получаем затухающий во времени колебательный процесс. Когда же мы возьмём не два шарика, а бесконечную цепочку их, соединённых пружинками, то возмущение двух соседних сближением или разведением вызовет колебательный процесс, который погонит в оба конца цепочки волны похожей природы (Рис.2). Теперь перенесём эту картину в трёхмерное пространство. В итоге мы должны получить трёхмерный радиальный осциллятор колебаний плотности среды. Это удивительный объект! Оставив в стороне механическую аналогию из шариков и пружинок и обратившись к реальной среде, мы поймём, что такой осциллятор действительно может существовать. Сферическая стоячая волна колебаний плотности возбуждает вокруг себя волны такой же природы, но с меньшей амплитудой колебаний. Радиальный осциллятор стабилен, энергоёмок, при определённых условиях может перемещаться как целое, вести себя подобно частице. Вполне наглядная модель устойчивой частицы – нуклона. Обилие же тяжелых короткоживущих адронов объясняется здесь элементарно просто. Столкновение энергичных нуклонов и ядер деформируют на короткое время плотность вакуума, вызывая скачки амплитуд колебаний, но амплитуд не радиальной нуклонной формы, и потому неустойчивых. Надо заметить, что плотность вакуума в локальной области может изменяться в бесконечном диапазоне: от плюс бесконечности (сжатие) до минус бесконечности (расширение). Таким образом, чем более энергичными будут сталкивающиеся нуклоны и ядра, тем большими будут «массы» рождающихся короткоживущих частиц. Амплитуда деформации плотности вакуума не ограничена, а стало быть, и энергоёмкость вакуума также не ограничена. Природа взаимодействия в ядре подобных частиц-осцилляторов (нуклонов) здесь просматривается довольно ясно. Законы волновой механики хорошо усвоены, и без особого труда можно сформулировать теорию объединения радиальных осцилляторов в устойчивые системы. В роли так называемых обменных частиц здесь выступают значения амплитуд волновых полей соседних осцилляторов. Как оказалось впоследствии, радиальный осциллятор – отнюдь не умозрительный объект. Модель такого рода осциллятора была получена математиками в теории солитонов. Имя ему – бризер. Похожие модели осцилляторов плотности проглядываются в работах иных физиков-теоретиков, в частности, в теории Бома-Вижье. Рис. 3 Символическое изображение вселенной Что касается рождения и строения вселенной, то здесь гипотеза Большого взрыва получает альтернативный вариант. Взрыва первого сгустка материи не было, но у вселенной есть центр, в котором пульсирует первочастица, первоатом с бесконечным или не бесконечным значением амплитуды (Рис. 3). Эволюция так называемой материи есть всего-навсего эволюция форм движения, которая протекает по радиусу от центра вселенной к периферии. Материя физического вакуума везде и всюду остаётся сама собой, но движение, удаляясь от центра, проявляет многообразие форм: от простой радиальной осцилляции (дыхание вакуума) до сложной биологической формы. Слабое и электромагнитное взаимодействие Электромагнитное и слабое взаимодействие, при поверхностном взгляде весьма разные по своей природе, в действительности оказались двумя разновидностями единого – так называемого электрослабого взаимодействия. Теория электрослабого взаимодействия решающим образом повлияла на развитие физики элементарных частиц. Суть теории Вайнберга и Салама состоит в описании слабого взаимодействия на языке концепции калибровочного поля. Представляя слабое взаимодействие в виде калибровочного поля, необходимо исходить из того, что все частицы, участвующие в этом взаимодействии, служат источниками поля нового типа – поля слабых сил. Слабо взаимодействующие частицы, такие как электроны и нейтрино, являются носителями «слабого заряда», который аналогичен электрическому заряду и связывает эти частицы со слабым полем. Слабое взаимодействие отвечает в основном за распад и за превращение элементарных частиц. Наиболее распространённый процесс, обусловленный слабым взаимодействием, – бета-распад радиоактивных атомных ядер. Итальянский физик Э.Ферми построил теорию бета-распада, согласно которой электрон и антинейтрино, вылетающие из бета-активного ядра, не находились в нём до этого, а возникают в момент распада. Это явление аналогично испусканию фотонов света возбуждёнными атомами. Причиной такого процесса является взаимодействие электрических зарядов частиц с электромагнитным полем: движущийся электрон создаёт эл. магнитный ток, который возмущает эл. магнитное поле. В результате подобного взаимодействия частица передаёт энергию квантам этого поля – фотонам. Обмен фотонами обусловливает взаимодействие. Теория бета-распада Ферми по существу аналогична теории электромагнитных процессов. Ферми положил в основу теории взаимодействие двух «слабых токов», но взаимодействующих между собой не на расстоянии путём обмена частиц (напр. Фотоном), а контактно. Исходя из изложенного выше взгляда на физический вакуум как единственную материальную сущность, и на нуклон как радиальную осцилляцию плотности вакуума, можно сделать несколько интересных замечаний относительно природы так называемых электромагнитных волн, электрона и нейтрино. Совершенно очевидно, что радиальный осциллятор как целое, двигаясь под воздействием внешних сил в своём волновом поле и в поле соседних осцилляторов, порождает новое волновое возбуждение, но отличное от продольных колебаний. Появляется поперечная сдвиговая волна, ориентированная в пространстве. Частота этой поперечной волны обусловлена частотой колебательного движения осциллятора в волновом поле как целого. Таким образом, исходный волновой процесс (продольные колебания) при известных условиях рождает другие волны иной природы, а именно – электромагнитные. Электрон, по моему мнению, не является радиальной осцилляцией плотности, как нуклон. Электрон есть волновое спиралеобразное ориентированное в пространстве (левый, правый винт; спин) возбуждение вакуума. Имея массу покоя, он никогда не находится в покое. Скорость перемещения этого возбуждения может изменяться. Приближаясь к скорости света, поток электронов превращается в поток гамма-излучения. Электроны рождаются в результате возмущения движения нуклонов, связанных в системы или свободных. Проводники тока отличаются от диэлектриков постоянным наличием этих электроноввозбуждений. Слабая связанность одного или двух нуклонов в системе ядра вносят постоянное возмущение в общее согласованное движение системы нуклонов. Нейтрино, частица, не имеющая массы покоя, тоже есть некоторое специфическое возбуждение вакуума, и она также характеризуется ориентированностью в пространстве. Известно, что нейтрон, находясь в свободном состоянии, через восемь минут распадается на протон, электрон и антинейтрино. Находясь в ядре, протоны и нейтроны неразличимы, потому-то они и имеют общее название – нуклон. Нейтрон, как мне представляется, есть лишь возбуждённый протон, радиальная осцилляция, двигающаяся как целое совершенно особым образом. Оказавшись вне ядра, нейтрон в течение восьми минут «остывает», превращаясь в протон, порождая два волновых возбуждения: электронное и антинейтринное. Само понятие – электрический заряд – при новом взгляде на физический вакуум и протонную осцилляцию трансформируется. Загадочная и непонятная сущность заряда исчезает, уступая место простому, наглядному образу радиального осциллятора. Если понятие «заряд» и остаётся, то как заряд движения, не более того. Движение зарядов к полюсам магнита есть результат взаимодействия волновых спиралеобразных возбуждений вакуума, порождаемых движениями осцилляторов. Если «винт» полюса магнита совпадает с «винтом» заряда – частица притягивается. Если же не совпадает – отталкивается. Интерференционное наложение волновых спиралеобразных возбуждений одной ориентации, увеличивая динамику вакуума, уменьшает плотность и давление вакуума в области наложения. Мы говорим – магнит притягивается к железу. А следовало бы говорить – магнит придавливается к железу. Придавливается давлением и плотностью физического вакуума, находящегося вне области интерференционного наложения. Гравитационное взаимодействие Исторически гравитация (тяготение) первым из четырёх фундаментальных взаимодействий стала предметом научного исследования. Хотя человек всегда был знаком с гравитацией и основывал на ней сами понятия «вверх» и «вниз», истинную роль гравитации как силы природы удалось в полной мере осознать только после появления в семнадцатом веке ньютоновской теории – закона всемирного тяготения. Важная особенность гравитации – её универсальность. Ничто во вселенной не избавлено от неё. Каждая частица испытывает на себе действие гравитации. Сила гравитационного взаимодействия одинакова у всех частиц, все тела независимо от их веса или состава падают одинаково. Сила гравитации, действующая между частицами, всегда представляет собой силу притяжения: она стремится сблизить частицы. Гравитационное отталкивание, или «антигравитация», никогда ещё не наблюдалось. Возможно, наиболее удивительной особенностью гравитации является её малая интенсивность. Величина гравитационного взаимодействия между компонентами атома водорода составляет ничтожную величину от силы взаимодействия электрических зарядов. В мире субатомных частиц гравитация настолько слаба, что физики склонны полностью пренебрегать ею. Она не проявлялась ни в одном из наблюдавшихся до сих пор процессов с участием частиц. В начале двадцатого столетия Альберту Эйнштейну удалось построить новую необычную теорию, толкующую гравитационные взаимодействия как проявления кривизны пространства-времени. Присутствие в пространстве тела изменяет метрику пространства, деформирует его, и лёгкие тела как бы «скатываются» к массивному телу по наклонной плоскости. И всё же, несмотря на стройность и красоту эйнштейновской теории, в ней имеются свои сложности, связанные главным образом с законами сохранения. С другой стороны, она остаётся чисто математической теорией, физические реалии в ней полностью отсутствуют. Мне кажется, можно «примирить» математическую стройность теории Эйнштейна с физической реальностью довольно простым путём, а именно – путём замены одного понятия другим. Речь идёт о понятии кривизны пространства-времени. Частицы, как было сказано выше, есть продольные осцилляции плотности физического вакуума, возбуждающие вокруг себя сферические волны той же природы, не знающие пределов распространения. Космическое тело (допустим, Земля), образованное колоссальным множеством таких частиц, создаёт вокруг себя поле низкого давления. Из классической физики известно, что с движением среды уменьшается плотность и давление среды. Массивное тело, таким образом, является источником гравитационного потенциала, за которым стоит всего-навсего градиент давлений. У поверхности Земли давление минимально. С удалением от планеты давление и плотность физического вакуума постепенно возрастают. То есть никакого притяжения нет, есть плотность среды, выталкивающая из себя тела в сторону области низкого давления. Эта сила подобна архимедовой силе, только действующей не вверх, а вниз. С удалением от поверхности Земли выталкивающая сила пропорционально убывает. Свободно падающие тела получают ускорение именно благодаря падению градиента давления среды с приближением к поверхности Земли. Поднимая штангу, спортсмен борется не с тяготением Земли, а с давлением и плотностью физического вакуума. Тождественность тяжелой и инертной массы, которая подвигла Эйнштейна на создание общей теории относительности, теории гравитации, объясняется одним понятием – давлением. Инертная масса человека в движущемся с ускорением вверх лифте создаётся давлением пола снизу. Тяжелая масса создаётся давлением плотной среды сверху (не путать с атмосферным давлением). Тяготения как такового нет, есть эффект тяготения, за которым стоит давление. Кстати сказать, к похожему толкованию причин тяготения пришли в своё время Леонардо да Винчи, Михаил Ломоносов и сам Ньютон. Но Ньютон не мог объяснить, почему плотность и давление среды вокруг массивных тел изменяются таким образом. Представления о кривизне пространства-времени в теории гравитации Эйнштейна следует заменить представлениями об изменяющейся плотности среды, и физическая суть станет очевидной. Математический каркас теории Эйнштейна, что примечательно, почти не пострадает. Гравитационное поле, следовательно, представляет собой хаотическую гигантскую концентрацию волновых полей частиц, составляющих тело. Образно говоря, гравитационное поле отличается от электромагнитного поля как толпа людей на базарной площади от военного парада. Когда Герман Минковский, следуя идеям теории относительности, объединил в один четырёхмерный континуум пространство и время, то, может быть, сам не сознавая того, ввёл в физическую картину мира неразрывное с пространством-материей движение. Тезис хорошо известный в диалектическом материализме: материя не может существовать без движения, а движение – без материи. Говоря о кривизне пространства-времени в общей теории относительности Эйнштейна, кривизне, которой учёный пытался объяснить причину тяготения, следует понимать кривизну не как застывшую деформацию, скажем, одномерной нити или двухмерной плоскости, а как движение, как динамику материального пространства, где метрика кривизны-движения от точки к точке изменяется. В заключение мне бы хотелось вспомнить одну интересную теорию Эйнштейна, в которой автор попытался смоделировать частицу материи, и эта частица, если хорошо вникнуть, очень близка модели радиального осциллятора плотности. Это теория «мостов». Когда-то Эйнштейн показал, что, согласно общей теории относительности, существуют свободные от сингулярностей решения уравнения поля, причём эти решения можно интерпретировать как представляющие частицы. За основу бралось центральносимметричное решение уравнения поля, предложенное Шварцшильдом. Если в этом уравнении заменить переменную радиуса на величину плотности поля, то удавалось избежать сингулярности и решение получалось регулярным при всех значениях плотности. Если плотность поля меняется от минус бесконечности до плюс бесконечности, радиус меняется от плюс бесконечности до радиуса двух электронных масс и обратно до плюс бесконечности, тогда как значениям радиуса, меньшим двух электронных масс, не соответствуют никакие действительные значения плотности. Отсюда следует, что решение Шварцшильда становится регулярным, если представить физическое пространство (читай – вакуум) состоящим из двух «оболочек», граничащих вдоль гиперповерхности плотности равной нулю, т.е. радиуса двух электронных масс, тогда как на самой гиперповерхности детерминат равен нулю. Эйнштейн назвал такую связь между двумя оболочками «мостом». Существование такого моста между двумя оболочками в конечной области соответствует существованию нейтральной материальной частицы, описанной способом, свободным от сингулярностей. Заменив эйнштейновские представления о двух оболочках на представления о двух возможных состояниях вакуума – положительной и отрицательной плотности, мы получим радиальный осциллятор плотности, где положительная плотность (сжатие) не «застревает» в сингулярности, а «отскоком» переходит в отрицательную плотность – фазу расширения. Связь, мост между двумя состояниями – через колебание, через динамику. Март 2000 г.
