Капельная модель. Формула Вайцзеккера для энергии связи ядер

В этой модели ядро рассматривается как сферическая капля несжимаемой заряженной ядерной жидкости радиуса R = r₀A^1/3. С ее помощью удалось объяснить многие свойства ядра и, в первую очередь, получить полуэмпирическую формулу для энергии связи ядра.
Первое (главное) слагаемое в энергии связи ядра, подобного жидкому или твердому телу, должно быть пропорционально массовому числу A:

Этот член представляет объемную энергию ядра и может быть интерпретирован как энергия связи ядра, симметричного по нейтронам и протонам, в пределе больших А и отсутствия кулоновских сил. Ранее уже говорилось, что эксперимент подтверждает примерную пропорциональность энергии связи E_св массовому числу A.
Второй член, который должен быть учтен в рассматриваемой модели, это - поверхностная энергия ядра. Она будет уменьшать полную энергию связи, так как нуклоны, находящиеся на поверхности имеют меньше соседей, чем внутренние частицы. Это хорошо известный эффект поверхностного натяжения. Следует однако заметить, что, в отличии от молекул классических жидкостей, нуклоны на поверхности ядра обладают избыточной не только потенциальной, но и кинетической энергией (это легко показать, например, в модели оболочек). Поверхностная энергия пропорциональна поверхности сферической капли. Следовательно она должна зависеть от массового числа как A^2/3:

Третий член в энергии связи обусловлен кулоновским взаимодействием протонов. В капельной модели предполагается, что электрический заряд протонов равномерно распределена внутри сферы радиуса R = r₀A^1/3. Это создает кулоновскую энергию ядра

.

(3)

Эта энергия также уменьшает общую энергию связи ядра.
Капельная модель учитывает вклад в энергию связи ядра объемной, поверхностной и электростатической энергии. Этих слагаемых однако не достаточно для корректного описания энергии связи реальных ядер. Чтобы учесть наблюдаемые в эксперименте тенденции, в энергию связи E_свнеобходимо ввести дополнительные члены, которые не могут быть обоснованны в рамках капельной модели ядра. Прежде всего необходимо включить в E_св энергию симметрии ядра, которая отражает тенденцию к стабильности ядер с N = Z. Энергию симметрии можно разделить на кинетическую и потенциальную части. Кинетическая энергия симметрии была рассмотрена в модели ферми-газа. Как видно из формулы (4), она пропорциональна (A/2 - Z)²/A. Аналогичным образом ведет себя потенциальная энергия симметрии. Эта энергия обусловлена тем, что принцип Паули запрещает вплотную сближаться двум нуклонам одинакового сорта с одинаковыми ориентациями спинов. Вследствие чего взаимодействие нейтрона с протоном в ядре в среднем сильнее, чем взаимодействие между одинаковыми частицами, что также благоприятствует выравниванию числа нейтронов и протонов в ядре. Итак, из энергии связи E_св надо вычесть энергию симметрии ядра

Наконец, чтобы учесть наблюдаемое в эксперименте скачкообразное изменение энергии связи ядра при добавлении к нему или удалении из него одного нуклона, надо добавить в E_св парную энергию (энергию разрыва нуклонной пары). Эта энергия апроксимируется выражением

где a₅ > 0 для четно-четных ядер, = 0 для нечетных ядер и < 0 для нечетно-нечетных ядер.
Окончательное выражение для энергии связи ядра имеет вид

Рис. 1. Вклад различных членов в формулу для удельной энергии связи

Входящие в него коэффициенты a₁, a₂, a₃, a₄ и a₅оцениваются из экспериментальных данных по энергиям связи ядер, что дает

a₁ = 15.75 МэВ; a₂ = 17.8 МэВ; a₃ = 0.711 МэВ; a₄ = 23.7 МэВ;

Полученное соотношение называется полуэмпирической формулой Вейцзеккера для энергии связи ядра. С ее помощью может быть вычислена удельная энергия связи E_св/A. Вклад различных членов в формулу для удельной энергии связи показан на рис. 1. Спад этой энергии при малых A объясняется ростом по абсолютной величине отрицательного слагаемого, обусловленного поверхностной энергией:
-W_пов/A = -a₂A^-1/3. С другой стороны постепенное уменьшение удельной энергии связи в области тяжелых ядер вызвано кулоновскими силами, так как слагаемое -W_кул/A = -a₃Z²/A^4/3 растет по абсолютной величине при увеличении Z.
Формула (6) позволяет по известным A и Z вычислять энергию связи ядра с погрешностью ~10 МэВ (см. рис.2). При A 100 это дает относительную ошибку ~10^-2. Точность вычисления массы ядра

еще выше ~10^-4 (здесь m_p - масса протона, m_n - масса нейтрона и c - скорость света). Наихудшее согласие с экспериментом формула Вейцзеккера обнаруживает в окрестности магических чисел нуклонов (см. рис.2 и 3). Это указывает на важность учета оболочечных эффектов при вычислении энергии связи ядра.

Рис. 2. Разность масс между экспериментальными значениями и предсказаниями формулы Вейцзеккера для ядер с различным числом нейтронов.

Рис. 3. Экспериментальные значения удельной энергии связи и расчет по формуле Вейцзеккера

Рис. 4. Потенциальная энергия V(r) деления ядра. Приведены примерный потенциал для ядра 235U и потенциал для гипотетического ядра, которое должно мгновенно делиться. Q - энергия высвобождаемая при делении.

Важное применение капельная модель нашла в объяснении механизма деления тяжелых ядер. Возможность этого процесса обусловлена тем, что удельная энергия связи E_св/A начиная с области железа - кобальта уменьшается с ростом массового числа A из-за кулоновского члена формулы Вейцзеккера (см. рис. 2). В результате тяжелому ядру оказывается энергетически выгодно распадаться на более легкие фрагменты. Однако выигрыш в удельной энергии связи только необходимое, но не достаточное условие деления. На самом деле процесс деления определяется конкуренцией двух слагаемых энергии связи E_св: поверхностной и кулоновской энергий. Если ядро меняет свою форму и из сферического превращается, например, в эллипсоидальное, то объем ядра не меняется, но его поверхность увеличивается. Поэтому поверхностная энергия возрастет по абсолютной величине, так что поверхностные силы будут стремиться вернуть ядро в исходное недеформированное состояние. С другой стороны, кулоновская энергия ядра, наоборот, уменьшится по абсолютной величине из-за увеличения среднего расстояния между протонами и кулоновские силы отталкивания будут стремиться увеличить деформацию ядра. При малых деформациях преобладают силы поверхностного натяжения, при больших - силы кулоновского отталкивания. Таким образом, возникает типичный потенциальный барьер (подобный тому, который имеет место при α-распаде), препятствующий мгновенному делению тяжелых ядер (см. рис. 4). Если не принимать во внимание туннельный эффект, обуславливающий медленный самопроизвольный распад очень тяжелых ядер, то для того чтобы ядро разделилось, ему необходимо передать энергию возбуждения равную или большую высоты потенциального барьера. Необходимая энергия возбуждения уменьшается при переходе к более тяжелым ядрам. Нетрудно понять, что величиной определяющей способность ядра к делению является отношение кулоновской энергии к поверхностной. Как следует из формул (2), (3), это отношение равно a₃Z²/(a₂A). Так как коэффициенты a₂, a₃ постоянны для всех ядер, то определяющей величиной, очевидно, является отношение Z²/A. Расчеты показывают, что критическим значением является значение Z²/A ≈ 50. При Z²/A > 50 ядра не могут существовать, так как мгновенно делятся. Для обычного соотношения между протонами и нейтронами в тяжелых ядрах этому значению Z²/A отвечает Z ≈ 115.

Рис. 5. Распределение осколков деления ядра 235U по массовым числам A. По оси ординат отложен относительный выход осколков.

Капельная модель предсказывает деление ядра на два одинаковых фрагмента. На практике, при делении тяжелого ядра тепловыми нейтронами (последние необходимы для создания нужного возбуждения ядра), действительно как правило образуются два осколка, но их массы не равны. Случаи симметричного деления составляют менее 1% (см. рис. 5). Наиболее вероятно деление на осколки, один из которых примерно в полтора раза тяжелее другого. Наблюдаемая асимметрия деления может быть объяснена влиянием ядерных нейтронных оболочек: тяжелому ядру энергетически выгоднее делиться так, чтобы число нейтронов в осколке было близко к одному из магических чисел (50 или 82).
Коллективный характер движения частиц несжимаемой ядерной жидкости должен приводить к поверхностным колебаниям формы капли (без изменения ее объема). Капельная модель качественно правильно предсказывает некоторые характеристики (спин, четность) низколежащих состояний четно-четных ядер. Однако энергии возбуждения этих состояний не соответствуют частотам колебаний поверхности, вычисленным с помощью полуэмпирической формулы Вейцзеккера.
Подводя итоги, можно сказать, что капельная модель дает приблизительно правильное представление о массе и энергии связи ядер, что позволяет исследовать энергетические условия разных мод распада ядра (в частности α- и β-распада), качественно описывает структуру низколежащих уровней четно-четных ядер, дает возможность построить полуколичественную теорию деления тяжелых ядер. Вместе с тем, капельная модель не пригодна для количественного описания спектра возбуждений четно-четных ядер, совершенно не затрагивает такие вопросы как - характеристики основных и возбужденных состояний индивидуальных ядер, структура возбужденных состояний нечетных и нечетно-нечетных ядер, периодическое изменение свойств ядер с изменением массового числа и некоторые другие. Не может объяснить капельная модель и одного из основных свойств деления тяжелых ядер - его асимметрии.

Цветной заряд — квантовое число, в квантовой хромодинамике, приписываемое глюонам и кваркам. Эти элементарные частицы взаимодействуют между собой подобно тому, как взаимодействуют между собой электрические заряды, однако, в отличие от электрических зарядов, у которых два знака, цветов три. Их называют красным, зелёным и синим, хотя эти названия не имеют никакого отношения к цветам, которые мы видим в повседневной жизни. Для каждого цвета существует также антицвет: антикрасный, антизелёный и антисиний.

Концепция цветов была предложена при создании квантовой хромодинамики для того, чтобы объяснить каким образом в нуклонах могут сосуществовать кварки с одинаковыми квантовыми числами, не нарушая принципа Паули.

Кварки, из которых состоят барионы и мезоны, имеют свой цвет. Барионы состоят из трёх кварков разных цветов, наложение которых образует бесцветную или белую частицу. Мезоны состоят из кварка и антикварка одинаковых цветов, точнее, цвета и антицвета, что в сумме тоже образует бесцветные частицы.

Ситуация с глюонами сложнее. Всего существует 8 глюонов, образующие октет, члены которого характеризуются комбинациями цветов и антицветов.

·

Цвета кварков (красный, зелёный, синий) в комбинации дают бесцветныйбарион.

·

Цвета антикварка (антикрасный, антизелёный, антисиний) в комбинации также дают бесцветнуюантичастицу.

Изменение цвета[править | править вики-текст]

Сильное взаимодействие между кварками осуществляется путем обмена глюонами. При этом кварки меняют свой цвет. Пример такого изменения схематически изображен на рисунках:

·

Барион, состоящий из 3 кварков (красного, зелёного, синего), перед сменой цветов

·

В процессе взаимодействия кварк, на рисунке красный, излучает глюон, на рисунке красно-антизелёный, становясь при этом зелёным.

·

Зелёный кварк поглощает красный-антизелёный глюон и становится красным.

·

Анимация взаимодействия в нейтроне.

История КХД[править | править вики-текст]

С изобретением пузырьковой камеры и искровой камеры в 1950-х годах, экспериментальная физика элементарных частиц обнаружила большое и постоянно растущее число частиц, названных адронами. Стало ясно, что все они не могут бытьэлементарными. Частицы были классифицированы по электрическому заряду и изоспину; затем (в 1953 году) Мюрреем Гелл-Манном и Кадзухико Нисидзимой — по странности. Для лучшего понимания общих закономерностей адроны были объединены в группы и по другим сходным свойствам: массам, времени жизни и прочим. В 1963 году Гелл-Манн и, независимо от него, Джордж Цвейг высказали предположение, что структура этих групп (фактически, SU(3)-мультиплетов) может быть объяснена существованием более элементарных структурных элементов внутри адронов. Эти частицы были названы кварками. Всё многообразие известных на тот момент адронов могло быть построено всего из трёх кварков: u, d и s. Впоследствии было открыто ещё три более массивных кварка. Каждый из этих кварков является носителем определённого квантового числа, названного его ароматом.

Однако, в подобном описании одна частица, Δ⁺⁺(1232), оказалась наделена необъяснимыми свойствами; в кварковой модели она составлена из трех u -кварков со спинами, ориентированными в одном направлении, причем орбитальный момент их относительного движения равен нулю. Все три кварка в таком случае должны находиться в одном и том же квантовом состоянии, а так как кварк является фермионом, подобная комбинация запрещается принципом исключения Паули. В 1965 годуН. Н. Боголюбов, Б. В. Струминский и А. Н. Тавхелидзе^[1], и также Хан Мо Ён (англ.) совместно с Йоитиро Намбу^[2] и О. Гринберг (англ.)) независимо друг от друга решили эту проблему, предположив, что кварк обладает дополнительными степенями свободы калибровочной группы SU(3), позже названными «цветовыми зарядами». На необходимость приписать кваркам дополнительное число было указано Б. В. Струминским в препринте от 7 января 1965 года^[3][4]. Результаты работы Н. Н. Боголюбова, Б. Струминского и А. Н. Тавхелидзе были представлены в мае 1965 года на международной конференции по теоретической физике в Триесте^[5]. Йоитиро Намбу представил свои результаты осенью 1965 года на конференции в США^[6][7]. Хан и Намбу отметили, что кварк взаимодействует через октет векторных калибровочных бозонов, названных глюонами (англ. glue «клей»).

Поскольку свободных кварков не было обнаружено, считалось, что кварки были просто удобными математическими конструкциями, а не реальными частицами. Эксперименты по глубоко неупругому рассеянию электронов на протонах и связанныхнейтронах показали, что в области больших энергий рассеяние происходит на каких-то элементах внутренней структуры, имеющих значительно меньшие размеры, чем размер нуклона: Ричард Фейнман назвал эти элементы «партонами» (так как они являются частями адронов). Результаты были окончательно проверены в экспериментах в SLAC в 1969 году. Дальнейшие исследования показали, что партоны следует отождествить с кварками, а также с глюонами.

Хотя результаты изучения сильного взаимодействия остаются немногочисленными, открытие асимптотической свободы Дэвидом Гроссом, Дэвидом Полицером и Франком Вильчеком позволило сделать множество точных предсказаний в физике высоких энергий, используя методы теории возмущений. Свидетельство существования глюонов было обнаружено в трехструйных событиях в PETRA в 1979 году. Эти эксперименты становились все более точными, достигая высшей точки в проверкепертурбативной КХД на уровне нескольких процентов в LEP в CERN.

Другая сторона асимптотической свободы — конфайнмент. Так как сила взаимодействия между цветовыми зарядами не уменьшается с расстоянием, предполагается, что кварки и глюоны никогда не могут быть освобождены из адрона. Этот аспект теории подтвержден расчетами решёточной КХД, но математически не доказан. Поиск этого доказательства — одна из семи «задач тысячелетия», объявленных Математическим институтом Клэя. Другие перспективы непертурбативной КХД — исследование фаз кварковой материи, включая кварк-глюнную плазму.

Формулировка КХД (квантовая хромодинамика)[править | править вики-текст]

Стиль этого раздела неэнциклопедичен или нарушает нормы русского языка. Следует исправить раздел согласно стилистическим правилам Википедии.

КХД простыми словами[править | править вики-текст]

Квантовая хромодинамика основывается на постулате: каждый кварк обладает новым внутренним квантовым числом, условно называемым цветовым зарядом, или просто цветом. Термин «цвет», конечно же, не имеет никакого отношения к оптическим цветам и введён исключительно для целей популяризации. Дело в том, что инвариантная в цветовом пространстве комбинация есть сумма трёх различных цветов. Это напоминает то, что сумма трёх основных оптических цветов — красного, зелёного и синего — дает белый цвет, то есть бесцветное состояние. Именно в этом смысле базисные векторы в цветовом пространстве часто называют не первый, второй, третий, а «красный» (к), «зелёный» (з) и «синий» (с). Антикваркам соответствуют анти-цвета (ак, аз, ас), причём комбинация «цвет + антицвет» тоже бесцветна. Глюоны же в цветовом пространстве есть комбинации «цвет-антицвет», причём такие комбинации, которые не являются инвариантными относительно вращений в цветовом пространстве. Таких независимых комбинаций оказывается восемь, и выглядят они следующим образом:

к-аз, к-ас, з-ак, з-ас, с-ак, с-аз, (к-ак − з-аз)/ , (к-ак + з-аз − 2с-ас)/

Например, «синий» кварк может испустить «синий-антизелёный» глюон и превратиться при этом в «зелёный» кварк.

Лагранжиан КХД[править | править вики-текст]

Новая внутренняя степень свободы, цвет, означает, что кварковому полю приписывается определённый вектор состояния единичной длины в комплексном трёхмерном цветовом пространстве C(3). Вращения в цветовом пространстве C(3), то есть линейные преобразования, сохраняющие длину, образуют группу SU(3), размерность которой равна 2·3²−3²−1=8.

Поскольку группа SU(3) связана, все её элементы можно получить экспоненциированием алгебры ASU(3). Следовательно, любое вращение в C(3)

можно представить в виде , где 3×3 матрицы (a = 1 … 8) называются матрицами Гелл-Манна и образуют алгебру ASU(3). Поскольку матрицы Гелл-Манна не коммутируют друг с другом, , калибровочная теория, построенная на группе SU(3), является неабелевой (то есть является теорией Янга — Миллса).

Далее используется стандартный принцип калибровочной инвариантности. Рассмотрим лагранжиан свободного кваркового поля

Этот лагранжиан инвариантен относительно глобальных калибровочных преобразований кварковых и антикварковых полей: , где не зависят от координат в обычном пространстве.

Если же потребовать инвариантность относительно локальных калибровочных преобразований (то есть при ), то приходится вводить вспомогательное поле . В результате, лагранжиан КХД, инвариантный относительно локальных калибровочных преобразований, имеет вид (суммирование по ароматам кварков также предполагается)

где тензор напряжённостей глюонного поля, а есть само глюонное поле.

Видно, что этот лагранжиан порождает наряду с вершиной взаимодействия кварк-антикварк-глюон и трёхглюонные и четырёхглюонные вершины. Иными словами, неабелевость теории привела к взаимодействию глюонов и к нелинейным уравнениям Янга — Миллса.

Применимость КХД к реальным процессам[править | править вики-текст]

Расчёты на основе квантовой хромодинамики хорошо согласуются с экспериментом.

Высокие энергии[править | править вики-текст]

КХД уже достаточно давно с успехом применяется в ситуациях, когда кварки и глюоны являются адекватным выбором степеней свободы (при адронных столкновениях высоких энергий), в особенности, когда передача импульса от одной частицы к другой тоже велика по сравнению с типичным адронным энергетическим масштабом (порядка 1 ГэВ). Подробно про применение квантовой хромодинамики к описанию адронных столкновений см в статье Современное состояние теории сильных взаимодействий.

Низкие энергии[править | править вики-текст]

При более низких энергиях, из-за сильных многочастичных корреляций работа в терминах кварков и глюонов становится малоосмысленной, и приходится на основе КХД строить эффективную теорию взаимодействия бесцветных объектов — адронов.

Однако начиная с 2008 года для КХД-расчётов стала активно и крайне плодотворно применяться методика КХД на решётке (англ.) — непертурбативный подход к квантовохромодинамическим расчётам, основанный на замене непрерывногопространства-времени дискретной решёткой и симуляции происходящих процессов с помощью метода Монте-Карло. Такие расчёты требуют использования мощных суперкомпьютеров, однако позволяют с достаточно высокой точностью рассчитывать параметры, вычисление которых аналитическими методами невозможно. Например, расчёт массы протона дал величину, отличающуюся от реальной менее чем на 2 %^[8][9]. КХД на решётке также позволяет с приемлемой точностью рассчитывать и массы других, в том числе и ещё не открытых адронов, что облегчает их поиск.

В 2010 году с помощью решёточных расчётов была резко уточнена оценка массы u и d-кварков: погрешность снижена с 30 % до 1,5 %^[10].

Теория электрослабого взаимодействия[править | править вики-текст]

Теория электрослабого взаимодействия представляет собой созданную в конце 60-х годов 20-го века С. Вайнбергом, Ш. Глэшоу, А. Саламом единую (объединённую) теорию слабого и электромагнитного взаимодействий кварков и лептонов, осуществляемых посредством обмена четырьмя частицами — безмассовыми фотонами(электромагнитное взаимодействие) и тяжёлыми промежуточными векторными бозонами (слабое взаимодействие). Причём фотон и Z-бозон являются суперпозицией других двух частиц — B⁰ и W⁰:

,

где — электрослабый угол (угол Вайнберга)

Таким образом, в этой теории постулируется, что электромагнитное и слабое взаимодействия — это различные проявления одной силы.

Математически объединение осуществляется при помощи калибровочной группы SU (2) × U (1). Соответствующие калибровочные бозоны — фотон (электромагнитное взаимодействие) и W- и Z-бозоны (слабое взаимодействие). В Стандартной моделикалибровочные бозоны слабого взаимодействия получают массу из-за спонтанного нарушения электрослабой симметрии от к , вызванного механизмом Хиггса (см. также Хиггсовский бозон). Нижние индексы используются, чтобы показать, что существуют различные варианты ; генератор дается выражением , где Y — генератор (названный гиперзаряд), а — один из генераторов (компонент изоспина). Различие между электромагнетизмом и слабым взаимодействием появляется вследствие (нетривиальной) линейной комбинации Y и , которая исчезает для бозона Хиггса (это собственное состояние как Y, так и ): определяется как группа, генерируемая именно этой линейной комбинацией, и не подвергается спонтанному нарушению симметрии, поскольку не взаимодействует с бозоном Хиггса.

История[править | править вики-текст]

За вклад в объединение слабого и электромагнитного взаимодействий элементарных частиц Шелдону Глэшоу, Стивену Вайнбергу и Абдусу Саламу была присуждена Нобелевская премия по физике за 1979 г. Существование электрослабых взаимодействий было экспериментально установлено в две стадии: сначала были открыты нейтральные токи в совместном эксперименте Гаргамелла по рассеиванию нейтрино в 1973 г., а затем совместные эксперименты UA1 и UA2 в 1983 г. доказали существование W и Z калибровочных бозонов при помощи протон-антипротонных столкновений на ускорителе SPS (Super Proton Synchrotron, протонный суперсинхротрон).

Великое объединение
_{Grand unification}

Великое объединение – объединение при сверхвысоких энергиях трёх фундаментальных взаимодействий – сильного, электромагнитного и слабого. Предпосылкой к объединению трёх упомянутых взаимодействий является то, что силы (интенсивности) этих взаимодействий, кардинально различающиеся при обычных (низких) энергиях, с ростом энергии и, соответственно, уменьшением расстояния между частицами, сближаются и по оценкам сходятся при энергии
10¹⁵–10¹⁶ ГэВ (≈10^-29 см), называемой точкой Великого объединения.

По мере роста энергии (начиная от самых низких) сильное, электромагнитное и слабое взаимодействия сливаются в единое в два этапа. При энергии 10² ГэВ (расстоянии 10^-16 см) электромагнитное взаимодействие сливается со слабым в электрослабое. Образование электрослабого взаимодействия является установленным фактом и его теория создана (электрослабая модель). В точке Великого объединения электрослабое взаимодействие сливается с сильным. Это слияние является гипотезой. Переносчиками сил Великого объединения считаются гипотетические бозоны X и Y, имеющие огромные массы 10¹⁵ – 10¹⁶ ГэВ/с².
Несмотря на то, что невозможно искусственно создать условия для Великого объединения из-за фантастических энергий, требуемых для этого, существует ряд качественно новых эффектов, предсказываемых этим объединением, которые можно проверить в лабораторных условиях. Так теории Великого объединения (ТВО) предсказывают распад протона на позитрон и нейтральный пион.

В этом распаде не сохраняется ни барионное, ни лептонное квантовое число (во всех наблюдавшихся процессах эти числа сохранялись), причём время такого распада в простейших ТВО около 10³⁰ лет. Такие распады не обнаружены и нижняя граница времени такого распада 10³² лет.
Условия для Великого объединения могли существовать во Вселенной в краткий период сразу после Большого взрыва, т.е. около 13-14 млрд лет назад, когда её возраст составлял 10^–43-10^–36 с.

Теории Великого объединения и Суперобъединения

Заветная мечта всех физиков – выявить универсальность трех фундаментальных сил, объединить все физические взаимодействия в одной теории. Объединение электромагнитного и слабого взаимодействий в единое электрослабое взаимодействие стало первым обнадеживающим успехом на этом пути. Поэтому физики-теоретики с 1974 г. пытаются создать теорию Великого объединения взаимодействий, в которых электромагнитное, слабое и сильное взаимодействия будут рассматриваться как различные проявления единого поля. При этом физики исходят из уже известного факта, что константы этих трех фундаментальных взаимодействий, в обычных условиях различающиеся на несколько порядков, могут становиться равными друг другу при определенной величине энергии. Эту энергию, большую, чем 10¹⁴ ГэВ, назвали энергией объединения. Также она проявляется на расстояниях 10^{-29 см. При таких условиях выявляется общая природа трех указанных взаимодействий, кварки и лептоны становятся практически неразличимыми.}

Единое поле, которое образуется при таких условиях, должно характеризоваться очень сложной симметрией, способной охватить все калибровочные симметрии, известные как в квантовой хромодинамике, так и в теории электрослабого взаимодействия. Отыскание такой симметрии - главная задача физиков, без решения которой теория Великого объединения невозможна.

В простейшем варианте этой теории для превращения кварков в лептоны требуется 24 поля. Половина из них известна, их квантами являются: фотон, три тяжелых векторных бозона, восемь глюонов. Остальные 12 квантов – сверхтяжелые промежуточные бозоны, названные X и
Y-частицами. Они должны обладать электрическим зарядом и цветом. Именно эти частицы, по расчетам, поддерживают более широкую калибровочную симметрию и могут перемешивать кварки и лептоны.

Считается, что проявление этих полей возможно при сверхвысоких энергиях. По мере понижения энергии Великое объединение сначала распадается на сильное и электрослабое взаимодействия. При дальнейшем уменьшении энергии электрослабое взаимодействие разделяется на электромагнитное и слабое взаимодействия.

Из этой теории вытекает ряд неоднозначных следствий: возможность распада протона и существование магнитных монополей (магнита с одним полюсом). Подобные факты экспериментально обнаружить до сих пор не удалось. Обнаружить опытным путем существование Х и Y-бозонов невозможно, так как необходимые для этого энергии недоступны человеку. Современные ускорители достигают энергии только в 100 ГэВ, а нужно создать энергию
в 10¹⁴ ГэВ. Поэтому сегодня физики пытаются найти следы существования таких частиц на ранних стадиях эволюции Вселенной, наблюдая за космическими процессами.

Физики пытаются построить еще более грандиозную теорию Суперобъединения. Она должна объединить все четыре фундаментальных взаимодействия, включая гравитационные силы. Эта теория строится на базе суперсимметрии и теории суперструн.

Исходной идеей в данной теории является утверждение, что в основе нашего мира лежит симметрия. Поэтому квантовая физика высказывает предположение о существовании полной симметрии в описании вещества и поля, фермионов и бозонов. Это значит, что между этими частицами должно существовать полное физическое равноправие, они могут переходить друг в друга. Возможность такого перехода была открыта в 70-е годы и получила название суперсимметрии. Считается, что фермионы и бозоны, являющиеся частицами с разными спинами, входят в одно семейство частиц, обладающих некоторым значением супер-спина. Каждой известной сегодня частице должен соответствовать суперпартнер – частица со спином, отличающимся на 1/2. Так, суперпартнер фотона – фотино со спином 1/2, суперпартнер гравии-
тона – гравитино со спином 3/2 и т.д. Есть также частицы вино, зино, глюино. В одной из теоретических моделей сведены воедино 70 частиц со спином 0; 56 частиц со спином 1/2;
28 частиц со спином 1; 8 частиц со спином 3/2; 1 частица со спином 2.

Описание гравитации на языке суперсимметрии получило название супергравитации. От обычной гравитации она отличается тем, что гравитон здесь уже не единственный переносчик гравитационного взаимодействия. Таких частиц целое семейство, в том числе и уже упоминавшиеся нами частицы гравитино.

Если данная теория верна, то мы получаем основу для полного объединения, в рамках которого весь мир управляется единственной суперсилой, проявляющей себя разными гранями,– электромагнитным, слабым, сильным, гравитационным взаимодействиями. Но все эти грани связаны между собой суперсимметрией. Данная теория еще не получила экспериментального подтверждения.

Благодаря идее суперсимметрии новую жизнь получила теория струн, создателями которой стали английский физик М. Грин и американский физик Д. Шварц (сегодня ее называют теорией суперструн). Они попытались отказаться от уже привычного описания элементарных частиц как точечных объектов. Эта теория описывает некие протяженные объекты – струны. Они являются протяженными, хотя и одномерными объектами и представляют собой отрезки либо со свобод-ными концами, либо соединенными в виде восьмерки. Их размеры – примерно 10^-33 см (план-ковская длина).

В данной теории понятие струны становится синонимом понятия микрочастицы или локализованного в пространстве объекта. Все частицы, которые известны и, может быть, будут открыты в будущем, представляют собой определенное возбужденное состояние струны. Эти возбужденные состояния струн можно сравнить с набором гармоний, вызываемым колебанием скрипичной струны. Более высокие гармонии струны будут наблюдаться как новые частицы с массой, больше массы предыдущих частиц. Полагают, что высшие гармонии струн рождались только на ранних стадиях эволюции Вселенной, когда энергии было в избытке. В обычных условиях существуют лишь состояния струн с минимальной энергией. Введение струны полностью исключает точечные представления из структуры микромира, и, по сути, эта теория сводит физику к геометрии очень сложных пространств.

В теории суперструн помимо очень сложных и громоздких вычислений есть некоторые трудности. В частности, она предполагает, что на тех малых расстояниях, на которых существуют струны, должны проявляться дополнительные пространственные измерения. Есть варианты теорий для 11-мерного, 26-мерного и т.д. пространств. Эти лишние измерения, возможно, компактифицированы, т.е. свернуты в точки, замкнуты на себя и не распространяются в область макромира.

Теория суперструн ведет к некоторым нетривиальным следствиям. Так, среди порожденных струнами элементарных частиц должны быть, по расчетам, гипотетические частицы – тахионы. Это частицы, имеющие мнимую массу и движущиеся со скоростью, большей скорости света.

В последние годы некоторые ученые начали обсуждать возможность существования еще одного взаимодействия – спин-торсионного, фиксирующего и передающего информацию посредством торсионного поля (поля кручения). Есть предположения, что эти поля обладают возможностью передавать информацию практически без затрат энергии. Также принято считать, что именно эти поля обеспечивают практически все известные сегодня парапсихические феномены и биоинформационное (энергоинформационное) воздействие. С помощью этих технологий появилась возможность диагностировать и лечить некоторые виды заболеваний, создавать средства защиты от геопатогенных воздействий и вредных электромагнитных полей, разрабатывать новые конструкционные материалы. Если существование таких полей подтвердится, это вновь перевернет наши представления о мире.