Владилен Барашенков - Кварки, протоны, Вселенная

Конечно, скажет читатель, легко апеллировать к таинственному Биг Бэнгу: ведь о том, что происходило в те далекие времена, можно фантазировать как угодно. Все равно все сгорело... Но это не так. Криминалисты утверждают, что ни одно событие нашей жизни не уходит в прошлое, не оставив после себя следов, по которым многое можно восстановить спустя недели, месяцы, а иногда и годы. Космологи сродни криминалистам: они утверждают то же самое. Теоретические картины младенчества Вселенной — это не беспочвенные фантазии, хотя в них немало и гипотетического. У американского физика Стива Вайнберга, одного из авторов электрослабой теории, есть книга «Первые три минуты» (недавно она вышла в русском переводе), где очень хорошо рассказывается, как современная наука представляет себе развитие Вселенной, начиная с сотой доли секунды после начала Большого взрыва. Да, об этих секундах и минутах известно уже довольно много. Известно из анализа интенсивности и спектра реликтового излучения (инфракрасного излучения, образовавшегося во времена, когда Вселенная была еще очень горячей, распространившегося по всему ее объему и сохранившегося до наших дней), из сопоставления относительной распространенности водорода, гелия и других легких химических элементов, синтез которых начался сразу же после того, как Вселенная несколько остыла, и зависел от господствовавших в то время условий, и из некоторых других астрофизических данных и математических расчетов. Но вот что было с Вселенной в самые первые мгновения ее жизни, в тысячные и миллионные доли секунды, Вайнберг ничего сказать не мог. Еще 10 лет назад (книга его вышла в США в 1977 г.) это было сплошное белое пятно. Человеческого воображения не хватало, чтобы представить себе то, что там могло происходить.

Заглянуть в эту самую интригующую область нашей истории, вплоть до фантастически малых величин порядка 10 -35секунд, позволяет теперь теория «великого объединения». Это был мир первозданной плазмы, где еще не существовало элементарных частиц, а были только их составные части — первичные «кубики»-кварки и связывающее их поле сильного взаимодействия. Некоторые частички, находившиеся в этом огненном сиропе, возможно, несли магнитный заряд. Впрочем, какой это был заряд, сказать трудно. Температура была еще так велика, что в первые мгновения после своего рождения раскаленный мир оставался совершенно симметричным, любые его свойства проявлялись с равной вероятностью. Расщепление единого симметричного взаимодействия на электромагнитное, слабое, сильное — на те виды взаимодействий, которые действуют в современном мире,— произошло позднее, приблизительно через 10 -14— 10 -13секунд после начала расширения.

Расчеты показывают, что от тех давних «горячих денечков» нам в наследство должно было остаться довольно много тяжелых монополей. Сначала даже получалось, что монополей во Вселенной должно быть столько же, сколько протонов. Затем, при более детальном рассмотрении реакций в первичном огненном шаре, массу магнитного вещества пришлось уменьшить, но все равно она очень велика — на много порядков больше того, что следует из анализа экспериментальных данных.

По этим данным, кстати, выходит, что в пространстве рассеяно очень много невидимого нам вещества. Астрофизики называют его скрытой массой и утверждают, что эта масса не может превосходить массу светящегося, атомарного вещества более чем в 10 раз. Иначе масса Вселенной была бы больше критической и расширение пространства сменилось бы его сжатием. Если пренебречь вкладом в эту скрытую массу нейтронов, нейтрино и других нейтральных частиц, можно даже допустить, что невидимое вещество целиком состоит из монополей, а видимое, как давно известно,— из протонов. При этом масса всех монополей оказывается на порядок больше массы протона. Ну а если вспомнить, что по теории «великого объединения» каждый монополь весит столько, сколько 10 16протонов, то отсюда воспоследует, что в среднем во Вселенной на каждые 10 15протонов приходится не более одного монополя. Это несравненно меньше того, что предсказывает теория, но все же совсем немало. Чтобы ощутить эту величину, заметим, что в одном кубическом сантиметре вещества содержится приблизительно 10 24протонов, и значит, там должно быть около миллиарда монополей. Огромное количество!

Правда, это в среднем, если бы монополи распределялись равномерно. А они могут собираться в сгустки, концентрироваться в центре тяжелых планет или звезд, удерживаемые их гравитационным полем. Кроме того, астрофизики дают нам верхнюю оценку, на самом деле монополей, по-видимому, значительно меньше. По крайней мере в миллион раз. В противном случае они оказали бы очень сильное возмущающее влияние на магнитное поле Галактики, и оно имело бы совсем не ту структуру, которая наблюдается сегодня.

С точки зрения теории «великого объединения» открытие сверхтяжелых монополей имело бы исключительно важное, принципиальное значение. Этим была бы окончательно подтверждена правильность самой идеи «великого объединения», и теоретики могли бы с большей уверенностью рассматривать процессы, непосредственно связанные с Большим взрывом.

В последние годы во всем мире снова было выполнено много экспериментов по поиску сверхтяжелых монополей. Пока все опыты закончились неудачей. Учитывая чувствительность приборов, можно сказать, что в течение года каждый квадратный метр земной поверхности пересекает не более одного-двух монополей. Если бы их было больше, аппаратура бы их зафиксировала. Астрофизические оценки предсказывают в миллион раз меньший поток — несколько монополей на один квадратный километр. Это, конечно, осложняет дело.

Обнаружить предсказанные теорией «великого объединения» монополи невероятно трудно. Ко всему прочему, по меркам ядерной физики, большинство из них — довольно медленные частицы. Только такие «ленивые» частицы и могло удержать магнитное поле нашей Галактики, более энергичные давно уже успели ее покинуть и затеряться в безбрежных межгалактических просторах. Медленные же частицы ионизуют вещество слабо, и чтобы их заметить, нужны гигантские детекторы — в сотни, в тысячи раз больше существующих.

Сегодня много говорят об установке ДЮМАНД — глубоководном детекторе ливней, порождаемых слабо взаимодействующими частицами космического излучения. Это сложная система фотоумножителей, которая фиксирует едва уловимые световые импульсы, сопровождающие прохождение ливня частиц в морской воде. Размеры ДЮМАНДа — около кубического километра. Подумать только — куб с ребром в один километр! Оттого и предложено разместить эту сверхгигантскую установку в толще океана. На суше это было бы просто невозможно. Но даже ДЮМАНДа недостаточно, чтобы уловить слабое свечение, вызываемое сверхтяжелыми монополями.