ЛЕКЦИЯ 5. Строение вещества и концепции макроэффектов. Эволюция физической картины мира.

ЛЕКЦИЯ 5. Строение вещества и концепции макроэффектов.
Эволюция физической картины мира.
Вопросы:
1. Проявление структурных особенностей микромира в макроэффектах.
2. Развитие физики от натурфилософии до современных представлений
3. Классификация механик. Путь к единой теории.
4. Современная картина мира
Литература:
1. Горбачёв В.В. с.5 – 41;231 - 238
2. Найдыш В.М. Концепции современного естествознания: Учебник. – Изд. 3-е,
перераб. и доп. – М.: Альфа-М; ИНФРА-М, 2009. – С. 310 – 410
3.Грин Брайан. Элегантная Вселенная.Суперструны, скрытые размерности и
поиски окончательной теории: Пер. с англ., Под ред. В.О.Малышенко. Изд.3-е,
испр. – М.:Ком Книга, 2007. – 288 с.
4.Гриб, с.232-239; 241-244
К вопросу 1: электрический ток; сверхпроводимость (1911 г. -Г.КамерлингОннес, 1853-1956); эффект Черенкова (П.А.Черенков, 1904-1990; И.М.Франк,
1908-1990; И.Е.Тамм, 1895-1971; С.И.Вавилов,1891-1953); эффект Мейснера (1933,
В.Мейснер, Р.Оксенфельд, В.К.Аркадьев, 1884-1953)
Одним из удивительных следствий единства окружающего физического мира
является трансляция (передача) свойств, характерных для структурного уровня
микромира в виде целого ряда макроэффектов, проявляющихся на привычном человеку макроструктурном уровне.
Ярким примером такого рода трансляции свойств можно считать электрический ток, представляющий собой направленное движение электронов и других заряженных частиц. Благодаря одновременному согласованному действию огромного
числа заряженных частиц, удаётся реализовать макроэффект передачи электрической энергии.
Макроэффект
электропроводимости целиком определяется свойствами
микроструктурного уровня того или иного вещества.
Среди веществ различают проводники, полупроводники и диэлектрики.
При этом, несмотря на световую скорость распространения самого электромагнитного поля, собственная скорость движения заряженных частиц сравнительно
невелика и составляет, примерно, 10 см/с. Сравнительно небольшая скорость перемещения электронов в проводнике обусловлена большой плотностью проводящей
среды (металлов) и многочисленными столкновениями заряженных частиц с атомами кристаллической решётки. При этом кинетическая энергия этих частиц переходит в тепловую энергию и наблюдается макроэффект нагрева проводника. Степень
затрудненности движения электронов в той или иной среде трактуется как электрическое сопротивление.
В 1911 г. голландский физик Г.Камерлинг-Оннес (1853 – 1926 г.г.) открыл
удивительный макроэффект исчезновения электрического сопротивления ртути,
охлаждённой до температуры 4, 15 градусов по шкале Кельвина. В этой шкале абсолютный нуль находится на уровне -273.16 оС, являясь одной из фундаментальных
констант окружающего физического мира.
1
Г.Камерлинг-Оннес, основавший в Лейдене лабораторию сверхнизких температур, к моменту своего открытия был уже признанным авторитетом в области
криогенной техники, связанной с получением и хранением газов в жидком состоянии. В 1892 им был получен жидкий кислород, в 1906 г. – жидкий водород, в 1908 г.
– жидкий гелий. Самая низкая температура, достигнутая Камерлинг-Оннесом, лишь
на один градус была выше абсолютного нуля.
При явлении сверхпроводимости исчезновение электрического сопротивления происходит внезапно, скачкообразно, демонстрируя переход вещества в
другое состояние.
Макроэффект сверхпроводимости долгое время оставался необъяснимым феноменом. Поскольку полное исчезновение электрического сопротивления косвенно
свидетельствовало как бы и об исчезновении внутренней структуры вещества, что
само по себе невозможно с точки зрения накопления физического опыта.
Эффект пока был не объяснён, но круг веществ, способных превращаться в
сверхпроводники при близких к абсолютному нулю температурах постепенно расширялся. Вслед за ртутью сверхпроводящие свойства были обнаружены у ниобия,
свинца, ванадия, олова, алюминия, молибдена, титана и некоторых других металлов.
Приведённый порядок их перечисления соответствует постепенному снижению индивидуальной для каждого металла критической температуры сверхпроводимости (Ткр), при достижении которой в процессе охлаждения вещество превращается в сверхпроводник. Причём, протекание электрического тока в сверхпроводнике
происходит без каких - либо видимых потерь энергии и не сопровождается внутренним выделением тепла.
Объяснить макроэффект сверхпроводимости удалось лишь с позиций квантовой физики – образованием многочисленных электронных пар с противоположными значениями магнитного спинового квантового числа. Проходимость электронных пар сквозь атомную структуру вещества оказалась неизмеримо более высокой,
чем у единичных свободных электронов.
Таким образом, необычное поведение микрочастиц определяет аномальный
характер физического явления на макро уровне.
Хайке Камерлинг-Оннес работал на установке, на которой для получения небольшого количества жидкого гелия (Ткип. = 4,3 К) требовалось несколько дней.
А в нашей стране в 1934 г. П.Л.Капицей (1894 – 1984 г.г.) была создана
необычайно производительная установка для сжижения газов (турбодетандер), которая производила 2 л жидкого гелия в час.
В 1938 г. П.Л.Капица обнаружил необычайное уменьшение вязкости жидкого
гелия при охлаждении до 2,17 К (форма наз. гелий - 2) и назвал это явление сверхтекучестью.
В 1986 г. был синтезирован 4-х компонентный материал с Ткр  37 К. Затем, Ткр
удалось поднять до 20, 52, 70, 92 и даже 100 К. а в 1992 г. был синтезирован материал, переходящий в сверхпроводящее состояние при 120 К, когда сверхпроводимость
можно достичь не с помощью дорогостоящего гелия, а при использовании в сотни
раз более дешёвого жидкого азота Это явление назвали высокотемпературной
сверхпроводимостью. К числу высокотемпературных сверхпроводников относится,
в частности, четырёхкомпонентная система иттрий – барий – медь – кислород.
2
В 1933 г. немецкие физики В.Мейснер и Р.Оксенфельд сообщили об открытии
аномального взаимодействия сверхпроводящего вещества с магнитным полем. Данное явление, получившее в дальнейшем название эффекта Мейснера, заключается
во взаимоисключающем взаимодействии сверхпроводимости и магнитной проницаемости:
если вещество охлаждено до появления у него свойства сверхпроводимости,
то магнитное поле в нём отсутствует и наоборот, если повысить напряжённость
внешнего магнитного поля до некоторого критического значения Вкр., то при сохранении неизменно низкой температуры скачкообразно и полностью исчезает свойство сверхпроводимости вещества.
Следовательно, выход хотя бы одного из указанных физических параметров Ткр и Вкр за пределы критических значений мгновенно разрушает образовавшиеся
электронные пары, переводя сверхпроводник в обычное состояние.
Эффект Мейснера лежит в основе физического опыта, осуществлённого в
1945 г. росс. учёным В.К. Аркадьевым (1884 – 1953 г.г.) и, на первый взгляд, совершенно нереальном в земных условиях.
Опыт Аркадьева по сверхпроводимости
Свинцовая чаша с жидким гелием находится в сверхпроводимом состоянии.
При движении магнита к чаше в ней возникают вихревые токи, которые противодействуют падению магнита. Пока чаша находится в сверхпроводимом состоянии,
магнитное поле вихревых токов поддерживает магнит и он “парит” над чашей.
Областью практического использования такого рода земной невесомости а
перспективе могут быть транспортные системы, перемещающиеся практически без
трения над сверхпроводящей средой. Основная сложность – в больших энергозатратах при поддержании сверхпроводящего состояния.
Другим макроэффектом, целиком обязанным своим существованием особенностям микроструктурного уровня, является полупроводимость.
Полупроводники – кремний, германий, теллур – занимают промежуточное
положение между проводниками и изоляторами, проявляя в зависимости от внешних условий свойства первых или вторых. Подобный двойственный характер электропроводимости является уникальным, а вещества – стратегически важными, т.к.
являются основой всей современной электронной и компьютерной техники.
Первое устройство, основанное на полупроводимости германия было создано усилиями американстких учёных, Нобелевских лауреатов Д.Бардина, В.Браттана,
У.Шокли и получило название транзисторы. Дальнейшее стремление к минитюаризации полупроводниковых устройств привело к созданию и быстрому совершенствованию интегральных микросхем, где макроэффект полупроводимости как бы
переводится обратно на микроуровень за счёт использования новейших технологических достижений.
В 1932 г. под руководством академика С.И.Вавилова Павел Алексеевич Черенков (1904 – 1990 г.г.) начал исследование свечения, возникающего при поглощении растворами излучения высокой энергии (например, излучения радиоактивных
веществ). Ему удалось доказать, что почти во всех случаях свечение вызывали известные причины, такие как флуоресценция. При флуоресценции падающая энергия
возбуждает атомы или молекулы до высоких энергетических состояний из которых
они быстро возвращаются в своё исходное состояние, на более низкие энергетиче3
ские уровни. Разность энергий более высокого и низкого энергетических состояний
выделяется в виде единицы излучения – кванта, частота которого пропорциональна
поглощённой энергии.
Поскольку разности энергетических уровней атомов или молекул обычно отличаются от энергии падающего излучения, эмиссия (излучение) из поглощающего вещества имеет другую, более низкую, частоту, чем частота вызвавшего её излучения.
Черенков обнаружил, что  - лучи, испускаемые радием, обладающие большей энергией и. следовательно, частотой, чем рентгеновские лучи, дают слабое голубое свечение в жидкости. Тогда этот факт не имел удовлетворительного объяснения.
Тщательно разработанные и поставленные Черенковым опыты послужили основой
для создания Ильёй Михайловичем Франком (1908 – 1990 г.г.) и Игорем Евгеньевичем Таммом (1895 – 1971 г.г.) теории, давшей математическое истолкование голубого свечения, ныне известного как эффект Вавилова – Черенкова.
Согласно этой теории  - квант поглощается электроном в жидкой среде, в результате чего электрон выбивается из родительского атома. При достаточной энергии возбуждающего луча, выбитый электрон вылетает с очень большой скоростью. Замечательным выводом Франка и Тамма было то, что излучение Черенкова возникает тогда, когда электрон движется со скоростью большей скорости света.
Фундаментальный постулат А.Эйнштейна носит относительный характер и справедлив только для скорости света в вакууме. В веществах, подобных жидкостям или
стёклам, свет движется с меньшей скоростью, а электроны, выбитые из атомов, могут двигаться быстрее света, если падающие  - лучи обладают достаточной энергией. Эффект Черенкова имеет многочисленное применение в физике частиц высокой
энергии, связан с физикой плазмы, астрофизикой, проблемой генерирования радиоволн и с проблемой ускорения частиц.
В 1958 г. Черенков, совместно с Таммом и Франком, был удостоен Нобелевской
премии.
Ещё одним замечательным макроэффектом, открытием которого ознаменовался последний век 2-го тысячелетия, по праву считается лазерное излучение, представляющее собой узко направленный поток электромагнитных квантов, фотонов и теоретически предсказанное ещё А. Эйнштейном в 1916 г.
Практическая реализация квантовых генераторов была начата с 1953 года будущими
Нобелевскими лауреатами Н.Г.Басовым, А.М.Прохоровым и амр. Ч.Х.Таунсом мазеры (Microwave Applification by Stimulated Emission of Radiation).
В 1960 г. Теодор Мейман создал лазер (Light Applification by Stimulated Emission of
Radiation), как устройство генерирующее видимое узконаправленное излучение, которое работало на основе кристалла рубина.
Принципиальная идея лазерного излучения заключается в приведении атомов какого – либо вещества в энергетически перенасыщенное метастабильное состояние, при
котором электроны располагаются на максимально возможном для них энергетическом уровне («накачка»). Появление в такой среде кванта энергии определённой частоты вызывает массовый переход электронов на более низкий энергетический уровень, сопровождающийся лавинообразным вынужденным выделением электромагнитных квантов энергии с той же частотой, что и первичный «спусковой» квант. В
результате образуется кратковременный энергетический импульс, многократное и
быстрое повторение которого сливается в узконаправленный луч с высокой концен4
трацией энергии. Наибольшая излучаемая мощность достигнута в лазерах, где рабочим веществом является СО2.
Указанный принцип реализации макроэффекта лазерного излучения основан на
концепциях, разработанных в физике микромира.
Рассмотрим ещё один макроэффект – состояние электронно-ядерного газа – плазма
Состояние плазмы возникает в том случае, если на вещество в газообразном состоянии действуют сильные ионизирующие факторы – сверхвысокие температуры (несколько миллионов градусов), мощные электрические разряды или электромагнитное излучение. При этом происходит разрушение молекул и атомов и превращение
их в смесь, состоящую из положительно заряженных ядер и электронов. движущихся с колоссальными скоростями. По этой причине плазму иногда называют электронно-ядерным газом.
Различают два вида плазмы: изотермическую и газоразрядную.
Изотермическая плазма (высокие Т) – термическая диссоциация атомов вещества,
может существовать неограниченно долгое время. Такой вид плазмы представляет
собой вещество звёзд и шаровых молний. Ионосфера Земли – это тоже особая разновидность плазмы – ионизация здесь происходит под влиянием УФ – излучения
Солнца. Изотермическая плазма играет исключительно важную роль в космических
процессах.
Газоразрядная плазма образуется при электрическом разряде и устойчива только
при наличии электрического поля. При прекращении его действия газоразрядная
плазма исчезает в течение 10-5 – 10-4 с.
Одним из замечательных свойств плазмы является её электрическая проводимость.
Через плазму можно пропускать токи в сотни тысяч и миллионы ампер. При пропускании через плазму таких токов можно поднять её температуру до сотен миллионов градусов и давление до десятка гигапаскалей (109). Подобные условия, как известно, близки к проведению термоядерных реакций синтеза, при которых можно
получать колоссальные количества энергии. При синтезе более тяжёлых ядер из
лёгких возникает такой мощный источник тепловой энергии, что её количество
можно контролировать только количеством затраченного или полученного материала (сущность управляемого термоядерного синтеза).
Синтез ядер осуществляется при Т  50 млн К.
Электрический ток создаёт сильное магнитное поле, которое сжимает плазму в
«плазменный шнур», изолированный от стенок реактора. Сильное сжатие плазмы
под действием электрического поля называют Пинч – эффектом.
К вопросу 2. Эволюция физики: истоки от Фалеса, Лукреция, Демокрита, Архимеда,
Гераклита, Аристотеля
от Демокрита – учение о материи - получило развитие в 19 веке с появлением
атомной теории Д. Дальтона в 1803 – 1808 г.г.; молекулярной теории А. Авогадро
1811 – 1860 г.г. к периодическому закону Д.И. Менделеева в 1869 г.; теориям строения атома Дж.Дж.Томсона, Н. Бора, Э. Резерфорда, квантовой теории М. Борна, Л.де
Бройля, В. Гейзенберга, Э. Шрёдингера;
от Лукреция - волновая физика- в 1637 г. геометрическая оптика Р.Декарта, в
1704 г. корпускулярная теория света И.Ньютона, в 1815 г. сложное строение белого
5
света (разложение света) Френеля, 1873 г. электромагнитная природа света от Д.К.
Максвелла, 1887 г. - фотоэлектричество Г.Герца, 1895 г. В.Рентген Х-лучи;
от Фалеса – электричество и магнетизм – в 1786 г. закон О.Кулона, в 1800 г.
элемент А.Вольта, в 1819 г. эксперимент Х.Эрстеда, 1826 – 1826 г.г. законы токов
А.Ампера, 1831 г. закон магнитной индукции М.Фарадея, 1873 г. теория электромагнетизма Д.К.Максвелла, 1881-1887 г. открытие электрона Дж.Дж.Томсоном;
от Архимеда – механика- 1590 г. Г.Галилей, 1643 г. опыт Торричелли, 1687 г. закон
всемирного тяготения И.Ньютона, 1738 г. гидродинамика Бернулли, 1832 г. силы
Кориолиса, 1851 – маятник Фуко, гироскоп, 1881 – 1887 г.г. эксперимент Майкельсона – Морли.; кроме того – излучение – 1815 г. линии Фраунгофера, 1858 – катодные лучи, 1859 г. Л. Кирхгофф и П. Бунзен – спектральный анализ, 1879 г. излучение чёрного тела Стефана – Больцмана, 1893 г. закон смещения Л.Вина и статистическая физика, которая берёт начало от 1687 г. с паровой машины Д.Папина и в
1769 г. – Дж. Уатта, в 1802 г. газовые законы Ж.Л. Гей – Люссака, в 1822 г. принцип
Карно, 1843 г. первый закон термодинамики Ю. Майера, 1840 – 1850 г.г. Д.Джоуль,
1852 г. абсолютная шкала температур В.Томсона (лорд Кельвин), 1857 г. Клаузиус –
кинетическая теория газов, 1859 г. статистика Д.К.Максвелла, 1865 г. А.Лошмидт
определил число, названное постоянной Авогадро, 1872 – 1877 г.г. Л.Больцман получил фундаментальное уравнение статистической физики – уравнение Больцмана.
Если в XVIII в. в физике (за исключением механики) господствовал эксперимент, так что физику определяли как науку «о всем том, что через опыты познать
можно», то в XIX в. картина начинает меняться. Экспериментальная физика продолжает господствовать над теоретической, и редактор ведущего физического
журнала «Annalen der Physik» Поггендорф, будучи сам экспериментатором, тщательно заботится о том, чтобы на страницы журнала не попала «метафизика».
Но уже волновая оптика Юнга и Френеля представляла собой, кроме совокупности изящных и остроумных опытов, стройную теоретическую систему, позволившую Гамильтону предсказать тонкое, трудно наблюдаемое явление конической
рефракции.
Электростатика и магнитостатика в руках Гаусса и Грина развивались по образцу ньютоновской теории тяготения, и ее основные результаты и поныне входят в
курсы теоретической физики.
Электродинамика Ампера позволяла надеяться, что аналогичная математическая
теория будет разработана и для электромагнетизма. Но великие открытия Фарадея
спутали все карты, и, хотя поиски обобщающего закона не прекращались, в электродинамике до Максвелла господствовал идейный разброд.
Куб соотношений фундаментальных физических теорий: путь к единой теории
6
4 QM
7
RQM
6
GRGM
QGM
8
1/C
1
RM
M
GM
2
G
RGM
3
5
М –первая фундаментальная физическая теория - классическая ньютоновская
механика, не содержащая никаких универсальных мировых постоянных;
Основой является механика Галилея и плоскостная геометрия Евклида.
Напомним основные принципы, сформулированные Галилеем: закон инерции или
1 аксиома: тело либо находится в состоянии покоя, либо движется, не изменяя
направления и скорости своего движения, если на него не производится какоголибо внешнего воздействия.
2 аксиома: свободно падающее тело движется с постоянным ускорением.
3 аксиома: скорость свободного падения тел не зависит от их массы.
4 аксиома: во всех инерциальных системах законы механики одни и те же
(принцип относительности).
GM - вторая фундаментальная физическая теория классическая ньютоновская
гравитационная механика с законом всемирного тяготения, содержит ньютоновскую
универсальную мировую гравитационную постоянную
G = 6,67210-11 м3/(кгс2)
К числу физических законов Ньютона относятся следующие:
7
1.Закон инерции (принцип инерции Галилея).
2.Закон влияния действующей силы F и инерционной массы mинерц физического объекта на получаемое ускорение a:
a
F
mинерц
3.Закон равенства сил действия и противодействия
4.Закон всемирного тяготения, устанавливающий зависимость сил гравитационного взаимодействия между физическими объектами от их гравитационных
масс и квадрата расстояния между ними:
mгр1 mгр 2
F G
r2
Как видно, гравитация первым из 4-х видов взаимодействий стала предметом научного исследования и обладает рядом особенностей, резко отличающих её от других
фундаментальных взаимодействий. Гравитационное взаимодействие в 1039 раз
меньше силы взаимодействия электрических зарядов. Поэтому в описании свойств и
взаимодействий элементарных частиц оно обычно не учитывается. Квант гравитационного взаимодействия – гравитон экспериментально пока не обнаружен. Гравитационное взаимодействие универсально и является дальнодействующей силой
Природы. Благодаря дальнодействию гравитация не позволяет Вселенной развалиться на части: она удерживает планеты на орбитах, звёздные системы в галактиках, галактики в скоплениях, скопления в сверхскоплениях галактик.
Сила гравитации между частицами всегда представляет собой силу притяжения.
Правда, в современной науке получены данные о возможном существовании всемирного антитяготения, которое определяет ускорение расширения Вселенной. Но
природа антитяготения пока не выяснена.
RM – третья фундаментальная физическая теория релятивистская механика,
объединившая электродинамику Максвелла и, связанную с ней специальную теорию
относительности Эйнштейна; содержит в качестве универсальной мировой константы скорость света в пустоте с– предельную физическую возможную скорость
распространения физических воздействий
с = 2,99795108 м/с
Релятивистская механика – продукт специальной теории относительности, основанной на двух постулатах: 1. Принципе относительности Галилея и
2. Постоянстве скорости света в пустоте
QM - четвёртая фундаментальная физическая теория – инициированная квантовыми постулатами Н.Бора квантовая механика, содержащая в качестве универсальной мировой константы постоянную Планка h – минимально возможный физически квант действия
h = 4,1410-15 эВс = 6,626210-34 Джс
квантовая механика в настоящее время является теоретической основой химии. Это
вполне законченная и непротиворечивая теория, применимая к описанию систем с
8
неизменным числом частиц, взаимодействие между которыми осуществляется на
расстоянии мгновенно (принцип дальнодействия).
RGM – пятая фундаментальная физическая теория – релятивистская гравитационная механика, содержащая универсальные мировые константы с и G. Это - детище общей теории относительности, основанное на криволинейных геометриях
RQM - шестая фундаментальная физическая теория – релятивистская квантовая
механика, содержащая универсальные мировые константы с и h. В области релятивистских процессов принцип дальнодействия несправедлив. Согласно СТО любое
взаимодействие распространяется (передаётся) с конечной скоростью. Понадобилась среда (агент), передающий это взаимодействие. Теория, которая обобщает
квантовую механику и описывает квантово-релятивистские процессы является квантовой теорией поля, учитывающая принципы квантовой механики и СТО. Первые
попытки релятивистского обобщения квантово-механических закономерностей
предпринял П.Дирак (предсказал в 1931 г. существование античастицы электрона –
позитрона, обнаруженного в космических лучах уже в 1932 г.) Квантовая теория
поля базируется на принципе квантово- волнового дуализма, т.е. существовании
волновых свойств у всех частиц и дискретных свойств у всех полей. На основании
квантовой теории поля построена стандартная модель элементарных частиц и обосновано существование виртуальных частиц.
QGM - седьмая фундаментальная физическая теория – квантовая гравитационная механика, содержащая универсальные мировые константы с и G и объединяющая квантовую механику с ОТО.
QRGM - восьмая фундаментальная физическая теория должна стать последней
теорией (Теорией Великого Объединения) – искомая квантовая релятивистская гравитационная механика, содержащая все три универсальные мировые константы h, с
и G.
 = h/2 = 0,67206 10-34 Джс
Планковские параметры:
G )1 / 2 = 1,290010-35 м
c3
G )1 / 2 = 0,4304510-43с
p = (
c5
lp= (
с = 2,99795108 м/с
Моделями Великого объединения называются уже полученные модели единым образом описывающие три (сильное, слабое и электромагнитное) из 4-х фундаментальных взаимодействий.
Так, константы электрослабого и сильного взаимодействий при переходе к малым
расстояниям (т.е. к высоким энергиям) становятся равными друг другу при одной и
9
той же энергии, которую назвали энергией объединения. Она составляет, примерно,
1014 – 1016 ГэВ и ей соответствует расстояние 10-29 см.
При энергии большей, чем 1014 – 1016 ГэВ или на расстояниях меньших, чем 10-29 см,
сильное, слабое и электромагнитное взаимодействия описываются единой константой, т.е. имеют общую природу.
Теоретические схемы, в рамках которых объединяются все известные типы взаимодействий – сильное, слабое, электромагнитное и гравитационное – называются моделями супергравитации. Супергравитация – это суперсимметричное обобщение
теории тяготения, а суперсимметрия – это общая симметрия, позволяющая связать
поля, кванты которых характеризуют целочисленным спином (бозоны) с полями,
кванты которых имеют полуцелый спин (фермионы). Суперсимметрия – это дополнение известных и применившихся в квантовой теории поля физических симметрий за счёт введения ещё одной симметрии относительно такой квантовой характеристики, как спин. Она обеспечивает теоретическое моделирование единства
частиц переносчиков взаимодействий и частиц из которых состоит вещественная
материя.
С созданием теории супергравитации возможно будет получить ответы на ключевые
вопросы, складывающиеся в системе современной физической картины мира, такие
как, например: почему наше пространство трёхмерно, а время одномерно? Почему
мы имеем дело с 4-мя взаимодействиями и сколько их существует на самом деле?
Чем обусловлен именно такой набор элементарных частиц и чем определяются их
массы? Почему мировые константы имеют именно такие, а не другие значения?
Почему в Природе существует элементарный электрический заряд и от чего зависит
его величина?
В рамках этой модели возникает необходимость обоснования физики геометрией.
Например, необходимость представления калибровочных полей как геометрических
симметрий, связанных с дополнительными измерениями пространства.
Это возвращает к использованию идей о многомерности нашего мира и появлению
новой (нестандартной) модели элементарных частиц, получившей название теории
суперструн.
Теория суперструн – новейшее направление в физике элементарных частиц, сформировавшееся в 70-х г.г. ХХ столетия и находящееся в процессе развития. Теория
суперструн объединяет в единую систему теорию тяготения, идею суперсиметрии
и идею многомерной геометрии мира и иногда называется многомерной супергравитацией.
Теория суперструн изменяет исходную абстракцию стандартной модели элементарных частиц, где образ элементарной частицы выступает в виде точечного образования, лишённого внутренней структуры.
Однако эти представления не позволяют разрешить проблемы квантовой теории тяготения и обеспечить квантование гравитации.
В теории суперструн элементарные частицы рассматриваются не как точечные
образования, а как одномерные вибрирующие, колеблющиеся струны. Они либо
свёрнуты в петли, либо представляют собой незамкнутые отрезки. Такие струны не
имеют толщины, а длина их находится в пределах планковских размеров (≈10 -33 см).
Согласно теории суперструн, каждая элементарная частица представляет собой
отдельную струну, а характеристики элементарных частиц и полей порождаются
10
определёнными конфигурациями резонансных колебаний (модами). Электрон представляет собой одну моду колебаний, а фотон – другую. Масса элементарной частицы определяется энергией колебаний струны этой частицы. Взаимодействия элементарных частиц порождаются взаимодействием между колеблющимися струнами
(распады и слияния струнных петель). Колебанием и взаимодействием струн можно
объяснить природу всех известных нам элементарных частиц, их взаимодействий,
физических полей, структуру пространства – времени и др. Благодаря конечности
размера струн, квантовые флуктуации перестают быть препятствием для объединения релятивистского и квантового описаний.
Теория суперструн включает в единое описание частиц и полей гравитационное
взаимодействие, разрешая тем самым сложнейшую проблему квантования гравитации.
Из теории суперструн следует несколько важных выводов:
- число элементарных частиц бесконечно, как бесконечно число резонансных мод
колебаний струн;
- возможны новые фундаментальные физические взаимодействия, реализуемые полями с небольшой интенсивностью и большим дальнодействием;
- многие процессы в астрофизике и космологии можно интерпретировать по новому.
Развитие математического аппарата теории суперструн показало, что она не только
допускает возможность существования дополнительных измерений во Вселенной,
но требует этого.
В теории струн используются трёхмерные (имеющие вещественную размерность 6)
многообразия Калаби — Яу, выступающие как слой компактификации пространства
- времени, так что каждой точке четырёхмерного пространства - времени соответствует пространство Калаби — Яу.
Известно несколько десятков тысяч трёхмерных пространств Калаби — Яу, которые
удовлетворяют требованиям к дополнительным измерениям, вытекающим из теории
струн.
Одной из основных проблем теории струн (учитывая современное состояние разработки) является такая выборка из указанного удовлетворительного подмножества
трехмерных пространств Калаби—Яу, которая давала бы наиболее адекватное обоснование количества и состава семейств всех известных частиц. Если теоретические
разработки в этой области приведут к выделению единственного пространства Калаби—Яу, удовлетворяющего всем требованиям для дополнительных измерений,
это станет очень весомым аргументом в пользу истинности теории струн[1].
11
12
1.
2.
3.
4.
5.
6.
atomo di cristallo
Molecular structure (atoms)
Atom (protons, neutrons, electrons)
Electron
Quarks
Strings
Вопросы теста:
1. Стандартные модели (теории) гравитации; принцип эквивалентности
2. Квантовые теории гравитации
3. Единая теория поля
13
Теории гравитации
Стандартные теории грави- Альтернативные теории
тации
гравитации
Классическая физика
Классические

Теория тяготения Ньютона


Релятивистская физика

Теория гравитации Лесажа
Модифицированная ньютоновская
динамика
Общая теория относиРелятивистские
тельности
Математическая формулировка общей тео Релятивистская
рии относительности
теория гравитации
Гамильтонова форму Калибровочная
лировка общей теории
теория гравитации
относительности
 Гравитация с массивным гравитоном
Принципы
 Телепараллелизм
 Теория Нордстрё Принцип эквивалентма
ности сил гравитации и

Теория Бранса —
инерции
Дикке
 Принцип Маха
 Биметрические
 Геометродинамитеории гравитака (англ.)
ции
 Несимметричные
теории гравитации
 Теория гравитации Уайтхеда (англ.)
 Теория Эйнштейна — Картана (англ.)
Квантовые теории
гравитации
 Каноническая
квантовая гравитация
 Петлевая квантовая гравитация
 Полуклассическая гравитация (англ.)
 Причинная динамическая триангуляция (англ.)
 Евклидова квантовая гравитация
 Уравнение Уилера — Девитта (англ.)
 Индуцированная
гравитация (англ.)
 Некоммутативная геометрия (англ.)
Единые теории поля
Многомерные


Общая теория
относительности в многомерном пространстве
Теория Калуцы — Клейна
Струнные



Теория струн
Теория суперструн
М-теория
Прочие

Исключительно простая
теория всего
Уравнения теории суперструн очень сложны. И тем не менее, применяя различные
методы и приёмы удалось достичь определённых результатов. В частности, выяснено, что в теории должны присутствовать не только одномерные струны, но и объекты старших размерностей, до 9-ти – 10-ти включительно. Они получили название
бран (1-брана – струна, 2-брана – мембрана, 3-брана – протяжённые трёхмерные
объекты).
Теория суперструн далеко опередила возможности современного физического эксперимента. Но определённые эмпирические основания в пользу теории суперструн
уже есть.
Итак, физика стоит на пороге создания единой теории материи, её субстрата и
структуры, т.е. всех известных нам элементарных частиц и фундаментальных взаимодействий.
14