Какие вопросы остаются у физиков к структуре Стандартной модели фундаментальных взаимодействий? Существует ли единая теория всего? Что является главной нерешенной проблемой фундаментальной физики? На эти и другие вопросы отвечает доктор физико-математических наук Дмитрий Казаков.

Триумф Стандартной модели фундаментальных взаимодействий, которую, может быть, теперь уже нужно называть стандартной теорией фундаментальных взаимодействий, может создать впечатление, что все проблемы решены. Однако это, конечно же, не так. Было бы скучно, если бы они все были решены. Какие же проблемы остались? Прежде всего, остались проблемы внутри самой модели, потому что осталось много вопросов типа «почему?». Во-вторых, остались некоторые явления природы, которые, по всей вероятности, выходят за рамки Стандартной модели, либо, может быть, мы просто пока не очень хорошо понимаем, как их нужно объяснять. Правда, надо сказать, что все эти явления природы, требующие объяснения, действительно выходят немного за рамки физики элементарных частиц, они пришли к нам в последнее время в основном из космологии. Собственно, проблемы физики элементарных частиц прекрасно описываются Стандартной моделью. Но остались многие вопросы «почему?».

Давайте начнем с вопросов «почему?». Почему три поколения частиц в Стандартной модели? Зачем природе понадобились две копии того поколения, из которого состоит весь окружающий нас мир? Когда-то мы думали, что этих поколений просто нет, что частицы, которые мы наблюдаем, — это и есть элементарные частицы. Но потом оказалось, что нет. В космических лучах и на ускорителях почему-то рождаются копии. Значит, вопрос: почему нужны три копии мира, который мы наблюдаем?

Рекомендуем по этой теме:
75761
Физика элементарных частиц

Другой вопрос: у нас есть три вида взаимодействий, зачем природе понадобились три вида взаимодействий, почему три и почему эти три понадобились? Можно, конечно, ответить на этот вопрос, исходя из так называемого антропного принципа, то есть сказать так: чтобы человечество жило, нужны эти три вида взаимодействий. Это действительно правильно, так и есть. Потому что, скажем, энергию мы получаем, как известно, от Солнца, она приносится к нам солнечными лучами, это не что иное, как электромагнитное взаимодействие. Мы с вами ходим по земле, притягиваясь к ней силой тяготения, и это гравитационное взаимодействие — четвертое, оно нам тоже необходимо. Мы состоим из атомов, внутри атома есть атомное ядро, протоны и нейтроны разлетелись бы в разные стороны, если бы их что-то не удерживало, — это сильные взаимодействия. Значит, чтобы были атомы, чтобы были тела, чтобы были мы с вами, нужны сильные взаимодействия. Слабое взаимодействие ответственно за распад. Казалось бы, оно-то зачем нам понадобилось? Но нет, для того чтобы Солнце светило, идут термоядерные реакции, а термоядерные реакции — это распадные процессы, это слабое взаимодействие. Если бы не было слабого взаимодействия, не светило бы Солнце. Получается, что все взаимодействия, которые есть, нам с вами нужны. Спрашивается: а нет ли чего-то еще? Может быть, мы не все еще понимаем, может быть, не все видим?

Эйнштейн когда-то мечтал создать единую теорию. Тогда было известно электромагнитное взаимодействие и гравитационное. Он пытался создать единую теорию электромагнетизма и гравитации, но, как известно, не получилось. Сейчас мы знаем, что есть еще слабое электромагнитное, значит, пора создавать единую теорию трех взаимодействий, входящих в Стандартную модель, и гравитации. Есть ли такая единая теория? Есть много разных идей, даже есть название — теория Великого объединения, которая объединяет сильные и слабые электромагнитные взаимодействия. Правильная ли эта теория или нет, мы до сих пор не знаем. Есть теории, которые объединяют и гравитацию, они еще более интересные, еще более сложные, еще более непонятные. Иногда даже употребляют такие слова: теория всего сущего. Теория струн, которая является неким обобщением квантовой теории поля на протяженные объекты, в какой-то момент претендовала на то, чтобы построить такую единую теорию всего. Тоже пока не получилось. Но не исключено, что мы просто пока не нашли правильной формулировки.

Выход за рамки стандартных представлений, возможно, потребует каких-то новых решений, которые позволят построить обобщение того, что мы сейчас знаем и понимаем.

Но есть проблемы, которые уже сейчас требуют какой-то новой теории, эти проблемы приходят к нам из космологии. Дело в том, что космология уже смыкается с физикой элементарных частиц, поскольку, как выяснилось, то, что происходило в ранней Вселенной, что предопределило развитие Вселенной, описывается, по сути дела, физикой элементарных частиц.

Одна из проблем, которая пришла к нам из космологии, — очень хорошая проблема, и про нее сейчас много говорят — это проблема темной материи. Из космологии следует, что, помимо обычной материи, которую мы наблюдаем (это звезды, галактики, звездная пыль и так далее), существует другая материя, которая не испускает света, которая электрически нейтральна, и ее называют темной материей. И, глядя назад на Стандартную модель фундаментальных взаимодействий, мы должны ответить на вопрос: откуда взялась темная материя, из каких частиц она может состоять? Похоже, что в Стандартной модели нет подходящего кандидата на эту роль. Это значит, что если темная материя описывается частицей, что весьма вероятно, то это какая-то новая частица, которая в наш стандартный набор не входит. Эту загадку еще предстоит разрешить и найти такую частицу, найти экспериментально, найти теоретическое объяснение этой частице.

Другая проблема, которая пришла к нам из космологии. В ранней Вселенной рождалось поровну частиц и античастиц, то есть если бы потом образовался, скажем, водород, то должен был бы образоваться и антиводород, если гелий — то и антигелий, если железо — то и антижелезо, и всего было бы поровну. Но, как известно, если частицы и античастицы встречаются, то они превращаются в чистую энергию, то есть в свет. Это значит, что, если бы в мире было достаточное количество материи и антиматерии, время от времени они бы сталкивались и высвечивались, чего не наблюдается. Более того, мы вообще не наблюдаем антиматерии, мы наблюдаем только материю в видимой части Вселенной.

Возникает естественный вопрос: что же произошло? Откуда возникло то, что называют барионной асимметрией Вселенной, что мы видим барионы и не видим антибарионов? Эта проблема в Стандартной модели фундаментальных взаимодействий, вообще говоря, решается за счет так называемого нарушения комбинированной четности, за счет некого параметра, называемого фазой, который ответственен за CP-нарушения, а также за барионную асимметрию Вселенной. Но механизм барионной асимметрии Вселенной до сих пор не понят. Это остается загадкой, хотя всем понятно, что как-то это должно быть объяснено, иначе наша Вселенная не существовала бы в том виде, в каком она существует сейчас.

Есть более простые вопросы, на которые мы тоже пока не нашли ответа. Например, загадочная частица нейтрино, которой много людей увлекается. Загадочна она главным образом потому, что ее очень трудно регистрировать. Так вот природа этой частицы тоже не до конца еще понята, и масса этой частицы пока еще неизвестна. И хотя мы имеем все инструментарии для того, чтобы описать эту частицу в Стандартной модели, но она все-таки остается слегка загадочной для нас. По всей вероятности, эксперименты ближайших лет позволят эту загадку до конца разрешить, и мы будем точно понимать, что за частица нейтрино, какая у нее масса, является ли она античастицей самой себе или не является, и в этом смысле наше понимание Стандартной модели в этом спектре завершится.

Существует и еще одна загадка, может быть, самая сложная, которая пока стоит перед нами в описании физики частиц и космологии, — это смежная проблема, она получила название темной энергии. Что это такое? Дело в том, что окружающий нас мир наполнен материей, можно посчитать количество этой материи. И оказывается, что количество материи определяет кривизну пространства, в котором мы живем. Если плотность материи равна критической, то пространство является плоским. Если плотность энергии слишком маленькая, то пространство является открытым, напоминает, скажем, седло, имеет отрицательную кривизну. Если плотность энергии выше критической, то пространство является замкнутым, оно напоминает сферу. Так вот, все измеряемое нами вещество во Вселенной, если его сложить, дает плотность заметно ниже критической, что говорило бы нам о том, что мы живем в открытом мире. Но есть еще темная материя. Из космологических данных следует, что темной материи примерно в четыре раза больше, чем обычной материи. Значит, складываем обычную наблюдаемую материю и темную материю — все равно плотности не хватает для критической, все равно получается около 30%.

Казалось бы, значит, мы живем в открытом мире, но нет.

Можно провести измерение кривизны пространства таким же способом, как мы делаем в школе, — можно измерить сумму углов треугольника. Известно, что в евклидовой геометрии, в плоской геометрии, сумма углов треугольника — 180 градусов. Если мы находимся на сфере, то сумма углов треугольника будет больше 180 градусов. Если мы находимся в седле, то сумма углов будет меньше 180 градусов. То есть узнать, какова кривизна нашего мира, можно, если измерить сумму углов треугольника. Только треугольник должен быть очень большим. Нужно как бы развести точки вершины треугольника в разные концы Вселенной. И вот представьте себе, что такой эксперимент был проделан и сумма углов треугольника была измерена. Это связано с измерением так называемого реликтового микроволнового излучения. И когда это было измерено, обнаружилось, что сумма углов треугольника равна приблизительно 180 градусов. Это означает, что мы живем приблизительно в плоском мире. Тогда спрашивается: а что такое оставшиеся 70% плотности? Это и называют темной энергией. Это некая субстанция, о которой мы пока ничего не знаем, но она требует объяснения — требует объяснения наличие этой субстанции, из чего она состоит, как она описывается и почему 70%.

Часто эту субстанцию описывают так называемой космологической постоянной в уравнениях Эйнштейна — Эйнштейн ввел когда-то эту космологическую постоянную. Это не единственное объяснение существующей темной энергии, но такое весьма естественное, я бы сказал. Так вот, для того, чтобы мы могли описать нужное количество темной энергии, получить эти 70%, космологическая постоянная должна иметь определенное значение. Оно оказывается таковым, что оно примерно на сто порядков величины меньше того, чего мы бы ожидали. То есть, если бы мы наивно стали вычислять эту величину, мы бы ошиблись на сто порядков — полная, конечно, катастрофа. Может быть, это самая главная загадка, которая сейчас есть. Она есть в фундаментальной физике, а коль скоро физика элементарных частиц претендует на роль фундаментальной физики, описывающей все явления природы вместе с гравитацией, то физика элементарных частиц, космология, теория гравитации, единая теория — все вместе должны эту загадку разгадать и эту проблему решить. Пока она остается главной нерешенной проблемой фундаментальной физики.