Гравитационное взаимодействие, идеи и теории суперобъединения

Гравитационное взаимодействие имеет универсальный характер и рассматривается как всеобщее притяжение. Это взаимодействие является самым слабым (I ≈ отн. ед.). В классической физике гравитационное взаимодействие описывается законом всемирного тяготения Ньютона: F гр = G (m 1 m 2) / , где G ≈ – гравитационная постоянная. В общей теории относительности Эйнштейна гравитация трактуется как проявление кривизны пространственно-временного континуума (поле тяготения создает искривление пространства тем больше, чем больше тяготеющая масса). Предполагается, что в квантовой теории гравитационное взаимодействие должно осуществляться квантами этого поля – гравитонами, которые в силу чрезвычайной слабости самого взаимодействия до сих пор не обнаружены. По причине того, что спин гравитона š = 2 интенсивность гравитационного взаимодействия увеличивается с ростом энергии и становится существенной при энергии Е ~ , где ГэВ/ – так называемая масса Планка. В соответствии с теорией Большого взрыва в начальный момент своей истории Вселенная была сверхгорячей и сверхплотной (ρ кг/ ), существовало единственное объединенное взаимодействие. По мере того как Вселенная расширялась, остывала и становилась все менее плотной, развивался процесс нарушения симметрии. Это объединенное взаимодействие (часто его называют суперобъединением) стало распадаться, превратившись сначала в электрослабое и сильное взаимодействия, а затем в четыре «разрозненных» взаимодействия при энергии не более эВ и температуре менее К.

Теория суперструн

Одной из реализаций идеи суперобъединения явилось создание теории суперструн (М. Грин, Дж. Шварц). Приставка «супер» указывает на то, что спектр частиц, описываемых суперструной, обладает суперсимметрией (в частности, числа бозонных и фермионных возбуждений одинаковы, а их массы вырождены). Сами суперструны – это гипотетические одномерные объекты, имеющие линейные размеры ~ lП= 1/ m П ≈ м и характерное натяжение (энергия на единицу длины) ~ .

С квантовополевой точки зрения теория одной суперструны является теорией бесконечно большого числа квантовых полей. Незамкнутым, открытым суперструнам (их называют палочками) отвечают частицы со спином š = 1 и 1/2; замкнутым суперструнам (их называют колечками) отвечают частицы со спином š = 2, 3/2, 1, 1/2 и 0. Минимальная размерность пространства-времени для построения теории струны – 10.

Принцип относительности рассматривается как фундаментальный, согласно ему любой процесс протекает одинаково в изолированной материальной системе, находящейся в состоянии покоя, и в такой же системе, находящейся в состоянии равномерного прямолинейного движения. Состояние движения или покоя определяется по отношению к произвольно выбранной ИСО.

Различают: а) преобразования Галилея в классической механике и б) более общие преобразования Лоренца в релятивистской механике, которые при скорости v << c переходят в преобразования Галилея. Преобразования Лоренца для пространственно-временной точки K '{ x ', y ', z ', t '} в некоторой ИСО, движущейся со скоростью υ вдоль оси х другой, лабораторной, ИСО, в которой та же точка определена как K { x, y, z, t }, имеют вид:

Принцип неопределенностей: один из фундаментальных принципов квантовой теории, определяет границы применимости классических представлений при описании свойств объектов микромира. Любая квантовомеханическая система не может находиться в состоянии, когда координаты ее центра инерции и импульс одновременно принимают определенные и точные значения.

Количественно принцип выражается через соотношения неопределенностей Гейзенберга, записанные для соответствующих сопряженных координат и импульсов:

Энергетическое неравенство , которое допускает измерение энергии микрочастицы даже в случае стационарного состояния, лишь с точностью, не превышающей величины ћ/(2 , где Δ t - длительность процесса измерения. Причина этой неопределенности заключается в активном взаимодействии исследуемой системы (микрообъекта) с самим измерительным средством.

Принцип дополнительности Бора: Получение экспериментальной информации об одних физических величинах, описывающих микрообъект, неизбежно связано с потерей информации о некоторых других величинах, дополнительных к первым.

В общем случае дополнительными одна (А) к другой (В) являются физические величины, которым соответствуют квантовые операторы, не коммутирующие между собой, т. е. для них не выполняется условие перестановок . Такими взаимно дополнительными величинами являются, например, координата частицы х и ее импульс рх, напряженность электрического поля в данной точке и число фотонов Nγ. Можно получать данные о микрочастицах либо в виде энергетически-импульсной картины (значения энергий и соответствующих импульсов частицы), либо в виде пространственно-временной картины (данные о положениях и состояниях частицы в пространстве и во времени). Картины не могут использоваться одновременно

Принцип запрета: был сформулирован Паули для электронов в атоме, затем был распространен на все фермионы – частицы с полуцелым спином.

Формулировка. Две тождественные частицы с полуцелым спином (два одинаковых фермиона) не могут одновременно находиться в одном квантовом состоянии, т.е. – иметь одинаковый набор из четырех квантовых чисел n, l, m, ms. Частицы с полуцелым спином подчиняются статистике Ферми-Дирака и их волновая функция антисимметрична относительно перестановки любых двух фермионов системы =>в одном состоянии не может находиться более одного фермиона.

Принцип соответствия Бора: Любая новая, более общая теория, являющаяся развитием предыдущих классических теорий, справедливость которых была экспериментально установлена для определенной группы явлений, не отвергает эти «старые» теории, а включает их в себя. При этом предыдущие теории в свете новой теории рассматриваются как предельная форма и частный случай последней.

Принцип симметрии/асимметрии: законы природы в своем содержании, в своих связях друг с другом и с условиями своего действия – предполагают определенные формы симметрии и асимметрии. Асимметрия – понятие, противоположное симметрии, отражающее существующие в объективном мире нарушения порядка, равновесия, относительной устойчивости, пропорциональности и соразмерности между частями некоторого целого объекта; и связанное с изменениями последнего, с его развитием и организационной перестройкой. Асимметричные положения исключают наличие резкой грани между законами и условиями их действия.

Принцип суперпозиции трактуется как допущение, согласно которому результирующий эффект сложного процесса ряда воздействий представляет собой сумму эффектов, вызываемых каждым воздействием в отдельности, при условии, что последние взаимно не влияют друг на друга.

Этот принцип очень хорошо себя показал во всех «полевых» теориях.

В квантовой теории принцип суперпозиции утверждает, что, если возможны отдельные квантовые состояния микросистемы с волновыми функциями ψ i, то возможно и состояние в виде линейной комбинации этих функций: ψ= C1.ψ1+C2.ψ2+…+Cn.ψn= , где С i – произвольные комплексные числа.

Вариационный принцип изначально получил свое развитие в классической механике для изучения общих закономерностей движения механических систем и при составлении дифференциальных уравнений, описывающих их движения. Из условия обращения в нуль вариации действия δ D = 0 (иначе, этот принцип называется принципом наименьшего действия) и получаются уравнения движения системы.Вариационный принцип осуществляет связь между свойствами пространства и времени и – законами сохранения.

Принцип положительной обратной связи: работает для открытых, неизолиро-ванных систем и предполагает развитие и усиление неравномерности и неустойчивости, возникающих в таких системах вследствие постоянного взаимодействия системы с внешней средой. Это приводит, в конечном счете, к разрушению прежних, существовавших симметрий и, как следствие, к возникновению новой структуры.

Принцип корреляций предполагает, что ни одна часть единой системы (или организма) не может изменяться без соответствующих изменений в его других частях.