Космические числа: Единообразие в микромире

Возвращаясь к началу нашего беседы, возможно заявить, что загадки космоса и микромира пересекаются. Дабы изучить эти загадки, нам необходимо установить связи между тяготением (силой, которая господствует в громадных масштабах) и другими силами, каковые руководят отдельными частицами. Это дело все еще не завершено. Но разные силы и частицы в атома на данный момент представляются нам в полной мере согласованными.

В начале XIX в. Майкл Фарадей осознал, что электричество и магнетизм конкретно связаны: движущийся магнит формирует электрические токи, а движущийся электрический заряд, напротив, формирует магнитное поле. Эти правила легли в базу электромоторов и динамо-машин. В 1864 г. Джеймс Кларк Максвелл обрисовал открытия Фарадея в известных уравнениях, каковые высказывают, как изменяющееся электрическое поле формирует магнитное и напротив. В открытом пространстве эти уравнения имеют решения, при которых электрические и магнитные поля колеблются. Конкретно сочетанием таких полей и есть свет – это волна электрической и магнитной энергии (как и радиоволны, рентгеновские лучи и все другое, что мы на данный момент именуем электромагнитным спектром).

Так, мы видим две главные силы: электромагнетизм (понимаемый как единая сила) и тяготение. Кроме того Фарадей стремился найти общность между электромагнетизмом и тяготением, не смотря на то, что и понимал, что это преждевременно. Сто лет спустя Эйнштейн провел свои последние годы в отыскивании глубокой связи между этими двумя силами. Эти искания снова оказались напрасными. В действительности сейчас мы понимаем, что они были обречены, в силу того, что Эйнштейн не знал о работающих на маленьких расстояниях силах, каковые действуют в ядра атома: сильное либо ядерное сотрудничество, которое связывает совместно протоны и нейтроны в ядре атома (и определяет наше число ε); и не сильный сотрудничество, ответственное для радиоактивного распада и нейтрино. По паре неотёсанному точке зрения физика Абрахама Пайса, самого прославленного биографа великого ученого, Эйнштейн «мог с таким же успехом заниматься рыбалкой» в последние 30 лет своей жизни.

Сейчас трудность задачи пребывает в том, дабы объединить четыре силы: три, каковые руководят микромиром, – электромагнетизм, сильное и слабое взаимодействие  – и силу тяготения. Первый современный ход к их унификации связан с именами Шелдона Глэшоу и Стивена Вайнберга в Соединенных Штатах, Герарда ‘т Хоофта в Голландии и пакистанского физика Абдуса Салама. Результаты их работы продемонстрировали, что электрическая и магнитная силы (объединенные Максвеллом) сами по себе связаны, по-видимому, с совсем другой силой – так называемым не сильный сотрудничеством, ответственным для нейтрино и радиоактивности. В весьма ранней Вселенной эти силы были объединены в одну и начали различаться лишь по окончании того, как Вселенная остыла ниже критической температуры приблизительно 1015 градусов (что случилось, в то время, когда ее возраст составлял 10–12 секунд). Самые громадные ускорители смогут имитировать такие температуры, и Салам и Вайнберг взяли доказательства своей правоты, в то время, когда на протяжении опытов в CERN открыли новые частицы, существование которых они предсказывали.

В 1950-х и 1960-х гг. было открыто так много новых частиц (добавившихся к отлично привычным электронам, нейтронам и протонам), что казалось: ученые, занимающиеся физикой частиц, рискуют превратиться в «коллекционеров марок». Но в череде этих частиц обнаружилась система; субатомные частицы возможно было объединять в «семьи», подобно тому как атомы в периодической таблице Менделеева подразделяются на периоды и группы. В 1964 г. Мюррей Гелл-Ман и Джордж Цвейг, два американских физика, внесли предложение «кварковую модель». Кварки имеют заряд, составляющий 1/3 либо 2/3 от заряда электрона. Экспериментальную поддержку теории обеспечили Джером Фридман, Генри Кендалл и Ричард Тейлор, каковые применяли новейший линейный ускоритель в Стэнфорде, дабы бомбардировать протоны электронами. Ученые поняли, что электроны рассеиваются так, словно бы любой протон складывается из трех «точечных зарядов», содержащих соответственно 2/3, 2/3 и – 1/3 общего заряда. Однако один из неожиданных аспектов «кварковой модели» пребывает в том, что отдельный кварк вычленить никак запрещено, не смотря на то, что в протона кварки ведут себя как свободные частицы. (Все попытки найти частично заряженные частицы провалились.) В конце 1970-х гг. бо?льшая часть «зоопарка частиц» была растолкована в категориях 9 типов кварков.

Так называемая «стандартная модель», которая появилась в 1970-х гг., внесла в микромир потрясающий порядок. Электромагнитная сила и не сильный сотрудничество были объединены, а сильные либо ядерные силы были трактованы с точки зрения кварков, каковые скрепляет совместно еще одна частица называющиеся «глюон». Но никто не считал, что последнее слово в данной области сказано: количество элементарных частиц остается обескураживающе громадным, а уравнения все еще включают числа, каковые были выяснены экспериментальным методом и пока не обоснованы теорией. В частности, объяснение на базе глюонов не связано с конкретным значением силы ядерного сотрудничества, которое решающим образом проявляет себя в нашем основном числе ε = 0,007.

По окончании объединения электромагнитной силы и не сильный сотрудничества следующей целью начало добавить ядерную силу и так добиться так называемой «теории великого объединения» всех сил, управляющих физикой микромира (не смотря на то, что все эти теории пока что слишком мало «громадны», дабы включить в себя тяготение, это так же, как и прежде тяжёлая задача). Камень преткновения в том, что великое объединение, как полагают, имеет место при температуре 1028 градусов. Это в миллион миллионов раз выше, чем возможно достигнуть в ходе современных опытов, а дабы добиться требуемой энергии, потребуется ускоритель размером больше Нашей системы. Исходя из этого на Земле эти теории проверить весьма тяжело.

Их специфическое влияние на мир низких энергий имеет зачаточный темперамент: к примеру, протоны, главные составляющие всех звезд и планет, распадаются весьма медлительно – данный эффект будет серьёзен в отдаленном будущем, но на данный момент не имеет значения. Однако все было горячее 1028 градусов в первые 10–35 секунд по окончании Большого взрыва. Быть может, ранняя Вселенная была единственным местом, где была вероятна температура, требуемая для объединения сил. Данный «опыт» кончился более 10 млрд лет назад, но покинул ли он во Вселенной какие-то следы, наподобие того как гелий остался от первых нескольких мин. ее существования? По всей видимости, да: перевес вещества над антивеществом, быть может, был запечатлен на данной ультраранней стадии. Что куда более принципиально важно, громадный масштаб Вселенной и тот факт, что она по большому счету расширяется, возможно, был предопределен тем, что произошло в эти краткие первые мгновения.