Удивительная космология
Шрифт:
Слабое взаимодействие отвечает за некоторые превращения в мире элементарных частиц. Хороший пример сил этого типа – так называемый бета-распад нестабильных атомных ядер, в результате которого внутриядерный нейтрон превращается в протон, а из ядра вылетают электрон и антинейтрино. В слабом взаимодействии участвуют все частицы со спином 1/2 (то есть все фермионы), а его переносчиками являются тяжелые векторные бозоны со спином 1 (W+– бозон, W– – бозон и Z0– бозон). Поскольку векторные бозоны – чрезвычайно массивные частицы (они тяжелее протона почти в 100 раз), слабое взаимодействие эффективно только на сверхмалых расстояниях порядка 10– 16—10– 17 см. Как уже говорилось, слабое взаимодействие удалось объединить с электромагнитным. Это было сделано в стандартной модели Вайнберга – Салама, о которой подробно рассказывается в главе «И
Сильное (или ядерное) взаимодействие удерживает кварки внутри нуклонов, а протоны и нейтроны – внутри атомного ядра, преодолевая силы кулоновского отталкивания (протоны имеют одноименный заряд). Как мы помним, существует шесть разновидностей (или ароматов) кварков – и-кварк, d-кварк, с-кварк, s-кварк, t-кварк и b-кварк. Их названия образованы от английских слов up – «вверх», down – «вниз», charm – «очарование», strange – «странный», truth – «правдивый» и beautiful – «прекрасный». Видимо, физиков утомили латынь и греческий, и они решили назвать фундаментальные кирпичи верхними, нижними, очарованными, странными, правдивыми и прекрасными частицами. Протоны и нейтроны представляют собой кварковые триплеты, однако в их состав входят только кварки двух ароматов – u и d. Протон построен из двух u-кварков и одного d-кварка, а нейтрон – из двух d-кварков и одного u-кварка. А поскольку d-кварк чуть увесистее u-кварка, нейтрон немного тяжелее протона. Разница в их зарядах (протон заряжен положительно, а нейтрон заряда не имеет) тоже объясняется особенностями внутреннего строения, так как кварки несут дробный электрический заряд (2/3 и —1/3). Таким образом, из трех кварков, два из которых имеют заряд плюс 2/3, а один – минус 1/3, получается протон с зарядом +1. А нейтрон состоит из одного кварка с зарядом 2/3 и двух с зарядом минус 1/3, поэтому в результате выходит ноль. Из кварков других типов (странного, очарованного, b и t) тоже можно строить частицы, но они оказываются нестабильными и быстро распадаются на протоны и нейтроны.
Кроме того, каждый кварк может находиться в трех различных состояниях, которые принято называть цветом (красный, желтый и зеленый). Разумеется, в действительности никакого цвета у кварков нет, это просто удобные общепринятые обозначения их свойств. Элементарные частицы состоят из кварков разных цветов, но всегда в таких комбинациях, чтобы в результате получилась бесцветная частица. Например, триплет «красный + зеленый + синий» окажется протоном или нейтроном. С наличием у кварков цвета тесно связано явление так называемого конфайнмента кварков («невылетания», «удержания» в переводе с английского). Дело в том, что кварки никогда не встречаются изолированно, а существуют в тесной кооперации друг с другом, в виде уже знакомых нам кварковых триплетов. Обнаружить отдельно взятый кварк не удалось пока еще никому. Если бы кварк вздумал обособиться и жить самостоятельно, он моментально приобрел бы цвет, что запрещено условиями задачи: конфайнмент обязывает их удерживаться в бесцветных комбинациях. Правда, при очень высоких энергиях сильное взаимодействие заметно ослабевает, и тогда кварки начинают вести себя почти как свободные частицы. Такая кварк-глюонная плазма существовала на ранних стадиях жизни нашей Вселенной.
Кварки удерживаются в триплетах за счет частиц-переносчиков сильного взаимодействия – глюонов (от английского glue – «клей», «клеить»), которые склеивают их между собой. Глюоны имеют нулевую массу и спин, равный единице. В отличие от всех прочих типов взаимодействий, ядерные силы не ослабевают по мере удаления кварков друг от друга, а напротив, растут. Глюоны можно уподобить тугим резинкам, соединяющим кварки между собой. Пока они располагаются бок о бок, резинки висят свободно, позволяя кваркам чувствовать себя сравнительно вольготно. Но стоит им попытаться отодвинуться друг от друга, как резинки немедленно натягиваются и возвращают озорников в исходное положение. Ядерные силы эффективны только на очень малых расстояниях порядка 10– 13—10– 15 сантиметров.
Нам осталось рассмотреть четвертый тип фундаментальных сил – гравитацию, которая носит универсальный характер и заставляет тела притягиваться друг к другу. Гравитационное взаимодействие – самое слабое из всех: сила электромагнитного отталкивания превышает стягивающую силу гравитации примерно в 1043 раз. Однако слабость гравитационного взаимодействия с лихвой искупается огромными размерами небесных тел, состоящих из астрономического количества частиц, поэтому силы гравитации между планетами или звездами могут дать очень большую величину. Кроме того, если электромагнитные силы действуют только на заряженные объекты, то гравитация оказывает влияние на все без исключения тела и частицы нашей Вселенной, обладающие массой.
Переносчиком гравитационного взаимодействия является пока еще не открытая частица гравитон,
В заключение остается сказать, что у каждой элементарной частицы есть своя античастица – своего рода частица-двойник, обладающая той же массой, но зарядом противоположного знака (если частица заряда не имеет, то ее антипод несет противоположный спин). При столкновении частиц и античастиц происходит их взаимное уничтожение (аннигиляция) с выделением огромного количества энергии. Чаще всего конечным продуктом аннигиляции являются фотоны и пимезоны. О частицах и античастицах мы тоже еще не раз поговорим впоследствии.
Эхо Большого взрыва
В конце первой главы рассказывалось о том, что звезды не распределяются в пространстве равномерно, но образуют более или менее компактные структуры (галактики), которые, в свою очередь, входят в состав скоплений и сверхскоплений, простирающихся на десятки миллионов световых лет. Наша Галактика (Млечный Путь) является одним из таких звездных островов и насчитывает примерно 200 миллиардов звезд (от 150 до 400 миллиардов, по разным оценкам). Если смотреть на нее с ребра, она имеет чечевицеобразную форму двояковыпуклой линзы, а в плане, при взгляде сверху, выглядит как плоский диск со сгустком в центре и отходящими от него спиральными рукавами. Галактика имеет довольно сложное строение. В ней принято выделять ядро, или балдж (от английского bulge – «выпуклость, вздутие»), диск и гало (галактическую корону). Ядро представляет собой компактный сферический компонент, окружающий галактический центр, где находится сверхмассивная черная дыра с массой от двух до трех миллионов масс Солнца. Плотность звездного населения около центра Галактики весьма высока: если в окрестностях Солнца на 16 кубических парсек приходится всего одна звезда, то в центре в одном кубическом парсеке содержится примерно 10 тысяч звезд. Однако плотность звезд в балдже быстро падает по мере удаления от центра: на расстоянии нескольких тысяч световых лет он уже практически неразличим. В ядре преобладают старые звезды с низким содержанием тяжелых элементов, а его масса оценивается в 20 миллиардов солнечных масс.
Более половины массы Галактики (около 60 миллиардов масс Солнца) приходится на плоский диск, внутри которого иногда выделяют тонкую и толстую часть. Поперечник галактического диска (и Галактики в целом) составляет 100 тысяч световых лет, или 30 килопарсек (30 кпк), а его толщина колеблется в широких пределах – от 300 до 3 тысяч световых лет. В области центра он тоньше, а к периферии заметно расширяется. Диск содержит много молодых звезд и плотные облака газа и пыли – очаги активного звездообразования, на которые приходится до 10 % его массы. Галактический диск неверно представлять себе как сплошную гомогенную структуру наподобие колеса или линзы, так как он распадается на спиральные рукава, среди которых принято выделять два (иногда четыре) больших и множество малых. Солнце расположено в 26 тысячах световых лет (примерно 8 кпк) от центра Галактики и совершает вокруг него полный оборот за 220 миллионов лет, летя сквозь пустоту со скоростью 250 километров в секунду. Если считать один оборот вокруг центра галактическим годом, то возраст Солнечной системы составит 20 галактических лет – именно столько витков она успела накрутить с момента своего образования.
Строение Галактики
Разумеется, Солнце не одиноко в своем неустанном кружении – все звезды диска обращаются вокруг галактического центра. Орбита Солнца практически круговая и лежит в плоскости галактического диска (всего в 20 световых годах от него по вертикали), поэтому изучение ядра Млечного Пути сопряжено со значительными трудностями. Оно отгорожено от нас звездами диска, находящимися ближе к ядру, а также мощными газово-пылевыми облаками, которые не пропускают свет от структур галактического центра. Оптическим наблюдениям доступно только охвостье Галактики, а самое интересное спрятано от землян плотной газово-пылевой завесой. Вот если бы нам каким-то чудом удалось взмыть над плоскостью Млечного Пути, мы бы увидели таинственный балдж во всем его великолепии. К сожалению, подобная перспектива не светит даже нашим далеким потомкам, ибо Солнце в своем орбитальном движении почти не отклоняется от плоскости галактического экватора. В нашу эпоху оно летит в промежутке между спиральными рукавами Персея и Стрельца, медленно приближаясь к рукаву Персея.