Текст книги "Вселенная в электроне"

Автор книги: Владилен Барашенков

На кухне у физиков.
Как открыть новую частицу?

Иногда это происходит случайно. Интересуются чем-то другим и неожиданно для себя натыкаются на новую, неизвестную ранее частицу. Как говорится, шел-шел и вдруг споткнулся о кошелек с золотом на дороге! Так был открыт позитрон, а в 50-х годах целое семейство странных частиц. Удивление физиков этим событием навечно запечатлено в их названии. Однако такое бывает редко. Как правило, частицы ищут по подсказке теоретиков, уже кое-что зная об их свойствах. Современный эксперимент слишком сложен и дорог, чтобы вслепую прочесывать дебри микромира, надеясь на удачу – авось, мол, повезет. Серьезный опыт сегодня стоит миллионы рублей и выполняется в течение нескольких лет. Это не пальба по площадям, а прицельный выстрел с закрытых позиций по цели с точно рассчитанными координатами.

Их расчет основан на теории, которую еще в прошлом веке создал французский математик Эварист Галуа. Ее основные положения он записал в ночь перед роковой дуэлью. На следующий день выстрел из пистолета оборвал жизнь двадцатилетнего ученого. Он умер, так и не узнав, что создал одну из самых замечательных математических теорий.

Галуа изучал симметрию среди элементов множеств. Что такое множество, теперь знают уже в начальной школе, а во времена Галуа этим занимались лишь немногие математики. Так вот, двадцатилетний Галуа вывел правила, на основании которых из элементов множества можно составить изолированные группы – семейства, члены которых симметричны. Когда совершается какое-либо преобразование множества (например, те, которые изучают в школе, – отражение, вращение, сдвиг и тому подобное), члены каждой из групп просто меняются между собой местами. Преобразование изменяет соотношения между элементами множества, а внутри семейств они остаются неизменными. Правилами Галуа сегодня и пользуются физики, чтобы находить семейства частиц – мультиплеты. Их члены – разные состояния одной и той же частицы. Как лампочка, вспыхивающая разным цветом, или что-то вроде кристалла, каждая грань которого – новое состояние. Именно так теоретики пришли к идее кварка. По правилам теории Галуа были вычислены мультиплеты адронов, и простейший из них был назван кварком.

Самое трудное – выявить симметрию. Обычно она сильно замаскирована расщеплением масс частиц. Здесь легко ошибиться. Поэтому всякий раз, когда в свойствах частиц удается найти новую симметрию, это бывает важным событием в физике. Последующее, как говорится, уже дело техники.

А когда параметры частицы определены, в игру вступает эксперимент. Бывает, что в рассчитанном месте частицу не находят, и теоретикам снова приходится садиться за расчеты: уточнять симметрию, вычислять новые мультиплеты, прикидывать, какой, легкой или тяжелой, должна быть частица, определять реакции, в которых вероятнее всего ее присутствие. Не зря говорят, что теоретик работает в основном на мусорную корзинку! Прежде чем будет получен результат, ему приходится опробовать и сопоставить кучу вариантов.

Теория в современной физике занимает исключительное место. Она строит мосты между островками разрозненных экспериментальных фактов и, выдвигая гипотезы, позволяет далеко уходить от них в область неизвестного.

Подведем итоги

Подсчитаем, сколько же теперь, после всех слияний и объединений, осталось у нас частиц.

Для построения адронов нужны три частицы: кварк, антикварк и глюон. Добавив к ним электрон, позитрон и фотон, построим все атомы (позитрон нужен, чтобы построить антивещество). Два тяжелых лептона и три нейтрино нужны для объяснения распадов частиц. Наконец, чтобы слить атомы в большие макроскопические тела, требуется еще квант поля тяготения – гравитон.

Итак, семь частиц-кирпичиков, столько же «антикирпичиков» и три склеивающих частички. Весь мир из семнадцати частиц!

В электрослабой теории число склеивающих частиц остается неизменным, так как три тяжелых брата-мезона и фотон – одна семья – частица. Зато число кирпичиков сокращается: электрон и нейтрино рассматриваются, как два состояния одной и той же частицы, то же для мю– и тау-мезонов. Вместо шести лептонов стало три. Однако для внутренней согласованности теории пришлось допустить, что в природе существует еще один тип частиц – несколько напоминающих пи-мезон, но подобно глюонам обладающих свойствами саморазмножения и самосклеивания. Их называют хиггсонами, по имени английского теоретика П. Хиггса, который первым начал изучать их свойства. Хотя хиггсоны еще не обнаружены на опыте, большинство физиков не сомневается в их существовании. В следующей главе мы увидим, что они играют чрезвычайно важную роль в эволюции Вселенной, и это еще больше повышает интерес к этим частицам.

В целом число частиц сократилось на пять единиц – с семнадцати до двенадцати.

Объединение электрослабого и сильного взаимодействий уменьшило число частиц до семи. Остались кварк (лучше сказать, лептокварк), антикварк, увеличивший число своих состояний глюон, гравитон и несколько (скорее всего, три) хиггсонов.

Если не считать хиггсовых частиц, число которых пока еще зависит от конкретного варианта теории, то после «великого объединения» всех четырех типов взаимодействий остаются только три частицы: частица-кирпичик, соответствующий ей «антикирпичик» и частица-волан.

Казалось бы, наконец-таки физика достигла самого дна природы: объединены все силы, число частиц сокращено до предела, создана и шлифуется единая теория. Природа, однако, любит сюрпризы. Внутри новой теории физики неожиданно обнаружили мину, готовую вдребезги разнести все надежды на построение «последней теории всех сил и взаимодействий».

Физические теории обладают замечательным свойством: их математические формулы не просто описывают опыт, а являются его обобщением, и поэтому их содержание всегда значительно богаче исходных экспериментальных данных. Они предсказывают новые факты и часто приводят к выводам, которые их создатели не ожидали. Так случилось и в этот раз. Из формул теории следует, что лептоны и кварки, по-видимому, состоят из еще более мелких «зернышек».

Час от часу не легче! Значит, опять новые частицы и новые виды взаимодействий? И все пошло по новому кругу?

Пока можно говорить лишь об идее. Свойства и число «зернышек» не известны, они изменяются от одного варианта теории к другому. Даже общепринятого названия у «зернышек» еще нет. Часть физиков использует приставку «пре» и называет их «прекварками», другие ученые говорят о пракварках (вспомним слова «прабабушка», «прадедушка»), а некоторые предпочитают словечко «преоны». Есть и другие названия.

Прачастиц, по-видимому, два или три семейства, каждое из которых состоит из нескольких «прасестер» и «прабратьев». Известно несколько наборов таких «мозаик», и пока не ясно, какому из них следует отдать предпочтение.

После надежд на построение единой всеобъемлющей теории результат весьма неожиданный и обескураживающий…

Впрочем, неожиданным он кажется лишь с первого взгляда. Если посмотреть внимательнее, то, напротив, он выглядит вполне естественным. Уж очень сложными стали семейства кварков и глюонов! Трудно поверить, что «самые элементарные» частицы характеризуются столь большим числом параметров. История науки говорит, что каждый раз, когда элементарный объект становился слишком сложным, в нем обязательно находили более простые составляющие. Так было с атомом, с его ядром, с элементарными частицами. Физика ступала на следующую ступень структурной лестницы, и картина упрощалась. По-видимому, это повторяется и в случае кварков. Простейшими их можно назвать лишь условно. У них целый гардероб «платьев», «пальто» и «шуб». Их простота подобна кажущейся простоте часов, которые мы носим на руке, – металлический кружок с двумя стрелками, только и всего, а если покопаться…

Салам и Пати первыми заметили, что параметры всех двадцати четырех членов кварк-глюонного семейства можно получить сложением трех преонов. Теперь и теория «великого объединения» подсказывает, что частица-кирпичик, а вместе с ней и склеивающая частица-волан являются составными. Число самых простейших снова стало расти.

Где же конец?

Прежде чем ответить на этот вопрос, выясним, каких наименьших расстояний может достичь эксперимент в ближайшем и отдаленном будущем. И вообще, делятся ли расстояния до бесконечности на все меньшие и меньшие или же, может быть, в природе существуют какие-то первичные «атомы» пространства, дальше которых уже больше ничего нет? Ведь есть же минимальные порции энергии – кванты, почему же не может быть геометрических квантов – атомов пространства и времени?

Как мы уже знаем, размеры протона и других адронов – 10^-13 сантиметров, то есть около триллионной доли миллиметра. Самые маленькие пространственные интервалы, которые можно сегодня исследовать с помощью ускорителей частиц, в тысячу раз мельче. Для этого сталкивают два пучка частиц – один навстречу другому. Энергия относительного движения разогнанных навстречу друг другу частиц так велика, что размазка их траекторий из-за волнового дрожания меньше 10^-16 сантиметров. По сравнению с протоном такие расстояния все равно что маковое зернышко рядом с футбольным мячом.

Конечно, для этого не строят двух ускорителей, «бьющих» пучком протонов в лоб друг другу. Делают по-другому. Ускоренные протоны, порция за порцией, «закачивают» в окруженное магнитным полем вакуумированное кольцо. Сильное магнитное поле загибает траектории частиц и удерживает их на круговой орбите. А когда частиц в кольце накопится достаточно много, поле выключают, и пучок частиц «выстреливает» навстречу основному пучку из ускорителя. Иногда «накачивают» сразу два кольца, которые разряжаются протонным зарядом навстречу друг другу.

В недалеком будущем на этом пути удастся достичь расстояний порядка 10^-17 сантиметров, то есть в десять тысяч раз меньше протона. В Советском Союзе и в других странах проектируются и уже создаются необходимые для этого ускорители. Но это, по-видимому, близко уже к пределу. Современные ускорители – циклопические установки стоимостью в сотни миллионов и даже в миллиарды рублей, а дальнейшее углубление в микромир требует просто фантастических сооружений. Чувствуется, что здесь нужны какие-то принципиально новые физические идеи.

Одна из таких новых идей принадлежит итальянскому физику Ферми. Он предложил использовать в качестве ускорителя… всю нашу планету. Ведь Земля создает вокруг себя магнитное поле, которое можно использовать для того, чтобы удержать на космической орбите пучок разгоняемых частиц. Ускорять частицы будут расположенные вдоль орбиты спутники с солнечными батареями. Вакуум в космосе обеспечен, поэтому пучок частиц без всякого рассеяния может обежать вокруг Земли огромное число раз, постепенно разгоняясь до гигантских энергий. В земных условиях основные затраты связаны с созданием магнитного поля и поддержанием вакуума в камере ускорителя, а в космосе все это бесплатно!

Но пока – это область научной фантазии, и единственным источником частиц сверхвысоких энергий остаются космические лучи. Среди частиц, входящих в их состав, встречаются такие, которые позволяют зондировать расстояния в десять миллионов раз меньше размеров протона. Плохо вот только, что космических частиц с такой высокой энергией крайне мало, и опыты с ними неточны. Тем не менее если позволить себе пофантазировать, то можно представить, что когда-нибудь в космосе будут созданы ловушки-накопители таких высокоэнергетических частиц, которые можно использовать для изучения их встречных столкновений, так, как это делается в опытах со встречными пучками на ускорителях. И вот тогда можно будет добраться до умопомрачительно малых расстояний порядка 10^-25 сантиметров. Протон по сравнению с такими расстояниями выглядит, как орбита Земли по сравнению с тарелкой.

Как достичь еще меньших расстояний, пока совершенно неясно. Возможно, для этого потребуется какая-то новая физика. Об этом можно лишь строить догадки. Во всяком случае, расстояния в 10^-25 сантиметров еще очень далеки от «красной черты», проходящей где-то на уровне 10^-33 сантиметров. Действующие там силы так велики, что пространство сворачивается в крохотные пузырьки. Это и есть геометрические кванты. Меньших расстояний в природе не бывает. На этом уровне пространство становится неустойчивым, похожим на пчелиные соты или на губку, состоящую из перекрывающихся пор-пузырьков. О сворачивающемся пространстве, как и почему это происходит, мы подробно поговорим в следующей главе.

А квант времени? Это интервал, за который свет успевает пробежать от одного края пространственного «атома» до другого, – 10^-43 секунд. Самый краткий миг, который только может быть в природе, – ведь ничто не может пересечь пространственный «атом» быстрее света.

В промежутке между 10^-16 и 10^-33 сантиметрами, между уже достигнутым и самым малым, может разместиться бесконечное число различных форм и типов микрообъектов. На каждой ступени лестницы, ведущей в недра материи, мы находим множество новых свойств и новых физических объектов. Для их объяснения нам приходится спускаться на следующую ступень и так далее. Как метко заметил однажды французский ученый Пьер Буаст, границы науки похожи на горизонт: чем ближе к ним подходим, тем дальше они отодвигаются! Природа неисчерпаема в своем многообразии. Однако его нельзя представлять себе, как бесконечную, чисто механическую делимость, когда каждый элемент состоит из еще более мелких. Мы уже видели выше, что «более глубокое» – это не всегда «меньшее по размеру». Неверно думать, что природа устроена наподобие бесконечного ряда вложенных друг в друга колесиков, каждое из которых обязательно содержит внутри себя еще меньшее. Мир может быть устроен значительно хитрее!

Может случиться так, что, изучая микромир, мы будем встречаться со все большей и большей энергией, и конца не будет – круг, так сказать, замкнется: в микромире мы снова встретимся с объектами и явлениями макроскопического масштаба. Не исключено, что в недрах элементарных частиц природа спрятала вторые ворота в космос и «выйти к звездам» можно не только на ракетах, но и с помощью ускорителей. Правда, космические ворота микромира необычайно узкие и преодолеть их труднее, чем верблюду пролезть сквозь угольное ушко. Но трудно не значит невозможно!

Вот об этом и пойдет речь в следующей главе.

Глава II

Великое кольцо

Великое кольцо природы… Углубляясь в микромир, мы встречаемся с явлениями космического масштаба, а уходя в далекий космос, находим следы, которые убеждают нас в том, что когда-то сама Вселенная была похожа на микрочастицу.

Космос, целые миры внутри частиц, и вселенная как микрочастица! Как это может быть? Все перепуталось – элементарные частицы и астрономия! Где начало того конца, которым кончается это начало?

Есть ли у вселенной границы и было ли время, когда еще не было времени? Откуда произошли элементарные частицы и почему их свойства именно таковы, какими мы их наблюдаем, – разве не может быть других миров, совсем с другими частицами? Почему пространство трехмерное, а время одномерное? Могут ли быть вселенные с другой размерностью – например, десятимерное пространство? Существует ли антимир, построенный из антивещества?

Итак, как устроен наш мир в целом? Откуда он взялся и какова его судьба?

Чтобы разобраться в этих вопросах, нам понадобится многое из того, о чем мы узнали в предыдущей главе.

Самое большое и самое малое

Наиболее мощные астрофизические приборы позволяют сегодня просматривать космос в радиусе приблизительно 10²² километров. На границах этого гигантского круга расположены самые далекие объекты, свет и радиоизлучение которых на пределе своей чувствительности еще фиксируют приборы астрофизических обсерваторий. Все, что дальше, остается для нас невидимым.

Чем дальше расположен наблюдаемый объект, тем меньшая часть его излучения попадает в наши приборы. Расстояние возрастает вдвое, а чувствительность приборов приходится повышать вчетверо. Когда-то длительная выдержка фотопластинки под телескопом была единственным способом уловить слабое свечение далеких объектов. Сегодня приходящие сигналы анализируются с помощью мощных ЭВМ, которые отделяют фоновое излучение, случайные помехи и постепенно накапливают информацию в своей памяти. Приборы наблюдения за космосом теперь часто имеют километровые габариты, стоят огромных денег, и дальнейшее продвижение здесь, как и в области микромасштабов, становится все более трудным.

Космос просматривают и прослушивают в разных диапазонах – регистрируют свет и радиоизлучения, высокоэнергетические кванты, рождающиеся в ядерных реакциях, потоки всепроникающих нейтрино. Все это несет важную информацию. За последнюю пару десятков лет наука узнала о космическом пространстве больше, чем за всю многовековую историю.

Чтобы почувствовать, насколько велика видимая нами часть Вселенной, представим себе, что Земля уменьшилась до величины атома. Тогда расстояние 10²² километров сожмется до размеров лунной орбиты. Атом и орбита Луны – размеры трудносопоставимые! Для того чтобы пересечь видимый нами мир, световому лучу требуется несколько миллиардов лет, хотя за одну секунду он пробегает триста тысяч километров. Окраинные области мы видим такими, какими они были сотни миллионов и миллиарды лет назад. Возможно, многое из того, что мы наблюдаем, уже давно не существует – умерло или распалось. Это похоже на то, как если бы следящие за нами инопланетяне рассматривали сегодня картины боев гладиаторов и марширующие легионы древних римлян. Впрочем, это не мешает построить теорию, которая не только хорошо описывает прошлое Вселенной, но и предсказывает ее далекое будущее.

И вот что очень важно: для объяснения всех явлений, наблюдаемых в космосе, вполне достаточно уже известных нам физических законов. Никаких новых предположений и гипотез, выходящих за границы современной физики, пока не требуется. Их безжалостно обрезает неумолимая «бритва Оккама». Поэтому можно думать, что предсказания новых, еще не наблюдавшихся явлений, которые вытекают из известных нам законов природы, также должны быть верными.

Два геометрических полюса мира, самое большое и самое малое – 10^-16 сантиметров «снизу» и 10²⁷ сантиметров «сверху». Учитывая, что наши собственные размеры сто – двести сантиметров, можно сказать, что вдаль мы видим на семь порядков острее, чем вглубь.

Самые мелкие объекты в природе – геометрические кванты пространства, 10^-33 сантиметров. Самый большой объект – сама Вселенная. Бесконечна она или конечна? Забегая вперед, заметим, что радиус нашего мира, то есть той части Вселенной, в которой действуют привычные нам физические законы, составляет около 10²³ километров. Всего лишь в десять раз больше уже достигнутой границы. Каковы размеры и свойства остальной части – это сложный вопрос. Чтобы ответить на него, надо знать, как устроена Вселенная, знать ее структуру. Представление о бесконечно продолжающемся во все стороны пространстве – только одна из возможностей, причем самая простая. Есть более сложные. Одна из них была открыта еще древнегреческими учеными.

Матрешки в матрешках

Греческий философ Анаксагор жил две с половиной тысячи лет назад. Это был нелюдимый, мрачный человек, с головой погруженный в науку. Когда его однажды спросили: «Если ты отказываешься от земных благ, зачем же ты родился на свет?» – он ответил: «Для того, чтобы наблюдать небо, а на нем звезды, луну и солнце!»

Анаксагор не признавал божественной природы этих небесных тел, считая их просто раскаленными камнями. За такое неслыханное богохульство афинский суд приговорил его к казни, и ему едва удалось спастись бегством.

Анаксагор первым пришел к мысли о том, что мир состоит из бесчисленного количества мельчайших частиц, каждая из которых – целая Вселенная. Такая же, как наша. Внутри каждой частицы, какой бы малой она ни была, учил философ, «есть города, населенные людьми, обработанные поля и светит солнце, луна и звезды, как у нас». И этот микрокосмос, в свою очередь, состоит из частиц-вселенных, которые содержат еще более мелкие, и так без конца. Анаксагор считал, что любая из этих частиц содержит в себе все свойства Вселенной и ничем не хуже других, больших или меньших ее. Мир бесконечно повторяется вверх – в сторону больших размеров, и вниз – при уменьшении всех масштабов до нуля. Но на каждом этаже все соразмерно, и его обитатели не знают, на каком по счету уровне они живут. Да и как сосчитать, если в обе стороны бесконечность?! Любой уровень можно выбрать за начальный.

Идею о бесконечной цепочке вложенных друг в друга миров разделяли многие ученые. В семнадцатом веке ее сторонником был Готфрид Вильгельм Лейбниц – знаменитый философ и математик. Он также считал, что мир слагается из простейших частичек – атомов, в каждой из которых, в свою очередь, «существует целый мир созданий, живых существ, животных…». Подобные же мысли высказывали Джордано Бруно и другие выдающиеся мыслители.

Масла в огонь подлила работа Резерфорда, доказавшая, что атом подобен микроскопической солнечной системе. Если все устроено так похоже, то почему не продлить эту аналогию дальше и не предположить, что вообще все свойства микромира такие же, как у нас, только в миниатюре? Огромное поле для фантазии! Жизнь внутри атомов, многоэтажная вселенная – в начале века эти идеи обсуждались в серьезных книгах, о них шла речь во время лекций.

Настроение того времени хорошо отразил поэт Валерий Брюсов:

 
Быть может, эти электроны —
Миры, где пять материков,
Искусства, знанья, войны, троны
И память сорока веков!..
Их мудрецы, свой мир бескрайний
Поставив центром бытия,
Спешат проникнуть в искры тайны
И умствуют, как ныне я…
 

Но… в игру снова вступила острая «бритва Оккама»: гипотезы о микрокосмосе не имели достаточных оснований, тем более что бурное развитие экспериментальной физики в последующие годы, детальное изучение свойств молекул и атомов, открытие быстро распадающихся и превращающихся одна в другую элементарных частиц, казалось бы, полностью и навсегда разрушили наивную картину мира, построенного по принципу вложенных одна в другую русских матрешек. Однако в последнее время появились соображения, которые неожиданно заставляют снова вернуться к идее вложенных миров.

Это связано с замечательным открытием, которое сделал ленинградский ученый Александр Александрович Фридман. Чтобы понять, в чем тут дело, нам придется познакомиться с некоторыми свойствами сил всемирного тяготения.