Вокруг Света: Журнал «Вокруг Света» № 1 за 2005 года (2772)

Физики до недавнего времени раздельно изучали материю в ее двух проявлениях – веществе и поле. Это было оправдано, поскольку частицы вещества и кванты поля обладают разными свойствами, ведут себя различным образом и имеют разные значения спина (от английского spin – вращение, квантовый аналог собственного момента вращения элементарной частицы, измеряется в единицах постоянной Планка (ђ=1,0546 .10 –34 Дж.с). Те элементарные частицы, из которых состоит вещество, имеют полуцелое значение спина и называются фермионами. Для них справедлив принцип Паули, согласно которому две одинаковые (или тождественные) частицы с полуцелым спином не могут находиться в одном и том же квантовом состоянии. Элементарные частицы, являющиеся квантами поля, имеют целый спин и называются бозонами. Принцип Паули на них не распространяется, и в одном и том же состоянии может находиться любое число таких частиц.

Согласно современным представлениям вещество состоит из кварков и лептонов (всего их 12 штук – 3 семейства по 4 частицы в каждом), описываемых фермионными квантовыми полями. Известны также четыре фундаментальных взаимодействия – гравитационное, электромагнитное, сильное, слабое, – которые описываются бозонными квантовыми полями.

Основы квантовой теории электромагнитного поля (квантовая электродинамика, КЭД) были заложены в конце 1920-х годов Полем Дираком. Свою современную форму квантовая электродинамика приобрела на рубеже 1940—1950-х годов в работах Ю. Швингера, С. Томонаги и Р. Фейнмана, удостоенных в 1965 году Нобелевской премии. Квантовая теория поля представляет собой логически последовательную основу для описания элементарных частиц и их фундаментальных взаимодействий.

В конце 1960-х годов была построена единая теория слабого и электромагнитного взаимодействий. В работах Ш. Глэшоу, С. Вайнберга и А. Салама, получивших Нобелевскую премию 1979 года, было показано, что электромагнитное и слабое взаимодействия могут быть объединены в электрослабое. Квантами (переносчиками) слабого взаимодействия выступают W + , W – и Z 0 – бозоны, называемые промежуточными векторными бозонами. Эти частицы, предсказанные теоретиками, были экспериментально открыты на ускорителе в ЦЕРНе только в 1983 году.

Квантовая теория сильного взаимодействия элементарных частиц, называемая квантовой хромодинамикой (КХД), возникла в начале 1970-х годов. Согласно КХД переносчиками сильных взаимодействий являются 8 глюонов. Кварки притягиваются, обмениваясь глюонами, и таким образом образуют адроны. В настоящее время известно несколько сотен адронов. Адроны с целым спином называют мезонами, а с полуцелым – барионами. Обычные мезоны состоят из пары кварк-антикварк, а барионы – из трех кварков. Недавно были открыты пентакварки – экзотические адроны, состоящие из пяти кварков.

В современной физике частицы взаимодействуют друг с другом посредством так называемых калибровочных полей, отвечающих симметриям конкретного взаимодействия. Можно сказать даже более определенно – всем известным типам сил соответствует та или иная симметрия. В настоящее время имеются теории всех четырех типов взаимодействия частиц, проверенные в экспериментах на ускорителях, в лабораториях и космическом пространстве. Квантовая теория калибровочных полей, называемая часто «Стандартной Моделью», в настоящее время является общепринятой основой для физики элементарных частиц. Хотя Стандартная Модель и описывает все явления, которые мы можем наблюдать с использованием современных ускорителей, все же многие вопросы пока остаются без ответа.

Одной из основных целей современной теоретической физики является единое описание окружающего нас мира. Например, специальная теория относительности объединила электричество и магнетизм в единую электромагнитную силу. Квантовая теория, предложенная в работах Глэшоу, Вайнберга и Салама, показала, что электромагнитное и слабое взаимодействия могут быть объединены в электрослабое. Так что есть все основания полагать, что все фундаментальные взаимодействия в конечном итоге объединятся. Если мы начнем сравнивать сильное и электрослабое взаимодействия, то нам придется уходить в области все больших энергий, пока они не сравняются по силе и не сольются в одно в районе энергий 10 16 ГэВ. Гравитация же присоединится к ним согласно Стандартной Модели при энергиях порядка 10 19 ГэВ. К сожалению, такие энергии сталкивающихся на ускорителях частиц не только не доступны в настоящее время, но и вряд ли будут доступны в обозримом будущем. Однако теоретические исследования по поиску единой теории всех фундаментальных взаимодействий идут полным ходом.