Готовый перевод String Theory for Dummies / Теория струн для «чайников»: Unifying the Forces / Единство сил

Единство сил

Попытка объединить гравитацию с другими тремя силами, также как и с квантовой физикой, была одной из движущих сил физики на всём протяжении 20-го столетия (и до сих пор есть).

В некотором смысле, такого рода объединения различных идей являются основными открытиями в науке на протяжении веков.

Квантовая электродинамика успешно создала теорию электромагнетизма. Позже, теория электрослабых взаимодействий объединила эту теорию вместе со слабым ядерным взаимодействием.

Сильное ядерное взаимодействие объясняется квантовой хромодинамикой. Нынешнюю модель физики, которая объясняет все три взаимодействия, называют Стандартной Моделью физики элементарных частиц, которая рассматривается гораздо более подробно в Главе 8.

Объединение гравитации с другими силами создало бы новую версию Стандартной Модели и объяснило бы, как работает гравитация на квантовом уровне. Многие физики надеются, что теория струн в конечном счёте окажется такой моделью.

Эйнштейн потерпел неудачу в стремлении объяснить всё.

После того как Эйнштейн успешно решил основные неполадки в своей теории основной относительности, он обратил своё внимание на попытку объединения теории гравитации с электромагнетизмом, а также с квантовой физикой.

На самом деле, Эйнштейн провёл остаток жизни в попытках развивать это объединение теорий, но умер, не достигнув успеха.

На протяжении этих поисков, Эйнштейн рассматривал почти любую теорию, которая могла только прийти в его голову. Одной из этих идей было добавить дополнительное измерение пространства и свернуть его до очень маленьких размеров.

Этот подход, называемый теорией Калуцы-Клейна, по имени тех, кто её создал, рассматривается в Главе 6. Этот же подход в конечном итоге был использован струнными теоретиками, чтобы справиться с досадным дополнительным измерением, которое возникло в их собственной теории.

В конечном счёте, ни одна из попыток Эйнштейна не принесла плодов. До самой смерти он лихорадочно работал над завершением единой теории поля таким образом, что многие физики узрели печальный конец великолепной карьеры.

Сегодня, однако, одной из наиболее интенсивных теоретических трудов в физике является поиск теории для объединения гравитации и остальной физики, в основном в виде теории струн.

Частица гравитации: гравитон.

Стандартная модель физики элементарных частиц объясняет электромагнетизм, сильное ядерное взаимодействие и слабое ядерное взаимодействие как поля, которые следуют правилам калибровочной теории.

Калибровочная теория основывается в основном на математической симметрии.

Потому как эти силы - часть квантовой теории, калибровочные поля состоят из отдельных единиц (вот откуда происходит слово квантовый) - и эти единицы на самом деле являются частицами сами по себе, называемыми калибровочными бозонами.

Взаимодействия, описываемые калибровочной теорией проводятся или опосредуются калибровочными бозонами. Например, электромагнитная сила опосредована через протон.

Когда гравитация записана в форме калибровочной теории, калибровочный бозон для гравитации называется гравитоном. (Если вы запутались в калибровочных теориях, не волнуйтесь слишком - достаточно запомнить, что гравитон это то, что заставляет гравитацию работать, и вы узнаете всё, что вам нужно знать для понимания их применения к теории струн.)

Физики определили некоторые особенности теоретического гравитона так, что если он существует, он может быть распознан.

С одной стороны, частица безмассовая, что означает что у неё нет массы покоя - частица всегда находится в движении и это, вероятно, значит, что она движется со скоростью света (хотя в Главе 19 вы узнаете о теории модифицированной гравитации, в которой гравитация и свет движутся сквозь пространство с различной скоростью).

Еще одной особенностью является то, что гравитон имеет спин равный 2. (Спин - это квантовое  число, означающее неотъемлемое свойство частицы, вроде вращающего момента. Фундаментальные частицы имеют присущий им спин, то есть  они взаимодействуют с другими частицами, как будто они вращаются, даже когда они не вращаются.)

У гравитона также нет электрического заряда. Это стабильная частица, то есть, он  не распадается.

Поэтому физики ищут безмассовую частицу, движущуюся с невероятно быстрой  скоростью, без электрического заряда, и с квантовым спином 2. Несмотря на это,  гравитон не был обнаружен экспериментально, это калибровочный бозон, переносящий силу гравитации.

Ввиду того, что гравитация чрезвычайно слаба по  отношению к другим силам, попытки обнаружить гравитон представляют собой невероятно сложную задачу.

Возможное существование гравитона в теории струн является одним из основных  стимулов разработки этой теории как вероятного решения проблемы  квантовой гравитации.

Роль суперсимметрии в квантовой гравитации

Принцип суперсимметрии гласит, что два типа фундаментальных частиц, бозоны и фермионы, связаны друг с другом.

Преимущество этого  типа симметрии состоит в том, что математические соотношения в калибровочной теории  сокращаются настолько, что объединение всех сил становится более реальным. (Я  объясню бозоны и фермионы более подробно в главе 8, тогда как  более детальное обсуждение суперсимметрии я представлю в главе 10.)

Верхний график на рисунке 2-2 показывает три силы, описываемые Стандартной  Моделью, смоделированные на различных энергетических уровнях.

Если эти три силы встретятся в одной точке, это будет означать, что там может быть энергетический уровень, где эти три силы полностью объединяются в одну сверхсилу.

Однако, как видно на нижнем графике Рисунка 2-2, когда в уравнение вводится суперсимметрия (буквально, а не только метафорически), три  силы встречаются в одной точке. Если суперсимметрия подтвердится, это будет сильным  доказательством того, что три силы Стандартной модели объединияются при достаточно высоких  энергиях.

Многие физики считают, что все четыре силы были когда-то объединены при высоких уровнях энергии, но когда вселенная ослабла до более низкоэнергетичного состояния, изначальная  симметрия между силами начала нарушаться. Это нарушение симметрии  привело к созданию четырех различных сил природы.

Цель теории квантовой гравитации - в некотором смысле, попытаться заглянуть назад во время, когда эти четыре силы были объединены в одну. В случае успеха она оказала бы глубокое влияние на наше понимание первых моментов  Вселенной - последних моментов, когда эти силы были объединены таким образом.

Рисунок 2-2:  Если добавить суперсимметрию, силы в  стандартной  модели становяться равными при  достаточно высокой  энергии.

Стандартная Модель
Энергия / ГэВ 
Энергия / ГэВ 
сильное взаимодействие 
слабое 
электромагнитное 
Минимальная Суперсимметричная Стандартная модель 
Сильное взаимодействие

Внимание! Этот перевод, возможно, ещё не готов.
Его статус: перевод редактируется

Переведено на Нотабеноиде
http://notabenoid.org/book/38781/145077

Переводчики: Eva_tj, cosinus, Irina73