Современная физика охватывает масштабы от ~10е-19 метра (длинна волны электрона в Большом электрон-позитронном коллайдере) до ~10^26 метра (расстояние до наиболее удаленных космических объектов). На сегодняшний день считается, что Вселенная однородна, изотропна и в каждой ее точке работают одни и те же физические законы. Никаких убедительных экспериментальных фактов, заставляющих усомниться в этом нет.
Мы знаем, что все, что нас окружает, в конечном итоге состоит из конечного числа частиц, которые можно назвать истинно элементарными (не путать с термином "элементарные частицы") Известно так же 4 вида фундаментальных взаимодействий, в которых участвуют те или иные элементарные частицы - электромагнитное, слабое, сильное и гравитационное.Ядерное взаимодействие - самое сильное из всех четырех. Однако радиус его действия составляет всего ~10е-15 метра. Оно удерживает нуклоны в ядрах и кварки в нуклонах. Электромагнитное взаимодействие на два порядка слабее ядерного (если константу ядерного взаимодействия принять за единицу, то константа электромагнитного взаимодействия равна 1/137.) Электромагнитное взаимодействие обеспечивает существование атома, межатомные и межмолекулярные силы. Таким образом, можно сказать, что на маш мир на масштабах от долей нанометра до сотен километров - мир исключительно электромагнитных явлений. Константа слабого взаимодействия составляет ~10е-13. Характерный радиус действия слабых сил -10е-18м. Слабые силы опветственны за ряд процессов, таких, как распад нейтрона. В современной, так называемой Стандартной Модели электромагнитное и слабое взаимодействие объединены в единое электрослабое взаимодействие. Гравитационное взаимодействие крайне слабо и на микроуровне никак не проявляется. Оно на 39 порядков слабее сильного и господствует только на космических масштабах.
К истинно элементарным частицам относятся 6 кварков (u,d,s,c,b,t),каждый из которых может нести один из 3х различных цветовых зарядов, (а так же их античастицы); 6 лептонов - электрон, мюон, таон, нейтрино электронное, нейтрино мюонное, нейтрино таонное + их античастицы; фотон, 3 векторных бозона, 8 глюонов и гравитон (экспериментально пока не обнаружен). Ожидается также существование частицы, называемой бозоном Хиггса, которая экспериментально также пока не обнаружена. Таким образом, полное число истинно элементарных частиц составляет 6*3*2+6*2+8+1+3 = 60 +2 пока не найденные.
Каждая частица несет некий обобщенный заряд, позволяющий ий участвовать в том или ином взаимодействии. По современным представлениям любое из описанных взаимодействий осуществляется путем испускания и поглощения виртуальных частиц - носителей взаимодействия. Носителем электромагнитного взаимодействия являыутся фотоны, слабого - векторные бозоны W+,W- и Z0, сильного - глюоны, гравитационного - гравитоны. Обобщенный заряд (электрический заряд, слабый изоспин, слабый гиперзаряд, масса, цвет) таким образом характеризует способность частицы носителя заряда испускать и поглощать соответствующий носитель взаимодействия.
Для всех процессов, в которых участвуют элементарные частицы посредством того или иного взаимодействия имеет место строгое выполнение ряда законов сохранения - закона сохранения энергии, закона сохранения импульса, закона сохранения момента импульса. Эти законы сохранения следуют из однородности и изотропности нашего пространства и однородности времени. Для всех процессов имеет также место так называемая СРТ-инвариантность. Т.е. если в уравнениях, описывающих некий процесс одновременно сменить знаки у заряда, координаты и времени, уравнение не потеряет смысл. Для процессов сильного взаимодействия имеют место С, Р и Т инвариантности, для электромагнитных - СР-инвариантность. И только слабое взаимодействие слегка нарушая СР-инвариантность показывает отсутствие полной симметрии между веществом и антивеществом.
Современный уровень развития теории в физике элементарных частиц позвол;яет довольно точно (иногда колоссально точно) предсказывать параметры процессов с участием элементарных частиц. Но в то же время не вполне ясна природа самих частиц, их масс и зарядов. Условно частицы можно разделить на три поколения (по два кварка и два лептона в каждом). Весь наш мир состоит из частиц первого поколения (u, d кварки и электрон), а два других поколеня были получены лишь в экспериментах на ускорителях. Достоверно известно, что не существует 4го поколения частиц, во всяком случае, легче 40 ГэВ. Но каков смысл частиц второго и третьего поколения пока не ясно. Не ясна природа массы частиц. Сейчас предполагается, что она есть результат взаимодействия частиц с неким скалярным полем (полем Хиггса). Однако количественного описания этого взаимодействия пока нет. Есть также подозрение, что все фундаментальные взаимодействия имеют единую природу. (Великое Объединение) при высоких энергиях. С изменением характерной энергии взаимодействий меняются и их константы . (экранировка электрического заряда и антиэкранировка цветового заряда). Экстраполируя изменения констант взаимодействий в область высоких энергий можно увидеть, что константы сходятся. Означает ли это существование единой суперсилы ? Остается открытым вопрос - действительно ли элементарны частицы, считающиеся сейчас истинно элементарными? 60 первокирпичиков - не слишком ли много ? Не имеют ли они внутреннюю структуру на пока недоступных нам масштабах ? Существуют ли так называемые преоны - основа основ? Являются ли справедливыми струнные теории, описывающие элементарные частицы через колебание в пространстве высокой размерности одномерной струны ? Какова истинная размерность нашего пространства на микроуровне? По-прежнему ли оно трехмерно, или появляются дополнительные компактифицированные измерению ? Не они ли "съедают" гравитацию ? Существует ли так называемая суперсимметрия - симметрия между бозонами и фермионами - частицами с полуцелым и целым спином ? Сущестщуют ли сверхтяжелые стабильные суперсимметричные частицы ? Да, мы многое знаем о микромире, но вопросов по-прежнему много.
Перейдем к астрофизике и космологии. Экспериментальные свидетельства, такие как реликтовое излучение и красное смещение в спектрах дальких галактик указывают на то, что Вселенная расширяется. Экстраполируя сегодняшние данные о скорости расширения назад во времени, можно установить, что расширение нашалось примерно 15 миллиардов лет назад. Таким образом, возраст нашей Вселенной - 15 миллиардов лет. Поскольку в то далекое время Вселенная была колоссально горячей, в ней происходили в точности те же процессы, что сейчас мы наблюдаем в микромире, используя ускоритель частиц высоких энергий для инициализации этих процессов. Т. е. физика первых секунд жизни нашей Вселенной - это физика элементарных частиц. Стартовую точку , с которой началось расширение Вселенной, называют Большим Взрывом. Современная физика берется уверенно описывать эволюцию Вселенной с момента времени, отстоящего от Большого Взрыва на 10е-43 секунды. Проникнуть в более ранние времена не позволяет отсутствие квантовой теории гравитации, поэтому относиться к рассуждениям о причине Большого Взрыва и событиях, последовавших сразу за ним следует осторожно. Наиболее популярны сейчас инфляционные модели Вселенной. Согласно таким моделям эвольция Вселенной начинается со спонтанного перехода так называемого "ложного" вакуума в вакуум истинный с меньшей внутренней энергией. Выделившаяся энергия рашодуется на инфляцию - колоссально быстрое, экспоненциальное расширение Вселенной и на ее разогрев - рождение из вакуума вещества и антивещества. Состояние Вселенной в тот момент называют кварк-глюонной плазмой. Кварк-глюонная плазма была получена в земных условиях при столкновении на ускорителях тявелых ядер , разогнанных до высокой энергии Затем Вселенная остывает, расширяясь. От единого взаимодействия отщепляется сначала гравитация, потом сильное взаимодействие, а затем разделяются слабое и электромагнитное. При достижении некоторой критической температуры исчезает равновесие между анигиляцией вещества и антивещества и их рождением. В итоге все вещество и антивещество анигилируют. То вещество, что нас окружает - это следствие крохотного избытка вещества над антивеществом в ранней Вселенной. Откуда он взялся ? Только ли СР-нарушение ответственбно за это ? Убедительного ответа пока нет. Температура продолвала падать. Через 4 минуты после Большого Взрыва во Вселенной начался первичный нуклеосинтез. Образовались ядер дейтерия, гелия и лития. Спустя 400 000 лет Вселенная остыла до такой степени, что электроны были захвачены ядрами. Образовались первые атомы. Поскольку свободные заряды исчезли - Вселенная неожиданно стала прозрачна для света. Фотоны, ранее находившиеся в состоянии теплового равновесия в веществом працтически перестали с ним взаимодействовать и остывали с тех пор независимо. Сейчас мы видим эти фотоны, остывшие до 2.7 К, как реликтовое излучение. а через несколько сотен миллионов лет после Большого Взрыва в юной Вселенной зажглись первые звезды...
Наиболее загадочной проблемой астрофизики по всей видимости является проблема темной материи и энергии. Из наблюдения вращения галактик было установлено, что их масса в несколько раз превышает массу барионнопй материи в них - звезд, планет, пыли, газа и т. д. Т. е основную массу галактик составляет некая гравитирующая субстанция, не участвующая в электромагнитном и сильном взаимодействии, которую называют темной материей. Первоначальная гипотеза о том, что недостающая масса - это масса нейтрино полностью опровергнута. Масса нейтрино слишком мала и не способна объяснить столь крупную нехватку известной массы. Сейчас основными кандидатами на роль частиц темной материи являются так называемые нейтралино - легчайшие из суперсимметричных частиц, существование которух предсказывают некоторые суперсимметричные теории. Масса нейтралино должна составлять не менее сотни масс протона. Ожидается, что существование или несуществованиэ нейтралино будет показано до 2010 года на Большом Адронном Коллайдере.
Исследование флуктуаций реликтового излучения позволяет вычислить среднюю плотность энергии во Вселенной. Неожиданно выяснилось, что плотность энергии, прихгодящейся на обычную материю и темную материю в несколько раз меньше полной плотности. Недостающую энергия назвали темной энергией. Это энергия вакуума, тот самый лямбда-член уравнения Эйнштейна, ответственный за антигравитацию. Примерное соотношение обычной материи , темной материи и темной энергии во Вселенной - 5:25:70. Какова природа темной энергии - пока не ясно. Однако, последние точные измерения зависимости скорости расширения Вселенной от времени покацывают, что плотность темной энергии заметно менялась за время эволюции Вселенной.
Говоря о рубежах знания современной физики, я делал упор на физику микромира и фундаментальные свойства нашей Вселенной. Конечно, в других областях физики, таких как физика низких температур, физика плазмы, физика твердого тела и т. д. в последние годы достигнут значительный успех, стоят и решаются свои проблемы. Но нужно четко понимать, что абсолютно все законы макромира являются следствием законов микромира. Да, есть законы микромира, которые в микромире лишь и работают. Но не известно ни одного фундаментального закона, который , например, неожиданно появился бы на молекулярном уровне, но никак не проявлял себя на субъядерном. Иными словами, одни и те же фундаментальные законы, определяют время жизни странных частиц, уровни энергий в спертрах атомов, поведение нейронов человеческого мозга, и вращение сверхскоплений галактик.
Конечно, возникает вопрос - почему же физика частиц, ядерная физика, химия, биология и астрономия пользуются совершенно разными методами в своей работе, если работают по сути дела с одним и тем же набором законов ? Дело в том, что математическое выражение фундаментальных законов для сложных систем оказывается слишком сложным. Физика частиц способна легко описать испускание и поглощение кварком глюона. Но из-за того, что константа сильного взаимодействия равна единице, описать математически точно протон - систему из 3х кварков практически невозможно. Учитывая самодействие глюонов, можно сказать, что точное решение такой задачи не под силу даже самым современным компьютерам. Аналогичный пример - уравнение Шредингера способно точно описать атом водорода. В принципе, его несложно решить численно для не слишком тяжелых атомов и молекул. Чтобы решить его для молекулы ДНК - не хватит никаких вычислительных мощностей. Поэтому приемственность в цепочке физика частиц - ядерная физика - атомная физика - химия - биология выражается в том, что утверждения, полученные логически на предыдущем уровне являются постулатами последующего уровня. Например, периодический закон строго следует из структуры атомного ядра. Химия же, не имея возможности изучать ядерные процессы, использует его как постулат.
В настоящее время со страниц желтой и не очень желтой прессы на читателей льэтся поток сообщений о "потрясающих открытиях". Торсионные, микролептонные, информационно энергетические поля, телепатия , телекинез, биоэнергия и многое многое другое. Создается впечатление, что наука занимается чем-то своим и бесконечно далека от "реального" мира, где мы живем. Однако, впечатление это весьма обманчиво. Позиция науки по данным вопросам вполне четкая. Наука не отвергает возможности существования новых видов взаимодействий. Более того, поиски так назынаемой пятой силы непрерывно ведутся и получены вполне конкретные ограничения на силу всех новых взаимодействий. Если и существуют на макроуровне некие новые виды взаимодействий , то они на много порядков слабее гравитационного. Поэтому когда сообщается, что новые силы, поля или энергии способны менять состояние организма, двигать предметы и переносить информацию, это не вызывает ничего кроме горькой улыбки. Даже если откинуть случаи чистого шарлатанства, то оказывается, что очень часто желаемый результат выдается за действиотельность из-за незнания (или пренебрежения) научных методов исследования. Следует также заметить, что человеческий организм, будучи сложным и чуствительным измерительным прибором, в то же время крайне капризен и подвержен сбоям и его состояние и воспреимчивость зависят от сотен и тысяч внутренних и внешних факторов. Поэтому не стоит чрезмерно полагаться на увиденное и услышанниое. "Не всегда верь глазам своим." Обвинения сегодняшней науки в консерватизме и ретроградстве надуманны и необоснованны. Она полностью открыта для нового и неизведанного.