Современное состояние науки

Успехи науки в изучении вселенной складываются из наблюдений и выдвижений идей (гипотез). Такого рода взаимообмен именуют научным методом. Так начинают свою книгу А.Уиггинс и Ч.Уинн. (Уиггинс А., Уинн Ч. Пять нерешенных проблем науки. – М.: ФАИР-ПРЕСС, 2005. – 304с.). Эти авторы привлекают наше внимание к пяти крупнейшим научным проблемам современности, с которыми полезно познакомиться студентам, аспирантам, соискателям и молодым ученым. Перечислим кратко проблемы:

-физика. Связанные с движением свойства массы тела (скорость, ускорение и момент наряду с кинетической и потенциальной энергией) нам хорошо известны. А природа самой массы, присущей многим, но не всем элементарным частицам вселенной, нам не понятна. Крупнейшая нерешенная задача физики такова: почему одни частицы обладают массой (покоя), а другие нет?

-химия. Изучение химических реакций живых и неживых тел ведется широко и успешно. Крупнейшая нерешенная задача химии такова: какого рода химические реакции подтолкнули атомы к образованию первых живых существ?

-биология. Недавно удалось получить геном, или молекулярный чертеж, многих живых организмов. Геномы несут информацию об общих белках, или протеоме, живых организмов. Крупнейшая нерешенная задача биологии такова: каково строение и предназначение протеома?

-геология. Модель тектоники плит удовлетворительно описывает последствия взаимодействия верхних оболочек Земли. Но атмосферные явления, особенно тип погоды, похоже, не поддаются попыткам создать модели, ведущие к получению надежных прогнозов. Крупнейшая нерешенная задача геологии такова: возможен ли точный долговременный прогноз погоды?

-астрономия. Хотя многие стороны общего устройства вселенной хорошо известны, в ее развитии еще много неясного. Концепция расширяющейся вселенной приводит к мысли, что она будет расширяться бесконечно. Крупнейшая нерешенная задача астрономии такова: почему вселенная расширяется со все большей скоростью?

Полагая, что данный срез научных проблем весьма полезен начинающим ученым для расширения их научного и культурного кругозора, изложим свою версию, расширив круг проблем до вопросов о природе сознания.

Физика

Последнее десятилетие в исследованиях физики элементарных частиц внешне выглядит, как довольно спокойное, лишенное крупных прорывов. Между тем это далеко не так и все в этой сфере знаний чревато революционными открытиями. Это означает, что нам вскоре предстоит пересмотреть многие традиционные представления о мире.

Один из основных вопросов – это происхождение массы. Почему одни элементарным частицам она присуща (масса покоя), а другим – нет? Что придает массу тем или иным частицам, почему масса частиц различается, отсутствует ли что-то еще у тех частиц, которые не имеют массы?

Масса тела связана с количеством содержащегося в нем вещества, а оно состоит из атомов. Атомы состоят из электронов, протонов и нейтронов. В ядре атома водорода всего один протон, а в ядрах тяжелых элементов, например в свинце, или уране, их уже более двухсот, причем протонов приблизительно столько же, сколько нейтронов.

Электроны – это элементарные частицы (не составные), чего нельзя сказать о протонах и нейтронах, которые настолько похожи друг на друга, что физики считают их как бы двумя состояниями одной и той же частицы – нуклона. Когда у нуклона нет электрического заряда – это нейтрон, когда же в результате взаимодействия он получит заряд, возникает протон. В каком-то смысле нуклон напоминает монету: одна ее сторона – протон, а другая – нейтрон. Подобным образом можно сгруппировать и другие частицы с близкими свойствами. Каждая из них представляет собой как бы сторону единого многогранника. Частицу мезон, например, можно уподобить трехгранной пирамиде: одна ее сторона соответствует отрицательно заряженному мезону, вторая – мезону с положительным зарядом, а третья – их нейтральному собрату.

Для описания свойств заряженных и нейтральных частиц в физике вводится особая величина – изотопический спин. Это нечто вроде момента количества движения вращающегося штопора, только вращающегося не в обычном пространстве, а в зарядовом. Когда изотопический спин нуклона направлен вверх – частица является протоном, когда вниз – нейтроном. Изотопический спин мезона имеет три направления – верх, вниз и вбок. Есть частицы, чей спин обладает еще большим количеством направлений.

Когда жонглер подбрасывает шары, они мелькают, создавая эффект кучи шаров. Сходным образом ведут себя протон и нейтрон. Очень быстро испуская и поглощая легкую частицу мезон, они создают вокруг себя облако электрических зарядов. Продолжительность каждого отдельного акта испускания и поглощения очень мала, но благодаря многократным их повторениям возникает некая пространственная структура. Точечная частица превращается в протяженную, или, как говорят физики, в размазанную.

Испустив положительно заряженный мезон, протон становится нейтроном, а нейтрон, испустив отрицательно заряженный мезон, превращается в протон. Если же испускается нейтральный мезон, то протон так и остается протоном, а нейтрон – нейтроном. С первого взгляда все это противоречит здравому смыслу, ведь нейтрон тяжелее протона. Как же может протон превратиться в более тяжелый нейтрон, да еще и оторвав от себя довольно увесистый кусочек в виде мезона? Во всех этих процессах масса двух конечных частиц действительно больше массы исходной частицы. И в силу закона сохранения энергии такие процессы невозможны. И, тем не менее, они происходят, а закон не нарушается.

Благодаря особенностям волнового движения микрочастиц их траектории (можно даже сказать, что сами эти частицы) как бы размазаны в пространстве. При этом скорость, а, следовательно, и энергия частицы в течение очень короткого времени оказываются несколько неопределенными – как раз настолько, чтобы скомпенсировать кажущееся несохранение энергии.

Рождение элементарных частиц (их пока несколько сотен, но список их продолжает расти, он может достичь сотен миллионов, но самых элементарных – около двух десятков, и все они – весьма сложная материя) рассматривается физиками как квантовая флуктуация (колебания, отклонение от нормы) массы и энергии, благодаря чему у любого физического тела эти величины в каждый момент времени оказываются чуть-чуть неопределенными. Точное значение они имеют лишь в среднем – для больших интервалов времени.

Получается, что частицы оказываются погруженными в силовое поле. И их массы уменьшаются – частицы становятся легче. Излишняя масса выделяется в виде излучения в окружающее пространство. То же самое происходит при слиянии атомных ядер: брызги энергии разлетаются во все стороны в виде быстро движущихся частиц и электромагнитных волн. Выделение энергии в процессах слияния может быть огромным, как это происходит при взрыве водородной бомбы, когда из каждых двух ядер тяжелого водорода, содержащегося внутри бомбы, образуется ядро гелия. Чем больше высвобождается энергии, тем более плотной и крепко связанной оказывается составная система – ядро или частица и тем труднее расщепить ее на части.

Любопытно, что масса поля, связывающая протон и нейтрон в ядро тяжелого водорода, в тысячи раз меньше их собственной массы. Поэтому, объединяясь в ядро, эти частицы не теряют своей индивидуальности – остаются сами собой. А вот внутри самого протона и нейтрона связи настолько сильны, что кварки, мезоны и другие частицы, из которых слеплен нуклон, почти полностью растворены в энергии их взаимодействия. Внутри элементарной частицы на связь их частей уходит значительная часть общей энергии и массы. Это как раз и отличает элементарную частицу от тех частиц, которые мы называем составными, хотя и те и другие имеют сложную внутреннюю структуру.

Энергию связи вычислить нетрудно. Она равна разности массы частицы и суммы масс частиц – ее компонентов. Зная эту энергию, мы сразу же можем сказать, элементарная это частица или составная.

Электроны (нейтрино – это выродившиеся электроны, потерявшие заряд и массу) образованы из кварков. Нейтрино и другие слабовзаимодействующие электроноподобные частицы нельзя построить из кварков, это частицы-точки, физики называют их лептонами (легкий), а все сильновзаимодействующие частицы – адронами (тяжелый). Чтобы выяснить природу кварков, мы рассмотрим стандартную теорию поля, а также теории, которые выходят за ее границы.

Изучение Эрнстом Резерфордом альфа-частиц привело в начале 20 века к открытию ядра. Атом оказался состоящим из ядра с положительно заряженными протонами и нейтральными нейтронами, вокруг ядра обращались электроны. В частности, становится понятным, что ядра всех веществ, которые нас окружают, содержат протоны и нейтроны, а они, в свою очередь, состоят из кварков, крепко-накрепко связанных глюонами.

Кварки вошли в физику вместе с именами двух американских теоретиков –Мюррея Гелл-Манна и Джорджа Цвейга, которые придумали их для того, чтобы сделать более симметричной составленную ими таблицу элементарных частиц, а название этих частиц (кварки) было взято из романа ирландского писателя Джеймса Джойса «Поминки по Финнегану», где это слово означает нечто неопределенное. Мало кто поначалу поверил в реальность кварков, их долгое время считали теоретическим курьезом, не более того, поскольку весьма необычными были их свойства. Однако прошло не так уж много времени и оказалось, что без кварков просто не невозможно обойтись, они как атомы и молекулы в химии. Как и всякая заряженная частица, проходящая через вещество, кварк взаимодействует с атомарными электронами. Их орбиты в удаленных атомах искажаются, а те электроны, которые находятся вблизи траектории кварка, срываются его электрическим полем, и атомы превращаются в заряженные ионы. Чем больше заряд частицы, тем большим числом поврежденных атомов усеян ее путь в веществе. Это свойство и используется в большинстве опытов по поиску кварков: ведь их электрические заряды отличаются от зарядов всех других частиц. Если заряд электрона принять за единицу, то заряд кварка будет дробным: у одного он окажется равным двум третям, а у других – одной трети. Опыты по «просвечиванию» протонов и нейтронов пучками лептонов (электронов и нейтрино) определенно говорят в пользу того, что эти частицы содержат внутри себя некие «зерна» с дробными электрическими зарядами и другими свойствами, которые должны быть у кварков.

Итак, в современной теории строения материи главную роль играют два вида частиц: кварки и лептоны, а также три из четырех известных фундаментальных взаимодействий – электромагнитное, сильное и слабое. Гравитация (в квантовой теории это поток частиц, типа гравитонов, гравитино) пока остается в стороне. Кварки, из которых состоят протоны и нейтроны, могут быть как причиной возникновения всех трех сил, так и подвергаться их воздействию, а лептоны (самый известный из которых – электрон) в свою очередь не подвержены сильному взаимодействию.

Стандартная модель физики своими успехами обязана важнейшим экспериментальным открытиям 1970-х и 1980-х годов, она рассматривает частицы как геометрические точки. Любой объект состоит всего лишь из нескольких типов элементарных частиц, полный набор которых включает в себя шесть кварков и шесть лептонов.

Из кварков состоят протоны, нейтроны и большое количество менее известных частиц. Кварки никогда не наблюдаются поодиночке. Все они получили весьма экзотические названия:

-верхний – он входит в состав атомного ядра; два верхних кварка и один нижний образуют протон;

-нижний – он входит в состав атомного ядра; два нижних и один верхний кварк образуют нейтрон;

-очарованный – это нестабильный более тяжелый «родственник» верхнего кварка;

-странный – это нестабильный более тяжелый «родственник» нижнего кварка, он входит в состав хорошо изученной частицы – каона;

-истинный – это самая тяжелая из известных частиц, сравнимая по массе с атомом осмия, «время жизни» составляет 1- в минус 25 степени сек;

-прелестный – это нестабильная и еще не более тяжелая копия нижнего кварка входит в состав хорошо изученного В-мезона.

Теперь о лептонах. Эти частицы нечувствительны к сильному взаимодействию и наблюдаются как отдельные частицы. Каждый вид нейтрино – это фактически смесь разных видов нейтрино, каждый из которых имеет определенную массу, не превышающую нескольких эВ. Вот их характеристики:

-электронное нейтрино – оно нечувствительно к электромагнитному и сильному взаимодействиям, что важно для объяснения радиоактивности;

-электрон – самая легкая заряженная частица, движение которой является причиной возникновения электрического тока; входит в состав атома;

-мюонное нейтрино – проявляет себя в слабых взаимодействиях с участием мюона;

-мюон – более тяжелый аналог электрона, «время жизни» составляет 2,2 мск, был обнаружен в составе космических лучей;

-тау-нейтрино – проявляется в слабых взаимодействиях с участием тау-лептона;

-тау-лептон – другой нестабильный и еще более тяжелый аналог электрона, «время жизни» составляет 0,3 пс.

На квантовом уровне каждая сила передается специальной частицей или их набором. Переносчиками взаимодействия являются бозоны. Укажем на их основные характеристики:

-фотон – переносчик электромагнетизма, квант света, действующий на заряженные частицы на ограниченных расстояниях;

-Z-бозоны – посредник при слабых взаимодействиях, не изменяющий самих частиц. Действие распространяется на малых расстояниях, около 10 в минус 18-й степени;

W-/W+-бозоны – это посредники при слабых взаимодействиях, изменяющие аромат (определенную физическую характеристику) и заряд частицы. Действие распространяется на малых расстояниях, около 10 в минус 18 степени;

-глюоны (клей) – электрически нейтральные частицы, восемь видов глюонов переносят сильное взаимодействие; они взаимодействуют с кварками и с другими глюонами и не подвержены влиянию электромагнитных и слабых сил. В отличие от нейтральных фотонов – переносчиков электромагнитного взаимодействия – глюоны несут цветовой заряд и поэтому непосредственно взаимодействуют между собой. Напомним еще раз, что цвет – это присущее кваркам и глюонам квантовое число, которое ничего общего не имеет с расхожим представлением о цвете;

-бозон Хиггса (еще не наблюдался) – предполагается, что он наделяет W и Z-бозоны, кварки и лептоны массой.

Как действуют силы? Взаимодействие между несколькими сталкивающимися частицами может изменить их энергию, импульс или тип. Это взаимодействие может даже повлечь спонтанный распад изолированной частицы. Перечислим характеристики взаимодействий:

-сильное взаимодействие – ему подвержены кварки, а глюоны являются его переносчиками. Они связывают их вместе, образуя протоны, нейтроны и другие частицы. Косвенно оно влияет на связь протонов и нейтронов в атомных ядрах;

-слабое взаимодействие – ему подвержены кварки и лептоны. Самый известный эффект слабого взаимодействия – превращение нижнего кварка в верхний, что в свою очередь заставляет нейтрон распасться на протон, электрон и антинейтрино;

-электромагнитное взаимодействие – ему подвержены заряженные частицы. При этом под воздействием электромагнитных сил сами частицы не изменяются, а лишь приобретают свойство отталкиваться в случае одноименных зарядов;

-взаимодействие Хиггса – согласно предположениям, поле Хиггса заполняет все пространство как жидкость, ограничивая дальность слабых взаимодействий. Также бозон Хиггса взаимодействует с кварками и лептонами, обеспечивая существование их массы.

Различие между двумя категориями частиц (кварками и лептонами) – есть свойство, похожее на электрический заряд и называемое цветом. Это название условное и не имеет никакого отношения к обычным цветам. Ведь цвет – это свойство тела, зависящее от того, какую часть спектра падающего на него света тело поглощает, а какую рассеивает. Кварк только рассеивает свет, поглощать его он не может, так как для этого он должен был бы быть не простейшим кирпичиком, а системой со сложной структурой, с электронным уровнем, на возбуждение которой и пошла бы энергия поглощаемого света. Цвет кварка – это только удобный термин, такой же как «странность», «очарование». Так вот, кварки как раз имеют цвет, а лептоны не имеют его.

Теперь несколько предварительных сюжетов о симметрии и законе сохранения энергии. Дело в том, что закон сохранения энергии не только был установлен эмпирически, но и обоснован с помощью строгой теории. В масштабе отдельных фотонов энергия всегда сохраняется, даже если свет приобретает красное смещение. Более того, для процессов в нашей Галактике нарушение закона сохранения энергии невозможно. Но в космологических масштабах вопрос об энергии становится более тонким, и в этом весь интерес, пишет Т.Дэвис. (Дэвис Т. Утечка энергии во вселенной?// В мире науки, 2010, № 8 – 9, с. 25 – 31).

Математическая теория симметрий принадлежит французскому математику, основателю современной высшей алгебры Эваристу Галуа (1811 – 1832), который прожил предельно короткую жизнь и описал свою теорию буквально в ночь перед смертью, которая наступила в результате дуэли. Свои первые математические работы он направил знаменитым математикам Коши и Фурье, однако Коши его статьи потерял, а Фурье неожиданно умер, не успев их прочитать.

Около ста лет назад немецкий математик Эмми Нетер открыла, что все законы сохранения физических величин основаны на существующих в природе симметриях. В обыденной жизни под симметрией мы понимаем изображение предметов в зеркале, отражения различных типов и вращения. Равносторонний треугольник симметричен, потому что вы можете повернуть его на одну треть полного оборота и получите неотличимую фигуру. Квадрат тоже симметричен, но его нужно поворачивать на одну четверть полного поворота, чтобы получить точно такую же фигуру. Из всех фигур на плоскости наибольшей степенью симметрии обладает окружность, потому что ее можно поворачивать на любой угол и отражать относительно любой оси, проходящей через ее центр – говорят, что окружность обладает непрерывной симметрией в отличие от дискретной симметрии в приведенных ранее примерах.

Физические законы также могут быть симметричны. Так, движение во времени не меняет законов природы. Это означает следующее: если вы повторите эксперимент много раз - например, сталкивая под одним и тем же углом два бильярдных шара – результат всегда будет один и тот же. Это свойство называется временной симметрией. (Следует заметить, что наша вселенная расширяется. При этом в разные времена она разная, симметрии во времени нет, специалисты говорят о симметрии относительно сдвигов во времени. Теорема Нетер неприменима, закон сохранения энергии не работает. Тесно связано с этим утверждение: в общей теории относительности невозможно ввести понятие энергии, применимой к вселенной. Примечание проф. В.А.Рубакова к статье Т.Дэвис). Далее законы физики не меняются в зависимости от места, где вы проводите эксперимент – они обладают пространственной симметрией. И еще законы природы не меняются в зависимости от направления, в котором вы смотрите – это вращательная симметрия. Конечно, исследуемые процессы могут меняться в зависимости от вашего местоположения, от времени, от направления взгляда, но фундаментальные законы физики, диктующие как именно протекают эти процессы, от этих параметров не зависят. Таким образом, если физический закон остается неизменным, то оно подобно окружности, обладает непрерывной симметрией.

Нетер открыла, что каждой непрерывной симметрии в природе соответствует закон сохранения некоторый физической величины и наоборот. Так, пространственная симметрия означает сохранение момента движения. Вращательная симметрия – сохранение углового момента движения. Временная симметрия приводит к закону сохранения энергии.

Закон сохранения энергии означает, что законы физики в прошлом и будущем такие же, как и в настоящем. С другой стороны, если временная симметрия нарушается, то может нарушиться и закон сохранения энергии. Формулировка закона сохранения энергии может оказаться противоречивой во вселенной, которая описывается законами Эйнштейна.

Сегодня на основе теории Галуа по нескольким известным семействам частиц, мультиплетам, можно установить связывающие их правила симметрии и вычислить все другие мультиплеты. В свое время она помогла предсказать существование кварков, используется для испытания кандидатов на роль многокомпонентного промежуточного кванта в теории великого объединения. Установлено, что каждому типу симметрии отвечает определенный квант-мультиплет, и вместо перебора всех возможных случаев следует изучать лишь те, которые соответствуют этим симметриям. Задача, естественно, сильно упрощается, хотя и после этого она остается еще очень трудной – ведь типов симметрии много. Например, симметрия круга и шара, вращения и отражения в многомерных пространствах и так далее. Чем больше параметров требуется для описания частицы, тем более сложной и многоплановой становится симметрия.

Большинство моделей «великого объединения» исходят из того, что должны быть частицы-переносчики взаимодействия между лептонами и кварками, это сверхтяжелые кванты, их масса приблизительно в 100 триллионов раз больше, чем у протона, и чтобы получить энергию, необходимую для рождения такой частицы, понадобится ускоритель длиной в целый световой год. Заметим, что от Солнца до Земли свет пробегает всего за 8 минут. Поэтому физики-теоретики строят косвенные методы доказательства того, что сверхтяжелые кванты рождаются где-то глубоко в недрах нуклонов, мезонов и других частиц: на очень короткое время это квантовыми законами разрешается. И вот там, взаимодействуя со сверхтяжелым квантом, кварк может превратиться в лептон. Частица, внутри которой произошло такое превращение, сразу же распадается, так как частиц, состоящих из смеси лептонов и кварков, не бывает. Поэтому, если удастся обнаружить радиоактивный распад протона, который вне рамок «великого объединения» абсолютно устойчив, это будет убедительным подтверждением идеи такого объединения и связанных с ним сверхтяжелых квантов. Это будут означать также, что все атомы радиоактивны, и с течением времени наша вселенная распадется. Согласно расчетам, один распад протона в стакане воды происходит не чаще, чем 10 тысяч лет, поскольку вселенная существует 20 миллиардов лет, за это время могло распасться всего около 100 тонн, или 10 в минус 18-й степени всего известного нам вещества вселенной. Распад протона пытаются обнаружить по вспышкам света в прозрачной жидкости. Такая вспышка может быть результатом аннигиляции: позитрон столкнется с атомарным электроном, и образуется два кванта света.

Физики предполагают, что существует еще одно объединение – суперобъединение всех известных сил природы: электромагнитных, слабых, сильных и гравитационных. Физический смысл теории таков. Все элементарные частицы, в том числе и суперэлементарные кварки и глюоны, теория делит на два больших разряда: бозоны и фермионы. Отличительным признаком служит величина спина. Дело в том, что микрочастицы ведут себя подобно быстро вращающимся волчкам, а у каждого волчка есть момент количества движения. Это и есть спин. Частиц, у которых спин является дробной величиной, называют фермионами (по имени итальянского ученого Ферми), а у которых спин – целое число, называются бозонами (по имени индийского физика Бозе). Итало-американский физик, удостоенный Нобелевской премии (1939) за открытие искусственной радиоактивности Энрико Ферми (1901 – 1954) и индийский физик, один из создателей квантовой статистики, придумавший термин «фотонное поле» Шатьендранат Бозе (1894 – 1974) первыми изучили зависимость свойств частиц от их спинов.

К фермионам (они составляют вещество) принадлежат кварки, протон, нейтрон, электрон, нейтрино и все другие лептоны, а также многие странные частицы. В разряд бозонов (они переносят взаимодействие) входят пи-мезон (его спин равен нулю, поэтому можно сказать, что это вращающаяся частица), а также омега- и ро-мезоны и множество других короткоживущих частиц.

Идея суперобъединения, или суперсимметрии, заключается в предположении, что у каждого бозона обязательно есть партнер-фермион, а у фермиона – бозон. Иначе говоря, при перестановке бозоновых и фермионных частиц физические законы остаются неизменными (зеркально симметричными).

Среди предсказаний данной теории - гипотеза о новом виде гравитации, варианте всемирного тяготения. Его квантами-переносчиками служат гравитино – фермионные партнеры обычных, известным нам, бозонных гравитонов. Расчеты показывают, что в отличие от гравитона, являющегося безмассовой частицей, гравитино весит раз в 100 больше протона. Существует ли в природе такая «тяжелая гравитация»? открытие гравитино будет хорошим доказательством правильности идеи суперсимметрии.

Важное следствие анализа различных вариантов суперсимметричной теории элементарных частиц – это гипотеза о составной природе кварков. Кванты суперсимметричного поля стали настолько сложными и многокомпонентными объектами, а их физические свойства – настолько разнообразными, что это само по себе наводит на мысль о том, не состоят ли кварки, глюоны и их компоненты из каких-то более мелких и простых частичек, принадлежащих следующему уровню материи?

Некоторые теоретики считают, что частями кварков могут быть протяженные объекты, похожие на тонкие длинные змейки или вибрирующие струны, с размерами порядка 10 в минус 23-й степени см. Эти змейки похожи на хромосомы в клетках организмов. При столкновении кварков их «хромосомы» могут сливаться, скрещиваться и распадаться, образуя новые «хромосомы». В соответствии с идеей суперсимметрии они сочетают в себе свойства бозонов и фермионов. Их изучение – одно из направлений физики элементарных частиц. (по Барашенкову все, с. 39)

Далее вновь по Т.Дэвис.

Когда космологи хотят выяснить. Стоп! Это надо разместить в комологии!

Там о коллайдерах!! Оставляю здесь!

Когда космологи хотят выяснить, теряет ли вселенная энергию, они могли бы попытаться подсчитать сразу полную энергию вселенной, а не отдельных объектов. Можно просто сложить всю энергию, содержащуюся в веществе вселенной (масса и энергия эквивалентны согласно известному уравнению Эйнштейна). Потом следует прибавить кинетическую энергию, связанную с пекулярным движением вещества. К полученной сумме надо добавить энергию излучения, а потом проделать сложную работу по вычислению энергии всех гравитационных полей вокруг планет, звезд и галактик, а также энергий их химической и ядерной связи. (Звук и тепло – движение частиц, поэтому их тоже надо учесть).

Первая трудность на этом пути такова. Вселенная может быть бесконечно большой и содержать бесконечное количество вещества и энергии. В этом случае нужно на каком-то этапе прервать суммирование – представим себе воображаемую сферу, окружающую некоторый участок вселенной, и посчитаем всю энергию, сосредоточенную внутри этого шара. Пусть теперь эта сфера расширяется, как и наша вселенная: да так, чтобы сопутствующие галактики оставались внутри. Свет и вещество извне могут переходить границы сферы, но поскольку вселенная однородна, количество вещества и излучения, поступающих в сферу, равно количеству исходящих из нее вещества и излучения. Вселенная состоит из множества таких сфер. Если во вселенной действует закон сохранения энергии, то достаточно показать, что этот закон действует внутри отдельно взятой сферы.

Для расширяющейся и охлаждающейся сферы, заполненной веществом, расчеты провести сравнительно легко. В таком простейшем случае энергия содержится только в массе вещества, и поскольку она по условию не покидает пределы сферы, очевидно, сохраняется. Для излучения и вещества, обладающего пекулярной скоростью, ситуация будет боле сложной. Хотя число фотонов и число частиц вещества внутри сферы постоянны, со временем энергия фотонов падает, так же как и кинетическая энергия пекулярного движения вещества. Таким образом, полная энергия на мембране уменьшается.

Ситуация становится еще более сложной, если учитывать темную энергию, выступающую причиной ускоренного расширения нашей вселенной. Природа и свойства темной энергии до сих пор остаются загадочными, но с определенностью известно, что ее плотность при расширении вселенной не меняется. Так, если объем на нашей выбранной мембране возрастает, количество энергии на ней тоже растет. Можно подумать, что рост темной энергии смог бы сбалансировать потери всех других форм энергии, но этого не происходит. Даже с учетом темной энергии полная энергия на мембране не сохраняется. Как же согласуется такое изменение энергии с теоремой Нетер?

Наши рассуждения могут означать, что нет оснований применять теорему Нетер к нашей меняющейся вселенной. Согласно общей теории относительности (ОТО), материя и энергия искривляют пространство-время. Поскольку материя и энергия находятся в движении (или разлетаются в расширяющейся вселенной), геометрия пространства соответственно меняется. В повседневной жизни эти эффекты слишком малы, чтобы их обнаружить, но на космологических масштабах они значимы. Такая способность пространства к деформациям означает, что расширение вселенной несимметрично во времени.

Простейший способ демонстрации этого факта – это вернуться к нашему примеру про бильярдные шары. Если мы посмотрим несколько фильмов о движении шаров при изменении геометрии стола – например, вначале ровный, а со временем деформируется – то каждый фильм будет отличаться от предыдущего: можно всегда указать, когда и в какой последовательности был снят каждый фильм.

Мы пришли к концу принципов сохранение: когда пространство и время изменчивы, симметрия теряется, и закон сохранения энергии нарушается.

Даже если кривизна пространства не меняется, попытка подсчитать энергию вселенной есть бесполезное упражнение: рассмотренные подсчеты не могут принадлежать ни одному наблюдателю во вселенной. В частности, в этих расчетах не учитывается энергия движения галактик друг относительно друга, т.е. их кинетическая энергия. Другой момент – гравитационная энергия взаимодействия галактик. Известная проблема ОТО заключается в том, что в теории мы никогда не можем однозначно определить гравитационную энергию таким образом, чтобы это было применимо ко всей вселенной в целом.

Таким образом, полная энергия вселенной и сохраняется и не сохраняется – она неопределима. С другой стороны, если мы рассмотрим ситуацию с точки зрения конкретного наблюдателя, сфокусируемся на одной частице и в конкретный момент времени и проследим движение фотона, то обнаружим, что в такой интерпретации фотон не теряет энергию. Дело в том, что наше сравнение расширяющейся вселенной с надувающимся шаром полезно только для визуализации расширения и должно использоваться с той оговоркой, что пустое пространство не имеет физического смысла.

Поскольку галактики удаляются друг от друга, мы можем рассматривать их относительное движение или как расширение самого пространства, или как движение сквозь пространство – различие при этом только семантическое, а не физическое.

Космологическое красное смещение обычно характеризует расширение пространства. Однако в общей теории относительности Эйнштейна пространство относительно, а значимо только пространство-время. Соответственно, мы можем вычислить относительную скорость удаленной галактики, сравнивая нашу и ее траектории движения в пространстве-времени. Космологическое красное смещение становится эквивалентно красному смещению эффекта Доплера.

Это происходит потому, что в достаточно малой области вселенная с высокой точностью плоская. Но в плоском пространстве-времени нет гравитации, нет растяжения волн, и любое красное смещение должно быть эффектом Доплера. Относительность движения излучателя и наблюдателя означает то, что они видят фотоны в различных направлениях, а не то, что фотон теряет энергию при своем движении.

Т.Дэвис считает, что нет никакого чуда в потере энергии фотонами: энергии измерены наблюдателями в удаляющихся друг от друга галактиках, все дело в относительности движения.

Таким образом, если мы решим узнать, сохраняется ли энергия во всей вселенной как в целом, мы наткнемся на фундаментальное ограничение, поскольку не существует единого числа, определяющего величину энергии вселенной. Отсюда следует, что во вселенной не нарушается закон сохранения энергии, точнее, этот вопрос лежит вне юрисдикции данного закона.

Главный принцип Стандартной модели состоит в том, что ее уравнения являются симметричными. Точно так же, как сфера выглядит одинаково, под каким бы углом на нее не взглянули, уравнения остаются неизменными при так называемых глобальных фазовых вращениях. Свойство симметрии геометрического объекта накладывает на его форму очень жесткие ограничения. Если на сфере появится выпуклость, то она уже не будет выглядеть одинаково со всех сторон. Аналогично, условие симметрии уравнений заставило физиков дополнительно ввести силы, которые переносятся бозонами.

Отсюда следует, что основная проблема Стандартной модели – асимметричность сил электрослабого взаимодействия: в то время как электромагнитные силы распространяются на больших расстояниях, слабое взаимодействие в ядре атома действует лишь на малых дистанциях. Несмотря на это многие физики говорят о сохранении симметрии, называя ее скрытой или «нарушенной».

Говоря о магнитной пространственной симметрией, укажем, что ее простая аналогия – бесконечная сетка магнитных опилок. Симметрия в этом случае означает эквивалентность всех направлений в пространстве. Симметрия очевидна при высоких температурах, когда опилки ориентируются равномерно во все стороны. Когда же температура понижается, опилки препятствуют движению друг друга. Несмотря на то, что их расположение может показаться более упорядоченным, оно, тем не менее, теряет симметричность, ориентируясь в одном случайно выбранном направлении.

Что касается электрослабой симметрии, то эта симметрия носит более абстрактный характер. Она означает независимость системы от того, какие лептоны являются электронами, а какие – нейтрино, какие кварки называются верхними, а какие – нижними. В симметричном случае соглашение о наименовании лептонов установлено независимо в каждой точке пространства. Что один физик называет электроном, то другой мог бы назвать некоторой смесью электрона и нейтрино, и это не повлияло бы на результаты их расчетов. Электрослабая симметрия лишает массы все частицы, подверженные электрослабому взаимодействию. Напротив, при нарушенной симметрии соглашение устанавливается во всем пространстве, и то, что один физик называет электроном, другой обязан назвать так же, чтобы получить те же самые результаты. Поле Хиггса вызывает нарушение симметрии. Нарушенная симметрия наделяет W и Z-бизоны массой, ограничивая их дальнодействие.

Всю физику элементарных частиц можно изобразить на шкале энергий (или масс). Что и демонстрирует схема, которую предлагает американский физик Крис Квиг (Квиг К. Грядущая революция в физике частиц// В мире науки, 2008, № 5, с. 26 – 34). Известные частицы обладают достаточно большой массой, поэтому физикам требуются огромные машины для их создания и изучения. Тем не менее, масса этих частиц намного меньше, чем энергия, при которой возможно объединение сил, или энергии гравитационного взаимодействия. Что вызывает это разделение сил? Ответ на этот вопрос до сих пор не найден. Возможно, что ключом к ответу является частица Хиггса. Процессы, происходящие при чрезвычайно высоких энергиях, заставляют считать ее массу намного превышающей 1 ТэВ. Что этому препятствует, вот в чем вопрос.

Теорию электрослабого взаимодействия сформулировали Шелдон Глэшоу, Стивен Вейнберг, Абдас Салам, лауреаты Нобелевской премии за 1979 год. Слабое взаимодействие проявляется в радиоактивном бета-распаде и не действует ни на кварки, ни на лептоны. Каждая из этих частиц существует в двух зеркальных вариантах, которые называют лево- и правосторонними, а силы бета-распада действуют только на левосторонние частицы – поразительный эффект, вот уже 50 лет после его открытия остающийся необъяснимым. Симметрия семейства левосторонних частиц может помочь создать теорию электрослабого взаимодействия.

На начальных стадиях своего построения теория имела два существенных недостатка. Во-первых, она предусматривала четыре частицы-переносчика дальнодействующей силы, называемые калибровочными бозонами, тогда как в природе существует только одна – фотон. Три другие действуют на гораздо более коротких расстояниях, меньше чем 10 в минус 17 степени метра, т.е. меньше, чем 1% радиуса протона. Согласно принципу неопределенности Гейзенберга, этот ограниченный диаметр подразумевает, что частицы-переносчики взаимодействия должны иметь массу, приближающуюся к 100 млрд. электрон-вольт (100 ГэВ). Второй недостаток заключается в том, что симметрия семейства частиц не допускает наличия массы ни у кварков, ни у лептонов, в то время как в действительности все эти частицы имеют массу.

Выход из данной неудовлетворительной ситуации состоит в том, чтобы признать, что симметрия законов природы не обязательно должна отражаться в следствиях этих законов. Физики говорят, что происходит нарушение симметрии. Необходимый теоретический аппарат был разработан в середине 1960-х годов.

Характерно, что идея пришла при рассмотрении, казалось бы, постороннего явления – эффекта, при котором отдельные материалы при низких температурах проводят электрический ток с нулевым сопротивлением. Несмотря на то, законы самого электромагнетизма являются симметричными, поведение электромагнитного поля внутри сверхпроводящего материала несимметрично. Фотон внутри сверхпроводника приобретает массу, ограничивая, таким образом, проникновение магнитных полей в материал.

Как оказалось, данное явление – прекрасный образец для создания теории электрослабых взаимодействий. Если пространство заполнено веществом, аналогичным сверхпроводнику, с той лишь разницей, что оно влияет не на электромагнетизм, а на слабое взаимодействие, то оно придает массу W- и Z-бозонам и ограничивает дальность слабых взаимодействий. Такой сверхпроводник состоит из частиц, называемых бозонами Хиггса. Кварки и лептоны также приобретают массу, взаимодействуя с этими бозонами, и остаются совместимыми с требованиями симметрии слабого взаимодействия, без предположения о массе, присущей им от природы.

За выполнение ряда фундаментальных работ по нарушению некоторых глобальных симметрий в мире элементарных частиц лауреатами Нобелевской премии по физике за 2008 год стали японские ученые Йоичиро Намбу, Макамото Кобаяши, Тошихидэ Маскава.

Что такое спонтанное нарушение (любой) симметрии? Всем известный буриданов осел, стоя посередине между двумя охапками сена, долго не мог решить, какой из них лучше. Пока дело обстоит таким образом, картина остается симметричной. Но, в конечном счете, он все же должен сделать первый шаг. Выбор совершенно случаен (спонтанен), но как только осел делает первое движение, он нарушает симметрию. В чем причина, по которой осел двинулся именно в эту сторону, неясно. Точно также нет ясности относительно того, в чем причина нарушения симметрии в слабых взаимодействиях?

Современная электрослабая теория (с бозонами Хиггса) с большой точностью описывает широкий диапазон экспериментальных результатов. Парадигма кварков и лептонов, образующих вещество и взаимодействующих посредством калибровочных бозонов, заставила ученых полностью пересмотреть свои взгляды на материю и указала на возможность объединения сильных, слабых и электромагнитных взаимодействий при сверхвысоких энергиях. Электрослабая теория – оригинальное концептуальное достижение, но на данный момент ее нельзя назвать полной. Она показывает, как кварки и лептоны могли бы приобрести свои массы, но не может предсказать, каковы должны быть эти массы. Кроме того, электрослабая теория не может вычислить и массу самого бозона Хиггса: существование этой частицы необходимо, но теория не предсказывает ее массу. Тем не менее, многие из важнейших проблем физики элементарных частиц и космологии связаны с тем, как именно в точности нарушается симметрия электрослабого взаимодействия.

Трудно представить, как выглядел бы наш мир без частицы Хиггса. В этом случае такие элементы частицы, как кварки и электроны, полностью лишились бы своей массы. Отсюда, тем не менее, не следует, что вся вселенная не содержала бы вообще никакой массы. Согласно Стандартной модели, частицы типа протона и нейтрона представляют собой материю совсем иного рода. Масса кварков составляет не больше чем 2% от массы всего протона, а между тем в соответствие с известным уравнением А.Эйнштейна, основной вклад обеспечивается благодаря энергии, обусловленной удержанием кварков в малом объеме. Определяя энергию удержания кварков как источник массы протонов и нейтронов, легко объяснить почти всю видимую массу вселенной, потому что видимая материя построена главным образом из протонов и нейтронов звезд.

Массы кварков действительно объясняют важную деталь наблюдаемого мира: масса нейтрона намного больше массы протона. Очевидно, следовало ожидать обратного эффекта, поскольку электрический заряд протона, в отличие от нейтрона, вносит вклад в его собственную энергию. Тем не менее, массы кварков склоняют чашу весов в другую сторону. В зоне, где отсутствуют частицы Хиггса, протон оказался бы тяжелее нейтрона, и радиоактивный бета-распад шел бы в другую сторону. В нашем мире нейтрон распадается на протон, электрон и антинейтрино в среднем за 15 минут. Если бы массы кварков исчезли, свободный протон распался бы на нейтрон, позитрон и нейтрино, а значит, атомы водорода просто не могли бы существовать, и самое легкое ядро состояло бы из одного нейтрона, а не из одного протона.

В Стандартной модели механизм Хиггса создает различия между электромагнитным и слабым взаимодействием. При отсутствии частицы Хиггса различие было бы вызвано сильным взаимодействием между кварками и глюонами. Поскольку это взаимодействие удерживает кварки внутри таких объектов, как протон, оно будет также влиять на различия между слабыми и электромагнитными взаимодействиями, сообщая небольшие массы W и Z-бозонам и оставляя фотон безмассовым. Такое проявление сильного взаимодействия не дало бы никакой заметной массы электрону или кварку, и, если бы работал этот механизм, а не взаимодействие Хиггса, бета-распад происходил бы в миллионы раз быстрее, чем на самом деле.

Некоторые легкие ядра могли бы возникнуть в ранец вселенной и выжить без частицы Хиггса, но они не смогли бы образовать знакомые нам атомы. Радиус атома обратно пропорционален массе электрона, так что если бы электрон имел нулевую массу, то атомы, привычный размер которых меньше, чем 1 нм, были бы бесконечно большими. Без частиц Хиггса размер атомов мог бы превышать десятки сантиметров. Даже в том случае, если бы электроны все-таки обладали ничтожной массой, атомы были бы макроскопическими. Мир без компактных атомов был бы миром без химических взаимодействий и без устойчивых сложных структур, таких как твердые тела и жидкости.

В конце 1980-х годов Гарри Такер и Крис Квиг, физики-теоретики из США предложили мысленный эксперимент, чтобы исследовать поведение сил электрослабого взаимодействия при сверхвысоких энергиях. Были смоделированы столкновения между парами W, Z и бозонами Хиггса, что могло бы показаться немного странным, поскольку ко времени проведения теоретического исследования ни одна из этих частиц еще не была обнаружена. Но физики привыкли проверять любую теорию и рассматривать выводы из нее, считая все элементы реальными.

В ходе эксперимента ученые обратили внимание на слабую взаимосвязь между силами, создаваемыми бозонами Хиггса. При распространении этих вычислений на сверхвысокие энергии, проведенные расчеты имели смысл, если масса бозона Хиггса не была бы слишком большой, приблизительно меньшей, чем 1 ТэВ. Если бозон Хиггса легче этой пороговой величины (1 ТэВ), слабые взаимодействия сохраняются, а теория надежно работает при всех энергиях. В том случае, когда частицы Хиггса оказываются тяжелее, чем 1 ТэВ, слабые взаимодействия значительным образом усиливаются вблизи от этого масштаба энергий, что приводит к появлению необычных процессов, происходящих с этой частицей. Проведение подобного рода исследований очень важно, поскольку электрослабая теория непосредственно не предсказывает частицы Хиггса. Помимо всего прочего, пороговое значение для массы этой частицы означает, что когда Большой адронный коллайдер превратит мысленный эксперимент в реальный, будет обнаружен либо сам бозон Хиггса, либо другие не менее интересные явления.

Ограничение массы частицы Хиггса величиной в 1 ТэВ порождает еще одну загадку. В квантовой теории такие величины, как масса, не установлены раз и навсегда, но изменяются под влиянием квантовых эффектов. Так же, как бозон Хиггса может проявлять неявное влияние на другие частицы, эти частицы могут оказывать влияние на него. Такие частицы занимают широкий диапазон энергий, и их суммарное влияние зависит от того, где именно Стандартная модель уступает место более полной теории. Если модель остается верной вплоть до 10 в 15 степени ГэВ, где сильное и электрослабое взаимодействие стремится к объединению, частицы воздействуют на бозон Хиггса и придают ему сравнительно высокую массу. Но тогда почему бозон Хиггса, по-видимому, имеет массу не больше 1 ТэВ?

Данный парадокс известен как проблема иерархии. Одна из возможных причин возникновения этого явления заключается в сомнительном балансе сложений и вычитаний больших чисел, отвечающих за противоположные вклады различных частиц. Физики научились с подозрением относиться к очень точным взаимным уничтожениям противоположных вкладов, которые не основаны на более глубоких принципах.

Чтобы ни заставило массу частицы Хиггса находиться в диапазоне около 1 ТэВ, причина должна лежать вне Стандартной модели. Теоретики выдвинули много возможных решений, но окончательный выбор остается за Большим адронным коллайдером. А теории таковы:

-основная теория - суперсимметрия. Увеличение массы частицы Хиггса вызвано его взаимодействием с так называемыми виртуальными частицами – копиями кварков, лептонов и другими, на короткий промежуток времени возникающими вокруг бозона Хиггса. Проблема заключается в том, что после объединения частицы с ее суперпартнером их действие будет скомпенсировано, и оно не повлияет на рост массы частицы Хиггса;

-техниколор. Теория, основанная на предположении о составной структуре частицы Хиггса. Подобно протону, включающему в себя набор глюонов и кварков, частица Хиггса может оказаться не фундаментальной, и в этом случае ее масса должна складываться главным образом из энергий ее элементов и не быть столь чувствительной к высокоэнергетическим процессам. Термин «техниколор» указывает на обобщение «цветового заряда» кварков, с помощью которого определяется сильное взаимодействие. В этом случае столкновения при энергиях, приближенно равных 1 ТэВ (энергия, связанная с силой, удерживающей элементы бозона Хиггса вместе) позволят заглянуть внутрь загадочной частицы и выявить ее сложную структуру;

-провокационная идея о дополнительных размерностях. Если бы привычное для нас трехмерное пространство имело дополнительные измерения, то частицы могли бы взаимодействовать иначе при высоких энергиях, а предполагаемая энергия объединения могла бы быть не столь высокой (10 в 12 степени ТэВ), как сейчас думают физики. Проблема иерархии могла бы измениться или даже исчезнуть.

Завершая данный раздел, подчеркнем важное значение работ в области графена – двумерного материала, проявляющего необычные и одновременно весьма полезные свойства. Первые же эксперименты с новым материалом показали, что в руках ученых не просто еще одна форма углерода, а новый класс материалов со свойствами, которые не всегда можно описать с позиций классической теории физики твердого тела. Полученный двумерный материал, будучи полупроводником, обладает проводимостью, как у одного из лучших металлических проводников – меди. Его электроны имеют весьма высокую подвижность, что связано с особенностями его кристаллического строения. Очевидно, что это качество графена вкупе с его нанометровой толщиной делает его кандидатом на материал, который мог бы заменить в электронике кремний.

Вместе с тем, графен фактически открывает новую научную парадигму – «релятивистскую» физику твердого тела, в которой квантовые релятивистские явления (часть которых не реализуема даже в физике высоких энергий) теперь могут быть исследованы в обычных лабораторных условиях. Впервые в твердотельном эксперименте можно исследовать все нюансы и многообразие квантовой электродинамики. То есть, речь идет о том, что многие явления, для изучения которых требовалось строительство огромных ускорителей элементарных частиц, теперь можно исследовать, вооружившись гораздо более простым инструментом – тончайшим в мире материалом. Учитывая значение выполненной работы, Нобелевская премия по физике за 2010 год была присуждена Андрею Гейму и Константину Новоселову, выходцам из России, которые в настоящее время работают в университетах Англии.