Кварки, протоны, Вселенная

Барашенков Владилен Сергеевич

Можно ли как-то воздействовать на эти свойства, например сжать пространство и растянуть время? Всегда ли материя (вся окружающая нас природа, весь мир) обладает такими свойствами? Возможны ли какие-нибудь виды материи, которые существуют вне времени и пространства? Вот лишь часть вопросов, которыми задается современная физика.

В мире есть два геометрических полюса — самое большое и самое маленькое. Самое большое из известного нам — размеры и возраст Вселенной. Оценки, основанные на теории Фридмана и наблюдательных данных астрономии, говорят, что наша Вселенная простирается на 10²³ километров и существует не меньше 10¹⁰ лет. Наиболее мощные оптические телескопы и радиотелескопы позволяют проникнуть в космос на 10²² километров, то есть рассмотреть ту часть пространства, которая образовалась за последние два-три миллиарда лет. По сравнению с полным объемом

нашего мира это все равно, что шарик для пинг-понга в центре футбольного мяча. До «края» совсем недалеко: что значит оставшаяся десятка по срав-нению с 10²³! Но именно там, внутри оставшегося слоя, скрыто самое сокровенное — осколки первичного взрыва, «праматерия». Там ответы на многие волнующие загадки мироздания. И в недалеком будущем заглянуть туда ученым наверняка удастся.

Если верить теории Фридмана, то расстояние порядка 10²³ километров и длительность порядка 10¹⁰ лет — самые большие интервалы пространства и времени, с которыми мы можем иметь дело на практике. Большие величины могут быть, но лишь в теории.

На другом полюсе нашего мира, в области микроявлений, мы можем с помощью оптических микроскопов различать расстояния, скажем, в стотысячную долю сантиметра. Это длина волны видимого света, предел того, что мы можем увидеть непосредственно нашим глазом. Предметы меньшего размера световые волны огибают, отчего мы не в состоянии их увидеть.

Электронный микроскоп, в котором вместо светового луча на предмет направляется пучок быстрых, или, как говорят физики, жестких электронов, а изображение воспринимает не наша сетчатка, а светочувствительный экран или фотопластинка, позволяет продвинуться в тысячу раз дальше — приблизительно до стомиллионной доли сантиметра. И мы благодаря этому можем рассмотреть любые молекулы и даже отдельные атомы.

Электронным пучком можно высветить и более мелкие объекты, например, части атомных ядер — протоны и нейтроны. Но для этого необходимо увеличить энергию электронов, сделать их еще более жесткими. Дело в том, что, подобно световым частицам, фотонам, электроны обладают волновыми свойствами. Можно сказать, что пучок электронов как бы немного дрожит, траектории его частиц несколько размываются, и чтобы сфокусировать изображение, приходится пользоваться очень быстрыми электронами, у которых инерция движения способна превозмочь волновое дрожание пучка (оттого их и называют жесткими).

Чтобы проникнуть еще глубже, нужны ускорители частиц. Это громоздкие и очень сложные сооружения; их создание под силу только экономически развитым странам или группам стран. В последнее время все чаще создаются именно такие, интернациональные ускорители. Глубже всего в недра материи, вплоть до расстояний почти в тысячу раз короче диаметра протона, можно про-никнуть, сталкивая меж собой два ускоренных пучка частиц — одних протонов, протонов и антипротонов, электронов и протонов и так далее. Для этого пучок частиц из ускорителя с помощью системы магнитных линз загоняют в вакуумированное кольцо, помещенное в сильное магнитное поле, которое искривляет траектории частиц и удерживает их на круговой орбите. Импульс за импульсом добавляется к току частиц в таком кольце, а когда количество накопленных частиц становится достаточно большим, магнитное поле выключают, и частицы из кольца в едином порыве устремляются по прямой навстречу основному пучку частиц из ускорителя. Иногда частицами накачивают сразу два кольца, которые и разряжаются ими так, что те мчатся друг к другу. В Институте физики Сибирского отделения Академии наук таким образом сталкивают пучки электронов и позитронов. В Международном институте высоких энергий в Женеве сталкиваются пучки протонов и антипротонов — струи вещества и антивещества. Энергия относительного движения разогнанных навстречу друг другу частиц при этом так велика, что волновая «размазка» не сказывается до расстояний в 10^{– 16} сантиметров.

Легко понять, что сталкивающиеся протоны взаимодействуют тем сильнее, чем меньше расстояние между их центрами. Перекрываясь своими частями, протоны как бы прощупывают друг друга. Изучая их рассеяние, можно представить себе картину распределения вещества внутри протона. И чем выше энергия сталкивающихся частиц, тем мельче подробности, которые удается различить. В недалеком будущем на этом пути удастся достичь расстояний порядка 10^{– 17} сантиметров, то есть в 10 тысяч раз меньше протона. В Советском Союзе и в других странах проектируются и создаются необходимые для этого ускорители. Но это, по-видимому, близко уже к пределу. Вес, размеры, а главное, стоимость ускорителей становятся грандиозными. Неспроста современные ускорители элементарных частиц называют пирамидами XX века! Ясно, что старые физические и инженерные идеи себя исчерпали; чтобы двигаться далее в глубь материи, нужно придумать что-то принципиально новое. А пока единственным

источником частиц сверхвысоких энергий остаются космические лучи. Среди частиц, входящих в их состав, встречаются такие, которые обладают энергией, в миллиарды раз превосходящей энергию частиц в самых мощных ускорителях. С помощью таких частиц можно зондировать расстояния до 10^{– 20} сантиметров — в 10 миллионов раз меньше размеров протона! Плохо вот только, что космических частиц с такой большой энергией крайне мало, и опыты с ними трудно контролировать. Тем не менее, если немного пофантазировать, можно представить себе, что когда-нибудь в космосе будут построены ловушки-накопители таких сверхвысокоэнергетических частиц, которые можно будет использовать для изучения их встречных столкновений —так, как это делается в опытах со встречными пучками на ускорителях. И вот тогда можно будет добраться до расстояний порядка 10^{– 25} сантиметров.

Возможно, что 10^{– 26} сантиметров — это предельно малые пространственные размеры, которые доступны нам в природе. Меньших расстояний просто неясно, как достигнуть. Впрочем, заметим снова и снова: что касается прогнозов в физике, то с ними надо быть очень осторожными. Сама квантовая механика существует немногим более полувека, а до того никому и в голову не приходило, что в природе существует какая-то «волновая размазка» траекторий, которая будет основным препятствием нашему продвижению в недра материи. Трудно сказать, что нас ждет еще на этом пути. К тому же не обязательно ведь ломиться сквозь пространство, так сказать, напрямик. Может быть, существуют какие-то обходные, но более эффективные пути, какие-нибудь «проколы» искривленного пространства-времени или что-нибудь еще более неожиданное. Но это уже чистая фантастика.

А как быть с еще меньшими расстояниями? Ведь 10^{– 25} сантиметров — это еще очень далеко до минимальной «порции» пространства — геометрического кванта размером приблизительно 10^{– 33} сантиметров, существование которого предсказывает теория. Вот дальше идти действительно некуда — меньших размеров в природе, видимо, не существует, и порции-кванты в 10^{– 33} сантиметров всегда проявляют себя как единое целое, у которого нет частей. Конечно, все это так, если теория справедлива, но это должен показать эксперимент, а какой пока неизвестно.

Вывод о том, что непрерывность пространства должна на самой большой глубине микромира смениться его дискретностью, прерывностью, получается и из чисто философских соображений. Философы говорят нам, что абсолютных, неизменных свойств в природе нет. Всякое свойство, в том числе и непрерывность, существует лишь при определенных условиях. Мелкие изменения, постепенно накапливаясь, приводят к качественному скачку, и свойство, изменяется коренным образом. Поэтому и непрерывность в центральных масштабах должна смениться дискретностью. Этот вывод безупречен, и кванты пространства встретятся, возможно, физикам когда-нибудь и в эксперименте. Но не исключено, что еще до того, как появятся эти кванты, физики откроют новые законы, которые упразднят противопоставление непрерывного и дискретного в определенных обстоятельствах. Ведь дискретность ультрамикроскопического пространства — это тоже гипотеза, которая может подтвердиться, а может и нет. Это обычная экстраполяция — в данном случае перенесение в сферу ультрамалых расстояний наших представлений о событиях и процессах большого масштаба.

Что касается времени микропроцессов, то представление о его величине можно получить, если вспомнить, что распространение света — самый быстрый процесс в природе. Ничего более быстрого мы не знаем. Минимальные расстояния в 10^{– 16} сантиметров, которые еще можно разглядеть с помощью современных ускорителей, световая волна проходит за 10^{– 27} секунд. Это самый короткий отрезок времени, с которым мы имеем сегодня дело в физических экспериментах. Кванту пространства в 10^{– 33} сантиметров соответствует временной квант в 10^{– 44} секунд, или «хронон», как его иногда называют. Меньших отрезков времени, если верить физическим теориям, в природе не бывает.

Чтобы почувствовать, насколько малы кванты пространства и времени, вообразим себе, что наша огромная Вселенная сжалась до размеров песчинки. Соответственно уменьшатся и все содержащиеся в ней тела. Так вот, размер песчинки в сжавшейся Вселенной будет сравним с квантом пространства, а время, за которое свет успеет пробежать по такой ничтожной частичке, равно кванту времени,

Итак, 10²³ километров, то есть 10²⁸ сантиметров, с одной стороны, и 10^{– 33} сантиметров, с другой,— вот диапазон расстояний в нашем мире! От 10¹⁸ до 10^{– 44} секунд — диапазон временных интервалов.