Системы мира

Однако более 80 лет назад из ми­кромира поступили тревожные сиг­налы о том, что классическая физика не в состоянии описать явления, про­исходящие в масштабах отдельных атомов. Хорошо известно, что соглас­но классической теории электромаг­нетизма электрон в атоме должен “упасть” в конце концов на атомное ядро из-за непрерывного излучения энергии. С этим и другими парадокса­ми оказалась в состоянии справиться лишь квантовая теория поля.

Суть квантовой теории (а именно она вызывала неприятие у Эйнштей­на) состоит в том, что, располагая да­же максимальной информацией о фи­зической системе, квантомеханический подход определяет лишь вероят­ность того или иного события в микро­мире и не предсказывает точного поведения системы.

“Бог в кости не играет”,— говорил Эйнштейн, отрицая вероятностный подход квантовой физики к описанию физических явлений. В течение послед­них лет своей жизни Эйнштейн пытал­ся создать единую теорию поля, об­щую классическую теорию, классиче­скую в том смысле, что физические яв­ления в ней должны полностью описы­ваться, если известны значения всех рассматриваемых физических пере­менных. Мы знаем, что на этом пути Эйнштейн потерпел неудачу. Однако вернемся к ОТО. Как уже го­ворилось о том, что эффекты ОТО наибо­лее заметно проявляются в сильных гравитационных полях. Так почему же мы заговорили о границах ее приме­нимости? “Узкое место” здесь — син­гулярность, начало расширения Все­ленной.

Совершенно ясно, что если считать сингулярность точкой, математиче­ской абстракцией, то нечего вообще говорить ни о каких физических зако­нах в этой точке. Но дело в том, что Вселенная материальна; грубо гово­ря, мы знаем, что она имеет вес. Именно поэтому реальное вещество, материя всегда будет занимать ка­кой-то конечный, отличный от нуля объем.

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 в теорию излучения в 1899 году и тогда же, добавив к ней скорость света с и постоянную тяготения G, показал, что из этих констант можно составить ве­личины любой размерности, например плотность, длину.

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.

Глубокие идеи Планка не потеряли своего значения и сегодня, спустя бо­лее 80 лет. Планковские константы се­годня считаются предельными в фи­зике величинами. 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 1014 г/см3. 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”.

Космология оперирует с еще мень­шими расстояниями и большими энер­гиями, чем те, что привычны для фи­зики элементарных частиц.

Микрофизика

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.

Итак, все адроны состоят из квар­ков. И возникает естественный во­прос: где же предел элементарности частиц? Ведь сравнительно недавно круг элементарных частиц был огра­ничен нейтронами, протонами, элект­ронами и фотонами. А сейчас, мало того” что одних адронов порядка сот­ни, оказалось, они неэлементарны, со­стоят из кварков, антикварков. Неуже­ли в микромире работает принцип “русской матрешки”?

Мы опять не можем ответить на этот вопрос. Физике неизвестна се­годня модель праматерии.

Подходы к этой общей теории, ко­торая должна в конечном итоге свя­зать микро- и макромиры, в центре внимания и физики элементарных ча­стиц, и космологии. Почему?

Мы уже говорили о гравитационном и электромагнитном взаимодействии в физике. Но сегодня известно еще два типа взаимодействий. Это уже упоминавшееся сильное и так назы­ваемое слабое взаимодействия. Сла­бые силы взаимодействия названы так потому, что на масштабах длин по­рядка размеров ядер они слабее не только сильных (ядерных), но и элект­ромагнитных. Тем не менее роль их в природе огромна. Не будь слабых взаимодействий, были бы невозмож­ны процессы, лежащие в основе тер­моядерных реакций, происходящих в недрах Солнца. Другими словами, если бы не было слабых взаимодейст­вий, погасло бы Солнце! Поистине мал золотник, да дорог!

Эти два типа взаимодействия обла­дают очень малым радиусом дейст­вия: сильное работает на расстоянии порядка 10-13 сантиметра, а радиус действия слабого по порядку величи­ны составляет около 10-16 сантиметра. Сейчас на повестке дня с особой остротой стоит проблема создания единой основополагающей теории, объединяющей все известные силы. Пока удалось объединить электромаг­нитные и слабые силы. Возникла мо­дель так называемых электрослабых взаимодействий. На очереди — моде­ли великого объединения, или, как их еще называют, гранд-модели. Совер­шенно ясно, что законченная гранд-теория должна с единых позиций объяснить действие всех сил в микро­мире.

Это очень многообещающее на­правление в физике. Гранд-модели предсказывают массу удивительных вещей и, в частности, распад протона. Сейчас экспериментаторы пытаются обнаружить это явление, осуществить, как считают многие физики, экспери­мент века.

Физика микромира, так же как и физика макромира, имеет дело с ог­ромными энергиями. Недаром в раз­ных странах мира: в СССР, в США, Швейцарии, Германии — построены уско­рители, на которых удается исследо­вать частицы с энергиями порядка со­тен ГЭВ. Эта энергия соответствует температурам в миллион миллиардов градусов. Может ли современная экс­периментальная физика подняться еще выше по шкале энергии?

Тридцать с лишним лет назад Э. Ферми выдвинул идею ускорителя-гиганта, опоясывающего весь земной шар. Такой ускоритель представлял бы собой расположенное в космосе огромное кольцо вокруг Земли с ра­диусом около 7 тысяч километров. Это дало бы возможность достигнуть энергий в 107—108 ГЭВ, или 1020—1021 К. Ясно, что постройку та­кого ускорителя нельзя назвать делом ближайшего будущего.

Попытки разработки гранд-моде­лей, где при еще более высоких энер­гиях объединяются и электрослабые, и сильные взаимодействия, требуют энергии порядка 1014—1016 ГЭВ (1026—1028 К!). Для получения таких энергий нужно было бы построить кольцевой ускоритель порядка раз­меров Солнечной системы. Это уже чересчур не только для физики обо­зримого будущего, но и для научной фантастики. Ведь пока диаметр само­го большого кольцевого ускорите­ля — “всего” 2,2 километра.

При переходе к высоким энергиям порядка 1014 ГЭВ мир элементарных частиц должен стать в известном смы­сле проще. Ярмарочное обилие их должно “испариться” и число частиц существенно уменьшиться.

Здесь уместна следующая анало­гия. Число минералов на Земле исчис­ляется несколькими тысячами. Но да­вайте начнем увеличивать темпера­туру Земли. Стоит нам достичь двух-трех тысяч градусов, когда плавятся самые тугоплавкие минералы,— и мы будем иметь достаточно гомогенную жидкость. Это будет расплав, не содержащий ни одного минерала. В нем будут присутствовать лишь эле­менты таблицы Менделеева, а их все­го около сотни. Охладим его, и по ме­ре охлаждения в нем начнут возни­кать множество самых различных ти­пов минеральных зерен. Быть мо­жет, именно так, по мере перехода к неизмеримо более высоким темпе­ратурам происходит некоторое “уп­рощение” системы элементарных частиц.

Но так ли на самом деле оптимистично выглядят перспективы теории элементарных частиц? Объединение электромагнитных и слабых взаимодействий — действительно триумф теоретической физики, причем триумф, увенчанный убедительным экспериментом. Мы знаем теперь, как ведет себя вещество и что оно собой представляет до энергий 100 ГЭВ. Но насколько справедлива экстраполяция на энергии 1014 ГЭВ? Ведь здесь раз­ница в 12 порядков, в тысячу миллиардов раз?

Нам же важно сейчас отметить сле­дующее. В нашем мысленном экспе­рименте мы начали сжимать Вселен­ную для того, чтобы посмотреть, что будет при этом с веществом. Мы до­шли до энергии в сотни ГЭВ. Здесь есть эксперимент, здесь можно с уве­ренностью сказать, что физика дает хорошие прогнозы по интересующе­му нас вопросу. Теперь можно подве­сти некоторые итоги. Этой энергии соответствует темпе­ратура 1015 К. Ясно, что ни атомных ядер, ни протонов, ни нейтронов при такой температуре нет. Есть лишь ча­стицы, претендующие на роль истин­но элементарных: лептоны, фотоны да вырвавшиеся на свободу кварки. Весь этот кварко-лептонный суп находится в состоянии, близком к термодинамическому равновесию. Это означает, что концентрация частиц поддерживается постоянной, скорости их рождения и гибели равны.

Можно, конечно, пойти дальше и пытаться смотреть, что будет с ве­ществом при более высоких энер­гиях. Теоретики выпустили огромное количество работ, посвященных этой теме. Но, во-первых, твердо устано­вившейся теории здесь нет, во-вто­рых, когда мы приближаемся к планковскому порогу, мы волей-неволей должны рассматривать Вселенную, радиус кривизны которой меньше размеров элементарных частиц, с плотностью вещества, достигающей 1094 г/см3. Это, вообще говоря, terra incognita для современной физики, и вряд ли кто-либо возьмется сказать, что представляет собой сверхплотная Вселенная.

При температуре больше 1011К концентрации протонов и нейтронов примерно одинаковы. Но с пониже­нием температуры концентрация про­тонов возрастает. Действительно, ведь масса протона меньше массы нейтрона, и поэтому в указанных вы­ше реакциях образование протона при определенной температуре ста­новится более выгодным энергети­чески. С дальнейшим понижением температуры эти реакции вообще прекращаются, и мы уже имеем дело с “замороженными” концентрациями протонов и нейтронов во Вселенной, когда доля нейтронов составляет лишь около 15%. Здесь возникает естественный во­прос. Ведь во время адронной эры во Вселенной должны присутствовать как частицы, так и античастицы. А речь шла сейчас лишь о протонах. Где же антипротоны? Почему наша Вселен­ная несимметрична в зарядовом отно­шении? Почему в ней есть вещество и почти нет антивещества?

Вопрос этот очень сложный и, нуж­но сказать честно, не имеющий на сегодняшний день окончательного ре­шения. Более того, некоторые ученые, например лауреат Нобелевской пре­мии по физике X. Альвен, считают, что антивещество представлено во Вселенной на паритетных началах с обычным веществом. Большинство ученых находит, что X. Альвен не прав. Но в науке голосование не при­нято, и на поставленные вопросы надо пытаться давать исчерпывающий от­вет. Итак, если изначально число частиц и античастиц было одинаковым, то в принципе все они за какое-то время должны были бы в результате анниги­ляции превратиться в фотоны, в свет, в нейтрино и антинейтрино. Но этого нет, и, по крайней мере, для нашей Галактики твердо установлено отсутст­вие звезд и планет из антивещества.

С другими участками Вселенной, которые можно наблюдать сегодня, дело посложнее. Ведь, наблюдая дру­гие галактики, астрономы имеют дело лишь с квантами электромагнитного излучения, и поэтому, если бы какая-либо удаленная галактика состояла из антивещества, мы не могли бы узнать об этом даже в принципе, по­скольку антивещество излучает фото­ны так же, как и обычная материя. Это, кстати говоря, один из сильных аргументов Альвена и его немного­численных сторонников.

Вещество Вселенной все-таки со­стоит, по всей видимости, из прото­нов. Работами последних лет до­статочно убедительно показано, что в этих реакциях кварков должно рож­даться чуть больше, чем антикварков. Насколько? Ответ таков: на три мил­лиарда антикварков должно родить­ся 3 миллиарда и еще три кварка. Тогда 6 миллиардов кварков и анти­кварков проаннигилируют, а три оставшихся кварка “упадут” со време­нем в адронный “мешок” и образуют протон или нейтрон. Важно отметить, что в результате всех этих процессов во Вселенной на один протон прихо­дится примерно миллиард фотонов и миллиард нейтрино.

Таким образом, вопрос о том, по­чему наша Вселенная состоит из ве­щества, а антивещество отсутствует, находит решение с использованием гранд-моделей.

Процесс синтеза ядер легких эле­ментов продолжался около трех ми­нут после начала Большого Взрыва. С падением температуры синтез ге­лия прекратился, и теперь уже “заморозились”, то есть остались неизмен­ными, относительные концентрации гелия и водорода: ядра водорода составляли 70 процентов вещества Вселенной, ядра атомов гелия — 30. Необходимо заметить, что отноше­ние концентраций ядер гелия и водо­рода друг к другу сильно зависит от темпа расширения и, соответственно, от средней плотности вещества во Вселенной. Поэтому в какой-то мере это отношение может использовать­ся для проверки правильности той или иной космологической модели. Оцен­ки содержания гелия в горячих звез­дах во внешней атмосфере Солнца, в солнечном ветре и т. д. дает доста­точное основание для подтверждения правильности “стандартной” теории (дающей цифру в 30 процентов для гелия).