Электродинамическая картина мира

Выделение электромагнитного поля как вида материи наряду с вещественными макроскопическими телами привело к изменению представлений не только о структуре материи, но также о пространстве, времени и принципах взаимодействия. В оформившейся в 20-е гг. электродинамической картине мира онтологический принцип единства мира раскрывается через взаимосвязь Пространства - Времени - Материи.

Теоретическое основание электродинамической картины мира составили: электродинамика Максвелла, электромагнитная теория строения атома Э.Резерфорда (1911), специальная теория относительности А.Эйнштейна (1905), теория фотоэффекта, объясняющая излучение света на основании понятия квант - энергетической порции излучения, пропорциональной определенной длине волны.

В новой картине мира характеристика материи раскрывается через понятие поле. В отличие от дискретного вещества, поле как вид материи не обладает массой покоя и характеризуется непрерывностью. Спектр длин волн электромагнитного поля охватывает практически все наблюдаемые излучения, поэтому его характеристики принимаются за фундаментальные параметры материи. Наряду с полем в качестве исходной формы материи признаются: вещество и элементарные частицы - электрон, протон, нейтрон (открыт в 1932г. английским физиком Дж.Чэдвиком).

В электродинамической картине мира универсальный характер в описании мировых событий имеют: релятивистские законы движения, законы релятивистской динамики, закон эквивалентности массы и энергии. Универсальным принципом взаимодействия выступает близкодействие: любые взаимодействия передаются через поле (колебания поля, волны, флуктуации). Скорость распространения действия имеет предел, равный скорости распространения света.

Наряду с электромагнитными взаимодействиями признается фундаментальность гравитационных взаимодействий. Концептуальной

результат. Более точный опыт, проведенный повторно Майкельсоном совместно с Морли в 1887г., дал тот же результат. В 1932г. американские физики Рой Дж.Кеннеди и Эдвард М.Торндайк повторили опыт Майкельсона-Морли, усовершенствовав прибор таким образом, чтобы обнаружить разницу во времени прохождения света в двух направлениях и подтвердить новую теорию Фитцджеральда - Лоренца о сокращении движущегося предмета и замедлении времени под действием эфирного ветра. Согласно теории сокращения эфирный ветер давит на движущийся предмет, заставляя его сокращаться в размерах в направлении движения. Длина предмета в состоянии покоя будет больше на некоторую величину с учетом отношения v²/c², а время меньше. Наиболее точные опыты были выполнены в 1960 Чарльзом Таунсом (Колумбийский университет) с использованием мазера («атомных часов», основанных на колебании молекул). Никакого следа эфирного ветра не было обнаружено. См.: М. Гарднер. Теория относительности для миллионов. М.: URSS, 2010.

основой в описании единства взаимодействий выступает общая теория относительности А.Эйнштейна, в которой гравитационные взаимодействия сводятся к полевому принципу. Это была не первая попытка создания единой теории поля. В 1918-1921гг. теории единого поля на базе четырехмерных и пятимерных геометрий предложили Вейль, Калуца, Эддингтон, пытаясь найти адекватную математическую форму обобщенного описания электромагнитного и гравитационного полей. Эйнштейн продолжил эту математическую программу, развивая идею геометризации физического взаимодействия. Геометризация гравитации стала одним из принципов общей теории относительности. Согласно Эйнштейну, движение в поле тяготения не является результатом действия гравитационных сил, а представляет собой движение по инерции в искривленном неевклидовом пространстве. Кривизна пространства накладывает некоторое ограничение на самодвижение тел (понимаемое классической наукой как гравитация).¹²³

Новая картина мира отличается реляционной трактовкой пространства и времени (согласно которой пространство и время взаимосвязаны, относительны). Все события происходят в мировом четырехмерном пространственно-временном континууме. В космологии утверждается неразрывная взаимосвязь между пространством, временем и центром тяготения. Геометрия пространства-времени определяет мировые линии движения и зависит от величины гравитационных масс. Поэтому возможны пространства разной кривизны.

Проблемы электродинамической картины мира были связаны с объяснением строения атома. Выяснилось, что электромагнитных сил недостаточно для соединения и удержания вместе элементов ядра. Проблема строения материи вылилась в исследование элементарных частиц, которое привело к открытию микромира. Исследование поведения микрообъекта как элементарной частицы привело к представлению о двойственности ее природы.

Квантово-механическая картина мира складывается в 30-х годах XXв. Формирование новых обобщенных представлений о структуре материи вызвало открытие античастиц (П.Дирак - 1928, 1932) и нестабильных

123 Мамчур Е.А. Эйнштейн и современная эпистемология // Эйнштейн и перспективы развития науки. М., 2007. С.36-38. Эйнштейн, отмечает Е.А.Мамчур, расширил понятие «естественного движения», включив в него то, что ранее трактовалось как ускоренное движение под действием сил гравитации. В Галилей- Ньютоновской физике равномерное и прямолинейное (инерциальное) движение тел в евклидовом пространстве не нуждалось в силе, не требовало для своего объяснения апелляции к причинам. В физике Аристотеля естественным было движение к центру Земли (свободное падение). Распространение геометрического подхода на всю физику, по мысли Эйнштейна, позволило бы истолковать как

«естественные» и, следовательно, беспричинные все состояния движения. С.38.

элементов ядра с очень коротким сроком жизни – мезонов (Юкава – 1935). Теоретическим основанием новой физической картины мира, помимо квантовой механики (В.Гейзенберг - 1925),¹²⁴ выступили: квантово- механическая теория строения атома Н.Бора (1913), протонно-нейтронная теория строения атомного ядра (В.Гейзенберг, Д.Иваненко, И.Тамм - 1932).

В квантово-механической картине мира соединяются две крайние позиции во взгляде на природу материи: атомизм, утверждающий прерывность (дискретность) материи и полевая физика, утверждающая непрерывность (континуальность) материи. Ключевым понятием выступает квант – порция энергии.

Физическая реальность в квантово-механической картине предстает в виде резко разграниченных уровней макро- и микромира, которые различаются величиной скоростей, характером взаимодействий и описывающих их законов. Микроуровень материя характеризуется взаимным превращением элементарных частиц и излучений. Каждая элементарная частица имеет определенную длину волны, характеризуется непрерывностью (в виде волновой функции) и дискретностью (определенным размером).

Французский физик-теоретик Луи де Бройль показал, что при значительной массе частицы корпускулярные свойства преобладают. В этом случае ее физические свойства и характер движения соответствуют классической характеристике материальной точки. У субатомных частиц преобладают волновые свойства. С каждой движущейся микрочастицей он связал волну определенной длины. Размеры всех элементарных частиц сравнимы с длинами волн де Бройля, указывающими на порционное излучение энергии при взаимодействиях.

Теоретическое описание поведения элементарных частиц строится в соответствии с законами волновой квантовой механики, где фундаментальным параметром состояния выступает волновая функция. Движение микрочастиц кардинально отличается от движения макрообъектов, которое можно точно описать законами классической механики, зная скорости, координаты, импульсы. У элементарных частиц эти параметры неопределенны.

Язык описания микромира в квантово-механической картине определяется представлением о корпускулярно-волновом дуализме микрочастицы и принципом неопределенности (В.Гейзенберг), согласно

124 Первая формулировка квантовой механики в статье Вернера Гейзенберга (29 июля 1925г.) считается днем рождения нерелятивистской квантовой механики. Ей предшествовала старая квантовая теория, днем рождения которой считают 14 декабря 1900г. (доклад Макса Планка на заседании Немецкого физического общества, в котором он ввел постоянную h).

которому измерение (прибор) нарушает объективное течение событий, поэтому наблюдается разная ипостась элементарной микрочастицы.

Принцип причинности раскрывается через представление о фундаментальных физических взаимодействиях: гравитационных, электромагнитных, сильных, слабых. Два последних типа наблюдаются только в ядерных взаимодействиях. Под сильным взаимодействием понимают сцепление нуклонов (протонов и нейтронов) в ядре атома. Слабые взаимодействия распространяются в радиусе 10^-18м (что примерно в 1000 раз меньше размера ядра), их интенсивность слабее сильного и электромагнитного взаимодействия, но гораздо сильнее гравитационного. Первая теория слабого взаимодействия была разработана Энрико Ферми 1930-х годах.¹²⁵

Классификация обнаруженных микрочастиц ведется по типу взаимодействия, характерному для данной частицы (к концу 90-х гг. количество элементарных частиц и античастиц приближается к 400). Частицы и античастицы, сравнимые по своим параметрам с элементами ядра – протонами и нейтронами, были названы субатомными (доатомными) частицами. Подавляющее большинство субатомных частиц относится к адронам - тяжелым микрочастицам, вступающим в сильные взаимодействия. Их масса и размер сравнимы с массой и размером протона (m ≈ 1,6∙10^–24г; r ≈ 10^–23см). Группу слабо взаимодействующих частиц составляют лептоны – легкие микрочастицы, сравнимые по массе с электроном (0,9∙10^–27г). Слабое взаимодействие позволяет микрочастицам обмениваться энергией, электрическим зарядом и другими параметрами.

Квантовая механика дает теоретическое описание любого микрообъекта как некоторого статистического ансамбля. Волновое уравнение квантовой механики определяет лишь вероятность определенного положения частицы в каждый момент времени. Приоритет в физическом объяснении получает принцип статистической закономерности, который выражается на языке теории вероятностей. Неопределенность рассматривается в качестве фундаментальной характеристики физической реальности на микромира.

В квантово-механической картине мира утверждается принцип дополнительности, согласно которому адекватное описание микроявлений можно построить только как квантово-механическое, представляющее две взаимодополняющие фундаментальные теоретические модели микрообъекта (динамическую и волновую) с определенными ограничениями.

 

125 Л.Б Окунь. Слабое взаимодействие // Физическая энциклопедия. https://www.femto.com.ua/articles/part_2/3700.html

Следствием принципов дополнительности (Н.Бор) и неопределенности (В.Гейзенберг) стало изменение классического представления о характере закона, а также сомнение в объективности физического описания. Поскольку вмешательство исследователя влияет на исследуемую ситуацию, один и тот же опыт при повторении дает разные результаты. Позиция исследователя играет решающую роль в описании физического явления. Теоретическая картина явления природы становится неопределенной.

Одна из проблем квантово-механической картины мира связана с физической интерпретацией волновой функции, которая имеет значение основного параметра квантового поля и элементарной частицы. Сформулированное австрийским физиком Эрвином Шредингером в 1926г. волновое уравнение квантовой механики представляет собой особую запись закона сохранения полной энергии для корпускулы, но операторы дифференцирования по времени и по координатам применяются не к материальной точке, а к волновой функции. Шредингер стремился показать, что дискретное строение материи производно от ее волновой (непрерывной) структуры. Однако физический смысл волновой функции, которая выступает дополнительной (по отношению к импульсу) характеристикой в квантовом описании поведения микрочастиц, до конца не ясен.

 

Квантово-полевая картина мира складывается к концу XXв. на базе развития представления о квантовом поле, которое, с одной стороны, непрерывно (не имеет четкой пространственной локализации), с другой, - дискретно (характеризуется квантовыми уровнями энергии). Базовой теорией выступает квантовая теория поля - основной аппарат физики элементарных частиц, раскрывающий природу их взаимодействия и взаимопревращения. С точки зрения современной квантовой теории поле - физическая система с бесконечным числом степеней свободы, которая может проявляться в виде физического вакуума, электромагнитного поля, элементарных частиц и античастиц.

Новый уровень физической реальности представлен физическим вакуумом, с которым связывается низшее энергетическое состояние квантованного поля. Состояние физического вакуума характеризуется флуктуациями, в результате которых может происходить рождение виртуальных частиц. В возбужденном, неустойчивом состоянии физического вакуума такие частицы превращаются в реальные элементарные частицы, античастицы и излучение. Полагается, что квантовое поле физического

вакуума содержит волновые свертки электронов и позитронов с нулевыми значениями массы, заряда и спина. Главной характеристикой элементарной частицы выступает ее энергия, пропорциональная длине волны (E = hν). Поэтому в квантово-полевой картине мира элементарная частица суть квант поля – единичная волна.

Принцип структурного единства мира в квантово-полевой картине раскрывается представлением о лептонно-кварковом строении материи (Стандартная Модель элементарных частиц). Кварки - бесструктурный элемент, фиксируемый на уровне сильных ядерных взаимодействий. Косвенно экспериментальным путем обнаружены шесть типов кварков: u, d, s, c, b, t. В свободном состоянии кварки не наблюдались. 12 фундаментальных микрочастиц: 6 кварков (u,d,c,s,t,b) и 6 антикварков, - объясняют почти все многообразие элементарных частиц, за исключением легких частиц – лептонов, которые оказываются бесструктурным (неразложимым) элементом на уровне слабых взаимодействий. Лептоны и антилептоны (электроны, нейтрино и их античастицы) не выводятся из кварков и существуют параллельно.

В квантово-полевой картине мира утверждается активность материи на уровне взаимных превращений элементарных частиц и состояний квантовых полей. В предшествующих теоретических моделях мира (механической и электродинамической) материя сводилась к веществу с неизменным строением, неизменной массой тела или распространению электромагнитного поля. Происхождение материи, ее эволюция не рассматривались. В квантово- полевой картине мира идея всеобщей взаимосвязи явлений конкретизируется энергетической связью элементарной частицы с окружающими ее квантовыми полями. В представлении о флуктуациях квантовых полей, взаимных превращений прачастиц и излучений просматривается идея эволюции материального единства мира. Утверждается взаимосвязь разных уровней физических явлений: микромира элементарных частиц, квантовых полей и излучений, макромира визуально наблюдаемых физических явлений, мегамира, определенного космическими масштабами происходящих явлений. Однако проблему составляет само становление и взаимосвязь этих уровней физических явлений. Интерпретация квантовой механики и возможность сведения всех феноменов (и феномена жизни) к физическому описанию

(принцип физической редукции) – одна из важнейших вопросов физики в начале XXIв.¹²⁶

Проблемы квантово-полевой картины мира связаны с построением единой теории физических взаимодействий. В настоящее время построена и подтверждена единая теория электрослабых взаимодействий (С.Вайнберг, А.Салам, Ш.Глэшоу). Большую роль в создании единой теории электрослабых взаимодействий сыграл принцип симметрии. Ш.Глэшоу и Х.Джорджи (1974) сделали попытку объединения электромагнитных, слабых и сильных взаимодействий (Великое объединение). В отношении гравитационных взаимодействий высказано предположение о существовании элементарной частицы - гравитона.

Проблему в построении единой теории составляет объединение трех фундаментальных концепций современной физики:

- концепции о калибровочной природе взаимодействий, в основании которой лежит представление о фундаментальных симметриях,

- концепции о лептонно-кварковом строении вещества,

- концепции спонтанного нарушения симметрии физического вакуума.

Концепция спонтанного нарушения симметрии физического вакуума опирается на идею асимметричности вакуума, которая связывается с неустойчивостью, порождающей новые образования в виде полей и элементарных частиц. Развитие представлений о физическом вакууме, который в квантовой теории поля определяется как энергетическое состояние квантованного поля, энергия которого равна нулю только в среднем, привело к выявлению предполагаемых новых физических объектов. Хиггс выдвинул гипотезу о спонтанном нарушении симметрии вакуума и существовании вследствие этого вакуумного конденсата. Коллективное возбуждение Хиггсового конденсата порождает особые кванты (Хиггсовые бозоны), экспериментальное обнаружение которых составляет одну из задач физики элементарных частиц.¹²⁷

Проблемы Стандартной Модели элементарных частиц связаны с исследованием кварк–глюонного конденсата, конфайнмента (пленения – англ.) кварков, выяснением природы поколений известных частиц, а также

 

 

126 Гинзбург В.Л. Какие проблемы физики и астрофизики представляются особенно важными и интересными в начале XXI века? // Гинзбург В.Л. О науке, о себе и о других: статьи и выступления 3-е изд., дополненное. М.: Физматлит, 2003.

127 Латыпов Н.Н., Бейлин В.А., Верешков Г.М. Вакуум, элементарные частицы и Вселенная. М, 2001

причины сильного различия масс элементарных частиц и выделенного статуса нейтрино.¹²⁸

На данный момент фундаментальная структура материи на уровне микромира раскрывается через три составляющие: фермионы – частицы вещества со спином ½ (сводимые к бесструктурным кваркам и лептонам); векторные бозоны – частицы с целым спином (кванты полей); скалярные Хиггсовые бозоны – частицы с нулевым спином (ассоциируются с физическим вакуумом, который рассматривается как коллективное возбуждение скалярных бозонов). Выделены константы связи сильного, слабого, электромагнитного, гравитационного взаимодействий. Предполагается, что установленное соотношение эти констант характеризует настоящую эпоху развития Вселенной, но возможно существовала эпоха, когда оно было иным.

Концепция о калибровочной природе взаимодействий, развиваемая в современной физике, опирается на принцип локальной инвариантности, выделенный Эйнштейном в общей теории относительности. Согласно ОТО инвариантность физических законов достигается только относительно локальных изменений масштаба (калибровочных преобразований).

Первоначальное значение термина «калибровка» - изменение масштаба. В теории Эйнштейна однородность пространства (евклидово пространство) существует только локально. В глобальном плане должна существовать возможность изменения масштаба при переходе от одной точки пространства к другой, что означает кривизну траектории движения, отклонение ее от прямой линии. Роль гравитационного поля состоит в компенсации эффектов, связанных с изменением масштаба (т.е. вызванных калибровкой расстояний от точки к точке).

Калибровочный принцип рассматривается как новый подход к природе физических взаимодействий, который позволяет не постулировать форму взаимодействия, а выводить ее как результат требования инвариантности относительно групп определенных локальных преобразований, как способы, которыми в природе должно компенсироваться локальное калибровочное преобразование.¹²⁹ В основе этого подхода лежит представление о фундаментальной роли симметрии. В общем смысле симметрия — неизменность при каких-либо преобразованиях.

 

128 Есть экспериментальные данные, что нейтрино обладает малой массой (1~10 эВ), что в 10 тыс.раз меньше m_e и в 10 млрд.раз меньше самого тяжелого кварка. Там же.

129Концепции современного естествознания. Под ред.профессора С.И.Самыгина. Ростов н/Д: «Феникс», 2003. С.222-227

Принцип симметрии выделяет особенности поведения систем при различных преобразованиях. Принцип инвариантности связан с выделением из всей совокупности преобразований таких, которые оставляют неизменными некоторые функции, соответствующие рассматриваемым системам.

Слово симметрия (symmetria) имеет греческое происхождение и означает соразмерность. Научное определение симметрии принадлежит немецкому математику Герману Вейлю (1885-1955): под симметрией следует понимать неизменность (инвариантность) какого-либо объекта при преобразованиях определенного рода.¹³⁰ Можно сказать, что симметрия есть совокупность инвариантных свойств объекта. Например, кристалл может совмещаться с самим собой при определенных поворотах, отражениях, смещениях. Можно говорить об инвариантности функции, уравнения, оператора при тех или иных преобразованиях системы координат. Это в свою очередь позволяет применять категорию симметрии к законам физики.¹³¹

Например, закон всемирного тяготения гласит, что сила взаимного притяжения двух тел пропорциональна произведению их масс и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Следовательно, сила притяжения не зависит от положения этой пары в пространстве, а только от расстояния между телами. Это означает, что данный закон инвариантен относительно переноса или вращения этой пары тел в целом (или, с математической точки зрения, относительно переноса или вращения системы координат), что обеспечивается однородностью и изотропностью пространства. Такая переносная (трансляционная) симметрия является разновидностью пространственной симметрии. Менее очевидна инвариантность физических законов при переходе от одной системы отсчета к другой, движущейся относительно первой прямолинейно и равномерно. Однако эксперименты показывают, что невозможно установить, которая из этих систем отсчета покоится, а которая движется. Этот факт лег в основу специальной теории относительности, согласно которой физические законы должны быть инвариантны относительно преобразований Лоренца. Последние включают специальные преобразования не только координат, но и времени. Эту разновидность симметрии физических законов также можно отнести к разряду пространственно-временных, геометрических (имея в виду четырехмерную геометрию Минковского). В дальнейшем были открыты

130 Вейль Г. Симметрия. М.: Наука, 1968. (М.: Едиториал УРСС, 2003. -194с.)

131 Черепанов В.И. Симметрия и принципы инвариантности в физике // https://articles.excelion.ru/science/fizika/16065052.html. Э.Вигнер. Инвариантность и законы сохранения. Этюды

о симметрии. М.: Едиториал УРСС, 2002. Урманцев Ю.А. Симметрия природы и природа симметрии: Философские и естественнонаучные аспекты / Изд.2. – М.: КомКнига, 2006. – 232 с.

негеометрические (динамические) виды симметрий: перестановочная, калибровочная, унитарная.

Негеометрическая, перестановочная симметрия связана с инвариантностью уравнения Шредингера относительно перестановок одинаковых частиц. Швейцарский физик-теоретик Вольфганг Паули (1900- 1958) установил связь перестановочной симметрии со спином частиц (частицы с целым спином - бозоны, а с полуцелым – фермионы) и показал, что фермионы должны подчиняться принципу запрета: два фермиона не могут находиться в одном и том же состоянии. Принцип Паули - ключ к объяснению периодического закона Д.И.Менделеева. Если бы не выполнялся принцип Паули, то все электроны любого атома перешли бы в низшее по энергии 1s- состояние, что привело бы к потере того разнообразия химических свойств атомов, которое наблюдается в природе.

Калибровочная симметрия - общее название класса внутренней симметрии уравнений теории поля (симметрий, связанных со свойствами элементарных частиц, а не со свойствами пространства-времени). В физике четырем типам фундаментальных взаимодействий (сильному, электромагнитному, слабому, гравитационному) соответствует четыре класса элементарных частиц. Все известные физические взаимодействия (4 вида) имеют одну калибровочную природу. Каждому взаимодействию соответствует группа симметрий и законы сохранения, выступающие проявлением этих симметрий. Теорема Нетер показывает связь между симметрией и инвариантностью в преобразованиях.¹³²

Инвариантный подход в физике связан с принципом наименьшего действия. Минимизация действия в классической механике описывается уравнениями Лагранжа – Эйлера, которые показывают связь этого принципа с законами Ньютона. В конце XIXв. было показано, что уравнения Лагранжа – Эйлера согласуются с уравнениями Максвелла, описывающими электромагнитные взаимодействия, а функция Лагранжа остается неизменной

 

132 Инвариантный принцип построения теории относительности привлек внимание математиков, развивавших идею систематического применения групп симметрии к изучению конкретных геометрических объектов. В 1918г. Эмми Нетер доказала теорему, из которой следует, что если некоторая система инварианта относительно некоторого глобального преобразования, то для нее существует определенная сохраняющая величина, выявив особую роль принципов симметрии в построении физической теории. Этому предшествовало развитие в математике теоретико-инвариантного подхода, связывающего геометрию с теорией групп абстрактной алгебры («Эрлангенская программа» немецкого математика Феликса Клейна). Все разнообразие геометрических систем понималось с единой теоретико-инвариантной точки зрения. Следствием союза математики и физики стало развитие языка лагранжианов - аппарата математического анализа уравнения движения, исходя из принципа наименьшего действия. См.: Концепции современного естествознания. Под ред.профессора С.И.Самыгина. Ростов н/Д: «Феникс», 2003, С.223

(инвариантной) в преобразованиях движений в абстрактных пространствах большого числа измерений, следствием чего выступают законы сохранения.¹³³ Принципы симметрии не только помогают классификации квантовых состояний, установлению законов сохранения и правил запрета, но и обладают эвристической ценностью. С их помощью создаются новые теории, с одной стороны, описывающие явления микромира, а с другой - имеющие важные следствия для космологии. Развитие квантовой теории поля происходит по линии повышения симметрии, на которую опирается теория. Математической базой выступает теория «групп Ли». Группа симметрии в теории электромагнитного поля является подгруппой группы симметрии электрослабых взаимодействий, которая в свою очередь является подгруппой

группы симметрии Великого объединения.¹³⁴

Стремление к Великому объединению (3 видов фундаментальных взаимодействий: сильное, слабое и электромагнитное) требует дополнительных симметрий. Суперсимметрия предлагается как средство достижения Великого объединения. Основная идея суперсимметрии – некий способ (правила) объединения в пары фермионов и бозонов. Обычные группы симметрий «вращают» наборы бозонов среди них самим и фермионов также среди них самих, т.е. не «поворачивают» бозоны в фермионы или наоборот. Главная трудность в этой концепции связана с требованием существования для каждой элементарной частицы суперпартнера со спином, отличающимся от спина исходной частица на ½ ħ. Должен быть суперэлектрон со спином 0, суперкварк и т.д. Пока ни один из суперпартнеров не обнаружен. Объяснение состоит в том, что из-за наличия некоего механизма «нарушения суперсимметрии» (природа неизвестна) предполагаемые суперпартнеры должны иметь на много большую массу, чем соответствующие им частицы.¹³⁵

Различие внешних (геометрических) и внутренних симметрий составляет серьезную проблему в физике. На современном этапе обсуждается возможность сведения всех внутренних симметрий к геометрическим

133 Лагранжианы позволяют описывать новые поля, добавляя все необходимые члены взаимодействия. В современной физике новая теория неизменно представляется в виде некоторого лагранжева функционала. Трудности заключаются в том, что выбор лагранжиана часто оказывается неоднозначным: разные лагранжианы приводят к одним и тем же уравнениям поля. Физический смысл лагранжианов не всегда очевиден. Пенроуз Р., 2007. С.415-419

134Черепанов В.И. Симметрия и принципы инвариантности в физике // https://articles.excelion.ru/science/fizika/16065052.html

135 Идея суперсимметрии предполагает одинаковую величину констант связи, предположительно в тот момент эволюции Вселенной, когда ее температура имела значение 10²⁸К. В обычных условиях величины сил,

создаваемых сильным и слабым взаимодействием, различаются примерно в 10¹³ раз, константы связи не совпадают. Если ввести суперсимметрию, картина чудесным образом меняется. Однако между температурой 10²⁸К и 10¹⁴К, доступной современным ускорителям существует огромная энергетическая щель. Пенроуз Р., 2007. С.729

пространственно-временным симметриям. Поля (и частицы) рассматриваются как определенные геометрические объекты, которые адекватно описываются математической теорией расслоенных пространств. Слои определяются внутренними симметриями, связанными с обычным базовым Пространством- Временем. В искривленных базовых пространствах с каждой точкой сопоставляются слои, связанные друг с другом определенными отношениями («связностями»). Внутренняя симметрия, которая является группой симметрий слоя, порождает калибровочное поле (соотносимое с квантовыми объектами - бозонами).

Обобщенное описание физической реальности конкретизируется в представлении об исходном уровне материи в виде квантового поля с определенными энергетическими состояниями. Число и характер элементарных частиц и, в конечном счете, все многообразие дискретной материальной макросреды, которую мы наблюдаем, определяются состояниями квантового поля, трактуемого как расслоенное пространство. Калибровочные поля (например, электромагнитное поле, квант поля - фотон) описываются связностью расслоенных пространств. Поля, характерные для частиц-фермионов (например, электронов) описываются сечениями расслоенного пространства.¹³⁶

Определенные перспективы единой теории взаимодействий связываются с теорией струн, в основе которой лежит математическая идея Калуца - Клейна о внутренних размерностях, дополняющих базовое 4-мерное пространство-время до размерностей 26, 10. Образная аналогия - шланг, который в обычном мире является одномерным, но имеет внутренние размеры. Теория струн хорошо описывает процессы в физике адронов, сводя обменные процессы и обменные частицы к единой топологии (если рассматривать адроны не как точечные частицы, а как струны). Различные семейства элементарных частиц могут быть включены в эту картины как различные моды колебаний струн. В 1984г. Майкл Грин и Джон Шварц предложили схему, вводившую в теорию струн суперсимметрию (суперструна, вместо струны), что сократило размерность пространство- времени до 10, устраняло «тахионную проблему» (сверхсветовое распространение) и позволило рассматривать новые струны «гравитационного масштаба». Предполагаемая безмассовая частица со спином 2, возникающая как мода колебаний струн, отождествляется с гравитацией.

 

 

136 Латыпов Н.Н., Бейлин В.А., Верешков Г.М. Вакуум, элементарные частицы и Вселенная. М, 2001.

Теория струн предполагает соединить все элементарные частицы в единую схему. Возникающие при этом группы симметрии оказываются более обширными, чем в стандартной модели. Серьезную проблему составляет неоднозначность теории струн: существует пять совершенно разных возможных схем связи, устанавливаемой суперсимметрией между бозонными и фермионными модами колебаний струны. Соответственно имеется пять вариантов теории струн.¹³⁷

 

Идея эволюции в физической картине мира

 

В первой половине XXв. создаются новые эволюционные космологические модели, которые опираются на астрофизические исследования и расчеты в соответствии с общей теорией относительности. Космические объекты представляются в эволюционной космологии в качестве исторических образований. Фактами, подтверждающими эволюцию Вселенной, выступают:

- расширение Вселенной (в соответствии с обнаруженным красным смещением в спектрах удаленных космических объектов, открытым Э.П. Хабблом);

- преобладание вещества в структуре Вселенной (асимметрия между веществом и антивеществом);

- однородность и изотропность светящейся материи в масштабе расстояний 100 мегапарсек;

- существование реликтового фонового излучения;

- существование галактик и галактических скоплений, имеющих разный возраст; ячеистая структура Вселенной на метагалактическом уровне.

Попытки увязать идею эволюции и сохранение физического мира, для которого характерны фундаментальные мировые константы, привели к представлению о «тонкой подстройке Вселенной» и формулированию нефизического объясняющего принципа, декларирующего наличие взаимосвязи между параметрами Вселенной и существованием в ней разума, который получил название антропного принципа.

Термин «тонкая подстройка Вселенной» подчеркивает фундаментальное сохраняющее значение физических постоянных, калибровочных симметрий и определенной асимметрии физического вакуума (в качестве исходного состояния праматерии Вселенной). Содержание концепции тонкой подстройки

 

 

137 Пенроуз Р., 2007. С.757

определяется положением, что универсальные физические константы однозначно определяют (предопределяют) структуру нашей Вселенной.¹³⁸

Основанием концепции тонкой подстройки послужила численная взаимосвязь параметров микромира (постоянной Планка, заряда электрона, размера нуклона) и глобальных характеристик Вселенной (ее массы, размера, времени существования). Анализ возможных изменений основных физически параметров показал, что даже незначительное изменения мировых физических констант, приводит к невозможности существования нашей Вселенной в наблюдаемой форме и не совместимо с появлением в ней жизни.

В 30-х гг. Поль Дирак обратил внимание на взаимосвязь небольшого конечного числа фундаментальных постоянных и их производных, определяющих структурное основание и взаимодействия наблюдаемой Вселенной, а также на число 10⁴⁰, которым выражаются разные константы и их соотношения. Это число соответствует современному возрасту Вселенной в ядерных е