Основные положения теории "великого объединения"

Введение
Теория "Великого объединения" – это теория, объединяющая электромагнитные, сильные и слабые взаимодействия. Упоминая про теорию "Великого объединения", речь заходит о том, что все силы, существующие в природе, являются проявлением одной всеобщей фундаментальной силы. Есть ряд соображений, дающих основания полагать, что в момент Большого взрыва, породившего нашу вселенную, существовала только эта сила. Однако с течением времени вселенная расширялась, а значит, остывала, и единая сила расщепилась на несколько разных, которые мы сейчас и наблюдаем. Теория "Великого объединения" должна описать электромагнитную, сильную, слабую и гравитационную силы как проявление одной всеобщей силы. Определенный прогресс уже есть: ученым удалось построить теорию, объединяющую электромагнитное и слабое взаимодействия. Однако основная работа над теорией "Великого объединения" еще впереди.
Современная физика частиц вынуждена обсуждать такие вопросы, которые, по сути дела, волновали еще античных мыслителей. Каково происхождение частиц и химических атомов, построенных из этих частиц? И как из частиц, как бы мы их ни называли, может быть построен Космос, видимая нами Вселенная? И еще – сотворена ли Вселенная, или существует извечно? Если можно так спрашивать, то каковы пути мысли, которые могут привести к убедительным ответам? Все эти вопросы аналогичны поискам истинных начал бытия, вопросам о природе этих начал.
Что бы мы ни говорили о Космосе, ясно одно, что все в природном мире так или иначе состоит из частиц. Но как понимать эту составленность? Известно, что частицы взаимодействуют – притягиваются или отталкиваются друг от друга. Физика частиц изучает разнообразные взаимодействия. [Поппер К. Об источниках знания и незнания // Вопр. истории естествознания и техники, 1992, № 3, с. 32.]
Исторически первой была открыта гравитация (тяготение). Это наиболее универсальное взаимодействие – ничто в Космосе не избавлено от всепроникающего действия гравитационной силы. Любая частица – это источник гравитации. Но удивительней всего, что сила гравитационного взаимодействия одинакова у всех частиц. Ничего не зная о многообразии частиц, из которых построен Космос, Галилей уже пришел к мысли, что все тела, независимо от их веса и состава, падают на Землю одинаково – с одним и тем же ускорением. Известно также, что открытие закона тяготения связано с именем Ньютона. [Грюнбаум А. Происхождение против творения в физической космологии (теологические искажения современной физической космологии). – Вопр. философии, 1995, № 2, с. 17.]
Парадоксальность явления гравитации обнаруживается в том, что в физике частиц сила гравитационного взаимодействия настолько ничтожна по величине, что ею вполне можно пренебречь. Но мы тем не менее повседневно ощущаем гравитацию. Это происходит потому, что частицы, из которых состоит Земля, как и все в Космосе, действуют сообща. Суммарное взаимодействие оказывается значительным. В Космосе гравитационное взаимодействие становится огромной связующей силой.
1. Развитие научных взглядов на взаимодействия частиц до эволюционного создания теории "Великого объединения"
Электромагнитное взаимодействие привлекло к себе особенное внимание в XVIII–XIX вв. Обнаружилось сходство и различие электромагнитного взаимодействия и гравитационного. Подобно гравитации, силы электромагнитного взаимодействия обратно пропорциональны квадрату расстояния. Но, в отличие от гравитации, электромагнитное "тяготение" не только притягивает частицы (различные по знаку заряда), но и отталкивает их друг от друга (одинаково заряженные частицы). И не все частицы – носители электрического заряда. Например, фотон и нейтрон нейтральны в этом отношении. В 50-х годах XIX в. электромагнитная теория Д. К. Максвелла (1831–1879) объединила электрические и магнитные явления и тем самым прояснила действие электромагнитных сил. [Грюнбаум А. Происхождение против творения в физической космологии (теологические искажения современной физической космологии). – Вопр. философии, 1995, № 2, с. 19.]
Изучение явлений радиоактивности привело к открытию особого рода взаимодействия частиц, которое получило название слабого взаимодействия. Поскольку это открытие связано с изучением бета-радиоактивности, можно было бы назвать это взаимодействие бета-распадным. Однако в физической литературе принято говорить о слабом взаимодействии – оно слабее электромагнитного, хотя и значительно сильнее гравитационного. Открытию способствовали исследования В. Паули (1900–1958), предсказавшего, что при бета-распаде вылетает нейтральная частица, компенсирующая кажущееся нарушение закона сохранения энергии, названная нейтрино. И кроме того, открытию слабых взаимодействий способствовали исследования Э. Ферми (1901–1954), который наряду с другими физиками высказал предположение, что электроны и нейтрино до своего вылета из радиоактивного ядра не существуют в ядре, так сказать, в готовом виде, но образуются в процессе излучения. [Грюнбаум А. Происхождение против творения в физической космологии (теологические искажения современной физической космологии). – Вопр. философии, 1995, № 2, с. 21.]
Наконец, четвертое взаимодействие оказалось связанным с внутриядерными процессами. Названное сильным взаимодействием, оно проявляется как притяжение внутриядерных частиц – протонов и нейтронов. Вследствие большой величины оно оказывается источником огромной энергии.
Изучение четырех типов взаимодействий шло по пути поисков их глубинной связи. На этом неясном, во многом темном пути только принцип симметрии направлял исследование и привел к выявлению предполагаемой связи различных типов взаимодействий.
Для выявления таких связей пришлось обратиться к поискам особого типа симметрий. Простым примером подобного типа симметрии может служить зависимость работы, совершаемой при подъеме груза, от высоты подъема. Затрачиваемая энергия зависит от разности высот, но не зависит от характера пути подъема. Существенна только разность высот и совершенно не имеет значения, от какого уровня мы начинаем измерение. Можно сказать, что мы имеем здесь дело с симметрией относительно выбора начала отсчета.
Подобным образом можно вычислять энергию движения электрического заряда в электрическом поле. Аналогом высоты будет здесь напряжение поля или, иначе, электрический потенциал. Затрачиваемая энергия при движении заряда будет зависеть только от разности потенциалов между конечной и начальной точками в пространстве поля. Мы имеем здесь дело с так называемой калибровочной или, по-другому, с масштабной симметрией. Калибровочная симметрия, отнесенная к электрическому полю, тесно связана с законом сохранения электрического заряда.
Калибровочная симметрия оказалась важнейшим средством, порождающим возможность разрешить многие трудности в теории элементарных частиц и в многочисленных попытках объединения различных типов взаимодействий. В квантовой электродинамике, например, возникают различные расходимости. Устранить эти расходимости удается в силу того, что так называемая процедура перенормировки, устраняющая трудности теории, тесно связана с калибровочной симметрией. Появляется идея, что трудности при построении теории не только электромагнитных, но и других взаимодействий могут быть преодолены, если удастся найти другие, скрытые симметрии.
Калибровочная симметрия может принимать обобщенный характер и может быть отнесена к любому силовому полю. В конце 1960-х гг. С. Вайнберг (р. 1933) из Гарвардского университета и А. Салам (р. 1926) из Империал-колледжа в Лондоне, опираясь на работы Ш. Глэшоу (р. 1932), предприняли теоретическое объединение электромагнитного и слабого взаимодействий. Они использовали при этом идею калибровочной симметрии и связанное с этой идеей понятие калибровочного поля. [Якушев А. С. Основные концепции современного естествознания. – М., Факт-М, 2001, с. 29.]
Для электромагнитного взаимодействия применима простейшая форма калибровочной симметрии. Оказалось, что симметрия слабого взаимодействия сложнее, чем электромагнитного. Сложность эта обусловлена сложностью самого процесса, так сказать, механизма слабого взаимодействия.
В процессе слабого взаимодействия происходит, например, распад нейтрона. В этом процессе могут участвовать такие частицы, как нейтрон, протон, электрон и нейтрино. Причем за счет слабого взаимодействия происходит взаимное превращение частиц.
Опуская детали хода рассуждений, скажем, что для калибровочной симметрии в области слабых взаимодействий пришлось ввести три новых силовых поля. При квантовом описании введенных полей необходимо было допустить существование новых типов частиц – переносчиков взаимодействия. Так были предсказаны, а затем и найдены W (плюс) частица, W (минус) частица, а затем и нейтральная Z-частица. Открытие этих частиц в начале 1980-х годов привлекло особенное внимание к теории Вайнберга–Салама. Хотя надо заметить, что признание ведущей роли теоретических идей выразилось в том, что уже в 1979 г. Вайнберг и Салам вместе с Глэшоу, еще до убедительного экспериментального подтверждения своих теоретических построений, были удостоены Нобелевской премии. [Грюнбаум А. Происхождение против творения в физической космологии (теологические искажения современной физической космологии). – Вопр. философии, 1995, № 2, с. 23.]
Однако обнаружились трудности. Калибровочные поля по своей природе представляют собой дальнодействующие поля. В силу этого частицы, переносчики взаимодействия, должны, казалось, иметь нулевую массу покоя. Но получалось, что W и Z имеют огромную массу в сравнении, скажем, с массой электрона. В таком случае нарушается калибровочная симметрия.
Вайнберг и Салам интерпретировали такое нарушение симметрии, как основание для различения электромагнитных и слабых взаимодействий. Слабое взаимодействие столь мало в сравнении с электромагнитным потому, что частицы W и Z обладают очень большой массой.
С позиции методологического анализа кратко описываемой познавательной ситуации, имея в виду значимость принципа симметрии, все же приходится отметить, что констатация нарушения калибровочной симметрии была и остается лишь сигналом к поиску не известных еще симметрий. В физической литературе подчеркивается как существенное достижение мысль о так называемом "спонтанном нарушении симметрии". Однако методологически существенно подчеркнуть другую сторону ситуации в познании единства взаимодействий. [Якушев А. С. Основные концепции современного естествознания. – М., Факт-М, 2001, с. 49.]
Физическая мысль все же искала выход из трудностей, связанных с проблемой бесконечностей в теоретических построениях. Именно эта проблема и была особенно важной и определяющей для принятия теории. Чтобы не погружаться в специального рода расчеты, я просто еще раз процитирую английского автора Дэвиса из его книги "Суперсила": "Решающее значение для исключения бесконечностей имела высокая степень симметрии, заложенная в электрослабой теории". [Якушев А. С. Основные концепции современного естествознания. – М., Факт-М, 2001, с. 56.]
Поверим, как говорится, на слово знатоку достижений современной физики частиц и необычайно возвышенных проблем космологии. Так называемое "спонтанное нарушение симметрии" оказывается лишь сигналом к тому, чтобы искать и находить, как говорит Дэвис, симметрии "более высокой степени".
Проблемы эти действительно захватывают нашу мысль, наше воображение. Мы изучаем различные взаимодействия частиц, их свойства, их многообразие. Но еще более волнует вопрос, как из этого многообразия частиц, их свойств, их взаимодействий может быть составлен Космос, весь наблюдаемый нами звездный мир? И может ли нам оказать помощь в разъяснении этого вопроса принцип симметрии?
Американский физик-теоретик Дж. Уилер (р. 1911) так описывает значимость одной из проблем, относящихся к изучению Космоса, иначе, Вселенной: "Из всех вопросов, занимавших мыслителей всех стран и всех столетий, ни один не может претендовать на большую значимость, чем вопрос о происхождении Вселенной". [Якушев А. С. Основные концепции современного естествознания. – М., Факт-М, 2001, с. 67.]
Но попробуем спросить – а каким образом и на каком основании возник сам вопрос? Можно думать, что имеются три основания для того, чтобы сформулировать вопрос о происхождении Космоса: физическое, биологическое и теологическое.
Первое – физическое – основание содержалось, в качестве возможности, в общей теории относительности. В 1922–1924 гг. А. А. Фридман (1888–1925) вывел особые решения гравитационного уравнения Эйнштейна, продемонстрировав тем самым возможность того, что наблюдаемая Вселенная расширяется. Эйнштейн был вынужден согласиться с таким выводом, хотя первоначально выразил в этом сомнение. В 1929 г. Э. П. Хаббл (1889–1953) сопоставил лучевые скорости галактик с расстоянием до них и нашел, что между этими величинами существует линейная зависимость. Эта зависимость послужила основой для вывода о том, что теоретическое предсказание расширения Космоса подтверждается наблюдением. [Солдатов В. К. Теория "Великого объединения". – М., Постскриптум, 2000 г., с. 128.]
Второе – биологическое – основание заключается в привычном наблюдении за развитием живых организмов. Об этом основании вопроса о происхождении Космоса выразительно писал Уилер: "При рассмотрении вселенной частиц и полей естественно обратиться на мгновение ко вселенной растительных и животных форм. В этих двух царствах жизни можно увидеть изумительный порядок и симметрию. Тем не менее все эти закономерности после Дарвина были объяснены как результат случайных мутаций и слепого выбора эволюции". [Солдатов В. К. Теория "Великого объединения". – М., Постскриптум, 2000 г., с. 137.]
Подобно тому, как когда-то возникла жизнь на Земле, в необозримо отдаленные времена возник и Космос. Отсюда – на основании аналогии – вопрос о происхождении Вселенной. [Грюнбаум А. Происхождение против творения в физической космологии (теологические искажения современной физической космологии). – Вопр. философии, 1995, № 2, с. 25.]
Третье – теологическое – основание вопроса о происхождении Космоса коренится в вековых традициях религиозной мысли. Мир природный и мир человеческий сотворены Высшим Разумом, и потому следует обратиться к научному исследованию, чтобы продемонстрировать, как именно, какими основаниями руководствовался Высший Разум при сотворении Космоса.
Так фундаментально обоснованный вопрос – обоснованный физически, биологически и теологически – требует убедительных ответов на него. И такого рода ответы предлагает современная космология совместно с физикой частиц.
Обращаясь к попыткам ответить на упомянутый фундаментальный вопрос, "занимавший мыслителей всех стран и всех столетий", мы замечаем необычайное разнообразие ответов. Вопрос настолько фундаментален, что критерий "современности" как истинности здесь совершенно не подходит.
Если обратиться к современным попыткам ответить на этот вопрос, то в этих попытках усматривается удивительная противоречивость в исходных принципах. С одной стороны, у исследователей нет сомнения в обоснованности вопроса о происхождении Космоса. Но с другой стороны, ответы о происхождении Вселенной опираются на идею "Великого объединения" известных взаимодействий. А теория великого объединения – это теория суперсимметрии. Но там, где симметрия, а в данном случае еще и "суперсимметрия", там и инвариантность, иначе говоря, понятие, снимающее вопрос о происхождении.
2. Концептуальные положения теории "Великого объединения". Сравнительный анализ теории "Великого объединения" и суперсимметрии
В современной теоретической физике тон задают две новые концептуальные схемы: так называемая теория "Великого объединения" и суперсимметрия.
Эти научные направления совместно приводят к весьма привлекательной идее, согласно которой вся природа в конечном счете подчинена действию некой суперсилы, проявляющейся в различных "ипостасях". Эта сила достаточно мощна, чтобы создать нашу Вселенную и наделить ее светом, энергией, материей и придать ей структуру. Но суперсила – нечто большее, чем просто созидающее начало. В ней материя, пространство–время и взаимодействие слиты в нераздельное гармоничное целое, порождающее такое единство Вселенной, которое ранее никто и не предполагал. Назначение науки, по существу, заключается в поиске такого единства. [Овчинников Н. Ф. Структура и симметрия // Системные исследования, М., 1969, с. 137.]
Исходя из этого, возникает определенная уверенность объединения всех явлений живой и неживой природы в рамках единой описательной схемы. На сегодняшний день известны четыре фундаментальных взаимодействия или четыре силы в природе, ответственные за все известные взаимодействия элементарных частиц – сильное, слабое, электромагнитное и гравитационное взаимодействия. Сильные взаимодействия связывают между собой кварки. Слабые взаимодействия обусловливают некоторые виды ядерных распадов. Электромагнитные силы действуют между электрическими зарядами, а гравитационные – между массами. Наличие этих взаимодействий является достаточным и необходимым условием для построения окружающего нас мира. Например, без гравитации не только не было бы галактик, звезд и планет, но и Вселенная не могла бы возникнуть – ведь сами понятия расширяющейся Вселенной и Большого взрыва, от которого берет начало пространство–время, основаны на гравитации. Без электромагнитных взаимодействий не было бы ни атомов, ни химии или биологии, а также солнечного тепла и света. Без сильных ядерных взаимодействий не существовали бы ядра, а следовательно – атомы и молекулы, химия и биология, а звезды и Солнце не могли бы генерировать за счет ядерной энергии теплоту и свет.
Даже слабые ядерные взаимодействия играют определенную роль в образовании Вселенной. Без них невозможны были бы ядерные реакции в Солнце и звездах, по-видимому, не происходили бы вспышки сверхновых и необходимые для жизни тяжелые элементы не могли бы распространиться во Вселенной. Жизнь вполне могла бы и не возникнуть. Если согласиться с мнением, что все эти четыре совершенно различных взаимодействия, каждое из которых по-своему необходимо для возникновения сложных структур и определяющих эволюцию всей Вселенной, порождаются единственной простой суперсилой, то наличие единого фундаментального закона, действующего как в живой, так и в неживой природе, не вызывает сомнения. Современные исследования показывают, что когда-то эти четыре силы могли быть объединены в одну.
Это было возможно при огромных энергиях, характерных для эпохи ранней Вселенной вскоре после Большого взрыва. Действительно, теория объединения электромагнитных и слабых взаимодействий уже подтверждена экспериментально. Теории "Великого объединения" должны объединить эти взаимодействия с сильными, а теории "Всего Сущего" – единым образом описать все четыре фундаментальные взаимодействия как проявления одного взаимодействия. Тепловая история Вселенной, начиная с 10–43 сек. после Большого взрыва и до наших дней, показывает, что большая часть гелия-4, гелия-3, дейтронов (ядер дейтерия – тяжелого изотопа водорода) и лития-7 образовалась во Вселенной примерно через 1 мин после Большого взрыва.
Более тяжелые элементы появились внутри звезд десятки миллионов или миллиарды лет спустя, а возникновению жизни соответствует заключительный этап эволюционирующей Вселенной. Основываясь на проведенном теоретическом анализе и результатах компьютерного моделирования диссипативных систем, функционирующих вдали от равновесия, в условиях действия кодово-частотного низкоэнергетического потока, нами был сделан вывод о существовании во Вселенной двух параллельных процессов – энтропийного и информационного. Причем энтропийный процесс превращения материи в излучение не является доминирующим. [Солдатов В. К. Теория "Великого объединения". – М., Постскриптум, 2000 г., с. 38.]
В этих условиях возникает новый тип эволюционной самоорганизации материи, связывающий когерентное пространственно-временное поведение системы с динамическими процессами внутри самой системы. Тогда в масштабе Вселенной этот закон будет формулироваться следующим образом: "Если Большой взрыв привел к образованию 4-х фундаментальных взаимодействий, то дальнейшая эволюция пространственно-временной организации Вселенной связана с их объединением". Таким образом, в нашем представлении, закон возрастания энтропии необходимо применять не к отдельным частям Вселенной, а ко всему процессу ее эволюции. В момент своего образования Вселенная оказалась квантованной по пространственно-временным уровням иерархии, каждому из которых и отвечает одно из фундаментальных взаимодействий. Возникшая флуктуация, воспринимаемая в виде расширяющейся картины Вселенной, в определенный момент переходит к восстановлению своего равновесия. Процесс дальнейшей эволюции происходит в зеркальном отражении.
Другими словами, в наблюдаемой Вселенной одновременно происходит два процесса. Один процесс – антиэнтропийный – связан с восстановлением нарушенного равновесия, путем самоорганизации вещества и излучения в макроквантовые состояния (в качестве физического примера можно привести такие хорошо известные состояния вещества, как сверхтекучесть, сверхпроводимость и квантовый эффект Холла). Этот процесс, по всей видимости, и определяет последовательную эволюцию процессов термоядерного синтеза в звездах, образование планетных систем, минералов, растительного мира, одноклеточных и многоклеточных организмов. Отсюда автоматически следует самоорганизующая направленность третьего принципа прогрессивной эволюции живых организмов.

Продолжение работы в архиве