Теорія елементарних частинок і космологія

З'ясувалося, що для підтримки симетрії в описі слабкої взаємодії необхідні три нові силові поля, на відміну від єдиного електромагнітного поля. Було отримано і квантовий опис цих трьох полів: повинні існувати три нові типи частинок — носіїв взаємодії, по одному для кожного поля. Усі разом вони називаються важкими векторними бозонами зі спіном 1 і є носіями слабкої взаємодії. Частинки W* і W~ є переносниками двох із трьох пов'язаних зі слабкою взаємодією полів. Третє поле відповідає електрично нейтральній частинці-носієві, який одержав назву 2°-частинки. Існування 2°-частинки означає, що слабка взаємодія не обов'язково повинна супроводжуватися переносом електричного заряду.

У створенні теорії електрослабкої взаємодії ключову роль відіграло поняття спонтанного порушення симетрії: не всяке рішення задачі повинно мати всі властивості його вихідного рівня. Так, частинки, зовсім різні при низьких енергіях, при високих енергіях можуть виявитися насправді однією і тією ж частинкою, що перебуває в різних станах. Таким чином, ідея Вайнберга і Садама про спонтанне порушення симетрії поєднала електромагнетизм і слабку взаємодію в єдину теорію калібрувального поля.

Чому ж електромагнітна і слабка взаємодії мають настільки несхожі властивості? Теорія Вайнберга — Салама пояснює ці відмінності порушенням симетрії. Якби симетрія не порушувалася, то обидві взаємодії були б порівнянними за величиною. Порушення симетрії спричинює різке зменшення слабкої взаємодії, оскільки:воно безпосередньо пов'язане з масами W- і Z-частинок. Можна сказати, що слабка взаємодія настільки мала тому, що W- і Z-частинки дуже масивні. Лептони рідко зближаються на настільки малі відстані (м), щоб на них ставав можливим обмін важкими векторними бозонами.

Але при великих енергіях (більш як 100 ГеВ), коли частинки W і Z можуть вільно народжуватися, обмін W- і Z-бозонами здійснюється настільки ж легко, як і обмін фотонами (безмасовими частинками), відмінність між фотонами й бозонами стирається. У цих умовах повинна існувати повна симетрія між електромагнітною і слабкою взаємодією — електрослабка взаємодія.

Найбільш переконливою експериментальною перевіркою Нової теорії могло б бути підтвердження існування гіпотетичних W- і Z-частинок. їх відкриття в 1983 р. стало можливим тільки тоді, коли було створено дуже могутні прискорювачі Новітнього типу й означало торжество теорії Вайнберга — Салама. Було остаточно доведено, що електромагнітна й слабка взаємодії насправді були просто двома компонентами єдиної електрослабкої взаємодії. У1979 р. Вайнбергу С, Саламу А., Глешоу С. було присуджено Нобелівську премію за створення теорії електрослабкої взаємодії.

4. Квантова хромодинаміка

Наступний крок на шляху до пізнання фундаментальних взаємодій — створення теорії сильної взаємодії. Для цього необхідно надати сильній взаємодії рис калібрувального поля. Сильну взаємодію можна уявити як результат обміну глюонамй, який забезпечує зв'язування кварків (попарно або трійками) в адрони.

Задум тут такий. Кожен кварк має аналог електричного заряду, який є джерелом глюонного поля. Його назвали кольором. (Як у випадку з терміном "кварк", термін "колір" тут обрано довільно і ніякого стосунку до звичайного кольору він не має).

Якщо електромагнітне поле породжується зарядом тільки одного сорту, то більш складне глюонне поле створюється за участі трьох різних кольорових зарядів. Кожен кварк "пофарбований" в один із трьох можливих кольорів, які (цілком довільно) назвали червоним, зеленим і синім. І, відповідно, антикварки бувають античервоні, антизелені й антисині.

На наступному етапі теорія сильної взаємодії розвивалася за тією ж схемою, що і теорія слабкої взаємодії. Вимога локальної калібрувальної симетрії (тобто інваріантості щодо змін кольору в кожній точці простору) приводить до необхідності введення силових компенсуючих полів,. Усього потрібно вісім нових силових компенсуючих полів. Частинками — носіями цих полів є глюони, і, таким чином, із теорії випливає, що повинно бути аж вісім різних типів глюонів. Як і фотон, глюони мають нульову масу спокою і спін 1. Глюоны також мають різні кольори, але не чисті, а змішані (наприклад, синьо-антизелений), тобто глюони складаються з "кольору" й "антикольору". Тому випромінювання або поглинання глюона супроводжується зміною кольору кварка ("гра кольорів"). Так, наприклад, червоний кварк, втрачаючи червоно-антисиній глюон, перетворюється на синій кварк, а зелений кварк, поглинаючи синьо-антизелений глюон, перетворюється на синій кварк. У протоні, наприклад, три кварки постійно обмінюються глюонами, змінюючи свій колір. Однак такі зміни мають не довільний характер, а підпорядковуються твердому правилу: у будь-який момент часу "сумарний" колір трьох кварків повинен являти собою біле світло, тобто суму "червоний + зелений + синій". Це правило поширюється і на мезони, що складаються з пари кварк — антикварк. Оскільки антикварк характеризується антикольором, така комбінація завідомо безбарвна ("біла"), наприклад червоний кварк у комбінації з античсрвоним кварком утворить безбарвний мезон.

З погляду квантової хромодинаміки (квантової теорії кольору) сильна взаємодія є не що інше, як прагнення підтримувати певну абстрактну симетрію природи: збереження білого кольору всіх адронів при зміні кольору їхніх складових частин. Квантова хромодинаміка чудово пояснює правила, яким підпорядковуються всі комбінації кварків, взаємодія глюонів' між собою (глюон може розпадатися на два глюони або два глюони злитися в один — тому і з'являються нелінійні члени в рівнянні глюонного поля), взаємодія кварків і глюонів (кварки вкриті хмарами глюонів і кварк-антикваркових пар), складна структура адрона, який складається з "одягнених" у хмари кварків, і ін.

Можливо, поки що передчасно оцінювати квантову хромодинаміку як остаточну й завершену теорію сильної взаємодії, але експериментальний статус її досить міцний і досягнення є багатообіцяючими.

5. На шляху до великого об'єднання

Зі створенням квантової хромодинаміки з'явилася надія на побудову єдиної теорії усіх (чи хоча 6 трьох із чотирьох) фундаментальних взаємодій. Моделі, які поєднують в єдине ціле хоча б три з чотирьох фундаментальні взаємодії, називаються моделями Великого об'єднання. Теоретичні схеми, які поєднують усі відомі типи взаємодій (сильну, слабку електромагнітну й гравітаційну) називаються моделями супергравітації.

Досвід успішного об'єднання слабкої й електромагнітної взаємодій на основі ідеї калібрувальних полів вказав можливі шляхи для подальшого розвитку принципу єдності фізики, об'єднання фундаментальних фізичних взаємодій. Один з них базується на тому дивному факті, що константи взаємодії електромагнітної, слабкої і сильної взаємодій стають рівними за однієї і тієї ж енергії. Цю енергію назвали енергією об'єднання. Коли значення енергії перевищують м ГеВ або відстані становлять  м, сильні й слабкі взаємодії можна описати за допомогою єдиної константи, тобто вони мають загальну природу. Кварки й лептони тут практично не помітні.,

У 70-90-і pp. було розроблено кілька конкуруючих між собою теорій Великого об'єднання. Усі вони базуються на одній і тій же ідеї. Якщо електрослабка й сильна взаємодії дійсно являють собою лише дві сторони Великої єдиної взаємодії, то останній також повинно відповідати калібрувальне поле з деякою складною симетрією. Вона повинна бути досить загальною, здатною охопити всі калібрувальні симетрії, які існують і у квантовій хромодинаміці, і в теорії електрослабкої взаємодії. Відкриття такої симетрії — головне завдання на шляху до створення єдиної теорії сильної та електрослабкої взаємодії. Існують різні підходи, що породжує конкуруючі варіанти теорії Великого об'єднання.

Проте всі ці гіпотетичні варіанти Великого об'єднання мають ряд загальних особливостей. По-перше, у всіх гіпотезах кварки й лептони — носії сильної та електрослабкої взаємодій — є складовими єдиної теоретичної схеми. Дотепер вони розглядалися як зовсім різні об'єкти. По-друге, залучення абстрактних калібрувальних симетрій приводить до відкриття нових типів полів, які мають нові властивості, наприклад здатність перетворювати кварки в лептони.

У найпростішому варіанті теорії Великого об'єднання для перетворення кварків на лептони потрібно двадцять чотири поля. Дванадцять із квантів цих полів уже відомі: фотон, дві W-частинки, Z-частинка і вісім глюонів. Інші дванадцять квантів — нові надважкі проміжні бозони, об'єднані загальною назвою X- і К-частинки (мають колір та електричний заряд). Ці кванти відповідають полям, які підтримують більш широку калібрувальну симетрію і перемішують кварки з лептонами. Отже, X- і У-частинки можуть перетворювати кварки на лептони (і навпаки).

На основі теорій Великого об'єднання вдалося передбачити принаймні дві важливі закономірності, які можна перевірити експериментально: нестабільність протона й існування магнітних монополів. Експериментальне виявлення розпаду протона й магнітних монополів могло б стати вагомим доказом на користь теорій Великого об'єднання. На перевірку цих передбачень спрямовані зусилля експериментаторів. Відкриття розпаду протона було б найфандіознішим експериментом XXI ст.І Але поки що твердо обгрунтованих експериментальних даних із цієї проблеми немає.

А про пряме експериментальне виявлення X- і У-бозонів поки що взагалі не йдеться. Річ у тім, що теорії Великого об'єднання мають справу з енергією частинок понад м ГеВ. Це луже висока енергія. Важко сказати, коли вдасться одержати частинки настільки високих енергій у прискорювачах. Сучасні прискорювачі ледве досягають енергії 100 ГеВ. І тому основною областю застосування й перевірки теорій Великого об'єднання є космологія. Без цих теорій неможливо описати ранню стадію еволюції Всесвіту, коли температура первинної плазми досягала  К. Саме за таких умов могли народжуватися й анігілювати над важкі бозони X і Y.

Але об'єднання трьох з чотирьох фундаментальних взаємодій — це ще не єдина теорія в справжньому розумінні слова. Адже залишається ще гравітація. Теоретичні моделі, в яких поєднуються всі чотири взаємодії, називаються супергравітацією.

Супергравітація базується на ідеї суперсиметрії, тобто такого переходу від глобально! калібрувальної симетрії до локальної, який би дозволив переходити від фер-міонів (носіїв субстрату матерії) до бозонів (носіїв структури матерії, переносників взаємодій) і навпаки. Одна з теоретичних моделей зводить воєдино 70 частинок зі спіном 0; 56 частинок зі спином 1/2; 28 частинок зі спіном 1; 8 частинок зі спіном 3/2 (їх назвали гравітино) і 1 частинку зі спіном 2 (гравітон). Усі ці частинки були об'єднані єдиною суперсилою при колосальному значенні енергії  ГеВ (T=  К,  м). У теоріях суперсиметрії виникла також ідея введення нових додаткових вимірів (10,11 чи навіть 26) простору, які дозволять описати всі прояви властивостей речовини й переносників взаємодій. Тільки три з них виявляються в нашому світі, а інші залишилися скрученими, замкнутими в масштабі  м. Разом з тим на шляху об'єднання гравітації з іншими фундаментальними взаємодіями поки ще залишається багато проблем.

Таким чином, послідовне об'єднання фундаментальних взаємодій почалося із синтезу електрики й магнетизму в рамках теорії Максвелла в XIX ст. Об'єднання слабкої й електромагнітної взаємодій дістало надійне підтвердження в 1983 р. завдяки відкриттю X- і У-частинок. Даних, які підтверджували 6 Велике об'єднання, поки що немає, але на них чекають. Забезпеченість теоретичними передумовами для створення єдиної теорії усіх фундаментальних взаємодій швидко зростає. Можливо, що вже на початку XXI ст. це найграндіозніше завдання всієї історії пізнання матерії буде вирішено У певному розумінні це означає кінець фізичної науки як науки про фундаментальні основи матерії.

Але не слід відкидати й інші варіанти розвитку фізики у XXI ст. — відкриття нових фундаментальних взаємодій, нових субкваркових частинок, появу інших трактувань єдності матерії й ін. Особливо вагомими на цьому шляху є ті незвичайні уявлення, які у наш час з'являються там, де взаємодіють мікросвіт із мегасвітом, ультрамале з ультравеликим, фізика з астрономією і космологією.

2. Космологія

Космоло́гія — вчення про Всесвіт у цілому та про місце людства у ньому. Незважаючи на давність самого вчення, термін «космологія» був уперше введений філософом Крістіаном Вольфом лише в 1730 році — і в наш час використовується в фізиці, філософії, езотериці та релігії.

1. Фізична космологія

Фізична космологія — підрозділ астрономії, який досліджує фізичне походження Всесвіту і його природу в найбільших масштабах. На раньому етапі свого розвитку, фізична космологія була тим, що зараз відомо як дослідження небосхилу та небесна механіка. Грецькі філософи Аристарх Самоський, Арістотель і Птоломей запропонували різні космологічні теорії. Зокрема геоцентрична система Птолемея, яка відпочатку була побудована на космологічній моделі Арістотеля, а згодом набула самостійного значення, довгий час слугувала для розрахунку та пояснення видимих рухів світил на небосхилі. Згодом, Ніколай Коперник запропонував значно простішу для розрахунків та уявного відтворення геліоцентричну модель сонячної системи, яка в той час утотожнювалась з моделлю Всесвіту. Йоган Кеплер, операючись на спостереження Тихо Браге, здійснив якісний матиматичний опис цієї моделі. Поряд з цим Галілео Галілей довів її правильність на основі власних спостережень та наукових методів досліджень, які сам тоді вперше сформолював. Роботи Галілея започаткували протистояння стрімко зростаючої фізичної космології, яка в той час була зародком науки, з релігійною космологією розширеною за рахунок космологічних поглядів Арістотеля що до руху світил на небосхилі. Наслідком такого протистояння став перегляд прихильниками релігійної космології деяких її категоричних тверджень та висновків зроблених на основі вчень Арістотеля, в той час як фізична космологія знайшла своє продовження в працях Ісаака Ньютона, який довершив створення цієї моделі формулюванням законів механіки та вивиденням закону тяжіння. Після відкриття зір і утотожнення їх із Сонцем, а також після відкриття нашої Галактики та великої кількості інших галактик у найвіддаленіших ділянках простору доступних спостереженням, модель Сонячної системи втратила значення моделі Всесвіту. Створення нової моделі Всесвіту було розпочато з гіпотези про поширеність законів механіки і всіх інших законів природи, відкритих в Сонячній системі, на всі ділянки простору та тіла у ньому. Базою такій гіпотезі слугували висновки теорії Ньютона про поширеність законів механіки на всі тіла Сонячної системи. Поширеність законів механіки та деяких інших законів природи (зокрема законів квантової механіки, яку можна вважати піґрунтям хімії, законів термодинаміки, електромагнетизму тощо) на віддалені об'єкти космосу з розвитком спостережувальної астрономії неодноразово перевірялась та підтверджувалась в явній та неявній формах в роботах численних астрономів.