Владилен Барашенков - Кварки, протоны, Вселенная
Можно, однако, совершить обходной маневр и решить задачу иным способом.
Космические частицы сверхвысокой энергии очень редки, зато они падают на нашу планету уже несколько миллиардов лет, и за это время они могли образовать очень много кварков и антикварков. А однажды образовавшись, кварк и. антикварк уже не в состоянии исчезнуть — им некуда спрятать свой дробный заряд. Если кварк (или антикварк — все равно) распадется, то среди его осколков непременно окажутся частицы с дробным зарядом. Ведь электрический заряд сохраняется, и если вначале он был дробным, то и сумма зарядов продуктов распада будет тем же дробным числом. Если кварк будет поглощен какой-либо другой частицей, допустим, одним из нуклонов, то образуется новый объект, но опять-таки с дробным зарядом. От дроби никуда не денешься!
Рожденные космическими лучами кварки и антикварки должны постепенно накапливаться в веществе Земли, Луны и внутри блуждающих в космическом пространстве и изредка падающих на Землю метеоритов.
Конечно, блуждая по свету, кварк рискует столкнуться с антикварком, обладателем противоположного заряда, и тогда может произойти их аннигиляция — превращение в обычные частицы с целочисленными зарядами (если только суммарный заряд в конце и вначале будет равен нулю). Но мы уже знаем, что если кварки и содержатся в окружающем нас веществе, их концентрация там настолько мала, что вероятность встречи кварка с антикварком ничтожна,
Есть еще одна причина, почему окружающее нас вещество может содержать кварки. Это могло случиться на ранней стадии жизни нашей Вселенной, вскоре после Большого взрыва, когда Вселенная была еще сверхплотной, сверхгорячей и из «протовещества» рождались; и «выпадали в осадок» разные частицы, в том числе и кварки.
Тут неискушенный читатель может спросить: о какой ранней стадии жизни Вселенной идет речь, о каком таком Большом взрыве? Автор уже упоминал об этом, а теперь вот говорит снова. Столько лет нас учили, что у Вселенной не было начала и не будет конца, а тут — «ранняя стадия жизни». Может быть, у нее будет и, «поздняя стадия», то есть конец? Просим автора объясниться и рассказать об этих вещах подробнее.
Замечу сразу, что подробных рассказов было уже, немало. Сошлюсь прежде всего на вышедшую недавно в 1986 г., в московском отделении издательства «Наука» популярную книгу «Прошлое и будущее Вселенной», в которой собраны статьи на эту тему, написанные видными специалистами и печатавшиеся в журнале «Природа» в 1979—1985 гг. Сошлюсь и на собственную недавнюю статью «Штрихи раздувающегося мира», которую читатель найдет в № 10 журнала «Наука и религия» за 1986 г. (В том же журнале печатались в свое время обстоятельные обзоры И. Григорьева «После Большого взрыва» (1981, № 2) и «Нейтринная Вселенная» (1982, № 9).)
Тем не менее недоумение читателя должно быть рассеяно немедленно. Поэтому, отсылая его к соответствующей литературе, я, пусть в общих чертах, обрисую положение дел и на этих страницах. Да, представление о том, что у Вселенной нет ни начала, ни конца, очень долго было общепринятым. Однако постепенно накапливались научные данные, которые свидетельствовали о том, что когда-то, много миллиардов лет назад, вся Вселенная была сконцентрирована в очень небольшом, буквально точечном объеме. Представить себе плотность этого сгустка, конечно, трудно. Свойства пространства, времени и вещества тогда были совсем не такими, как теперь. В силу каких-то причин, каких — пока физики еще не разгадали, произошел грандиозной силы взрыв, и Вселенная стала «распухать» — расширяться со скоростью света во все стороны. Это расширение продолжается и по сей день.
Но рождение Вселенной из точечного объема противоречит философскому тезису о том, что материя не может родиться из ничего, так же как, скажем, исчезнуть без следа, возразят мне. Вот в Философском энциклопедическом словаре прямо сказано, что «существование мира вечно», а вечность — это «бесконечность времени существования материального мира, обусловленная несотворимостью и неуничтожимостью материи». А вы говорите о каком-то начале!
Никакого противоречия нет, и Философский словарь абсолютно прав (рекомендуем, кстати, познакомиться в нем со статьей «Космология»). Просто материя и связанные с нею пространство и время в процессе своего развития переходят из одной формы в другую. Сегодня нам еще не известны свойства протовещества, или, если угодно, той формы материи, которая предшествовала первичному взрыву, и мы можем лишь гадать, какими были тогда пространство и время. Но разве мы утверждаем, что до взрыва «ничего не было»? Просто мы не знаем, что именно было: не так-то просто заглянуть на 20 миллиардов лет назад. И космология, которая исследует сейчас эту проблему, не вступает ни в малейшее противоречие с материалистической философией, а напротив, подтверждает один из ее основных тезисов о том, что в мире нет неизменных, вечных свойств, что в природе все подвержено переменам, что все имеет свое начало и конец.
Кроме того, нельзя забывать, что философия имеет дело с очень общими, абстрактными категориями, смысл которых может меняться в зависимости от достижений естественных наук (вспомним замечание Энгельса о том, что диалектический материализм может изменять свою форму при каждом новом фундаментальном открытии естествознания). Но как бы ни менялись эти оттенки, основной тезис нашей философии о первичности материи и ленинское ее определение как объективной реальности остаются незыблемыми.
Сегодняшняя наука, особенно физика и космология, развивается так стремительно, что к сведениям, которые излагаются в учебниках, если не хочешь отстать, следует непременно добавлять данные из популярной или специальной научной и философской периодики.
Вернемся к Большому взрыву, вернее, к остывающему после него веществу. Расчеты показывают, что в сов-ременном мире на каждые несколько десятков миллиардов протонов должен приходиться один «изначальный» реликтовый кварк, родившийся еще тогда, когда протовещество было горячим. Столько же должно быть и антикварков. А все это означает, что в одном кубическом сантиметре вещества Вселенной должно содержаться около триллиона реликтовых кварков!
Но это — в среднем. На самом деле кварки могут распределяться весьма неравномерно, и в некоторых веществах их концентрация может быть еще выше. Ведь и по отношению к электронам различные вещества ведут себя по-разному: в одних материалах электрические заряды накапливаются быстро — вспомним например, как легко электризуется одежда из синтетики; другие материалы, наоборот, оказываются хорошими проводниками и сразу же теряют электрические заряды.
Блуждая в веществе, например в воде океанов, кварки с отрицательным электрическим зарядом будут «прилипать» к положительно заряженным ядрам атомов Образуются «кварковые атомы», и их физико-химические свойства будут немного отличаться от свойств обычных атомов с чисто электронными оболочками. Поэтому с помощью современных химических методов можно сначала повысить их концентрацию в исследуемых образцах, а затем попытаться выделить их в чистом виде. Нечего и говорить, что этот способ был испробован, причем он был так тщательно отработан, что если бы в 10 кубометрах воды (по объему это приличная цистерна) содержался всего один кварк, он был бы обнаружен. Увы! Кварков не обнаружилось. Ни в океанской воде, ни в земной коре, ни даже в лунном веществе.
Это можно было бы понять, если допустить, что кварки — не просто тяжелые, а очень тяжелые частицы Концентрация частиц, образующихся внутри горячей Вселенной, зависит от их массы. Чем тяжелее частицы, тем труднее происходит их выделение из протовещества. В своих расчетах теоретики исходили из предположения, что кварк в 5—10 раз тяжелее протона. Чтобы объяснить отрицательный результат экспериментов приходится допустить, что масса кварков в миллиарды миллиардов раз больше массы протона. Но мы уже знаем, что это уже масса пылинок, танцующих в солнечном луче. Кажется просто невероятным, чтобы часть протона была в миллиарды миллиардов раз больше его самого!
Но почему все-таки это невероятно? В последние годы открыто немало такого, что несколько десятков лет назад показалось бы абсолютно невозможным. Ведь даже в существование дробного заряда ни один физик четверть века назад не поверил бы!
Физики вообще народ весьма недоверчивый, и лишь эксперимент или какие-то глубокие теоретические аргументы могут заставить их отказаться от утвердившихся идей. Но, с другой стороны, опыт убедил физиков в необходимости анализировать любую, даже самую «сумасшедшую» возможность, если она не противоречит известным законам. Поэтому гипотезу сверхтяжелых кварков нельзя отбросить «с порога», хотя многим физикам (в том числе и пишущему эти строки) она представляется малоубедительной.
