Владилен Барашенков - Кварки, протоны, Вселенная

• Название: Кварки, протоны, Вселенная
• Автор: Владилен Барашенков
• Издательство: Знание
• Жанр: Физика
• Год: 1987

В книге рассказывается об узловых проблемах современной физической картины мира: о черных и белых дырах во Вселенной, о «прелестных», «ароматных» и «цветных» частицах — кварках, о космических мирах, спрятанных внутри частиц, о пустоте, которая оказывается не пустотой, а материальной субстанцией, о квантах пространства и квантах времени, о гипотетических монополях и антивеществе.

Для широкого круга читателей.

---

ветке дерева банан. Обезьяне требовалось достать его. Сначала она бросилась трясти дерево. Видит, не получается — крепко сидит банан. Подумала — схватила палку Опять неудача — коротка палка. Снова подумала — метнула камень и сбила банан. Дали ту же задачу научному сотруднику, замотанному разными планами и отчетами. Он тоже, не теряя времени, схватился за дерево — трясет, и чем дольше, тем с большим рвением. «Подумай», — подсказывают ему. «Некогда! — отвечает. — Работать надо!» Так до сих пор и трясет...

Проблема монополей приобрела «второе дыхание», когда на нее посмотрели с принципиально новой точки зрения — с позиций теории «великого объединения». Если ехать по одной из скоростных автострад из Нью-Йорка, то через час с небольшим добираешься до тщательно охраняемой местности, застроенной редкими зданиями похожими на цехи. Это Брукхейвенская лаборатория — один из основных атомных институтов США. В 50-х годах два сотрудника лаборатории Чженьнин Янг и Роберт Миллс изучали обобщение максвелловских уравнений, которое они надеялись использовать для описания нового класса частиц —подобных фотону, но в отличие от него несущих на себе электрический заряд. Так сказать, квантов заряженного света. Теория получалась на редкость стройной и изящной; усовершенствованием и интерпретацией ее математического аппарата занимались многие физики, до тех пор пока в конце 60-х годов эти исследования не привели к новой теории, объединившей электромагнитные и слабые силы (последние вызывают распад элементарных частиц и атомных ядер). Теперь-то мы знаем, что все это — проявление различных компонент одного и того же «электрослабого поля» которое в зависимости от условий воспринимается нами как электричество, магнетизм или как особое, слабое взаимодействие элементарных частиц. И вот тут гипотеза монополей неожиданно получила мощную поддержку.

Есть страшное явление природы — цунами. Далеко

в океане образуется необыкновенно устойчивая волна —изолированный всплеск, который, почти не изменяя своей формы и не растрачивая энергии, преодолевает огромные расстояния (в то время как обычная волна давным-давно успела бы угаснуть) и всю свою энергию одним ударом обрушивает на побережье. Такие события

иногда происходят у нас на Дальнем Востоке. В открытом море волна цунами плоская, заметить ее трудно, но энергия у нее колоссальная. У побережья, затормаживаясь, она вздымается метров на десять, а то и больше и разрушает причалы, смывает целые поселки.

Теория говорит, что это не простая волна, а особое самоподдерживающееся, нелинейное образование. Оказалось, что в результате возмущений, вызванных внешним воздействием, а при определенных условиях и под действием внутренних сил в электрослабом поле, как в океане, возможно образование особых всплесков-цунами. Первыми это явление обнаружили в своих расчетах советский физик А. М. Поляков и голландский Т’Хуфт. Они заметили, что каждое «полевое цунами» ведет себя в пространстве подобно частице, а также, что особенно важно, с каждым таким всплеском связан изолированный магнитный полюс, северный или южный. Другими словами, новая теория подтвердила гипотезу монополей! С математической точки зрения монополь — это особое решение полевых уравнений, а с физической — сгусток энергии, новая частица.

Правда, монопольные решения получаются не во всех вариантах электрослабой теории. Для них нужны весьма специфические условия, и в конечном счете опять-таки только эксперимент способен подтвердить, существуют монополи в природе или нет. Расчеты, например, показывают, что полевые цунами-монололи могут образоваться, лишь имея достаточно большую массу. Они должны быть приблизительно в 10 тысяч раз тяжелее протона, то есть весить чуть ли не столько, сколько молекула белка.

В сравнении с другими элементарными частицами они мамонты среди мышей. Но существуют ли они, эти мамонты, в природе?

Еще более удивительные частицы предсказывает теория «великого объединения», в которой электрослабое поле объединяется с сильным, ядерным. Эта теория — дальнейшее развитие идей Янга и Миллса, следующий шаг в построении единой теории поля. Хотя теория «великого объединения» еще весьма неопределенна, у нее много различных вариантов и плохо изученных возможностей, предсказание цунами-монополей получается почти в любом ее варианте.

Просто поразительно, как с разных сторон математический аппарат подсказывает нам идею магнитных частиц.

Монополи теории «великого объединения» — фантастически массивные частицы. Они по меньшей мере в 1016 раз тяжелее протона (умножьте массу протона на 10 тысяч триллионов!). Их масса больше, чем у бактерии! Их даже частицами называть неловко, а тем более элементарными. Конечно, ни один ускоритель не в состоянии породить такое «микрочудовище». Не под силу это и даже самым высокоэнергетическим космическим частицам. Столь массивные объекты могли выкристаллизоваться лишь из энергии первичного поля в момент рождения Вселенной, когда ее температура и плотность были фантастически велики и энергии хватало для рождения самых тяжелых частиц.

Конечно, скажет читатель, легко апеллировать к таинственному Биг Бэнгу: ведь о том, что происходило в те далекие времена, можно фантазировать как угодно. Все равно все сгорело... Но это не так. Криминалисты утверждают, что ни одно событие нашей жизни не уходит в прошлое, не оставив после себя следов, по которым многое можно восстановить спустя недели, месяцы, а иногда и годы. Космологи сродни криминалистам: они утверждают то же самое. Теоретические картины младенчества Вселенной — это не беспочвенные фантазии, хотя в них немало и гипотетического. У американского физика Стива Вайнберга, одного из авторов электрослабой теории, есть книга «Первые три минуты» (недавно она вышла в русском переводе), где очень хорошо рассказывается, как современная наука представляет себе развитие Вселенной, начиная с сотой доли секунды после начала Большого взрыва. Да, об этих секундах и минутах известно уже довольно много. Известно из анализа интенсивности и спектра реликтового излучения (инфракрасного излучения, образовавшегося во времена, когда Вселенная была еще очень горячей, распространившегося по всему ее объему и сохранившегося до наших дней), из сопоставления относительной распространенности водорода, гелия и других легких химических элементов, синтез которых начался сразу же после того, как Вселенная несколько остыла, и зависел от господствовавших в то время условий, и из некоторых других астрофизических данных и математических расчетов. Но вот что было с Вселенной в самые первые мгновения ее жизни, в тысячные и миллионные доли секунды, Вайнберг ничего сказать не мог. Еще 10 лет назад (книга его вышла в США в 1977 г.) это было сплошное белое пятно. Человеческого воображения не хватало, чтобы представить себе то, что там могло происходить.

Заглянуть в эту самую интригующую область нашей истории, вплоть до фантастически малых величин порядка 10-35 секунд, позволяет теперь теория «великого объединения». Это был мир первозданной плазмы, где еще не существовало элементарных частиц, а были только их составные части — первичные «кубики»-кварки и связывающее их поле сильного взаимодействия. Некоторые частички, находившиеся в этом огненном сиропе, возможно, несли магнитный заряд. Впрочем, какой это был заряд, сказать трудно. Температура была еще так велика, что в первые мгновения после своего рождения раскаленный мир оставался совершенно симметричным, любые его свойства проявлялись с равной вероятностью. Расщепление единого симметричного взаимодействия на электромагнитное, слабое, сильное — на те виды взаимодействий, которые действуют в современном мире,— произошло позднее, приблизительно через 10-14 — 10-13 секунд после начала расширения.

Расчеты показывают, что от тех давних «горячих денечков» нам в наследство должно было остаться довольно много тяжелых монополей. Сначала даже получалось, что монополей во Вселенной должно быть столько же, сколько протонов. Затем, при более детальном рассмотрении реакций в первичном огненном шаре, массу магнитного вещества пришлось уменьшить, но все равно она очень велика — на много порядков больше того, что следует из анализа экспериментальных данных.

По этим данным, кстати, выходит, что в пространстве рассеяно очень много невидимого нам вещества. Астрофизики называют его скрытой массой и утверждают, что эта масса не может превосходить массу светящегося, атомарного вещества более чем в 10 раз. Иначе масса Вселенной была бы больше критической и расширение пространства сменилось бы его сжатием. Если пренебречь вкладом в эту скрытую массу нейтронов, нейтрино и других нейтральных частиц, можно даже допустить, что невидимое вещество целиком состоит из монополей, а видимое, как давно известно,— из протонов. При этом масса всех монополей оказывается на порядок больше массы протона. Ну а если вспомнить, что по теории «великого объединения» каждый монополь весит столько, сколько 1016 протонов, то отсюда воспоследует, что в среднем во Вселенной на каждые 1015 протонов приходится не более одного монополя. Это несравненно меньше того, что предсказывает теория, но все же совсем немало. Чтобы ощутить эту величину, заметим, что в одном кубическом сантиметре вещества содержится приблизительно 1024 протонов, и значит, там должно быть около миллиарда монополей. Огромное количество!