37.9. Велике об'єднання

Магістральний шлях розвитку фізики полягає в об'єднанні різних типів взаємодій. Перший крок у цьому напрямку був зроблений Д. Максвеллом (1860–1865 р.), який все розмаїття електричних і магнітних явищ об'єднав у рамках єдиної електромагнітної взаємодії. Над єдиною теорією гравітаційної та електромагнітної взаємодій працював А. Ейнштейн. Побудові єдиної теорії матерії присвятив два десятиліття й інший видатний фізик ХХ століття – В. Гейзенберг. Однак обидві спроби з різних причин виявилися безуспішними. Наприкінці 70-их років минулого століття С. Вайнберг, Ш. Л. Глешоу та А. Салам створили єдину теорію електрослабких (тобто електромагнітних і слабких) взаємодій. Переносниками електрослабкої взаємодії є безмасовий фотон  і три масивних бозона W⁺, W^– і Z⁰. Незважаючи на те, що m_ = 0, а маси бозонів відмінні від нуля, їх різницею можна знехтувати в разі великих енергій частинок, що зіштовхуються, тобто при їх зближенні на дуже малі відстані (R<10^-18 м). Однак зі збільшенням відстані між частинками (R>10^-18 м) роль бозонів як переносників взаємодії слабшає через малий радіус дії слабкої взаємодії (див. §37.8), тому головний внесок у взаємодію між частинками вносить фотон. Таким чином, на відстанях R>10^-18 м електрослабка взаємодія проявляє себе як електромагнітна.

Теорія Вайнберга– Глэшоу –Салама одержала блискуче експериментальне обґрунтування в 1982–1983 р., коли були відкриті W⁺, W^– і Z⁰ – бозони, маси яких добре узгоджуються з передбаченням теорії.

Успіхи теорії електрослабкої взаємодії стимулювали дослідження в напрямку подальшої уніфікації теорії елементарних частинок. Зараз створюється єдина теорія слабкої, електромагнітної й сильної взаємодій, відома як теорія великого об'єднання. Основний висновок цієї теорії полягає в тому, що на відстані інтенсивності слабкої, електромагнітної й сильної взаємодій зрівнюються, і всяке розходження між ними зникає. Найцікавіше передбачення теорії великого об'єднання – нестабільність протона (і зрештою всієї речовини). Теорія допускає можливість порушення закону збереження баріонного заряду, у зв'язку із чим протон може розпадатися за схемою:

(37.13)

Теорія передбачає, що час життя протона становить років. Зареєструвати процеси типу (37.13) поки не вдалося, однак установлено, що час життя протона у всякому разі більший, ніж 6.510³¹ років.

Для безпосередньої перевірки теорії великого об'єднання потрібні енергії 10¹⁹ ГеВ, навряд чи коли-небудь досяжні на прискорювачах. Такі енергії були характерними в перші миті «створення» нашого Всесвіту, тобто Великого Вибуху. Тоді вся матерія перебувала в надзвичайно стисненому стані і визначальну роль відігравали процеси, що розвивалися на надмалих відстанях при гранично високих енергіях. Саме в цій області проявляються основні риси великого об'єднання, сліди якого повинні зберегтися до наших днів. Одним з них є, очевидно, баріонна асиметрія Всесвіту, тобто відсутність антиречовини.

Теорія великого об'єднання перебуває поки в самій початковій стадії розвитку, однак уже зараз створюються основи супергравітації – теорії, що поєднує всі види взаємодій, у тому числі гравітацію.