ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ СОХРАНЕНИЯ И НАКОПЛЕНИЯ ЭНЕРГИИ

Андрей Иванович Касьян

"Наступит время, когда тщательные и продолжительные
исследования прольют свет на вещи, пока скрытые от нас".
Сенека

С проблемой необратимости времени тесно связан целый круг концептуальных задач. Операция обращения времени сводится к изменению знака у Т (прокручивание фильма в обратном направлении). Стоит посмотреть на уравнения Максвелла, чтобы убедиться в их Т-инвариантности. Сильное взаимодействие также инвариантно относительно обращения времени. Вероятности протекания прямых и обратных реакций равны между собой (точность порядка 10-3). Здесь наступило время вспомнить одну из самых фундаментальных теорем - СРТ-теорему, которая интенсивно исследуется. Она утверждает, что все известные взаимодействия инвариантны относительно СРТ-преобразования. СРТ-инвариантность следует из самых общих принципов теории. Ее нарушение потребовало бы изменить такие основы, как принцип причинности, связь спина со статистикой. Итак, если СРТ-теорема верна, то нарушение СР-инвариантности влечет (косвенно) нарушение Т-инвариантности. В каком-то смысле этого можно было ожидать, так как прокручивание фильма в обратном направлении не может длиться долго и "заканчивается" к моменту Большого взрыва. С этим связано и нарушение закона сохранения энергии. Откуда берется энергия Большого взрыва? Нельзя исключить существования во Вселенной множества Метагалактик. Одни из них расширяются, другие коллапсируют (а мы попали в "хорошее", тихое место). Если во Вселенной имеется несколько квазивселенных со своей космологией, историей и т.д., то тогда вопрос встает под углом зрения их взаимодействия. Энергия в этом случае может сохраняться, и время может оставаться симметричным и продолжать изменяться дальше в прошлое за "начало отсчета", связанное с Большим взрывом. В квантовой теории сами уравнения обратимы во времени и не видно причин, по которым должна нарушаться инвариантность по времени. Правда, Т-инвариантность в квантовой теории может нарушаться за счет наличия фазы в матрице Кобаяши-Маскавы, но это требует особых рассмотрений. Экспериментальная проверка Т-инвариантности может быть осуществлена путем поиска электрического дипольного момента у элементарных частиц.

Теперь об опытном подтверждении указанных теоретических воззрений. Количество экспериментов весьма значительно, так что упомянем лишь некоторые из них. Но начнем мы рассмотрение не с СРТ-теоремы, а с лоренцевой инвариантности. Суть заключается в том, что согласно теореме Белла-Паули-Людерса, нарушение СРТ-симметрии влечет нарушение лоренцевой симметрии. В 1881 г. Майкельсон попытался обнаружить анизотропию скорости распространения света (по ходу движения Земли и против/поперек). Эффект отсутствовал. В 1887 г. он повторил опыт с большей точностью, и опять - никакого эффекта. С утроенной точностью опыт повторили Иоос в Германии и Кеннеди в Америке. Все эффекты лежали в пределах ошибок опытов. Трутон и Нобль наблюдали заряженный конденсатор, который благодаря движению Земли должен был бы поворачиваться. Однако эффекта не было. В 50-х годах Стоел, Джус, Таунс установили, что скорость света не зависит от направления движения с точностью до 25 мм/с. В 1979 г. в эксперименте Бриля-Холла разница между скоростями двух лучей лазера по ходу и против движения Земли не превышала 0,001 мм/с.
Эксперименты аналогичного плана проводятся также с помощью другой техники. Например, группа Д. Липы в настоящее время использует для этой цели сверхпроводящие камеры. Группа А. Петерса и С. Шиллера использует луч лазера в сапфировых резонаторах, и никаких отклонений от теории не было обнаружено (точность результатов порядка 10-15). Р. Уолсорт провел серию экспериментов с часами. С точностью до 10-27 наблюдается сохранение симметрии. В ближайшее время планируется проведение серии подобных экспериментов на борту международной космической станции.

В настоящее время проводятся также высокоточные СРТ-эксперименты с антиматерией. Группа Г. Демелша с помощью ловушек Пеннинга произвела сравнение аномальных магнитных моментов электрона и позитрона. Никаких нарушений СРТ-симметрии не обнаружено.

Свет от отдаленных галактик имеет определенную поляризацию. Его можно себе представить как волну (свет - это волновой процесс), имеющую некоторое выделенное направление в пространстве (перпендикулярно направлению распространения). Обычный свет не имеет никакого выделенного направления (круговая поляризация). С помощью поляризации исследуется вопрос о нарушении СРТ-симметрии ранней Метагалактики. Опыты А. Костелаки и М. Мьюеса показали с точностью до 10-32 сохранение симметрии.

Кратко коснемся некоторых дальнейших перспектив исследований. Умами ученых владеет идея объединения с помощью одной теории всех известных взаимодействий. Очень популярна модель с низкоэнергетической суперсимметрией, обеспечивающая объединение калибровочных констант.

Г. Джорджи и Ш. Глэшоу выдвинули теорию объединения, которую называют "минимальной SU5-моделью". К четырем уже известным бозонам добавлены еще два. Эти бозоны, являясь переносчиками сил Великого объединения, участвуют в процессах, не сохраняющих барионный и лептонный заряды. Одним из предсказаний рассматриваемой модели является распад протона, впрочем, с чрезвычайно малой вероятностью. В настоящее время эксперимент показывает время жизни протона, превышающее 1032 лет, что вступает в противоречие с теорией.

Теория предсказывает также существование изолированных магнитных зарядов - монополей Дирака. До 1975 г. искали легкие монополи, и результаты оказались отрицательными.

Если простейшие теории Великого объединения справедливы, то появляется область Великой пустыни, где не могут быть обнаружены новые частицы.

В Стандартной модели предполагается, что масса нейтрино равна нулю. Однако ряд экспериментов, в том числе с солнечными нейтрино, позволили установить наличие массы у частиц.

Одно из приоритетных направлений - наблюдение кварк-глюонной плазмы. В 2000 г. была получена плазма с плотностью, превышающей ядерную в 20 раз.

В основе современной физики, кроме квантовой теории, лежит общая теория относительности, описывающая динамику в космическом масштабе. В 1998 г. было сделано открытие, что последние пять миллиардов лет расширение Метагалактики происходит с ускорением. Это связывают либо с темной материей, либо с темной энергией. Достаточно хорошо известные формы материи "весят" всего лишь несколько процентов от "всего остального". Изучение новых форм материи является концептуальной задачей.

СМ предсказывает многие явления с достаточной точностью, но не может рассматриваться в качестве окончательной теории, т.к. не учитывает гравитацию. В основе общей теории относительности лежит предположение о сравнительно большой гладкости локальных областей пространства-времени, что позволяет использовать тензорный аппарат. В микроскопических масштабах вакуум представляет собой квантовую пену и предположение о гладкости не выполняется. Совместное использование обеих теорий приводит в результате к расхождениям в бесконечность.

Таким образом, единая теория должна включать квантовую теорию гравитации и описание всех известных взаимодействий. Решение проблемы может быть найдено с помощью теории струн - гипотетических одномерных объектов, длиной 10-33 см. Струны живут в пространстве 10-11 измерений, которое в наших условиях "свертывается" до четырехмерного пространства-времени. В теории струн допускается нарушение лоренцевой и СРТ-симметрий.

Со временем было осознано, что суперструнные теории связаны преобразованиями дуальности и являются частными случаями мембранной теории.

Микроскопические масштабы и огромные энергии исключают проверку упомянутых концепций в условиях Земли. Однако свидетели ранней стадии зарождения Метагалактики, возможно, дадут подтверждения справедливости разрабатываемых многочисленных теорий.