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.

---

Но все это не означает, что сверхтяжелые кванты никогда не будут открыты и что «великое объединение» навсегда останется недоказанной гипотезой. Чтобы убедиться в существовании предсказываемых теорией сверхтяжелых частиц, совсем не обязательно строить фантастический ускоритель. Это можно сделать косвенным способом. Сверхтяжелые кванты рождаются где-то глубоко в недрах нуклонов, мезонов и других частиц. На очень короткое время это, как доказывают физики квантовыми законами разрешается. И вот там, взаимодействуя со сверхтяжелым квантом, кварк может превратиться в лептон. Частица, внутри которой произошло такое превращение, сразу же распадается, так как частиц, состоящих из смеси лептонов и кварков, не бывает. Поэтому, если удастся обнаружить радиоактивный распад протона, который вне рамок «великого объединения» абсолютно устойчив, это будет убедительным подтверждением идеи такого объединения и связанных с нею сверхтяжелых квантов.

Вместе с тем это будет означать, что все атомы радиоактивны и с течением времени вся наша Вселенная прекратит свое существование — распадется. Произойдет это, правда, не скоро, так что волноваться по этому поводу нечего. Согласно расчетам, один распад протона в стакане воды происходит не чаще чем за 10 тысяч лет. Вселенная наша существует около 20 миллиардов лет. За это время внутри объема, равного земному шару, успело распасться всего около 100 тонн, или, иными словами, 10-18 процентов всего известного нам вещества Вселенной.

Заметить распад протона все равно, что найти иголку в стоге сена. Распад протона пытаются обнаружить по вспышкам света в прозрачной жидкости. Такая вспышка может быть результатом аннигиляции: позитрон столкнется с атомарным электроном, и образуются два кванта света. Измерения проводят глубоко под землей, чтобы толстый слой почвы поглотил мешающие измерениям космические лучи, и с огромными мишенями — целыми бассейнами прозрачной жидкости. Здесь все гигантское и все на пределе современных технических возможностей. Несколько раз на совещаниях физиков объявлялось, что в такой-то лаборатории наконец зарегистрировали долгожданный сигнал от распада протона. Но доказательства, увы, были не бесспорны, так что с полной уверенностью сказать, что распад протона наблюдался, нельзя. Тем не менее физики надежды не теряют. Они убеждены даже, что «великое объединение» — это не предел. Теоретики размышляют над более грандиозной программой — над «суперобъединением» всех известных сил природы: электромагнитных, слабых, сильных и гравитационных. Вот было бы поистине великое, нет — величайшее объединение!

Одним из первых идею «суперобъединения» выдвинул харьковский теоретик Дмитрий Васильевич Волков и его сотрудники. На окраине Харькова, в лесном массиве, расположены ускоритель электронов и научный городок Пятихатки. Вот там и родилась эта замечательная идея. Правда, как это часто бывает в науке, сходные мысли были высказаны и другими физиками — Ю. Ф. Гольфандом в Физическом институте имени П. Лебедева в Москве, а также И. Вейсом и Б. Зумино в Женеве. В современном мире, где происходит быстрый обмен информацией, новые идеи часто витают в воздухе.

В математическом отношении новая теория чрезвычайно сложна. Гросмановы числа, произведение которых зависит от порядка сомножителей, спиноры и спинтензоры, теория групп, весь аппарат современной дифференциальной геометрии... Но физический смысл теории прозрачен. Все элементарные частицы, в том числе и «суперэлементарные» кварки и глюоны, теория делит на два больших разряда: бозоны и фермионы. Отличительным признаком служит величина спина. Дело в том, что микрочастицы ведут себя подобно быстро вращающимся полчкам, а у каждого волчка есть момент количества движения. Это и есть спин. Частицы, у которых спин — дробная величина, называют фермионами, а у которых целое число — бозонами. Происходят эти термины от фамилий итальянского физика Ферми и индийского теоретика Бозе, которые первыми изучили зависимость свойств частиц от их спинов. К фермионам принадлежат кварки, протон, нейтрон, электрон, нейтрино и все другие лептоны, а также многие странные частицы. В разряд бозонов входит пи-мезон (его спин равен нулю, поэтому можно сказать, что это невращающаяся частица), а так же омега- и ро-мезоны и множество других короткоживущих частиц.

Так вот, идея суперобъединения, или суперсимметрии заключается в предположении, что у каждого бозона обязательно есть партнер-фермион, а у фермиона — бозон. Иначе говоря, при перестановке бозонных и фермионных частиц физические законы остаются неизменными (зеркально симметричными).

Мультиплеты такой теории объединяют частицы с разными спинами: кварки и лептоны, глюоны, фотон, гравитон и не найденные еще на опыте их суперсимметричные партнеры. «Многогранные» частицы-мультиплеты становятся очень сложными, их «компоненты-грани») могут быть частицами вещества и частицами — переносчиками взаимодействий.

Такое всеобъемлющее объединение частиц и полей по-видимому, действительно происходит на ультрамалых расстояниях порядка 10-33 сантиметров. Расстояния эти намного меньше тех, которые можно прощупать с помощью ускорителей. Но можно рассчитывать на то, что отголоски суперобъединения обнаружатся где-то в глубинах Вселенной, развитие и строение которой зависят от того, что творилось в ней в первые мгновения после ее рождения, когда она была меньше любой самой маленькой элементарной частицы. Об этом событии мы еще подробно поговорим в последующих главах.

Среди предсказаний новой теории одно из наиболее интересных — гипотеза о новом виде гравитации, о неизвестном до сих пор варианте всемирного тяготения. Его квантами-переносчиками служат гравитино — фермионные партнеры «обычных», известных нам, бозонных гравитонов. Расчеты показывают, что в отличие от гравитона, являющегося безмассовой частицей, гравитино весит раз в 100 больше протона. Существует ли в природе такая «тяжелая гравитация»? Открытие гравитино будет хорошим доказательством правильности идеи суперсимметрии.

Другое важное следствие анализа различных вариантов суперсимметричной теории элементарных частиц — гипотеза о составной природе кварков. Кванты суперсимметричного поля стали настолько сложными и многокомпонентными объектами, а их физические свойства — настолько разнообразными, что это само по себе наводит на мысль: не состоят ли кварки, глюоны и их компоненты из каких-то более мелких и простых частичек, принадлежащих следующему, «закварковому» уровню материи?

Что это за частицы, можно лишь гадать. Никаких экспериментальных данных об этом пока нет. Тем не менее теоретики уже создают и исследуют различные схемы с составными кварками. В одной из них кварки состоят из двух «пракварков», один из которых напоминает мезон, а второй по своим свойствам похож на электрон и имеет античастицу. Разработана схема, в которой кварки состоят из трех электроноподобных пракварков. Некоторые теоретики считают, что частями кварков могут быть протяженные объекты, похожие на тонкие длинные змейки или вибрирующие струны, с размерами порядка 10-33 сантиметров. Эти «змейки» похожи на хромосомы в клетках организмов. При столкновении кварков их «хромосомы» могут сливаться, скрещиваться и распадаться, образуя новые «хромосомы». В соответствии с идеей суперсимметрии они сочетают в себе свойства бозонов и фермионов. Изучение гипотетических «змеек-струн» — сегодня одно из основных направлений физики элементарных частиц.

Но все это — гипотезы. Что происходит на самом деле в области сверхмалых расстояний, сказать пока трудно. Суперобъединение переживает еще младенческую пору своей жизни. Пока это область теоретической фантазии, где вопросов и загадок намного больше, чем разгадок и ответов. Целый мир абстрактных образов! И благодатное поле для самых смелых предположений.

Теория в современной физике занимает исключительное место. Она строит мосты между островками разрозненных экспериментальных фактов и путем экстраполяции позволяет далеко уходить от них в область неизвестного.

Фиолетовые руки
на эмалевой стене
полусонно чертят звуки
в звонко-звучной тишине...

Эти знаменитые строки Валерия Брюсова невольно приходят в голову, когда глядишь на черные доски с узором затейливых формул, понятных лишь небольшом кругу посвященных... И в то же время, как мы все давно знаем, нет ничего практичнее хорошей теории!

Когда-то, лет 25 назад, на киноэкранах и на страницах книг появился образ физика-теоретика, этакого элегантного острослова, немного чудаковатого, немного резкого, утопающего, вытянув ноги, в современных мягких креслах или разгуливающего по бесконечным коридорам в окружении почтительно внимающих ему коллег экспериментаторов. Как же это все устарело! Да и было ли верно? Остроумный или просто умный — да, разумеется. Чудаковатый? Возможно. Но элегантный — нет. Элегантность нуждается в заботах и уходе, а у теоретика нет и никогда не было времени. Ни на поддержание элегантности, ни на праздное утопание в креслах. У него нет «нерабочего времени»! Физическая задача сродни головоломке — все становится простым, когда найдется «ключик». И мозг теоретика постоянно занят поискам этого «ключика» — за столом в рабочем кабинете, во время обеда, по дороге на работу и домой. Попытка за попыткой... И каждую догадку надо проверить расчетом. Растет стопка густо исписанных формулами и цифрам листов. И все не так, все напрасно... Не зря говорят, что теоретик работает в основном на корзину. Тяжелый неблагодарный труд, где озарения так редки. Но зато какие это бывают озарения!