Предчувствия и свершения. Книга 3. Единство

Радунская Ирина Львовна

Объединение кварков (и антикварков) в более сложные частицы осуществляется в результате сильных взаимодействий. Их название показывает, что они в масштабе размера ядра (10— 13 см) очень сильны. Но они кардинально отличаются от остальных взаимодействий своей зависимостью от расстояния. Взаимодействия, с которыми мы познакомились ранее, гравитационное и электрослабое, быстро убывают при увеличении расстояния. Сильное взаимодействие обладает более сложными свойствами. Оно очень быстро растет, когда расстояния увеличиваются за пределы размеров ядра, и резко уменьшается, когда расстояния становятся меньшими, чем размеры ядра. В результате этого кварки внутри протона и нейтрона ведут себя как свободные частицы. Если же какому-либо из кварков придана очень большая энергия,

способная вырвать его наружу, то происходит процесс, с которым физики ранее не встречались. Эта энергия оказывается затраченной на рождение нового кварка внутри частицы (например, внутри протона или нейтрона), из которой мы пытаемся вырвать кварк, и рождение мезона, как бы вылетающего из материнской частицы. Более детальное изучение показывает, что мезон не вылетает как целое из этой частицы, а возникает из выбитого из нее кварка и еще одного кварка, порождаемого в вакууме за счет энергии, затраченной на освобождение кварка из недр протона или нейтрона.

Эти процессы, кажущиеся фантастическими, реализованы и подробно изучены при помощи самых мощных из имеющихся ускорителей заряженных частиц. На основе подобных исследований ученые были вынуждены признать, что при очень высоких энергиях, соответствующих температуре около 1028 К, электрослабые взаимодействия сравниваются по величине с сильными взаимодействиями и сливаются с ними воедино. Физики назвали этот процесс Великим объединением. Это значит, что при температуре, превышающей 1028, все составные частицы (протоны, нейтроны, мезоны и более сложные частицы) распадаются. Все вещество при этом существует в форме кварков и лептонов (этим наименованием обозначают семейство, состоящее из электрона, мюона, их родственника тау- лептона, трех нейтрино и их античастиц). Распад протонов, нейтронов и других составных частиц происходит вследствие того, что при температуре 1028 К частицы могут сближаться на расстояние 10— 28 см и ближе. Но на этих малых расстояниях силы, удерживающие кварки внутри составленных из них частиц, уменьшаются практически до нуля.

Все три поля при этом представлены единым полем, а частицы, передающие взаимодействие, обусловленное этим полем, выглядят в этих условиях как необычайно энергичные фотоны.

Это не плод фантазии физиков, а выводы из множества экспериментов, поставленных так, что каждый из них проверяет результаты, полученные в других экспериментах.

Ни один из них не противоречит другим, а если появляется видимость противоречий, то они устраняются по мере дальнейшего проникновения в глубинные свойства материи. Когда это удается, а пока так было во всех случаях, выявляются новые факты, противоречия исчезают и картина мира становится все более детальной и ясной.

В результате таких исследований физики вынуждены признать, что при еще более высоких температурах, превышающих 1032 К, частицы сближаются так тесно (на расстояние порядка 10— 33 см), что гравитационное взаимодействие сравнивается по величине с тем, которое образовано при Великом объединении остальных трех взаимодействий. Физики назвали такое объединение, в котором сливаются все четыре взаимодействия, суперобъединением.

После этого краткого отступления в физику элементарных частиц мы можем возвратиться к тому, как ученые постепенно уточняли сценарий ранних этапов эволюции Вселенной.

Сотрудники Физического института АН СССР Д. А. Киржниц и А. Д. Линде в 1972 году обратили внимание на то, что в ранней истории Вселенной должен был возникнуть критический момент, существенный для понимания хода ее эволюции. Этот момент наступает, когда в ходе фридмановского расширения Вселенной температура раскаленной мешанины элементарных частиц опускается до значения, лежащего около 1028 К. При этом Великое объединение нарушается. Сильное взаимодействие отделяется от электрослабого. Различие между ними увеличивается по мере дальнейшего падения температуры. Это, по мнению авторов, должно наложить отпечаток на ход эволюции Вселенной.

В 1974 году голландский астрофизик Т. Хоофт и А. М. Поляков из Института теоретической физики АН СССР указали на то, что именно на рубеже Великого объединения при температуре 10 К, когда Вселенная еще была сильно сжатой, наряду с известными нам частицами, должны интенсивно рождаться монополи, удивительные магнитные частицы, являющиеся как бы однополюсными магнитами или магнитными зарядами. Они рождаются парами — северный монополь и южный монополь. На возможность существования магнитных монополей еще в 1931 году указал гениальный физик П. А. Дирак, первым теоретически предсказавший существование в природе антиматерии. Теоретики подробно рассмотрели свойства таких монополей и установили, что масса монополя должна быть в 1016 раз больше массы протона. Несколько групп экспериментаторов пытались обнаружить эти экзотические частицы.

Результат экспериментов всегда был отрицательным, хотя чувствительность и надежность использованных приборов были весьма велики.

Монополи бросили вызов астрофизикам. Они обязаны были объяснить, почему, несмотря на предсказание Т. Хоофта и Полякова, магнитные монополи в наше время отсутствуют?

В том же 1974 году И. Ю. Кобзарев, Я. Б. Зельдович и А. Б. Окунь установили: исходя из свойств физического вакуума, следует ожидать, что Вселенная на ранней стадии ее эволюции может расчлениться на отдельные области —. домены. Они разделены между собой и эволюционировали независимо. Затем М. Б. Волошин, Кобзарев и Окунь высказали интересное предположение: в начале эволюции Вселенная прошла через необычное состояние — его назвали ложным вакуумом. Это не физический вакуум, уже известный науке. Но отдельные области ложного вакуума могут независимо одна от другой переходить в состояние обычного физического вакуума, порождая при этом независимые домены. Их-то и рассмотрели в только что упомянутой работе советские ученые.

Так, продвигаясь шаг за шагом к пониманию эволюции Вселенной, ученые натыкались на новые трудности и загадки. Однако, считая, что эти трудности удастся преодолеть, астрофизики стремились развить модель Большого взрыва в сторону приближения к его таинственному началу.

В 1980 году вышла статья, в которой один из создателей теории электрослабого взаимодействия лауреат Нобелевской премии С. Вайнберг подвел итог попыткам приблизиться к пониманию начальной стадии Большого взрыва. Сценарий, с которым мы познакомились выше, начинался с момента, отстоящего на 0,01 с от начала.

Новые знания законов взаимодействия элементарных j частиц позволили ученым мысленно продвинуться еще ближе к началу, где температура и плотность были еще более высокими.

Ученые исходили из нового понимания принципиально: важного критерия, показывающего, какие частицы являются элементарными. Теперь они считали элементарными частицами семейство фотонов, семейство лептонов и антилептонов, семейство кварков и антикварков и семейство глюонов, удерживающих кварки внутри ядерных частиц.

Попробуем и мы, вооружившись этим современным критерием, проследить за продвижением ученых от момента, отстоящего на 0,01 с от начала, еще ближе к началу. Мы уже знаем, что, приступая к дальнейшей работе, ученые считали, что на рубеже 0,01 с при температуре порядка 10¹¹К вещество Вселенной состояло из протонов, нейтронов, электронов, нейтрино, их античастиц и огромного количества фотонов.

Эта точка зрения не претерпела изменений. Но на более раннем рубеже при температуре 10²⁸ К, энергия, заключенная в этой раскаленной плазме, столь велика, что кварки не могут объединиться и образовать протоны, нейтроны или мезоны. Эти составные частицы теперь становятся виртуальными, то есть возникают на ничтожные мгновения и снова распадаются в раскаленной мешанине фотонов, лептонов, кварков и глюонов.

Еще ближе к началу Большого взрыва, при температурах вплоть до 10³² К, энергия столь велика, что становятся возможными виртуальные рождения чрезвычайно тяжелых частиц, родственных фотонам, — промежуточных бозонов, которые, как мы знаем, являются переносчиками слабого взаимодействия.