скачать книгу бесплатно
* Чем сильнее взаимодействие частицы с полем Хиггса, тем больше ее масса.
Бозон Хиггса был обнаружен в 2012 году в экспериментах на Большом адронном коллайдере (БАК). Это открытие подтвердило правильность СМ и механизма Хиггса.
1.2. Квантовая теория поля
Квантовая теория поля (КТП) является фундаментальной теорией в физике, объединяющей принципы квантовой механики и специальной теории относительности. Она описывает поведение элементарных частиц и их взаимодействие посредством квантования физических полей, заполняющих пространство-время.
1.2.1. Основные принципы и методы квантовой теории поля:
Основные принципы:
* Квантование полей: Ключевым элементом КТП является квантование физических полей. Вместо классических полей, которые могут иметь любые значения, в КТП поля представлены как совокупность квантов, имеющих дискретные значения.
* Принцип суперпозиции: Состояния квантовых полей могут быть представлены как суперпозиция различных состояний. Это означает, что поле может находиться в нескольких состояниях одновременно.
* Принцип неопределенности Гейзенберга: КТП включает принцип неопределенности Гейзенберга, который устанавливает ограничения на точность одновременного измерения некоторых физических величин. Например, невозможно одновременно точно знать как импульс, так и положение частицы.
* Релятивистская инвариантность: КТП описывает физические явления в рамках специальной теории относительности, что означает, что физические законы должны быть одинаковыми для всех наблюдателей в инерциальных системах отсчета.
Методы:
* Диаграммы Фейнмана: Диаграммы Фейнмана – это графическое представление процессов взаимодействия частиц в КТП. Они позволяют наглядно представить обмен виртуальными частицами между реальными частицами.
* Метод вторичного квантования: Этот метод позволяет описать квантовые системы с переменным числом частиц. Вместо того, чтобы рассматривать фиксированное число частиц, метод вторичного квантования позволяет создавать и уничтожать частицы в пространстве-времени.
* Калибровочная инвариантность: КТП использует калибровочные преобразования для описания фундаментальных взаимодействий. Калибровочные преобразования позволяют описать фундаментальные взаимодействия как результат требования инвариантности системы относительно определенных преобразований.
1.2.2. Проблема квантования гравитации и поиск теории квантовой гравитации:
Одной из самых больших загадок в физике является объединение квантовой теории поля с общей теорией относительности (ОТО), описывающей гравитацию.
Проблемы объединения:
* Несогласованность масштабов: КТП работает на микроскопических масштабах (атомы, элементарные частицы), а ОТО работает на макроскопических масштабах (планеты, звезды, галактики).
* Неопределенность гравитации на квантовом уровне: В ОТО гравитация описывается как искривление пространства-времени, которое вызвано массой и энергией. Однако, квантование гравитации приводит к появлению неопределенности в пространстве-времени, что делает описание гравитации в рамках КТП крайне сложным.
Поиск теории квантовой гравитации:
* Супергравитация: Супергравитация – это теория, которая пытается объединить квантовую механику с теорией относительности Эйнштейна, используя концепцию суперсимметрии.
* Петлевая квантовая гравитация (LQG): LQG предполагает, что пространство-время дискретно, то есть состоит из отдельных, квантованных «петель».
* Теории струн: Теории струн предполагают, что элементарные частицы не являются точечными, а представляют собой вибрирующие струны в многомерном пространстве.
1.2.3. Роль вакуума в квантовой теории поля:
Вакуум в КТП не является пустым пространством, как его представляют в классической физике. Вместо этого, вакуум является квантовым состоянием с минимальной энергией, которое может рождать виртуальные частицы.
Свойства вакуума:
* Динамический характер: Вакуум в КТП является динамическим объектом, который может взаимодействовать с реальными частицами.
* Виртуальные частицы: В вакууме постоянно возникают и исчезают виртуальные частицы, которые не могут быть непосредственно наблюдаемы.
* Флуктуации: Вакуум подвержен флуктуациям, которые могут влиять на реальные частицы, например, вызывать эффект Казимира.
* Поляризация вакуума: Вакуум может быть поляризован под действием внешних полей, что может влиять на поведение реальных частиц.
Примеры влияния вакуума на физические явления:
* Эффект Казимира: Это явление, при котором две близкорасположенные металлические пластины притягиваются друг к другу из-за изменения энергии вакуума между ними.
* Поляризация вакуума: Это явление, при котором вакуум может быть поляризован под действием внешних полей, например, электрического поля.
1.2.4. Заключение
Квантовая теория поля является одной из самых успешных теорий в современной физике, но она не может объяснить некоторые фундаментальные явления, такие как гравитация. Поиск единой теории, объединяющей квантовую механику и общую теорию относительности, является одной из главных задач современной физики.
1.3. Теории струн и М-теория:
Теории струн предполагают, что элементарные частицы являются не точечными объектами, а вибрирующими струнами в многомерном пространстве.
1.3.1. Основные идеи и концепции теорий струн:
* Многомерность: Теории струн предполагают существование дополнительных пространственных измерений, недоступных нашему восприятию.
* Суперсимметрия: Теории струн включают в себя концепцию суперсимметрии, согласно которой каждой частице соответствует суперсимметричная частица с другим спином.
* Квантование гравитации: Теории струн предлагают путь к квантованию гравитации.
1.3.2. Попытки объединения всех фундаментальных взаимодействий в рамках этих теорий:
Теории струн стремятся объединить все фундаментальные взаимодействия в рамках единой теории. Они предполагают, что все фундаментальные частицы являются различными вибрационными модами одной и той же основной струны.
1.3.3. Проблема экспериментальной проверки теорий струн:
Теории струн являются очень сложной и абстрактной теорией. Экспериментальная проверка их предсказаний является крайне сложной задачей, поскольку она требует достижения энергий, недоступных современным ускорителям частиц.
1.3.4. М-теория:
М-теория является обобщением теории струн, включающая в себя 11 измерений. Она предлагает более полное и общее описание фундаментальных взаимодействий.
1.4. Заключение
Стандартная модель физики элементарных частиц является наиболее успешной теорией, описывающей все известные фундаментальные взаимодействия и элементарные частицы. Однако она имеет ряд ограничений, включая отсутствие описания гравитации и неспособность объяснить темную материю, темную энергию и массу нейтрино.
Теории струн и М-теория предлагают альтернативный подход к пониманию фундаментальных основ физики, включая в себя идеи многомерности, суперсимметрии и квантования гравитации. Однако экспериментальная проверка их предсказаний является крайне сложной задачей.
Поиск новой теории, которая смогла бы объединить все известные фундаментальные взаимодействия и объяснить существующие парадоксы квантовой физики, остается одной из главных задач современной теоретической физики.
Глава 2. Модель дискретного пространства-времени из двумерных квантовых мембран
В этой главе мы представим модель дискретного пространства-времени, основанную на концепции двумерных квантовых эфирных мембран. Эта модель предлагает альтернативный подход к пониманию фундаментальных основ физики, выходя за рамки традиционных представлений о непрерывном пространстве-времени.
2.1. Описание модели:
2.1.1. Структура пространства-времени, состоящая из двумерных квантовых эфирных мембран:
В этой модели пространство-время не является непрерывным, а представляет собой дискретную структуру, состоящую из двумерных квантовых эфирных мембран. Мембраны, подобно тонким листам, располагаются в пространстве, образуя многослойную структуру.
Свойства эфирных мембран:
* Квантовая природа: Мембраны обладают квантовыми свойствами. Они могут находиться в суперпозиции состояний, а их энергия и импульс квантованы.
* Динамический характер: Мембраны не являются статическими, а находятся в постоянном движении и взаимодействии друг с другом.
* Флуктуации: Мембраны подвержены квантовым флуктуациям, которые могут изменять их геометрию и топологию.
Межмембранное пространство:
Пространство между мембранами называется межмембранным пространством.
2.1.2. Механизм формирования трехмерной физической материи в просветах между мембранами:
Трехмерная физическая материя, которую мы наблюдаем, формируется в просветах между эфирными мембранами.
Механизм формирования материи:
* Квантовые флуктуации: Квантовые флуктуации эфирных мембран создают виртуальные частицы, которые могут быть «захвачены» межмембранным пространством.
* Образование материи: Захваченные виртуальные частицы могут образовывать реальные частицы, которые становятся строительными блоками материи.
* Взаимодействие с мембранами: Материя взаимодействует с эфирными мембранами, что влияет на ее свойства.
2.1.3. Фундаментальные свойства эфирной мембраны (квантовые характеристики, свойства вакуума):
Квантовые характеристики:
* Квантование энергии: Энергия эфирной мембраны квантована, т.е. может принимать только определенные дискретные значения.
* Квантование импульса: Импульс эфирной мембраны также квантован.
* Спин: Мембрана может иметь спин, связанный с ее вращением в пространстве.
Свойства вакуума:
* Непустой вакуум: Вакуум в этой модели не является пустым пространством, а представляет собой пространство, заполненное квантовыми флуктуациями эфирных мембран.
* Виртуальные частицы: Вакуум постоянно рождает и уничтожает виртуальные частицы, которые могут оказывать влияние на поведение реальных частиц.
* Энергия вакуума: Вакуум обладает ненулевой энергией, связанной с квантовыми флуктуациями.
2.2. Ключевые элементы модели:
* Дискретность пространства-времени: Модель предполагает, что пространство-время не является непрерывным, а состоит из дискретных элементов – эфирных мембран.
* Квантовые свойства мембран: Мембраны обладают квантовыми свойствами, такими как квантование энергии, импульса и спина.
* Образование материи в межмембранном пространстве: Материя формируется в просветах между мембранами из виртуальных частиц, рожденных квантовыми флуктуациями.
* Взаимодействие материи с мембранами: Материя взаимодействует с эфирными мембранами, что влияет на ее свойства.
* Динамическая природа модели: Модель описывает пространство-время как динамическую систему, в которой мембраны находятся в постоянном движении и взаимодействии.
2.3. Преимущества и ограничения модели:
Преимущества:
* Объяснение дискретности пространства-времени: Модель объясняет дискретность пространства-времени и может использоваться для описания квантования некоторых физических величин.
* Альтернативный подход к квантованию гравитации: Модель может быть использована для разработки альтернативных теорий квантовой гравитации.
* Объяснение природы вакуума: Модель предлагает новое понимание природы вакуума, как пространства, заполненного квантовыми флуктуациями эфирных мембран.
Ограничения:
* Отсутствие экспериментальных подтверждений: На данный момент нет экспериментальных подтверждений существования эфирных мембран.
* Сложность математического описания: Модель требует разработки сложного математического аппарата для описания динамики эфирных мембран и взаимодействия материи с ними.
* Неполнота модели: Модель не может объяснить все аспекты физической реальности.
2.4. Заключение
Модель дискретного пространства-времени из двумерных квантовых эфирных мембран – это новая концепция, которая предлагает альтернативный подход к пониманию фундаментальных основ физики. Она может объяснить ряд наблюдаемых явлений, но требует дальнейшего развития и экспериментальной проверки.
2.2. Математическое моделирование
Для формального описания модели дискретного пространства-времени из двумерных эфирных мембран необходимо разработать математический аппарат, который позволит описать динамику мембран и взаимодействие материи с ними.
2.2.1. Формализация модели с помощью математических уравнений:
1. Описание эфирных мембран:
* Мембраны можно описать как двумерные поверхности, вложенные в трехмерное пространство. Их можно представить уравнениями вида:
* x = x (u, v)
