Великое объединение

С созданием квантовой хромодинамики появилась надежда на построение единой теории всех (или хотя бы 3 из 4) фундаментальных взаимодействий. Модели, единым образом описывающие хотя бы 3 из 4 фундаментальных взаимодействий, называются моделями Великого объединения. Теоретические схемы, в рамках которых объединяются все известные типы взаимодействий, называются моделями супергравитации.

В 70-90-е г.г. было разработано несколько конкурирующих между собой теорий Великого объединения. Все они основаны на одной и той же идее. Если электрослабое и сильное взаимодействия в действительности представляют собой лишь 2 стороны Великого единого взаимодействия, то последнему должно так же соответствовать калибровочное поле с некоторой сложной симметрией. Она (симметрия) должна быть достаточно общей, способной охватить все калибровочные симметрии, содержащиеся и в квантовой хромодинамике, и в теории электрослабого взаимодействия. Отыскание такой симметрии - главная задача на пути создания единой теории сильного и электрослабого взаимодействия. Но существуют разные подходы, порождающие конкурирующие варианты теории Великого объединения.

Тем не менее все эти варианты имеют ряд общих особенностей. Во-первых, во всех гипотезах кварки и лептоны – носители сильного и электрослабого взаимодействий – включаются в единую теоретическую схему. До сих пор они рассматривались как совершенно различные объекты. Во-вторых, привлечение абстрактных калибровочных симметрий приводит к открытию новых типов полей, обладающих новыми свойствами, например, способностью превращать кварки в лептоны.

В простейшем варианте теории Великого объединения для превращения кварков в лептоны требуется 24 поля. 12 из квантов этих полей уже известны: фотон, 2 W- частицы, Z- частица и 8 глюонов. Остальные 12 квантов – новые сверхтяжёлые промежуточные бозоны, объединённые общим названием X и Y – частицы (обладающие цветом и электрическим зарядом). Эти кванты соответствуют полям, поддерживающим более широкую калибровочную симметрию и перемешивающим кварки с лептонами. Следовательно, X и Y – частицы могут превращать кварки в лептоны (и наоборот).

На основе теорий Великого объединения предсказаны по крайней мере 2 важные закономерности, которые могут быть проверены экспериментально: нестабильность протона и существование магнитных монополей. Экспериментальное обнаружение распада протона и магнитных монополей могло бы стать веским доводом в пользу теорий Великого объединения. На проверку этих предсказаний направлены усилия экспериментаторов. Обнаружение распада протона могло бы стать самым великим экспериментом ХХ века. Но пока ещё нет твёрдо установленных экспериментально данных на этот счет.

А о прямом экспериментальном обнаружении X- и Y- бозонов речь пока и вовсе не идёт. Дело в том, что теории Великого объединения имеют дело с энергией частиц выше 10 ¹⁴ ГэВ. Эта очень высокая энергия. Трудно сказать, когда удастся получить частицы столь высоких энергий в ускорителях. Современные ускорители с трудом достигают энергии 100 ГэВ. И потому основной областью применения и проверки теорий Великого объединения является космология. Без этих теорий невозможно описать раннюю стадию эволюции Вселенной, когда температура первичной плазмы достигала 10 ²⁷ К. Именно в таких условиях могли рождаться и аннигилировать сверхтяжёлые бозоны Х и Y.

Но объединение 3 из 4 фундаментальных взаимодействий – это ещё не единая теория в подлинном смысле слова. Ведь остаётся ещё гравитация. Теории супергравитации базируются на идее суперсимметрии, т.е. такого перехода от глобальной калибровочной симметрии к локальной, который бы позволил переходить от фермионов к бозонам и наоборот. В теориях суперсимметрии возникла также идея о введении новых дополнительных измерений (10,11 или даже 26) пространства, которые позволят описать все проявления свойств вещества и переносчиков взаимодействий. Только 3 из них проявляются в нашем мире, а остальные остались скрученными, замкнутыми в пространстве 10 ^-33 см. Вместе с тем на пути объединения гравитации с остальными фундаментальными взаимодействиями пока ещё остаётся много проблем.

Создание и подтверждение теорий Великого объединения и супергравитации ожидается буквально со дня на день. В определённом смысле это будет означать конец физической науки как науки о фундаментальных основаниях материи.

Но не исключены и другие варианты развития физики ХХ1 в. - открытие новых фундаментальных взаимодействий, новых субкварковых частиц, появления иных трактовок единства материи. Особенно значимы на этом пути те необычные представления, которые сейчас складываются там, где микромир оказывается связанным с мегомиром, ультрамалое с ультрабольшим, физика с астрономией и космологией.