Физическая картина мира в аспекте классической, неклассической и постнеклассической рациональности

Этот закон сохранения относится не только к общему числу фермионов, но и по отдельности к барионам (сохранение барионного заряда В). Барионный заряд В называют также барионным числом. Для барионов В=+1, для антибарионов В=-1. Для совокупности барионов и антибарионов барионный заряд равен разности числа барионов и антибарионов. Для совокупности лептонов и антилептонов лептонный заряд L сохраняется. Лептонный заряд (лептонное число) для лептонов L =+1, для антилептонов L=-l. Однако эти весьма точные законы сохранения, по-видимому, все же не являются абсолютными.

Для бозонов закона сохранения их числа не существует. Бозонам, обладающим каким-либо зарядом, соответствуют античастицы с противоположными знаками всех зарядов. Однако есть и «абсолютно нейтральные» бозоны, для которых все заряды равны нулю (например, фотон), они сами являются и своими античастицами. Все лептоны имеют спин 1/2 и являются фермионами. Фермионами являются также все барионы, но их спины могут быть и больше 1/2 (3/2, 5/2 и т. д.). Все мезоны принадлежат к бозонам. Фотон, имеющий спин 1, конечно, бозон. «Функции» фермионов и бозонов в природе различны: фермионы - источники полей, бозоны - кванты этих полей. Из фермионов «построено» вещество, бозоны осуществляют взаимодействия между структурами веществ См.: Гейзенберг В. Введение в единую теорию элементарных частиц. - М.: Мир, 1968. - 368 с..

Физика XX в., проникая все глубже в строение материи, вышла сначала на уровень атома, затем - атомного ядра и, наконец, на уровень элементарных частиц. Однако понятие «элементарный» относительно. Как сказал Ферми, «возможно, что оно отражает уровень нашего понимания». С развитием физики частиц число обнаруженных адронов быстро росло, к началу 60-х годов их было уже известно больше, чем имеется элементов в таблице Менделеева, более 350, и стало ясно, что все они не могут быть элементарными. И тогда в 1964 г. Мюррэем Гелл-Манн и независимо Джордж Цвейг выдвинули смелую гипотезу, впоследствии блестяще подтвердившуюся, что все адроны состоят из более элементарных структурных элементов, названных кварками. Название «кварк» ввел Гелл-Манн. Слово взято из романа Дж. Джойса «Поминки по Финнигану», где его значение неопределенно. (Между прочим, «quark:» по-немецки означает «творог»). Оказалось возможным «построить» все известные в то время адроны всего из трех видов кварков, обозначаемых соответственно u, d, s - начальными буквами английских слов «up» (вверх), «down» (вниз) и «strange» (странный). Барионы состоят из трех кварков (соответственно барионный заряд кварков составляет 1/3), мезоны - из кварка и антикварка. Кварки - фермионы, их спин равен 1/2, поэтому барионы тоже фермионы, а мезоны являются бозонами. Наиболее необычное в свойствах кварков то, что у них дробные электрические заряды -1/3(е) и +2/3(е), где е - элементарный электрический заряд (следует заметить, что существование дробных электрических зарядов, хотя и представляется нам удивительным, не нарушает ни одного известного закона природы). В то же время электрические заряды адронов, равные сумме зарядов составляющих их кварков, всегда целые. См.: Гейзенберг В. Космология, элементарные частицы, симметрия // Природа. 1969. № 12. - С. 79-85.

Значительной является также и роль принципа симметрии в формировании и систематизации экспериментального и теоретического знания в физике элементарных частиц. На начальном этапе развития физики элементарных частиц поиски определенных групп симметрии основывались на убеждении, что существование различных частиц с одним и тем же значением спина, участвующих во взаимодействиях одного и того же типа, связано с дополнительными внутренними степенями свободы, включающими, кроме всего прочего, изотопический спин и гиперзаряд. «Поскольку внутренние степени свободы проявлялись при превращениях, вызываемых сильными взаимодействиями, то предположение об их существовании было эквивалентно предположению о дополнительных свойствах симметрии, имеющихся у сильных воздействий». Розенталь И.Л. Геометрия, динамика, Вселенная. - М.: Наука, 1987. - 144 с.

Но в целом схема появления симметрии была следующей. Все взаимодействия подразделялись по силе на части, где наиболее сильная часть обладала и наибольшей симметрией. При учете только этой части большие группы частиц с одинаковым спином и четностью имеют одну и ту же массу (полная симметрия). Учет менее сильного, несимметричного взаимодействия изменяет спектр масс частиц, сохраняя изоспиновую и гиперзарядовую инвариантность. Если принять во внимание также и электромагнитное взаимодействие, нарушающее изоспиновую инвариантность, то получается весь спектр (элементарный) масс частиц. Проблема заключалась в отыскании симметрии наиболее сильной части взаимодействия и в доказательстве того, что несимметричная часть может привести к нужному расщеплению вырожденных масс элементарных частиц и описать их распады. Группой симметрии, удовлетворяющей всем этим требованиям и дающей хорошее согласие с опытом, оказалась группа SU(3), предложенная Гелл-Манном и Нееманом, которая явилась естественным обобщением SU(2)-симметрии. На ее основе удалось не только объединить в мультиплеты сильновзаимодействующие частицы, но и предсказать существование новой частицы (-гиперона).

Успехи, связанные с SU(3)-симметрией, на основе которой были преодолены некоторые проблемные ситуации, активизировали попытки ее дальнейшего обобщения. Среди них наиболее удачной оказалась группа SU(6), в рамках которой SU(3)-симметрия получила объединение со спином. Но наибольшим успехом пользуется направление, связанное с динамическим обоснованием SU(3)-симметрии. В рамках динамического обоснования SU(3)-симметрии возникла новая идея, а именно идея существования новых субъядерных частиц-кварков, из которых должны быть построены все сильновзаимодействующие частицы См.: Абдулкадыров Ю.Н. Роль принципа симметрии в научном познании. - Махачкала, 2007. - 258 с..

В настоящее время идея кварков пронизывает буквально всю физику высоких энергий, «с их помощью объясняется так много экспериментальных данных, что физике просто невозможно обойтись без этих удивительных частиц, так, как, например, химику без атомов и молекул» Барашенков В.С. Существует ли граница науки: количественная неисчерпаемость материального мира. - М.: Мысль, 1982. - С. 82-83..

Первоначально кварки представлялись довольно простыми образованиями, чем-то вроде «кубиков», из которых сложены адроны. Для того чтобы объяснить прочную связь кварков в адронах, был придуман еще один вид гипотетических частиц, которые как бы склеивают кварки между собой. Эти частицы были названы глюонами (от английского «glue» - «клей») См.: Гейзенберг В. Введение в единую теорию элементарных частиц. - М.: Мир, 1968. - 368 с..

В дальнейшем существование кварков и глюонов было доказано экспериментально. С открытием кварков последовательность уровней строения материи приобрела следующий вид: кварки, адроны, атомные ядра, атомы.

Физика до недавнего времени изучала материю в двух ее проявлениях -вещество и поле. Причем частицы вещества и кванты полей подчиняются разным квантовым статистикам и ведут себя различным образом. Так, частицы вещества являются ферми-частицами (фермионами). Системы тождественных ферми-частиц подчиняются статистике Ферми - Дирака. Все фермионы имеют полуцелое значение некоторой очень важной квантовой характеристики элементарной частицы (не менее важной, чем заряд или масса), называемой спином. А для частиц с полуцелым значением спина справедлив принцип запрета Паули, что определяет закономерности периодической системы элементов Менделеева.

Все кванты полей являются бозе-частицами (бозонами) - частицами с целочисленным значением спина. Системы тождественных бозе-частиц подчиняются статистике Бозе - Эйнштейна. Принцип Паули для них не справедлив: в одном и том же энергетическом состоянии может находиться любое число частиц. Так что бозе- и ферми-частицы рассматриваются как частицы, имеющие различную природу. В свою очередь, частицы вещества делятся на две группы: кварки и лептоны. Кварки и лептоны входят в состав других физических объектов и считаются при достигнутых на сегодняшний день энергиях «бесструктурными» См.: Кейн Г. Современная физика элементарных частиц - М.: Мир, 1990. - 364 с..

В табл. 1 и 2 представлены все экспериментально открытые в настоящее время элементарные частицы - это 12 элементарных фермионов (со спином S=1/2) и 4 бозона (со спином S=1). У каждого заряженного фермиона есть своя античастица. В таблицах приведены также массы частиц (верхние пределы масс для нейтрино и фотона) и годы, когда эти частицы были экспериментально открыты. Таким образом, имеются шесть сортов (или, как их принято называть, ароматов) кварков. Значения масс кварков характеризуют их массы в составе адронов, так как кварков в виде свободных изолированных частиц не существует.

Таблица 1 Фундаментальные фермионы

Казалось бы, из трех поколений фермионов нас может интересовать только первое - ведь мир вокруг нас и мы сами построены из нуклонов и электронов, и то обстоятельство, что нуклоны состоят из трех кварков (р=uud, n=ddu), ничего не значит. Однако согласно теоретическим моделям без фермионов второго и третьего поколений не может быть нарушена СР-инвариантность, т. е. во Вселенной на всех стадиях эволюции было бы равное количество протонов и антипротонов, электронов и позитронов; все они в результате аннигиляции превратились бы в фотоны и нейтрино. И нас не было бы. Но это, как видим, не так.

В современной научной картине мира фундаментальные фермионы принято рассматривать как «кирпичи» мироздания, а четыре векторных бозона - как переносчики взаимодействий, некий «клей», их скрепляющий. В табл. 2 приведены характеристики четырех фундаментальных векторных бозонов. Два заряженных слабых бозона W⁺ и W^- являются античастицами по отношению друг к другу, поэтому рассматриваются как единое целое.

Таблица 2 Фундаментальные векторные бозоны

Нейтральный (Z°) и заряженные (W⁺, W^-) бозоны являются переносчиками слабого взаимодействия между электронами, протонами, нейтронами и нейтрино. Переносчиками сильного взаимодействия являются глюоны. Источниками глюонов являются специфические, так называемые «цветовые» заряды. Они не имеют никакого отношения к обычным цветам и названы так для удобства описания. Каждый из шести ароматов кварков существует в трех цветовых разновидностях: желтой, синей или красной (ж, с, к соответственно). Антикварки тоже несут цветовые антизаряды. Важно подчеркнуть, что три заряда и три антизаряда совершенно не зависят от ароматов кварков. Таким образом, в настоящее время полное число кварков и антикварков (с учетом трех цветов и шести ароматов) достигло 36. Кроме того, имеется еще 9 глюонов. Глюоны, как и кварки, не наблюдаются в свободном состоянии. «В основном «цвет» кварка (квантовое число, характеризующее кварки и глюоны подобно знаку электрического заряда), стал выражать различие в свойстве, определяющем взаимное притяжение и отталкивание кварков. Глюоны, переносят цвет от одного кварка к другому, в результате чего кварки удерживаются вместе». Розенталь И.Л. Геометрия, динамика, Вселенная. - М.: Наука, 1987. - 144 с.

Существование кварков и глюонов приводит к появлению нового состояния вещества, которое носит название кварк-глюоная плазма. Это плазма, состоящая не из электронов и ионов, как обычная плазма, а из кварков и глюонов, слабо взаимодействующих друг с другом или не взаимодействующих вообще. Кварк-глюоная плазма также считается обнаруженной, хотя это утверждение неоднозначно и является предметом многочисленных дискуссий.

Модель кварков хорошо описывает спектр масс элементарных частиц и закономерности взаимодействий между ними. Она позволила не только систематизировать уже известные частицы, но и предсказать целый ряд новых частиц и предугадать их свойства. Вместе с тем в этой области имеются некоторые неясные проблемы. Например, неясно, почему кварки не могут вылетать из частиц наружу. Одно из возможных объяснений состоит в том, что силы взаимодействия между кварками и антикварками схожи с силой натяжения упругой струны. Чтобы удалить кварки друг от друга, необходимо растянуть струну, а энергия, необходимая для удаления кварков, возрастает пропорционально расстоянию между ними. Развести на большие расстояния можно лишь ценой затраты огромной энергии. Однако еще раньше, как только сообщенная системе энергия достигнет величины, достаточной для образования кварка и антикварка, струна может разорваться, и на образовавшихся концах опять будут находиться кварк и антикварк. Результатом попытки отделения кварка от адрона будет создание нового мезона.

Конфаймент (пленение кварков внутри адронов) связан с законом асимптотической свободы. «Жизнь» кварков внутри адронов всецело регламентируется принципом цветовой симметрии SU(3), на базе которой строится квантовая теория сильных взаимодействий - хромодинамика, основными объектами описания и объяснения которой являются кварк и кварк-глюонное взаимодействие Исаев П.С. Квантовая электродинамика в области высоких энергий. - М.: Энергоатомиздат, 1984. - С. 263.. «Квантовая хромодинамика построена по тем же принципам, что и квантовая электродинамика, но квантовая хромодинамика является более сложной теорией. Главный же источник дополнительной сложности закладывается в множественности цветовых зарядов» Амбарцумян В.А., Казютинский В.В. Научные революции и прогресс астрофизики // Вопросы философии. 1979. № 3. - С. 24..

Важным в плане построения теории оказалось и то, что сущность цветовых свойств симметрии SU(3) стабильно сохраняется. Но, сохраняясь сама, цветовая симметрия SU(3) всё изменяет. Ее свойства (красный, зеленый, синий и т. д.) изменяются непрерывно в процессе кварк-лептонных взаимодействий, но она сама как тождество противоположностей абсолютно сохраняется. Это свойство цветовой симметрии SU(3) отражает объективную диалектику кварк-лептонных взаимодействий и выступает концептуальной основой построения внутренне симметричной, перенормируемой и экспериментально проверяемой теории сильных взаимодействий. На всех этапах построения квантовой хромодинамики, как подчеркивает известный специалист в этой области Ф. Клоуз, принцип цветовой симметрии играет фундаментальную познавательную роль, выполняя гносеологическую, логическую и методологическую функции См.: Клоуз Ф. Кварки и лептоны. - М.: Мир, 1982. - С. 318-320..

Изучение свойств кварков и переносчиков сильных взаимодействий глюонов привело к выявлению новой «скрытой» симметрии уже между кварками и лептонами. Предположение, что кварк-лептонная симметрия является важным законом природы, привело к открытию нового, четвертого с-кварка. Из предположения о возможности существования с-кварка с неизбежностью следовало, что должно существовать большое семейство адронов, содержащих этот кварк. Большое число элементарных частиц с указанными свойствами было экспериментально обнаружено впоследствии.

В дальнейшем идея симметричности кварк-лептонной схемы была нарушена открытием новой частицы -лептона и выводом о существовании и -нейтрино. Восстановление нарушения симметрии однозначно приводило к необходимости существования еще двух новых кварков. И действительно, сейчас получены многочисленные свидетельства существования b- и t-кварков. В этом случае полная кварк-лептонная симметрия расширяется. Эта симметрия, кроме чисто внешней (геометрической) стороны, глубоко затрагивает и другие важнейшие стороны развития физики микромира. Она, в частности, указывает на возможность существования глубокой внутренней связи между кварками и лептонами. В этом плане представляется заслуживающей серьезного внимания гипотеза известных физиков-теоретиков А. Салама и И. Пати, согласно которой лептонные частицы являются сильно расщепленными приводит к тому, что кварк становится 24-компонентной частицей. Включение лептонных состояний в состав кварка приводит к принципиально новому состоянию, когда наблюдаемое фундаментальное состояние является четвертым «цветовым» состоянием кварков См.: Wussing H. Die Genesis abstrakten Gruppenbegriffes. - Berlin, 1969.. Такое предположение стирает различие между кварками и лептонами. Фундаментальное кварк-лептонное единство указывает на возможность переходов между ними, т. е. практически означает возможность распада протона.

Изучение следствий кварк-лептонной симметрии также указало на возможность того, что сами кварки (по крайней мере, некоторые на них) «сложны» и состоят из «более» простых составляющих. «Вспомним, - пишет по этому поводу в свой Нобелевской лекции А. Салам, - что кварки несут, по крайней мере, заряды трех видов (цвет, аромат и номер семейства). Почему бы теперь не принять представление о кварках (и возможно, о лептонах) как об объектах, составленных из более фундаментальных сущностей (прекварков, или преонов), каждый из которых несет только один вид основного заряда» Салам А. Калибровочное объединение фундаментальных сил // Успехи физических наук. 1984. Т.132. - Вып. 2. - С. 244..

Таким образом, в последнее время появились новые радикальные идеи о наличии более глубокого уровня строения материи, который связывается с существованием новых частиц, названных преонами. Вследствие этого возникли принципиально важные вопросы. Попытки ответить на них, как подчеркивают известные специалисты в этой области С. С. Герштейн и А. А. Логунов, в свою очередь, приводят к интереснейшим и увлекательнейшим гипотезам о возможном единстве всех сил природы См.: Герштейн С.С., Логунов А.А. Единство различных сил природы и строение элементарных частиц // Ленинское философское наследие и современная физика. - М.: Наука, 1981. - С. 458-501.. В рамках одной из таких гипотез возникла идея суперсимметрии. «Идея суперсимметрии позволит разрешить преобразования, переводящие фермионы и бозоны друг в друга. Физический стимул к этому - существование среды элементарных частиц-супермультиплетов, в которых группируются частицы с различными спинами» Бергман П. Единые теории поля. //Успехи физических наук. 1980. - Т.132. - Вып. 1. - С. 188..

Сходство между фермионами и бозонами было замечено еще Дираком, но только совсем недавно усилиями таких физиков-теоретиков, как Гельфанд, Лихтман, Волков, Акулов, Бесс и Зумино, удалось объединить в одну группу преобразования, соответствующие бозонным и фермионным операторам. «Самое главное свойство суперсимметрии, - как подчеркивают Л.Е. Генденштейн и И.Б. Криве, - состоит в том, что она весьма нетривиальным образом объединяет непрерывные преобразования (например, трансляция) с дискретными преобразованиями особого вида (типа отражения). При этом сохраняется формальная аналогия между этими типами преобразований, имеющих существенно различную природу. Именно наличие этой аналогии и является «изюминкой» суперсимметрии» Генденштейн Л.Е., Криве И.Б. Суперсимметрия в квантовой механике // Успехи физических наук. 1986. Т. 146. Вып. 4. - С. 554..

«Как это ни удивительно, оказалось принципиально возможным связать преобразованиями суперсимметрии поля частиц с целым и полуцелым спином, подчиняющиеся разным статистикам, и объединить бозоны и фермионы в обобщенные мультиплеты. Суперполевой подход в сравнении с обычными моделями квантовой теории поля вызывает повышенный интерес благодаря резкому сокращению числа расходимостей в теории в силу его связи с теорией тяготения Эйнштейна». Князев В.Н. Концепции взаимодействия в современной физике. - М.: Прометей, 1991. - С. 43.

Суперсимметрия утверждает, что при перестановке бозонных и фермионных частиц физические законы остаются неизменными. Из свойств суперсимметрии следует далеко идущее обобщение у каждого бозона должен быть свой партнер-фермион и наоборот. Поэтому наряду с кварками-фермионами должны существовать и кварки-бозоны. Продолжая аналогию, можно предположить, что фотону должен соответствовать его партнер фотино; электрону электрон-бозонный партнер и т. д. Расчеты выявляют очень большую разницу масс партнеров, которая, однако, выравнивается при очень высоких энергиях.

Сегодня все кварки уже обнаружены, и в их существовании никто не сомневается. Более того, как отмечалось, выдвинута гипотеза о протокварках (преонах и т. д.) - частицах следующего структурного уровня строения материи. Однако возможно, что деление вещества на каком-то этапе прекратится, причем нетривиальным образом: составные части адронов теряют возможность самостоятельного существования в свободном виде. Вполне вероятно, что процесс дробления вещества останавливается именно на кварках. Стандартная Модель содержит принципиально важную гипотезу, что массы частиц обязаны своим происхождением действию механизма Хиггса. «Этот сложный механизм можно очень упрощенно представить таким образом. В некотором (ненаблюдаемом) исходном вакуумном состоянии, до своего «рождения», частицы не обладают массами. Это «зародышевое» состояние симметрично, но неустойчиво (его энергия не минимальна). Взаимодействие с полем, квантами которого являются виртуальные бозоны Хиггса W, Z⁰, дает толчок к спонтанному нарушению этой симметрии, и частицы переходят в более устойчивое состояние, приобретая массы». Пахомов Б.Я. Становление современной физической картины мира. - М.: Мысль, 1985. - С. 248-252.

Одной из нерешенных задач в теории элементарных частиц является обнаружение хиггса - скалярного бозона со спином S=0. Хиггсовскими бозонами называют кванты особого скалярного поля, введенного в физику элементарных частиц П. Хиггсом. В 1964 г. Питер Хиггс (Peter W. Higgs) из Эдинбургского университета изучил работу Голдстоуна и обнаружил, что теория с самопроизвольным нарушением симметрии допускает существование массивных частиц. Масса возникает из-за взаимодействия между полем и всеми типами частиц, включая и частицы - переносчики слабых ядерных сил. От того, удастся его обнаружить или нет, будет многое зависеть в теории строения материи предлагаемой физикой XXI века, так как эта частица, по мнению ученых, определяет массу материи. Предполагается, что в природе существует особая форма поля - хиггсовское поле, носителем которого и является хиггсовский бозон. Оно поразительно похоже на отвергнутый учеными всепроникающий эфир и заполняет всю Вселенную. В хиггсовском поле, взаимодействуя с ним, движутся все частицы. Масса частицы определяется как мера ее взаимодействия с хиггсовским полем См.: Кайзер Д. Рождение космологии частиц // В мире науки. 2007. № 9. - С. 41-47..

Открытие W и Z⁰ и соответствие их масс предсказанным было доказательством основных положений электрослабой теории и сильным аргументом в пользу гипотезы о существовании поля бозонов Хиггса, взаимодействие с которым приводит к появлению масс W и Z⁰. Последовательное развитие электрослабой теории привело к предположению, что массы кварков и лептонов также должны быть обусловлены взаимодействием с полем Хиггса. Таким образом, если указанное представление о механизме появления масс частиц верно, то должны существовать бозоны Хиггса - фундаментальные частицы с весьма необычными свойствами. Их открытие будет доказательством важнейшей гипотезы Стандартной Модели.

Как было сказано выше, Стандартная Модель исходит из представления, что массы частиц возникают при спонтанном нарушении симметрии электрослабого взаимодействия в процессе их взаимодействия с полем гипотетических бозонов Хиггса (обычно их для краткости называют просто хиггсами). Хиггсы, как и калибровочные бозоны, проявляются в виртуальном состоянии как кванты соответствующего поля (поля Хиггса), но должны существовать и в виде реальных физических частиц. Однако бозоны Хиггса резко отличаются как от калибровочных бозонов, так и от всех остальных фундаментальных частиц, прежде всего по таким определяющим характеристикам, как спин и взаимодействие с другими частицами. См.: Герштейн С.С., Логунов А.А. Единство различных сил природы и строение элементарных частиц // Ленинское философское наследие и современная физика. - М.: Наука, 1981. - С. 458-501.

Хиггсы - единственные из всех фундаментальных частиц - не имеют спина: четность хиггсов положительна, и в соответствии с классификацией частиц по их спину и четности они являются скалярными частицами. Бозоны Хиггса - особая форма материи, поэтому выяснение, действительно ли они существуют, необходимо для понимания механизма появления масс частиц, а также для понимания природы физического вакуума. Следовательно поиск бозонов Хиггса - наиболее важная экспериментальная задача современной физики частиц. В простейшем варианте теории, принятом Стандартной Моделью, должен существовать только один тип бозона Хиггса, не имеющий электрического заряда. Согласно теории суперсимметрии должны быть как нейтральные, так и заряженные хиггсы. Итог заключительного этапа работы LEP - получено серьезное указание на существование хиггсов с массой около 115 ГэВ.

В теории элементарных частиц актуальной проблемой физики является теория одномерных струн, успехи которой сильно зависят от экспериментов с частицами сверхвысоких энергий. Вместо термина «струны» часто употребляют «суперструны» (superstrings), во-первых, чтобы не было путаницы с космическими струнами (такое понятие есть в астрофизике), и во-вторых, чтобы подчеркнуть их предполагаемую симметрию. В рамках Стандартной Модели в роли кирпичиков выступают кварки, а в роли носителей взаимодействия - калибровочные бозоны, которыми эти кварки обмениваются между собой. Теория же суперсимметрии идет еще дальше и утверждает, что и сами кварки и лептоны не фундаментальны: все они состоят из еще более тяжелых и не открытых экспериментально структур (кирпичиков) материи, скрепленных еще более прочным «цементом» сверхэнергетических частиц - носителей взаимодействий, нежели кварки в составе адронов и бозонов См.: Казаков Л.И. Суперструны или за пределами стандартных представлений // Успехи физических наук. 1986. - Т. 150. - Вып. 4. - С. 562-563..

В квантовой механике и в квантовой теории поля элементарные частицы считаются точечными. На самом деле фундаментальной является теория не точечных частиц, а струн. В ней элементарные частицы - это колебания одномерных объектов (струн), имеющих характерные длины, равные планковским размерам. На столь малых расстояниях (и при столь высоких энергиях взаимодействий, что это и представить немыслимо) материя превращается в серию полевых стоячих волн, подобных тем, что возбуждаются в струнах музыкальных инструментов. Как и в гитарной струне, в такой струне может возбуждаться, помимо основного тона, множество обертонов или гармоник. «Струны представляют собой одномерные объекты, по последним оценкам имеющие размер порядка 10^-16 см. Они характеризуются сильными натяжениями и находятся в состоянии непрерывных вибраций с различными гармониками, иначе называемыми колебательными модами. В зависимости от частоты вибрации натянутой струны, на уровне Стандартной Модели квантовой теории каждой отдельной колебательной моде отвечает одна из известных элементарных частиц. Следовательно, основа элементарных частиц, а вместе с ними и вещества - это элементарные сгустки энергий, вибрирующие с различными частотами». Ровинский Р.Е. Мировоззренческие проблемы физической науки, наследуемые XXI веком // Вопросы философии. 2008. № 8. - С. 132. Струны могут быть конечной длины (некоторый отрезок) или иметь вид колец. Струны движутся не в обычном четырехмерном пространстве, а в многомерных пространствах, скажем, с десятью или одиннадцатью измерениями. Они обладают бозон-фермионной симметрией, т. е. являются суперструнами. Суперструны присоединены к многомерным супермембранам. Теория суперструн также значительно укрепила бы позиции в случае обнаружения суперсимметричных частиц. А это уже задача экспериментальной микрофизики См.: Нестеренко В.В. Релятивистские струны: от мыльных пленок к объединению фундаментальных взаимодействий // Природа. 1986. № 11. - С. 12-19..

Научные результаты, полученные в последние годы, показывают, что существующих знаний о фундаментальных частицах и их взаимодействиях явно недостаточно для описания наблюдаемого мира. В частности, Стандартная Модель физики частиц (теория, описывающая фундаментальные частицы и их взаимодействия вплоть до расстояний 10^-16 см, т. е. около одной тысячной размера атомного ядра) требует значительного расширения См.: Грин М.Б. Суперструны // В мире науки. 1986. № 110. - С. 11-19.^, См.: Гринберг О.У. Новый структурный уровень // Успехи физических наук. 1987. - Т. 153. Вып. 2. - С. 336-351..

Например, задуматься о неполноте наших знаний в области физики микромира заставил факт наличия в нашей Вселенной вещества и практически полное отсутствие в ней антивещества. Такая асимметрия между материей и антиматерией тем более удивительна, что в ранней Вселенной была эпоха, когда интенсивно происходили процессы парного рождения и аннигиляции частиц и античастиц. Тогда Вселенная была заполнена частицами и античастицами, причем на миллиард пар частица-античастица приходилась одна «лишняя» частица. Впоследствии, при расширении и остывании Вселенной, античастицы проаннигилировали с частицами, а «лишние» частицы остались и образовали окружающее нас вещество Вселенной. Вопрос о том, каким образом возникла асимметрия между материей и антиматерией, был поставлен в конце 1960-х годов А.Д. Сахаровым и В. Кузьминым. Однако и в настоящее время на него нет однозначного ответа. Предполагается, что это обусловлено нарушением законов сохранения, характерных для Стандартной Модели физики частиц, что наблюдается при взаимопревращениях нейтрино См.: Джоржи Х. Единая теория элементарных частиц // Успехи физических наук. 1982. Т. 130. Вып. 2. - С. 554-594..

Если бы Стандартная Модель исчерпывающим образом описывала мир элементарных частиц, то основными носителями массы в современной Вселенной были бы барионы, а на долю электронов, фотонов и безмассовых нейтрино приходилась бы пренебрежимо малая часть обшей массы и энергии Вселенной. Подавляющая часть барионной компоненты мира, очевидно, собрана в звездах, поэтому, казалось бы, достаточно пересчитать звезды и измерить их массы в некотором доступном участке Вселенной (содержащем, тем не менее, много галактик), разделить полную массу на объем и в результате найти среднюю плотность вещества во Вселенной. Средняя плотность вещества, согласно уравнениям Эйнштейна, определяет скорость расширения Вселенной (постоянную Хаббла). Далее остается сравнить экспериментально найденное значение плотности с величиной экспериментально измеренной постоянной Хаббла и убедиться в правильности наших представлений о мире. Но именно здесь нас и поджидает сюрприз: оказывается, эти экспериментальные данные совершенно не согласуются друг с другом. Следовательно, должны существовать некоторые дополнительные носители энергии, ускользающие от прямых астрономических наблюдений в оптическом и радиодиапазонах. Эти загадочные невидимки, природа которых до сих пор неизвестна, и получили название темной энергии.

Введение в научный обиход представления о существования в природе темной энергии - слабовзаимодействующей физической субстанции, пронизывающей все пространство видимой Вселенной, - явилось сенсацией номер один в физике на рубеже ХХ - ХХI вв. и стало неожиданностью для большинства исследователей, в особенности работающих на стыке физики элементарных частиц и космологии. Дело в том, что известные энергетические масштабы, характерные для фундаментальных взаимодействий, составляют величины порядка 1 ГэВ (сильные взаимодействия), 100 ГэВ (электрослабые взаимодействия) и 10¹⁹ ГэВ (гравитационные взаимодействия), и не было никаких оснований См.: Лукаш В.Н., Рубаков В.А. Темная энергия: мифы и реальность // УФН. 2008. Т. 178. № 3. - С. 301-307. думать, что в природе имеется еще один, гораздо меньший масштаб энергий. Однако оказалось, что темная энергия характеризуется масштабом Е_v ~ 10^-3 эВ, определяемым тем, что плотность темной энергии равна с_v =Е_v.

Открытие темной энергии расставило все точки над i в наблюдательной космологии. Впервые за все время развития науки появилась Стандартная космологическая Модель, удовлетворяющая всей совокупности наблюдательных данных и не имеющая сегодня серьезных конкурентов. Замечательно, что Стандартная Модель прекрасно описывает как эволюцию Вселенной в целом, так и образование её структуры. Несмотря на влияние темной энергии, генерация структуры все ещё происходит в современной Вселенной и будет продолжаться в течение около 10 млрд лет.

В то же время признание факта существования темной энергии качественно изменило ситуацию в физике, указав на недостаточность наших знаний о микромире. Не будет преувеличением сказать, что выяснение физической природы темной энергии - это центральная проблема современного естествознания.

Одним из неожиданных результатов, полученных за последние полтора-два десятилетия, стало выяснение того факта, что известные частицы (протоны, нейтроны, эдра, электроны, фотоны и нейтрино) обеспечивают всего около 5 % полной энергии в современной Вселенной. Большая часть энергии связана с темной материей (20 - 25 %) и темной энергией (70 - 75 %). Эти формы энергии существенно различаются по своему поведению в расширяющейся Вселенной и имеют совершенно различные возможные интерпретации с точки зрения физики частиц.

Возникает предположение, что природа темной энергии отлична от вещественной, поскольку в ней не присутствуют элементарные частицы вещества. Это не должно нас удивлять, ведь давно изучаемая субстанция, названная физическим вакуумом, также проявляет признаки невещественной природы, что позволяет говорить о том, что в нашем мире существует две формы материи: вещество и физический вакуум как более тонкая форма материи. «Наблюдаемые сегодня свойства темной энергии позволяют предполагать, что эта субстанция относится к той же форме материи, что и физический вакуум. Допустимы и обобщающие предположения, что темная энергия является составной частью физического вакуума, и она неразрывно связана с присущими вакууму антигравитационными свойствами, иначе говоря, с силами гравитационного отталкивания». Ровинский Р.Е. Мировоззренческие проблемы физической науки, исследуемые XXI веком // Вопросы философии. 2008. № 3. - С. 130.

Темная материя, по-видимому, состоит из новых, неизвестных частиц. Эти частицы должны быть стабильными или иметь время жизни, сравнимое с возрастом современной Вселенной, t?15 млрд лет. Таких частиц нет в Стандартной Модели, так что уже само представление о темной материи требует выхода за рамки Стандартной Модели. Частицы темной материи имеют те же свойства по отношению к гравитационным взаимодействиям, что и обычные частицы; они способны собираться в сгустки (гало галактик и галактические скопления) и формировать гравитационные потенциалы. Исключительно велика роль темной материи в формировании структур во Вселенной - галактик, их скоплений и т. д. «Из результатов исследования этих структур, как и из изучения анизотропии и поляризации микроволнового реликтового излучения, следует, что частицы темной материи были нерелятивистскими уже на весьма ранних этапах эволюции Вселенной, что, скорее всего, связано с достаточно большой величиной их массы. В то же время частицы темной материи не имеют электрического заряда и вообще чрезвычайно слабо взаимодействуют с веществом, иначе они были бы уже зарегистрированы в экспериментах по их прямому поиску». Рубаков В.А. Иерархии фундаментальных констант // УФН. 2007. Т. 177. № 4. - С. 409-413.

О существовании темной материи свидетельствует не только вышеописанный космологический тест, но и целый ряд других фактов наблюдательной астрономии. К ним можно отнести некоторые особенности динамики звезд внутри галактик, динамики галактик внутри скоплений и, наконец, динамики скоплений внутри сверхскоплений. Фундаментальное значение имеет то обстоятельство, что скорость движения объектов внутри гравитационно-связанной системы определяется величиной гравитационного поля, а эта величина, в свою очередь, зависит от количества объектов, входящих в систему. Поэтому, например, если мы пересчитаем все звезды в галактике и зафиксируем их пространственное распределение, то сможем восстановить величину гравитационного поля и теоретически предсказать скорости движения звезд в самосогласованном гравитационном поле. Подчеркнем, что измерения скоростей и измерения количества и распределения звезд в галактике являются независимыми. Но они обязаны быть согласованными друг с другом, если правильны законы гравитации. Парадокс состоит в том, что результаты этих измерений не согласуются друг с другом. Эта несогласованность имеет место на всех уровнях космологических структур, начиная с галактик.

На уровне планетных систем все согласуется. Для нашей Галактики гравитационное поле в среднем должно быть примерно в два раза сильнее, чем поле, восстановленное из распределения звезд. Так как законы теории гравитации проверены с высокой точностью и в лабораторных экспериментах, и на уровне планетных систем, то нет оснований предполагать, что в масштабах галактик действуют какие-то другие законы гравитации. Поэтому у нас остается только один способ разрешения парадокса - предположить, что половина вещества Галактики находится в невидимом состоянии, т. е. состоит из таких частиц, которые не могут излучать фотоны (название "темная материя" как раз и отражает ее неспособность взаимодействовать с фотонами).

Аналогичные исследования на уровне скоплений галактик показывают, что в скоплениях доля невидимого вещества составляет уже около 90 %. На уровне сверхскоплений - более 95 %, при этом на долю барионной компоненты приходится лишь от 3 до 5 %. Этот факт означает, что в действительности мы не знаем, из чего состоит Вселенная. Известные энергоносители составляют лишь несколько процентов массы и энергии Вселенной. Нам известна лишь общая закономерность: чем меньше масштаб структуры, тем меньше в ней темной материи (например, в состав планеты Земля темная материя, по-видимому, вообще не входит). Чем больше масштаб структуры, тем большую роль играет темная материя: в самых больших структурах - в сверхскоплениях галактик обычное вещество - лишь слегка заметная (по массе) компонента, распыленная по громадному облаку материи неизвестной природы См.: Долгов А.П., Зельдович Я.В. Космология и элементарные частицы // Успехи физических наук. Т.130, Вып. 2. - С. 595-611..

Космологические данные свидетельствуют о том, что всего ~ 4 % массы во Вселенной составляет обычное светящее вещество, т. е. барионы. Остальное - это «неизвестно что». Более того, это «неизвестно что» имеет две составляющие - темную материю (около 24 %) и темную энергию (более 72 %), из которой 0,3 - 1 % приходится на нейтрино. Носителей темной материи назвали нейтралино.

Темная материя - это совокупность невидимых объектов во Вселенной, которые можно зафиксировать только по гравитационным аномалиям. Она присутствует в галактиках и их скоплениях, способна сгущаться.

Проблема установления физической природы темной материи, по-видимому, самая актуальная проблема теоретической и экспериментальной космологии. Эта проблема очень сложна и далека от решения. Единственное, что сегодня можно утверждать, решение надо искать в физике квантового вакуума и элементарных частиц. Как уже отмечалось, существующая теория элементарных частиц - Стандартная Модель не справляется с этой задачей. Сохранить Стандартную Модель возможно только в рамках гипотезы, что темная материя имеет все-таки барионную природу, например находится в форме тяжелых темных планет, невидимых в астрономических наблюдениях. Эта гипотеза, однако, вступает в противоречие с одним из наиболее надежных результатов теоретической и наблюдательной космологии. Дело в том, что от концентрации барионов зависит результат нуклеосинтеза. Как уже обсуждалось выше, и в согласии с данными о химическом составе во Вселенной находится именно то количество барионного вещества, которое соответствует видимой материи.

Первый шаг за пределы Стандартной Модели, непосредственно связанный с проблемой темной материи, - обращение к гипотезе массивных нейтрино. Предполагая существование малой, но отличной от нуля массы нейтрино, мы, тем не менее, сохраняем все предсказания Стандартной Модели относительно свойств взаимодействия нейтрино друг с другом и с другими частицами.

Однако гипотеза о том, что масса темной материи полностью содержится в массивных нейтрино, уже сегодня вступает в противоречие с данными о крупномасштабной структуре Вселенной. По-видимому, она состоит из суперсимметричных тяжелых частиц в 100 - 1000 раз тяжелее протона См.: Высоцкий М.И. Суперсимметричные модели элементарных частиц // Успехи физических наук. 1985. Т. 136. Вып. 4. - С. 591-636..

Продолжая искать объяснение природы темной материи среди новых частиц, необходимо сразу указать три условия, которым такие частицы должны удовлетворять:

1) частицы, составляющие темную материю, слабо взаимодействуют с известными частицами;

2) массы новых частиц очень велики (десятки и сотни ГэВ);

3) эти частицы стабильны, по крайней мере время их жизни не меньше возраста Вселенной.

Другой путь основан на поиске вакуумных структур, способных исполнять роль темной материи. Отметим, что на этом пути физиками сделаны лишь первые шаги. Постараемся пояснить суть этого подхода, обратившись, прежде всего, к свойствам хиггсовского конденсата. Мы уже отмечали, что происхождение и природа хиггсовского конденсата связаны с регулярной деформацией слоистой структуры пространства-времени, отвечающей слабым взаимодействиям. Эта деформация осуществляется физическим полем специфической природы, которое и называется хиггсовским полем. В отличие от других полей, это поле не представимо в виде взаимодействующих друг с другом квантованных волн, наложенных на пустоту. У него имеется так называемая конденсатная компонента, которую образно можно представить как однородную "жидкость", разлитую по всему пространству. Квантованные волны (хиггсовские бозоны) являются возбуждением этой "жидкости", а сама однородная "жидкость" соответствует основному вакуумному состоянию с наименьшей энергией. Природа темной материи, может быть, одна из главных загадок физики XXI века. Пути ее исследования - это возможная регистрация частиц, входящих в ее состав.

В отличие от темной материи темная энергия равномерно «разлита» во Вселенной. Она обладает необыкновенными свойствами. Наблюдения свидетельствуют: Вселенная сегодня расширяется с ускорением, а это значит, что темная энергия испытывает антигравитацию. Возможно, это и есть энергия физического вакуума.

Для описания антигравитации Эйнштейн специально ввел в общую теорию относительности новую константу, которая так и называется - космологической постоянной. Конечно, эта была гипотеза, и притом весьма смелая. Величина же космологической постоянной не выводилась из какой-либо теории, а подлежала наблюдательному определению.

Как уже сказано, вакуум явился в космологию с эйнштейновской космологической постоянной , и его плотность выражается через значение этой постоянной: .

Физическая интерпретация космологической постоянной складывалась постепенно, десятилетие за десятилетием, начиная с работ де Ситтера, Леметра, Толмена, Бонди. Сейчас считается общепринятым, что космологическая постоянная описывает космический вакуум, т. е. такое состояние космической энергии, которое обладает постоянной во времени и всюду одинаковой в пространстве плотностью, притом в любой системе отсчета. По этим свойствам вакуум принципиально отличается от всех других форм космической энергии, плотность которых неоднородна в пространстве, падает со временем в ходе космологического расширения и может быть разной в разных системах отсчета. Если оставить в стороне представление о статичности Вселенной, то гипотеза Эйнштейна была в действительности предположением о существовании в мире космического вакуума. И это предположение наконец подтвердилось в астрономических наблюдениях. По наблюдательным данным о сверхновых звездах плотность вакуума превышает суммарную плотность всех остальных видов космической энергии.

Вакуум обладает не только определенной плотностью энергии, но и давлением. Если плотность вакуума положительна, то его давление отрицательно. Связь между давлением и плотностью, т. е. уравнение состояния, имеет для вакуума вид p_V=-с_V . Это - и только это - уравнение состояния совместимо с определением вакуума как формы энергии с всюду и всегда постоянной плотностью, независимо от системы отсчета. Это открытие изменяет, в первую очередь, наше понимание современной стадии космологической эволюции, нынешнего состояния Вселенной. Прежде считалось, что вся история космологического расширения - это история его затухания после первоначального Большого Взрыва. Сейчас оказывается, что как раз в нашу эпоху динамика расширения перешла со стадии замедления к новой стадии ускорения.

Лишь немного уступает вакууму по плотности темное вещество. Темное вещество не излучает ни света, ни других электромагнитных волн и вообще практически не взаимодействует с электромагнитным излучением. В нашей Галактике темного вещества приблизительно в 10 раз больше, чем светящегося вещества звезд. Оно образует обширную невидимую корону, или гало, вокруг звездного диска Млечного Пути. Подобные темные гало имеются, по-видимому, у всех достаточно массивных изолированных галактик. Темное вещество содержится также в группах галактик и в самых больших космических системах - скоплениях и сверхскоплениях галактик. Как и в нашей Галактике, темное вещество составляет до 90 %, а иногда и более, полной массы всех этих систем. Оно проявляется только благодаря создаваемому им тяготению, и именно по своему гравитационному эффекту.

Гравитационные свойства темной энергии сильно отличаются от свойств других форм энергии. Темная энергия не собирается в сгустки, она равномерно «разлита» во Вселенной. Плотность темной энергии очень слабо изменяется или вообще не изменяется со временем, в то время как плотность любых частиц относительно быстро уменьшается из-за расширения Вселенной. Наличие темной энергии приводит к ускоренному расширению Вселенной, так что можно условно сказать, что темная энергия испытывает антигравитацию. В рамках общей теории относительности это возможно, если данная субстанция имеет, помимо положительной энергии, отрицательное давление. Отрицательность давления следует и из общего соотношения: .

Действительно, если плотность энергии постоянна или почти постоянна во времени, то при расширении Вселенной энергия (в сопутствующем объеме) растет как объем, так что давление должно быть отрицательным и равным или почти равным по абсолютной величине плотности энергии. См.: Чернин А.Д. Темная энергия и всемирное антитяготение // УФН. 2008. Т. 178. № 3. - С. 267-298.

Возможные формы темной энергии и их проявление в космологических наблюдениях обсуждаются очень широко. Одна из возможностей состоит в том, что темная энергия - это энергия вакуума (или космологическая постоянная). В середине 1960-х годов Э.Б. Глинер предложил «материальную» интерпретацию космологической постоянной; он показал, что идея Эйнштейна эквивалентна предположению о существовании во Вселенной идеально однородной макроскопической среды с плотностью с_V. Среда со столь необычным уравнением состояния не похожа ни на какие «нормальные» жидкости или газы. Следуя Глинеру, перечислим её важнейшие особые свойства.

1. Эта среда не может служить системой отсчета. Если имеются системы отсчета, движущиеся относительно друг друга с некоторой ненулевой скоростью, то такая среда будет сопутствовать и той, и другой. Следовательно, движение и покой относительно такой среды неразличимы. Но в этом состоит основное механическое свойство вакуума. Таким образом, эта среда является вакуумом.

2. Среда является неизменной и «вечной». Её энергия представляет собой абсолютный и постоянный во времени минимум энергии, содержащийся в мировом пространстве. Это ещё одно обязательное свойство вакуума.

3. Среда с таким давлением создает не тяготение, а антитяготение. Всемирное антитяготение стремится не сблизить тела, а напротив, отдалить их друг от друга. Если поместить в вакуум две пробные частицы, в начальный момент покоящиеся относительно друг друга, то вакуум заставит их затем удаляться друг от друга.

4. Говоря на языке ньютоновской физики, вакуум создает силу, но сам не подвержен (как макроскопическая среда) воздействию ни внешних сил тяготения, ни собственного антитяготения.

Таким образом, подобно тому, как в начале прошлого века наука вступила в изучение глубин материи на уровне микромира, сегодня она открывает новую, ранее не предполагавшуюся глубинную область материи невообразимо малых размеров. Исследовать эту область удается только теоретическими методами, а о справедливости получаемых знаний можно судить лишь изучая следствия теории, которые проявляются в областях, доступных для эксперимента. Перед наукой сегодняшнего дня встала задача - определить природу того, что названо темной энергией, и объяснить её доминирующую роль во Вселенной. Пока такая задача не выполнена, но можно высказать на этот счет некоторые предположения. В нашем мире реализуются две формы материи: это вещество и физический вакуум. Уже давно физики рассматривают вакуум не как пустоту, но как материальную среду, отличную от вещества. Имеются основания считать, что открытая астрономами темная энергия - это и есть энергия вакуума. Окончательное доказательство ещё предстоит найти, но совокупность всех наблюдательных данных о темной энергии, полученных начиная с 1998 - 1999 гг., полностью согласуется с такой возможностью.