Александр Потупа - Открытие Вселенной - прошлое, настоящее, будущее

• Название: Открытие Вселенной - прошлое, настоящее, будущее
• Автор: Александр Потупа
• Издательство: Юнацтва
• Жанр: Прочая научная литература
• Год: 1991
• ISBN: 5-7880-0325-3

На основе обширных данных из астрономии, астрологии, географии, физики, математики, химии, биологии, истории, археологии и других наук автор рассказывает о строении Вселенной, истории человечества, о планетах Солнечной системы и Галактике, о звездах и их эволюции, о возможностях существования внеземных цивилизаций, о перспективах космических исследований, об идее контакта с инопланетянами.

---

Сильные взаимодействия.

Вступая в область адронов, мы сразу сталкиваемся с проблемами двух уровней — исследованием межкварковых и межадронных сил. Вообще-то соответствующая теория — квантовая хромодинамика (цветодинамика), построенная по образцу электрослабой модели, стремится развить схему, где все процессы хорошо описывались бы взаимодействиями 5 или 6 кварковых и 8 глюонных полей. Межадронные силы должны выводиться из более фундаментальных межкварковых, и все свойства белых адронов следовать из модели цветных кварков и глюонов.

Такой подход многое позволяет сделать, но, к сожалению, далеко не все. Аналогии с предыдущими структурными уровнями — атомномолекулярным и ядерным — довольно быстро выходят из строя при попытках описать адрон в целом, а не только валентные кварки. Суть трудностей весьма грубо можно свести к тому, что при описании адрона (его рождения, гибели, взаимодействия как целого) фактически приходится привлекать картину с очень большим (даже бесконечным) числом кварков и глюонов, причем многочастичные состояния играют принципиальную роль, и не удается ограничиться решением простых двух- или трехчастичных задач.

Эта ситуация очень наглядно проявляется в процессах множественного рождения адронов при высоких энергиях. В актах соударения рождение какого-то количества новых адронов примерно в 4 раза более вероятно, чем упругое рассеяние исходных адронов. Поэтому двухчастичная задача о межадронных взаимодействиях оказывается резко незамкнутой, и, судя по всему, ее не удается свести к рассмотрению парных взаимодействий не только на адронном, но и на кварк-глюонном уровне.

Адрон — неточечная частица, и его рождение нельзя описать как мгновенный акт, происходящий в единственной точке пространства. Скорее речь идет о довольно сложной пространственно-временной эволюции в областях с размером порядка 10–13 см и временных интервалах порядка 10–23 с, когда в начале имеется своеобразный адронный ген (скажем, кварк-антикварковая пара), а в конце — вполне сформировавшийся адрон (скажем,? — мезон с нормальной виртуальной шубой).

Самое любопытное в множественном рождении — коллективный характер формирования шуб у отдельных частиц. Экспериментально это проявляется в том, что большинство образующихся адронов сильно коррелированны друг с другом, словно их появление взаимообусловлено, и они «помнят» о своем происхождении из единого котла. Можно надеяться, что в структуре рождающихся таким образом адронов запечатан их генезис в области взаимодействия — от кварк-партонного зародыша до полноценной частицы. Но квантовая хромодинамика пока не способна восстановить многие важные детали этой картины (и, между прочим, не объясняет сильных корреляций). Эволюция комка кварк-глюонного вещества и формирование в нем сложных адронных структур — те задачи, которые могут потребовать серьезных преобразований всей квантовополевой схемы фундаментальных взаимодействий.

Гравитация.

О гравитационном взаимодействии элементарных частиц мы знаем удивительно мало. По сути, проявления силы тяготения непосредственно между парой частиц, например, протонов, никогда не наблюдались. Беда в том, что из-за фантастической малости гравитационной константы связи (αгр = Gmp2/ ћc B 5,9.10–39 эти силы в любом столкновении частиц легко забиваются другими более интенсивными взаимодействиями. Но такое положение не должно казаться непреодолимым барьером в изучении гравитационных задач микромира. Строго говоря, гравитационный заряд пропорционален не массе покоя частицы, а ее полной энергии, так что при столкновении планковских пучков (Е ~ ЕP ~ 1028 эВ) гравитация должна стать сильным взаимодействием.

На сегодняшний день известно, что такие элементарные частицы, как фотоны и нейтроны, ведут себя в поле крупных космических тел вполне удовлетворительно, то есть отклоняются в соответствии с предсказаниями классической теории тяготения. Астрофизические модели дают хорошие косвенные свидетельства того, что поведение других частиц тоже не противоречит выводам классической теории.

По сути же, современная теория гравитации относится к макроскопическим телам, системам огромного числа элементарных частиц (в типичной звезде порядка N ~ (mP/mp)3 ~ 7,8.1056 нуклонов). С ньютоновских времен и до первых десятилетий 20 века тяготение рассматривалось как одна из фундаментальных сил природы, и ее особая роль по сравнению, скажем, с кулоновской силой сводилась к простому различию: первая действует между всеми массивными телами, а вторая только между электрически заряженными.

Развитие эйнштейновской теории относительности продемонстрировало глубокую эквивалентность между массой и энергией, стало ясно, что гравитация — универсальное явление, в гравитационных взаимодействиях должны участвовать все виды материи, обладающие энергией и импульсом. В 1916 году Альберт Эйнштейн сформулировал изумительно красивую гипотезу о том, что ввиду универсальности гравитации имеет смысл рассматривать движение материи не в особом силовом поле, а в неевклидовом пространстве-времени, геометрические свойства которого целиком определяются состоянием свободно движущейся материи.

В обычном евклидовом пространстве свободная частица всегда движется по прямой с постоянной скоростью или покоится. В случае более сложной геометрии свободному движению (или, как говорят, движению по геодезической) могут соответствовать очень сложные траектории. Тяготеющий центр может искривлять пространство, обеспечивая, например, эллиптическое движение частицы, и при достаточно больших расстояниях (r » 2GM/c2) и малых скоростях (v « c) картина будет соответствовать движению планеты в поле ньютоновского силового центра.

Эйнштейновская теория гравитации (часто называемая общей теорией относительности) получила хорошие экспериментальные подтверждения и составила основу современной космологии и релятивистской астрофизики. Но она соответствует усредненному описанию вещества, и ее экстраполяции на уровень квантовомеханических систем отнюдь не проста. К сожалению, нашему эксперименту пока не доступны объекты, которые могли бы сыграть роль мостика между классической и квантовой гравитацией — нечто вроде атома водорода в электродинамике. Тем более трудно пока обсуждать микроскопическую модель гравитационного взаимодействия — будет ли она соответствовать современному квантовополевому идеалу (обмен гравитонами и т. п.) или потребует чего-то необычного.

На фоне всех этих развитых теорий, имеющих широкий круг экспериментальных подтверждений, существует явление, которое, по-видимому, должно объясняться особым типом сверхслабого взаимодействия. Речь идет о необычном распаде так называемого долгоживущего нейтрального K-мезона на пару K-мезона на пару π-мезонов (KL0 " π+π- или KL0 " π0π0). Это явление обнаруженное в 1964 году, связано с нарушением СР-инвариантности, которая, как казалось ранее, должна выполняться во всех моделях[210]. Регистрируемый эффект находится на уровне не более одной тысячной от обычных эффектов слабых взаимодействий, откуда и берется название гипотетических новых сил. Пока исследованы они очень ограниченно, экспериментально не обнаружено ни одного случая их проявления в процессах, отличных от KL0-распадов. Однако и этого достаточно, чтобы оценить исключительную важность открытия. Из-за нарушения СР-четности KL0 с несколько большей вероятностью распадается с вылетом позитрона (KL0 " e+νeπ-, чем электрона (KL0 " e-νeπ+), и такая же ситуация имеет место в распадах с вылетом μ±. Это фиксирует абсолютную разницу между частицами и античастицами — античастицы уже не выступают зеркальными двойниками частиц. Возможно, проблема сверхслабых взаимодействий тесно связана с загадкой зарядовой асимметрии наблюдаемого участка Вселенной, где вещество резко преобладает над антивеществом.

В физике частиц и их взаимодействий очень важную роль играет вакуум элементарных частиц (или физический вакуум, по-латыни vacuum — пустота). Это особое состояние материи, в котором отсутствуют реальные частицы и энергия минимальна. Однако с точки зрения квантовой теории, в вакууме непрерывно рождаются и очень быстро гибнут виртуальные частицы — в соответствии с соотношениями неопределенностей. В этом смысле физический вакуум обладает сложной структурой и оказывает наблюдаемое влияние на процессы взаимодействия реальных элементарных частиц. Внешние поля (в частности, гравитационное) могут сообщить вакууму достаточную энергию, и в результате начнется процесс рождения реальных частиц, например, электрон-позитронных пар. Такого типа процессы должны играть особенно большую роль на ранних космологических стадиях и в окрестностях черных дыр.