Виктор Комаров - Занимательная астрофизика
Еще древнегреческий мыслитель Прокл в своих основах физики писал: «Время непрерывно и вечно»[19]).
Предложенные им алгоритмы доказательства вечности времени опираются на представление о его непрерывности. Но эти и им подобные рассуждения носили умозрительный характер.
Современная теория расширяющейся Вселенной, как известно, исходит из того, что существовал начальный момент Т= 0.
«Мыслима такая космологическая схема, — отмечает академик Эстонской ССР Г. И. Наан, — в которой Вселенная не только логически, но и физически возникает из ничто, притом при строгом соблюдении всех законов сохранения.
Ничто (вакуум) выступает в качестве основной субстанции, первоосновы бытия»[20]).
К идее «начального момента» в современной теории расширяющейся Вселенной наиболее близка категория «вдруг», описанная Платоном: «…„вдруг“, видимо, означает нечто такое, начиная с чего происходит изменение в ту или другую сторону. В самом деле, изменение не начинается с покоя, пока это покой, ни с движения, пока продолжается движение; однако это странное по своей природе „вдруг“ лежит между движением и покоем, находясь совершенно вне времени; но в направлении к нему и, исходя от него, изменяется движущееся, переходя к покою, и покоящееся, переходя к движению»[21]).
Возможен и такой вариант, при котором «начало» расширения имело место, а продолжительность существования Вселенной от начального момента до сегодняшнего дня тем не менее бесконечна.
Классическая физика XIX века, как известно, рассматривала время как нечто абсолютное, единое для всей Вселенной, не зависящее от материи.
А. Эйнштейн показал, что никакого абсолютного времени не существует. Течение времени зависит от положения и движения наблюдателя, а также от воздействия гравитационных полей. В частности, оказалось, что в сильном гравитационном поле течение времени существенно замедляется. Например, как мы уже отмечали в предыдущей главе, на границе черной дыры, где сила тяготения бесконечно велика, время вообще останавливается!
Возможно также, что время квантуется, подобно некоторым другим физическим величинам, т. е. существуют минимальные промежутки времени, короче которых в природе уже нет.
Словом, вопросов, связанных с природой времени, более чем достаточно. Их изучение — одна из увлекательнейших проблем современного естествознания.
Нас прежде всего будет интересовать космологическая «стрела времени», связанная с ходом эволюционных событий во Вселенной. Как они развертывались во времени, как одно состояние материи сменялось другим? Изучение этой последовательности событий — центральная задача астрофизики наших дней. Ведь понять современное состояние Вселенной невозможно без изучения тех предшествующих состояний, которые к нему привели. А без понимания современного состояния нельзя предвидеть состояния будущие.
Но раскрыть связь прошлого, настоящего и будущего можно лишь на основе глубокого изучения происходящих в мире физических процессов, взаимосвязи и взаимозависимости различных физических явлений.
Великое объединение
Изучение закономерностей эволюции материи во Вселенной — не только одна из важнейших, но в то же время одна из труднейших проблем современного естествознания. Интенсивные исследования в этой области, развернувшиеся во второй половине XX в., привели ученых к мысли, что для решения этой проблемы мало исследовать закономерности одних лишь космических явлений. Необходимо выяснить связь этих явлений с микропроцессами, с миром элементарных частиц.
Одним из основных положений материалистической диалектики является представление о всеобщей взаимосвязи и взаимозависимости явлений природы.
Развитие физики не раз убедительно подтверждало плодотворность этой идеи. Так, например, из знаменитых уравнений, выведенных Дж. Максвеллом в конце прошлого века, вытекало, что казавшиеся в то время совершенно разнородными электричество, магнетизм и свет на самом деле представляют собой различные проявления одних и тех же фундаментальных законов.
Создать единую теорию, которая объединила бы электромагнитные взаимодействия и гравитацию, пытался еще.
А. Эйнштейн. Однако Эйнштейну были тогда неизвестны сильные и слабые взаимодействия, к тому же он принципиально отвергал квантовую механику. Поэтому его попытки к успеху не привели.
Однако в истории науки нередко складываются парадоксальные ситуации. К их числу можно отнести создание так называемой квантовой теории поля, которая представляет собой синтез специальной теории относительности, гениально разработанной Эйнштейном, и той самой квантовой механики, которую полностью он так и не принял до последних дней своей жизни.
На основе квантовой теории поля, в свою очередь, была разработана квантовая электродинамика, описывающая взаимодействие между электронами и фотонами и с очень большой степенью точности подтвержденная экспериментально.
Согласно этой теории, электромагнитные взаимодействия, т. е. взаимодействия между заряженными частицами, например, между электронами и атомными ядрами, обеспечиваются благодаря тому, что эти частицы обмениваются фотонами.
В последние годы аналогичная теория была создана и для сильных взаимодействий. Она получила наименование квантовой хромодинамики. В основе этой теории лежит представление о том, что составные части атомных ядер — нуклоны, т.,е. протоны и нейтроны, состоят из особых фундаментальных частиц — кварков, обладающих дробным электрическим зарядом.
Кварки как теоретические объекты стали рассматриваться физиками, начиная с 1964 г. На первых порах в реальности существования кварков заставляла сомневаться дробность их электрического заряда. Однако в последние годы были получены экспериментальные данные, которые, судя по всему, говорят в пользу того, что кварки действительно обладают дробными зарядами.
Что же касается неудачных попыток выделения кварков «в чистом виде», то не исключено, что эти объекты представляют особый тип частиц, которые в отличие от барионов, мезонов или лептонов не могут существовать в свободном состоянии.
В связи с этим возник принципиальный вопрос, так сказать, методологического свойства: можно ли считать реально существующими физические объекты, которые не удается выделить в чистом виде? В частности, по отношению к кваркам некоторые физики проявляют определенную осторожность: они допускают, что эти гипотетические фундаментальные частицы являются всего лишь вспомогательными физическими образами, позволяющими удобно описывать некоторые свойства микрообъектов. Такой точки зрения, например, придерживался один из крупнейших физиков-теоретиков В. Гейзенберг, и хотя в настоящее время под воздействием впечатляющих успехов хромодинамики и основанной на кварковой модели теории сильных взаимодействий подобная точка зрения является уже менее популярной, тем не менее она все же существует.
Возможно, это в значительной степени объясняется тем обстоятельством, что физики, работающие в области изучения элементарных частиц, привыкли к тому, что до сих пор все теоретически предсказанные новые элементарные частицы рано или поздно обнаруживались экспериментально. Кварки же выпали из этой привычной схемы развития событий.
Вообще вопрос о том, «что из чего состоит», когда речь идет о явлениях микромира, утрачивает свой совершенно ясный и отчетливый смысл. Так, например, на основе экспериментальных данных считается, что при распаде нейтрона образуются протон, электрон и нейтрино. Значит ли это, однако, что нейтрон состоит из этих частиц? Подобное заключение было бы неверно хотя бы уже потому, что сам протон может распадаться на нейтрон, позитрон и нейтрино.
Таким образом, понятие «состоит из…» по отношению к элементарным частицам обладает ограниченной применимостью.
Эти соображения необходимо принимать во внимание и тогда, когда речь идет о том, что адроны состоят из кварков.
В настоящее время считается, что в природе существуют кварки нескольких разных типов, или «ароматов» (по современной физической терминологии), и для каждого кварка имеется соответствующий антикварк.
Подобно тому, как квантовая электродинамика связывает взаимодействие заряженных частиц с обменом фотонами, квантовая хромодинамика объясняет взаимодействие кварков в нуклонах обменом особыми безмассовыми частицами — глюонами. Глюоны представляют собой кванты особых «глюонных» полей (от английского слова glue — клей).
Между теориями, о которых идет речь, существует и другое сходство. В квантовой хромодинамике есть физическая величина, аналогичная электрическому заряду в квантовой электродинамике. Она называется «цветом». Из опыта известно, что электрический заряд «квантуется» — заряд электрона, например, в точности равен по абсолютной величине заряду протона. Что же касается «цвета», то каждый кварк может находиться в одном из трех «цветовых состояний», условно названных красным, зеленым и синим (в некоторых вариантах теории — красным, синим и желтым).
