Виктор Комаров - Занимательная астрофизика
Любой барион состоит из трех кварков разного цвета, но сам тем физическим свойством, которое соответствует понятию «цвет», не обладает. Именно по этой причине способ описания с помощью цвета оказался весьма удобным. Ведь, как известно, смешение красного, зеленого и синего цветов дает цвет, близкий к белому. Что касается мезонов, то согласно кварковой модели каждый из них образован кварком и антикварком. Поэтому мезоны так же «бесцветны», как и барионы: цвет антикварка нейтрализует «антицвет» кварка. А вот глюоны, осуществляющие сильные взаимодействия, имеют цвет и поэтому в изолированном виде не существуют.
Если на первых порах кварки рассматривались только в качестве составных частей некоторых элементарных частиц, то к настоящему времени понимание той роли, которую они играют в строении материи, в ее глубинных свойствах, значительно расширилось. В частности, обнаруживается явная взаимосвязь между тяжелыми частицами, электронами, мю-мезонами и кварками. Связь, которая позволила приступить к созданию единой теории, объединяющей все известные элементарные частицы. Суть этой теории состоит в том, что основные физические взаимодействия — слабое, электромагнитное, сильное и гравитационное — проявляются как разные только при сравнительно небольших энергиях, а при достаточно высоких энергиях они объединяются, сливаются.
В случае, если энергия взаимодействующих частиц достигает 102 ГэВ (соответствующая температура 1015 К), объединяются слабое и электромагнитное взаимодействия. При энергиях около 1015 ГэВ и температуре 1028 К происходит «Великое объединение» — слияние не только слабого и электромагнитного, но и сильного взаимодействий. Когда же энергия достигает 1019 ГэВ, а температура 1032 К, то с ними; по-видимому, объединяется и гравитационное взаимодействие. Осуществляется так называемое «Величайшее объединение».
Сперва была разработана теория, объединяющая электромагнитные и слабые взаимодействия. Иногда ее называют «электрослабой». Эта теория уже получила блестящие экспериментальные подтверждения. В частности, она предсказала существование неизвестного ранее класса физических явлений — так называемых нейтральных токов.
В основе современной электрослабой теории лежит представление о так называемых промежуточных векторных W-бозонах — положительных, отрицательных и нейтральных (последние иногда и называют «нейтральными токами»). При слабых взаимодействиях эти частицы играют ту же роль, что и фотоны при электромагнитных взаимодействиях (т. е. являются «переносчиками» взаимодействия). В 70-е годы были получены убедительные доказательства их существования. Промежуточные векторные W-бозоны были обнаружены совсем недавно с помощью ускорителей, разгоняющих элементарные частицы до энергии свыше 100 ГэВ.
Однако и «электрослабая» теория обладает определенными изъянами. В ней слишком много произвольных параметров, с ее помощью не удается объяснить все наблюдаемые явления. Преодолеть эти недостатки физики и стремятся с помощью еще более общей теории, теории «Великого объединения».
Сперва предсказания новой теории казались фантастичными. Однако в дальнейшем многие из них получили убедительные экспериментальные подтверждения. Это дает основания предполагать, что подтвердятся и остальные. Как сказал один известный советский физик-теоретик: «Сначала я был скептиком. Но этот скепсис был неоднократно бит новыми экспериментальными фактами и теперь я стал оптимистом. Думаю, что и те частицы, которые пока еще появились только „на кончике пера“, будут открыты и в действительности».
Теория «Великого объединения» — важный шаг к более глубокому пониманию взаимозависимости явлений микромира и космических процессов.
В настоящее время можно говорить о двусторонней связи между физикой и наукой о Вселенной. С одной стороны, сложные явления, протекающие в космосе, не могут быть поняты без учета достижений современной физики, в частности, физики элементарных частиц. С другой же стороны, те параметры, которые интересуют современную физику, а именно расстояния порядка 10-20-10-30 см и энергии порядка 1015-1016 ГэВ, не могут быть достигнуты в обозримом будущем в лабораторных условиях. Но именно такие параметры характерны для ранней стадии эволюции Вселенной.
Поэтому теоретические и экспериментальные исследования в области физики элементарных частиц, о которых идет речь, имеют чрезвычайно важное значение и для понимания многих фундаментальных свойств Вселенной. В частности, от того, существуют кварки или нет, сколько их, каковы их массы, как они себя ведут и как взаимодействуют, зависит поведение Вселенной в первые мгновения расширения, а также ее будущая судьба…
Представим себе достаточно мощный конденсатор, который мы чрезвычайно быстро разряжаем и заряжаем. В результате поле внутри конденсатора также будет испытывать весьма быстрые изменения. Оказывается, при таких условиях между обкладками конденсатора должны рождаться из вакуума электроны и позитроны. Аналогичные явления могут происходить и во Вселенной при некоторых нестационарных процессах, сопровождающихся мощными катаклизмами. В частности, подобные условия существовали на ранней стадии расширения, что должно было приводить к бурному рождению вещества.
Дальнейший ход эволюции Вселенной во многом зависит от того, сколько разновидностей элементарных частиц объективно существует. С точки зрения развиваемой в настоящее время теории их могут быть тысячи и десятки тысяч. Не исключено существование и бесконечного «набора» элементарных частиц различных масс. Однако вопрос остается открытым, поскольку теоретические выводы нуждаются во всесторонней экспериментальной проверке.
Теория «Великого объединения» имеет самое непосредственное отношение к выяснению физических явлений, происходивших в первые мгновения расширения Вселенной. Ведь согласно теории «горячей Вселенной» в этот период существовали температуры, при которых сливаются различные физические взаимодействия.
Более того, теоретические исследования, о которых идет речь, чрезвычайно важны и для понимания многих других процессов, происходящих во Вселенной.
Как мы уже говорили, по теории «Великого объединения» при температурах выше 1028 К электромагнитное, слабое и сильное взаимодействия как бы «сливаются», теряют свою индивидуальную специфику. Однако, как выяснилось, необходимым условием такого «слияния» является нестабильность кварков. Но нестабильность кварков, в свою очередь, влечет за собой нестабильность и такой фундаментальной частицы, как протон, представляющий собой комбинацию трех кварков. Иными словами, протоны время от времени должны самопроизвольно распадаться. К счастью, как показывают расчеты, период полураспада протона на много порядков выше, чем возраст нашей Вселенной. В различных вариантах теории он оценивается от 1028 до 1033 лет. Поэтому окружающий нас мир устойчив благодаря тому, что «время жизни» протонов, а также тех нейтронов, которые входят в состав атомных ядер[22]), чрезвычайно велико. Иначе все атомные ядра, состоящие из этих частиц, а следовательно, все окружающие нас предметы и мы сами давно распались бы на легкие частицы.
В то же время вывод о нестабильности протона открывает реальную возможность экспериментальной проверки обоснованности теории «Великого объединения». Поскольку протонов в мире существует очень много, распад некоторых из них время от времени можно «увидеть» и такие распады могут быть обнаружены.
Разумеется, ожидание распада какого-нибудь конкретного протона — дело безнадежное. Но если вести наблюдение за достаточно большим количеством вещества, то распад хотя бы нескольких частиц в принципе можно зарегистрировать. Для этого в настоящее время строятся специальные установки. Одна из них, например, должна содержать 10 тысяч тонн воды. В том случае, если среднее время жизни протона равно 1031 лет, то согласно расчетам в таком количестве жидкости в среднем должно происходить около трех распадов в сутки. Однако, если среднее время жизни протона составляет 1033 лет, то существующие в распоряжении современной физики средства для регистрации соответствующего числа распадов окажутся непригодными и возможность осуществления контрольного эксперимента отодвинется, по всей вероятности, на весьма длительный срок.
Как известно, одним из важнейших выводов теории относительности А. Эйнштейна является знаменитое соотношение Е = тс2 — энергия Е, эквивалентная некоторой массе вещества, равна произведению этой массы т на квадрат скорости света с.
