Israeli Independent Academy for Development of Sciences (IIADS)

Израильская Независимая Академия Развития Науки (ИНАРН)  

האקדמיה העצמאית לפיתוח מדע בישראל (אעפמי)

Регистрационное удостоверение №580396224 от 28.10.2003, действует в соответствии с уставом от 19.10.2003 г.

Физика на перепутье

Прейгерман Л.М.

УДК 524.85

Прейгерман Л.М.

Израильская Независимая Академия развития науки.      

Президент Академии. Доктор физики, Ph.D.

E-mail – preiglev@gmail.com ,  тел. 0545 904 005

Рецензент: Медрес Б., профессор,  доктор физики,Ph.D

 

Физика на перепутье

 

Аннотация. В настоящей статье автор рассматривает сильные и слабые стороны  общепризнанной в настоящее время стандартной  модели элементарных частиц  и  анализирует в связи с этим нашедшие наибольшее признание  альтернативные теории. В заключение он  предлагает  гипотезу о возможности  решения возникших проблем в рамках стандартной  модели на основе  универсального закона симметрии.

Ключевые слова:  физика, стандартная модель, общая теория относительности, квантовая теория, суперсимметрия, теория струн, симметрия.   

 

Preygerman L.M.

Israel   Independent  Academy of development of Science.   

President  of  Academy.  Doctor of Physics,  Ph.D.

Reviewer: B. Medres, Professor, Doctor of Physics,  Ph.D.

 

Physics on cross-roads

 

Abstract. In this article the author examines the strengths and weaknesses of the generally recognized, is now the standard model of elementary particles and the analysis-ruet therefore who found the greatest recognition of alternative theories. In conclusion, he offers a hypothesis about the possibility of solving the problems in the framework of the standard model based on the universal law of symmetry.

Keywords: physics, the Standard Model, the theory of general relativity, Kwan-tum theory, supersymmetry, string theory, symmetry.

 

    Стандартная модель. С точки  зрения классической теории  объекты макромира погружены в  сплошную  среду, характеризующуюся непрерывным множеством точек. В каждой точке этой среды задаются свои значения  физических величин, которые в комплексе образуют соответствующие поля с бесконечным числом степеней свободы. Эту среду рассматривают часто как часть пространства, заполненного бесконечным числом   осциляторов. В такой системе могут возникать коллективные колебания в виде соответствующих волн, которые переносят   взаимодействия.

    Для описания свойств и основанных на них процессов дискретного в основе своей микромира представление о колебаниях сплошной среды оказывается неприемлемым.  В  связи с этим  используется   квантовая  теория поля,   которую   часто называют  стандартной моделью элементарных частиц.  Стандартную  модель  в первом приближении можно получить с помощью классической теории поля  путем квантования коллективных колебаний (волн).  Возникающие при этом дискретные  кванты полей рассматривают  в качестве частиц с соответствующими значениями импульса, энергии и массы.     

     Согласно  стандартной  модели, частицы  вещества (фермионы) и поля (бозоны) обладают корпускулярно-волновым дуализмом. Каждая из них  характеризуется как корпускулярными, так и волновыми свойствами. Их поведение, в отличие от жестко детерминированного и достоверно прогнозируемого поведения истинно корпускулярных или волновых классических объектов, имеет  вероятностный характер, описывается волновыми  уравнениями Шредингера  и характеризуется  определенной свободой выбора.

      Системы  вещественных образований  могут иметь атомно-молекулярную (барионную) многоуровневую структуру или, в простейшем случае, могут образовывать темную одноуровневую материю. Каждый уровень барионного вещества, от кварков до метагалактики, образуется конечным множеством тождественных, связанных между собой  частиц или систем. Частицы  глубоких уровней, которые не  делятся  на составляющие их структурные элементы или являются бесструктурными,  называются элементарными. К элементарным частицам  вещества   относятся  кварки и их образования (адроны и мезоны), а также лептоны. К элементарным частицам фундаментальных полей относятся глюоны, фотоны, векторные бозоны, и гипотетические гравитоны. Бесструктурные элементарные частицы (кварки, лептоны и бозоны) называются         фундаментальными. В рамках стандартной модели установлено, что в Природе существуют три симметричных поколения фундаментальных элементарных частиц и соответствующих им античастиц. Каждое из этих поколений  состоит из двух кварков разной массы  с электрическими зарядами +2/3 (верхний кварк),  – 1/3 (нижний кварк) и двух лептонов (отрицательного и нейтрального).  Барионное вещество состоит из частиц первого поколения – кварков u,d,  электрона e и электронного нейтрино νe­. Частицы второго поколения (кварки c,s, мюон μ и мюонное нейтрино νμ) и третьего поколения (кварки t,b, тау-лептон τ и тау-нейтрино ντ)  обнаруживаются только при высоких энергиях. Их функции в современной Вселенной пока не установлены. Предполагается, что они играли определенную роль в начальной Вселенной.  

      Невещественная среда между дискретными вещественными структурами и их образованиями называется вакуумом. Вакуум – это не пустая среда, так как он заполнен частицами полей, а также темной материи. 

      Связь (взаимодействие) между фермионами каждого данного уровня и разных уровней осуществляется, согласно стандартной модели, путем обмена излучаемыми и поглощаемыми ими соответствующих бозонов. Кварки связываются между собой глюонами, нуклоны – пионами, электроны и  протоны – фотонами, слабые взаимодействия переносятся  векторными бозонами. С другой стороны, до начала взаимодействия частицы вещества являются свободными, и они,  согласно классической теории, не могут  ни излучать, ни поглощать частицы поля,  так как в этом случае нарушались бы законы сохранения энергии и импульса. Но,  с точки зрения стандартной модели, это возможно, так как в микромире, то есть в малых масштабах пространства-времени, законы сохранения энергии-импульса действуют лишь в среднем. В  этих масштабах  их место занимают более фундаментальные законы квантовой механики, соотношения  неопределенностей, которые  допускают недетерменированное изменение энергии и импульса. Согласно соотношениям неопределенностей,  в масштабах не воспринимаемого нами  очень малого  времени взаимодействия, происходит непрерывное рождение частиц  и античастиц (фоторождение) и их исчезновение (аннигиляция). Так как рождающиеся и “мгновенно” исчезающие частицы ненаблюдаемы, их назвали виртуальными. Совокупность виртуальных частиц образуют физический вакуум, который, в отличие от обычного вакуума, свободен от любых реальных частиц вещества и поля.  Но физический вакуум тоже не является пустотой.  Он заселен непрерывно рождающимися  и исчезающими в нем  виртуальными частицами, вызывающими его  флуктуацию.  Виртуальные частицы поля, движущиеся со скоростью света, за время своего существования успевают излучиться и вновь поглотиться вещественной частицей. В  результате  они в среднем  окружают свободную частицу плотной оболочкой (шубой).  Если  в радиусе действия данной вещественной частицы появляется другая, тождественная ей частица или античастица, то между ними возникает взаимодействие путем обмена указанными окружающими  их виртуальными частицами поля.   

В результате излучения и поглощения  фермионами  частиц соответствующих полей   происходит изменение внутренних связей   фермионов и их энергии. Это, в свою очередь, меняет также связи и энергию расположенных над ними частиц верхних уровней  и состояние  системы в целом.  Взаимодействие частиц внутренних уровней систем  приводит к их непрерывному движению (изменению)  и возникновению тех или иных явлений  на верхних уровнях. Так, в частности, возникают на макроуровнях тепловые, оптические и химические процессы, процессы рентгеновского и радиоактивного излучения и пр.  С другой стороны,  системы   макромира подвергаются также гравитационному  взаимодействию  со стороны систем верхних, космических, уровней.

      Большую роль в стандартной модели играет физическая симметрия.  Под физической симметрией  понимают инвариантность законов физики или уравнений, устанавливающих связи между величинами, характеризующими систему, относительно тех или иных ее преобразований.  К физической симметрии, действующей в микромире, относятся, в частности,   CPT - симметрия пространства-времени, симметрия волновой функции микрочастиц относительно пространственной инверсии (четность), унитарная внутренняя симметрия  сильного взаимодействия, объединяющая адроны в мультиплеты, зарядовая симметрия      (симметрия частиц  и  античастиц),  калибровочная симметрия.

       Калибровочная, как и унитарная симметрия, – это внутренняя  симметрия, связанная со свойствами самих частиц, а не со  свойствами пространства-времени.  Известно, что  источниками взаимодействия фундаментальных полей являются сохраняющиеся физические величины, называемые зарядами. Согласно теореме Нетер в применении к микромиру сохраняющиеся величины являются следствием внутренней  симметрии  уравнений поля.   Калибровочная симметрия  сводится, в частности, к инвариантности модуля волновой функции  частицы относительно определенной группы  преобразований.  Эти преобразования  заключаются  в умножении  волновой функции частицы на фазовый множитель, фаза φ(r,t) которого  содержит сохраняющийся заряд, а модуль равен 1. Они, в свою очередь, равносильны повороту вектора волновой функции на угол  φ (r,t) в фазовом пространстве, образованном волновыми функциями частиц. Уравнения движения, описывающие поведение частиц, приобретают  при указанном повороте добавку, пропорциональную производной фазы от координат и времени. Т.к. симметрия требует, чтобы уравнение движения было инвариантом относительно  данного преобразования, то указанную добавку необходимо компенсировать путем добавления в уравнение движения функции, описывающей векторные поля, которые при тех же поворотах приобретают такую же добавку, но с обратным знаком.

       Введенные таким образом  векторные поля называются калибровочными, а их частицы калибровочными частицами. Источником калибровочных полей выступают, таким образом, сохраняющиеся заряды. В случае, например, электрона, источником калибровочного поля, которое  описывается уравнениями электромагнитного поля Максвелла, является  сохраняющийся  электрический заряд.

      Оказывается, что рассмотренную  операцию введения калибровочного поля  можно провести только в случае предположения, что масса его частиц равна нулю. Это значит, что калибровочная симметрия запрещает частицам  иметь массу. Безмассовые  частицы, как известно, движутся с максимально возможной скоростью света. Они не могут связываться между собой и привести к возникновению функционирующей Вселенной. Это побудило физиков ввести еще одно поле, которое приводит к отклонению калибровочных полей  от симметрии, и, следовательно, придает элементарным частицам соответствующие массы. Это поле назвали в честь предложившего его физика полем Хиггса. Частица этого поля была названа соответственно бозоном Хиггса. Бозон Хиггса  был недавно обнаружен  с помощью  ускорителя частиц большой энергии БАК в ЦЕРН-е.  Это  стало еще одним очень важным  подтверждением стандартной модели. 

      Учет всей совокупности актов взаимодействий элементарных частиц с математической точки зрения является очень сложной  задачей, поэтому прибегают к приближенным методам расчета. Одним из таких методов является теория возмущений Фейнмана. Этот метод, рассматривая все свободные элементарные частицы как точечные образования, заключается в поэтапном учете все большего числа актов их взаимодействия, с которым сопоставляется наглядное графическое изображение (диаграммы Фейнмана) [1].

      Стандартная модель в основном соответствует опытным данным и со временем получает все большее число подтверждений. Это, однако, не значит, что  у нее нет никаких проблем.   Рассмотрим кратко эти проблемы.

      1.Введение поля Хиггса стало большой удачей стандартной модели. С его помощью удалось  объяснить, как   у  элементарных частиц появляется  масса. Оно также позволило создать единую теорию электрослабого взаимодействия.  Однако,  оно, в свою очередь, привело к  новым вопросам, на которые стандартная модель не может ответить. Во-первых, неясно, что является источником самого поля Хиггса и как возникла масса частицы Хиггса. Ситуация тем более усложняется, что поле Хиггса по его определению должно равномерно заполнять все пространство. В связи с этим возникает вопрос, где находится источник этого поля, если он существует.

      2. Согласно стандартной модели, как указывалось выше, все частицы вещества укутаны шубой из виртуальных частиц поля, которые определяют их  свойства. Между тем, частица Хиггса – это бозон, который  лишен шубы.  Неясно, поэтому, как он функционирует.

      3. Стандартная модель распространяется  на три взаимодействия и не охватывает четвертое, гравитационное. Это связано, в частности, с тем, что она не согласуется с общей теорией относительности, игнорирует кривизну пространства-времени и рассматривает пространство-время лишь как объект, на фоне которого происходят все физические процессы.  Этому же способствует  то, что   общая теория относительности,  в свою очередь, также игнорирует квантовый характер микропроцессов и дискретность пространства-времени  в масштабах микромира. Наконец, спин  кванта гравитационного поля, гравитона, равный 2, затрудняет возможность  объединения гравитона в один мультиплет с калибровочными частицами остальных трех фундаментальных полей, спины которых равны 1.

       4. Теория возмущения по определению считает все элементарные частицы  и их заряды точечными, что приводит к расходимостям. Часть расходимостей устраняется методом перенормировки. Этому методу, однако, не поддается гравитация, а в случае сильных взаимодействий он  устраняет расходимости не полностью.

       5. Стандартная модель не объясняет, зачем Природа создала три поколения фундаментальных элементарных частиц, а использует только одно.

      6. В стандартной модели не находит объяснение   асимметрия частиц и античастиц,  т.е. значительное превышение  частиц  во Вселенной  над античастицами,   которая нарушает закона сохранения заряда

      7. Представления о темной материи и темном поле также не укладываются в стандартную модель.

      Учитывая все указанные выше проблемы, физики настойчиво ищут альтернативную теорию, свободную от приведенных недостатков. Наиболее продвинутыми теориями  в этом смысле являются М-теория суперструн и  модель суперсимметрии.

      Суперструнная М-теория. В теоретической физике уже достаточно давно ведется интенсивный поиск нового математического аппарата, который позволил бы устранить  расходимости стандартной модели. Этот поиск в течение длительного времени не давал положительных результатов. Помог случай.

     В 1968 году два молодых физика из ЦЕРН-а, Г.Венециано и  М.Сузуки,  независимо друг от друга, заметили, что амплитуду рассеивания высокоэнергичных пионов можно выразить формулой с помощью, так называемой, бетта-функции Эйлера, описывающей колебания натянутой струны.  Ряд физиков, занимавшихся   проблемой расчета рассеивания пионов, среди которых были Л. Сасскинд, Х.Нильсон и др., обнаружили, в связи с этим, что указанную  выше формулу можно  вывести, если допустить, что взаимодействие между сталкивающимися пионами возникает из-за того, что их соединяет бесконечно тонкая натянутая колеблющаяся нить (струна), которая описывается как квантово-механический объект. Это привело их к предположению, что  натянутая струна в малых масштабах  может рассматриваться как некая модель элементарной частицы. Обобщая эту идею, они выдвинули гипотезу, согласно которой каждой элементарной частице можно поставить в соответствие бесконечно тонкую натянутую колеблющуюся натянутую струну, а каждому виду взаимодействия – соединение и разъединение   струн.  В   натянутой струне, как известно, возникают стоячие волны.  Количество и форма полуволн, укладывающихся на длине струны, определяет моду колеблющейся струны. Каждой моде,  согласно предложенной гипотезе, соответствует определенный тип частиц.   

      Для физиков,  занимающихся квантовой теорией, в данной гипотезе не было ничего необычного. О тождественности частиц и волн было известно давно, еще  со времен становления представлений о корпускулярно-волновом дуализме. Впоследствии сходство элементарных частиц и волн стало одним из краеугольных камней квантовой механики и легло в основу волнового уравнения Шредингера, решением которого является волновая функция, описывающая состояние элементарной частицы и ее поведение с течением времени [3]. Струна в этом смысле может, очевидно, также рассматриваться как некое корпускулрно-волновое образование. Так возникла струнная теория.

      Ее привлекательность заключалась в том, что она исключила из теории точечные объекты (струна имеет маленькую, но конечную длину), а вместе с ними и расходимости. Одновременно с этим у нее обнаружилась и масса недостатков. Во-первых, с самого начала появилось большое число независимых друг от друга версий струнной теории, создававших серьезную путаницу. Например, существовала отдельная теория для частиц с целочисленным спином, бозонов, отдельная теория для фермионов и т. д. Теория, кроме того, приводила к различным аномалиям и, в частности, к нарушению закона сохранения энергии. Теория не позволяла выделить из бесконечной последовательности мод те из них, которые соответствовали конечному и сравнительно небольшому числу реальных частиц.

       В 1984 г. физики Д. Шварц и М. Грин доказали, однако, что обнаруженные в теории  струн аномалии взаимно компенсируют друг друга так же, как  в квантовой теории компенсируется исчезающая при рождении частиц и возникающая при их аннигиляции энергия, при этом в среднем закон сохранения энергии не нарушается. 

       Введя  в теорию струн спин, и предполагая также, что в природе имеет место  суперсимметрия (симметрия бозонов и фермионов),  физики также  обнаружили, что в пространстве-времени  с 11 измерениями новая теория, названная теорией суперструн,  совпадает с уравнениями квантовой теории.  В 1995 году американский физик Э.Виттен показал, что существовавшие до этого разные версии теории струн на самом деле являются лишь разным выражением одной и той же теории суперструн. Эта теория получила название М-теорией.  Самым большим успехом теории суперструн стало открытие среди решений струнных уравнений замкнутой струны, которая  соответствует частице с нулевой массой  покоя и спином, равным 2. Это стало неожиданностью, так как согласно квантовой теории поля гипотетическая безмассовая частица со спином, равным 2,  гравитон,  является квантом гравитационного поля и соответствует гравитационным волнам, предсказанными общей теорией относительности.  Вместе с введенной в теорию суперсимметрией это может в принципе позволить построить давно задуманную, но неуловимую в рамках  стандартной модели, общую физическую теорию квантовой гравитации.  

       Росту авторитета М-теории способствовала также оригинальная интерпретация     многомерности пространства-времени в теории суперструн, данная Виттеном и Таусендом.  Согласно этой интерпретации сама струна является одномерной или с учетом времени – двухмерной.   С течением времени она заметает двухмерную поверхность, названной  мембраной или 2-браной (дву-браной).  Свобода струнного движения ограничивается при этом дополняющим ее пространственным многообразием, которое соответствует  3-бранам,  4-бранам и т. д. до 10 бран.  Связи, накладываемые бранами,  в свою очередь, ограничивают  моду колебаний соответствующей им  струны и  упорядочивают   внутреннюю структуру частицы, придавая ей тем самым определенную  индивидуальность.  Ограничение, накладываемое браной, возникает, однако, лишь в том случае, если струна незамкнутая, то есть, если ее концы свободны и закреплены в  этой бране. Из теории суперструн, в частности, следует, что всем элементарным частицам, за исключением гравитонов, соответствуют струны со свободными концами,  оба конца которых закреплены на   3-бране,  которой сопоставляется  3х-мерное пространство. Это значит, что ни они, ни все их образования, не могут ее покинуть.  Мы, таким образом, находимся в 3-бране не потому, что в пространстве нет  большей  мерности, а потому, что мы заперты в ней и не можем ее покинуть. Другое дело гравитоны, которым соответствует замкнутая струна, без свободных концов. Она  не закреплена, и гравитоны  могут  покинуть наш трехмерный мир. Этого,  однако, не происходит просто потому, что они притягиваются  3-браной.  

      Что же касается остальных 7 из 11 измерений, то они не воспринимаются нами  потому,  что они  свернуты   и проявляются только на очень малых расстояниях, порядка 10-35 м.

      Важно при этом отметить, что М-теория, в отличие от стандартной модели, учитывает, с одной стороны, квантование пространства-времени, а, с другой стороны,  создает предпосылки для объединения квантовой теории с общей теорией относительности.

     Подводя итог, можно, следовательно, отметить , что М-теория:

     - устранила расходимости стандартной модели без введения сложной, ограниченной и не всегда эффективной процедуры перенормировки;

     - сблизила квантовую теорию с общей теорией относительности, что  создает  реальные предпосылки для разработки квантовой теории гравитации;

     - устранила противоречия, связанные с представлениями о точечных образованиях (сингулярностей) и, соответственно, черных дыр.

     Так как, наконец, согласно М-теории, фундаментальная длина струн имеет, возможно, порядок 10-18 м, а не 10-35  м,  то энергия,  получаемая на БАК, может оказаться достаточной, чтобы уже с его помощью и ускорителей  ближайших поколений,  можно было бы организовать экспериментальную проверку  суперструнной теории.

    У М-теории имеются, однако, серьезные трудности.

    Прежде всего они относятся к очень сложному и громоздкому математическому аппарату теории суперструн. Это исключает возможность получения точных решений и определения степени их достоверности.  Кроме того, возникает   вопрос, почему из 11 размеров развернулись только 4, в том числе 3 пространственных и время. На этот вопрос теория не дает ответа. Интересно в связи с этим отметить тонкую подгонку этого процесса, так как, если бы мерность реального пространства была бы меньше или больше 3, то, как показывают расчеты, функционирование Вселенной было бы невозможно.

     Представления о бранах возвращает физику к классическим представлениям о пространстве-времени как самостоятельной  сущности, своеобразной вместимости материальной совокупности.

     Однако самым большим недостатком теории является полное отсутствие подтверждающих ее экспериментальных данных. Речь идет не об отсутствии  прямых наблюдений, которые  не доступны из-за того, что они должны проводиться в области огромных энергий и которые   невозможно  получить   в земных условиях. По этой причине, в частности, экспериментальная проверка многих современных физических теорий, в том числе и стандартной модели (например, теории кварков, поля Хиггса и др.), достигается с достаточно высокой  достоверностью с помощью анализа косвенных фактов. Однако в случае суперструнной теории до сих пор не удалось получить ни одного подтверждающего ее косвенного факта. И это в то время, когда стандартная  модель подтверждена огромным количеством экспериментальных данных, в том числе, полученных на БАК [1].

    Модель суперсимметрии  40 лет тому назад физиками Гольфандом, Лихтманом и др.  был предложено расширение стандартной модели путем введения в нее модели суперсимметрии.  Это название модели связано с ее экзотичностью, так как она предусматривает объединение в один мультиплет  противоположные  по своим свойствам и выполняемым функциям частицы вещества с частицами поля. Другими словами, она исходит из предположения существования симметрии, допускающей возможность инвариантности уравнений движения элементарных частиц относительно  преобразования их спина и, в связи с этим, считает, что каждой элементарной частице соответствует ее двойник, суперпартнер, который отличается от самой частицы только величиной  спина. 

     Суперсимметрия  позволяет устранить  некоторые недостатки стандартной модели.

    Во-первых, стандартная модель, как указывалось выше, охватывает лишь три из четырех фундаментальных взаимодействий. Это является следствием того, что четвертое взаимодействие, гравитация, переносится гравитоном, спин которого равен 2, в отличие от всех калибровочных частиц, имеющих спин, равный 1. Чтобы объединить  все 4 взаимодействия, необходимо допустить  симметрию столь различных между собой элементарных частиц относительно преобразования спина, которая лежит в основании модели  суперсимметрии, но отсутствует в стандартной модели.

    Во-вторых, великое объединение, построенное в рамках стандартной модели, является искусственным. Дело в том, что  стандартная модель  исходит из того, что при увеличении энергии условные константы связи электромагнитного и слабого взаимодействия  увеличиваются, а – сильного взаимодействия – уменьшается.  На этом основании допускается, что при определенной энергии они сравниваются, и все три взаимодействия объединяются в одно. Однако, расчеты показывают, что графики зависимости константы связи от энергии всех трех взаимодействий действительно пересекаются в одной точке (при энергии1016 ГэВ), но только в рамках расширенной стандартной модели с учетом суперсимметрии. Другими словами, великое объединение  реализуется только  в расширенной стандартной модели.

     В стандартной модели не найдены частицы, которые образуют темную материю, занимающую около 24 % материи Вселенной.  Истинно нейтральные частицы стандартной модели, например, нейтрино, которые соответствуют свойствам частиц темной материи, не могут  быть  ее частицами  из-за своей ничтожно малой массы. В модели суперсимметрии такая подходящая частица существует. Эта частица называется  нейтралина и представляет собою смесь суперпартнеров Z бозона (зина), фотона (фотино) и бозона Хиггса (Хигсина). Она   по всем своим свойствам подходит в качестве  кандидата частицы темной материи, хотя пока не обнаружена.  Дело в том, что, согласно модели суперсимметрии, суперпартнеры каждой частицы должны отличаться только спином. Однако тот факт, что  суперпартнеры  элементарных частиц до сих пор не удается обнаружить, заставляет предположить нарушение суперсимметрии, результатом которого является отличие суперпартнеров по величине их массы. Так как массы суперпартнеров оказываются очень большими, то  для их обнаружения требуются ускорители  огромной энергии.  

    Наконец,  важным обстоятельством является то, что суперсимметрия, как указывалось выше, лежит в основе М-теории,  которая претендует стать теорией новой физики.

    Между тем, у суперсимметрии, как и у М-теории, отсутствуют экспериментальные подтверждения. Это тем более существенно, что энергетические возможности БАК позволяют уже сегодня обнаружить ряд суперпартнеров элементарных частиц, например, электрона или нейтрино, но их  поиск  до сих пор  остается безрезультатным [1].

    Закон симметрии.  Выше уже указывалось, что как в стандартной модели, так и в новых физических теориях,  большую роль играет представление о физической симметрии. С ее помощью удалось объяснить все законы сохранения, впервые в истории физики была  раскрыта природа взаимодействий. Расширенная суперсимметрией  стандартная модель  позволяет  построить мир из кирпичиков одной и той же природы, связанных единым взаимодействием.

    Между тем, во всех современных физических теориях ограничиваются рассмотрением лишь  частного случая,  физической симметрии, и  не объясняется, почему в мире действуют ее законы. Устранение этого недостатка, с нашей точки зрения, позволило бы скорее всего решить те проблемы, которые на сегодняшний день не поддаются решению.

    Симметрия переводится, как соразмерность, одинаковость, равноправность, однородность. Из этого следует, что в самом общем случае симметрия – это более широкое понятие, чем физическая симметрия. Симметрия, согласно ее определению,  означает, что не существует   правил, позволяющих отличить друг от друга  совершенно одинаковые образования.   Другими словами, абсолютная  симметрия, т.е. симметрия на всех уровнях и по всем параметрам системы, – это полный беспорядок, хаос. Исходя из указанного определения симметрии, мы приходим к выводу, что несимметричные по тому или иному параметру системы – это всегда так или иначе упорядоченные системы. Так как вероятность беспорядка во много раз превышает вероятность порядка, то все материальные системы всегда стремятся к симметрии, то есть к однородности по всем характеризующим их  физическим параметрам. Назовем это стремление законом симметрии.

    Идеально симметричные на всех уровнях системы бездейственны и, следовательно, неощутимы (нематериальны). Они не могут реализоваться в действительности.  Реализуются только упорядоченные несимметричные системы при условии, если их устойчивость обеспечивается соответствующими защитными механизмами.

    Рассмотрим  свободную фундаментальную элементарную частицу вещества.  Это бесструктурная (точечная)  и устойчиво симметричная частица, свободная от каких-либо связей.   Ее  масса покоя равна нулю, а скорость равна скорости света.  Источником ее симметрии служит сохраняющаяся величина, называемая зарядом.  В реальном мире такая абсолютно свободная частица, как указывалось выше, не может существовать. Она, другими словами, является идеализацией реальной действительности, которая заполнена множествами  тождественных массивных частиц конечных размеров.    Под их действием  симметрия  реальной частицы всегда нарушена. Это нарушение возникает как следствие ее обмена с тождественными ей частицами или античастицами квантами соответствующего поля. В результате обмена нарушается как ее внутренняя, так и внешняя симметрия укутывающей ее шубы. Нарушение симметрии шубы приводит к возникновению калибровочного поля, стремящегося восстановить величину изменившегося заряда, а нарушение внутренней симметрии – к возникновению торможения частицы, массы покоя и полуцелого спина. Поле, под действием которого частица тормозится,  получает внутреннюю структуру, массу и полуцелый спин,  напоминает поле Хиггса

    Если сближение двух одинаковых частиц   приводит к  уменьшению  их симметрии, то они, стремясь восстановить симметрию и величину заряда, отталкиваются. Если, наоборот, их сближение, приводит к повышению  симметрии системы,  то они по той же причине притягиваются. Источником силы притяжения и отталкивания выступают калибровочные поля сохраняющегося заряда, возникающего как результат нарушения симметрии фундаментальной частицы.  В отличие от электромагнитного и сильного взаимодействия, слабое взаимодействие заключается не в притяжении или отталкивании частиц, а в их распаде  и взаимном превращении.  Единственной причиной и единым механизмом трех фундаментальных взаимодействий является спонтанное, т.е. неустранимо  возникающее естественным путем нарушение симметрии. В случае электромагнитного или сильного взаимодействия симметрия нарушается взаимным сближением частиц, а в случае слабого взаимодействия – массивными  бозонами ±W и Z0.  Свою массивность, они, как и частицы вещества, получают в процессе нарушения их внутренней симметрии и заряда под действием  калибровочного поля Хиггса.

    Покажем далее, что и гравитационное взаимодействие также возникает под действием нарушения симметрии пространства-времени по тому же механизму. Для этого, как и в случае рассмотренных выше трех фундаментальных взаимодействий, проанализируем сначала  идеализированное (невозможное в реальной действительности) псевдоевклидово четырехмерное плоское пространство-время Минковского, свободное от материальной совокупности.    

    Известно, что псевдоевклидово пространство симметрично, т.е. инвариантно  относительно группы преобразований Лоренца-Пуанкаре. Оно однородно и изотропно, т.е. все его точки, временные интервалы (темп изменения времени)  и направления равноправны и не различимы.  В нем, кроме того,   действует принцип относительности законов физики, т.е. все его инерциальные системы отсчета  также равноправны и неотличимы.   В специальной теории относительности Эйнштейна, наконец, доказывается, что  интервал ∆S между двумя событиями,  который определяется,  как кратчайшее расстояние между точками   четырехмерного пространстве-времени Минковского, изображающими эти события, является инвариантом относительно  линейных преобразований  Лоренца.  Ему  соответствует отрезок прямой линии в пространстве-времени Минковского, который для интервала, равного нулю, определяет направление луча света. 

    Квадрат интервала представляет собою симметричную билинейную форму, выраженную через квадрат расстояния ∆r в трехмерном евклидовом пространстве и квадрат расстояния, проходимого за время ∆t с максимально возможной скоростью с, равной скорости света в вакууме

                                                    ∆S2 =  c2(∆t)2 – (∆r)2                                                           (1)  

     Внесем  в пространство-время Минковского материальную совокупность  тел различной массы. Так как взаимодействия, согласно теории относительности, переносятся от частицы к частице тела с конечной скоростью, то его масса пропорциональна времени запаздывания реакции тела в целом на сигнал,  действующий на тело. Это значит, что время  распространения взаимодействий тем больше, чем больше масса тела.  Другими словами, темп течения времени под действием массы тел замедляется, причем величина замедления  разная для тел разной массы. В  результате нарушается  линейность интервала,  однородность и симметрия пространства-времени Минковского.  Оно, другими словами,  искривляется. Стремясь восстановить однородность и симметрию,  материальная совокупность расталкивается, а пространство-время расширяется,  пытаясь принять в среднем форму трехмерной сферы  как можно большего радиуса (минимальной кривизны). Скорость разбегания тел   в связи с этим тем больше и   заметнее, чем дальше они находятся от центра наблюдения. 

     Рассмотренный процесс равносилен действию антигравитационного поля, которое  приводит к равномерному распределению материальной совокупности в пространстве-времени. Предлагаемая модель, в связи с этим, легко объясняет процесс возникновения Вселенной без введения в рассмотрение сингулярности неясной природы и загадочной темной энергии[2,3].

     Действительно, допустим, как это допускается  в инфляционной теории стандартной  модели, что до большого взрыва Вселенная существовала как некая виртуальная идеально симметричная сущность, т.е. состояла из виртуальных частиц с  нулевой массой, которые двигались с максимально возможной  скоростью и поэтому не взаимодействовали. Подчеркнем,  что  данное допущение не имеет ничего общего с концепцией вечного существования Вселенной, так как для  виртуальности понятия времени и вечности не имеют физического смысла.

 В этом случае можно допустить, что большой взрыв возник не из сингулярности, а в результате нарушения симметрии виртуальной Вселенной под действием поля Хиггса, внезапное появление которого эквивалентно представлению о первоначальном толчке неестественного происхождения.  Такой подход не противоречит ни модели горячей Вселенной Гамова, ни  теории инфляции  Гута.   Что же касается более поздней версии    А. Линде, связанной с представлением о вечно повторяющейся инфляции, то оно, хотя и объясняет большой взрыв естественной причиной, но возвращает в физику давно дискредитировавшие себя понятия вечности и бесконечности,  и вводит очень сомнительное представление о множественности вселенных. Во-первых, если исходить из того, что согласно теореме Пуанкаре-Перльмана, трехмерное пространство Вселенной, образованное материальной совокупностью, представляет собою трехмерную сферу, то оно не имеет края и в этом смысле вездесуще. За пределами Вселенной в этом случае может находиться только четырехмерное пространство,  образованное  множеством   тел с четырьмя измерениями, которое, как показывают расчеты,  является неустойчивым. Во-вторых, эти Вселенные  не должны взаимодействовать с нашей Вселенной, так как в противном случае они все входили бы в ее состав.  Иначе говоря, речь может идти лишь о множественности виртуальных Вселенных, что не укладывается в теорию инфляции Линде[2,3].

   Иначе происходит взаимодействие двух  или нескольких одиночных массивных тел.  Допустим для простоты, что пробное тело малой массы, искривляющим действием которого можно пренебречь, появляется в локально искривленном пространстве-времени, вызванного другим телом большой массы. Искривленное пространство-время заставляет пробное тело двигаться по криволинейной траектории с ускорением.  Нетрудно понять, что, стремясь к симметрии,  эти тела начнут сближаться, так как со сближением их взаимная упорядоченность уменьшается. Указанное ускоренное сближение тел равносильно тяготению, происходящему под действием калибровочного гравитационного поля, источником которого выступает сохраняющаяся масса. Калибровочной частицей этого поля является гравитон с массой покоя, равной нулю и спином, равным 2.

    Таким образом, все   фундаментальные взаимодействия, с нашей точки зрения, являются следствием одного и того же  универсального физического закона, согласно которому   материальная совокупность, как макромира, так и микромира,  как в области малых, так и больших энергий, всегда стремится к симметрии. Учет указанного обстоятельства  может стать надежным основанием как для создания квантовой теории гравитации, так и для создания единой физической теории, к которой стремится современная физика. В заключении подчеркнем, что высказанная гипотеза не только не противоречит, но находится в полном согласии со стандартной моделью.

 

Литература

1. Л. Прейгерман, М. Брук. Курс современной физики. Новые подходы к объяснению физической картины мира. –  М.,  научное издательство  ЛЕНАНД , 2016 – 1119 c.

2. Л. Прейгерман. Горизонты Вселенной. –  Хайфа. Вестник Академии. Ученые записки, т.7 № 1, 2015 – С. 18-37.

3. Л.М. Прейгерман. Темная энергия и эволюция Вселенной. –  Хайфа. Вестник Академии. Ученые записки, т.7 № 2, 2015 – С. 20-27.

 

REFERENCES

1. L. Preygerman, M. BrukKurs sovremennoy phyziki. Novye podchody k obiasneniu phyzicheskoy kartiny mira (The course of modem physics. New approaches to the explanation of the physical picture).  Moscow, nauchnoe izdatelstvo LENAND , 2016 – 1119 p.

2. L. PreygermanGorizonty Vselennoy (Horizons of the Universe). –  Haifa. Vestnik Academyi. Uchonie zapiski, t.7, № 1, 2015 – 20-27pp.

3. L.M. PreygermanTjomnaia energia i evoljucia Vselennoy (Dark energy and the evolution of the Universe).  Haifa. Vestnik Academyi. Uchonie zapiski, t.7, № 2, 2015 – 20-27 pp