Теории современной физики

Содержание фундаментальных физических теорий показывает нам, что каждая из них описывает вполне определенные явления нашего мира: механическое или тепловое движение, электромагнитные процессы, физические процессы микромира и т. д.

Наряду с этим, среди фундаментальных физических теорий существуют еще более общие законы, влияние которых распространяется на все физические процессы, все формы движения материи. Это — принципы современной физики.

В современной физике обнаруживается определенная иерархия симметрий. Современные исследования показали:

• 1) при всех превращениях элементарных частиц сумма электрических зарядов частиц остается неизменной;
• 2) ядерное вещество всегда сохраняется;
• 3) разность числа лептонов и антилептонов не изменяется при превращении элементарных частиц. Современные единые теории взаимодействия исходят из идеи, что только электрический заряд должен сохраняться всегда. Барионный и лептонный заряды, возможно, не сохраняются строго, хотя экспериментальные нарушения сохранения этих зарядов не обнаружены;
• 4) эксперименты показывают, что величина и другие свойства этого взаимодействия не зависят от того, о протонах или нейтронах идет речь. Для описания данной ситуации была введена величина — изотопический спин;
• 5) еще одна симметрия, связанная с сохранением нового квантового числа — странности, — выполняется при сильных и электромагнитных взаимодействиях, но нарушается слабыми взаимодействиями.

В последние годы теории слабых и сильных взаимодействий строятся на основе так называемой локальной калибровочной симметрии, что вновь подтвердило значение принципа симметрии в физике. Извлекая из этого уроки, теоретики в 80-е годы 20 века принялись за поиски новой симметрии, более широкой, чем ранее известные, которая могла бы послужить основой для создания теории Великого объединения. Так физики пришли к идее суперсимметрии.

Суть суперсимметрии связана с понятием спина в том виде, в каком оно используется в физике элементарных частиц. Существование спина имеет решающее значение для свойств частиц — частицы с полуцелым спином называются фермионами, с целым — бозонами, одни — частицы, другие — поля. Принципиальные различия в физических свойствах фермионов и бозонов приучили физиков четко их разграничивать. Все переносчики взаимодействия — бозоны, тогда как кварки и лептоны — фермионы. Это означает, что бозоны принято ассоциировать с взаимодействием, а фермионы — с веществом. Суперсимметрия объединяет бозоны и фермионы в рамках одной теории, говорит о возможности превращения бозонов и фермионов друг в друга. Разумеется, в реальном мире невозможно проделать такую операцию, но ее можно сформулировать математически и можно построить теорию, включающую суперсимметрию.

Вскоре внимания теоретиков физики было сосредоточено на проблемах гравитации. Суперсимметрия тесно связана с геометрией. Гравитацию же, представляющую собой в чистом виде геометрию искривленного пространства. Можно естественным образом выразить на языке суперсимметрии.

Объединяя бозоны и фермионы, суперсимметрия сводит в одном семействе частицы с различными спинами. Набор частиц, одни из которых имеют спин, равный 0, а другие — Ѕ, 1 и т. д., можно составить так, что семейство в целом будет суперсимметричным. Эта теория дает единое описание взаимодействия и вещества, в основе которого лежат квантовые частицы, создает возможность появления единой теории, объединяющей все 4 фундаментальных физических взаимодействия. Именно так появилась теория суперструн.