Текст книги "Тайны пространства и времени"
Автор книги: Виктор Комаров
сообщить о нарушении
Текущая страница: 20 (всего у книги 37 страниц)
Нельзя ли использовать некоторые свойства элементарных частиц для выяснения физической сущности тех или иных процессов космического порядка? В частности, закономерностей эволюции материи во Вселенной?
Одна из таких попыток была в свое время предпринята научным сотрудником Ереванского физического института доктором физико-математических наук P.M. Мурадяном.
Хотя с тех пор, как Мурадян проводил свои исследования, прошло уже довольно значительное время, мы тем не менее посчитали необходимым на них специально остановиться, поскольку, с одной стороны, они представляют несомненный интерес, открывая новую малоисследованную сторону взаимосвязи «микро» и «мега», а с другой, насколько нам известно, никто после Мурадяна этими вопросами всерьез не занимался.
Еще в 1960-е годы в теории сильных взаимодействий на основе работ итальянского физика Т. Рэдже была предложена формула для определения момента количества движения элементарных частиц, которая связывала величину этого момента с соотношением массы элементарной частицы с массой протона – ядра атома водорода.
Астрономам хорошо известно, что такие космические объекты как астероиды, планеты, звезды, галактики – вращаются. Собственное вращение – это такое же «врожденное» их свойство, как и наличие некоторой массы.
В этом отношении космические объекты, о которых идет речь, в какой-то мере подобны элементарным частицам, также обладающим собственным вращением. С этим вращением связана одна из важных физических характеристик элементарных частиц, так называемый спин. Его аналогом для обычных вращающихся тел, в том числе и космических, является момент количества движения.
В микрофизике, в теории так называемых сильных взаимодействий, есть довольно общая формула для определения спина элементарной частицы. Из этой формулы, которая при определенных допущениях может быть применена и к адронам, следует, что в зависимости от числа измерений частицы (то есть от того, является ли она «плоской» или «объемной») ее спин с увеличением массы может возрастать либо как некоторая величина в степени 3/2 – в «плоском» случае, либо в степени 4/3 – в «объемном» случае.
Р. Мурадян решил проследить, как связаны с массами моменты количества движения космических объектов: астероидов, планет, звезд, галактик, а также скоплений галактик. Эти моменты могут быть определены с помощью астрономических наблюдений.
И здесь обнаружилась весьма любопытная закономерность.
Оказалось, что моменты астероидов, планет и отдельных звезд связаны с массами космических тел соотношением, включающим в себя отношение их массы к массе протона в степени 4/3 («закон 4/3»), а моменты галактик и их скоплений относятся к массе протона в степени 3/2 («закон 3/2»).
Не исключено, что полученные результаты указывают на глубокую внутреннюю связь, существующую между миром элементарных частиц и миром космических объектов. В физике элементарных частиц существует гипотеза о том, что «спектр масс» этих частиц простирается до бесконечности. Она основывается на попытке провести определенную аналогию между строением всего семейства элементарных частиц и структурой атома водорода, обладающего бесконечным числом энергетических уровней.
Если подобное предположение справедливо, то это значит, что при определенных условиях в ультрамалых пространственно-временных областях могут в принципе рождаться макроскопические и даже мегаскопические объекты. Во всяком случае современная теория элементарных частиц подобную возможность допускает.
Исходя из этого, Р. Мурадян попытался выявить более тесную зависимость между свойствами космических объектов и свойствами одного из классов элементарных частиц – так называемых адронов.
В современной физике все элементарные частицы, на основе некоторых весьма общих соображений, делятся на три основные класса. Первый класс включает в себя фотон – порцию электромагнитного излучения, второй – электрон и нейтрино, третий класс – класс адронов, самый многочисленный, их известно сейчас несколько сотен. К нему относятся сильно взаимодействующие частицы, в частности, протон, нейтрон и мезоны – частицы с массами, промежуточными между массами электрона и протона. Значительная часть адронов – нестабильные частицы с временем жизни от 10-8 до 10-23 секунды. Особо короткоживущие адроны получили название резонансов.
Одной из самых интригующих проблем современной астрофизики является так называемая космогоническая проблема, т.е. проблема происхождения звезд, звездных островов-галактик и их грандиозной совокупности – Метагалактики.
Что касается Метагалактики, то в настоящее время можно считать установленным, что она возникла в результате взрывного расширения компактного сгустка материи, находившейся в состоянии чудовищной плотности.
Относительно же формирования галактик и звезд в современной астрофизике существуют, как мы уже говорили, две противоположные концепции. Согласно одной из них, наиболее распространенной – ее обычно называют классической, – космические объекты, в том числе звезды и галактики, формируются путем сгущения, конденсации диффузной материи – газа и пыли.
Другая концепция, развиваемая академиком В.А. Амбарцумяном и его школой и получившая название Бюраканской, наоборот, исходит из того, что эволюция космических объектов идет от более плотных состояний к менее плотным и что, в частности, «зародышами» звезд и галактик являются гипотетические сверхплотные объекты весьма малых размеров, взрывной распад которых и ведет к образованию различных небесных тел.
Длительное время между сторонниками обоих направлений ведется острая дискуссия, и отдавать кому-либо из них предпочтение пока еще рано. Это объясняется, с одной стороны, недостатком данных, а с другой – возможностью различного, иногда прямо противоположного истолкования одних и тех же фактов.
В частности, одним из основных возражений, выдвигаемых сторонниками классического направления против гипотезы сверхплотных тел, является ссылка на то, что подобные тела никто никогда не наблюдал и об их физической природе не только ничего не известно, но и не существует даже никаких сколько-нибудь обоснованных теоретических предположений. Гипотеза Р. Мурадяна представляет собой попытку восполнить этот пробел.
И оказалось, его, на первый взгляд, весьма неожиданная идея открывает известные перспективы к построению единой теории образования космических объектов.
Согласно гипотезе Мурадяна, Метагалактика образовалась в результате распада сверхтяжелого суперадрона с массой 1056 г. Это и был тот «первоатом», тот сверхплотный «сгусток» материи, который дал начало нашей Вселенной. Его распад на более мелкие адроны привел к образованию протоскоплений галактик, а последующие распады на адроны с еще меньшими массами – к образованию галактик. Следующим этапом был распад на адроны с массами, меньшими 1028 г. Дальнейшие распады, по мысли Мурадяна, должны были привести к образованию диффузного облака, внутри которого в результате конденсации вещества сначала возникли сгущения – «протозвезды», а затем процесс образования звезд протекал в соответствии с обычной классической схемой…
Однако за то время, которое отделяет нас от работ Мурадяна, была создана уже знакомая нам теория «инфляционной Вселенной», которая фактически снимает вопрос о начальной «сингулярности».
Стоит только отметить, что если в обычной классической картине образования космических объектов диффузная среда, из которой они формируются, состоит из водорода и гелия, то в схеме Мурадяна она может иметь различный химический состав, зависящий от особенностей распада предшествующих ей объектов. А это, в частности, значит, что тяжелые химические элементы могут возникать не только за счет взрывов сверхновых звезд, как принято считать в классической астрофизике, но и в результате деления еще более тяжелых частиц. Это обстоятельство весьма существенно, так как классическая теория происхождения тяжелых элементов встречается с рядом серьезных трудностей.
Таким образом, если в обычной классической астрофизике эволюционный процесс идет от объектов более разреженных к менее разреженным и от «беспорядка» к «порядку», то в модели Мурадяна на весьма значительном интервале существования Метагалактики эволюция, наоборот, идет от объектов более плотных к менее плотным и от более упорядоченных к менее упорядоченным.
Нетрудно видеть, что в этой части эволюционная схема Мурадяна согласуется с идеями В.А. Амбарцумяна. Однако с момента фазового перехода от адронной материи к ядерной – она ближе к классической космогонии.
Вообще, по мысли Мурадяна, в природе существуют две формы материи – адронная и ядерная. Как уже было сказано выше, исходным объектом для образования Метагалактики является сверхтяжелый суперадрон. Спины подобных частиц связаны с их массами «законом 3/2». Иными словами, суперадроны – двумерные, плоские образования. Как считает Мурадян, они представляют собой комбинации шести кварков (гипотетических фундаментальных частиц с дробными электрическими зарядами, из которых могут быть построены все основные элементарные частицы), расположенных чрезвычайно близко друг к другу.
Однако в цепи последовательных распадов «плоских» адронов наступает момент своеобразного фазового перехода от адронной формы к ядерной. Это происходит тогда, когда в результате распадов начинают возникать объекты с массами порядка 1011 г и меньше. При таком переходе кварки перегруппировываются по три, образуя обычные частицы. У возникающих при этом космических объектов моменты связаны с массами уже «законом 4/3». Следовательно, подобные объекты являются уже не плоскими, а сферическими. По своему же физическому состоянию – это объекты типа нейтронных звезд, однако обладающие намного большими, колоссальными моментами. Их распад и приводит к образованию диффузных облаков, из которых в дальнейшем и могут формироваться звезды.
Как известно, одним из самых важных и существенных критериев справедливости той или иной теоретической модели является ее способность предвидеть, то есть предсказывать еще неизвестные явления. Если гипотеза Мурадяна все же верна и Метагалактика действительно возникла в результате распада суперадрона, то она обязательно должна обладать собственным вращением. Так что открытие вращения Метагалактики явилось бы если и не подтверждением модели Мурадяна, то во всяком случае важным свидетельством в ее пользу.
Иногда высказывается мысль о том, что вообще любые космогонические модели (а гипотеза Мурадяна относится к их числу) являются чисто умозрительными, поскольку они не могут быть проверены наблюдениями.
Однако соображения подобного рода нельзя признать убедительными. Современная космогония стоит на прочной наблюдательной основе. Современные, более мощные и совершенные, средства астрономических исследований позволяют непосредственно наблюдать и изучать все более удаленные космические объекты. А, как известно, чем дальше расположен тот или иной космический объект, тем в более глубоком прошлом мы его наблюдаем. Единственный в своем роде случай, когда мы, можно сказать, непосредственно, своими собственными глазами можем увидеть события давным-давно минувших времен. А это означает, что вопрос о соответствии тех или иных космогонических моделей реальной действительности в принципе может быть решен наблюдательным путем.
Но, пожалуй, самое интересное в исследованиях Р. Мурадяна даже не космогонические идеи, а вывод о взаимосвязи параметров элементарных частиц и космических объектов. Вывод, сделанный на основе исследования закономерностей их вращения.
Полученные результаты еще раз свидетельствуют о том, что между явлениями, происходящими в мире элементарных частиц, и процессами космического порядка существует глубокая внутренняя связь, пока что полностью еще не понятая. Не исключена возможность, что сильные и гравитационные взаимодействия связаны друг с другом нетривиальным образом. И можно надеяться, что в будущей более общей теории, которая по-настоящему объединит эти взаимодействия, такая связь станет, наконец, более отчетливой.
(беседа с докторами физико-математических наук B.C. Барашенковым и В.И. Манько)
Автор: В настоящее время большинство физиков склоняется к мысли, что кварки, несмотря на то, что их до сих пор не удалось обнаружить «в чистом виде», – все же вполне реальные образования.
Барашенков: Любопытно, что можно провести некую аналогию между кварками и лептонами – легкими частицами, в число которых входит электрон. Не исключено, что именно кварки и лептоны и есть те «кирпичики», из которых состоят все остальные частицы, и, таким образом, физики в своих поисках фундаментальных частиц уже приблизились к одной из «конечных станций». Впрочем, вряд ли такая станция вообще существует…
Теория элементарных частиц ведет нас все дальше от наглядных представлений, она обрастает все более сложными математическими и другими образами, у которых нет аналогов в непосредственно окружающей нас действительности… Совершается проникновение во все «более странный мир» современной физики…
Автор: Некоторые физики-теоретики считают, что трудные времена, которые не так давно наступили в теории элементарных частиц, уже остались позади. Придерживаетесь ли и вы такого же мнения?
Барашенков: Действительно, после некоторого периода, я бы сказал, кажущегося застоя в этой области современной физики произошел серьезный прорыв, в частности, по линии объединения различных типов взаимодействия, в первую очередь слабых и электромагнитных – построена так называемая электрослабая теория. А теперь – и к объединению этих взаимодействий с сильными. И делается все это на очень глубоком кварковом уровне.
Автор: И каковы, по вашему мнению, дальнейшие перспективы развития наших представлений об элементарных частицах?
Барашенков: Очень важное значение будет иметь открытие так называемых пси-частиц, обладающих необычными свойствами. Несмотря на то, что теоретические предпосылки, допускающие существование в природе подобных частиц, были высказаны довольно давно, их экспериментальное обнаружение оказалось все же довольно неожиданным. Хотя, повторяю, теоретические предпосылки для такого открытия были.
Автор: Кварки?
Барашенков: Да, кварки. С другой стороны, открытие новых частиц явилось важным аргументом в пользу справедливости теории кварков. Дело в том, что без этой гипотезы было бы очень трудно объяснить необычные свойства «пси-частиц». Напомню, что на протяжении некоторого времени кварки воспринимались лишь как чисто теоретические объекты, поскольку обнаружить их экспериментально никак не удавалось. Открытие пси-частиц не только подтвердило, что кварки – вполне реальные частицы, но и показало, что их должно существовать не три, а четыре. Кроме того, мы теперь знаем, что каждый из этих кварков может быть трех цветов, или «ароматов», – красным, белым или желтым.
Этим не совсем обычным термином физики условились обозначать некое подобие заряда, с помощью которого они взаимодействуют друг с другом. И по аналогии с электродинамикой ту часть физики, которая изучает взаимодействие кварков, стали называть «хромодинамикой».
Автор: Какое место, по вашему мнению, занимает теория элементарных частиц в современном естествознании? Ведь речь, по существу, идет о том, чем заполнено пространство на уровне микропроцессов?
Барашенков: Теория элементарных частиц, наряду с астрофизикой, всегда играла чрезвычайно важную роль в формировании новых представлений о явлениях окружающего нас мира. Так, например, современная теория элементарных частиц подводит нас к новому пониманию элементарности…
Автор: Вы имеете в виду то обстоятельство, что в результате новейших исследований выяснилась сложная внутренняя структура таких «элементарных» частиц, которые прежде считались «точечными» – протона, нейтрино, пи-мезона?..
Барашенков: Еще сравнительно недавно считалось само собой разумеющимся, что Вселенная представляет собой последовательность вложенных друг в друга физических систем, от Метагалактики до неделимых элементарных частиц, не имеющих внутренней структуры. Подобная картина хорошо согласовывалась и с нашим повседневным здравым смыслом, согласно которому целое всегда больше составляющих его частей. Но теперь мы знаем, что элементарная частица может содержать в качестве своих составных частей несколько точно таких же частиц, как и она сама. Так, например, протон на очень короткое время распадается (диссоциирует) на протон и три пи-мезона, а каждый пи-мезон – еще на три пи-мезона. Таким образом, в микромире теряют смысл привычные представления о целом и части, о простом и сложном, а следовательно, теряет смысл и привычное для нас понятие элементарности. В частности, обсуждалась даже идея «предкварков» – еще более фундаментальных частиц, из которых, возможно, состоят сами кварки…
Автор: Но если так обстоит дело внутри микромира, то не нуждаются ли в серьезном пересмотре и существующие представления о соотношении микромира и мегакосмоса? Чего вы ждете от теории элементарных частиц в ближайшем будущем? Каких новых достижений, каких открытий?
Барашенков: Прежде всего окончательного построения единой теории сильных, слабых и электромагнитных взаимодействий. Кроме того, должна быть понята природа кварков и получен вразумительный ответ на вопрос, почему их не удается наблюдать. Весьма интересных результатов можно ожидать и от дальнейшего изучения нейтрино, играющего очень важную роль в слабых взаимодействиях. Было бы также очень интересно понять до конца, почему нарушается так называемая Т-инвариантность при распаде Ка-два-мезона?..
Хочу пояснить, о чем идет речь. Дело в том, что в физике микромира действует очень важный закон сохранения, известный под названием СРТ-теоремы. Согласно этому закону, состояние физической системы не изменится, если все частицы заменить соответствующими им античастицами (С-преобразование), осуществить зеркальное отражение рассматриваемой системы (Р-преобразование) и изменить течение времени на обратное (Т-преобразование). В этом случае уравнения, описывающие поведение системы, не изменят своего вида. До 1964 года считалось, что и СР-преобразования сами по себе также не изменяют состояния системы (закон комбинированной четности). Считалось также само собой разумеющимся, что ничего не меняется и в результате одного Т-преобразования. Однако в 1964 году выяснилось, что явление распада Ка-два-мезона на два пи-мезона несовместимо с законом комбинированной четности.
Но если не выполняется этот закон, то есть уравнения в результате СР-преобразования все же меняют свой вид, то, следовательно, в микромире прямое и обратное течение времени обладают какими-то существенными различиями.
Автор: Не значит ли это, что современная физика элементарных частиц нуждается в каких-то принципиально новых, может быть «безумных» идеях?.. Прошу извинения за этот вопрос, насколько мне известно, многие современные физики относятся к нему далеко не однозначно, а порой даже весьма агрессивно…
Барашенков: Нет, ваш вопрос вполне закономерен. Что же касается ответа, то ситуация далеко не ясна. Экспериментальных данных в этой области очень много, но много и непонятного… Не исключено, что стараниями теоретиков в конце концов удастся преодолеть возникающие трудности и объяснить экспериментальные данные, не прибегая к каким-то принципиально новым взглядам. Но могут потребоваться и совершенно новые идеи, в том числе и весьма необычные.
Автор: Хотелось бы узнать ваши соображения о современном состоянии теории элементарных частиц, изучающей один из «полюсов» грандиозной иерархии различных объектов, заполняющих пространство нашей Вселенной. Чему может научить эта область физики не только ученого-исследователя, но и любого современного человека?
Барашенков: Теория элементарных частиц поучительна прежде всего тем, что здесь с особенной силой проявляется мощь научной теории. Ведь не случайно, например, кварки были «изобретены» теоретиками, а не обнаружены в опыте. Поучительно и то, что в процессе развития этой теории постоянно возникает масса неожиданных понятий и образов, потрясающих привычные основы. Достаточно опять-таки напомнить о тех же кварках. Тем самым наглядно и убедительно демонстрируется неправомерность любой абсолютизации научных знаний. Физика, как наука, никогда не закончится.
Автор: А какие, по вашему мнению, философские проблемы связаны с современной теорией элементарных частиц?
Барашенков: Одна из основных проблем такого рода, на мой взгляд, состоит в выяснении того, что же такое «пространство-время» в физическом смысле? Другая важная проблема, имеющая философское значение, – обобщение существующего понятия причинности, которое в ряде случаев может оказаться недостаточным.
Есть еще и ряд проблем методологического характера, которые так или иначе связаны с изучением элементарных частиц. Что значит – хорошая теория? Что значит – объяснить? Что предпочтительнее – система уравнений или модель? Что значит – единая теория? И ряд других…
Взаимосвязь микро– и макро– – одно из конкретных выражений диалектики природы, всеобщей взаимосвязи и взаимозависимости ее явлений. Уже сейчас в ряде случаев трудно разделить, где космология, изучающая строение и эволюцию Вселенной, и где теория элементарных частиц. В центре внимания современной астрофизики находятся объекты, отличающиеся необычайно высокой плотностью, а порой и очень малыми размерами. В частности, в качестве объектов, где связь микро– и макро– реально проявляется, можно привести черные дыры с радиусом 10-13 сантиметра. Их масса должна составлять 108 тонн! Экспериментальное обнаружение подобных экзотических объектов – одна из интереснейших задач современной физики. Подобные экстремальные состояния материи не могут быть описаны в рамках одной лишь общей теории относительности Эйнштейна, так как при столь больших плотностях неизбежно возникают специфические квантовые эффекты. Поэтому одной из важнейших задач современной физики является развитие квантовой гравитационной теории, которая объединила бы общую теорию относительности и квантовую физику.
А это значит, что путь к пониманию физической природы многих удивительных явлений, обнаруженных в последние годы во Вселенной, быть может, начинается в глубинах микромира.
Однако для того, чтобы где-то в ультрамалых пространственно-временных областях нащупать кончик той нити, которая словно «нить Ариадны» должна привести нас к разгадке сокровенных тайн космических объектов, сперва, видимо, надо еще понять что-то непонятое в самом микромире.
Между тем во второй половине XX столетия в физике микромира наступило заметное затишье. Во всяком случае, в начале 1970-х годов многие известные специалисты высказывали мнение, что физика микромира явно отступает на второй план и что ее роль в современном естествознании значительно скромнее, чем у физики атома в начале века, когда этот раздел физической науки занимал доминирующее положение и в умах людей и в области практических приложений. А сегодня?..
Вот что рассказывает доктор физико-математических наук Владимир Иванович Манько.
Манько: На мой взгляд, в последнее время ситуация в физике микромира изменилась самым существенным образом. В частности, получила развитие новая область физики элементарных частиц: так называемые новые частицы. Как известно, новые частицы открывали и раньше, но недавно были обнаружены так называемые пси-частицы, обладающие весьма интересными свойствами. Кстати, за их открытие двум американским физикам были присуждены Нобелевские премии за 1976 год.
Автор: Чем же замечательно это открытие? Тем, что обнаружены какие-то совершенно необыкновенные частицы, или тем, что их существование подтвердило какие-то важные теоретические идеи?
Манько: Еще в 1964 году М. Гелл-Манн и Г. Цвейг на основе некоторых теоретических соображений выдвинули весьма смелую и оригинальную идею об особых фундаментальных частицах – кварках с дробными электрическими зарядами. Согласно этому предположению, существуют три кварка и три соответствующих им антикварка, из которых могут быть построены протоны, нейтроны, гипероны, мезоны и некоторые другие элементарные частицы.
В теоретическом отношении гипотеза кварков оказалась весьма интересной и многообещающей. Во всяком случае, в мире элементарных частиц все происходит именно так, как если бы кварки действительно существовали.
Автор: Но, как известно, кварки, несмотря на большие экспериментальные усилия, обнаружить до сих пор так и не удалось. Чем это объяснить?
Манько: В самом деле, в период с 1964 по 1970 год во многих лабораториях мира предпринимались весьма активные поиски кварков. Их искали на ускорителях элементарных частиц, в космических лучах и даже в образцах лунного грунта. Однако обнаружить кварки в свободном состоянии к со жалению, действительно так и не удалось, Правда, время от времени в печати появляются сообщения о том, что кварки, наконец, открыты. Но дальнейшие исследования эти сообщения не подтверждают.
Но в то же время без гипотезы кварков было бы очень трудно объяснить многие свойства элементарных частиц.
Автор: Каков же выход из сложившейся ситуации?
Манько: Несмотря ни на что, гипотеза кварков продолжает развиваться. В частности, не так давно теоретики пришли к выводу о существовании еще одного – четвертого кварка, который должен характеризоваться и особым, так называемым квантовым числом, получившим название «очарования» или «чарма».
Автор: У физиков явная склонность к поэтическим названиям… Но если есть четвертый кварк, то, видимо, должны существовать и частицы, в состав которых он входит?
Манько: Именно одна из таких частиц – джей-пси-мезон и была открыта в ноябре 1974 года американскими физиками С. Тингом и Б. Рихтером. Есть предположение, что джей-пси-мезон представляет собой своеобразную атомоподобную систему, которая состоит как раз из упомянутого мной четвертого кварка и его антикварка. Кстати, эту систему назвали «чармонием». Обнаружены и некоторые другие пси-частицы той же природы.
Автор: Насколько я понимаю, открытие новых частиц является немаловажным косвенным свидетельством в пользу гипотезы кварков. Но в таком случае вновь возникает все тот же вопрос: почему эти объекты не удастся обнаружить на опыте?
Манько: Есть любопытная идея – так называемого удержания кварков. Речь идет о том, что, быть может, вообще в природе существуют частицы (в том числе и кварки), которые в принципе невозможно оторвать друг от друга и выделить в чистом виде.
Автор: И какое же теоретическое объяснение можно дать подобному феномену?
Манько: Предложено, например, такое объяснение. Возможно, что силы, связывающие между собой два кварка, имеют не электромагнитную, а какую-то иную природу. Не исключено, что по своему характеру они напоминают бесконечно узкую, упругую, как бы «резиновую» трубку. Такая упругая трубчатая связь не позволяет оторвать один кварк от другого – «растягиваясь» при внешнем воздействии, она затем сокращается и возвращает кварк на место.
Таким образом, не исключена возможность, что кварки представляют собой особый тип образований, которые могут существовать только в совокупности и которые принципиально невозможно разделить.
Автор: Итак, гипотеза кварков получила новый мощный импульс. Каковы же ее дальнейшие перспективы?
Манько: Не исключено, что дальнейшее развитие физики элементарных частиц покажет, что помимо четырех кварков, фигурирующих в настоящее время, существуют еще и другие, более тяжелые. Видимо, ответ на этот вопрос будет получен уже в самое ближайшее время…
