системы и законами сохранения: если свойства системы не меняются при каком-
либо преобразовании переменных, то этому соответствует сохранение некоторой
физической величины - независимости свойств системы от выбора начала
отсчета времени соответствует закон сохранения энергии. Однако, если теория
какого-либо физического явления еще не построена, те симметрии, которые
были открыты на опыте, имеют для построения теории большое значение. Отсюда
вполне понятна важность экспериментально установленных симметрий сильно
взаимодействующих элементарных частиц - адронов, теория которых еще не
построена.
В 1956 г. Г.Ли и Ч.Янг показали, что на самом деле законы физики не
совсем одинаковы для частиц и античастиц. Оказалось, что слабые
взаимодействия не подчиняются симметрии Р и симметрии С. Это означало, что
в результате слабого взаимодействия развитие Вселенной может быть иным, чем
развитие ее зеркального изображения, что Вселенная, состоящая из античастиц
будет вести себя иначе, чем наша Вселенная, состоящая из частиц. Была
надежда на то, что слабое взаимодействие должно все же подчиняться
комбинированной симметрии, т.е., иначе говоря развитие Вселенной должно
происходить так, как и развитие ее зеркального отражения, если, отразив
Вселенную в зеркале, заменить каждую частицу античастицей. Однако и эта
надежда рухнула, когда Д.Кронин и В.Фитч в 1964 г. обнаружили, что
нарушается и комбинированная (С Р) симметрия. (С - замена частицы
античастицей; Р - зеркальное отражение, когда левое и правое меняются
местами; Т - изменение направления движения всех частиц на обратное.) С Р Т
- теорема утверждала, что любая теория, подчиняющаяся принципам квантовой
механики и теории относительности, всегда должна быть инвариантна
относительно комбинированной симметрии С Р Т, т.е. поведение Вселенной не
изменится, если частицы заменить античастицами, отразить все в зеркале и
изменить направление времени на обратное. Результаты, которые получили
Д.Кронин и В.Фитч, свидетельствовали о том, что при замене частицы
античастицей, осуществлении зеркального отражения, но при сохранении
прежнего направления времени, законы физики должны измениться, т.е. они не
будут инвариантны относительно симметрии Т, следовательно, Вселенная будет
вести себя при этих условиях иначе.
Что из этого следует? По мнению С.Хокинга, по мере расширения Вселенной
под действием сил, не инвариантных относительно симметрии Т, антиэлектроны
должны превращаться в кварки чаще, чем электроны в антикварки. После того
как Вселенная расширилась и охлаждалась, антикварки и кварки должны были
аннигилировать. Но так как кварков было больше чем антикварков, то кварки
должны были остаться в каком-то небольшом избытке. Из этих то кварков и
состоит сегодняшнее вещество и мы сами. Поэтому само наше существование
можно рассматривать как качественное подтверждение теории великого
объединения. Последние не включают в себя гравитационного взаимодействия.
С.Хокинг считает это не столь существенным, т.к. гравитационными силами по
причине их незначительности можно пренебречь в случаях, когда мы имеем дело
с элементарными частицами или атомами. Вместе с тем важно учитывать тот
факт, что гравитационные силы являются дальнодействующими и проявляются как
силы притяжения, результаты их воздействия всегда суммируются. Отсюда
следует, что при наличии достаточного количества частиц вещества
гравитационные силы могут быть больше всех остальных. Поэтому эволюция
Вселенной определяется именно гравитацией.[21]
Сейчас можно говорить, что при взаимодействиях и превращениях
элементарных частиц действуют законны сохранения (т.е. законы, согласно
которым численные значения некоторых физических величин не изменяются с
течением времени при различных процессах) - как важнейшие, строгие из них
(законы сохранения энергии, импульса, момента количества движения), так и
приближенные, справедливые для определенного круга процессов (законы
сохранения лептонного заряда, барионного заряда, четности).
6. Концепции объединения физики
Единую полную теорию всего происходящего во Вселенной построить
невозможно, поэтому сначала создаются частные теории, объединяющие какие-то
части Вселенной. Надежды на создание непротиворечивой единой теории, в
которую войдут все частные теории, не оставляют физиков. Cоздание такой
теории принято называть объединением физики. Его созданию Эйнштейн
безуспешно отдал последние годы своей жизни. Но, отказавшись принять
реальность квантовой механики, ее принцип неопределенности как
фундаментальный принцип мироздания, он не смог достичь успех на этом
поприще.
С.Хокинг и другие физики-теоретики с оптимизмом (хотя и осторожным)
смотрят на возможность построения единой теории, завершающей поиски
окончательных законов природы.
Сейчас имеет место общая теория относительности, представляющая собой
частную теорию гравитации. Есть частные теории, описывающие слабые, сильные
и электромагнитные взаимодействия, - их можно объединить в теории великого
объединения. Но последняя физиками не признается удовлетворительной,
поскольку не включает гравитацию и содержит величины, которые не выводятся
теоретически, а подбираются путем их наилучшего согласия с экспериментом
(например, относительные массы разных частиц). Считается, что основной
трудностью построения теории, объединяющей гравитацию с другими силами,
является невключенность квантово-механического принципа неопределенности в
классическую общую теорию относительности. Поэтому исходным моментом
создания единой теории является объединение общей теории относительности и
принципа неопределенности квантовой механики. В результате этого
объединения черные дыры (см. раздел о концепциях астрономии) перестают быть
таковыми, исчезают сингулярности, Вселенная становится замкнутой и
безграничной. Но в этом случае возникают трудности, обусловленные тем, что,
в соответствии с принципом неопределенности, пространство должно быть
заполнено п(арами виртуальных частиц и античастиц, обладающих бесконечной
энергией и бесконечной массой. Создаваемое ими гравитационное притяжение
должно привести к сворачиванию Вселенной до бесконечно малых размеров.
Подобные парадоксы бесконечности обычно устраняются с помощью
перенормировки - процедуры введения новых бесконечностей для компенсации
старых. В частных теориях полученные с помощью перенормировки предсказания
согласуются с результатами наблюдений. В плане же создания полной теории
метод перенормировок не позволяет теоретически предсказывать действительные
значения масс и сил, поэтому их приходится подбирать подгонкой к
эксперименту. Есть лишь два числа, которые можно подгонять при включении
принципа неопределенности в общую теорию относительности. Это - величина
гравитационной силы и космологическая постоянная. Однако их изменения не
могут устранить бесконечность. Получается, что мы имеем теорию, в
соответствии с которой некоторые величины (например, кривизна пространства-
времени) являются бесконечными, хотя из изменений вытекает, что они
конечны. Поэтому для выхода из положения стали использовать так называемую
теорию супергравитации, которая бесконечности устраняла, хотя оставалось
сомнение в том, все ли бесконечности устранялись, а затем физики обратились
к теориям струн в которых прогнозировалось сокращение бесконечностей.[22]
С.Хокинг допускает три варианта ответа на вопрос, возможна ли единая
теория. Первый вариант: полная теория может быть сформулирована. Второй
вариант: единой полной теории нет, а есть лишь бесконечная
последовательность теорий, дающих все более точное описание Вселенной.
Третий вариант единой полной теории Вселенной не существует, события в
последней происходят произвольно и беспорядочно и не могут быть предсказаны
далее некоторого предела. Если ставить цель - найти систему законов, дающих
возможность предсказывать события в пределах точности, устанавливаемой
принципом неопределенности, то тем самым третий вариант исключается. Вторая
возможность, исходящая из существования бесконечной последовательности все
более точных теорий, согласуется с нашим опытом. Но последовательность все
более точных теорий при переходе к более высоким энергиям может иметь
предел. При каких-то энергиях и должна существовать единая теория
Вселенной. Столь высокие энергии могли возникнуть на ранних стадиях
развития Вселенной. Поэтому изучение ранней Вселенной может привести к
созданию полной единой теории.
Если бы полная единая теория оказалась математически непротиворечивой и
ее предсказания совпадали с опытом, то "этим завершилась бы длинная и
удивительная глава в истории интеллектуальной борьбы человечества за
познание Вселенной".[23] Но создание такой теории не означает, что мы
сможем предсказывать события вообще, ибо возможности предсказаний
ограничиваются, во-первых, принципом неопределенности и, во-вторых,
неумением находить точные решения описывающих теорию уравнений (а потому
необходима разработка приближенных методов, позволяющих предсказывать
результаты в реальных ситуациях).
До недавнего времени считалось, что Вселенная не изменяется со временем -
из того, что гравитационные силы являются всегда силами притяжения,
следует, что Вселенная должна либо расширяться, либо сжиматься. Из общей
теории относительности известно, что в прошлом было состояние с бесконечной
плотностью и большой взрыв, положивший начало отсчету времени. Если
Вселенная начнет сжиматься, то в будущем должно появиться еще одно
состояние с бесконечной плотностью произойдет большой хлопок, означающий
конец течения времени. В образовавшихся черных дырах возникнут
сингулярности, в которых законы перестанут действовать. (См. раздел
"Концепции астрономии").
При объединении квантовой механики и общей теории относительности может
возникнуть новая возможность, когда пространство и время образуют конечное
четырехмерное пространство без сингулярностей и границ. С помощью этой
возможности можно было бы объяснить однородность Вселенной в больших
масштабах и отклонения от однородности в меньших масштабах (галактики,
звезды, человеческие существа), а также существование наблюдаемых стрел
времени.
Предположим, что единая полная теория создана - это будет набор правил и
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27
