Вера Черногорова - Загадки микромира

Советские физики-теоретики Я. Зельдович, Я. Окунь и С. Пикельнер попытались проследить судьбу свободных, реликтовых кварков как реально существующих частиц, исходя из «горячей» модели вселенной.

Вначале, когда температура излучения была очень велика, рождались пáры любых частиц, в том числе и кварков. Но огромная плотность вещества «сжимала» их время жизни до ничтожных мгновений. Едва родившись, они тут же аннигилировали друг с другом — исчезали, превращаясь в излучение.

Как одни из самых тяжелых частиц, кварки, по-видимому, первыми ощутили изменение климата вселенной. Температура вселенной понизилась, и возникли условия, подобные условиям на современных ускорителях, когда для рождения кварков уже не хватало энергии. Вселенная расширялась, плотность ее вещества уменьшалась. Кваркам и антикваркам все труднее было находить друг друга, и процессы аннигиляции прекратились.

Кварки, спасшиеся от «выгорания», могли «дожить» до наших дней. Однако число их зависело от истории развития ближайшей к нам области вселенной. Если это были очень горячие области, то процессы аннигиляции могли уничтожить значительное количество кварков. Это обстоятельство делает ответ несколько неопределенным. Но вывод о том, что в природе может существовать только 10 –10–10 –13кварка на каждый нуклон, дал возможность облегченно вздохнуть «охотникам» за этими экзотическими частицами.

А что может сказать теория эволюции вселенной о существовании в природе монополей Дирака?

Ученые в рамках «горячей» модели вселенной оценили возможную концентрацию «реликтовых» магнитных зарядов. Как и в случае с кварками, в какой-то момент эволюции вселенной аннигиляции монополей и антимонополей прекратились из-за недостаточной плотности этих частиц. Какой же части этих частиц суждено было дожить и до наших дней? Ответ неутешительный: 10 –13частицы на квадратный сантиметр в секунду. Нелегко обнаружить частицы, присутствующие в природе в таком ничтожном количестве. Этим выводом космология внесла некоторое успокоение в души физиков-экспериментаторов, оправдав полученный ими отрицательный результат.

Последние достижения космологии совсем в ином свете представляют нам жизнь вселенной. Пресловутая космическая «пустота» уступает место ощущению тесноты. Четыреста реликтовых тепловых квантов приходится на объем в один кубический сантиметр!

На неведомых нам космических перекрестках потоки элементарных частиц, выброшенных звездами, наверняка встречаются с «вечными странниками» — реликтовыми тепловыми квантами и нейтрино, заполняющими космические просторы. Уж не из-за «трения» ли между космическими частицами и реликтовыми квантами максимальная энергия космических лучей, достигающих атмосферы Земли, не превышает 10 19–10 20электрон-вольт?

«Проблемы большой вселенной теснейшим образом переплетаются с задачами теории элементарных частиц, — говорил академик В. Амбарцумян. — Как ведут себя частицы сверхвысоких энергий, проходя через разреженное межзвездное вещество и космические магнитные поля? Имеются ли античастицы в космических лучах и каково их количество? Какой род элементарных частиц является основным носителем той огромной энергии, которая сосредоточена в радиогалактиках и постепенно излучается в виде радиоволн? Естественно, что многие астрофизики связывают возможность теоретического решения проблемы происхождения звезд и галактик с будущими успехами физики элементарных частиц».

В конце XVI века была впервые поставлена задача построения единой картины мира. Иоган Кеплер пытался объединить в понятии «вселенная» две, как казалось в то время, не пересекающиеся области земного и небесного.

И вот взволнованная реакция лирика, современника И. Кеплера, английского поэта Джона Донна:

Так он писал в 1611 году в поэме «Анатомия мира».

Много воды утекло с тех пор. Много перемен произошло в мире. Армия ученых-естествоиспытателей давно разделилась на отдельные подразделения. Одни все глубже уходили в исследование структуры материи, другие стремились проникнуть в тайны космоса. Казалось, что они идут в противоположные стороны и что связь между структурой пространства, которое изучено уже на расстояниях в 10 –15сантиметра, и процессами, происходящими в пределах видимой вселенной, удаленной на 10 28сантиметров, становится менее заметной.

На самом же деле идея материального единства мира сейчас отчетливее, чем когда бы то ни было в прошлом, объединяет наше понимание сверхбольшого и сверхмалого. Все представления о большом космосе опираются на те же принципы, которым подчиняются законы микромира.

«Как ни замечательны последние астрономические открытия, они еще не вывели нас за пределы известных физических представлений и законов», — пишет академик В. Гинзбург.

Чего же ждут физики-элементарщики от астрофизиков и астрономов?

Сегодня сумма всех знаний, накопленных о микромире, не может осветить той темноты неведомого, что скрывает от нас первые мгновения существования вселенной. Известные нам законы природы уже не работают при плотности, большей 10 93 г/см 3. Но, может быть, именно в этих «начальных условиях», царивших во вселенной, и прячутся тайны новых, еще неизвестных взаимодействий, действующих в мире элементарных частиц?

«В таком случае, — говорил Ф. Дайсон, — мы не можем ожидать никакого окончательного прояснения в физике элементарных частиц, пока путем наблюдений не будет найден ответ на большие и еще совершенно открытые вопросы космологии».

Слабые взаимодействия элементарных частиц свергли принципы зарядовой и пространственной симметрии. А не связано ли это нарушение с асимметрией макромира? Или, может быть, с отсутствием антивещества во вселенной? И опять ответ скрывается, по-видимому, в «начальных условиях» жизни вселенной. Отсюда же начинала свой непрерывный полет и «стрела времени», которую сейчас пытаются обнаружить в микромире.

А проблемы гравитации? Физика элементарных частиц вплотную подошла к необходимости учитывать роль гравитационного взаимодействия при создании теории элементарных частиц. В последние годы академик М. Марков разрабатывает модель элементарных частиц, структура которых определяется гравитационным взаимодействием огромных объектов космических масштабов. В память советского физика-теоретика А. Фридмана, открывшего новые следствия для космологии в теории относительности, М. Марков назвал сконструированную им модель элементарной частицы фридмоном. Теория фридмонов Маркова — первая попытка создания протяженной модели элементарной частицы не на основе квантовой механики, а в рамках космологического подхода.