Открытие Вселенной - прошлое, настоящее, будущее

Используя планковскую систему, нетрудно представить все уравнения физики в полностью безразмерной форме - все входящие в них величины приобретают абсолютный масштаб. Формально это можно сделать, полагая h = с = 2G = кБольц = 1. Читатель, затративший некоторое время на такую работу, будет вознагражден хотя бы довольно ясным ощущением того, что все наши знания о мире звезд и элементарных частиц соответствуют обломкам какой-то правильной теории, точнее, ее пределам при x " lP, t " tP, L " LP, ( " (P и т. п. Единственный параметр, по которому современная физика умеет приближаться к планковской области - скорость (v ( c). Разумеется, в физике, химии и биологии довольно свободно обращаются с массами m ~ mP ? 15 микрограмм (водяная капелька радиусом порядка 0,15 мм), но по всем остальным параметрам (плотность, температура, размер и т. д.) соответствующие объекты крайне далеки от планковской области, и пока даже непонятно, может ли обусловить близость массы объекта к mP какие-то особые эффекты в макроскопическом мире. Удивительна, например, близость описанной водяной капельки к характерным параметрам биологических клеток (характерный размер одноклеточного эукариота, амебы, порядка 0,1 мм).

П p и л о ж e н и e 2

ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ И ФУНДАМЕНАТАЛЬНЫЕ СИЛЫ

До сих пор все выглядит так, как если бы было построено по принципу колесиков внутри колес, мы ищем самое сокровенное колесико. Но все может быть совсем не так. И тогда вы ищете, не зная, что за чертовщина вам попадется.

Р. Фейнман

1. КЛАССИФИКАЦИЯ

Под элементарными частицами подразумеваются объекты, из которых на современном уровне эксперимента не выделены какие-либо более простые и самостоятельно регистрируемые сущности. Такое определение позволяет включить в число элементарных частиц все объекты, реально интересующие физику высоких энергий, не ограничиваясь теми, которые пока считаются бесструктурными (фотон, лептоны, кварки, глюоны). Первая элементарная частица (электрон) была открыта в 1897 г. английским физиком Дж. Дж. Томсоном, и несколько сотен аналогичных частиц, обнаруженных с тех пор, можно назвать "кирпичиками мироздания" - похоже, что из них построено все вещество наблюдаемой Вселенной. Неуверенность, что это вещество построено только из них, и подозрение, что они сами выстроены из чего-то более простого и фундаментального, исключительно сильно стимулируют исследовательскую активность.

Элементарные частицы характеризуются рядом параметров - таких, как масса, собственный момент количества движения (спин), заряды, с помощью которых обычно описывается взаимодействие и (или) законы сохранения*. Если частица нестабильна, то есть самопроизвольно распадается в вакууме, то по известным схемам распада вычисляют ее время жизни, и оно должно полностью выражаться через фундаментальный набор констант.

* Массы частиц можно выражать в граммах или килограммах, однако это не очень удобно. Поэтому используют специальные энергетические единицы электронвольт и его производные (чаще всего 1 МэВ = 106 эВ и 1 ГэВ = 109 эВ), в масштабе которых величины mс2 не имеют слишком больших или слишком малых множителей.

Собственный момент количества движения (спин) всегда дается в единицах постоянной

Планка h. Частицы, чей спин выражается в целых значениях h (0, h, 2h и т. д.),

называют бозонами (в честь индийского физика Шатьендраната Бозе), а в полуцелых

(h/2, 3h/2 и т. д.) - фермионами (в честь итальянского физика Энрико Ферми).

Электрический заряд всегда задают в единицах заряда электрона, а для описания электромагнитных взаимодействий удобна безразмерная величина ? = e2/ hc ? 1/137, так называемая постоянная тонкой структуры Аналогичные константы для описания сильных взаимодействий в 100 - 1000 раз больше. Для слабого взаимодействия вводится универсальная постоянная Ферми GF ? 10-5. h3/mp2c.

Аналогом постоянной тонкой структуры в гравитационных взаимодействиях служит квадрат отношения массы элементарной частицы к планковской массе (?гр = Gm2/ hc = 1/2 (m/mP)2). Некоторым частицам приписывают заряды, не имеющие динамического смысла, необходимые лишь для того, чтобы характеризовать сохранение частиц определенного сорта в реакциях. Так вводят, например, барионный заряд, полагая, что в любой реакции разность между числом барионов и антибарионов постоянна.

Калибровочные бозоны* - частицы со спином единица, переносчики электрослабого взаимодействия. В это семейство входят фотон (от греч. photos - частица света) - безмассовый квант электромагнитного поля (экспериментальное ограничение m? 3.10-33 МэВ) и открытые совсем недавно промежуточные бозоны - два заряженных W+ и W- (mw = 80,6 +- 0,4 ГэВ) и один нейтральный Z0 (mZ = 91,161 +- 0,031 ГэВ). Фотон стабилен. W- и Z-бозоны, самые тяжелые из известных частиц, распадаются на лептон-антилептонные пары, однако их времена жизни оцениваются пока весьма приближенно (? ~ (2 ? 3) 10-25 с).