Концепция близкодействия и свойства фундаментальных материальных полей

Обособленное место занимает современная теория гравитации –  общая теория относительности. До сих  пор не удалось создать квантовой  версии этой теории. Полагают, что гравитация объединяется с остальными взаимодействиями в единое универсальное взаимодействие (такие схемы объединения называют супергравитацией или суперсимметрией). Вариантом объединённых теорий, с которым связывают надежды, является теория суперструн – гипотетических одномерных объектов, имеющих линейные размеры порядка планковской длины. Струнная природа частиц должна проявляться при энергиях выше планковской. Суперструны существуют в многомерном (минимум – десятимерном) пространстве-времени, которое при энергиях ниже планковской “свёртывается” в наблюдаемое четырёхмерное пространство-время.  

А также  Единая теория поля, физическая теория, задачей которой является единое описание всех элементарных частиц (или хотя бы группы частиц), выведение свойств этих частиц, законов их движения, их взаимных превращений из неких универсальных законов, описывающих единую «первоматерию», различные состояния которой и соответствуют различным частицам.

Первым примером Единой теория поля была попытка Х. А. Лоренца объяснить всю инерцию электрона (т. е. вывести значение его массы) на основе классической электродинамики. Сам электрон выступал при этом в роли «сгустка» электромагнитного поля, так что управляющие его движением законы в конечном итоге должны были сводиться к законам, описывающим это поле. Последовательное проведение этой программы оказалось невозможным, но сама попытка «примирить» дискретное (электрон рассматривался как материальная точка) и непрерывное (электромагнитное поле), попытка единого описания разных фундаментальных видов материи возобновлялась и в более позднее время.       Развитие квантовых представлений показало, что задача состоит не в том, чтобы «примирить» частицы и поля, дискретное и непрерывное. Любые «частицы» и «поля» имеют двойственную природу, объединяя в себе как свойства корпускул, так и свойства волн. Однако при этом каждый из видов «волно-частиц» обладает своими индивидуальными свойствами, своими специфическими законами движения. У электрона эти законы другие, чем, например, у нейтрино или фотона. Открытие каждой новой «элементарной частицы» рассматривается в современной теории как обнаружение нового типа материи. По мере того как открывались новые частицы (а поскольку все частицы имеют и волновые свойства, можно сказать: новые типы полей), всё настоятельнее становилась потребность понять, почему их так много (сейчас уже более двухсот), объяснить их свойства и расшифровать, наконец, что означает само слово «элементарная» применительно к частице. Снова — уже на более высоком уровне — появились попытки единого описания материи.

Большую стимулирующую роль сыграла в этом отношении общая  теория относительности А. Энштейна. В этой теории и законы тяготения, и уравнения движения притягивающихся масс получаются как следствие общих законов, определяющих гравитационное поле. Общая теория относительности связывает гравитацию с геометрическими свойствами пространства-времени. В некоторых работах делались попытки более широкой «геометризации» теории, т. е. вводились такие гипотезы, касающиеся геометрии, которые позволили бы включить в рассмотрение и электромагнитные поля, а также учесть квантовые эффекты. Такой «геометрический» подход очень привлекателен, но пока в этом направлении существенно продвинуться не удалось.

Совершенно новый подход — его можно назвать модельным  — ведёт своё начало от работ  Л. де Бройля по нейтринной теории света. В этих работах предполагается, что фотоны — кванты света — представляют собой пары «слившихся» нейтрино (отсюда название — «теория слияния»). Нейтрино не имеет электрического заряда, его масса покоя равна нулю и спин равен ¹/₂ (в единицах постоянной Планка ). Сливаясь, два нейтрино могут образовать нейтральную частицу с нулевой массой и спином 1, т. е. с характеристиками фотона. Нейтринная теория света, хотя и не свободная от недостатков, была первой в ряду моделей составных частиц. Среди них — модель Э. Ферми и Ян Чженьнина, рассматривающая p-мезон как связанное состояние нуклон а и антинуклона, модель Сёити Саката (Япония), М. А. Маркова и Л. Б. Окуня, в которой все сильно взаимодействующие частицы строились из трёх фундаментальных частиц.

Особенное распространение  в последние годы получила модель кварков, предложенная впервые (1964) М. Гелл-Маном и Г. Цвейгом. Согласно этой модели, все сильно взаимодействующие частицы (мезоны, барионы, резонансные частицы) состоят из особых «субчастиц» с дробными электрическими зарядами — из кварков трёх типов, а также соответствующих античастиц (антикварков). Эта модель, оказавшаяся весьма плодотворной для систематики элементарных частиц и объяснившая ряд тонких эффектов, связанных с массами частиц, их магнитными моментами, и некоторые др. экспериментальные факты, резко уменьшает число претендентов на звание «истинно элементарных» частиц и, следовательно, в известной мере решает задачу единого описания материи. Однако теория ещё далека от необходимой ясности, равно как и эксперименту надлежит ответить на ряд кардинальных вопросов. Достаточно сказать, что кварки в свободном состоянии ещё не обнаружены и не исключено, что это невозможно в принципе.

Ещё до создания кварковой модели В. Гейзенберг (1957) начал развивать теорию, в которой за основу принимается универсальное единое поле, описываемое величинами, которые в математике называются спинорами; поэтому теория получила название единой нелинейной спинорной теории. В отличие от описанной выше теории слияния это фундаментальное, описывающее «материю в целом» поле не связывается непосредственно ни с какой реальной частицей. Второе существенное отличие основного уравнения теории Гейзенберга — нелинейность, отражающая взаимодействия фундаментального поля с самим собой. Математически это выражается в появлении в уравнении движения членов, пропорциональных не самой, описывающей поле величине, а отличной от единицы её степени. Как и в общей теории относительности, благодаря этой нелинейности уравнения движения реальных частиц должны получаться из основного уравнения.  
Из этого же уравнения должны вытекать значения масс, электрических зарядов, спинов и других характеристик частиц.

Математическое исследование уравнения Гейзенберга представляет собой трудную задачу, которую  пока удалось решить лишь в довольно грубом приближении. Более того, до сих пор ещё не доказана самосогласованность процедуры устранения бесконечностей в теории Гейзенберга.

Вместе с тем количественные результаты, полученные в этой теории, кажутся обнадёживающими, и общая  программа нелинейной Единая теория поля продолжает считаться перспективной.

Таким образом, Единая теория поля ещё не построена. Однако неразрывная связь между всеми частицами, универсальная взаимная превращаемость частиц, всё более явственно проявляющиеся черты единства материи заставляют искать пути перехода от современной квантовой теории поля, ограничивающейся констатацией многообразия форм материи, к единой теории, которая призвана это многообразие объяснить.

 Проблема физического вакуума

Давайте посмотрим представление, которое дает - природа. Для начала подготовим сцену. Уберем все дома, леса и горы. Уберем Солнце, Землю  и всякие там туманности. Затем  займемся оставшимися молекулами, атомами  и элементарными частицами. Заодно выкинем поля: электромагнитные, гравитационные. То, что осталось -  абсолютный физический вакуум. Теперь выход природы. В руках у нее две совершенно нейтральные плоские металлические пластинки, которые вдруг ни с того, ни с сего начинают притягиваться друг к другу. Мы ведь заранее уничтожили все поля, включая электромагнитные и гравитационные. Как же тогда эти пластинки ухитряются почувствовать друг друга на расстоянии? Конечно, притяжение между пластинками очень, очень слабенькое, но ведь есть же! Подчеркнем: это - не вымысел, это - экспериментально установленный факт. Данный эффект носит название эффекта Казимира. Для того чтобы разобраться, в чем суть этого эффекта, давайте попытаемся "разоблачить" природу. Для этого надо сделать всего несколько шагов.

Истоки проблемы.

Идея целостности и  единства мира (космоса) была сформулирована в античной философии природы («физике»). Основой всякого бытия считалась  первичная материя, которая не определена (принципиально) ни одной из категорий, задающих реальные (конкретные) состояния  сущего, поскольку образует потенциальную  предпосылку существования, которую  нельзя отождествлять с бытием и  даже считать простой составной  частью конкретного бытия. В потенции могут сосуществовать не только различные, но и взаимоисключающие вещи и  состояния (Аристотель). Конкретные существующие вещи суть соединения первичной материи  и образа, формы и «эйдоса». Объективную реальность из потенциального бытия образует форма. Аристотелем был введено понятие эфира, заполняющего все мировое пространство, из которого состоят небесные тела. Эфиру присущи свойства неизменности и совершенства. Анаксимандр первоначалом всего сущего считал «апейрон» – некое бесконечное и неопределенное начало. Все состоит из апейрона и из него возникает, поскольку он сам из себя все производит. Части изменяются, целое же остается неизменным. В античной атомистике полагалось, что «начала Вселенной суть атомы и пустота» (Левкипп, Демокрит). Левкипп признавал бесчисленные постоянно движущиеся элементы – атомы, имеющие бесконечное множество форм, видел в вещах постоянное возникновение и изменение. Считая суть атомов плотной и полной, Левкипп полагал, что они есть сущее, движущееся в пустоте, которую он называл несущим, утверждая, что она является не меньшим, чем сущее. Атомы характеризуются величиной, формой, порядком и положением. Атомы являются причиной вещей, которые возникают и исчезают в результате их соединения и разъединения. 
   Современные представления о «пустоте» (физическом вакууме). Идея «физического вакуума» в современной науке возникла при попытке осознать, из чего состоит, и откуда произошел окружающий Мир. Вакуум (по современным понятиям) не пустота в буквальном смысле, а то, что остается, если убрать из пространства все частицы и кванты любых физических полей. В современной физике физическим вакуумом (ФВ) называют найнизшее состояние физических полей, в котором отсутствуют реальные частицы. Согласно квантовой физике пустота–вакуум – с одной стороны особая материальная среда, один из видов материи, с другой - Мир как целое. В квантовой физике частицы не являются вещественными объектами, а носителями взаимодействия целого. Каждый объект и Вселенная в целом - целостная квантовомеханическая система, имеющая единство происхождения и, следовательно, самосогласованный нелокальный потенциал взаимодействия. Онтология квантовой механики основана на потенциальных, не проявленных формах, содержащихся в единой, первоначально однородной субстанции ФВ. Вакуум-хаос – неупорядоченная первопотенция мира, безначальное, всеобъемлющее и порождающее начало. Это один из самых основных, самый сложный из всех объектов, с которыми до сих пор приходилось иметь дело науке, где он может играть роль исходной абстракции. 

Современная физика рассматривает  существование трех видов материи: вещества (количественно определяемого  массой), излучения-поля физического (количественно  определяемого энергией), физического  вакуума («пустоты»). Физический вакуум – это тонкоматериальная среда, низкоэнергетические флуктуирующие  поля, с ними связаны виртуальные («возможные») частицы, которые из-за квантовых эффектов на короткое время, задаваемое соотношением неопределенностей, появляются, чтобы затем поглотится ФВ.  ФВ можно представить себе как особую материальную среду, обладающую специфическими свойствами. ФВ, как и обычная среда, является носителем энергии и характеризуется давлением. ФВ так же, как и обычные материальные среды, имеет внутреннюю микроструктуру, что обеспечивает возможность его перестройки. Существуют возбуждения вакуумной среды, которые классифицируются, как и возбуждения волнового и солитонного типа обычной распределенной материи. Таким образом, физическая картина мира, оперирующая понятиями вещество, физические поля (электромагнитное, гравитационное и т. д.), сменяется «физико-вакуумной» картиной, которая исходит из представлений, что вакуум — универсален (он - «первоматерия»). Все сущее, в том числе вещество и поля, не более, как «легкая рябь» на его поверхности. «Первоматерия» определяет фундаментальные свойства «вторичных» объектов. Все физические поля и константы фундаментальных взаимодействий обязаны своим происхождением одному фундаментальному взаимодействию, являющемуся проявлением единой созидающей среды, из которой возникают поля и частицы. Вещественные образования, обладающие массой покоя – «элементарные» частицы возникают в результате фазового перехода из физического вакуума и представляют собой возбужденные состояния полей. Хаотическое проявление ФВ в вещественном слое выглядит в виде виртуальных пар частиц – античастиц (например, электрон–позитронных). Характерная черта квантово-полевых представлений о вакууме – учет его сложной структуры, многообразных форм активности, имеющих, однако, потенциальную природу и требующих для своего проявления вмешательства энергетического фактора, поскольку потенциально (виртуально) ФВ содержит всевозможные частицы и поля, которые могут возникнуть из него при наличии соответствующих условий. Флуктуации ФВ детерминируют известные виды физической реальности. В качестве основных форм материи рассматриваются: частицы вещества — кварки и лептоны и их объединения в адроны, ядра атомов, молекулы и т.д.; кванты полей — калибровочные бозоны как переносчики различных типов физических взаимодействий; скалярные бозоны, представляющие собой коллективные возбуждения среды, заполняющие всю Вселенную, — хиггсовые вакуумные конденсаты.

ФВ как наиболее универсальный  и фундаментальный вид реальности служит источником существования неисчерпаемого многообразия самых различных физических явлений, в том числе взаимно  исключающих друг друга. Г. Наан пишет: «Грубую модель вакуума можно представить себе как бесконечно большой запас энергии одного знака, компенсируемый таким же запасом энергии другого знака». Когда же из вакуума образуются другие формы материи, составляющие Вселенную, противоположности, существующие в вакууме, разделяются. Г. Наан считает, что "материальный фон" физического мира может быть живым, действующим, то есть представляет собой самостоятельную Вселенную, подчиненную своим законам эволюции. Вследствие наибольшей общности, ФВ может претендовать на статус онтологической основы всего многообразия объектов и явлений в мире. В этом смысле, «пустота» – самая содержательная и онтологически наиболее фундаментальная сущность. Такое понимание ФВ позволяет признать реальность существования его не только в теории, но и в Природе. Проявленное бытие существует в виде наблюдаемого вещественно-полевого мира, не проявленное бытие – в виде ФВ, который можно рассматривать как самостоятельную физическую сущность, подлежащую изучению.

Феноменология ФВ

В настоящее время экспериментальное  и теоретическое изучение свойств  вакуума находится в начальной  стадии, но эта задача представляет исключительный интерес для всей физики в целом, включая физику элементарных частиц и космологию. В фейнмановском представлении взаимодействий ФВ обнаруживает себя через малые радиационные вакуумные поправки к известным электромагнитным взаимодействиям. Физическая реальность квантовых объектов проявляется как реальность квантовых процессов. Вакуум проявляет себя во взаимодействии с веществом. ФВ обнаруживает свои свойства через физические феномены, прямо или косвенно измеряемые (лэмбовский сдвиг в спектрах атомов, эффект Казимира, фликкер-шум и др.). Вакуум обнаруживает себя в явлениях виртуальности в физике высоких энергий и ядерной физике, туннельного перехода, сверхпроводимости и других эффектах вблизи абсолютного нуля температуры. Астрономические наблюдения далеких вспышек сверхновых звезд указывают на присутствие во Вселенной «космического» вакуума, плотность энергии которого, по-видимому, превышает плотность всех других форм космической энергии вместе взятых. Космический вакуум, создавая поле антигравитации, вызывает ускорение космологического расширения, обнаруженное в наблюдениях. Экзотические свойства материи в сверхплотной вращающейся «черной дыре» можно связать с проявлением объемного вакуумного эффекта. Такое решение парадокса поля Керра-Ньюмена перекидывает мост между макро- и микромиром, позволяя предположить, что объемный вакуумный эффект играет важную роль в структуре «элементарных» частиц, обеспечивая механизм, удерживающий частицу от расползания (объемный эффект Казимира-Буринского). Таким образом, прослеживается связь между полем Керра-Ньюмена и суперструнными моделями «элементарных» частиц, которые наряду с преонными рассматриваются как наиболее перспективные для описания структуры материи. Исходное суперсимметричное состояние нашей Вселенной (Единое суперполе) как целое в своем самодвижении расчленяется на две противоположности — макроскопическую составляющую (классические макроусловия — всевозможные хиггсовые вакуумные конденсаты) и микросоставляющую (кванты полей, которые рассматриваются как возбуждения вакуумных конденсатов). Важную роль играют представления о спонтанном нарушении симметрии исходного вакуума, свидетельствующие о способности вакуума изменять свое состояние, что, в свою очередь, говорит об изменении макроусловий. 
   С современной точки зрения ФВ самое симметричное состояние материи. Случайно образовавшаяся из ФВ часть менее симметричной фазы материи с меньшей симметрией и более низкой энергией неизбежно должна увеличиваться. Высвобождающаяся энергия используется в процессах рождения частиц. Не исключено, что Вселенная возникла в результате рождения частиц из ФВ при поляризации его гравитационным полем, которое порождается этими же частицами («самосогласованная модель Вселенной»), при полном соблюдении фундаментальных законов сохранения.