Космология ранней Вселенной - Долгов А.Д.
ISBN 5-211-00108-7
Скачать (прямая ссылка):
испуская и вновь поглощая (или превращаясь в) кванты других полей
обязательно станут массивными.
И в электродинамике, и в гравитации в теорию исходно, т. е. еще на
классическом, доквантовом уровне, был встроен как раз такой принцип,
который запрещал появление массы и на квантовом уровне (т. е. появление
членов т2Л"2 в лагранжиане). Это были уже упомянутые принцип
калибровочной инвариантности в электродинамике и принцип общей
ковариантности в теории тяготения. Отметим глубокую связь между этими
принципами и сохранением электрического тока в первом случае и
сохранением тензора энергии-импульса - во втором. Оба закона сохранения
являются следствиями упомянутых принципов. Обратное утверждение
несправедливо, и, в
4. БЕЗМАССОВЫЕ II МАССИВНЫЕ ПОЛЯ
5 Г
частности, можно построить теорию массивного векторного поля,
взаимодействующего с сохраняющимся током.
Возникает естественный вопрос: исчерпываются ли все даль-нодействующие
силы в природе электромагнитными и гравитационными или существуют еще
какие-то, пока необнаруженные поля и соответствующие им безмассовые
частицы?
Космологам хорошо известны теории, в которых предполагается существование
еще одного (на сей раз скалярного) безмассового поля. Это так называемые
скалярно-тензорные теории гравитации (как, например, теория Бранса-Дике),
в которых к тензорному гравитационному /г*' полю добавляется еще
небольшая примесь скалярного <р. Однако в соответствии со сказанным выше
учет квантовых эффектов с необходимостью должен привести к тому, что поле
ф приобретает массу, поэтому создаваемый им потенциал уже не будет
дальнодей-ствующим и на макроскопических расстояниях не проявится. Оценки
величины возникающей при этом массы поля ф весьма неопределенны и
варьируются от тф=тРi, что отвечает радиусу взаимодействия /= 10~34 см,
до mv=m02/mpi, где т0 - некоторая характерная для используемой модели
масса. Если т0 связана с характерным масштабом нарушения суперсимметрии
(см. гл. 4), т. е. m0=102-103 ГэВ, то /=0,1-10 см; если же т0 связана с
характерными масштабами сильного взаимодействия, т. е. т0-0,1 ГэВ, то
/=107 см. Наличие такого поля не было заметно в астрономических масштабах
и поэтому от астрономических проверок теории Бранса - Дике и других
подобных теорий следует ждать отрицательного результата, как мы это и
наблюдаем. Существование поля ф можно было бы заметить по вариации
гравитационной константы с расстоянием с характерным масштабом 1=т"-1.
Существование еще одного безмассового тензорного поля, помимо
гравитационного, исключено, так как безмассовое тензорное поле должно
иметь сохраняющийся источник, а мы знаем (на этот счет существует
специальная теорема), что имеется лишь один сохраняющийся тензор II ранга
- тензор энергии-импульса.
Для векторных полей свободы заметно больше. Помимо электромагнитного,
можно сконструировать множество других сохраняющихся векторных токов и
задаться вопросом, не существует ли связанного с этими токами
дальнодействия. Свыше 30 лет назад Т. Д. Ли и Ч. Н. Янг (1955)
проанализировали вопрос о наличии дальнодействия, связанного с барионным
зарядом В. Это заряд, который приписывается протонам, нейтронам и
некоторым другим частицам, чтобы феноменологически описать наблюдаемое на
опыте их сохранение (см. гл. 4).
Заметим, что если бы существовало дальнодействие, связанное, например, с
барионным зарядом, то мы бы могли узнать,.
52
4. ТЕОРИЯ ПОЛЯ. КРАТКОЕ ВВЕДЕНИЕ
сколько барионов находится в теле, не пересчитывая их непосредственно, а
по теореме Гаусса.
Было, однако, показано, что даже если барионное дальнодействие
существует, его сила должна быть ничтожно малой. .Этот вывод основан на
экспериментах по проверке принципа эквивалентности. Согласно этому
принципу гравитационная масса равна инертной, т. е. гравитационное
ускорение всех тел должно быть одинаково независимо от вида вещества. Это
равенство ускорений для притяжения к Солнцу было проверено с точностью
10-12 В. Б. Брагинским и В. И. Пановым (1971). Если бы существовали
дальнодействующие (т. е. падающие как 1/л-2) силы взаимодействия между
барионными зарядами, то утверждение равенства ускорений различных тел
было бы несправедливо. Последнее связано с тем обстоятельством, что масса
ядра не строго пропорциональна его барионному заряду, причем отклонение
от пропорциональности может достигать нескольких тысячных. Отрицательные
результаты этих опытов говорят, что барионное поле (если оно существует)
взаимодействует слабее, чем гравитационное поле в 10"3/10~12= 10~9 раз,
слабее электрического в 1045 раз, так что по всей видимости такого
взаимодействия нет.
Нужно, однако, помнить, что в физике могут возникать очень малые (или
очень большие) числа. Мы знаем примеры, когда в квантовой теории поля
возникают факторы типа ехр (-1/а), где а-10~2 - величина характерной
константы связи в теории. Поэтому, строго говоря, мы никогда не можем
абсолютно исключить существование того или иного взаимодействия, а можем
