Читать онлайн «Теория физического вакуума в популярном изложении». Страница 12

0 = +1p+ и е- + -1p- и е+

В таких процессах рождения соблюдаются сразу шесть законов сохранения: массы, заряда, спина, барионного числа (слева внизу у буквы), лептонного числа (обозначения не введены) и четности.

Наблюдаемое во Вселенной отсутствие скопления отрицательных масс объясняется тем, что отрицательные массы взаимно отталкиваются, образуя равномерный фон плотностью

р- = -10-30 г/см3.

Эта плотность настолько ничтожна, что почти не влияет на лабораторные эксперименты. Зато в масштабах галактик ее влияние может быть существенным.

В качестве уравнений физического вакуума в теории использованы структурные уравнения Картана геометрии Вайценбека или Вайценбека-Вейля в зависимости от рассматриваемой физической ситуации. По самому названию понятно, что структурные уравнения описывают структуру геометрии, т.е. ее основные геометрические свойства. В случае пространства Вайценбека имеются:

24 уравнения (А) и 20 уравнений (В).

Уравнения (А) представляют собой определение кручения Риччи геометрии Вайценбека, а уравнения (В) устанавливают связь между римановой кривизной и кручением Риччи (помните, в мире ничего не происходит, кроме изменения кривизны и кручения пространства).

Если в уравнениях (А) и (В) выбраны четыре трансляционных координаты х, у, z, x0 = ct и шесть вращательных ф1, ф2, ф3, q1, q2, q3, то тогда уравнения вакуума представляют собой систему 44 нелинейный дифференциальных уравнений первого порядка относительно 24 независимых компонент кручения Риччи и 20 независимых компонент тензора Римана.

Поскольку уравнения (А) и (В) имеют геометрическую природу, то первоначально они не содержат никаких физических констант (они же структурные уравнения). Подобными свойствами обладают вакуумные уравнения Эйнштейна, описывающие гравитационное поле частицы вне массы. Это свойство вакуумных уравнений объясняется тем, что вакуум не может характеризоваться какими-либо конкретными физическими параметрами.

Уравнения вакуума (А) и (В) можно записать в спинорном виде, т.е. заменить входящие в них векторные и тензорные величины спинорами различного ранга.

Тогда уравнения вакуума распадаются на систему уравнений (см. рис. 23), в которую входят:

- геометризированные уравнений Гейзенберга (А);

- геометризированные (включая тензор энергии-импульса) уравнения Эйнштейна (B.1);

- геометризированные уравнения Янга-Миллса (В.2).

Уравнения Гейзенберга были предложены в середине пятидесятых годов Вернером Гейзенбергом для описания структуры элементарных частиц. Используя нелинейные спинорные уравнения с кубической нелинейностью, Гейзенберг с сотрудниками частично описал спектр масс элементарных частиц.

Геометризированные уравнения Эйнштейна решают программу максимум (геометризация полей материи) по созданию единой теории поля. Они переходят в уравнения Эйнштейна или в уравнения общерелятивистской электродинамики в пределе, когда чисто полевой источник становится стационарным и имеет точечное распределение для плотности.

Уравнения Янга-Миллса были предложены Янгом и Миллсом для описания внутренней структуры элементарных частиц. Для этого физикам кроме четырехмерного пространства трансляционных координат х, у, z, x0 = ct понадобилось ввести некоторое дополнительное внутреннее пространство. В уравнениях физического вакуума роль такого внутреннего пространства (слоя) играет шестимерное множество вращательных координат ф1, ф2, ф3, q1, q2, q3, заданное в каждой точке четырехмерного пространства трансляционных координат х, у, z, x0 = ct (базы). Поля, которые проявляют себя на подобном расслоенном пространстве, называются калибровочными полями. В уравнениях вакуума (В.2) торсионные поля выступают как потенциалы калибровочного поля, а риманова кривизна как само калибровочное поле.

В математической физике существуют методы, которые позволяют находить те или иные конкретные решения уравнений (А) и (В). Каждое такое решение содержит произвольную константу (или функцию) интегрирования, которой, после использования принципа соответствия, придается физическое значение.

Найденное решение описывает конкретное искривленное и закрученное пространство, интерпретируемое как вакуумное возбуждение (или частица). Естественно, что всякое решение удовлетворяет сразу совокупности уравнений (A), (B.1) и (В.2), т.е. геометризированным уравнениям Гейзенберга, Эйнштейна и Янга-Миллса.

Рис. 23. Расщепление уравнений вакуума на систему узнаваемых физических уравнений.

Дедуктивный метод построения физических теорий позволил автору вначале геометризовать уравнения электродинамики (решить программу минимум) и, затем, геометризовать поля материи и таким образом завершить эйнштейновскую программу максимум по созданию единой теории поля. Однако оказалось, что окончательным завершением программы единой теории поля явилось построение теории физического вакуума.

Первое, что мы должны потребовать от единой теории поля это:

а) геометрического подхода к проблеме объединения гравитационных, электромагнитных, сильных и слабых взаимодействий на основе точных решений уравнений (уравнений вакуума);

б) предсказание новых видов взаимодействий;

в) объединения теории относительности и квантовой теории, т.е. построение совершенной (в соответствии с мнением Эйнштейна) квантовой теории;

Коротко покажем, как теория физического вакуума удовлетворяет этим требованиям.

Допустим, что нам необходимо создать физическую теорию, которая описывает такую элементарную частицу как протон. Эта частица имеет массу, электрический заряд, ядерный заряд, спин и другие физические характеристики. Это означает, что протон обладает супервзаимодействием и требует для своего теоретического описания суперобъединения взаимодействий.

Под суперобъединением взаимодействий физики понимают объединение гравитационных, электромагнитных, сильных и слабых взаимодействий. В настоящее время эта работа проводится на основе индуктивного подхода, когда теория строится путем описания большого числа экспериментальных данных. Несмотря на значительные затраты материальных и ментальных ресурсов, решение этой проблемы далеко от завершения. С точки зрения А. Эйнштейна индуктивный подход к построению сложных физических теорий бесперспективен, поскольку такие теории оказываются «бессодержательными», описывающими огромное количество разрозненных экспериментальных данных.

Кроме того, такие теории как электродинамика Максвелла-Дирака или теория гравитации Эйнштейна относятся к классу фундаментальных. Решения уравнений поля этих теорий приводит к фундаментальному потенциалу кулон-ньютоновского вида:

j = a / r.

В области, где названные фундаментальные теории справедливы, потенциалы Кулона и Ньютона абсолютно точно описывают электромагнитные и гравитационные явления. В отличие от теории электромагнетизма и гравитации, сильные и слабые взаимодействия описываются на основе феноменологических теорий. В таких теориях потенциалы взаимодействия не находятся из решений уравнений, а вводятся их создателями, что называется, «руками». Например, для описания ядерного взаимодействия протонов или нейтронов с ядрами различных элементов (железа, меди, золота и т.д.) в современной научной литературе существует около десятка, написанных руками, ядерных потенциалов.

Любой исследователь не лишенный здравого смысла понимает, что объединять фундаментальную теорию с феноменологической это все равно, что скрещивать корову с мотоциклом! Поэтому, прежде всего надо построить фундаментальную теорию сильных и слабых взаимодействий и только после этого появляется возможность для их не формального объединения.

Но даже в случае, когда мы имеем две фундаментальные теории такие, например, как классическая электродинамика Максвелла-Лоренца и теория гравитации Эйнштейна, их не формальное объединение невозможно. Действительно, теория Максвелла-Лоренца рассматривает электромагнитное поле на фоне плоского пространства, в то время как в теории Эйнштейна гравитационное поле имеет геометрическую природу и рассматривается как искривление пространства. Чтобы объединить эти две теории надо: либо рассматривать оба поля как заданные на фоне плоского пространства (подобно электромагнитному полю в электродинамике Максвелла-Лоренца), либо оба поля свести к кривизне пространства (подобно гравитационному полю в теории гравитации Эйнштейна).