Современная научная картина мира

Клягин Николай

Глава 1

Вселенная

В данной главе мы предполагаем рассмотреть:

1) новейшие сведения об устройстве микромира, составляющие основу так называемой Теории Всего Сущего, опирающейся на физические теории суперструн, суперсимметрии и супергравитации;

2) новые факты и гипотезы относительно строения Вселенной, которая в свете ряда недавних парадоксальных открытий астрофизики представляется анизотропной, неоднородной, имеющей центр и периферию;

3) акаузальную («беспричинную») природу загадочной сингулярности, положившей начало нашей Вселенной и обладавшей необычными свойствами;

4) происхождение Второго начала термодинамики, или закона неубывания энтропии, которое в свете современных представлений поддается объяснению;

5) происхождение фундаментальных законов сохранения (энергии, массы, квантовых

чисел), которое также поддается естественнонаучному объяснению;

6) происхождение причинно-следственного закона, основополагающего для всех прочих законов природы, также поддающегося естественнонаучному объяснению;

7) современные гипотезы происхождения нашей сингулярности и природы мироздания, окружающего нашу Вселенную, анизотропная природа которой предполагает некое внешнее бытие;

8) общие черты в организации законов природы на разных уровнях и в различных сферах бытия – черты, поддающиеся не метафизическому, а естественнонаучному истолкованию, хотя и ведущемуся в духе философского обобщения.

1.1. Микромир

Современная физическая картина микромира строится на основе теорий суперсимметрии [5; 21, с. 9–113; 24; 27; 101, с. 17–56; 304], супергравитации [21, с. 121–170; 101, с. 57–68] и суперструн [32; 33; 9; 48; 101, с. 277–304; 351; 369; 370; 551; 791]. Приставка «супер» означает, что при очень высоких энергиях ранней Вселенной существующие ныне первичные элементарные частицы имели так называемых суперпартнеров, отличающихся квантовым числом (свойством), спином, или собственным угловым моментом количества движения, выраженным в постоянной Планка (в кванте действия h = h/(2) = 6,6260688(37) x 10^–34Js/(2) [618], или h = h/(2) = 6,6260755(40) x 10^–34Js/2 [650]).

Современная наблюдаемая Вселенная сложена всего из двенадцати кирпичиков вещества – элементарных частиц со спином 1/2, называемых фермионами. В их число входят шесть относительно массивных кварков (с массой до 178,0 ± 4,3 ГэВ (гигаэлектронвольт) у истинного кварка [125, с. 638]) и 6 относительно легких лептонов, состоящих из тройки электроноподобных частиц (электрон, мюон и тау-частица) и тройки нейтрино (электронное, мюонное и тау-нейтрино с массами от 0,07–11 эВ (электрон-вольт) у электронного нейтрино (рис. 1) [597; 158; 276; 528; 530; 606; 740]).

В первые мгновения после Большого Взрыва, породившего наш мир, когда Вселенная была неимоверно горячей (10³³К), элементарные частицы двигались настолько энергично, что сближались друг с другом на минимальные дистанции. От расстояний взаимодействия зависят массы участвующих в нем частиц: чем короче дистанции, тем предельные массы взаимодействующих частиц больше. Поэтому в те времена наши обычные фермионы имели массивных двойников-суперпартнеров со спином 0, т. е. бозонов (см. ниже). Нынешним кваркам отвечали суперкварки, или скварки; нынешним электронам, мюонам и тау-частицам соответствовали сэлектроны, смюоны и стау-частицы, а теперешним нейтрино – три снейтрино. Когда Вселенная расширилась достаточно, чтобы заметно остыть, характерные дистанции взаимодействий между частицами возросли, а массивные суперчастицы перестали проявляться и в известном смысле вымерли. В принципе их можно получить на сверхмощных ускорителях (суперколлайдерах), однако необходимые для этого энергии пока недостижимы.

Рис. 1. Фундаментальные элементарные частицы (суперструны – первоосновы физического микромира). На схеме опущены античастицы, которые отличаются от обычных частиц ориентацией спина (у нейтрино) или знаком электрического заряда (так, античастицей отрицательно заряженного электрона является положительно заряженный позитрон, а W^–– бозон является античастицей для W⁺– бозона). Под каждой частицей в скобках дана ее масса в млрд электрон-вольт (ГэВ).

Физические взаимодействия между фермионами осуществляются бозонами– частицами с целочисленными спинами (0, 1, 2). Массу покоя от частицы к частице передают бозоны Хиггса (спин 0, масса 96–117 ГэВ, или ок. 115 ГэВ [125, с. 639; 640]). Четыре основные силы природы – сильное взаимодействие, электромагнетизм, слабое взаимодействие и гравитация – переносятся, соответственно, глюонами (спин 1, масса 0), фотонами (спин 1, масса 0), Z- и W-бозонами (спин 1, масса 93 и 81 ГэВ) и гравитонами (спин 2, масса 0).

Глюоны склеивают пары кварков в мезоны, а тройки кварков – в нуклоны: протоны (время жизни св. 10³¹ лет [34, с. 61]) и нейтроны (полураспад 10 мин 16 с [374]), а также нуклоны – в ядра атомов. Фотоны обслуживают все электромагнитные взаимодействия, Z– и W-бозоны – превращения кварков и прочих частиц, а гравитоны – взаимопритяжение частиц и особенно крупных их скоплений, физических тел, так как поодиночке гравитоны предельно слабы и становятся заметны лишь при массовых испусканиях от больших серий фермионов, собранных в массивные физические тела, а именно – в астрономические объекты. При повышенных энергиях проявления слабого и электромагнитного взаимодействий сливаются в электрослабой силе. В эпоху ранней, горячей Вселенной перечисленные бозоны имели суперпартнеров-фермионов со спином 1/2: бозонам Хиггса отвечали хиггсино, фотонам – фотино, глюонам – глюино, а Z– и W-бозонам – зино и вино.

Древним партнером гравитона являлся гравитино со спином 3/2. Суперпартнер последнего, гравифотон со спином 1, стягивает антивещество и расталкивает обычное вещество, т. е. может послужить окном в антигравитацию; ср. [327]. Его суперпартнер, голдстино со спином 1/2, в свою очередь, располагает суперпартнером гравискаляром со спином 0 (т. е. имеется пара фермионов на три бозона).

Агент миллислабого и сверхслабого взаимодействия (5-й силы) аксион (с массой менее 0,001 эВ) обусловливает нарушение симметрии зарядового сопряжения и четности (это – неравноправие вещества и антивещества при некоторых слабых взаимодействиях: например, преобладание рождений позитронов при распадах нейтральных К-мезонов на веществе и антивеществе, хотя в одном из случаев ожидалось бы преобладание электронов, чего не наблюдается). Поэтому существование аксионов объясняет подавляющее преобладание во Вселенной вещества над антивеществом [1; 4; 432; 529; 586; 705; 760].

В реакциях микрочастиц (например, при распаде того же К-мезона) набор исходных и конечных свойств участников событий в сумме должен быть идентичным. Если мы наблюдаем своего рода «перекос» в пользу вещества или антивещества, значит некая легкая и малозаметная частица «унесла» с собой качества (энергии и заряды), недостающие реакции для того, чтобы отвечать ожиданиям, соблюдать законы сохранения и выдерживать равноправие вещества и антивещества. Аналогичные «недостачи» энергии в ядерных реакциях привели в 1930–1933 гг. к открытию легкой частицы нейтрино, ответственной за «унос» энергии. В нашем случае с аномалией вещества и антивещества подозрение в искажении ожидаемого хода событий падает на гипотетический аксион. Будущие эксперименты позволят уточнить предположения физиков на этот счет.