Виктор Комаров - Занимательная астрофизика

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 10 28К 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 10 28до 10 33лет. Поэтому окружающий нас мир устойчив благодаря тому, что «время жизни» протонов, а также тех нейтронов, которые входят в состав атомных ядер [22] В свободном состоянии нейтрон нестабилен — время его жизни составляет 16 минут. ), 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 10 31лет, то согласно расчетам в таком количестве жидкости в среднем должно происходить около трех распадов в сутки. Однако, если среднее время жизни протона составляет 10 33лет, 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 = тс 2— энергия Е , эквивалентная некоторой массе вещества, равна произведению этой массы т на квадрат скорости света с .

Физическим процессом, при котором такая «полная» энергия может выделяться, является аннигиляция вещества и антивещества.

Но если будет доказана нестабильность протона, это не только послужит важным свидетельством в пользу теории «Великого объединения», но будет также означать, что обычное вещество, хотя и медленно, может распадаться и без помощи антивещества выделять всю заключенную в нем энергию.

Многие фундаментальные характеристики Вселенной зависят и от того, какими свойствами обладает элементарная частица нейтрино. Поэтому особого внимания заслуживает то обстоятельство, что согласно теории «Великого объединения» нейтрино в принципе могут обладать ненулевой массой, доступной измерению, а также изменять свои свойства во время движения.

В результате экспериментов, проведенных в Институте экспериментальной и теоретической физики АН СССР, ученые пришли к выводу, что масса нейтрино около 25 электронвольт. Для сравнения напомним, что масса электрона эквивалентна 500 тысячам электронвольт. Но если нейтрино действительно обладают даже столь малой конечной массой, то их общий вклад в массу нашей Вселенной окажется весьма внушительным.

Как и всякий фундаментальный физический эксперимент, эксперимент по определению массы нейтрино нуждается в тщательнейшей проверке. По мнению самих экспериментаторов, вероятность того, что полученный ими результат соответствует действительности, составляет около 50 %. Однако до сих пор опровергнуть этот результат никому не удалось.

В настоящее время предпринимаются попытки разработки и такой единой теории поля, которая объединила бы не только сильные, электромагнитные и слабые взаимодействия, но и гравитационные.

В одной из своих статей В. Л. Гинзбург так формулирует основную проблему современной космологии: изучить структуру пространства в больших масштабах и найти закон эволюции Вселенной во времени.

Теперь, когда мы познакомились с некоторыми выводами общей теории относительности, в частности, с искривлением пространства и черными дырами, мы можем еще раз обратиться к одному, из самых поразительных явлений окружающего нас астрономического мира — расширению Вселенной.

Астрономические данные свидетельствуют о том, что мы живем в мире разбегающихся галактик. Воображаемый наблюдатель, в какой бы галактике он ни находился, отметил бы, что все остальные звездные системы от него удаляются. Таким образом, «разбегание» оказывается как бы всеобщим свойством нашей Вселенной. Но если галактики разбегаются, то что было много миллиардов лет назад? Логично предположить, что современное состояние Вселенной возникло из состояния более плотного. В пользу подобного предположения говорят не только наблюдения (разбегание галактик) — к такому же выводу приводит и теория.

Одно точное решение уравнений теории Эйнштейна мы уже рассмотрели. Оно описывало гравитационное поле, создаваемое статической массой вещества, и привело нас к заключению о возможности существования «черных дыр». Это решение было получено К. Шварцшильдом в 1916 г. и носит его имя.

Не менее важным и фундаментальным является решение уравнений общей теории относительности в предположении об однородности и изотропности Вселенной, полученное советским ученым А. А. Фридманом в 1922 г. На основе этого решения была построена модель развития астрономического мира во времени, объясняющая разбегание галактик. В этой модели исходным является сверхплотное состояние материи, существовавшее 10–20 млрд. лет назад.

Выяснение физического состояния вещества, в результате расширения которого образовалась наша Метагалактика, — одна из фундаментальных проблем современного естествознания. Формально решения уравнений дают бесконечную плотность вещества в такой первичной конденсации. Однако бесконечное значение плотности не имеет физического смысла, и поэтому обычно говорят о сингулярности — необычном состоянии, резко отличающемся от «привычных» состояний материи. Во всяком случае считается, что это было состояние чудовищной плотности, достигавшей 10 93-10 95г/см 3, что на 79–81 порядок выше плотности атомного ядра. О подобных суперплотных состояниях мы пока мало что знаем. К описанию физических явлений, которые протекают в таких условиях, современные фундаментальные физические теории неприменимы.