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.

---

Если верна теория «великого объединения», то дальнейшая судьба мира будет зависеть от радиоактивного распада протонов. Это процесс очень медленный, и для того, чтобы все адронное вещество Вселенной превратилось в фотон-лептонный газ с вкрапленными в него черными дырами, потребуется 1032—1035 лет. Частицами света и легким лептонным частицам, образующимся при распадах адронов, распадаться будет уже некуда и не на что: это стабильные частицы, а посему единственный процесс, который будет происходить далее во Вселенной (не считая ее расширения),— испарение черных дыр. Самые большие из них будут испаряться не меньше 10100 лет. По сравнению с этим все другие фазы жизни Вселенной — ничтожный миг. За 10100 лет она раздуется в шар чрезвычайно разреженного фотон-лептонного газа с размерами в 10110 километров. Если его диаметр принять за единицу измерений, то сегодняшние размеры Вселенной окажутся меньше геометрического кванта.

Что произойдет с нашим миром дальше — неизвестно. Знаменитый немецкий философ Гегель назвал неограниченно развертывающийся процесс, в котором нет качественных изменений, «дурной бесконечностью». Едва ли нашему миру уготована такая судьба. Надо полагать, какие-то процессы изменят однообразную картину бесконечного расширения инертного фотон-лептонного газа. Какие и как? Все это пока далеко за пределами современной науки и даже научной фантастики.

Рассказанный нами сценарий бесконечного расширения Вселенной предполагает, что массы нашего мира недостаточно для его замыкания. В противном случае силы гравитационного притяжения остановят его расширение и начнется обратный процесс — сжатие. Когда начнется, сказать трудно. Большинство ученых склонны считать, что если это и случится, то, скорее всего, уже после распада протонов, где-то на стадии испарения черных дыр.

Но если существуют большие массы невидимого нам вещества, это может случиться и раньше. Сжатие закончится гравитационным коллапсом, после которого может начаться новый цикл расширения Вселенной, возродившейся, как Феникс из пепла.

И это — только одна из возможных гипотез. Что может произойти за порогом гравитационного коллапса, не знает никто. В начале был Большой взрыв, в конце — Большое сжатие (или, как говорят физики, схлопывание). Есть ли что-нибудь между ними там, вне нашего пространства-времени? Даже слово «между» мы употребляем незаконно, ведь там и времени-то в нашем смысле нет!

Оба сценария дальнейшей судьбы Вселенной — неограниченное расширение и сжатие — основаны на теории относительности. Когда будет создана более совершенная космологическая теория, в них, возможно, придется внести коррективы. На это указывают нам некоторые несоответствия современной теории и наблюдений. Теория говорит нам, что в разных направлениях Вселенная должна расширяться неодинаково. Вероятность образования практически однородной по своим свойствам Вселенной крайне мала. Но реальная Вселенная почему-то именно такова. Недавние измерения микроволнового космического радиоизлучения — «космического радиофона» — показали, что его изменения по разным направлениям составляют менее одной стотысячной. В чем причина столь высокой изотропии Вселенной — загадка. Сегодня это, пожалуй, основная проблема космологии.

Заставляет задуматься и тот уже отмеченный нами удивительный факт, что масса нашего мира близка к массе замкнутого мира. Различие не более, чем на порядок, а скорее всего, даже меньше. Что это — случайность? Ведь масса могла бы быть любой, а она почти, критическая.

Недавно теоретики из Физического института имени П.Н. Лебедева, а вслед за ними и американские физики, основываясь на теории относительности Эйнштейна и идее суперобъединения всех существующих в природе полей, предложили новую теорию. В ней Вселенная вскоре после своего «рождения» почти мгновенно раздувается до колоссальных размеров, которые неизмеримо больше тех, что подсказывают нам астрономические наблюдения и теория Фридмана. В огромном «пустом» пространстве происходит преобразование вакуума, нечто вроде конденсации вещества из эфира. При этом в разных областях Вселенной образуется различный вакуум, и, как это всегда бывает при конденсации, выделяется много энергии, что, естественно, разогревает образовавшееся правещество до чрезвычайно высокой температуры. Дальше заполненные раскаленным сверхплотным веществом области пространства расширяются уже в соответствии с теорией Фридмана.

Теория раздувающейся Вселенной позволяет устранить многие трудности современной космологии, но и сама порождает много новых вопросов. Как заметил однажды Бернард Шоу, наука всегда оказывается неправа: она никогда не решает вопроса, не поставив при этом десятка новых. Тем более это верно, когда речь идет о моделях мира в целом.

В великих тайнах Биг Бэнга и дальнейшей судьбы Вселенной, наверное, многое прояснится после того, как будет создана теория, объясняющая величину мировых постоянных — скорости света, заряда, электрона и других. Сегодня все они берутся из опыта, и мы не знаем, почему они именно таковы, какие есть. Науку же не. удовлетворяет такое положение вещей. Она должна перейти на следующий, более глубокий уровень. Хотя, честно говоря, пока у нее нет никаких идей, как совершить этот переход.

Различие пространственно-временных, масштабов на двух полюсах нашего мира — внутри элементарных частиц и в космосе — как мы убедились, огромно: более 40 порядков. Чудовищно различны и материальные объекты квазары и гигантские звездные скопления, с одной стороны; и почти мгновенно распадающиеся частицы-резонансы или практически точечные Кварки — с другой. И при всем этом многообразии свойства самого пространства-времени остаются удивительно постоянными. Как в космосе, так и в микромире мы описываем их теми же самыми непрерывными координатами.

Но некоторые важные различия все же имеются.

В конце 50-х годов работавшие в США китайские физики Ли, Янг и By сделали сенсационное открытие. Оказалось, что на малых расстояниях теряется различие между правым и левым.

Из нашей повседневной практики мы хорошо знаем о зеркальной симметрии — симметрии правого и левого. Между нашим пространством и зазеркальем нет принципиальных различий, и когда мы смотрим на себя в зеркало, мы совершенно уверены в том, что изображение полностью соответствует оригиналу. В микромире все иначе. Как это ни странно, но часть объектов и событий там просто не имеет зеркального отражения. Например, в природе нет частицы, которая была бы зеркальным отражением нейтрино. Другими словами, в микромире не у каждого «правого» есть «левое».

В 1964 г., был открыт еще более удивительный факт. Два молодых американских физика, Вэл Фитч и Джеймс Кронин, изучали нарушение зеркальной симметрии в распадах К-мезонов — короткоживущих частиц, которые можно получить с помощью мощного ускорителя. Распады фотографировались и тщательно измерялись. Ничего неожиданного не было замечено — опыт протекал так, как и предсказывала теория, и его материалы после обработки были сданы в архив. Однако спустя полгода физикам пришла в голову «сумасшедшая» мысль: а что если в микромире нельзя противопоставлять не только правое левому, но и будущее прошлому? В классической механике Ньютона для каждого процесса можно найти точно такой же, но протекающий в обратном порядке — так сказать, зеркально отраженный во времени. Если в обычном, прямом процессе человек вошел в комнату, то в обратном он, пятясь, выйдет из нее. И так для любого явления. А вот как будет в микромире?

Экспериментальный материал был заново пересмотрен, и среди двух десятков тысяч фотографий Фитч и Кронин, к своему удивлению и радости, обнаружили около нескольких десятков с реакциями, которые никак не должны были бы происходить в мире, зеркально симметричном по отношению к прошлому и будущему. Симметричная теория такие реакции запрещала строго-настрого.

Эти результаты произвели огромное впечатление на физиков. Они показали, что при определенных условиях в природе могут нарушаться, казалось бы, самые, фундаментальные свойства пространства и времени, что эти свойства не абсолютны, а относительны: в макромире одни, а в микромире могут быть совсем другие.

Есть еще один пункт, где можно ожидать существенного различия пространственно-временных свойств микро- и макромира. Это причинность.

Осенью 1956 г. в американском городе Сиэтле, на берегу Тихого океана, проходил Международный конгресс по теоретической физике. Это была одна из первых конференций, на которой после многих лет холодной войны, разделявшей Восток и Запад, встретились советские и американские ученые. Подводились итоги развития квантовой физики. Доклад следовал за докладом. Огромные доски, сплошь исписанные формулами, и (тогда это было еще новинкой) слайды с графиками и формулами, проецируемые на большой белый экран. Респектабельная академическая обстановка, лишь изредка нарушается веселым оживлением в зале, когда кто-либо из гостей-иностранцев смешно ошибался в английском языке.