Пол Девис - Суперсила

• Название: Суперсила
• Автор: Пол Девис
• Издательство: Мир
• Жанр: Физика
• Год: 1989
• ISBN: 5-03-000546-3

Наука во все времена стремилась построить целостную картину окружающего мира. В последние десятилетия физики как никогда приблизились к осуществлению этой мечты: вырисовываются перспективы объединения четырех фундаментальных взаимодействий природы в рамках одной суперсилы, и физика микромира все теснее сливается с космологией – теорией происхождения и эволюции Вселенной.

Обо всем этом в популярной и увлекательной форме рассказывает книга известного английского ученого и популяризатора науки Пола Девиса (знакомого советскому читателю по книге “Пространство и время в современной картине Вселенной”. – М.: Мир, 1978).

Адресована всем, кто интересуется проблемами современной фундаментальной науки, особенно полезна преподавателям и студентам как физических, так и философских факультетов вузов.

---

Ключ к пониманию природы этой странной высокотемпературной фазы материи лежит в нарушении симметрии. В гл. 8 было показано, каким образом спонтанное нарушение калибровочной симметрии может наделить частицы массой и создать различие между электромагнитным и слабым взаимодействиями. Существует общее правило природы, согласно которому высокие температуры стремятся восстановить симметрию. Хорошим примером проявления этого правила могут служить две фазы воды – жидкая и твердая (лед). В кристалле льда обнаруживаются выделенные направления – направления вдоль ребер кристаллической решетки. При таянии льда кристаллическая структура разрушается. У возникшей вместо кусочка льда капли воды уже нет никаких выделенных направлений в пространстве – она симметрична. Таким образом, повышение температуры привело к восстановлению изначальной пространственной симметрии, которая была спонтанно нарушена у кристалла льда. При увеличении температуры до 10^16 К происходит фазовый переход, аналогичный переходу лед-вода. Однако в этом случае восстанавливается калибровочная симметрия электрослабого взаимодействия.

Как видим, картина Вселенной в момент, соответствующий 1пс, весьма примечательна. Вселенная заполнена таинственной жидкостью, в последующие времена уже нигде не встречающейся, и населена неведомыми нам частицами. Однако вещество не может продолжительно существовать в столь странной фазе. Падение температуры вызывает внезапный фазовый переход, напоминающий замерзание воды и образование льда. Столь же внезапно возникают и известные нам частицы – электроны, нейтрино, фотоны и кварки, которые теперь вполне различимы. Калибровочная симметрия нарушена, а электромагнитное взаимодействие отделилось от слабого.

Если проследить за дальнейшей эволюцией космического вещества, то мы станем свидетелями еще одного фазового перехода, который произойдет спустя 1 мс (миллисекунда) после Большого взрыва. Плотный конгломерат быстро движущихся кварков внезапно конденсируется, образуя адроны с вполне определенными свойствами. В этом море частиц можно различить отдельные протоны, нейтроны, мезоны и другие сильно взаимодействующие частицы, в которых кварки объединены в четкие группы – попарно или по три. По мере дальнейшего падения температуры все оставшиеся античастицы (например, позитроны) аннигилируют, создавая интенсивное гамма-излучение. В результате вещество превращается в знакомую нам смесь протонов, нейтронов, электронов, нейтрино и фотонов, и открывается прямой путь для синтеза гелия, который начинается спустя несколько секунд после Большого взрыва.

Попытка изучить эволюцию Вселенной начиная с 10^-12 с привела нас к новому замечательному представлению о природе вещества. Мы убедились, что протоны и нейтроны – эти «кирпичики» мироздания – существовали не всегда, а «выморозились» из кваркового бульона спустя примерно 10^-3 с после Большого взрыва. Поэтому эти ядерные частицы (нуклоны) можно считать реликтами первой миллисекунды существования Вселенной. Еще более удивителен тот факт, что лептоны и кварки, лежащие в основе всего вещества Вселенной, обрели свою индивидуальность лишь спустя примерно 10^-12 с; таким образом, они являются реликтами первой пикосекунды.

Постепенно начинает вырисовываться систематическая картина эволюции Вселенной. Происхождение элементов можно проследить до отдаленных эпох возникновения звезд и нуклеосинтеза в первые минуты существования Вселенной. Протоны и нейтроны, служащие материалом для создания ядер, образовались еще раньше, тогда как лептоны и кварки, лежащие в основе ядерных частиц, являются реликтами первой триллионной доли (10^-12 ) секунды существования Вселенной. Однако остается главная загадка, которая возвращает нас к значительно более ранней эпохе – эпохе Великого объединения.

Происхождение вещества

Первоначальный вариант теории Большого взрыва не давал убедительного объяснения того, каким образом в ходе первичного взрыва возникло вещество. Космологам не оставалось ничего другого, как предположить, что все вещество, из которого построена Вселенная, существовало с самого начала. Ни один из известных физических процессов не мог объяснить возникновение вещества. В настоящее время новая космология дает очень правдоподобное объяснение происхождению вещества, основанное на действии суперсилы.

О возможности возникновения вещества в результате концентрации энергии известно в течение нескольких десятков лет. При Большом взрыве не было недостатка в энергии, необходимой для образования вещества видимой части Вселенной, общая масса которого оценивается в 10^50 т. Загадка заключается в том, как все это вещество могло возникнуть без равного количества антивещества (мы уже упоминали об этой проблеме в гл.2). В лабораторных условиях возникновение вещества всегда сопровождается рождением антивещества, и симметрия между ними, по-видимому, заложена в законах физики. Неизбежен вопрос: куда же девалось все антивещество?

Прежде всего следует убедиться в том, что Вселенная действительно построена только из вещества. Например, камень из антивещества во всех отношениях был бы сходен с камнем из вещества, и посмотрев на них, мы не отличили бы их друг от друга. Тем не менее существует безошибочный способ установить, что есть что. Если привести каждый из камней в соприкосновение с куском вещества, то камень из антивещества исчезнет, произведя взрыв, по мощности сравнимый с ядерным. Даже тоненькая струйка газа антивещества вызвала бы бурную реакцию – интенсивное гамма-излучение. Мы, несомненно, можем быть уверены, что Земля на 100% состоит из вещества.

Но присуща ли такая асимметрия Вселенной в целом? Насколько мы можем судить – да. Если бы наша Галактика содержала антивещество в сколько-нибудь значительном количестве, то при неизбежных столкновениях между газом, пылью, звездами, планетами и другими объектами вещество, встречаясь с антивеществом, аннигилировало бы, в результате чего возникали бы мощные потоки гамма-излучения. Столь высокий уровень гамма-излучения, безусловно, был бы зарегистрирован; пока же, по имеющимся у астрономов данным, содержание антивещества в нашей Галактике не превышает тысячной доли. Если исключить единичные антипротоны, обнаруженные в космических лучах, то в целом Галактика, по-видимому, состоит только из вещества.

Можно предположить, что некоторые галактики, напротив, состоят только из антивещества (с очень небольшой добавкой вещества). Однако время от времени даже галактики сталкиваются друг с другом, причем в прошлом они находились значительно ближе друг к другу. Гамма-излучение, возникшее в результате таких столкновений, наблюдалось бы и сегодня. Более того, если рассматривать Вселенную как целое, то трудно понять, каким образом первоначальная смесь вещества и антивещества могла когда-то разделиться и попасть в удаленные друг от друга области пространства. Основываясь на этих наблюдениях, большинство космологов считают, что Вселенная построена в основном из вещества, и эта асимметрия была заложена в самые ранние этапы эволюции Вселенной.

Еще десять лет назад предлагалось единственное объяснение первичного нарушения баланса между веществом и антивеществом – считалось, что асимметрия присуща Вселенной с самого начала, т.е. уже в процессе Большого взрыва возникла диспропорция между веществом и антивеществом. Подобное объяснение, основанное на искусственно подобранных начальных условиях, разумеется, не может быть удовлетворительным, ибо оно ведет по замкнутому логическому кругу. Такие «объяснения» нельзя считать научными. С их помощью можно описать любое начальное соотношение вещества и антивещества. Они ничего не говорят о том, почему наблюдаемая асимметрия столь мала или столь велика. По-видимому, не существует веских причин, по которым, например, количество вещества не могло бы оказаться в два, а возможно, и в миллион раз больше.

ТВО приходит на помощь

Более естественно предполагать изначально полную симметрию между веществом и антивеществом, нежели считать, что преобладание вещества во Вселенной «от бога», и лишь затем в силу тех или иных причин оно обозначилось и закрепилось. В этом случае уже нет необходимости доверять произвольно выбранным начальным условиям; состояние, в котором существует точное равенство количеств вещества и антивещества, единственно. Наблюдаемое преобладание вещества над антивеществом можно было бы количественно объяснить на основе физической теории.

Для осуществления этой идеи, очевидно, необходимо придумать физический механизм, который нарушал бы симметрию между веществом и антивеществом, считавшуюся по традиции одним из нерушимых законов физики. В конце 70-х годов физики нашли такой механизм нарушения симметрии в виде теорий Великого объединения (ТВО). Как отмечалось в предыдущих главах, одним из самых сенсационных предсказаний ТВО явилось предсказание распада протона с образованием позитрона. Связь между распадом протона и асимметрией вещества и антивещества можно усмотреть в возможной судьбе атома водорода (состоящего из протона и электрона) в отдаленном будущем. При распаде протона образуются пион и позитрон. Пион распадается на два фотона, а позитрон аннигилирует с электроном, создавая еще два фотона. Итак, атом вещества прекращает свое существование, превращаясь целиком в излучение. В результате этого процесса вещество, не взаимодействуя с антивеществом, полностью переходит в энергию излучения. Вспомним теперь, что каждый физический процесс обратим; в данном случае это означает прямое превращение энергии излучения в вещество, не сопровождающееся образованием антивещества. Именно такой процесс, значительно ускоренный, мог бы объяснить возникновение вещества.