2014-04-11

Новий погляд на природу елементарних частинок

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 Рейтинг 0.00 (0 голосів)

Струнний конденсат

Чи може виявитися так, що елементарні частинки - це лише коливання якогось середовища? У принципі, так, однак такі теорії повинні бути свідомо складнішими за просту ефірну гіпотезу. Успішна теорія такого типу була розроблена фізиками з Масачусетського технологічного інституту.

Одне з найкрасивіших, але рідко згадуваних досягнень фізики XX століття - відкриття квазічастинок. Квазічастинки - це колективні коливання деякого середовища, які ведуть себе так само, як справжні частинки з деякою масою. Класичний приклад - це звукова хвиля в твердому тілі. З одного боку, звук - це не що інше як спільне синхронне коливання безлічі атомів, але з іншого боку, його можна представити і як потік окремих квазічастинок - фононів, «квантів звуку». І тут виникає цілком природне запитання: а чи може виявитися так, що і звичайні частинки (електрони, протони, фотони) всього лише «колективні коливання» якоїсь особливої субстанції? Можливо є сенс повернутися до ідеї ефіру, але вже в новому обличчі?

Побудова такої теорії виявилося дуже важким завданням. Необхідно щоб з нової конструкції автоматично витікали закони теорії відносності та квантової механіки, щоб нова теорія не суперечила всій масі експериментальних фактів. На додаток до цього вкрай бажано, щоб ті властивості нашого світу, які в сучасній фізиці елементарних частинок приймаються за аксіоми, знайшли пояснення в новій «глибинній теорії». Ось найбільш важливі з цих аксіом:

Принцип тотожності: виявляється, дві частинки одного сорту (наприклад, два електрони) принципово неможливо розрізнити. Звідки ця властивість має витікати, невідомо.

Бозони і ферміони: у природі, виявляється, є два абсолютно різних типи частинок - бозони і ферміони, які відрізняються своїми властивостями симетрії. Чому природа не обмежилася лише одним типом часток, невідомо.

Калібрувальні взаємодії: всі сили між частинками є проявами особливих частинок - калібрувальних бозонів. Наприклад, електромагнітна взаємодія заряджених частинок описується як обмін фотонами. У принципі, можна побудувати теорію одних тільки частинок речовини, без калібрувальних бозонів, або одних тільки калібрувальних бозонів - без речовини. Але в природі вони чомусь співіснують разом, «зав'язані» один на одному.

Ситуація почала зсуватися з мертвої точки лише в останні десятиліття минулого століття у зв'язку з відкриттям топологічних збуджень в деяких системах. Такі збудження вже нагадували і ферміони, і калібрувальні бозони, однак спроби описати в цьому руслі і справжні електрони з фотонами залишалися довгий час незграбними. І лише кілька років тому, завдяки дослідженням Левіна (Michael Levin) і Вена (Xiao-Gang Wen), теоретиків з Масачусетського технологічного інституту, з'явилася перша працездатна теорія такого типу. У журналі Review of Modern Physics, який публікує оглядові статті з найбільш активних напрямків досліджень у фізиці, вийшла їхня стаття M. Levin and X.-G. Wen, Rev. Mod. Phys. 77, 871.

Підхід, запропонований Левіном і Веном, спирається на ідею квазічастинок і докорінно відрізняється від попередніх спроб «конструювання» відомих фундаментальних частинок. У їхній теорії такі частинки, як електрони і фотони, не складаються ні з чого більш дрібного, а є збудженнями нового об'єкта - струни. Ці струни зовсім не мікроскопічні, а скільки завгодно великого розміру; вони не мають відношення до мікроскопічних суперструн, та й «живуть» вони у звичайному, тривимірному просторі. Однак самі по собі ці струни не можна спостерігати через те, що вакуум у цій теорії (тобто стан якогось об’єму простору з найнижчою енергією) являє собою «струнний конденсат»: щільний заплутаний клубок замкнутих і взаємодіючих струн. У «спокійному» стані в ньому, образно кажучи, майже нічого не ворушиться, однак якщо десь виникло збудження, то воно може передаватися від однієї струни до іншої, вільно «подорожуючи» з цього клубочка.

Розвиваючи свою теорію струнного конденсату, американські фізики з'ясували, що відкриті кінці розірваної струни поводяться точнісінько так само як ферміони, а коливання, які поширюються струною, - як фотони. Причому це зіставлення - зовсім не «далека аналогія», а математично строге твердження. Автори довели, що відкриті кінці струни володіють ферміонною статистикою, коливання струни реалізують калібрувальну симетрію, а взаємодії між цими типами збурень теж мають всі властивості звичайних взаємодій електрона зі світлом.

У рамках цієї ж теорії, трохи змінивши властивості струн, можна описувати і кварки, а звідси вже недалеко і до всієї Стандартної моделі елементарних частинок. Підкреслимо, що в такому трактуванні багато властивостей елементарних частинок вже не є аксіомами, а випливають з властивостей струн. Включення в цю картину також і гравітації здається можливим, хоча поки що не до кінця зрозуміло, як саме це здійснити. Нагадаємо, що саме спробам (втім досі безуспішним) об'єднання гравітації з іншими взаємодіями присвячені тисячі статей, які щорічно публікуються у фізичних журналах. Не виключено, що новий підхід виявиться більш успішним.

За матеріалами elementy.ru.

Коментарі:

blog comments powered by Disqus