Последний раз редактировалось Pphantom 28.12.2017, 00:14, всего редактировалось 2 раз(а).
1. Введение
Стандартная модель физики элементарных частиц, являясь наиболее полной в этой области и многократно подтверждённой экспериментально теорией, имеет ряд не решённых проблем, которые прямо или косвенно указывают на то, что её нельзя считать окончательной [1,2]. Существующие сегодня теории, претендующие на роль расширений стандартной модели, способных найти решение той или иной части этих проблем (наиболее популярными из которых являются группы теорий симметрии и суперсимметрии), а также принципиально новые теории, ставящие перед собой аналогичные цели (такие как теория струн), длительное время не находят экспериментальных подтверждений. В ходе продолжающихся в этой области экспериментов также до сих пор не обнаружено никаких новых наблюдательных данных, способных указать на то, какой должна быть "физика за пределами стандартной модели", и на основе которых можно было бы сформулировать новые теории или модифицировать уже существующие.
Такая ситуация в физике элементарных частиц без каких бы то ни было серьёзных изменений сохраняется на протяжение достаточно длительного периода времени. Очевидно, существуют три возможных пути выхода из неё. Первый — формулирование новых, более сложных, модификаций уже существующих, но не подтверждённых или исключённых экспериментами, теорий. Второй — продолжение экспериментов, предназначенных обнаружить новые наблюдательные данные, главным инструментом которых сегодня является протон-протонный коллайдер LHC лаборатории ЦЕРН. Третий — формулирование принципиально новых теорий, целиком основанных на уже известных данных.
В данной статье предложена гипотеза, представляющая третий путь.
Современная теоретическая модель физики элементарных частиц, в основе которой лежат понятия локальной квантовой теории поля, также является полностью локальной. Исследования последних десятилетий в смежной области знаний – квантовой физике, ряд положений которой использует квантовая теория поля, – указывают на то, что квантовая теория, непротиворечиво и полно описывающая результаты экспериментов, должна быть нелокальной [3-23]. (Единственную альтернативу нелокальным теориям — многомировые квантовые теории — нет возможности обсуждать в рамках научного дискурса, поскольку в них нет утверждений, которые могут быть доказаны или опровергнуты научным методом. По этой причине они здесь не берутся во внимание как не имеющие научных перспектив.)
Поскольку появились основания предполагать, что локальная квантовая теория поля является неполной аппроксимацией более полной нелокальной теории элементарных частиц, в рамках существующих и не исключённых в ходе экспериментальных проверок нелокальных интерпретаций квантовой механики целесообразно предлагать и разрабатывать нелокальные дополнения локальных теорий физики элементарных частиц. Главные вопросы, на которые предстоит ответить любому такому дополнению, следующие: "какое место в описываемых в нём процессах занимают нелокальные явления?", "каким образом осуществляется их связь с локальными явлениями?" и "какова роль первых и вторых в формировании наблюдаемой сегодня системы элементарных частиц и фундаментальных взаимодействий Вселенной?".
В данной статье предлагается гипотеза, являющаяся нелокальным дополнением теории элементарных частиц, способным ответить на эти вопросы.
Предлагаемая гипотеза является результатом разработки нелокальной интерпретации квантовой механики Ли Смолина (Lee Smolin) [24,25]. Путём экстраполяции в прошлое на ранние этапы эволюции Вселенной предложенного в интерпретации Смолина механизма формирования вероятностей в вероятностных квантовых процессах (в том числе применительно к закономерностям процессов осцилляций нейтрино [26-28] и смешивания кварков [29-31]) в предлагаемой гипотезе получено описание механизма возможной эволюции частиц и взаимодействий ранней Вселенной, в котором локальные и нелокальные процессы дополняют друг друга и конечным результатом действия которого является порядок, описываемый стандартной моделью, и некоторые явления и состояния, выходящие за рамки стандартной модели, такие как: осцилляции нейтрино и смешивание кварков, барионная асимметрия, происхождение частиц тёмной материи, происхождение значений некоторых свободных параметров стандартной модели, в т.ч. значений фермионных масс.
2. Основные положения интерпретации квантовой механики Ли Смолина
Интерпретация квантовой механики Ли Смолина, относится к группе вероятностно-детерминированных нелокально-реалистических квантовых теорий. Эта группа — одна из трёх (наряду с нелокально-не-реалистическими и многомировыми), оставшихся не исключёнными из списка квантовых теорий, соответствующих экспериментальным данным, в результате: экспериментальной проверки теоремы Белла (исключившей локально-реалистические теории) [3-8]; экспериментов, подтвердивших нелокальный характер явления квантовой запутанности в пределах одной Вселенной (исключивших все существующие одномировые локальные теории) [9-21]; и экспериментальной проверки теоремы Легетта (исключившей строго детерминированные нелокально-реалистические теории) [22,23].
Отправной точкой интерпретации Смолина является утверждение о том, что для любой квантовой системы (элементарной частицы, атома, молекулы и т.п.) во Вселенной существует множество аналогичных ей квантовых систем, с которыми данная система является неразличимой. Множество неразличимых квантовых систем Вселенной, пребывающих под воздействием неразличимых внешних сил, Смолин называет "реальным ансамблем" (а real ensemble). Смолин предполагает, что все квантовые системы Вселенной, входящие в один реальный ансамбль, находятся между собой в состоянии многочастичной квантовой запутанности, посредством которой реализуется следующий закон: вероятность приобретения данной квантовой системой в результате исхода вероятностного квантового события наблюдаемого состояния а в данный момент времени равна частоте встречаемости состояния а среди всех квантовых систем этого реального ансамбля в данный момент времени. Этот закон выражается следующей формулой:
Pа = nа / N (1)
где: Pа – вероятность приобретения квантовой системой данного реального ансамбля состояния а в данный момент времени; nа – общее количество квантовых систем данного реального ансамбля, находящихся в состоянии а в данный момент времени; N – общее количество квантовых систем данного реального ансамбля во Вселенной в данный момент времени [24]. (Существование абсолютного квантового времени, на основе которого возможны одновременные квантовые события, в настоящее время рассматривается рядом исследователей как необходимое условие для объяснения результатов некоторых экспериментов [20,21,32-34].)
Результат исхода данного вероятностного квантового события (выраженный в приобретении квантовой системой наблюдаемого состояния а) появляется в результате нелокального копирования данной квантовой системой состояния а другой квантовой системы данного реального ансамбля, находящейся где угодно во Вселенной, с вероятностью, определяемой законом (1). Значения вероятностей квантовых событий в рамках одного реального ансамбля, согласно интерпретации Смолина, таким образом, определяются суммой состояний всех индивидуальных систем данного реального ансамбля в данный момент времени и формируются в результате нелокального процесса космологического масштаба.
3. Необходимые поправки и уточнения
к интерпретации квантовой механики Ли Смолина
Термин "реальный ансамбль" я считаю не совсем удачным, в дальнейшем описании заменяю его термином "нелокальный ансамбль" и даю ему следующее определение, в некоторых деталях отличающееся от определения Смолина: нелокальный ансамбль — это множество всех квантовых систем Вселенной, находящихся под воздействием неразличимых сил, включая как внешние силы, так и силы взаимодействия частей системы друг с другом, создающие структуру системы (включая спиновое число). В отношении истинно элементарных частиц, не имеющих внутренней структуры, единственными критериями, таким образом, остаются спиновое число и нахождение частиц под воздействием неразличимых внешних сил.
Неразличимость самих квантовых систем я не считаю критерием принадлежности к нелокальному ансамблю — к одному ансамблю могут принадлежать квантовые системы, не являющиеся неразличимыми, как это будет видно на примере нелокального ансамбля нейтрино.
Все квантовые системы, входящие в один реальный ансамбль, находятся между собой в состоянии многочастичной квантовой запутанности, посредством которой реализуется сформулированный в интерпретации Смолина закон формирования вероятностей в вероятностных квантовых процессах (1).
Существующей в данный момент времени квантовой системой, состояния и свойства которой могут быть объектом нелокального копирования, я называю квантовую систему, которая на момент описываемого события является реально (а не виртуально) существующей, то есть существующей в течение промежутка времени, большего чем ħ/mc2.
4. Применение доработанной интерпретации квантовой механики Ли Смолина
к описанию процесса осцилляций нейтрино
Рассмотрим, как интерпретацию Смолина с указанными в предыдущем разделе поправками можно применить к описанию наблюдаемого на данном этапе эволюции Вселенной процесса осцилляций нейтрино.
Являясь истинно элементарными частицами одинакового спинового числа и находясь под действием неразличимых внешних сил (участие в слабом и гравитационном взаимодействии, неучастие в сильном и электромагнитном взаимодействии) нейтрино всех трёх сортов (νe, νμ, ντ) составляют один нелокальный ансамбль.
В ходе элементарного акта осцилляции данное нейтрино нелокально копирует значение массы любого другого нейтрино Вселенной. Вероятность копирования данным нейтрино определённого значения массы в акте осцилляции в данный момент времени выражается общей формулой:
Pm = nm / N (2)
где: Pm – вероятность копирования нейтрино в результате осцилляции значения m массы в данный момент времени; nm – общее количество нейтрино с массой m во Вселенной в данный момент времени; N – общее количество нейтрино во Вселенной в данный момент времени.
К примеру, вероятность копирования нейтрино значения массы электронного нейтрино (νe) в результате осцилляции в данный момент времени выражается формулой:
Pe = ne / N (3)
где: Pe – вероятность копирования нейтрино в результате осцилляции значения массы электронного нейтрино в данный момент времени; ne – общее количество электронных нейтрино во Вселенной в данный момент времени; N – общее количество нейтрино во Вселенной в данный момент времени.
Аналогично определяются вероятности копирования в результате осцилляции значений масс двух других сортов нейтрино.
В процессе осцилляции, протекающем по описанной вероятностной закономерности (2), частоты встречаемости значений осциллирующего свойства (массы нейтрино) после каждого единичного акта осцилляции будут меняться на величину 1/ N. К примеру, когда νe осциллирует в νμ, на одно электронное нейтрино во Вселенной становится меньше, а на одно мюонное нейтрино больше. Соответственно, величина ne / N становится меньше на 1/ N, а nμ / N – больше на 1/ N. Поскольку осцилляции происходят стохастически, а величина 1/ N – очень мала, процесс осцилляций, протекающий по закономерности (2), со временем не приводит к значимым изменениям частот встречаемости (nm / N) различных значений осциллирующего свойства (массы нейтрино).
Это будет не так в других случаях, рассмотренных ниже.
4. Следствия доработанной интерпретации квантовой механики Ли Смолина
Применительно к явлениям, изучаемым физикой элементарных частиц, интерпретация квантовой механики Ли Смолина имеет два существенных следствия, делающих возможным её использование в моделировании процесса эволюции частиц и взаимодействий ранней Вселенной. Оба этих следствия касаются закономерностей появления во Вселенной самых первых частиц (фермионов или переносчиков взаимодействия) данного вида (данного нелокального ансамбля) и следующих непосредственно за этим событий.
4.1. Значения свойств последовательно рождающихся частиц
Согласно интерпретации Смолина, любая частица, вновь рождающаяся в процессах взаимных превращений частиц, приобретает свои свойства в результате нелокального вероятностного копирования значений аналогичных свойств уже существующих частиц этого же нелокального ансамбля с вероятностью, определяемой законом (1), за исключением случаев, когда значения свойств вновь рождённой частицы строго (а не вероятностно) детерминированы закономерностями реакции, в результате которой частица появилась.
Согласно этому, каким бы образом ни возникло значение а некоторого свойства первой появившейся во Вселенной частицы данного нелокального ансамбля — истинно случайно, в результате реализации некоторого фундаментального закона или при одновременном действии этих двух факторов (что предполагается в данной гипотезе) — вторая появившаяся частица данного нелокального ансамбля с вероятностью Pа = 1 скопирует значение а этого свойства первой частицы, так как на момент этого события nа = 1 и N = 1 (1). Каждая рождающаяся впоследствии частица данного нелокального ансамбля будет копировать значение этого свойства любой уже существующей частицы данного нелокального ансамбля, которые также будут неразличимы со значением а этого свойства первой появившейся частицы данного нелокального ансамбля. Таким образом будет формироваться множество неразличимых частиц (фермионов или переносчиков взаимодействия) одного нелокального ансамбля. В предлагаемой модели это является нелокальной составляющей механизма появления большей части фермионов и всех фундаментальных взаимодействий Вселенной.
Необходимым условием для протекания процесса согласно описанной закономерности является разница во времени между появлением первой частицы данного нелокального ансамбля и появлением всех последующих частиц, большая чем ħ/mc2.
ссылка удалена
|
