Барри Паркер - Мечта Эйнштейна. В поисках единой теории строения

Остаются необъяснёнными значения зарядов. Все окрашенные частицы имеют заряд, кратный 1/3 заряда электрона, а частицы, не имеющие цвета, – кратный единице. Почему в природе реализована именно такая возможность? Ответа теория не даёт. Остаётся невыясненной связь электрического заряда с цветом. Наконец, есть ли вообще связь между кварками и лептонами? Не принадлежат ли они к одному семейству?

Более фундаментальная теория не должна отменять нынешнюю; она может при определённых условиях выходить за рамки прежних теорий, так же как теория относительности не укладывается в пределы ньютоновой теории или квантовая механика выходит за пределы классической теории при движении в глубь атома. Поскольку нынешняя теория хорошо работает на расстояниях до 10 -16см, естественно ожидать, что более глубокая структура должна проявляться в меньших масштабах, иначе её можно было бы наблюдать и сейчас.

В последние несколько лет предпринимались активные попытки построения новой теории. При этом, естественно, ставилась цель найти простое семейство, содержащее меньше частиц, чем сейчас; тогда кварки и лептоны состояли бы из более фундаментальных частиц, а второе и третье поколения описывались бы как возбуждённые состояния. Такую теорию предложили в 1974 году Салам и Пати. Свои фундаментальные частицы они назвали преонами; из них можно строить все кварки и лептоны. Однако их теорию никак нельзя назвать удовлетворительной: в ней, в частности, требуется не одно, а три различных семейства частиц. Другую теорию, также не свободную от недостатков, предложил Хейн Харари; в ней фундаментальные частицы называются ришонами.

Если такой подход окажется плодотворным и на самом деле удастся найти одно семейство, а то и единственную фундаментальную обменную частицу, это несомненно поможет приблизиться к нашей цели – построению единой теории строения Вселенной. В следующей главе мы обратимся к рассмотрению современных теорий объединения микромира, базирующихся на предположении о том, что кварки и лептоны относятся к одному семейству частиц.

Мы только что описали две теории взаимодействий элементарных частиц: квантовую хромодинамику – теорию сильных взаимодействий и квантовую динамику электрослабых взаимодействий – единую теорию электромагнитных и слабых взаимодействий. Обе эти теории прекрасно согласуются с наблюдениями, обе являются калибровочными и каждая венчает многолетние труды. Естественно, возникает вопрос: нельзя ли их объединить? Следует подчеркнуть, что требуется объединить эти теории, не внося в них почти никаких изменений, а не создавать взамен новую теорию. По отдельности они работают превосходно, и нам совсем не хочется от них отказываться. Поскольку обе они калибровочные, объединяющая теория должна быть такой же.

Эти теории охватывают два семейства частиц: кварки и лептоны; кроме того, есть и семейство калибровочных частиц, являющихся переносчиками взаимодействий. Чтобы получить единую теорию, нужно объединить семейство кварков с семейством лептонов, т.е. показать, что они по сути идентичны (при каких-то условиях, не обязательно существующих сейчас), а также объединить калибровочные частицы.

Легко представить себе, какие трудности подстерегают учёных на этом пути. Известно, например, что лептоны взаимодействуют посредством электромагнитного и слабого полей. В частности, лептоны, в отличие от кварков, не взаимодействуют посредством сильного поля. При объединении обе частицы должны взаимодействовать одинаково.

Следовало бы показать, что два разных семейства на самом деле есть часть большой единой семьи. Для этого нужно иметь возможность превращать кварки в лептоны и наоборот, а это можно сделать, только введя новые частицы. Первую попытку создать теорию такого рода предприняли в 1973 году учёные Гарвардского университета Говард Джорджи и Шелдон Глэшоу. С тех пор многие занимались этой проблемой, но теория Джорджи-Глэшоу пока остаётся самой простой и самой удачной. Это пятимерная теория, в которой имеется пять фундаментальных частиц; подобно другим, она базируется на теории групп. Квантовая хромодинамика, к примеру, трёхмерна, и в ней фундаментальными частицами являются три цветных кварка. Теория Джорджи-Глэшоу называется теорией великого объединения; она основана на группе SU (5) – SU означает унитарную симметрию, цифра 5 соответствует числу измерений.