Великое объединение

Магистральный путь развития физики состоит в объединении различных типов взаимодействий. Первый шаг в этом направлении был сделан Д. Максвеллом (1860–1865 гг.), который всё многообразие электрических и магнитных явлений объединил в рамках единого электромагнитного взаимодействия. Над единой теорией гравитационного и электромагнитного взаимодействий работал А. Эйнштейн. Построению единой теории материи посвятил два десятилетия и другой крупнейший физик ХХ века – В. Гейзенберг. Однако обе попытки по разным причинам оказались безуспешными. В конце 70–ых годов прошлого века С. Вайнберг, Ш.Л. Глэшоу и А.Салам создали единую теорию электрослабых (т.е. электромагнитных и слабых) взаимодействий. Переносчиками электрослабого взаимодействия являются безмассовый фотон g и три массивных бозона W⁺, W^– и Z⁰. Несмотря на то, что m_g = 0, а массы бозонов отличны от нуля, их различием можно пренебречь при очень больших энергиях сталкивающихся частиц, т.е. при их сближении на очень малые расстояния (R<10^{-18 м}). Однако при увеличении расстояния между частицами (R>10^{-18 м}) роль бозонов как переносчиков взаимодействия ослабевает из–за малого радиуса действия слабого взаимодействия (см. § 37.8), поэтому главный вклад во взаимодействие между частицами вносит фотон. Таким образом, на расстояниях R>10^{-18 м} электрослабое взаимодействие проявляет себя как электромагнитное.

Теория Вайнбера– Глэшоу –Салама получила блестящее экспериментальное обоснование в 1982–1983 гг., когда были открыты W⁺, W^– и Z⁰ – бозоны, массы которых оказались в хорошем согласии с предсказаниями теории.

Успехи теории электрослабого взаимодействия стимулировали исследования в направлении дальнейшей унификации теории элементарных частиц. Сейчас создаётся единая теория слабого, электромагнитного и сильного взаимодействий известная как теория великого объединения. Основной вывод этой теории состоит в том, что на расстоянии интенсивности слабого, электромагнитного и сильного взаимодействий сравниваются, и всякое различие между ними исчезает. Наиболее интересное предсказание теории великого объединения – нестабильность протона (и в конечном счёте всего вещества). Теория допускает возможность нарушения закона сохранения барионного заряда, в связи с чем протон может распадаться по схеме:

(37.13)

Теория предсказывает, что время жизни протона составляет лет. Зарегистрировать процессы типа (37.13) пока не удалось, однако установлено, что время жизни протона во всяком случае больше, чем 6.5×10³¹ лет.

Для непосредственной проверки теории великого объединения требуются энергии ~10¹⁹ ГэВ, вряд ли когда–нибудь достижимые на ускорителях. Такие энергии были характерными в первые мгновения «сотворения» нашей Вселенной, т.е. Большого Взрыва. Тогда вся материя находилась в чрезвычайно сжатом состоянии и определяющую роль играли процессы, развивающиеся на сверхмалых расстояниях при предельно высоких энергиях. Именно в этой области проявляются основные черты великого объединения, следы которого должны сохраниться до наших дней. Одним из них является, по–видимому, барионная асимметрия Вселенной, т.е. отсутствие антивещества.

Теория великого объединения находится пока в самой начальной стадии развития, однако уже сейчас создаются основы супергравитации – теории, объединяющей все виды взаимодействий, в том числе гравитацию.

[1] В поляризованном пучке спины нейтронов ориентированы параллельно друг другу.