Фундаментальные взаимодействия и теория «Великого объединения»

В классической физике понятия вещества и поля резко дифференцированы и опираются на разные концепции. Понятие вещества опирается на корпускулярную научную программу, и вещество определяется, как система частиц – корпускул: атомов, ионов, молекул. Различают четыре агрегатных состояний вещества: газ, жидкость, твердое тело и плазма, которые относительно детально Вы изучили в рамках среднего (полного) общего образования. Понятие поля опирается на континуалисткую научную программу и определяется, как материальный носитель взаимодействий. Наиболее полно раскрыты классические свойства электромагнитного поля на основе введения контролируемых силовых характеристик электрического поля и магнитного поля . Макроскопические свойства электромагнитного поля описываются уравнениями Максвелла, физический смысл которых детально подтвержден экспериментом. Мы сформулируем физический смысл уравнений. Первое уравнение Максвелла () выражает закон создания магнитных полей () действием электрических токов () и переменных электрических полей (). Второе уравнение Максвелла () выражает закон создания вихревых электрических полей () действием переменных магнитных полей (). Математическая операция  указывает на наличие в каждой точке электромагнитного поля связанных между собой вихревых переменных магнитных () и электрических () полей. Уравнения, которые по образному выражению Л. Больцмана «рукой Максвелла начертал сам Бог», лежат в основе теории электромагнитных волн и, следовательно, в физических основах радио- и телекоммуникаций, в том числе и информационной системы Internet. Кроме того, из них следует, что скорость передачи электромагнитного взаимодействия не может превышать скорости света в вакууме с, т.е. полевая теория близкодействия, которая была затем распространена на все фундаментальные поля взаимодействий и сменила господствующую до конца XIX в. гипотезу дальнодействия.

В классической физике были известны всего два фундаментальных взаимодействия: гравитационное и электромагнитное, базирующееся на положении, следующем из уравнений Максвелла: электричество и магнетизм – две стороны одной и той же электромагнитной силы.

Гравитационное и электромагнитное взаимодействия получили физическое описание в фундаментальных силах соответствующих взаимодействий, выраженных как в корпускулярной форме взаимодействия гравитационных зарядов (точечных масс):  (закон всемирного тяготения И. Ньютона) и точечных электрических зарядов:   (закон Ш. Кулона), так и в полевой форме: , где - локальное значение напряжённости гравитационного поля, совпадающее на планете Земля с ускорением свободного падения;  = – обобщённая сила Лоренца.

В квантово-полевой физической исследовательской программе были открыты ещё два фундаментальных взаимодействия: сильное и слабое, а также исследованы основные сравнительные характеристики фундаментальных взаимодействий (см. схему 21).

Схема 21. Основные сравнительные характеристики фундаментальных взаимодействий.

В 1964 году была выдвинута М. Гелл-Манном гипотеза о том, что адроны не являются элементарными, а составными частицами, состоящими из фундаментальных элементарных частиц – кварков, а в 1967 году С. Вайнберг, Ш. Глэшоу и А. Салам показали, что электромагнитное и слабое взаимодействия представляют собой одно и то же взаимодействие (электрослабое), что было подтверждено в 1983 году экспериментально на ускорителе в ЦЕРН при энергии  Гэв.

Теория вводит дополнительные частицы (два разнозаряженных бозона  и , а также нейтральный бозон ) и новое поле особого типа (скалярное поле Хиггса). Эти открытия стимулировали теорию «Великого объединения» (ТВО) сильного и слабого взаимодействий, которые используют понятие единого калибровочного поля (единой теории элементарных частиц), а уровень будущих физических теорий строится на модели гипомира с соответствующими планковскими величинами. Структура ТВО отражена на схеме 22.

Схема 22. Структура теории «Великого объединения».

Сильное и слабое взаимодействия объединяются при очень высоких энергиях порядка  Гэв. Для подтверждения ТВО необходимо экспериментально обнаружить распад протона (время жизни протона более  лет (возраст Вселенной ~  лет).

Схема ТВО не включает объединения гравитационного взаимодействия с другими взаимодействиями из-за практически отсутствующего воздействия гравитации на интенсивность остальных взаимодействий и на ход реакций превращения элементарных частиц, хотя теоретические схемы такого «Сверхвеликого объединения» разрабатываются на основе объединения супергравитации с внутренней симметрией ОТО. Данная теория вводит частицы – переносчики со спином         (гравитоны) и частицы со спином   (гравитино). Важную роль в схемах такого объединения играет теория струн, а также новые представления о суперсимметрии, связывающей между собой бозоны (переносчики) и фермионы (кварки и лептоны). Объединение считается возможным при энергиях порядка  Гэв, что соответствует температуре  (такие условия соответствуют ранней стадии возникновения Вселенной).

Характерно, что будущая теория строится на трёх основных мировых константах:  - скорости распространения взаимодействия (и информации);  - гравитационной постоянной и  - постоянной Планка, которые задают и общую структуру разделов теоретической физики (см. схему 23).

Схема 23. Общая структура разделов теоретической физики.

С другой стороны, мировые константы определяют границы применимости современных физических теорий. Мы особое внимание уделим концептуальным основам физических теорий, опирающихся фактически на одну из мировых констант. При этом нам представляется важным к основным константам () добавить ещё одну мировую константу K Б = Дж /K – постоянную Больцмана, которую можно рассматривать как минимальную энтропию, т.е. как минимальную меру Хаоса, и связать с ней взаимопроникновение Порядка и Хаоса в равновесной термодинамике закрытых термодинамических систем, а тем более, в неравновесной термодинамике открытых диссипативных систем и структур.

Как мы уже отмечали, понятия системы, структуры, Хаоса и Порядка имеют принципиальное значение для всего общего естествознания.