Текст книги "Кварки, протоны, Вселенная"

Автор книги: Владилен Барашенков

сообщить о нарушении

Текущая страница: 9 (всего у книги 14 страниц)

И все же утверждать, что, изолированных магнитных зарядов в природе не существует и все разговоры о магнитном веществе – ненаучная фантастика, было бы преждевременно. В сегодняшних ускорителях могут рождаться только такие частицы, которые не более чем в несколько сот раз тяжелее протона: для рождения более массивных частиц энергии недостаточно. Поэтому если монополи – очень тяжелые частицы, то в опытах на ускорителях они не могут образоваться. Монополи должны были бы рождаться под действием космических лучей, содержащих сверхвысокоэнергетические частицы. Но и здесь есть обстоятельство, которое мешает заметить рождающиеся монополи. Согласно теории магнитные частицы настолько сильно взаимодействуют с веществом, что растрачивают свою энергию почти сразу же после рождения, не успев далеко уйти от точки, где образовались. А поскольку закон сохранения заряда требует, чтобы монополи обязательно рождались парами – один с отрицательным, другой с положительным зарядом, – то, затормозившись, они скорее всего тут же аннигилируют и превратятся в обычные немагнитные частицы. Теория говорит, что в большинстве случаев это будут пучки жестких гамма-квантов.

Физики, изучающие космические лучи, в своих опытах не раз замечали узконаправленные вспышки очень интенсивного гамма-излучения. Вообще это можно было бы считать указанием на рождение и аннигиляцию монополей, однако имеются веские основания предполагать, что для рождения монополей не хватает энергии даже самых быстрых космических частиц.

Как бы там ни было, неудача всех попыток обнаружить следы магнитных зарядов охладила энтузиазм физиков. Ясно, что в природе есть что-то такое, что мешает осуществлению красивой идеи Дирака.

Когда разумно поставленная задача долго не находит решения, полезно взглянуть на всю проблему с совершенно иной точки зрения. Среди физиков популярен был когда-то анекдот о том, как решает задачу посредственный научный сотрудник. Задача была взята из истории зоопсихологии, представители которой а начале XX в. исследовали мышление обезьян. Там была, в частности, такая задача. Экспериментаторы прикрепили к

ветке дерева банан. Обезьяне требовалось достать его. Сначала она бросилась трясти дерево. Видит, не получается – крепко сидит банан. Подумала – схватила палку Опять неудача – коротка палка. Снова подумала – метнула камень и сбила банан. Дали ту же задачу научному сотруднику, замотанному разными планами и отчетами. Он тоже, не теряя времени, схватился за дерево – трясет, и чем дольше, тем с большим рвением. «Подумай», – подсказывают ему. «Некогда! – отвечает. – Работать надо!» Так до сих пор и трясет...

Проблема монополей приобрела «второе дыхание», когда на нее посмотрели с принципиально новой точки зрения – с позиций теории «великого объединения». Если ехать по одной из скоростных автострад из Нью-Йорка, то через час с небольшим добираешься до тщательно охраняемой местности, застроенной редкими зданиями похожими на цехи. Это Брукхейвенская лаборатория – один из основных атомных институтов США. В 50-х годах два сотрудника лаборатории Чженьнин Янг и Роберт Миллс изучали обобщение максвелловских уравнений, которое они надеялись использовать для описания нового класса частиц —подобных фотону, но в отличие от него несущих на себе электрический заряд. Так сказать, квантов заряженного света. Теория получалась на редкость стройной и изящной; усовершенствованием и интерпретацией ее математического аппарата занимались многие физики, до тех пор пока в конце 60-х годов эти исследования не привели к новой теории, объединившей электромагнитные и слабые силы (последние вызывают распад элементарных частиц и атомных ядер). Теперь-то мы знаем, что все это – проявление различных компонент одного и того же «электрослабого поля» которое в зависимости от условий воспринимается нами как электричество, магнетизм или как особое, слабое взаимодействие элементарных частиц. И вот тут гипотеза монополей неожиданно получила мощную поддержку.

Есть страшное явление природы – цунами. Далеко

в океане образуется необыкновенно устойчивая волна —изолированный всплеск, который, почти не изменяя своей формы и не растрачивая энергии, преодолевает огромные расстояния (в то время как обычная волна давным-давно успела бы угаснуть) и всю свою энергию одним ударом обрушивает на побережье. Такие события

иногда происходят у нас на Дальнем Востоке. В открытом море волна цунами плоская, заметить ее трудно, но энергия у нее колоссальная. У побережья, затормаживаясь, она вздымается метров на десять, а то и больше и разрушает причалы, смывает целые поселки.

Теория говорит, что это не простая волна, а особое самоподдерживающееся, нелинейное образование. Оказалось, что в результате возмущений, вызванных внешним воздействием, а при определенных условиях и под действием внутренних сил в электрослабом поле, как в океане, возможно образование особых всплесков-цунами. Первыми это явление обнаружили в своих расчетах советский физик А. М. Поляков и голландский Т’Хуфт. Они заметили, что каждое «полевое цунами» ведет себя в пространстве подобно частице, а также, что особенно важно, с каждым таким всплеском связан изолированный магнитный полюс, северный или южный. Другими словами, новая теория подтвердила гипотезу монополей! С математической точки зрения монополь – это особое решение полевых уравнений, а с физической – сгусток энергии, новая частица.

Правда, монопольные решения получаются не во всех вариантах электрослабой теории. Для них нужны весьма специфические условия, и в конечном счете опять-таки только эксперимент способен подтвердить, существуют монополи в природе или нет. Расчеты, например, показывают, что полевые цунами-монололи могут образоваться, лишь имея достаточно большую массу. Они должны быть приблизительно в 10 тысяч раз тяжелее протона, то есть весить чуть ли не столько, сколько молекула белка.

В сравнении с другими элементарными частицами они мамонты среди мышей. Но существуют ли они, эти мамонты, в природе?

Еще более удивительные частицы предсказывает теория «великого объединения», в которой электрослабое поле объединяется с сильным, ядерным. Эта теория – дальнейшее развитие идей Янга и Миллса, следующий шаг в построении единой теории поля. Хотя теория «великого объединения» еще весьма неопределенна, у нее много различных вариантов и плохо изученных возможностей, предсказание цунами-монополей получается почти в любом ее варианте.

Просто поразительно, как с разных сторон математический аппарат подсказывает нам идею магнитных частиц.

Монополи теории «великого объединения» – фантастически массивные частицы. Они по меньшей мере в 10¹⁶ раз тяжелее протона (умножьте массу протона на 10 тысяч триллионов!). Их масса больше, чем у бактерии! Их даже частицами называть неловко, а тем более элементарными. Конечно, ни один ускоритель не в состоянии породить такое «микрочудовище». Не под силу это и даже самым высокоэнергетическим космическим частицам. Столь массивные объекты могли выкристаллизоваться лишь из энергии первичного поля в момент рождения Вселенной, когда ее температура и плотность были фантастически велики и энергии хватало для рождения самых тяжелых частиц.

Конечно, скажет читатель, легко апеллировать к таинственному Биг Бэнгу: ведь о том, что происходило в те далекие времена, можно фантазировать как угодно. Все равно все сгорело... Но это не так. Криминалисты утверждают, что ни одно событие нашей жизни не уходит в прошлое, не оставив после себя следов, по которым многое можно восстановить спустя недели, месяцы, а иногда и годы. Космологи сродни криминалистам: они утверждают то же самое. Теоретические картины младенчества Вселенной – это не беспочвенные фантазии, хотя в них немало и гипотетического. У американского физика Стива Вайнберга, одного из авторов электрослабой теории, есть книга «Первые три минуты» (недавно она вышла в русском переводе), где очень хорошо рассказывается, как современная наука представляет себе развитие Вселенной, начиная с сотой доли секунды после начала Большого взрыва. Да, об этих секундах и минутах известно уже довольно много. Известно из анализа интенсивности и спектра реликтового излучения (инфракрасного излучения, образовавшегося во времена, когда Вселенная была еще очень горячей, распространившегося по всему ее объему и сохранившегося до наших дней), из сопоставления относительной распространенности водорода, гелия и других легких химических элементов, синтез которых начался сразу же после того, как Вселенная несколько остыла, и зависел от господствовавших в то время условий, и из некоторых других астрофизических данных и математических расчетов. Но вот что было с Вселенной в самые первые мгновения ее жизни, в тысячные и миллионные доли секунды, Вайнберг ничего сказать не мог. Еще 10 лет назад (книга его вышла в США в 1977 г.) это было сплошное белое пятно. Человеческого воображения не хватало, чтобы представить себе то, что там могло происходить.

Заглянуть в эту самую интригующую область нашей истории, вплоть до фантастически малых величин порядка 10^-35 секунд, позволяет теперь теория «великого объединения». Это был мир первозданной плазмы, где еще не существовало элементарных частиц, а были только их составные части – первичные «кубики»-кварки и связывающее их поле сильного взаимодействия. Некоторые частички, находившиеся в этом огненном сиропе, возможно, несли магнитный заряд. Впрочем, какой это был заряд, сказать трудно. Температура была еще так велика, что в первые мгновения после своего рождения раскаленный мир оставался совершенно симметричным, любые его свойства проявлялись с равной вероятностью. Расщепление единого симметричного взаимодействия на электромагнитное, слабое, сильное – на те виды взаимодействий, которые действуют в современном мире,– произошло позднее, приблизительно через 10^-14 – 10^-13 секунд после начала расширения.

Расчеты показывают, что от тех давних «горячих денечков» нам в наследство должно было остаться довольно много тяжелых монополей. Сначала даже получалось, что монополей во Вселенной должно быть столько же, сколько протонов. Затем, при более детальном рассмотрении реакций в первичном огненном шаре, массу магнитного вещества пришлось уменьшить, но все равно она очень велика – на много порядков больше того, что следует из анализа экспериментальных данных.

По этим данным, кстати, выходит, что в пространстве рассеяно очень много невидимого нам вещества. Астрофизики называют его скрытой массой и утверждают, что эта масса не может превосходить массу светящегося, атомарного вещества более чем в 10 раз. Иначе масса Вселенной была бы больше критической и расширение пространства сменилось бы его сжатием. Если пренебречь вкладом в эту скрытую массу нейтронов, нейтрино и других нейтральных частиц, можно даже допустить, что невидимое вещество целиком состоит из монополей, а видимое, как давно известно,– из протонов. При этом масса всех монополей оказывается на порядок больше массы протона. Ну а если вспомнить, что по теории «великого объединения» каждый монополь весит столько, сколько 10¹⁶ протонов, то отсюда воспоследует, что в среднем во Вселенной на каждые 10¹⁵ протонов приходится не более одного монополя. Это несравненно меньше того, что предсказывает теория, но все же совсем немало. Чтобы ощутить эту величину, заметим, что в одном кубическом сантиметре вещества содержится приблизительно 10²⁴ протонов, и значит, там должно быть около миллиарда монополей. Огромное количество!

Правда, это в среднем, если бы монополи распределялись равномерно. А они могут собираться в сгустки, концентрироваться в центре тяжелых планет или звезд, удерживаемые их гравитационным полем. Кроме того, астрофизики дают нам верхнюю оценку, на самом деле монополей, по-видимому, значительно меньше. По крайней мере в миллион раз. В противном случае они оказали бы очень сильное возмущающее влияние на магнитное поле Галактики, и оно имело бы совсем не ту структуру, которая наблюдается сегодня.

С точки зрения теории «великого объединения» открытие сверхтяжелых монополей имело бы исключительно важное, принципиальное значение. Этим была бы окончательно подтверждена правильность самой идеи «великого объединения», и теоретики могли бы с большей уверенностью рассматривать процессы, непосредственно связанные с Большим взрывом.

В последние годы во всем мире снова было выполнено много экспериментов по поиску сверхтяжелых монополей. Пока все опыты закончились неудачей. Учитывая чувствительность приборов, можно сказать, что в течение года каждый квадратный метр земной поверхности пересекает не более одного-двух монополей. Если бы их было больше, аппаратура бы их зафиксировала. Астрофизические оценки предсказывают в миллион раз меньший поток – несколько монополей на один квадратный километр. Это, конечно, осложняет дело.

Обнаружить предсказанные теорией «великого объединения» монополи невероятно трудно. Ко всему прочему, по меркам ядерной физики, большинство из них – довольно медленные частицы. Только такие «ленивые» частицы и могло удержать магнитное поле нашей Галактики, более энергичные давно уже успели ее покинуть и затеряться в безбрежных межгалактических просторах. Медленные же частицы ионизуют вещество слабо, и чтобы их заметить, нужны гигантские детекторы – в сотни, в тысячи раз больше существующих.

Сегодня много говорят об установке ДЮМАНД – глубоководном детекторе ливней, порождаемых слабо взаимодействующими частицами космического излучения. Это сложная система фотоумножителей, которая фиксирует едва уловимые световые импульсы, сопровождающие прохождение ливня частиц в морской воде. Размеры ДЮМАНДа – около кубического километра. Подумать только – куб с ребром в один километр! Оттого и предложено разместить эту сверхгигантскую установку в толще океана. На суше это было бы просто невозможно. Но даже ДЮМАНДа недостаточно, чтобы уловить слабое свечение, вызываемое сверхтяжелыми монополями.

Так обстоит дело со сверхтяжелыми магнитными частицами. Умеренно тяжелые монополи, которые предсказывает теория электрослабого взаимодействия, обнаружить еще труднее. Если они и существуют в природе, их концентрация по сравнению со сверхтяжелыми должна быть значительно меньше, и вот почему. Многие нейтронные звезды обладают сильным магнитным полем. Такое поле должно притягивать и разгонять падающий на звезду монополь до энергии, в сотни миллионов раз превышающей ту, которую можно получить в самых мощных современных ускорителях. Этой энергии достаточно, чтобы породить в плотном нейтронном веществе звезды интенсивный каскад новых монополей, которые, притягиваясь ее магнитными полюсами, будут компенсировать, «гасить» ее магнитное поле. А для этого, оказывается, достаточно всего лишь одного начального монополя. Наличие же у нейтронных звезд магнитных полей (астрофизики их наблюдают) свидетельствует как раз о том, что умеренно тяжелые монополи, предсказываемые теорией Полякова – Т’Хуфта, исключительно редки, настолько редки, что, по мнению некоторых ученых, за все время существования Земли вероятность ее столкновения хотя бы с одним космическим монополем не превысила нескольких шансов на миллион.

Этот вывод, по-видимому, зачеркивает все варианты теории электрослабого взаимодействия, которые предсказывают образование монополей: в этой теории они получаются слишком легкими. Каскадный механизм «тушения» магнитного поля нейтронных звезд не вступает в действие только в том случае, если массы монополей так велики, что энергии падающей на звезду первичной частицы не хватает для их множественного образования. Поэтому-то физики и считают, что, если монополи и существуют в природе, они должны быть чрезвычайно тяжелыми, о чем и говорит теория «великого объединения». Вот только число их согласно расчетам оказывается на много порядков больше, чем это нужно для объяснения астрофизических данных. Иными словами, эксперимент и теория пока согласуются плохо.

Однако неустранимого противоречия здесь все же нет. Ведь наши сведения об условиях, при которых протекали процессы в первые мгновения жизни Вселенной, еще весьма приблизительны. Некоторые физики доказывают, что условия в то время были таковы, что монополи стремились объединиться в группы, а это резко убыстряло процесс их аннигиляции и тем самым уменьшало их число. Есть и более радикальная идея: Биг Бэнгу предшествовала еще одна стадия развития Вселенной, в ходе которой сверхтяжелые монополи рассеялись по необозримо огромной области быстро раздувавшегося пространства. Биг Бэнг – это «взрывное нагревание» образовавшегося и уже медленнее расширяющегося мира. На этой стадии, как следует из расчетов, могли рождаться только умеренно тяжелые частицы.

Какой бы логически стройной и изящной ни была теория, ее следствия непременно должны быть подтверждены наблюдением или экспериментом. Иначе она останется гипотезой. Идея монополей возникла более полувека назад. Это очень большой срок для научной гипотезы. Обычно за такой срок гипотеза либо отбрасывается, либо подтверждается. Монополь – редкое исключение, он по-прежнему загадка. И вместе с тем это ключ к целому клубку проблем, связывающих два полюса наших знаний – физику элементарных частиц и космологию. Поэтому, несмотря на все трудности с экспериментами, интерес физиков к этой удивительной частице не только не ослабевает, а, наоборот, усиливается, тем более что теоретики открывают у монополя все новые и неожиданные свойства.

Недавно, например, было установлено, что монополь может служить эффективным ускорителем радиоактивного распада протонов. Согласно теории «великого объединения» протон – хотя и распадающаяся, но долгоживущая частица. Как мы уже говорили, живет он немыслимо долго: 10³²—10³³ лет. Но вот если рядом находится монополь, то протон мгновенно распадается на позитрон и мезоны, один или несколько. И что интересно, после этого «убийства» опять остается монополь, готовый к уничтожению следующего протона, и так далее. Точь-в-точь хорошо известный всем химикам катализ! Монополи разрушают окружающее их вещество. Такой вывод недавно был сделан теоретиками Института ядерных исследований из подмосковного научного городка Троицка.

При взаимодействии протона с монополем образуется необычная по своим свойствам неустойчивая система, распадающаяся на компоненты, среди которых есть монополь (магнитный заряд сохраняется!), но уже нет протона. Это уникальная реакция, подобных мы не знаем. Путь монополя в веществе должен быть отмечен цепочкой «протонных катастроф». Это подсказывает физикам новые подходы к поиску магнитных частиц. Трясти дерево в ожидании банана никто не собирается.

Можно усмотреть и более важное следствие протон-монопольного катализа. При распаде протона каждый раз выделяется значительная энергия, поэтому, будь в нашем распоряжении килограмм монополей (сегодня это, конечно, звучит сверхфантастично), физикам удалось бы удовлетворить все энергетические потребности человечества. Энергию можно было бы извлекать из любого вещества. Достаточно прикоснуться к нему монополем. Вот был бы действительно неисчерпаемый, бесконечный источник энергии. Космическим кораблям, а может, даже и самолетам, не пришлось бы брать с собой горючего. Звездолеты питались бы собираемой при полете космической пылью, а самолеты – просто воздухом! И никаких радиоактивных отходов, так как мезоны почти мгновенно бы распадались, а образующиеся в реакциях позитроны тут же аннигилировали в стенках реактора. Возникающее гамма-излучение нетрудно задержать поглощающими экранами. Чистая и безопасная атомная энергия!

Монополи можно было бы хранить в «магнитных бутылках» – специальных ловушках, магнитное поле которых действительно имеет форму бутылки и предохраняет содержащиеся в ней частицы от соприкосновения со стенками.

Пока это – только мечта. Но если законы природы ей не противоречат, рано или поздно наука ее осуществит.

Правда, есть и пугающий аспект проблемы: что произойдет, если хотя бы один монополь ускользнет из «бутылки»? Неуправляемый распад планеты? Загнать монополи обратно в «бутылку» потруднее, чем джинна в кувшин. Впрочем, надо сначала их найти...

Вот куда заводит, казалось бы, чисто теоретический вопрос о симметрии электричества и магнетизма! В физике всегда так: даже самые абстрактные проблемы рано, или поздно находят практическое применение. И в каждом таком приложении есть как положительные, так и отрицательные стороны. Такова диалектика природы и научного знания, диалектика жизни.