"Физический минимум" на начало XXI века

Микрофизика

Проблемы с 14-й по 20-ю относятся к области, которую именую микрофизикой, хотя ее правильнее всего, по-видимому, называть физикой элементарных частиц.

На определенном этапе элементарными считались, в частности, нуклоны и мезоны. Сейчас же известно, что они состоят (правда, в несколько условном смысле) из кварков и антикварков, которые мы считаем неделимыми и в этом смысле элементарными. Кварки — их, не считая антикварки, 6 «ароматов» (flavours): u (up), d (down), с (charm), s (strangeness), t (top) и b (bottom); антикварки обозначаются с помощью черточки сверху (u — и т. д.). Далее элементарны лептоны: электрон и позитрон (е — и е +), m —+, t —+, соответствующие нейтрино n e, n m, n t. Наконец, элементарными являются 4 векторных бозона (фотон g, глюон g, Z 0, W —+).

Одна из самых актуальных задач физики элементарных частиц — поиски и, как все надеются, обнаружение хиггса — скалярного хиггс-бозона со спином 0. По оценкам, масса хиггса меньше 1000 ГэВ, но скорее даже меньше 200 ГэВ. Поиски ведутся и будут вестись на имеющихся и реконструируемых ускорителях (в ЦЕРНе и Фермилабе). Главная же надежда физики высоких энергий (возможно, и при поисках хиггса) — это ускоритель LHC (Large Hadron Collider), строящийся в ЦЕРНе. В нем будет достигнута энергия в 14 ТэВ (в системе центра масс сталкивающихся нуклонов), но только, видимо, в 2006–2007 гг. Другая важнейшая задача — поиски суперсимметричных частиц. Нельзя не отметить исследование проблемы CP-несохранения и, в силу справедливости СРТ-инвариантности (совместных пространственной инверсии Р, зарядового сопряжения C и обращения знака времени Т), также и несохранения T-инвариантности (неинвариантность при замене знака времени t на — t). Разумеется, это фундаментальный вопрос, в частности, с точки зрения объяснения необратимости физических процессов. Природа процессов с СР-несохранением пока неясна; идут поиски СР-несохранения при распаде B-мезонов. Распад протона пока не обнаружен. По последним данным, среднее время жизни протона, если определить его по реакции р е + +р 0, больше 1,6 x 10 33 года.

Относительно проблемы 17 подчеркну следующее. Эксперименты на ускорителях подтвердили, что до расстояний порядка 10–17 см (чаще, правда, указывают длину в 10–16 см) и времен порядка 10–27 с существующие пространственно-временные представления справедливы. А что происходит в меньших масштабах? Такой вопрос в сочетании с имевшимися затруднениями теории и привел к гипотезе о существовании некоторой фундаментальной длины l f и времени t f ~ l f /с, при которых вступает в строй «новая физика» и конкретно какие-то необычные пространственно-временные представления («зернистое пространство-время» и т. п.). Сегодня нет никаких оснований для введения длины l f ~ 10–17 см. С другой стороны, в физике известна и играет важную роль некоторая другая фундаментальная длина, а именно планковская, или гравитационная, длина l g = 1,6 х 10–33 см; ей отвечают время t ~ 10–43 с и энергия E g ~ 10 19 ГэВ. Нередко фигурирует и планковская масса m g ~ 10 –5 г. Физический смысл длины l g заключается в том, что при меньших масштабах уже нельзя пользоваться классической релятивистской теорией гравитации и, в частности, общей теорией относительности (ОТО), построение которой было завершено Эйнштейном в 1915 году. Здесь нужно использовать квантовую теорию гравитации, еще не созданную в сколько-нибудь законченной форме.

Кстати, о терминологии. Теория сильного взаимодействия именуется квантовой хромодинамикой. Схема, объединяющая электромагнитное, слабое и сильное взаимодействия, называется Великим объединением. Вместе с тем реально используемая современная теория элементарных частиц, состоящая из теории электрослабого взаимодействия и квантовой хромодинамики, называется стандартной моделью (standard model). Наконец, теории, в которых Великое объединение (до конца еще не созданное) обобщается таким образом, что включает еще и гравитацию, называют суперобъединением. Такого удовлетворительного суперобъединения построить еще не удалось.

До того как перейти к проблемам астрофизики и близким к ним (номера 21–30 в «списке»), остановлюсь на проблеме 20: струны и М-теория. Это, можно сказать, фронтовое направление в теоретической физике на сегодняшний день. Кстати, вместо термина «струны» часто употребляют название суперструны (superstrings), во-первых, чтобы не было путаницы с космическими струнами, и, во-вторых, чтобы подчеркнуть использование представлений о суперсимметрии. В суперсимметричной теории каждой частице отвечает (содержится в уравнениях) ее партнер с другой статистикой: например, фотону (бозону со спином 1) отвечает фотино (фермион со спином S) и т. д. Нужно сразу отметить, что суперсимметричные партнеры (частицы) еще не обнаружены. Их масса, по-видимому, не меньше 100–1000 ГэВ. Поиски этих частиц — одна из основных задач экспериментальной физики высоких энергий как на существующих или реконструируемых ускорителях, так и на LHC.

В квантовой механике и в квантовой теории поля элементарные частицы считаются точечными. В теории струн элементарные частицы — это колебания одномерных объектов (струн), имеющих характерные размеры порядка 10–33 см. Струны могут быть конечной длины (некоторый «отрезок») или в виде колечек. Струны рассматриваются не в 4-мерном («обычном») пространстве, а в многомерных пространствах, скажем с 10 или 11 измерениями.

Теоретическая физика еще не может ответить на целый ряд вопросов, например: как построить квантовую теорию гравитации и объединить ее с теорией других взаимодействий; почему существует, по-видимому, только 6 типов (ароматов) кварков и 6 лептонов; почему масса электронного нейтрино очень мала; почему m- и t-лептоны отличаются по своей массе от электрона именно в известное из эксперимента число раз; как определить из теории постоянную тонкой структуры a = 1/137 и ряд других постоянных и т. д. Другими словами, как ни грандиозны и впечатляющи достижения физики, нерешенных фундаментальных проблем предостаточно. Теория струн еще не ответила на подобные вопросы. Все, что в ней происходит, — это, скорее, «физнадежды», как любил говорить Л. Д. Ландау, а не результаты. Но чувствуется, что эта теория — нечто глубокое и развивающееся.