Ознакомьтесь с Условиями пребывания на сайте Форнит Игнорирование означет безусловное согласие. СОГЛАСЕН
Короткий адрес страницы: fornit.ru/2089 
Содержание журнала Достижения науки, техники и культуры
Новый взгляд на природу элементраных частиц
Может ли оказаться так, что элементарные частицы — это лишь колебания какой-то среды? В принципе, да, однако такие теории должны быть заведомо сложнее простой эфирной гипотезы. Успешная теория такого типа была разработана физиками из Массачусетского технологического института.
Одно из самых красивых, но редко упоминаемых достижений физики XX века — открытие квазичастиц. Квазичастицы — это коллективные колебания некоторой среды, которые ведут себя так же, как настоящие частицы с некоторой массой. Классический пример — это звуковая волна в твердом теле. С одной стороны, звук — это не что иное как совместное синхронное колебание множества атомов, но с другой стороны, его можно представить и как поток отдельных квазичастиц — фононов, «квантов звука». И здесь возникает вполне естественный вопрос: а может ли оказаться так, что и обычные частицы (электроны, протоны, фотоны) суть всего лишь «коллективные колебания» какой-то особой субстанции? Может быть, есть смысл вернуться к идее эфира, но уже в новом обличии?
Построение такой теории оказалось очень трудной задачей. Ведь недостаточно заявить, что «фотоны суть колебания эфира»; необходимо, чтобы из новой конструкции автоматически следовали законы теории относительности и квантовой механики, чтобы новая теория не противоречила всей массе экспериментальных фактов. В дополнение к этому крайне желательно, чтобы те свойства нашего мира, которые в современной физике элементарных частиц принимаются за аксиомы, нашли объяснение в новой «глубинной теории». Вот наиболее важные из этих аксиом:
Принцип тождественности: оказывается, две частицы одного сорта (например, два электрона) принципиально неразличимы. Откуда это свойство должно следовать, неизвестно.
Бозоны и фермионы: в природе, оказывается, есть два совершенно разных типа частиц — бозоны и фермионы, которые отличаются своими свойствами симметрии. Почему природа не ограничилась лишь одним типом частиц, неизвестно.
Калибровочные взаимодействия: все силы между частицами являются проявлениями особенных частиц — калибровочных бозонов. Например, электромагнитное взаимодействие заряженных частиц описывается как обмен фотонами. В принципе, можно построить теорию одних только частиц вещества, без калибровочных бозонов, или одних только калибровочных бозонов — без вещества. Но в природе они почему-то сосуществуют вместе, «завязаны» друг на друге.
Ситуация начала сдвигаться с мертвой точки лишь в последние десятилетия прошлого века в связи с открытием топологических возбуждений в некоторых системах. Такие возбуждения уже напоминали и фермионы, и калибровочные бозоны, однако попытки описать в этом русле и настоящие электроны с фотонами оставались долгое время неуклюжими. И лишь несколько лет назад, благодаря исследованиям Левина (Michael Levin) и Вена (Xiao-Gang Wen), теоретиков из Массачусетского технологического института, появилась первая работоспособная теория такого типа. В свежем выпуске журнала Review of Modern Physics, публикующего обзорные статьи по наиболее активным направлениям исследований в физике, вышла их статья M. Levin and X.-G. Wen, Rev. Mod. Phys. 77, 871 (2005) (статья доступна также в архиве е-принтов cond-mat/0407140).
Рис. 1. Примерный вид струнного конденсата в дискретной модели (изображение с сайта arxiv.org)
Подход, предлагаемый Левиным и Веном, опирается на идею квазичастиц и в корне отличается от предыдущих попыток «конструирования» известных фундаментальных частиц. В их теории такие частицы, как электроны и фотоны, не состоят ни из чего более мелкого, а являются возбуждениями нового объекта — струны. Эти струны вовсе не микроскопические, а сколь угодно большого размера; они не имеют отношения к микроскопическим суперструнам, да и «живут» они в обычном, трехмерном пространстве. Однако сами по себе эти струны ненаблюдаемы из-за того, что вакуум в этой теории (т. е. состояние какого-то объема пространства с наинизшей энергией) представляет собой «струнный конденсат»: плотный запутанный клубок замкнутых и взаимодействующих струн (см. рисунки). В «спокойном» состоянии в нем, образно говоря, почти ничего не шевелится, однако если возбуждение где-то возникло, то оно может передаваться от одной струны к другой, свободно «путешествуя» по этому клубку.
Рис. 2. (a) Фермионы как открытые концы разорванной струны; (b) сама струна, будучи погружена в неустранимый вездесущий струнный конденсат, становится ненаблюдаемой (изображение с сайта arxiv.org)
Развивая свою теорию струнного конденсата, американские физики выяснили, что открытые концы разорванной струны ведут себя точь-в-точь как фермионы, а колебания, которые по струне распространяются, — как фотоны. Причем это сопоставление — вовсе не «далекая аналогия», а математически строгое утверждение. Авторы доказали, что открытые концы струны обладают фермионной статистикой, колебания струны реализуют калибровочную симметрию, а взаимодействие между этими типами возмущений тоже имеют все свойства обычных взаимодействий электрона со светом.
В рамках этой же теории, слегка изменив свойства струн, можно описывать и кварки, а отсюда уже недалеко и до всей Стандартной модели элементарных частиц. Подчеркнем, что в такой трактовке многие свойства элементарных частиц уже не являются аксиомами, а вытекают из свойств струн. Включение в эту картину также и гравитации кажется возможным, хотя пока не до конца ясно, как именно это осуществить. Напомним, что именно попыткам (до сих пор, впрочем, безуспешным) объединения гравитации с другими взаимодействиями посвящены тысячи статей, ежегодно публикуемых в физических журналах. Не исключено, что новый подход окажется более успешным.
Игорь Иванов
Комментарии представителей сайтов-участников nan: Что общего с эфирными теориями?
Это может вообще не соответствовать по духу эфирным теориям, предполагающим наличие некоей постоянно существующей среды - эфира, если предположить, что эти “колебания” – порождаются виртуальным, вырожденным полем вакуума, не существующим как некая сущность в его “нулевом” потенциале, но существующим в моменты возмущения или в явлениях рождения виртуальных пар частиц, или при реализации эффекта Казимира и т.п.
Экспертов: 2
Одно из самых красивых, но редко упоминаемых достижений физики XX века — открытие квазичастиц. Квазичастицы — это коллективные колебания некоторой среды, которые ведут себя так же, как настоящие частицы с некоторой массой. Классический пример — это звуковая волна в твердом теле. С одной стороны, звук — это не что иное как совместное синхронное колебание множества атомов, но с другой стороны, его можно представить и как поток отдельных квазичастиц — фононов, «квантов звука». И здесь возникает вполне естественный вопрос: а может ли оказаться так, что и обычные частицы (электроны, протоны, фотоны) суть всего лишь «коллективные колебания» какой-то особой субстанции? Может быть, есть смысл вернуться к идее эфира, но уже в новом обличии?
Построение такой теории оказалось очень трудной задачей. Ведь недостаточно заявить, что «фотоны суть колебания эфира»; необходимо, чтобы из новой конструкции автоматически следовали законы теории относительности и квантовой механики, чтобы новая теория не противоречила всей массе экспериментальных фактов. В дополнение к этому крайне желательно, чтобы те свойства нашего мира, которые в современной физике элементарных частиц принимаются за аксиомы, нашли объяснение в новой «глубинной теории». Вот наиболее важные из этих аксиом:
Принцип тождественности: оказывается, две частицы одного сорта (например, два электрона) принципиально неразличимы. Откуда это свойство должно следовать, неизвестно.
Бозоны и фермионы: в природе, оказывается, есть два совершенно разных типа частиц — бозоны и фермионы, которые отличаются своими свойствами симметрии. Почему природа не ограничилась лишь одним типом частиц, неизвестно.
Калибровочные взаимодействия: все силы между частицами являются проявлениями особенных частиц — калибровочных бозонов. Например, электромагнитное взаимодействие заряженных частиц описывается как обмен фотонами. В принципе, можно построить теорию одних только частиц вещества, без калибровочных бозонов, или одних только калибровочных бозонов — без вещества. Но в природе они почему-то сосуществуют вместе, «завязаны» друг на друге.
Ситуация начала сдвигаться с мертвой точки лишь в последние десятилетия прошлого века в связи с открытием топологических возбуждений в некоторых системах. Такие возбуждения уже напоминали и фермионы, и калибровочные бозоны, однако попытки описать в этом русле и настоящие электроны с фотонами оставались долгое время неуклюжими. И лишь несколько лет назад, благодаря исследованиям Левина (Michael Levin) и Вена (Xiao-Gang Wen), теоретиков из Массачусетского технологического института, появилась первая работоспособная теория такого типа. В свежем выпуске журнала Review of Modern Physics, публикующего обзорные статьи по наиболее активным направлениям исследований в физике, вышла их статья M. Levin and X.-G. Wen, Rev. Mod. Phys. 77, 871 (2005) (статья доступна также в архиве е-принтов cond-mat/0407140).
Рис. 1. Примерный вид струнного конденсата в дискретной модели (изображение с сайта arxiv.org)Подход, предлагаемый Левиным и Веном, опирается на идею квазичастиц и в корне отличается от предыдущих попыток «конструирования» известных фундаментальных частиц. В их теории такие частицы, как электроны и фотоны, не состоят ни из чего более мелкого, а являются возбуждениями нового объекта — струны. Эти струны вовсе не микроскопические, а сколь угодно большого размера; они не имеют отношения к микроскопическим суперструнам, да и «живут» они в обычном, трехмерном пространстве. Однако сами по себе эти струны ненаблюдаемы из-за того, что вакуум в этой теории (т. е. состояние какого-то объема пространства с наинизшей энергией) представляет собой «струнный конденсат»: плотный запутанный клубок замкнутых и взаимодействующих струн (см. рисунки). В «спокойном» состоянии в нем, образно говоря, почти ничего не шевелится, однако если возбуждение где-то возникло, то оно может передаваться от одной струны к другой, свободно «путешествуя» по этому клубку.
Рис. 2. (a) Фермионы как открытые концы разорванной струны; (b) сама струна, будучи погружена в неустранимый вездесущий струнный конденсат, становится ненаблюдаемой (изображение с сайта arxiv.org)Развивая свою теорию струнного конденсата, американские физики выяснили, что открытые концы разорванной струны ведут себя точь-в-точь как фермионы, а колебания, которые по струне распространяются, — как фотоны. Причем это сопоставление — вовсе не «далекая аналогия», а математически строгое утверждение. Авторы доказали, что открытые концы струны обладают фермионной статистикой, колебания струны реализуют калибровочную симметрию, а взаимодействие между этими типами возмущений тоже имеют все свойства обычных взаимодействий электрона со светом.
В рамках этой же теории, слегка изменив свойства струн, можно описывать и кварки, а отсюда уже недалеко и до всей Стандартной модели элементарных частиц. Подчеркнем, что в такой трактовке многие свойства элементарных частиц уже не являются аксиомами, а вытекают из свойств струн. Включение в эту картину также и гравитации кажется возможным, хотя пока не до конца ясно, как именно это осуществить. Напомним, что именно попыткам (до сих пор, впрочем, безуспешным) объединения гравитации с другими взаимодействиями посвящены тысячи статей, ежегодно публикуемых в физических журналах. Не исключено, что новый подход окажется более успешным.
Игорь Иванов
Комментарии представителей сайтов-участников nan: Что общего с эфирными теориями?
Это может вообще не соответствовать по духу эфирным теориям, предполагающим наличие некоей постоянно существующей среды - эфира, если предположить, что эти “колебания” – порождаются виртуальным, вырожденным полем вакуума, не существующим как некая сущность в его “нулевом” потенциале, но существующим в моменты возмущения или в явлениях рождения виртуальных пар частиц, или при реализации эффекта Казимира и т.п.
Экспертов: 2 
http://www.scorcher.ru/xml/news.rss
|