Читать онлайн «Занимательная астрофизика». Страница 32

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.