10. Калибровочная инвариантность. Спонтанное нарушение симметрии.

В 1915 году Эйнштейн представил общую теорию относительности, основная идея которой – особенности явления тяготения, представленные в свойствах пространства и времени. В начале 20-ого века Герман Вейль решил создать теорию, способную объединить гравитационные и электромагнитные явления. Он предположил, что специфика не только гравитационных, но и электромагнитных явлений должна выражаться свойствами пространства и времени. Согласно гипотезе Вейля масштабы длины, длительности меняются от одной области к другой, а для этого их необходимо прокалибровать так, чтобы они одновременно выражали природу как гравитационных, так и электромагнитных явлений.

Физический смысл калибровочной инвариантности для электромагнитных взаимодействий заключается, во-первых, в особой роли разности потенциалов, во-вторых, состоит в том, что электромагнитное взаимодействие осуществляется фотонами, не обладающими массой покоя, являющимися бозонами и реализующими механизм не дальнодействия, а близкодействия. В-третьих, в выполнении закона сохранения электического заряда Q.

Калибровочная инвариантность в случае сильных взаимодействий свидетельствует о том, что:

1) адроны объединяются в изотопические мультиплеты;

2) адроны состоят из кварков;

3) переносчиками взаимодействия между кварками выступают глюоны;

4) кварки и глюоны обладают цветом (красным, зеленым и синим);

5) как правило, имеет место закон сохранения барионного заряда.

Калибровочная инвариантность характерна и для гравитационных явлений. Например, работа не зависит от начального и конечного положения тела, а только от разности между ними.

Смысл калибровочной инвариантности в теории гравитации также выражется в переносе взаимодействия гравитонами.

Спонтанное нарушение симметрии.

Для всех типов взаимодействия всякий раз выясняется, что масса покоя квантов взаимодействия равна нулю, а спин равен 1. Чем меньше энергия квантов взаимодействия, тем больше расстояние вплоть до своего поглощения он способен пройти. Если масса покоя равна 1, то может пройти любое расстояние. В случае сильных взаимодействий это несоответсвие можно объяснить малой жизнью.

Глюоны в качестве квантов сильного взаимодействия до их встречи с кварками не успевают пролететь расстояние больше, чем 10^-15 метров. Именно поэтому сильное взаимодействие оказывается короткодействующим. Кванты слабого взаимодействия имеют большее время жизни,чем все другие, то есть этим короткодействие не объяснить. Короткодействие слабого взаимодействия может быть только в случае отличия от нуля масс покоя квантов взаимодействия, но это противоречит калибровочной инвариантности.

Выход из данной ситуации удалось найти Вайнбергу, Саламу на основе идей Хиггса. Оказалось, что калибровочная инвариантность справделив аи для слабого взаимодействия, так как она соотносится с уравнением движения частиц, но не с их конкретным состоянием, которое возникает при переходе из неустойчивого состояния в устойчивое. Данный переход проходит в следствии спонтанного нарушения взаимодействия.

В случае слабых взаимодействий предполагается, что существуют особые Хиггсовские поля, единение с которыми и приводит к спонтанному нарушению симметрии. В электромагнитных взаимодействиях частицы не связаны с Хиггсовскими полями и поэтому фотоны безмассовые.

Кванты слабого взаимодействия взаимодействую с Хиггсовскими полями поглащают его кванты (бозоны Хиггса) и приобретают в результате массу покоя, что было экспериментально доказано. Все три чатсицы (w+, w-, z0=w0) обнаружены в экспериментах.

Бозон Хиггса (H) пока не обнаружен. Вопрос о механизме спонтанного нарушения симметрии является в физике элементарных частиц одним из самых насущных.