Гипотеза Великого объединения всех видов взаимодействия

В 70-е ХХ века в естествознании было установлено, что электромагнитное и слабое взаимодействия, казалось бы весьма разные по своей природе, в действительности являются двумя разновидностями единого так называемого электрослабого взаимодействия. Теория электрослабого взаимодействия решающим образом повлияла на дальнейшее развитие физики элементарных частиц.

Главная идея в построении этой теории состояла в описании слабого взаимодействия на языке концепции калибровочного поля, в соответствии с которой ключом к пониманию природы взаимодействий служит симметрия. Одна из фундаментальных идей в физике второй половины ХХ века — это убеждение, что все взаимодействия поддерживают в природе некий набор абстрактных симметрий. Принято считать, что объект обладает симметрией, если он остается неизменным в результате проведения той или иной операции по его преобразованию. Так, сфера симметрична, потому что выглядит одинаково при повороте на любой угол относительно ее центра. Законы электричества симметричны относительно замены положительных зарядов на отрицательные. Таким образом, под симметрией понимается инвариантность (неизменность) свойств относительно какой либо операции. Существуют разные типы симметрий: геометрические, зеркальные, негеометрические. Среди последних есть так называемые калибровочные симметрии. Калибровочные симметрии носят абстрактный характер и связаны с преобразованием уровня отсчета или масштаба некоторой физической величины. Система обладает калибровочной симметрией, если ее природа остается неизменной при таком преобразовании. Например, в физике работа зависит от разности высот, а не от абсолютной высоты; напряжение — от разности потенциалов, а не от их абсолютных величин и др. Значение концепции калибровочной симметрии заключается в том, что с её помощью можно, в принципе, объяснить теоретически все четыре фундаментальных взаимодействия.

Выяснилось, что симметрия электромагнитного взаимодействия входит в симметрию слабого взаимодействия. Для объяснения этого пришлось ввести три новых силовых поля и, соответственно, три новых типа частиц — переносчиков взаимодействия, по одному для каждого поля. Все вместе они называются тяжелыми векторными бозонами со спином 1, их условное обозначение Z, W+ и Wчастицы. В создании теории электрослабого взаимодействия ключевую роль сыграло понятие спонтанного нарушения симметрии: не всякое решение задачи обязано обладать всеми свойствами его исходного уровня. Так, частицы, совершенно разные при низких энергиях, при высоких энергиях могут оказаться на самом деле одной и той же частицей, но находящейся в разных состояниях. Опираясь на идею спонтанного нарушения симметрии, авторы теории электрослабого взаимодействия Вайнберг и Салам сумели решить великую теоретическую проблему — они объединили электромагнетизм и слабое взаимодействие в единой теории калибровочного поля. Проверка новой теории заключалась в подтверждении существования гипотетических W и Zчастиц. Их открытие в 1983 году стало возможным только с созданием очень больших ускорителей новейшего типа и означало торжество теории единого электрослабого взаимодействия. Из четырех фундаментальных взаимодействий осталось три.

Следующий шаг на пути объединения всех фундаментальных взаимодействий — слияние сильного взаимодействия с электрослабым. Для этого необходимо было придать черты калибровочного поля сильному взаимодействию и сильное взаимодействие представлять как результат обмена глюонами. Было сделано предположение, что каждый кварк обладает аналогом электрического заряда, служащим источником глюонного поля, его назвали цветом (это название не имеет никакого отношения к обычному цвету). Каждый кварк «окрашен» в один из трех возможных цветов, которые совершенно произвольно были названы красным, зеленым и синим, соответственно антикварки бывают антикрасные, антизеленые и антисиние. Далее теория сильного взаимодействия развивалась по той же схеме, что и теория слабого взаимодействия. Были введены восемь новых вспомогательных силовых полей и восемь различных типов переносчиков этих полей — глюонов. Глюоны также имеют различные цвета, но не чистые, а смешанные (например, сине-антизеленый). Поэтому, испускание или поглощение глюона сопровождается изменением цвета кварка («игра цветов»). Однако такие изменения носят не произвольный характер, а подчиняются жесткому правилу: в любой момент времени «суммарный» цвет трех кварков должен представлять собой белый свет, т. е. сумму «красный + зеленый + синий». Такое своеобразное введение «цветов» дало теории сильного взаимодействия название квантовой хромодинамики. С точки зрения квантовой хромодинамики сильное взаимодействие есть не что иное, как стремление поддерживать определенную абстрактную симметрию природы: сохранение белого цвета всех адронов при изменении цвета их составных частей. Квантовая хромодинамика во многом объясняет правила, по которым возникают всевозможные комбинации кварков, взаимодействие глюонов между собой, сложную структуру адронов и др. Возможно, пока преждевременно оценивать квантовую хромодинамику как окончательную и завершенную теорию сильного взаимодействия, тем не менее, ее достижения многообещающи.

С созданием квантовой хромодинамики появилась надежда на создание единой теории всех фундаментальных взаимодействий. Модели единым образом описывающие хотя бы три из четырех фундаментальных взаимодействий, называются моделями Великого объединения. Опыт успешного объединения слабого и электромагнитного взаимодействий на основе идеи калибровочных полей подсказывает возможные пути дальнейшего развития единства физики _ объединения фундаментальных физических взаимодействий. Один из них основан на том удивительном факте, что величины слабого и сильного взаимодействий становятся равными друг другу при некоторой очень большой энергии частиц, эту энергию называют энергией объединения. При этой энергии (более 1017 МэВ) и на расстояниях r < 10−31м сильные и слабые взаимодействия, возможно, имеют общую природу, при этом кварки и лептоны должны быть практически неразличимы. В настоящее время существуют разные подходы, порождающие конкурирующих варианты теорий Великого объединения. На проверку выводов этих подходов направлены усилия экспериментаторов, но пока еще твердо установленных экспериментальных данных нет. Дело в том, что теории Великого объединения имеют дело с энергией частиц выше 1017 МэВ, это очень высокая энергия и сейчас трудно сказать, когда удастся получить частицы столь высоких энергий в ускорителях.