ВАКУУМ, ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ И ВСЕЛЕННАЯ.

ВАКУУМ, ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ И ВСЕЛЕННАЯ.

В поисках физических и философских концепций XXI века.

Часть 1. Новые приоритеты в физике микромира.

2.Классификация и основные свойства частиц и взаимодействий.

7.1.Сколько типов вакуумных конденсатов существует в природе?

8.Что заставляет нас изучать структуру физического вакуума?

Часть 2. От локального эксперимента к познанию Мира в целом.

1.Возможно ли изучение Мира в целом? Проблемы экстраполяции.

3.1.Синтез теории тяготения Эйнштейна и микрофизики.

3.2.Изотропные космологические модели. Проблема фиксации топологии.

4.Основные космологические эффекты Стандартной Модели элементарных частиц.

4.1.Фазовые переходы в космологической плазме и физическом вакууме.

5.3.Эпоха генерации крупномасштабной структуры Вселенной.

7.Сверхранняя Вселенная. Глобальные проблемы и инфляция.

7.3.От сверхранней Вселенной к масштабам Стандартной Модели. Суперструны или преоны?

Часть 3. Физика и космология на границах познания.

1.Возможности современной квантовой теории как инструмента познания.

2.2. Математическая структура теории. “Исчезновение” времени”.

3.Квантовая геометродинамика и рождение Вселенной.

5.Гимн о сотворении Мира в терминологии квантовой геометродинамики.

"Каждый интеллигентный человек, даже неспециалист, может глубоко вникнуть в современные физические проблемы. Эта драма вызывает у жаждущего понимания читателя не менее напряженное внимание, чем увлекательный роман."

"… вещам невозможно из ничего возникать и, родившись, в ничто обращаться…"

В предлагаемой вниманию читателей книге мы сделали попытку изложить основные концепции современной фундаментальной физики и космологии без упрощения, искажающего их истинный смысл. При этом, однако, математический аппарат практически не используется. Это означает, что от читателя потребуются определенные усилия для восприятия и обдумывания этих концепций. Они не просты в том смысле, что используемые для их описания понятия далеки от имеющегося у каждого из нас чувственного опыта. Тем не менее, основанные на этих понятиях “физические теории стремятся образовать картину реальности и установить ее связь с обширным миром чувственных восприятий” (А.Эйнштейн). Необходимость и неизбежность формулировки понятий, задач и методов именно в предлагаемой форме, с использованием всего идеологического арсенала теоретической физики, как мы надеемся, окажутся вполне убедительными для тех, кто заинтересован в глубоком понимании природы Мира и Человека. Великий Лев Ландау говорил, что мы обязаны понимать даже то, что не можем себе представить. Эта обязанность относится не только к профессиональным ученым, но к каждому, кто осознает высокую степень согласованности его действий и принципов с внутренними законами мироздания. Способность глубоко размышлять не является прерогативой только представителей науки, и наша книга адресована каждому, кто хочет не только оценить направление и скорость движения цивилизации, но и по мере сил участвовать в нем.

На рубеже веков ситуация складывается так, что именно фундаментальные достижения физики играют ключевую роль в выборе научных приоритетов цивилизации будущего столетия, определяя в значительной мере темп и направление прогресса. Центральным пунктом исследований Природы и Человека, как двух неразрывных частей единой целостной системы Мира, должно будет стать изучение сложноструктурированного объекта – самоорганизующегося физического вакуума. Это утверждение опирается на результаты и концепции современной физики, а его принятие с необходимостью приводит к изменению направления стрелы научного познания. В течение всего периода эволюции человечества это направление определялось исходной посылкой гносеологии: наиболее сложной открытой системой в Мире является Человек, задача и цель его существования состоит в изучении прочих, менее сложных, структур, осуществляемом в процессе их разделения на составные части. Изменение основного предмета физических исследований и вызываемый этим фактом пересмотр принципов теории познания имеют принципиальное значение для будущего человечества. Нам хотелось бы, чтобы у читателя сложилось об этом мнение, основанное на знании и понимании подлинных научных, мировоззренческих и философских проблем.

Информацию о вакууме мы извлекаем из экспериментальной и теоретической физики элементарных частиц, а также из результатов теоретической и наблюдательной космологии. Сформированные в рамках этих наук, на рубеже ХХ и ХХI веков, принципиально новые концепции открывают для процесса познания ранее недоступные горизонты. Эти концепции основаны на представлениях о нетривиальной геометрии пространства-времени, эволюционирующей по квантовым законам, и подтверждаются результатами экспериментальных исследований микромира, полученными в последней четверти ХХ века.

Наиболее интригующим следствием этих исследований является вывод о том, что физический вакуум представляет собой не пустоту с некоторыми фиксированными неизменными свойствами, а сложную, целостную иерархическую систему, способную к динамической эволюции. Проведенные к настоящему времени исследования физической природы вакуумных подсистем показывают, что само их существование и внутренняя структура обусловлены спонтанными деформациями геометрических характеристик искривленного и расслоенного пространства-времени. Фундаментальная физическая теория, Стандартная Модель электромагнитных, слабых и сильных взаимодействий кварков и лептонов, воплощающая новейшие представления о вакууме и элементарных частицах в строгой математической форме, является общепризнанным достижением естествознания ХХ века. Впервые в истории науки мы имеем теорию, объясняющую все известные экспериментальные факты в физике микромира, полученные на ускорителях элементарных частиц. Парадокс, однако, состоит в том, что внутренняя логика Стандартной Модели, сама неизбежно указывает на собственную неполноту, на существование еще более общей теории, основанной на еще более глубоких представлениях о вакууме, как о сложноструктурированной динамической системе.

Поиски законов динамической эволюции вакуума приводят, по нашему мнению, к формированию и становлению теоретических парадигм, имеющих не только общенаучный, но и ярко выраженный философский характер. Основаниями для этого прогноза являются многочисленные теоретические и экспериментальные указания на то, что физический вакуум, как сложная система, обладает, по крайней мере, свойством самоорганизации. Результаты современной физики и космологии показывают, что вакуум способен так реагировать на изменения условий во Вселенной, чтобы путем локальных изменений собственной структуры сохранять глобальную устойчивость в масштабах Вселенной и тем самым обеспечивать свою дальнейшую эволюцию путем образования новых структур как в нем самом, так и в веществе. Не исключено, что понятие самоорганизации, как характеристики эволюционного процесса, в действительности является недостаточным для описания сложнейших явлений, происходящих во Вселенной. Осмысление этой ситуации в книге позволяет сделать несколько нестандартных выводов.

Во-первых, очевидно различие между основными объектами исследований физики ХХ и ХХI веков. В ХХ веке задача состояла в изучении структуры вещества, существующего и эволюционирующего в пространстве-времени с фиксированной геометрией на фоне вакуума с простыми заданными свойствами. Приоритетом же фундаментальной физики XXI века является изучение динамических законов и структуры самого вакуума.

Во-вторых, даже имеющиеся знания о вакууме позволяют предположить, что как объект исследований вакуум по своей сложности и многообразию свойств может не уступать субъекту исследований – Человеку. Тем самым ситуацию, складывающуюся в фундаментальной физике и космологии в начале XXI века, можно охарактеризовать как интеллектуальный вызов Человеку, как проверку его способности адекватно познавать Мир и самого себя.

В-третьих, если Человек окажется способным принять этот вызов Природы и совершить интеллектуальный прорыв, то результатом его усилий станет новое понимание его места в Мире; осознание того, что существование Жизни и Разума теснейшим образом взаимосвязаны со свойствами физического вакуума, элементарных частиц и Вселенной в целом. Фундаментальная физика и космология близки к тому, чтобы начать исследования Человека и Вселенной как единой, целостной системы.

Несмотря на то, что изложение концепций и результатов физики и космологии проводится в книге достаточно полно и на современном научном языке, мы очень надеемся на то, что она будет понятна и полезна всем, кто всерьез интересуется перспективами фундаментальной науки XXI века. Один из важнейших лейтмотивов книги – выявление драматического характера процесса познания: впервые в истории науки перед Человеком возникают проблемы, к исследованию которых он обязан приступить без полной уверенности, что поиск решений находится в пределах его возможностей.

Цель создания этой книги и желание сделать ее доступной широкому кругу заинтересованных читателей обусловлены весьма серьезными причинами. Нам хотелось не только обсудить достижения и перспективы современной фундаментальной физики и космологии, но и изложить основы той новой концепции естествознания, которая вырастает из этого обсуждения. Сделанный нами вывод таков: дальнейший прогресс в исследовании системы Мира неизбежно приводит человечество к порогу новой культуры, ставя его перед необходимостью изучения структур, по меньшей мере, сравнимых по уровню сложности с наиболее сложной социо-биологической системой – Человеком. Следствием этого переосмысления связи между объектом и субъектом познания должна стать переоценка места Человека в Мире.

Коротко говоря, книга посвящена изложению базисных концепций физики и космологии, сложившихся к концу ХХ века, и сформированной на их основе программы фундаментальных исследований, проведение которых должно быть осуществлено в XXI веке.

Книга состоит из трех частей, содержание которых тесно связано друг с другом. В первой части обсуждается физика вакуума и элементарных частиц. Последовательно излагается концепция геометризации частиц и взаимодействий, основанная на представлениях о расслоенном пространстве-времени; описана экспериментально проверенная Стандартная Модель и четко сформулированы проблемы, вытекающие из ее внутренней логической и математической структуры. Одна из приоритетных проблем – исследование внутренней структуры и динамических свойств кварк-глюонного вакуума – описана как с позиций экспериментов, проведение которых планируется в ближайшее время, так и в аспекте поиска новых теоретических принципов квантовой динамики. Подробно обсуждаются два альтернативных пути развития существующей теории – суперструнная и преонная программы.

Вторая часть книги посвящена проблемам релятивистской космологии, синтезированной с физикой элементарных частиц. Обсуждаются идеи общей теории относительности Эйнштейна и основанные на ней космологические модели. На основе экспериментально проверенной теории элементарных частиц описана высокоэнергетическая физика фазовых переходов в вакууме и космологической плазме элементарных частиц, излагаются современные представления о возникновении барионной асимметрии Вселенной. Кратко анализируется и Стандартная Космологическая Модель, охватывающая низкоэнергетические стадии эволюции Вселенной. Внимание читателя, однако, фиксируется на том, что наблюдательные данные современной космологии, свидетельствующие о существовании так называемой «темной материи» и отличной от нуля плотности энергии вакуума, указывают на неполноту существующей фундаментальной теории. Обсуждаются возможности решения этих проблем в рамках суперструнной и преонной программ развития фундаментальной физики. Отдельный раздел книги посвящен антропному принципу космологии, который устанавливает связь Жизни и Разума с параметрами элементарных частиц. Впервые в литературе антропный принцип последовательно изучается с позиций физики вакуума.

В третьей части книги обсуждаются проблемы, решение которых находится на пределе или даже, возможно, за пределами современной науки. Речь идет о глобальной квантовой теории – квантовой геометродинамике, задача которой состоит в описании процесса рождения Вселенной как физического объекта и в разработке концепции множественности миров. Эти разделы теоретической физики, выходящие на границы возможностей человеческого познания, непосредственно смыкаются с проблемами фундаментальной философии.

В конце книги имеется список литературы, которая может быть рекомендована вдумчивому и заинтересованному читателю. Естественно, список этот далеко не полон и не однороден – наряду с достаточно простыми научно-популярными книгами и статьями в нем содержатся ссылки на серьезные и важные оригинальные научные работы. Не сомневаемся, что каждый, кто захочет продолжить изучение рассматриваемых ниже вопросов и проблем, сумеет заметно расширить этот список.

Приведенное в книге изложение и обсуждение основных концептуальных результатов фундаментальной физики и космологии естественно приводит к выводу о том, что Вселенная, важнейшей компонентой которой является сложноструктурированный вакуум, обладает не только свойством самоорганизации, но и, возможно, свойствами более высокого уровня, прежде приписываемыми только живым и разумным существам.

Может быть, именно эта парадигма позволит науке XXI века реализовать мечту Альберта Эйнштейна – выбрать то направление научных поисков, на котором Человек не только сумеет понять “ как устроена природа…, но и достичь цели утопической и дерзкой на вид – узнать, почему природа является именно такой…”.

В первых двух колонках Таблицы приведены названия и математические символы элементарных частиц, в скобках указаны их массы покоя в мега- (МэВ) и гигаэлектронвольтах (ГэВ): 1 МэВ = 1.8 ×10^-27 г, 1 ГэВ = 1.8×10^-24 г. В третьей колонке кратко охарактеризованы вакуумные состояния соответствующих квантовых полей. Все частицы, за исключением ХБ, обнаружены в ускорительных экспериментах и свойства их взаимодействий детально изучены.

Для завершения экспериментальной проверки СМ необходимо, однако, обнаружить хиггсовский бозон – в этом состоит первая и основная проблема СМ. Эксперимент по поиску ХБ и возможные последствия эксперимента для физики элементарных частиц, как мы уже говорили, будут обсуждаться в Разделе 7. Свойства же коллективных возбуждений ХК несут информацию о самом конденсате и его функциях, одной из которых и является формирование масс покоя всех указанных в Таблице элементарных частиц. Заметим, что речь идет не только о частицах первого поколения, но и о частицах второго – мюонное нейтрино n_m, мю-мезон m, «очарованный» кварк c («charm»), «странный» кварк s («strange»), и третьего поколений – тау-нейтрино n_t, тау-лептон t, «наивысший» кварк t («top») и «прелестный» кварк b («beaty»).

Происхождение кварк-лептонных поколений, природа их сходства и различий составляет содержание второй проблемы СМ. Сходство поколений в том, что они совершенно одинаково участвуют в фундаментальных взаимодействиях. А различие между ними очевидны из самой Таблицы – массы частиц второго поколения систематически выше масс частиц первого поколения, и то же можно сказать при сравнении масс третьего и второго поколений. Проблема, однако, не только в выяснении природы расщепления спектра масс. Есть еще один, весьма интересный эффект, тщательно изученный экспериментально, но пока не понятый до конца: смешивание кварковых поколений. Речь идет о специфических взаимосвязях и взаимообусловленности свойств кварков из различных поколений. Если бы каждое поколение кварков обладало собственными, присущими ему и только ему свойствами, то в каждом поколении было бы по одному стабильному кварку (стабильным был бы кварк с меньшей массой). Так, в первом поколении стабильным является u кварк, а d кварк распадается по каналу: . Аналогично, во втором и третьем поколениях (если бы их свойства были независимы друг от друга и от первого поколения) стабильными были бы s и b кварки (c и t кварки распадаются, например, по таким каналам: , ).

Эффект смешивания кварков состоит в том, что партнерами для распадов кварков являются кварки не только того же самого, но и соседних поколений. Это означает, что распределение кварков по поколениям в Таблице в некотором смысле условно, каждый элемент таблицы на самом деле должен содержать суперпозицию всех кварков верхнего или нижнего типа. В этой суперпозиции, конечно, доминирующее место занимает тот кварк, который и фиксирует номер поколения. Два других кварка являются, образно говоря, некоторыми малыми примесями, роль которых, однако, чрезвычайно велика в формировании свойств вещества. За счет смешивания поколений странный s кварк в действительности не является стабильным, а распадается по каналу: . Происхождение этой формулы легко понять, если в первом столбце таблицы заменить d кварк на суперпозицию d и s кварков. Аналогично распадается и b кварк. Таким образом, смешивание приводит к тому, что в веществе отсутствует стабильный s кварк, точнее, барионы, в состав которых входит s кварк, например лямбда-гиперон: L = uds. Если бы смешивания не было, эти гипероны входили бы в состав стабильных атомных ядер, образуя так называемые гиперядра. Отличительное свойство таких ядер – они существенно тяжелее обычных ядер при одном и том же числе внутриядерных частиц. В макромире существование стабильных гиперядер привело бы к появлению материальных объектов с почти идентичными химическими свойствами, но сильно различающихся по массе. Такие объекты могли бы сформировать совершенно новые химические и биохимические структуры. Мир, в котором гиперядра стабильны, сильно отличался бы от наблюдаемого мира. Уже одно это обстоятельство заставляет нас самым серьезным образом отнестись к проблеме смешивания, которая, конечно, является частью общей проблемы происхождения кварк-лептонных поколений.

В существующей теории расщепление спектра масс и смешивание поколений вводится на основании гипотезы о различной интенсивности взаимодействий частиц разных поколений с ХК. Конечно, мы хорошо понимаем искусственность этой гипотезы – частицы, тождественные во всех остальных отношениях, почему-то, по неизвестным нам причинам, по-разному взаимодействуют с одним и тем же конденсатом. Формально математически эту гипотезу ввести можно, однако интерпретировать ее в разумных терминах не удается. Ясно, что здесь явным образом проявляется неполнота наших знаний о вакууме. Почти несомненно, что вакуум в действительности обладает более сложной структурой, чем та, которая указана в третьей колонке Таблицы. Новые, дополнительные вакуумные структуры должны, в конечном итоге, решить проблему поколений.

Третья проблема СМ – выделенный статус нейтрино. В Таблице указано, что массы нейтрино приближенно равны нулю. Сегодня, однако, накопилось большое количество косвенных экспериментальных данных, свидетельствующих о том, что массы нейтрино все же отличны от нуля, хотя и весьма малы. Численные значения их масс лежат в интервале от 1 до 10 эВ (1 эВ = 10^-3 МэВ), т.е. более чем в 10000 раз легче ближайшей по массе элементарной частицы – электрона и более чем в 10 миллиардов раз легче самого тяжелого из кварков – t кварка. Разумеется, необходимо понять, в чем состоят физические причины такого громадного отличия масс нейтрино от характерных масс других элементарных частиц. Острота этого вопроса подчеркивается и внутренними математическими свойствами СМ – внутри теории нет никаких причин, запрещающих ввести массы покоя нейтрино примерно той же величины, что и характерная масса соответствующего кварк-лептонного поколения. Однако эксперимент заставляет вводить в теорию искусственный малый параметр, резко отделяя нейтрино в спектре масс своего поколения. Последнее означает, что мы просто не знаем истинных причин появления этого малого параметра. Решение проблемы выделенного статуса нейтрино предполагает выход за рамки СМ, что автоматически приведет к усложнению структуры вакуума в расширенной теории.

Как видим, все три вышеперечисленные проблемы СМ имеют непосредственное отношение к внутренней структуре вакуума. Для решения этих проблем необходимы, прежде всего, новые эксперименты и, весьма вероятно, новые физические идеи.

Существует, однако, еще одна, четвертая проблема СМ – установление новых принципов квантовой динамики для теоретического описания эволюции кварк-глюонного конденсата в реальном пространстве-времени. Ситуация с четвертой проблемой в некотором смысле противоположна первым трем. Для решения первых трех проблем нужно экспериментально обнаружить новые вакуумные структуры, СМ лишь подсказывает, что такую задачу необходимо поставить. Что же касается КГК, то он экспериментально обнаружен, его энергетические параметры измерены, установлена также роль КГК в формировании структуры адронов. Теоретически же мы можем описывать лишь стационарные (неизменные во времени) состояния КГК. Очевидно, однако, что в реальном мире происходят процессы, в которых состояния КГК изменяются во времени в макроскопических масштабах. Более того, уже спланирован и в ближайшие годы будет проводиться эксперимент, в котором такие изменения будут индуцироваться искусственно в процессах соударений тяжелых ионов. Рассказу об этом эксперименте посвящен Раздел 5, а сейчас мы обсудим более подробно физическую природу и структуру КГК. Наша цель – обратить внимание на глубокие причины геометрического и топологического характера, заставляющие ставить задачу поиска новых принципов квантовополевой динамики.

Итак, известная на сегодняшний день теория элементарных частиц утверждает, что вакуум представляет собой иерархическую гетерогенную систему, состоящую из подсистем трех типов. Первая из них представляет собой подсистему слабо коррелированных вакуумных флуктуаций силовых g, W^±, Z⁰ и лептон-антилептонных полей. Природа этих флуктуаций однозначно диктуется принципом неопределенности, имеющим место и для частиц, и для полей. Классический вакуум (полное отсутствие поля), по сути, означает наличие определенных (равных нулю) значений полевых динамических переменных. Квантовый принцип неопределенности утверждает, что существование определенных значений различных (взаимодополнительных) динамических переменных невозможно, отсюда и появление вакуумных флуктуаций.

Вторая подсистема, обнаруженная экспериментально и детально изученная в КХД – система сильно скоррелированных квантовых флуктуаций глюонных и кварковых полей. Отличие второй подсистемы от первой в следующем: если первую подсистему можно мыслить как квантованные волны, почти независимые друг от друга, не локализованные в пространстве и распространяющиеся во всем пространстве-времени, то флуктуации второго типа больше похожи на частицы. Они квазилокализованы (почти локализованы) в пространстве и во времени (в отличие от стабильных частиц, которые существуют на бесконечном интервале времени). Поэтому их называют псевдочастицами (инстантонами), и они сильно взаимодействуют друг с другом, образуя среду, называемую кварк-глюонным конденсатом (КГК).

Точнее говоря, флуктуирующее глюонное поле порождает глюонный конденсат, который в свою очередь индуцирует появление кваркового конденсата, извлекая из вакуума сильно взаимодействующие и сильно скоррелированные между собой кварковые флуктуации. Совокупность всех этих кварковых и глюонных вакуумных флуктуаций и образует КГК.

Еще одно отличие псевдочастиц-инстантонов от обычных частиц в том, что, если обычные частицы могут перемещаться на макроскопические расстояния, то псевдочастица может перемещаться лишь на расстояниях порядка размера адрона 10^-13 см. Наиболее впечатляющим свойством КГК является способность псевдочастиц-инстантонов образовывать структуры с различными свойствами. Каждая псевдочастица несет заряды, характеризующие ее способность взаимодействовать с другими псевдочастицами. В КХД эти заряды называются хромоэлектрическими и хромагнитными, в некотором отношении они похожи на электрические заряды и магнитные полюса. Однако каждая псевдочастица несет один аналог магнитного полюса, в отличие от макроскопических магнитов, несущих два противоположных полюса одновременно. Способность псевдочастиц нести на себе заряды двух типов отражается в другом их названии – дионы. Дионы могут собираться в группы, в которых общий хромоэлектрический заряд скомпенсирован, но хромомагнитный заряд не равен нулю. Область пространства, где происходит такая перегруппировка дионов, оказывается носителем энергии, повышенной по сравнению с энергией других областей, где такая перегруппировка не произошла. Перемещения дионов возможны лишь на масштабах адрона, это характеризует размер области, где и могут перегруппировываться дионы. Сами по себе дионные конфигурации с компенсированными хромоэлектрическими зарядами нестабильны. Однако они стабилизируются, если в этой области наряду с дионами существуют валентные кварки. В частности, перестроенные дионные конфигурации, стабилизированные тремя валентными кварками, и представляют собой протоны и нейтроны, из которых состоит все вещество. Масса протонов и нейтронов в значительной мере определяется энергией перестроенных дионных структур, иначе говоря, энергией перестроенной вакуумной среды.

Давайте более подробно обсудим квантовые физические процессы, формирующие дионную вакуумную среду, используя при этом общепринятые термины теоретической физики. Прежде всего, вернемся еще раз к различию между электродинамикой и квантовой хромодинамикой (КХД) – наукой, изучающей сложные нелинейные расслоения. Это различие касается, прежде всего, статуса потенциалов силовых полей. Напомним, что в электростатике скалярный потенциал можно рассматривать как энергетическую характеристику поля, а напряженность – как силовую. Однако подобная интерпретация потенциала возможна только после его однозначной фиксации путем наложения на его величину некоторого математического условия, называемого калибровкой. Лишь в результате применения операции калибровки потенциал приобретает смысл энергетической характеристики поля (такая конкретная калибровка называется кулоновской). Внутренние математические свойства линейных уравнений электродинамики состоят, во-первых, в том, что потенциал можно вообще не вводить (уравнения допускают решения сразу в терминах напряженности), а, во-вторых, если потенциал и вводится, то это делается неоднозначно. В электростатике способ введения потенциала предопределяется нашим желанием дать ему простую энергетическую интерпретацию. Уравнения электродинамики, записанные в терминах потенциала в удобных калибровках, позволяют их легко решать и исследовать. Существенно, что физические результаты не зависят от способа введения потенциала и вида наложенного на него математического условия – калибровки. Это свойство теории называется калибровочной инвариантностью. Общей чертой теории, сохраняемой во всех калибровках, является наличие дифференциальной связи между калибровкой и потенциалами (в некотором смысле эта связь аналогична дифференциальному соотношению между силой и потенциальной энергией).

Попробуем лучше понять, что такое выбор калибровки и свойство калибровочной инвариантности. Предположим, что мы зафиксировали конкретный способ выбора потенциала (калибровку) и хотим, чтобы прибор, измеряющий электромагнитное поле, показывал значения не напряженностей, а потенциала в выбранной калибровке. Как уже упоминалось, связь между напряжением и потенциалом имеет дифференциальный характер. Условие калибровки позволяет разрешить эту связь (проинтегрировать дифференциальное уравнение) и сопоставить определенному значению напряженности определенную величину потенциала. Математической операции интегрирования в электронной измерительной технике соответствуют конкретные элементы схемы, называемые электронными интегрирующими цепочками. Если мы хотим измерять значения потенциалов, в прибор нужно ввести интегрирующую цепочку, соответствующую выбранной нами калибровке. При выборе другой калибровки будет нужна и другая интегрирующая цепочка, т.е. потребуется работать с другим прибором. Отсюда ясно, что, если мы хотим придать потенциалу статус наблюдаемой величины, то выбор калибровки соответствует выбору средств наблюдения, т.е. конкретному типу прибора. Математическое свойство электродинамики – независимость напряженности от выбора калибровки (калибровочная инвариантность) – по сути, означает, что результаты измерений не зависят от выбора средств наблюдения. Так как средства наблюдения являются элементом системы отсчета (система отсчета – это набор тел отсчета, на которых размещены измерительные приборы), то принцип калибровочной инвариантности можно рассматривать как некоторое обобщение принципа относительности.

КХД отличается от электродинамики существенной нелинейностью полевых уравнений. Физическим следствием математической нелинейности уравнений являются сильные взаимодействия компонент глюонного поля друг с другом. (В линейной электродинамике взаимодействие электромагнитных волн друг с другом осуществляется только через виртуальные электрон-позитронные пары и является весьма слабым.) Для анализа глюонного поля оказывается необходимым знать структуру потенциала, а не только напряженность поля. В этом случае оказывается особенно важным учитывать неоднозначность определения потенциала, то есть тот факт, что различным потенциалам соответствуют одни и те же напряженности калибровочно-инвариантных полей.

Вакуум является состоянием, в котором напряженность силовых полей равна нулю. В классической физике нулевой напряженности соответствует бесконечное количество ненулевых потенциалов. Потенциалы же, сопоставляемые вакууму КХД, имеют очень сложную математическую структуру. Они даже не обязаны быть непрерывными функциями, и могут содержать на некоторой гиперповерхности особенности, которые можно разбить на классы. С точки зрения топологии глюонный вакуум вырожден: нулевым значениям напряженностей глюонного поля соответствует бесконечное число потенциалов. Каждая из вакуумных конфигураций потенциалов отличается специальной характеристикой – топологическим числом, но имеет одну и ту же энергию. Физики говорят, что глюонный вакуум представляет собой бесконечно вырожденную по энергии систему топологически различных вакуумных состояний, которые отделены друг от друга бесконечно тонкими и бесконечно высокими энергетическими барьерами. С классической точки зрения барьеры между различными топологическими состояниями непроницаемы, и наш мир может существовать только в одном из таких состояний с определенным топологическим числом. В квантовой теории бесконечно тонкие и высокие барьеры проницаемы, и истинный квантовый вакуум представляет собой объединение всех возможных классических вакуумов. Установлено, что кварк-глюонный конденсат возникает в результате квантовых процессов туннелирования между различными топологическими состояниями расслоенного пространства-времени. Именно такие представления о вакууме экспериментально подтверждены на сегодняшний день.

Можно сказать, что кварк-глюонный конденсат характеризуется некоторым топологическим числом, связанным с числом состояний, охваченных процессом туннелирования, т.е. некоторым средним характерным числом. Причем из эксперимента известно, что среднее топологическое число равно нулю. Это соответствует равенству нулю напряженности при равенстве нулю потенциалов поля. Но это лишь в среднем, а реально имеются классы состояний с топологическими числами +1, -1, +2, -2 и т.д. Компьютерные эксперименты показывают, что характерное число состояний кварк-глюонной компоненты вакуума, охватываемых процессом туннелирования, порядка пяти. Кроме того, отличны от нуля вероятности нахождения вакуума в состояниях и с большими топологическими числами. Таким образом, состояние кварк-глюонного вакуума характеризуется как средним значением топологического квантового числа, так и распределением вероятностей по конфигурациям с топологическими числами, отличными от среднего. Сколько же всего возможных состояний у кварк-глюонного вакуума? Разумно предположить, что существует множество состояний, отличающихся по указанным выше параметрам. Иначе говоря, тот вакуум, в котором мы живем – всего лишь один

Что делать, если нет взаимности? А теперь спустимся с небес на землю. Приземлились? Продолжаем разговор...

ЧТО И КАК ПИСАЛИ О МОДЕ В ЖУРНАЛАХ НАЧАЛА XX ВЕКА Первый номер журнала «Аполлон» за 1909 г. начинался, по сути, с программного заявления редакции журнала...

Что вызывает тренды на фондовых и товарных рынках Объяснение теории грузового поезда Первые 17 лет моих рыночных исследований сводились к попыткам вычислить, когда этот...

Что будет с Землей, если ось ее сместится на 6666 км? Что будет с Землей? - задался я вопросом...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: