Философские проблемы современной физики (стр. 4 )

Элементарная частица не обладает (в отличие от классических представлений о сложных, структурных объектах) также и «абсолютной» структурой. Различные типы ее структурных связей обнаруживаются лишь относительно различных типов фундаментальных взаимодействий. В самом деле, экспериментальные исследования в физике элементарных частиц демонстрируют следующие факты: 1) отсутствует явная зависимость структурных отношений от пространственно-временных координат (сечения взаимодействий являются функциями импульсов, а не пространственно-временной структуры детекторов как систем отсчета); 2) при достаточно сильных взаимодействиях элементарная частица теряет свою индивидуальность, а когда энергия взаимодействия значительно превышает энергию покоя частицы, само понятие «частицы» становится неопределенным.

В этой ситуации разумной представляется следующая общая онтологическая концепция – структура элементарной частицы определяется синтезом различных фундаментальных взаимодействий в микромире. Это позволяет определить новый «критерий элементарности» частицы как квантово-полевого объекта: элементарными являются частицы, которым соответствует лишь специфический для них тип фундаментального взаимодействия. Частицы, которым соответствует несколько типов фундаментальных взаимодействий, являются сложными. В рамках такой концепции получает качественное объяснение факт «неабсолютности» характера квантовых структур, их относительности к средствам измерения. Именно в процессе эксперимента детектор «расслаивает» структурные отношения, затрагивая при этом, прежде всего, те «компоненты» квантовых структур, которые соответствуют измеряемым фундаментальным взаимодействиям.

НЕ нашли? Не то? Что вы ищете?

Однако упомянутая концепция является слишком общей и критерий «абсолютной» элементарности остается неясным (проблема онтологического статуса частиц и полей).

В самом деле, если «элементарных» квантовых объектов слишком мало и они слишком унифицированы, то как из них «составить» разнообразные, вплоть до исключительно сложных, объекты Универсума? Если же таких «объектов» достаточно много и они разнообразны, то являются ли они «элементарными»? Обнаружит ли Большой адронный коллайдер новые

фундаментальные взаимодействия и более глубокий уровень «элементарности» (суперструнный, преонный)? Если нет, то достаточно ли фундаментальных частиц и полей Стандартной Модели для конструирования наблюдаемого нами Универсума?

Ответ на последний вопрос очевиден – нет. На это указывает уже то, что Стандартная Модель не только не предсказывает, например, констант взаимодействия бозона Хиггса с частицами и полями модели (а также саму массу бозона), не объясняет некоторых новых экспериментальных результатов (существование «темной материи», «темной энергии» – ускоренное космологическое расширение наблюдаемого нами Универсума), но и не включает в себя квантового описания четвертого фундаментального взаимодействия – гравитационного. В частности, ясно, что носитель «темной материи» не составлен из известных нам кварков, поскольку не наблюдаются его связи с частицами Стандартной Модели через уже известные фундаментальные взаимодействия (исключая гравитационное). Если же этот носитель фундаментален, то перед нами фундаментальность по меньшей мере уровня Стандартной Модели, расширенного до суперсимметрии?

Таким образом, нынешних кварковой «комбинаторики» адронов (барионов и мезонов), наблюдаемого лептонного сектора и спектра фундаментальных взаимодействий недостаточно для решения проблемы классификации фундаментальных частиц и полей. Возникает вопрос – возможно ли вообще решение этой проблемы в рамках современной онтологии микромира? В самом деле, Большой адронный коллайдер, его модификации, а также коллайдеры иного типа (и тому подобные столкновения) выходят на предел нынешних технологических возможностей цивилизации. Однако «истинно» фундаментальные структуры микромира могут остаться недоступными эксперименту (энергия соударений протонов в системе центра масс на Большом адронном коллайдере ~1013 эВ, тогда как масштаб, например, гравитационного взаимодействия 1028 эВ, где масса Планка). Что, если перед нами «Великая пустыня» – от 1013 до 1028 эВ? «Природа скрывает часть своего великолепия и заставляет нас строить мощные ускорители, чтобы увидеть лишь эфемерную искорку» (Т. Редже)? Найдутся ли новые технологические решения или придется усомниться в самих нынешних способах нашего вопрошания бытия?

2.2 Стандартная Модель фундаментальных частиц и взаимодействий

и ее концептуальные трудности

Рассмотрим в настоящее время считающиеся «истинно» элементарными частицы и поля, включаемые в современную квантовую теорию фундаментальных частиц и полей – Стандартную Модель (Ш. Глешоу, С. Вайнберг, А. Салам, М. Велтман, Г. т’Хоофт, М. Гелл-Манн). Рассмотрим также возникающие при описании квантовой динамики этих частиц и полей математические структуры (лагранжиан, квантованные поля). Это позволит непосредственно увидеть концептуальные трудности СтандартнойМодели.

Фермионы (спин=1/2) – лептоны () и дробнозаряженные (по электрическому заряду ) кварки (ароматы

= – 1/3) – объединяются в три поколения:

(2.1)

Таким образом, учитывая античастицы, имеется (6·3+6)·2=48 фундаментальных фермионов (кварк каждого аромата может находиться в трех цветовых состояниях). Структура наблюдаемых адронов (мезонов – систем из двух кварков и барионов – систем из трех кварков) определяется «комбинаторикой» кварков. Так, например, волновые функции мезона и бариона имеют вид:

Бозоны (спин=1) – поля, переносящие фундаментальные взаимодействия между частицами поколений (2.1):

1)фотон – носитель электромагнитного взаимодействия (примеры: аннигиляция; тормозное излучение; рассеяние через виртуальный обмен);

2)бозоны – носители слабого взаимодействия (примеры: бета-распад протона через виртуальный обмен; рассеяние через виртуальный обмен);

3)бозоны (глюоны) – носители сильного (цветового) взаимодействия между кварками (примеры: рождение глюоном кварковой пары; рождение бозона Хиггса через виртуальную кварковую петлю).

Таким образом, не считая возможного носителя гравитационного взаимодействия (гравитон, спин=2) и хиггсовского бозона, имеется 12 фундаментальных квантовых полей ( и восемь глюонов ).

Электрослабое (EW) взаимодействие частиц поколений (2.1) через бозоны, нелинейные самодействия, сильное (цветовое; QCD – квантовая хромодинамика – теория кварков и глюонов) взаимодействие между кварками, нелинейные самодействия глюонов, а также взаимодействия частиц поколений (1) и бозонов (исключая и ) с полем Хиггса (включая его нелинейные самодействия с константой ) описываются лагранжианом: