La un pas de necunoscut
V.K.Milyukov
Și încercăm să ne dăm seama cum să fapte și abordări teoretice experimentale pe care posibilitatea unei noi cooperări.
Cum a fost „descoperire“ a cincea forță
La începutul anilor '80 E.Fishbah cu colegii de lucru cu privire la interpretarea rezultatelor experimentale foarte complicate obținute în laborator. Fermi în studiul de dezintegrare a particulelor, așa-numita neutru K la energii înalte. Motivul pentru „atac“ pe fizica conventionala a fost faptul că un număr de parametri fundamentali ai sistemului de neutre K-mezoni au fost, conform acestor date experimentale, în funcție de energia care a distrus sacru pentru invarianței Lorentz de fizicieni.
Un alt set de date experimentale, care au dus la îndoiască legilor existente ale fizicii, masuratori geofizice au fost în Australia. Timp de mai mulți ani, F. Stacy si colegii sai de la Universitatea din Cleveland efectuat măsurători de gravitație în mine și forajelor adânci. Dacă gravitația variază în funcție de legea lui Newton a gravitației, într-un corp sferic simetrică a forței gravitaționale, la o distanță r de centrul corpului depinde doar de masa totală în interiorul unei sfere de rază r și este invers proporțională cu r 2 (invers pătratică). Masele din afara acestei sfere nu determină forța rezultantă.
F. Stacey și grupul său de valoare cu gravitație precizie gravimetrului măsurată la adâncimi diferite în arbori. Concomitent măsurătorile au fost realizate minuțios densitate Gatere jurul arborelui (la adâncimea și la suprafață). Firește, valoarea forței măsurată a gravitației variază cu adâncimea deoarece distanța modificată în centrul Pământului și schimbat în acest interval de masă (pământ nu este uniformă!). Deoarece ei știau forța gravitațională, la o anumită adâncime, precum și densitatea rocii înconjurătoare, astfel încât acestea ar putea prezice forța corespunzătoare puțin deasupra sau puțin sub această măsurători sloya.Mnogochislennye efectuate de grupul a arătat că modificarea adâncimii gravității măsurată este diferită de valorile anticipate . Valoarea măsurată a forței de gravitație pe suprafață au fost de aproximativ 1% mai mică decât era de așteptat din măsurători asupra adâncimii. Această discrepanță poate fi explicată prin asumarea existenței unei forțe de respingere slabă necunoscută.
Fischbach a sugerat că natura anomaliilor detectate într-un complet diferite experimente - masuratori geofizice si sistemul de neutre K-mezonilor - unul și același, și au oferit să le explice existența unei noi forțe de respingere, care rezultă din hypercharges de interacțiune (pentru hypercharge materia obișnuită egală cu suma maselor protoni și neutroni, în masă, adică aproximativ egală, și este egal cu numărul cuantic, denumit „ciudățenia“) pentru K-mezoni. Pentru a înțelege mecanismul acestei interacțiuni, să trecem un pic în lateral și să încerce să dau seama cum să descrie toate interacțiunile fizice în limbajul mecanicii cuantice.
Mecanicii Cuantice ȘI FIZICE INTERACTION
Însăși ideea existenței unei noi forțe, și-a exprimat Fischbach, nu era nimic deosebit de senzațional (senzație a avut date experimentale pentru a susține această idee). Faptul că toate încercările moderne de a unifica gravitația cu alte interacțiuni fundamentale într-o singură teorie cuantică coerentă prezice existența unor interacțiuni noi ale rezistenței naturale comparabile cu gravitate, care ar trebui să conducă la o serie de efecte noi.
Reprezentările cuantice schimbat fundamental teoria câmpului. Din punct de vedere clasic de energie și impuls câmp transferat. Potrivit mecanicii cuantice, energia și impulsul este transmis în porțiuni discrete, numite fotoni, care sunt descrise ca particule. În consecință, forțele sunt rezultatul schimbului de astfel de particule în domeniul teoriei cuantice. Aceste particule au o greutate specifică și spin repaus (moment unghiular intrinsec), care poate lua valori întregi sau pe jumătate întregi. Toate interacțiunile cunoscute - gravitaționale, electromagnetice, slabe (în principal responsabil pentru anumite tipuri de dezintegrare radioactivă) și puternice (care face legătura între componentele nucleelor atomice) - transportul de particule cu rotire întreagă și produce energie, domeniul de aplicare, care este invers proporțională cu masele acestor particule. Pentru interacțiunea electromagnetică astfel particulă intermediară numită foton și interacțiunea gravitațională - gravitonului. În teorie, ambele aceste particule nu au o masă de repaus, și, prin urmare, aceste interacțiuni sunt din gama infinite. Tăria interacțiunea dintre cele două sarcini electrice de două mase sau scăderi invers proporțional cu pătratul distanța între acestea.
Celelalte două forțe, interacțiunile nucleare puternice și slabe sunt eficiente numai la interval foarte scurt. Dimensiunea lor, în plus față de dependența de obicei r -2 descrește exponențial cu distanța în caracteristica regiunii de interacțiune, notat (raza potență). Matematic, aceste forțe variază în mod proporțional. Prin urmare, fiecare dintre aceste interacțiuni sunt transmise particule masive. Pentru interacțiune slabă este așa numitul W +. The W - și Z 0 Bosonii (deschis în 1983) și pentru interacțiunea puternică - "gluoni" Toate au o greutate aproximativ de 100 de ori mai mare decât un proton, și legate de ele forțe au un domeniu caracteristic de la 10 la 15 cm (minus nucleonii dimensiuni).
Este cunoscut faptul că spinul domeniu legat de natura forțelor: teren cu o învârtire ciudat poate provoca atât atragerea și forțelor repulsive; câmp cu spin chiar - scalar (rotire 0) sau tensor (de spin 2) - provoacă doar gravitație. Interferențele electromagnetice, de exemplu, poate fi descris ca un câmp vectorial de spin cu 1 (adică, forța generată de către un foton cu rotire 1). Puterea acestui câmp va fi atras de particule încărcate opus și respingător pentru taxe, cum ar fi.
Aparent, teoria gravitației trebuie să fie construite exclusiv pe câmpurile de scalare și tensor purtate de particule cu o învârtire chiar. Cu toate acestea, încercările de a cuantiza teoria relativității generale, sub forma unui câmp tensorial au anumite dificultăți matematice (în calcule apar infinit de mare valoare). Aceasta a forțat fizicienii să caute modalități de a spori gravitației cuantice.
De la teorie unificată Grand FORȚA CINCEA
O abordare preferată a clasei teoria cuantică a gravitației se bazează pe un anumit tip de simetrie internă și cunoscută sub numele de teorii gauge. Ele sunt acum utilizate pe scară largă pentru a descrie interacțiunile puternice și electroslabe (fizicienii au putut să construiască o teorie satisfăcătoare care unește două interacțiuni) și sunt „candidați“ în așa-numita teorie unificată de mare, care ar trebui să se unească toate interacțiunile cunoscute.
Teoriile gauge succes dă speranța că dificultățile matematice în cuantizarea relativitatii generale (RTG) pot fi depășite prin introducerea așa-numitei SUSY locale. În cele mai multe versiuni ale acestor modele sugerează că o particulă de spin cu jumătate de integrală este un partener pentru fiecare particulă cu rotire număr întreg, și vice-versa. Astfel, crearea unui caleidoscop de noi particule: gravitonului spin-2 are un partener cu rotire 3/2, care la rândul său are un partener cu spin-1 (graviphoton), partenerul său - cu rotire 1/2, care are un partener de spin-0 (gravi-scalar) . (Câțiva parteneri pentru fiecare valori de spin sunt descrise în unele modele).
Acești parteneri similari nou graviton sverhsostoyaniyam cuantic, și, probabil, existența lor se asigură că teoria supergravitation conțin destul de acceptabil (în primă aproximație) proprietățile câmpului cuantic. Oricum, totul este acum considerat teoria gauge a gravitației cuantice includ starea supersimetric.
Pe de o parte, particulele cu un spin jumătate de număr întreg în aceste așa-numitele teorii supergravitation sunt susceptibile de a fi foarte masive. Energia care corespunde cu masa lor de repaus, nu trebuie să fie mai mică de 10 12 eV (de 1000 de ori mai mare decât masa unui proton).
Pe de altă parte, o particulă de spin cu număr întreg ca graviton, transferul de forță și ar trebui să cauzeze efecte care este mai puțin probabil gravitatsionnyh.Po aparent, de asemenea, graviphoton și gravi-scalară au masă de repaus apreciabilă, astfel încât domeniul de aplicare a acestora ar trebui să fie finit cantitatea. Cu toate acestea, doar creează atracția gravi-scalar, în timp ce efectele graviphoton depind de faptul dacă interacționând particule identice sau diferite. schimb de Graviphoton între substanță și substanța (sau antimateria si antimaterie) va provoca repulsie schimb graviphoton intre materie si antimaterie cauza atracție.
Este interesant faptul că efecte similare au fost prezise în diferite teorii, în care problema a fost considerată gravitatea din alte perspective. Unele teoria metrică modernă de dimensiuni mai mari decât cele convenționale 4-dimensional spațiu-timp, prezice, de asemenea, apariția de noi particule. Această abordare ne aduce înapoi la activitatea în urmă cu mai mult de 60 de ani, a făcut T. Kaluza și O. Klein, care a creat un model de greutate în multidimensională spațiu-timp și apoi „proiectat“ pentru a obișnuit său spațiu-timp, în speranța de a obține o teorie unificată a gravitatiei și electromagnetismului . O jumătate de secol a modelului Kaluza-Klein a rămas în uitare, dar în ultimele decenii, unii fizicieni teoretice au apelat din nou la ea, întrebând ce se va întâmpla în cazul în care ea va fi extins la Yeshe dimensiune mai mare. Se constată că gravitonului multivariată (spin-2) în timpul transferului către obișnuitele patru măsurători trebuie să aibă mai multe componente: gravitonului 4-mer (spin-2) câmp vectorial bidimensional (spin-1) graviphoton corespunzătoare, și un câmp scalar unidimensional (rotire 0) gravi-scalar corespunzătoare. Ca și în supergravitatie, în unele modele, există mai mulți parteneri în aceeași rotirii. Astfel, teoria non-metrică a supergravitatie și teoria metrică de dimensiuni mai mari sunt izbitor consecințe similare.
În prezent, există o clasă destul de largă de alte modele teoretice care prezic existența unor noi forțe macroscopice slabe.
Aceste forțe noi realizate noi particule masive (cum ar fi, de exemplu, graviphoton și gravi-scalar) pot fi rezumate în conceptul de a cincea forță, sau, ținând cont de componentele repulsiv sau atractive - puterea a cincea și a șasea.
Precum și energia nucleară, se schimbă în mod proporțional. Prin urmare, o cincime forță la interacțiunea dintre două particule de material poate fi scris ca
Aici, Q1 și Q2 indică „taxe“ (surse) a cincea putere a fiecărei particule de material, și f 2 - constante de interacțiune.
Prin urmare, noi efecte pentru interacțiunea dintre două corpuri macroscopice constau în adăugarea la elementul obișnuit forță newtonian (sau mai mulți membri!) De forma (1). Cantitatea de forță nouă caracterizată prin așa numita constantă de cuplare eficientă, în general indicată, ceea ce indică ce procent din noua forță este gravitația. Astfel, puterea totală a interacțiunii dintre cele două mase m1 și m2 se poate scrie (pentru simplitate, doar un singur membru extensie)
Aici GM1 m2 / r 2 - forța newtoniană obișnuită (G - constanta gravitațională), și, așa cum este ușor de văzut, este raportul dintre
Potrivit Fischbach, domeniul de aplicare a cincea forță trebuie să fie de ordinul a câteva sute de metri, prin urmare, particulele de masă purtătoare trebuie să fie de ordinul 10 -9 eV (adică, de la 10 -14 masă de electroni).
Experimentele în care poate fi detectată de o cincime forță
De obicei, în teoriile fizice ale interacțiunii sursei scalare (precum tensorul) este o masă de particule (energie). Prin urmare, în cazul în care un operator de transport cincea forță - particulă scalar (de exemplu, gravi-scalar), atunci puterea de încărcare a cincea precum și pentru gravitatea, să fie de masă (energie). Prin urmare, în acest caz, așa cum se vede din formula (3), efectiv constantă interacțiune este într-adevăr constant, independent de organismele care interacționează.
In schimb, masa (energie) nu este o taxă pentru o interacțiune vector. Prin urmare, sarcina noului câmp vectorial, așa cum este sugerat de Fischbach poate fi baryon hypercharge Y sau B, care este aceeași pentru corpurile macroscopice. (Să ne amintim că pentru corpul baryon convențional are un număr total de protoni și neutroni Z N, conținute în atomii corpului). taxa baryon de aproximativ, dar nu destul de exact proporțional cu masa atomilor. Aproape de centrul din tabelul periodic, în cazul în care energia nucleară este mai puternic, numărul de barioni pe unitate de greutate cât mai mare și este redus la începutul și sfârșitul tabelului. Astfel, interacțiunea efectivă constantă în acest caz, nu mai este constantă, dar va depinde de compoziția chimică a corpului.
Pentru confirmarea experimentală a existenței unor forțe noi transmise noi particule intermediare, putem obține efectele măsurate a două tipuri de experimente fizice:
- producția directă de noi particule;
- Descoperirea unei noi forțe gravitaționale în experimente macroscopice.
Evident, în timp ce prima cale nu este acceptabilă, deoarece este de așteptat ca cele mai multe dintre efectele cauzate de noi particule va avea loc la energii foarte mari (14 octombrie GeV și mai mari). În acceleratoare moderne de interacțiune între două particule pot fi realizate la un nivel de energie mult mai mic. Așa că doar a doua cale este în viitorul apropiat.
Două grupuri pot fi distinse în experimentele gravitaționale clasice în care pot fi detectate noi forțe.
1. Verificarea legii invers proporțional cu pătratul In experimentele de acest tip este cautat forță anormală (nesubordonate legii pătratul) între corp de testare și sursa interacțiunilor massoy- ca dependența măsurată de forța care acționează asupra corpului de test de la distanță. Aceste experimente pot fi, de asemenea, văzută ca o măsură a gravitaționale constantă G, în funcție de distanța. Într-adevăr, expresia (2) poate fi scrisă sub forma obișnuită a legii lui Newton
dar cu eficienta constanta gravitațională G (r), care depinde de distanța
În această expresie reprezintă constanta gravitațională care caracterizează interacțiunea pe distanțe foarte lungi. Se înțelege că în aceste experimente pot fi detectate ca forță scalar (atragerea și are ca scop precum și gravitate) și vectorul (respingător). Dacă există două forțe, în același timp, aceasta va fi înregistrată de suma lor. Rețineți că, deoarece forța ipotetică are o rază de acțiune caracteristică, atunci arată-te poate fi doar la distanțe mai mici. Prin urmare, în cazul în care sursa este un organism extins, ale cărui dimensiuni sunt mai mari, contribuția acestei noi puteri va da doar sursa de masă, care se află în sfera de rază centrată pe corpul de testare.
În funcție de scara distanței scanate în acest tip de experimente ca organisme care interacționează pot fi utilizate: două laboratoare corp (interval de laborator de la câteva mm până la 10 m); Land și gravimetrului (geofizic distanta de la 10 m la cativa km); Terestre și prin satelit pe orbită (distanțe de satelit de la 100 km la 1000 km); corp ceresc și nave spațiale (distanțe astronomice 10-10 3 km 8 km).