event

Новые Теории Элементарных Частиц

Чтобы объяснить основные характеристики инфляционной космологии, нужно сначала провести экскурсию в теорию элементарных частиц. Быстрое распространение этой теории в течение прошлых двух десятилетий стало возможным после того, как физики нашли способ объединить слабые, сильные и электромагнитные взаимодействия.

Известно, что электрически заряженные частицы взаимодействуют друг с другом, создавая электромагнитное поле. Маленькие возбуждения этой области называют фотонами. У фотонов нет массы, которая является главной причиной, почему электрически заряженные частицы могут легко взаимодействовать друг с другом на очень большом расстоянии. Ученые полагают, что слабые и сильные взаимодействия созданы подобными частицами. Например, слабые взаимодействия созданы частицами по имени W и Z. В отличие от невесомых фотонов, частицы W и Z чрезвычайно тяжелы; очень трудно произвести их. Именно поэтому слабые взаимодействия так слабы. Чтобы получить единое описание слабых и электромагнитных взаимодействий, несмотря на заметное отличие в свойствах фотонов и частиц W и Z, физики ввели скалярные области f, которые будут играть центральную роль в нашем обсуждении.

Теория скалярных областей очень проста. Самый близкий аналог скалярной области – электростатический потенциал F. Электрические и магнитные поля E и H появляются, только если этот потенциал неоднороден или если он изменяется вовремя. Если бы у целой вселенной был бы одинаковый электростатический потенциал, скажем 110 вольт (V), то никто не заметил бы его; это был бы просто другой вакуум. Точно так же постоянная скалярная область f похожа на вакуум; мы не видим её, даже если мы окружены ей.

Основное различие – то, что у постоянной электростатической области F нет своей собственной энергии, тогда как у скалярной области f может быть плотность потенциальной энергии V (f). Если V (f) имеет один минимум в f = f0, то целая вселенная в конечном счете становится заполненной областью f0. Эта область невидима, но если она взаимодействует с частицами W и Z, они становятся тяжелыми. Тем временем, если фотоны не взаимодействуют со скалярной областью, они остаются легкими. Поэтому мы можем начать с теории, в которой все частицы первоначально легки, и между слабыми и электромагнитными взаимодействиями нет никакого принципиального различия. Это различие появляется позже, когда вселенная становится заполненной скалярной областью f. В этот момент симметрия между различными типами фундаментальных взаимодействий ломается. Это основная идея всех объединенных теорий слабых, сильных и электромагнитных взаимодействий.

Обратите внимание на то, что существование скалярных областей делает свой собственный вклад в проблему уникальности: если у плотности потенциальной энергии V (f) есть больше чем один минимум, то область f может занять любой из них. Это означает, что у той же самой теории могут быть различные «вакуумные государства», соответствуя различным типам симметрии, разрушающейся между фундаментальными взаимодействиями и приводящей к различным законам физики элементарных частиц. Чтобы быть более точным, нужно говорить о различных законах низкоэнергетической физики. При чрезвычайно высокой энергии различие в массах становится не очень важным, и начальная симметрия всех фундаментальных взаимодействий вновь показывает себя.

Наконец мы должны упомянуть, что во многих теориях элементарных частиц, которые теперь популярны, предполагается, что у пространства-времени первоначально было больше четырех измерений, но дополнительные измерения были свернуты, сокращенны к очень небольшому размеру. Именно поэтому мы не можем двигаться в соответствующих направлениях, и наше пространство-время выглядит четырехмерным. Однако можно задаться вопросом, почему компактификация (сворачивание) остановилась на четырех эффективных пространственно-временных измерениях, а не на двух или пяти? Кроме того, в многомерных теориях компактификация может пройти тысячей различных способов. Значения констант связи и массы частиц после компактификации сильно зависят от того, каким путем пошла компактификация. Все труднее построить такие теории, которые допускают только один тип компактификации и только один способ ломки симметрии.

Это добавляет к нашему списку еще одну проблему, которую я называю проблемой уникальности. Сущность этой проблемы была сформулирована Альбертом Эйнштейном: “Чем я действительно интересуюсь, мог ли Бог создать мир по-другому?” Несколько лет назад это казалось бы довольно бессмысленным вопросом, почему наше пространство-время четырехмерное, почему гравитационная константа настолько маленькая, почему протон в две тысячи раз тяжелее электрона и т.д. Теперь эти вопросы приобрели простое физическое значение, и мы не можем проигнорировать их больше. Как мы дальше увидим, инфляционная теория может ответить и на эти вопросы.

КОММЕНТАРИИ