Лев Мухин - Мир астрономии

Поскольку поведение Вселенной во времени описывается уравнениями ОТО, то вопрос о границах применимости этих уравнений на ранних стадиях Вселенной в условиях экстремально малых размеров и экстремально больших плотностей вполне правомочен. Пространство — время чудовищно искривлены, и, поскольку мы стремимся к сингулярности, речь идет уже не о маковом зернышке, а о гораздо меньших объемах. Не могут ли здесь играть роль квантовые эффекты?

Когда теоретики начали исследовать этот вопрос, то оказалось, что «ответ» на него был дан в конце прошлого века, то есть когда ОТО еще не была создана. «Ответ» был дан М. Планком, одним из творцов квантовой физики. Планк ввел свою знаменитую постоянную h (ħ = h / 2π) в теорию излучения в 1899 году и тогда же, добавив к ней скорость света c и постоянную тяготения G , показал, что из этих констант можно составить величины любой размерности, например плотность, длину. Так, чтобы из h , с и G получить длину, необходимо извлечь квадратный корень из величины Għ /c 3.Тогда получается так называемая планковская длина l n = = 10 –33 см.

Планковское время t n = l n /c = 5,3 · 10 –44 сек., а планковская плотность ρ n = c 5/ G 2 ħ = 5 · 10 93 г/см 3.

Очень интересно отношение самого Планка к этим постоянным. Он, как, впрочем, и любой другой великий физик, считал, что цель физики — объяснение устройства мира. Планк глубоко верил, что наука не должна нести в себе отголоски индивидуального мышления, физические законы должны быть абсолютны во всей Вселенной.

«Эти единицы, — писал он, — сохраняют свое естественное значение до тех пор, пока справедливы законы тяготения, оба начала термодинамики и пока остается неизменной скорость распространения света в вакууме». И далее: «…мы получаем возможность установить единицы длины, массы, времени и температуры, которые не зависели бы от выбора тех или иных веществ и обязательно сохраняли бы свое значение для всех времен и для всех культур, в том числе и внеземных и нечеловеческих, и которые поэтому можно было бы ввести в качестве „естественных единиц измерений“».

Глубокие идеи Планка не потеряли своего значения и сегодня, спустя более 80 лет. Планковские константы сегодня считаются предельными в физике величинами. Внимательно посмотрите на них еще раз. Именно на планковской длине перестает «работать» ОТО. На этом масштабе плотность вещества чудовищна. Она неизмеримо превышает плотность атомного ядра. Эти величины очень трудно представить себе наглядно. Действительно, ядерная плотность равна примерно 10 14 г/см 3. Другими словами, один кубический сантиметр атомных ядер весил бы сто миллионов тонн. А планковская плотность вещества превышает ядерную на 80 порядков! Единица с 80 нулями!

И здесь в сверхсильных гравитационных полях начинают возникать квантовые эффекты. Отметим, что когда речь идет о квантовых эффектах в условиях сильной гравитации, то, быть может, сами понятия «пространство» и «время» теряют привычный для них смысл. Как хорошо сказано в книге Я. Зельдовича и И. Новикова «Строение и эволюция Вселенной»: «Насколько легко найти область, где важны квантовые явления, настолько же трудно выяснить, что происходит в этой области. Здесь становится трудно даже сформулировать проблему».

Действительно, задача о ранней, «планковской», Вселенной исключительно сложна. Мы просто не знаем, как ведет себя вещество, что оно собой представляет в этих бесконечно малых масштабах длин, сочетающихся с бесконечно большими плотностями и температурами.

Экспериментаторы «добрались» пока до длин порядка лишь 10 –16 см. Это мир элементарных частиц, сверхвысоких энергий, и именно поэтому физика ранней Вселенной теснейшим образом смыкается с физикой микрокосмоса. К сожалению, как сказал лауреат Нобелевской премии по физике С. Вайнберг, «незнание микроскопической физики стоит как пелена, застилающая взор при взгляде на самое начало».

Остатки взрыва сверхновой. Снимок в рентгеновских лучах.

Космология оперирует с еще меньшими расстояниями и большими энергиями, чем те, что привычны для физики элементарных частиц. Ведь рассматривая самые ранние этапы, мы неизбежно приходим к какому-то моменту времени (порядка планковского), когда классическая ОТО неприменима. Здесь предстоит еще огромная работа. Как заметил в одной из своих статей академик Я. Зельдович, опасности безработицы в космологии не существует.

Посмотрим, что говорят о веществе ранней Вселенной самые общие принципы и уравнения современной физики, а потом поговорим немного об «очень-очень ранней» Вселенной, некоторых перспективах и трудностях в решении этой увлекательной задачи. При этом мы не сможем обойтись без знания современной классификации элементарных частиц. Именно о них сейчас и пойдет речь. Следует, правда, отметить, что понятие элементарности в последние годы сильно пошатнулось.

Итак, два новых определения: адроны и лептоны. Адроны — сильновзаимодействующие частицы, образующие атомные ядра — протоны и нейтроны, а также нестабильные тяжелые частицы пи-мезоны, к-мезоны, лямбда-гипероны и другие. Лептоны не участвуют в сильных взаимодействиях и объединяют в один класс большинство легких частиц — нейтрино, мюоны и электроны; есть еще, разумеется, и безмассовые фотоны.

Чрезвычайно важно то обстоятельство, что адроны взаимодействуют друг с другом гораздо сильнее, чем лептоны. Химические связи между атомами в молекулах во много миллионов раз слабее, чем силы, удерживающие атомное ядро от распада. Ядерные силы внутри ядра намного, примерно в 100 раз, сильнее электрических сил отталкивания. Ведь протоны согласно закону Кулона должны были бы разлетаться друг от друга, так как они несут положительный заряд. Но, как только им удается сблизиться достаточно тесно (атомное ядро!), главную роль начинают играть так называемые сильные взаимодействия; именно они и стабилизируют структуру атомного ядра, свободно преодолевая взаимное отталкивание десятков протонов. Но при повышении температуры, ближе к началу мира, атомные ядра уже становятся неустойчивыми. Более того, при высоких температурах начинает проявляться неэлементарность адронов.

Согласно бурно развивающейся в последние годы кварковой теории все адроны состоят из «более» элементарных частиц — кварков. Если эта теория верна (а она получает сейчас убедительные доказательства в различных экспериментах), то при температуре около нескольких тысяч миллиардов градусов Кельвина адроны, по-видимому, уже не могут существовать, они разбиваются на составляющие их кварки, точно так же, как атомы при нескольких тысячах градусов распадаются на ядра и электроны, а ядра, в свою очередь, при миллиарде градусов — на протоны и нейтроны.