Погружение в глубь микромира

Известная часть материи представляет собой вещество и поле, которые состоят из элементарных частиц, представленных в Стандартной модели. Вещество состоит из фермионов (это кварки и лептоны), поле состоит из бозонов (переносчиков взаимодействий). Эта модель имеет хорошее согласие с экспериментом, но имеет недостатки – она не включает в себя тёмную материю, тёмную энергию и гравитацию,  а также содержит много внешних параметров.

Являются ли частицы этой модели истинно элементарными, или они могут из чего-то состоять? Что мы могли бы увидеть при погружении вглубь микромира? В этой статье мы попытаемся погрузиться в самую глубь микромира.

Ещё в школе я при размышлении о соотношении микро и макромира пришёл к следующему предположению (конечно, эта идея была не нова). Если атомы состоят из ядра и электронов, а ядро – из протонов и нейтронов, которые состоят из кварков, а все они, возможно, складываются из более простых частиц, то они имеют очень сложное строение. Атомы, по-разному сочетаясь друг с другом, образуют простые и сложные молекулы, и вещества. Все органические и неорганические вещества состоят из молекул. Скапливаясь в громадных количествах, они образуют планеты и звёзды, звездно-планетные системы, галактики, скопления галактик, метагалактики. Все они вращаются вокруг своей оси и по некоторой орбите – маленькие тела вокруг больших, также как в атомах электроны двигаются вокруг ядра. Может быть, вся Вселенная в свою очередь является составной частью более крупного мира органических и неорганических соединений из наших звёздных систем, галактик или метагалактик. Для этих соединений они таковы, как для нас электроны, протоны и нейтроны. Также может быть, что сложный мир существует и в элементарных частицах, служащих для этого мира планетами и звёздами, состоящими из более простых частиц.

Как я потом выяснил, это предположение было близко к оригинальным физическим гипотезам фридмонов или планкеонов. По гипотезе планкеонов, существуют микровселенные исключительно малых размеров и с плотностью 10^(-97) кг/м3. Согласно другой гипотезе фридмонов, элементарные частицы – это «высовывающиеся» в наш трёхмерный мир сечения огромных четырёхмерных сфер-вселенных (фридмонов). Двигаясь вглубь материи, мы попадём в другую вселенную-частицу, и так до бесконечности. Наша Вселенная – тоже фридмон, поэтому ситуация повторится при выходе за пределы нашей Вселенной.

Эти гипотезы фридмонов или планкеонов не могут претендовать на адекватное отражение структуры материального мира. В гипотезе фридмонов материя оказывается не бесконечным многообразием качественно различных форм (ступеней развития), а физической системой, одним единственным структурным уровнем, повторённым бесконечное количество раз, наподобие фрактала. Такое представление исключает развитие материи, которая превращается в стационарную физическую систему. Возможно, однако, что гипотезы такого типа могут отражать объективную реальность, но не структуру материального мира в целом, а некоторые черты одного из уровней развития материи.

Рассмотрим более реалистичные на сегодняшний день концепции того, что могут представлять собой известные элементарные частицы. Выделим две основные точки зрения: либо все частицы являются неделимыми колеблющимися струнами; либо частицы имеют структуру и из чего-то состоят.

Существует теория суперструн – одна из теорий великого объединения, в которой объединяются сильное, слабое и электромагнитное взаимодействия. В ней считается, что все частицы представляют собой разные моды колебаний одномерных струн, имеющих планковские размеры. Теория суперструн основывается на гипотезе суперсимметрии, согласно которой все частицы имеют своих суперсимметричных партнёров: у фермионов есть суперпартнёры бозоны, а у бозонов – суперпартнёры фермионы. Она связывает бозоны и фермионы, так что они могут превращаться друг в друга. Другими словами, преобразование суперсимметрии может переводить вещество во взаимодействие, и наоборот.

На сегодняшний день суперсимметрия не подтверждена, суперсимметричные частицы не найдены, и вся теория суперструн является гипотезой. Скорее всего, она не имеет полное отношение к реальности.

С другой точки зрения, элементарные частицы имеют структуру и представляют собой последовательность "матрёшек", вложенных друг в друга. Эта последовательность может быть бесконечной. То есть частицы Стандартной модели не являются элементарными. Преоны – это частицы, из которых они состоят. Так их называют.

Эта гипотеза может быть подтверждена, в частности, при обнаружении новых типов звёзд. У обычных звёзд гравитационное сжатие сдерживается давлением вырожденных электронов, за счёт чего они существуют в равновесии. У нейтронных звёзд сжатию препятствует давление вырожденных нейтронов. Есть предположение, что возможно равновесное существование космических объектов, сжатию которых препятствует давление вырожденных кварков. Если существуют преоны, то также возможны и тела, в которых сжатие сдерживается давлением вырожденных преонов. Эти странные и пока гипотетические новые звёзды называют кварковыми или преонными звёздами, соответственно. 

Кварковые звезды – это звезды, состоящие из кварковой материи, или кварк-глюоной плазмы. Подобные звезды могут создаваться после того, как у среднеразмерных звезд (примерно в 1,4 раза больше нашего Солнца) заканчивается топливо для поддержания термоядерной реакции и они переходят в коллапсирующую стадию своего жизненного цикла. При коллапсе протоны и электроны сжимаются друг с другом настолько сильно, что в итоге формируют нейтроны. Образуется нейтронная звезда. Однако есть предположение, что если звезда обладает ещё большей массой и продолжает коллапсировать после этой стадии, то нейтроны под действием колоссального давления расщепляются и продолжают сдавливаться до кварк-глюонной плазмы. И образуется кварковая звезда.

Преонные звезды могут являться продолжением кварковых звёзд. Если звезда сожмется настолько, что превратится в кварковую звезду, но при этом по-прежнему сохранит достаточно массы, чтобы продолжать процесс коллапса, то кварки могут начать разделяться на преоны. Тогда сформируется преонная звезда. 

Такие звёзды по размерам должны быть меньше нейтронных звёзд, но больше чёрных дыр, т. е. они должны иметь радиус больше гравитационного радиуса для соответствующей массы. Открытие преонных звёзд будет свидетельствовать о существовании преонов.

Также преоны могут быть открыты при обнаружении строения, например, у электронов. При наличии у электронов структуры из преонов при высокоэнергичных столкновениях будут обнаружены центры рассеивания, как в опытах Резерфорда была открыта структура атомов при облучении их альфа-частицами.
 
Гипотеза о существовании элементарных, неделимых объектов противоречит философскому принципу неисчерпаемости материи, объективным основанием которого является диалектическое противоречие бесконечного и конечного, что требует признания сложности атрибутом материи. Элементарные объекты должны быть лишены не только внутренних, но и вообще всяких  свойств, поскольку эти свойства являются проявлением внутренней структуры вещи, многообразия её структурных уровней. В соответствии с этим, есть основания полагать, что частицы представляют собой бесконечную последовательность всё более маленьких структур, вложенных друг в друга.

Изучение материи при погружении в микромир может привести к обнаружению свойств, не подчиняющихся физическим законам. Тогда будет обнаружена новая форма материи, которая не обладает физическими свойствами. Она будет являться менее сложной ступенью развития материи по сравнению с физической ступенью. Философы такую форму материи называют субфизической, или дофизической.

Существование дофизической формы материи является гипотезой, имеющей философские и естественнонаучные основания. Физическая реальность – это масс-энергетическая реальность. Свойства массы и энергии, физические законы сохранения не являются всеобщими законами материального мира, не являются атрибутами материи. Поэтому допускается существование таких уровней материальной структуры, где понятия массы и энергии утрачивают свой смысл, а закон сохранения энергии применительно к явлениям такого уровня также утрачивает своё значение.

У физиков давно возникал вопрос: существует ли такая фундаментальная длина, при которой начнётся "новая физика", начнут проявляться какие-то необычные пространственно-временные представления? Назывались разные кандидаты на такой масштаб. Пока таким масштабом считается планковская длина. Но возможно, что и на каком-то большем масштабе начнут проявляться новые свойства.

Считается, что на планковских масштабах пространство-время напоминает пену, «изначальный хаос», из которого возникают законы  физики. При меньших масштабах нельзя пользоваться классической релятивистской теорией гравитации, общей теорией относительности (ОТО). Здесь нужно синтезировать ОТО и квантовую теорию поля, создав квантовую теорию гравитации (она ещё в законченной форме не существует).

В этих условиях понятия массы, энергии, классические представления о пространстве и времени оказываются неприменимы, утрачивают силу законы сохранения энергии, зарядов и др. Здесь как бы начинается физическое время и рождается физическое пространство, время до 10^(-43) с и длины, меньшие 10^(-35) м, не имеют смысла с точки зрения современной физики. Здесь точки зрения философии и физики сближаются: началу "новой физики" (у физиков) можно соотнести начало субфизики (у философов).

Возможно, что физический вакуум есть прообраз дофизической формы материи. Физический вакуум – это, по сути, новый эфир. Это не абсолютная пустота, а сущность, обладающая необычными свойствами.

Физический вакуум в квантовой физике – это низшее (основное) энергетическое состояние всех квантовых полей. Это полностью лишённое вещества пространство, заполненное полем в таком состоянии. Квантовая теория поля утверждает, что, в согласии с принципом неопределённости, в физическом вакууме постоянно рождаются и исчезают виртуальные частицы: происходят так называемые нулевые колебания полей. Там происходит постоянное кипение виртуальных частиц, в том числе рождаются заряженные частицы в паре со своей античастицей. Совокупность виртуальных процессов рождения и аннигиляции пар частиц в вакууме, обусловленных квантовыми флуктуациями, называют поляризацией вакуума. Виртуальные частицы можно рассматривать как частицы, возникающие в промежуточных состояниях взаимодействия «реальных» элементарных частиц. Виртуальные частицы живут очень короткий промежуток времени, в пределах квантовой неопределённости, не нарушая закон сохранения энергии. Но если на вакуум воздействует внешнее поле, то за счёт его энергии возможно рождение реальных частиц. Например, именно таким эффектом объясняется возникновение излучения Хокинга в сильных гравитационных полях у горизонта событий черных дыр.

Частицы одного и того же вида, например, фотоны или электроны, могут в одних ситуациях участвовать как виртуальные, а в других – как реальные. Отличие виртуальных частиц в том, что они рождаются и уничтожаются (поглощаются) в процессе взаимодействия и не присутствуют в эксперименте в начальном и конечном состоянии. Взаимодействие реальных частиц с вакуумом приводит к изменению их свойств – массы и заряда. Виртуальные частицы определяют свойства физического вакуума, который, таким образом, в современной физике приобретает атрибуты материальной среды.

В космосе вакуум не совсем свободен от вещества – он заполнен большим количеством различных частиц, в частности, реликтовым излучением (фотонами с температурой около 2.73 К) и реликтовыми нейтрино. На фоне вакуума происходит всё во Вселенной, он заполняет всё пространство. Вакуум обладает специфическими свойствами.

В последнее время было обнаружено, что помимо обычного вещества (4.9 %) существуют ещё тёмная материя (26.8 %) и тёмная энергия (68.3 %). Не известно, что такое тёмная материя. А её почти в 6 раз больше обычного вещества. Она как-то может быть связана с физическим вакуумом. А ещё больше в нашей Вселенной тёмной энергии. Посредством её объясняют ускоренное расширение Вселенной. Тёмная энергия располагается всюду в пространстве, т. е. – в физическом вакууме. Следовательно, эта неведомая сущность должна быть связана с вакуумом. Сущность физического вакуума ещё предстоит изучать, он скрывает за собой много тайн и открытий, возможно, даже очень неожиданных.

Погрузившись вглубь микромира, мы узнали много интересных вещей, но гораздо более интересные вещи ещё предстоит обнаружить. В глуби микромира кроется бесконечное многообразие неведомых свойств и сущностей.