Вселенная такая, какая она есть, потому, что вещество и частицы, отвечающие за фундаментальные взаимодействия, имеют те свойства, которые они имеют. Но существует ли научное объяснение тому, почему они имеют именно такие свойства?

В настоящую эпоху эволюции Вселенной константы связи различных взаимодействий соотносятся следующим образом:

где as – константа связи сильного взаимодействия;

aE – константа связи электромагнитного взаимодействия; aw – константа связи слабого взаимодействия;

aG – константа связи гравитационного взаимодействия.

Современные физики считают, что такое соотношение существовало не всегда. Иными словами, рассматриваемые постоянные не являются постоянными. И существовала эпоха в эволюции Вселенной, когда эти константы были равны. А это означает, что не существовало различий между четырьмя типами физических взаимодействий. Именно это обстоятельство и стимулирует физиков в построении единой теории всех физических взаимодействий

– единой теории поля. Однако для того чтобы понять те физические идеи, на которых базируется построение этой теории, следует сказать, что в действительности физика рассматривает материю не в двух проявлениях – веществе и поле, как это отмечается во многих физических справочниках, словарях и энциклопедиях, а в трех проявлениях. Третьим качественно отличным от вышеназванных двух форм материи является физический вакуум.

Именно физический вакуум является прародителем всех частиц вещества и квантов полей, резервуаром, перекачка энергии из которого обеспечила их возникновение и функционирование. Способность вакуума в ходе эволюции Вселенной изменять свое состояние и привела к многообразию форм физического мира.

5.7. Модель вакуума П. Дирака. Рождение вещества

Чтобы понять роль и место вакуума в сложившейся картине мира, попытаемся оценить, как соотносятся в нашем мире материя вакуума и вещество.

Вселенная огромна. С другой стороны, атом, входящий в состав твердого тела, во много раз меньше любого известного нам предмета, но во много раз больше ярда, находящегося в центре атома. В ядре сконцентрировано почти все вещество атома. Если увеличить атом так, чтобы ядро стало иметь

123

размеры макового зернышка, то размеры атома возрастут до нескольких десятков метров. На расстоянии десятков метров от ядра будут находиться многократно увеличенные электроны, которые все равно трудно разглядеть глазом вследствие их малости. А между электронами и ядром останется огромное пространство, не заполненное веществом. Но это не пустое пространство, а особый вид материи, которую физики назвали физическим вакуумом.

(Часто атом сравнивают с Солнечной системой. Это не случайно: размер ядра атома 10-13 см (1 ферми), диаметр атома 10-8 см, масса электрона 9,11 · 10-28 г, масса протона 1,66 · 10-24 г, плотность ядра 1011 кг/см3).

Оказывается, что даже внутри твердого и массивного предмета вакуум занимает неизмеримо большее пространство, чем вещество. Таким образом, мы приходим к выводу, что вещество является редчайшим исключением в огромном пространстве, заполненном субстанцией вакуума.

Современная квантовая модель вакуума получила образное название «море Дирака». П. Дирак получил уравнение, из которого следовало, что наряду с частицами должны существовать и их античастицы, отличающиеся от частиц только знаком заряда. Например, для электрона е- античастицей является так называемый позитрон е+, масса которого равна массе электрона, но заряд положительный.

На основе своего уравнения П. Дирак предположил, что вакуум на самом деле вовсе не является пустым, а плотно заполнен частицами, обладаю-

щими отрицательными энергиями – виртуальные частицы, существование которых нами никак не регистрируется, то есть из просто пустоты вакуум превращался в добрую половину (а то и более того) всего сущего. В 1932 г. позитроны были обнаружены К. Андерсеном в космических лучах, что явилось блестящим подтверждением теории Дирака. Впоследствии выяснилось, что практически все элементарные частицы, даже не имеющие электрического заряда, имеют своих «зеркальных двойников» – античастицы, способные аннигилировать с ними, при этом выделяется энергия, эквивалентная сумме масс электрона и позитрона.

Собственно представление о вакууме как непрерывной активности содержащихся в нем виртуальных частиц содержится в принципе неопределенности Гейзенберга. Принцип неопределенности Гейзенберга имеет, кроме приведенного выше; еще и такое выражение: Е · t > h. Согласно этому квантовые эффекты могут на время нарушать закон сохранения энергии. В течение короткого времени t энергия, взятая как бы «взаймы», может расходоваться на рождение короткоживущих частиц, исчезающих при возвра-

124

щении «займа» энергии. Это и есть виртуальные частицы. Возникая из «ничего», они снова возвращаются в «ничто». Так что вакуум в физике оказывается не пустым, а представляет собой море рождающихся и тут же гасящихся всплесков.

Физический вакуум – пространство, не содержащее реальных частиц и энергии, поддающейся непосредственному измерению. Согласно современ-

ным физическим представлениям, это наиболее низкое энергетическое состояние любых квантованных полей, характеризующееся отсутствием реальных частиц. Возможность виртуальных процессов в физическом вакууме приводит к ряду эффектов взаимодействия реальных частиц с вакуумом, ре-

гистрируемых экспериментально. Физический вакуум представляет собой множество всевозможных виртуальных частиц и античастиц, которые в отсутствии внешних полей не могут превратиться в реальные. По совре-

менным представлениям в вакууме непрерывно образуются и исчезают пары частиц–античастиц: электрон–позитрон, нуклон–антинуклон…. Однако при определенных обстоятельствах виртуальные частицы становятся реальными. Например, если с помощью внешнего электромагнитного поля (рис. 5.2) «растащить» только что народившуюся пару виртуальных частиц, то в реальном мире мы зафиксируем рождение двух совершенно новых частиц. Столкновения частиц высоких энергий или сильные поля рождают из вакуума снопы различных частиц и античастиц. Т.е. вакуум может быть представ-

лен, как особый, виртуальный тип среды.

Именно так, по-видимому, из ничего нарождалось вещество в первые мгновения жизни Вселенной.

Рис. 5.2. Рождение электрон-позитронной пары в вакуумном конденсаторе

5.8. Теория струн (теория единого поля)

На роль универсальной объединяющей все виды взаимодействия претендует теория струн. Теория струн утверждает, что если бы мы могли исследовать точечные частицы, существование которых предполагает стандартная модель, с точностью, выходящей далеко за пределы наших совре-

125

менных возможностей, мы бы увидели, что каждая из этих частиц представляет собой крошечную колеблющуюся струну, имеющую форму петли. Теория струн способна объяснить все свойства микромира.

Длина типичной петли, образованной струной, близка к планковской длине, которая примерно в сто миллиардов миллиардов раз (10-20) меньше размера атомного ядра (10-13 см). Неудивительно, что современные эксперименты не могут подтвердить струнную природу материи: размеры струн бесконечно малы даже в масштабе субатомных частиц.

Струны считаются фундаментальными объектами — они представляют собой «атомы», неделимые компоненты в самом истинном смысле этого понятия, предложенного древними греками. Как наименьшие составные части материи, они представляют собой конец пути — последнюю матрешку — в многочисленных слоях, образующих структуру микромира.

Основное утверждение теории струн таково. Точно так же, как различные моды резонансных колебаний скрипичных струн рождают различные музыкальные ноты, различные моды колебаний фундаментальных струн порождают различные массы и константы взаимодействия. Свойства элемен-

тарных «частиц» — их массы и константы различных взаимодействий — в точности определяются резонансными модами колебаний, реализуемыми внутренними струнами этих частиц. Таким образом, согласно теории струн наблюдаемые характеристики всех элементарных частиц определяются конкретной модой резонансного колебания внутренних струн.

Согласно специальной теории относительности энергия и масса представляют собой две стороны одной медали: чем больше энергия, тем больше масса и наоборот. Таким образом, в соответствии с теорией струн, масса элементарной частицы определяется энергией колебания внутренней струны этой частицы. Внутренние струны более тяжелых частиц совершают более интенсивные колебания, струны легких частиц – менее интенсивные.

Этот взгляд радикально отличается от точки зрения, которой придерживались физики до теории струн, когда считалось, что различия между фундаментальными частицами обусловлены тем, что они «отрезаны от разных кусков ткани». Хотя частицы считались элементарными, предполагалось, что они состоят из различного «материала». Так, например, «материал» электрона имел отрицательный электрический заряд, а «материал» нейтрино был электрически нейтральными. Теория струн радикально изменила эту картину, объявив, что «материал» всего вещества и всех взаимодействий является одним и тем же. Каждая элементарная частица состоит из отдельной струны,

126

— точнее, каждая частица представляет собой отдельную струну — и все струны являются абсолютно идентичными. Различия между частицами обусловлены различными модами резонансных колебаний этих струн. То, что представлялось различными частицами, на самом деле является различными «нотами», исполняемыми на фундаментальной струне, одна из мод колебания струн представляет собой гравитон.

Теория струн для своей непротиворечивости требует многомерной Вселенной, точнее 10 пространственных измерений и одно временное. Согласно теории Оскара Клейна, выдвинутой еще в 1926 г., наша Вселенная может содержать как протяженные, так и свернутые измерения. Но свернутые измерения туго скручены в ничтожно малых объемах, поэтому экспериментально не могут быть обнаружены.

Если теория струн верна, то некоторые из колебаний струн будут соответствовать известным частицам. Парность, связанная с суперсимметрией, позволяет теории струн сделать предсказание, что у каждой известной частицы имеется суперпартнер. Предсказание существования суперпартнеров является общей особенностью теории струн.

До настоящего времени никому не удавалось наблюдать суперпартнеров элементарных частиц. Это может означать, что они не существуют, и теория струн неверна. Однако по мнению многих специалистов по физике элементарных частиц это связано с тем, что суперпартнеры являются очень тяжелыми и поэтому не могут быть обнаружены на тех экспериментальных установках, которыми мы располагаем сегодня. В настоящее время физики сооружают гигантский ускоритель вблизи г. Женева в Швейцарии, получивший название Большого адронного коллайдера. Есть надежда, что мощность этой установки будет достаточна для открытия частиц-суперпартнеров. Ускоритель должен вступить в действие к 2010 г., и вскоре после этого суперсимметрия может получить экспериментальное подтверждение. Обнаружение частиц-суперпартнеров может свидетельствовать в пользу данной теории. Но так как экспериментально обнаружить струны в ближайшем обозримом будущем не представляется возможным из-за их ничтожных размеров, то эта теория носит несколько философский характер.

Теория струн обещает предоставить в наше распоряжение единое, всеобъемлющее, унифицированное описание физического мира — универсальную теорию мироздания.

127