Кварки, протоны, Вселенная
Шрифт:
Сто лет назад английский физик Джеймс Максвелл объединил три казавшиеся тогда совершенно не связанными между собой явления: свет, электричество и магнетизм. Возникла электромагнитная теория, принесшая нам и радио, и телевидение, и вычислительные машины, и прочие чудеса электроники. И вот теперь выясняется, что теория Максвелла — лишь частный случай более общей теории. Какие же фантастические возможности откроет нам новая теория!
Возможно, некоторым скептически настроенным читателям разговоры о новой теории покажутся чем-то вроде гадания на кофейной гуще. Какой смысл спорить о достоинствах того или иного варианта теории для частиц, которые сами еще под вопросом? Ведь ни кварков, ни глюонов никто никогда еще не видел. Физики, да и все ученые всегда говорили, что высший судья для них — опыт, но его-то как раз здесь и нет. Как же
Действительно, «великое объединение» взаимодействий — электромагнитного, слабого и сильного — долго не принимали всерьез даже многие из физиков. Масса темных мест, плохо обоснованных предложений и ничтожное количество экспериментальных данных. Все это было... Первый серьезный успех, заставивший поверить в новую теорию, был достигнут в начале 70-х годов, когда удалось найти согласующийся с опытом вариант теории, объединивший силы двух типов — электромагнитные и слабые. Одним из авторов этой теории был уже известный нам Абдус Салам, двое других — американцы Стив Вайнберг и Шелдон Глешоу. За это достижение несколько лет назад им была присуждена Нобелевская премия. В их теории взаимодействия передаются квантами, имеющими четыре различных состояния. В одном из них квант имеет нулевую массу — это всем хорошо известный фотон; три других состояния, наоборот, очень массивные — почти в 100 раз тяжелее протона. Обмен такими квантами, например, между электроном и нейтрино возможен лишь на очень маленьких расстояниях — 1000 раз меньше размеров протона. Там слабые взаимодействия становятся сильными.
Недавно тяжелые кванты (их называют Z- и W-мезонами) были обнаружены в эксперименте, проведенном в Международном центре ядерных исследований в Женеве. Их рождение было замечено в столкновениях разогнанных до очень высоких энергий протонов и антипротонов. В лобовых столкновениях таких частиц происходит почти мгновенное выделение огромной энергии, за счет которой и рождаются тяжелые кванты. Экспериментаторам, которые этим своим открытием доказали, что теоретики идут по правильному пути, тоже была присуждена Нобелевская премия.
Как видите, современные физические теории — это далеко не гадание на кофейной гуще.
Теперь перед физикой стоит задача добавить к объединенному «электрослабому» взаимодействию еще и сильное — объединить три взаимодействия из четырех на которых держится мир. Для этого нужно найти недостающие состояния кванта промежуточного поля — выяснить, сколько их, таких состояний, какие у них массы, заряды и все прочие характеристики. Работы много! Понятно, что, если искать простым перебором вариантов или, как еще говорят, методом проб и ошибок, наугад выбирая значения параметров, задача долго останется нерешенной. Особенно если учесть, что опыты стали очень трудными и дорогими. Нужна руководящая идея.
Роль такой идеи сегодня играют законы симметрий. Об этом стоит рассказать подробнее.
Свою теорию симметрий французский ученый Эварист Галуа написал в ночь накануне дуэли. Ему шел всего лишь двадцать первый год. Неудачи преследовали юношу. Первую его математическую работу напечатали когда ему было семнадцать лет, но в тот же год он провалился на вступительном экзамене по математике в Политехническом институте. Он послал свои работы знаменитым математикам Коши и Фурье, но Коши его статьи потерял, а Фурье неожиданно умер, не успев прочитать. С большим трудом Галуа удалось поступить в Высшую педагогическую школу — учебное заведение значительно низшее по уровню, чем Политехнический институт. Но и оттуда, он был вскоре исключен за недозволенную властями политическую деятельность. Рассказывали, что однажды во время банкета с гвардейскими офицерами он произнес тост за здоровье короля Луи Филиппа, но тут же выхватил кинжал и энергичным жестом показал, что следовало бы сделать с его величеством... Многие были убеждены, что дуэль была спровоцирована сторонниками короля, и страстный республиканец Галуа был убит наемным убийцей.
Произошло это сто пятьдесят лет назад. Сегодня теория симметрий Галуа — один из краеугольных камней математики и теоретической физики. На ее основе по нескольким известным семействам частиц, мультиплетам, можно установить связывающие их правила симметрии и вычислить все другие мультиплеты. В свое время она помогла предсказать существование кварков; теперь она используется для испытания кандидатов на роль многокомпонентного промежуточного кванта в теории «великого
Установлено, что каждому типу симметрии отвечает определенный квант-мультиплет, и вместо перебора всех возможных случаев следует изучать лишь те, которые соответствуют этим симметриям. Задача, естественно, сильно упрощается, хотя и после этого она остается еще очень трудной — ведь типов симметрии много. Например, симметрии круга и шара, вращения и отражения в многомерных пространствах и так далее. Чем больше параметров требуется для описания частицы, тем более сложной и многоплановой становится симметрия.
Как тесно все переплелось в нашем мире! Абстрактные кварки и хрупкое кружево снежинок (тоже симметрия!). Физика и художника волнуют одни и те же законы...
Пока ни теоретики, ни экспериментаторы точно не знают, из каких частиц складывается мультиплет, ответственный за перенос единого взаимодействия. У каждого свой излюбленный вариант «великого объединения». Однако все согласны в том, что среди этих частиц непременно должен быть безмассовый, похожий на фотон глюон, который связывает цветные заряды кварков. Это как бы «цветной электромагнетизм». Там должны быть также частицы — переносчики взаимодействий между лептонами и кварками. Большинство моделей «великого объединения» предсказывают для этих частиц очень большие массы — приблизительно в 100 триллионов раз больше, чем у протона. Так много весит уже видимая глазом пылинка. Чтобы получить энергию, необходимую для рождения подобных частиц, пришлось бы построить ускоритель длиной в целый световой год! От Солнца до Земли свет пробегает всего за 8 минут, а тут бежал бы целый год. Представляете себе, какой длины был бы этот ускоритель!
Энергии космических лучей тоже не хватит для рождения сверхтяжелых квантов. Даже у самых быстрых из них энергия в 100 раз меньше той, которая была бы нужна.
Но все это не означает, что сверхтяжелые кванты никогда не будут открыты и что «великое объединение» навсегда останется недоказанной гипотезой. Чтобы убедиться в существовании предсказываемых теорией сверхтяжелых частиц, совсем не обязательно строить фантастический ускоритель. Это можно сделать косвенным способом. Сверхтяжелые кванты рождаются где-то глубоко в недрах нуклонов, мезонов и других частиц. На очень короткое время это, как доказывают физики квантовыми законами разрешается. И вот там, взаимодействуя со сверхтяжелым квантом, кварк может превратиться в лептон. Частица, внутри которой произошло такое превращение, сразу же распадается, так как частиц, состоящих из смеси лептонов и кварков, не бывает. Поэтому, если удастся обнаружить радиоактивный распад протона, который вне рамок «великого объединения» абсолютно устойчив, это будет убедительным подтверждением идеи такого объединения и связанных с нею сверхтяжелых квантов.
Вместе с тем это будет означать, что все атомы радиоактивны и с течением времени вся наша Вселенная прекратит свое существование — распадется. Произойдет это, правда, не скоро, так что волноваться по этому поводу нечего. Согласно расчетам, один распад протона в стакане воды происходит не чаще чем за 10 тысяч лет. Вселенная наша существует около 20 миллиардов лет. За это время внутри объема, равного земному шару, успело распасться всего около 100 тонн, или, иными словами, 10– 18 процентов всего известного нам вещества Вселенной.
Заметить распад протона все равно, что найти иголку в стоге сена. Распад протона пытаются обнаружить по вспышкам света в прозрачной жидкости. Такая вспышка может быть результатом аннигиляции: позитрон столкнется с атомарным электроном, и образуются два кванта света. Измерения проводят глубоко под землей, чтобы толстый слой почвы поглотил мешающие измерениям космические лучи, и с огромными мишенями — целыми бассейнами прозрачной жидкости. Здесь все гигантское и все на пределе современных технических возможностей. Несколько раз на совещаниях физиков объявлялось, что в такой-то лаборатории наконец зарегистрировали долгожданный сигнал от распада протона. Но доказательства, увы, были не бесспорны, так что с полной уверенностью сказать, что распад протона наблюдался, нельзя. Тем не менее физики надежды не теряют. Они убеждены даже, что «великое объединение» — это не предел. Теоретики размышляют над более грандиозной программой — над «суперобъединением» всех известных сил природы: электромагнитных, слабых, сильных и гравитационных. Вот было бы поистине великое, нет — величайшее объединение!