ГЛАВА 5. Почему наш мир — это Мир?

К оглавлению
1 2 3 4 5 6 7 8 9 

«Что касается современной науки, то мы здесь пол­ностью должны отказаться от мысли, что, проникая все глубже в область малого, мы достигнем когда-нибудь последнего рубежа. Я уверен, что от этой идеи мы мо­жем отказаться без сожалений. Вселенная бесконечна во всех направлениях, не только в большом мире вокруг нас, но и в самом малом. Если мы примем за масштаб нашу человеческую шкалу и будем изучать Вселенную все далее и далее, мы, наконец, и в большом и в малом достигнем такой туманной дали, где нам откажут сна­чала наши чувства, а потом и наш разум».

Эти слова были сказаны известным немецким физи­ком Э. Вихертом в 1896 году. Сегодня, спустя почти 90 лет, мы можем с удовлетворением констатировать, что научились работать «и в большом и в малом» с такими понятиями, которые наши чувства уже не в состоянии воспринять. Мы не можем представить себе поведение

квантовых микрообъектов, точно так же трудно вообра­зить Вселенную, сжатую до размеров спичечного короб­ка. Но рассчитать ее поведение, предсказать те или иные процессы в мире элементарных частиц — пожалуйста! Успехи современной космологии и физики микромира вы­зывают благоговейное удивление перед мощью челове­ческого разума. И хотя явления, о которых мы будем говорить в этой главе, происходят при столь высоких энергиях, при таких фантастически малых временах с мо­мента рождения нашего мира, будем надеяться, что это еще не совсем «туманная даль» и предсказание Вихерта пока не сбывается.

В предыдущей главе мы говорили, что для того, что­бы полностью расправиться с Антимиром, а также луч­ше понять происхождение нашего мира, необходимо ра­зобраться в причинах возникновения в ранней Вселенной «лишних» барионов. Эта проблема долгое время была вызовом для теоретиков, которые стремились найти в рамках модели Большого Взрыва такой механизм или це­лую совокупность физических процессов, приводящих к образованию барионного избытка. Их исследования увенчались успехом. Была предложена красивая схема, которая позволяет, стартуя с произвольного начального состояния (то есть число частиц может быть равным числу античастиц, а может быть и нет), прийти именно к избытку барионов. Привлекательно в этом подходе то, что он наглядно показывает неразрывную связь между поведением элементарных частиц и судьбой всей Вселен­ной в целом.

Вообще говоря, законы, установленные при исследо­вании микромира, довольно широко используются астро­физиками — это вполне естественно. Но хотелось бы, что­бы такое сотрудничество было обоюдовыгодным: всегда интересно знать, нельзя ли получить какие-то полезные выводы для теории элементарных частиц, изучая, на­пример, процессы развития Вселенной. Оказывается, в ряде случаев мы действительно можем извлечь из астро­физических данных информацию о свойствах элементар­ных частиц и их взаимодействий. Хороший пример то­му — недавнее обнаружение антипротонов в составе кос­мических лучей. Мы подробно говорили об этом в третьей главе. Так вот на сегодняшний день из опытов на уско­рителях мы знаем, что время жизни антипротона по край­ней мере больше 1700 часов. Гораздо лучшую оценку

времени жизни антипротона предоставляют нам резуль­таты, полученные в полетах аэростатов. Так как кос­мические лучи генерируются преимущественно в нашей Галактике, то, прежде чем попасть в наши детекторы, ан­типротоны могут пройти довольно значительные расстоя­ния, сравнимые с размером Галактики. На это им потре­буется около 107 лет. Значит, можно считать, что время жизни антипротона должно превышать эту цифру. Ста­ло быть, астрофизикам удалось измерить время жизни антипротона в 500 миллионов раз лучше, чем их колле­гам на ускорителях.

Связь между микрофизикой и космологией проявля­ется и в том, что сам факт существования барионной асимметрии Вселенной, отсутствия в ней Антимира, мо­жет рассматриваться как экспериментальное подтверж­дение правильности основных предположений одной из самых интересных современных теорий элементарных частиц — теории великого объединения. Эта красивая модель описывает с единых позиций слабые, сильные и электромагнитные взаимодействия частиц. Однако харак­терная область энергий, при которых эффекты теории великого объединения начинают играть существенную роль, настолько далека от энергетического диапазона, достигнутого на наших многокилометровых ускорителях, что никто не берет на себя смелость сказать, когда же мы сможем изучить в полной мере предсказания моде­лей великого объединения, как говорят биологи, in vitro (в пробирке). Правда, уже сейчас отдельные положе­ния теории великого объединения подвергаются экспе­риментальной проверке. Мы будем говорить об этих трудоемких опытах чуть позже, а пока заметим, что един­ственной лабораторией, в которой были получены колос­сальные энергии великого объединения, является на се­годняшний день наша Вселенная. К сожалению, эта ла­боратория уже давно не работает по тематике физики сверхвысоких энергий. Но результаты ее деятельности— прямо перед нами. Мы видим Мир и не видим Антими­ра. Объяснить, как в процессе развития Вселенной мог­ла получиться такая ситуация, и есть основная задача этой главы. Но сначала несколько сведений из физики микромира.

АСИММЕТРИЯ МИКРОМИРА

Мы видели, что в макромире барионам отдается пред­почтение, а антибарионы выступают в роли Золушки. В физике элементарных частиц на первый взгляд такой дискриминации нет — у каждой частицы есть античасти­ца. Они появляются всегда парами, вместе же и исчеза­ют. Тем не менее полного равноправия между частицами и античастицами в микромире тоже не существует.

Симметричное здание современной физики стало сильно проседать на один угол, когда в 1956 году было обнаружено несохранение пространственной четности. То есть оказалось, что законы физики меняются при за­мене левого на правое. Такое преобразование происхо­дит при отражении в зеркале и называется Р-преобразо-вание, от английского слова parity — четность. До 1956 года существовала молчаливая уверенность в том, что все физические процессы как в нашем мире, так и в «За­зеркалье» (то есть будучи отраженными в зеркале) идут одинаково. Так как при зеркальном отражении левая перчатка превращается в правую, эту уверенность в сим­метрии относительно Р-преобразования иногда выража­ли в утверждении, что в микромире правое и левое неот­личимы. Однако обнаружилось, что существуют такие процессы, для которых это утверждение несправедливо. Можно вспомнить миниатюру из спектакля театра кукол Сергея Образцова про две фабрики, одна из которых вы­пускала только левые перчатки, а другая — только пра­вые. Так вот, в микромире одна из этих фабрик гораздо лучше справляется с плановым заданием, чем другая.

Одновременно с открытием несохранения простран­ственной четности было найдено, что законы физики не­инвариантны относительно преобразования С-четности, которое состоит в том, что все частицы заменяются на античастицы. Подчеркнем, что и С-четность, и Р-четность нарушается не во всех процессах, а только в реакциях, идущих за счет слабого взаимодействия. (Это взаимо­действие ответственно, например, за бета-распад ядер, о котором мы говорили в первой главе.) Поэтому дискри­минация между частицами и античастицами в микромире отнюдь не глобальна.

В 1957 году Л. Д. Ландау, а также американские тео­ретики Т. Ли и Ч. Янг предложили, что, может быть, существует симметрия законов физики относительно ком­


бинированного CP-преобразования. То есть если одно­временно поменять левое на правое и частицы на анти­частицы, то ничего не изменится. Однако в 1964 году Дж. Кронин и В. Фитч обнаружили процесс, в котором CP-четность не сохранялась. Мы уже говорили, что это был исключительно неожиданный результат. Правда, до сегодняшнего дня найдено нарушение CP-четности толь­ко в одном процессе — при распадах нейтральных К-ме-зонов. Однако важна сама принципиальная возмож­ность несохранения СР.

Итак, в микромире у нас есть много примеров нару­шения симметрий. Из числа тех преобразований, которые мы рассматривали выше, только единое СРГ-преобразо-вание не меняет законы физики. По отдельности же на­рушаются и С-четность, и Р-четность, и CP-четность, а стало быть, нет и симметрии относительно изменения на­


дем к выводу, что в целом весь наш объем будет содер­жать в точности одинаковые количества электронов и позитронов. Никакой генерации избытка частиц (или античастиц) за счет нарушения только зарядовой сим­метрии не происходит.

Тем не менее в микромире есть такие реакции, в ко­торых проявляется абсолютное неравноправие между частицами и античастицами. Происходят они за счет на­рушения CP-симметрии. Как мы говорили, это наруше­ние происходит при распадах нейтральных К-мезонов. Так вот, одна из разновидностей нейтральных К-мезо­нов — долгоживущий К°-мезон может распадаться по следующим каналам: с испусканием позитрона:

К°-»e+-fjt-+v0

и с испусканием электрона:

К£   е- + я+ + ve.

Строгое рассмотрение показывает, что если бы СР-четность сохранялась, то вероятности этих обоих распа­дов должны быть в точности одинаковыми. Однако экс­периментально обнаружено, что Kl-мєзоньі предпочитают

  

 

 

МММ

 

++ +

+ +

 

Нарушение С а

Нарушение CP б

Рис. 44. Схема воображаемых моментальных фотографий «ящиков» с л+- и я~~ езонами (а) и К^-мезонами (б). Для простоты мы не показываем на рисунке самих этих частиц, а только электроны (—) и пози­троны ( + ). Нарушение С-чет-ности в распадах я1-мезонов приводит к тому, что в разных областях «ящика» (а) будет разное число позитронов и элек­тронов, однако общее число е+ и е~~ одинаково. Нарушение же

CP-четности в распадах к£-ме-зонов (б) приводит к тому, что общее число е+ и е~ будет раз­лично. Позитронов будет воз­никать чуть больше

Подпись: ют распадаться с вылетом позитронов. Хотя эта их «склонность» не очень ярко выражена (позитронов по¬является всего лишь в 1,006 раза больше, чем электро¬нов), все равно твердо установлено, что такая асиммет¬рия налицо.
Следовательно, если заполнить некоторый «ящик» Кь-мезонами, то нарушение CP в их распадах приводит к тому, что на моментальной фотографии такого объема можно будет заметить больше позитронов, чем электро¬нов. На рис. 44 показаны воображаемые моментальные фотографии «ящиков» с я-мезонами и Кь-мезонами. В первом случае из-за нарушения только С-четности в распадах я-мезонов будет появляться одинаковое число е+ и е~, а во втором — нарушение CP приведет к тому, что число е+ и е~", возникающих в распадах Кь-мезонов, будет разным.
Надо подчеркнуть, что объяснить барионную асим¬метрию Вселенной с помощью данного распада К-мезо-нов нельзя. Хотя бы потому, что в этих распадах возни¬кает избыток лептонов одного сорта (позитроны и элек¬троны относятся именно к этому классу элементарных частиц, см. стр. 78), а не барионов. Более того, совмест¬но с позитронами в распаде KL испускаются и я~-мезо-ны. Цепочку их распада мы неоднократно рассматривав
правления времени — Г-четность тоже нарушается. Та­кая «кособокость» микромира нам на руку. Ведь основ­ная наша цель в этой главе — объяснить, как из симмет­ричного состояния с одинаковыми количествами частиц и античастиц во Вселенной тем не менее возник наш рез­ко асимметричный мир, практически полностью состоя­щий из барионов. Большое количество нарушенных сим-метрий в микромире вселяет уверенность, что, может быть, удастся выбрать из их числа такие нарушенные симметрии, которые помогут нам решить задачу барион-ной асимметрии Вселенной.

Первым претендентом на эту роль является, несом­ненно, нарушение зарядовой четности. С-преобразование меняет частицы на античастицы, и, если какой-ни­будь процесс несимметричен относительно С-нреобразо-вания, значит, имеется нужное нам неравноправие между частицами и античастицами. Но что фактически озна­чает это неопределенное слово «неравноправие»? Нам нужен ответ на конкретный вопрос: может ли одно толь­ко нарушение зарядовой симметрии обеспечить требуе­мый избыток частиц над античастицами или нет? Поэто­му рассмотрим подробнее, что происходит при наруше­нии зарядовой симметрии.

Мы знаем, что нейтрино — это частица с нулевой мас­сой покоя

 и спином xk. Экспериментально установле­но, что спин нейтрино всегда ориентирован в направле­нии, противоположном импульсу нейтрино, а спин анти­нейтрино всегда параллелен его импульсу (рис. 42). Но как раз это обстоятельство и противоречит зарядовой симметрии. В самом деле, если заменить нейтрино на антинейтрино, не меняя направления его спина (а имен­но так происходит при С-преобразовании), то мы получим необнаруженное в природе антинейтрино, у которого спин и импульс смотрят в противоположных направле­

ниях. Такое нарушение зарядовой симметрии для нейт­рино приводит к тому, что в случае распада я+-мезона (л+->[х+ + VjLt) направление спина р.+-мезона будет всег­да антипараллельно направлению его импульса (рис.43). В последующем распаде |х+-мезона (\х+ -» е+ + ve + vM) не сохраняется пространственная четность, и позитроны вылетают преимущественно в сторону, противоположную линии полета ц+-мезонов. Аналогичное рассмотрение распадов л~-мезонов показывает (см. рис. 43), что элект­роны будут, наоборот, вылетать в основном по направле­нию линии полета р.~"-мезона. Следовательно, если мы возьмем равную смесь из я+-и я~~-мезонов, то при их рас­падах электроны и позитроны будут вылетать в разные стороны. Общее число частиц и античастиц в этих реак­циях не меняется.

Таким образом, подводя итог, можно сказать, что нарушение С-четности не приводит к появлению абсолют­ной асимметрии между частицами и античастицами. Не­которая же относительная асимметрия может возникать. То есть на моментальной фотографии объема, в котором сосредоточены равные количества я+- и я~-мезонов, мо­жет обнаружиться, что в какой-то области этого объема находится больше электронов, а в другой — больше пози­тронов. Однако, усредняя результат по времени, мы при-

Рис. 42. С-преобразование пе­реводит нейтрино в антинейтри­но, не меняя ориентировки спи­на   нейтрино по направлению

импульса (р). Такого антиней­трино в природе не обнаруже­но. В этом и проявляется на­рушение С-четности для ней­трино. Если же в дополнении к С-преобразованию сделать еще и Р-преобразование, которое изменяет направление спина, тогда нейтрино перейдет в ан­тинейтрино, реально наблюда­ющееся в эксперименте

Р    не обна­ружено или выше (см. рис. 43) и видели, что она заканчивается возникновением электронов и нейтрино. То есть хотя не­посредственно в распаде Кь°-мезона возникает больше позитронов, чем электронов, последующие реакции сво­дят на нет эту асимметрию и в конце концов число пози­тронов и число электронов становятся одинаковыми.

Как бы то ни было, нарушение CP-четности позволя­ет нам надеяться, что в природе может осуществляться такая ситуация, когда в распадах некоторой гипотетиче­ской частицы X будет образовываться больше частиц, чем античастиц, появляющихся за счет таких же распа­дов Х-частицы. Читатель, который еще помнит обсужде­ние СРГ-теоремы из второй главы, может возразить: не вступает ли такое предположение в противоречие с СРТ-теоремой? Ведь она требует, чтобы время жизни части­цы и античастицы было одинаковым. Время жизни опре­деляется вероятностью распадов данной частицы. Чем больше вероятность частице распасться, тем, естествен­но, время ее жизни будет меньше. Следовательно, если вероятность распадов X на частицы больше, чем соот­ветствующая вероятность распадов X на античастицы;

то время жизни X и X должно быть различным!

Такое возражение бдительного читателя будет со­вершенно правильным. Нам надо сформулировать свои утверждения более четко. Предположим, что X может распадаться несколькими способами (для простоты рас­смотрим только два канала распада):

X -> b + что-то еще с вероятностью А19 Х-И + что-то еще с вероятностью Да.

Соответствующие каналы распада для античастицы X таковы:

X -> Ь+ что-то еще с вероятностью Bv X    1 -f что-то еще с вероятностью В2.

СРГ-теорема требует, чтобы полная вероятность рас­пада X была равна полной же вероятности для распада X. То есть Ai+A2=BX+B2.

Однако никто не запрещает нам, чтобы частичная или, выражаясь по-научному, парциальная вероятность распада А\ была бы неравна парциальной вероятности

соответствующего распада античастицы В\. Нарушение CP-четности позволяет нам сделать парциальные веро­ятности А\ и В\ разными, например А{ больше В{. Чтобы скомпенсировать это неравенство^ А2 должно быть мень­ше В2. Тогда время жизни X и X будет одинаковым и СРГ-теорема не нарушится. Если под частицей b подра­зумевать барионы, а под частицей / — лептоны, то нера­венство А\>В\ означает, что в процессах распада X бу­дет возникать больше барионов, чем антибарионов в рас­падах X. (Что делается в лептонных каналах, нам пока неважно.) Главная цель вроде бы достигнута — нару­шение CP привело к возникновению избытка барионов. Остается только найти эту желанную частицу X, и все.

Между тем_дело обстоит гораздо сложнее. Равная смесь из Х- и Х-частиц должна обладать нулевым бари-онным зарядом. Если после распадов этих частиц обра­зуется все-таки избыток барионов, это означает, что ба­рионный заряд такой системы будет уже отличен от ну­ля. Но во всех известных на сегодняшний день реакциях барионный заряд строго сохраняется: число барионов минус число антибарионов во всех системах остается в точности неизменным. Поэтому, если мы хотим объяс­нить возникновение барионной асимметрии Вселенной, нам будет недостаточно одного нарушения С- и СР-чет-ности. Неизбежно придется постулировать и несохране­ние барионного заряда. А это чрезвычайно сильное утверждение, которое, можно сказать, подрывает ста­бильность нашего мира. Разберем его подробнее.

НЕСОХРАНЕНИЕ БАРИОННОГО ЗАРЯДА

Мы уже говорили во второй главе, что если барионное число не сохраняется, то легчайший барион — протон, имеющий барионный заряд +1,— может распадаться на частицы, суммарный барионный заряд которых равен нулю. Например,

Однако экспериментально распад протона до сих пор не обнаружен. Выше уже говорилось, что если он проис­ходит, то вероятность его настолько мала, что протон может оставаться стабильным в течение по крайней ме-

ре 1030 лет. Это намного больше возраста Вселенной, тр. есть того времени, которое прошло с момента начала! расширения до сегодняшнего дня. Оно составляет (10-— —20). 1010 лет.

Промежуток времени в 1030 лет уже настолько велик, что трудно придумать какой-нибудь процесс, который бы имел такую длительность. Например, вы помните, на­верное, мифологического орла, который раз в сто лет прилетает на высокую гору точить свой клюв. Можно легко посчитать то время, которое понадобится орлу, чтобы таким образом сточить до основания гору разме­ром с Эльбрус. Оказывается, оно приблизительно в 100 миллионов раз меньше, чем время жизни протона.

Невольно закрадывается подозрение: как же физики сумели измерить такой фантастически большой времен­ной интервал? Конечно, соответствующие опыты были достаточно сложны и трудоемки, но мне хотелось бы по­казать читателю, что в принципе можно получить доста­точно сильные ограничения на время жизни протона, во­обще не пользуясь никакой аппаратурой и в буквальном смысле не сходя с места.

В теле человека содержится около 1029 протонов. Рас­пад протона сопровождается большим энерговыделени­ем, и если посчитать, какую дозу облучения получало бы наше тело за счет возможного распада содержащихся в нем протонов, то результат будет такой:

доза, которую получает тело ^ 6* *°18 оап/гол

при распаде протона            т д

где т—время жизни протона. Напомним, что рад — это единица измерения ионизующих излучений, которая со­ответствует энерговыделению в 1 грамме 6-Ю7 МэВ энер­гии. Естественная доза облучения, которую получает наше тело из-за действия космических лучей и естествен­ной радиоактивности, составляет 0,12 рад в год. Счита­ется, что для организма не опасно получать в год около 5 рад. Если доза облучения за счет распада протона превысит в 100 раз допустимую дозу, это приведет к серь­езным последствиям. Но мы-то с вами чувствуем себя сравнительно хорошо, значит, доза от распада протона по крайней мере не превышает 500 рад в год. Отсюда, пользуясь соотношением, которое приведено выше, мож­но посчитать время жизни протона. Получается, что оно должно быть больше 1016 лет. Это число не так велико,

как экспериментальное значение, но все же оно превы­шает возраст Вселенной! Вот так, оказывается, наше здоровье прямиком связано с фундаментальными свой­ствами элементарных частиц.

Итак, на сегодня у нас нет никаких эксперименталь­ных доказательств несохранения барионного заряда. Время жизни протона измерено с такой колоссальной точностью, что, казалось, у нас нет никаких оснований подозревать нарушение закона сохранения барионного числа. Однако сейчас проводится больше десятка опытов по поиску распада протона. Каждый такой эксперимент стоит несколько миллионов долларов, и уже сам размер этой суммы денег свидетельствует о том, что физики от­нюдь не уверены в стабильности протона, а следователь­но, и в выполнении закона сохранения барионного числа.

Надо сказать, этот закон всегда стоял как-то особня­ком среди других законов сохранения. Дело в том, что для каждой сохраняющейся величины, будь то электри­ческий заряд, энергия или импульс, существует опреде­ленный тип симметрии. То есть если законы физики сим­метричны относительно некоторого преобразования, то обязательно существует определенная величина, связан­ная с этим преобразованием, которая сохраняется. На­пример, можно показать, что сохранению полной энергии системы соответствует симметрия относительно сдвига во времени. Законы физики не меняются для различ­ных моментов времени. Это, в общем-то, понятно: резуль­тат опыта не должен зависеть от того, провели ли мы этот опыт сегодня, вчера или послезавтра. Так же оче­видно, что эксперимент в Москве и в Токио должен, во­обще говоря, давать одинаковые результаты. Это озна­чает наличие симметрии относительно сдвигов в прост­ранстве. Такой симметрии соответствует сохранение импульса системы. А вот барионный заряд вроде бы со­храняется, но никакой симметрии, соответствующей та­кому сохранению, мы не находим.

Еще больше подозрения о несохранении барионного числа усилились после возникновения теорий великого объединения. Мы будем говорить о них чуть позже, а сейчас просто предположим, что барионное число может меняться, и посмотрим, какие следствия будут вытекать из этого для нашей задачи.

На первый взгляд кажется, что уже одного такого предположения вполне достаточно, чтобы объяснить ба­

рионную асимметрию Вселенной. Пусть, например, у нас антипротоны распадаются быстрее, чем протоны. Тогда требуемый избыток барионов получается немедленно. Эта возможность всерьез обсуждалась в литературе. Од­нако, как мы уже говорили, такое предположение про­тиворечит СРГ-теореме, из которой следует, что время жизни частицы и античастицы должно быть одинаково. Отступать от СРГ-инвариантности, даже ценой объясне­ния барионной асимметрии, никому не хочется. Слишком уж многие твердо установленные взгляды окажутся тогда под угрозой.

Можно показать строго, что если у вас есть одинако­вая смесь из частиц и античастиц, то за счет одного толь­ко нарушения закона сохранения барионного заряда невозможно получить никакой барионной асимметрии. В самом деле, распады частиц с нарушением барионного числа будут генерировать положительный барионный за­ряд, но точно такие же распады античастиц приведут к образованию избытка отрицательного барионного заря­да (ведь, как мы помним, антибарионам приписывается отрицательный барионный заряд). Величины же избытка барионов и антибарионов будут в точности одинаковы­ми, но только при одном условии. Если не нарушаются симметрии относительно С- и CP-преобразований. Как мы обсуждали ранее, если С и CP нарушаются, тогда есть возможность, что определенные распады с испуска­нием частиц могут происходить с большей вероятностью, чем аналогичные распады с вылетом античастиц.

Таким образом, рецепт создания барионной асиммет­рии у нас почти готов. Уже выяснено, что в него должны входить две компоненты: нарушение С- и СР-симметрий и несохранение барионного числа.

Остается только подыскать подходящую частицу X, в распадах которой выполнялись бы оба этих условия, и посмотреть, как будет вести себя смесь из Х- и Х-частиц во Вселенной.

ТЕОРИИ ВЕЛИКОГО ОБЪЕДИНЕНИЯ

И ИХ   ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА

Теории великого объединения будут интересовать нас по двум причинам. Во-первых, они предсказывают не­сохранение барионного заряда и, во-вторых, предоставля­ют кандидата на роль необходимой нам частицы X.

До недавнего времени полагали, что существуют че­тыре основных типа взаимодействия: гравитационное, слабое, электромагнитное и сильное. В повседневной жиз­ни мы хорошо знакомы с проявлениями гравитации и электромагнитного взаимодействия. Сильное взаимодей­ствие тоже весьма существенно для нас, ведь именно за счет него протоны и нейтроны связываются друг с дру­гом в атомных ядрах. Слабое взаимодействие ответствен­но за такие процессы, как бета-распад ядер. И хотя это в некотором роде экзотический процесс, наша жизнь без слабого взаимодействия выглядела бы совершенно по-другому, так как реакции слабого взаимодействия очень важны для энергетики звезд.

В табл. 5 показаны основные характеристики каждого взаимодействия: радиус действия, масса кванта, который переносит взаимодействие, и величина так называемой константы связи, которой принято характеризовать силу взаимодействия. Видно, что все эти величины сильно от­личаются друг от друга.

Тем дерзновеннее кажутся попытки физиков создать единую теорию для всех взаимодействий, то есть с одной точки зрения описать множество, казалось бы, совершен­но различных явлений. Создание такой теории было в течение многих лет заветной целью А. Эйнштейна. По целому ряду причин ему не удалось это сделать, в пер­

вую очередь из-за отсутствия полной экспериментальной информации о разных взаимодействиях. Но сама идея единой теории выглядела очень привлекательно, и попыт­ки создать общую теорию, хотя бы не всех, а только некоторых взаимодействий, продолжались. Основная трудность состояла в том, чтобы из большого числа раз­личных принципов, по которым можно было бы объеди­нять взаимодействия, выбрать один, наиболее сущест­венный.

До недавнего времени лишь только электромагнитное взаимодействие описывалось «настоящей» квантовой тео­рией— логически замкнутой, не содержащей произволь­ных предположений и математически обоснованной. Сла­бое и сильное взаимодействия рассматривались в рамках некоторых полуфеноменологических моделей, то есть «полувзятых с потолка», чтобы удовлетворительно опи­сать экспериментальные данные. Примерные контуры еди­ной теории начали вырисовываться с середины 50-х годов, когда была сделана попытка построить теорию сильных взаимодействий по образу и подобию теории электромаг­нетизма. Хотя эта первая попытка окончилась неудачей, но стало ясно, что будущая теория должна удовлетворять таким же принципам симметрии, каким удовлетворяет теория электромагнетизма.

В середине 60-х годов усилиями Ш. Глэшоу, А. Са-лама и С. Вайнберга была построена первая единая теория для процессов в микромире, которая объединила слабое и электромагнитное взаимодействия. Было показано, что при достаточно больших энергиях (порядка нескольких сот ГэВ) силы электромагнитного и слабого взаи­модействия становятся сравнимыми по величине, кван­ты — переносчики слабого и электромагнитного полей — можно объединить в одно семейство, и слабые и электро­магнитные процессы будут описываться одними и теми же уравнениями. При переходе к более низким энергиям эта симметрия нарушается. Если раньше кванты слабого взаимодействия подобно фотонам имели нулевую массу покоя, то теперь они приобретают довольно значительную массу покоя ~ 80 ГэВ, а это приводит к целому ряду следствий. Во-первых, уменьшается радиус слабого взаи­модействия (рис. 45); во-вторых, при энергиях, малых по сравнению с массой кванта — переносчика взаимодей­ствия, константа слабого взаимодействия становится то­же малой, то есть «сила» взаимодействия уменьшается,

Разработка теории электрослабого взаимодействия представляла собой одно из крупнейших достижений в физике элементарных частиц, естественно, стали появ­ляться попытки распространить основные ее идеи и даль­ше для создания единой теории сильных, слабых и элект­ромагнитных взаимодействий. Надо сказать, что теория сильных взаимодействий долгое время оставалась в наи­более плохом положении. Из-за большой величины кон­станты связи сильного взаимодействия его эффекты хуже всего поддавались точному расчету. Однако в последнее время

Подпись:

Рис. 45. До создания теории электрослабого взаимодействия долгое время предполагали, что слабые взаимодействия имеют нулевой радиус действия. То есть в процессах типа бета-рас­пада не происходит какого-ли­бо обмена квантами слабого поля (б). Если бы такой обмен происходил, то за характерное время взаимодействия т части­цы могли обменяться квантом, переносящим энергию Е: ней­трон должен перейти в протон, испустив квант W, масса ко­торого намного больше, чем масса нейтрона и протона. За­тем через время т, пройдя рас­стояние R, W~" распадается на ve и е~" (а). Ясно, что при рож­дении W~~ должен нарушаться закон сохранения энергии. Принцип неопределенности раз­решает нарушение закона со­хранения энергии только на вре­мя тгде h — постоянная Планка. За это время квант может пройти расстояние R~cKhclE, где с — скорость света. По порядку величины это означает, что радиус взаимо­действия R^hc/m, где т — мас­са кванта-переносчика взаимо­действия. W~~-бозон — квант слабого взаимодействия очень массивен: т^— ^80 ГэВ, поэтому радиус этого взаимодействия мал: < 10^15 см

время был достигнут значительный прогресс и в описании сильных взаимодействий. Он связан в первую очередь с осознанием того факта, что протоны, нейтроны и прочие барионы (а также мезоны) не являются истинно элемен­тарными системами, а представляют собой довольно сложные образования из «более элементарных» частиц — кварков.

Кварки обладают целым рядом экзотических свойств. Они имеют дробный электрический заряд, дробный бари­онный заряд, и, кроме того, у них есть еще три особых типа «цветовых» зарядов: «красный», «зеленый» и «си­ний». Чтобы понять, почему физики выбрали такие на­звания (а заодно и немного отвлечься), напомним чита­телям строчки из стихотворения для детей польского по-» эта Людвика-Ежи Керна:

Быть может, и вы размышляли

об этом — Не лучше ли снег, Обладающий цветом?

Или лиловый,

Или бордовый,

Или зеленый,

Или же

Беж.

Кончается стихотворение такой строфой:

Не худо бы сбыться мечте этой смелой..,

Но с неба по-прежнему падает белый,

Белый, белейший,

Нежный, нежнейший,

Снежный, снежнейший

Снег.

Так вот, хотя каждый кварк имеет цветовой заряд, цветных протонов или я°-мезонов в природе нет, как нет бордового или лилового снега. «Цвета» кварков должны комбинироваться таким образом, чтобы частица, состоя­щая из них, подобно «нежнейшему и снежнейшему» сне­гу, была «белой», бесцветной. Обычный белый цвет мож­но получить при смешении красного, зеленого и синего цветов. Именно поэтому цветовым зарядам кварков бы­ли присвоены такие наименования.

Введение цветных кварков позволяет не только удоб­ным образом сформулировать правила, согласно кото­рым надо из кварков составлять бесцветные частицы, но и объясняет ряд экспериментальных фактов.

Согласно современным представлениям связь кварков в адроне осуществляется за счет обменов глюонами (от английского слова glue — клей)—безмассовыми части­цами, которые в известном смысле подобны фотонам, переносчикам электромагнитного взаимодействия. Одна­ко фотоны сами не имеют электрического заряда, а глю-оны, напротив, имеют определенный цветовой заряд. По­тому в отличие от фотонов глюоны могут взаимодейство­вать друг с другом. Это обстоятельство приводит к тому, что теория цветных кварков — квантовая хромодинами-ка строится по образцу квантовой электродинамики, воз­можность глюон-глюонных взаимодействий существенно усложняет количественный анализ экспериментальных данных. Тем не менее квантовая хромодинамика пред­сказывает некоторые интересные качественные эффекты. Во всех обычных взаимодействиях, например гравита­ционном или электромагнитном, по мере уменьшения рас­стояния между частицами силы возрастают. У кварков же происходит обратное: с уменьшением расстояния меж­ду ними цветовое взаимодействие ослабевает. Наступает так называемая асимптотическая свобода: на очень ма­леньких расстояниях кварки ведут себя подобно свобод­ным частицам. Но для того, чтобы локализовать частицы в малых объемах, надо затратить большие энергии. Яв­ление «асимптотической свободы» наводит на мысль, что при больших энергиях взаимодействие между кварками должно уменьшаться, стало быть, константа сильных взаимодействий должна падать с ростом энергии.

Точные расчеты показывают, что такое уменьшение величины константы сильного взаимодействия действи­тельно происходит, однако с ростом энергии она падает очень медленно. Лишь при фантастически большой энер­гии, порядка 1014—1015 ГэВ, константа сильного взаимо­действия сравнивается по величине с константой электро­слабого взаимодействия. Это означает, что при столь громадных энергиях процессы сильного, слабого и элект­ромагнитного взаимодействий идут с одинаковой веро­ятностью и можно попытаться описать их в рамках еди­ной теории.

Таблица 6

Основные свойства кварков и глюонов

По современным представлениям существуют 6 кварков и 8 глюонов

Тип кварка и его электрический заряд (Q):

и       d        s        с        Ь t 2/3  —1/3  —1/3     2/3     2/3 —1/3

Барионный заряд кварка £=1/3

Каждый кварк имеет соответствующий антикварк

Каждый кварк имеет три цветовых заряда

Взаимодействие между кварками осуществляют глюоны

Глюоны несут цветовой заряд и могут взаимодействовать друг с Другом

Каждый барион строится из трех кварков, каждый мезон—из двух Примеры:

я+'мезон (В = 0, Q= I):          и + d

В =1/3 —1/3 Q = 2/3 1/3

Протон (Д=1, Q=l)\    и +  и  + d

В - 1/3 1/3 1/3 Q = 2/3    2/3 —1/3

Первые модели такого великого объединения были созданы американскими теоретиками Г. Джорджи и Ш. Глэшоу. Так как по своему смыслу подобные модели должны одновременно описывать сильные и слабые взаи­модействия, то в них кварки, основные действующие лица сильных взаимодействий, и лептоны, участвующие глав­ным образом в слабых взаимодействиях, объединяются в одно семейство. Причем вводится новое взаимодействие, которое переводит члены этого семейства друг в друга. Но кварки имеют барионный заряд, а лептоны — нет. Следовательно, это новое лептокварковое взаимодействие должно нарушать закон сохранения барионного числа. Квант — переносчик такого взаимодействия — должен об­ладать исключительно большой массой, порядка энер­гии, при которой происходит великое объединение, то есть около 1014—1015 ГэВ. Такие частицы, называемые лептокварками, невозможно получить ни на современных ускорителях, ни в космических лучах. Их масса уже нас­только велика, что сравнима с массой простейших бак­терий!

Столь большая масса кванта — переносчика лепто-кваркового взаимодействия объясняет, почему протон «живет» так долго. Дело в том, что такие взаимодействия должны при наших малых энергиях иметь очень малую вероятность. Лишь при энергиях, сравнимых с массой кванта лептокваркового взаимодействия, процессы с на­рушением барионного заряда становятся преобладающи­ми. Теории великого объединения дают для времени жиз­ни протона такое значение:  тр = 1031±1 лет.

Сейчас это предсказание подвергается усиленной проверке во многих лабораториях мира. Существует уже

Подпись: крайней мере 13 проектов экспериментов по поиску рас¬пада протона. Идея этих опытов довольно проста: чтобы зарегистрировать распад протона, отнюдь не надо ждать 1031 лет, этот распад может произойти в любое мгнове¬ние, но только с очень малой вероятностью. Однако если взять достаточно большое количество вещества, то эта вероятность повысится. Например, в 1000 тонн воды со¬держится 6-Ю32 нуклонов, стало быть, при времени жиз¬ни тр = 1032 лет в этом объеме воды за год произойдет 6 протонных распадов. Если тр = 1031 лет, то таких распа¬дов будет 60 и т. д.
Главная трудность при регистрации подобных редких процессов заключается в том, чтобы надежно избавиться от фона космических лучей, которые тоже будут взаимо¬действовать с веществом детектора и давать ложные со¬бытия. Поэтому все эти тысячи тонн вещества размещают глубоко под землей. Чтобы читатель получил определен¬ное представление о том, какие громадные усилия затра¬чиваются сейчас на поиск распада протона, приведем два примера уже действующих установок.
В июне 1982 года начала работать огромная установ¬ка, расположенная в бывшей соляной шахте около города Кливленда (США). Там на глубине 600 метров была

вырыта полость размерами 18 на 24 и высотой 21 метр. В эту полость было залито 8 тысяч тонн воды и размеще­но 2400 детекторов излучения. При распаде протона в конечном счете возникают высокоэнергетичные электро­ны и позитроны, которые при распространении в воде испускают черенковское излучение. Свет от этого излуче­ния образует характерный конус (рис. 47), который до­стигает поверхности воды и детектируется счетчиками.

Летом 1982 года заработала и установка итальянских физиков, расположенная в автомобильном туннеле под горой Монблан. Она представляет собой 134 железные пластины, каждая весом в 1 тонну, пронизанные крест-накрест 43 тысячами специальных трубок, наполненных газом и предназначенных для регистрации продуктов распада протона.

Аналогичные эксперименты ведутся сейчас в СССР, Японии, Индии, Франции. Уже обнаружены первые шесть событий — кандидатов на распад протона. Их нашла японо-индийская группа, работающая на установке, рас­положенной в заброшенной шахте на юге Индии, где раньше добывали золото (см. рис. 48). Однако пока есть сомнения в интерпретации этих случаев, и считается, что на сегодняшний день (осень 1983 года) распад протона не обнаружен. Экспериментальное ограничение на время его жизни таково: тр>6-1031 лет. Тем не менее уже к вы

Подпись:
Рис. 47. Схема эксперимента в Кливленде

ходу этой книги должны появиться новые данные о вре­мени жизни протона. Он либо будет найден, либо экс­периментаторы получат еще более строгие ограничения на его время жизни.

Подведем итог. Мы видели, что современные теории не запрещают существование процессов, идущих с нару­шением барионного заряда. Правда, экспериментально такие реакции еще не обнаружены, но в ближайшем бу­дущем ситуация должна проясниться. Из теории также следует, что наиболее интенсивно подобные процессы должны происходить при сверхвысоких энергиях, поряд­ка 1014—1015 ГэВ. В качестве нужной нам Х-частицы, рас­пады которой будут генерировать барионную асиммет­рию, можно выбрать лептокварки, переносящие взаимо­действие между кварками и лептонами.

Теперь у нас почти все готово, чтобы дать ответ на ос­новной вопрос этой главы: «Почему наш мир — это Мир?»

КАК СОЗДАТЬ МИР

В четвертой главе, когда мы обсуждали процессы в горячей Вселенной, у нас хватило смелости рассуждать лишь о временах порядка 10""6секунды от начала расши­рения, что соответствовало температуре Вселенной в нес­колько гигаэлектронвольт. Теперь мы же перейдем к рас­смотрению реакций, происходивших во времена 10"35 се­кунды от момента Большого Взрыва, когда температура Вселенной достигала фантастических значений: 10'4— 1015 ГэВ.

На рис. 49 показано, как ведут себя константы раз­личных взаимодействий по мере возрастания температу­ры Вселенной. На горизонтальной шкале наверху гра­фика отложены моменты времени, в которые достигалась соответствующая температура Вселенной, указанная на нижней горизонтальной оси. Видно, что при низких тем­пературах сильное взаимодействие примерно в 100 раз превосходит электромагнитное, а константа слабого взаи­модействия приблизительно в Ю-12 раз меньше электро­магнитной.

Начнем теперь двигаться в область высоких темпера­тур. С ростом энергии константа слабого взаимодействия растет и при Т~ 1015 К сравнивается по величине с конс­тантой электромагнитных сил. Это происходит в районе энергий порядка сотен гигаэлектронвольт, когда с начала расширения Вселенной прошло Ю-7—10~8 секунды. На­ступает первое, «малое» объединение — процессы слабо­го и электромагнитного взаимодействия идут с одинако­вой вероятностью.

Последуем дальше. Когда температура Вселенной превысит 1021 К, на нашем графике появляется новая ли­ния, соответствующая лептокварковому взаимодействию. Процессы с нарушением барионного числа начинают иг­рать все большую и большую роль, пока, наконец, в районе температур 1027—1028 К величины констант всех взаимодействий, кроме гравитационного, не станут оди­наковыми. Это царство теории великого объединения. Именно в этот момент, который отделен от начала рас­ширения промежутком в Ю-35—Ю-36 секунды, и будут происходить основные события нашего рассказа.

Во Вселенной тогда присутствовали только фотоны, лептоны, кварки, глюоны, W-бозоны, лептокварки и еще некоторые сверхтяжелые частицы, предсказываемые тео­риями великого объединения. Все они находились в со­стоянии теплового равновесия. Наблюдаемая сегодня часть Вселенной — Метагалактика — была сжата до раз­меров    3,66 сантиметра!

Предположим теперь, что вначале у нас имелась рав­ная смесь из лептокварков и их античастиц. (В действи­тельности, как мы покажем чуть позже, в этом предполо­жении нет нужды. Х-частиц могло быть и меньше, чем Х-частиц.) Напишем возможные каналы распада Х-час-тицы. Аналогичные схемы распадов мы уже несколько раз приводили. Но то были всего лишь некоторые при­меры, далекие от действительности. Сейчас же мы рассмотрим более или менее реальный случай.

Напомним, что барионный заряд кварка 7з, для леп-токварка В = 0. Электрический же заряд у одних квар­

ков может быть 2/з, а у других 7з. Электрический заряд лептокварка 4/3.

Возможны такие каналы распада лептокварка:

Если С- и CP-инвариантности нарушаются, то, как мы неоднократно обсуждали, вероятности А и С могут быть разными. Тогда можно легко посчитать, что избы­ток барионного числа, который образуется при распаде пары X—Х-частиц, будет равен А—С. Если А>С, это означает, что в таких процессах будет появляться боль­ше кварков, чем антикварков.

Казалось бы, все прекрасно. Однако мы забыли, что распады лептокварков происходят в горячей Вселенной, где вещество находится в состоянии теплового равнове­сия. А это значит, что у нас будут идти не только те реак­ции, которые перечислены выше, но и обратные им: ?+^Х; ?+/-^Х и т. д.

Кроме того, возможны такие переходы: q + l-+q + l.

Именно эти, последние, процессы приводят к тому, что избыток барионного заряда, образующийся при рас­падах Х-частиц, будет эффективно ликвидироваться. Ведь чем больше будет образовываться кварков, тем охотнее они будут при столкновении с лептонами перехо­

дить в антикварки. Можно строго показать, что в равно­весной первичной плазме никакой генерации барионов не происходит! Даже если С- и CP-четность нарушается и возможны процессы с несохранением барионного заряда.

Единственное спасение — нарушить равновесную ситу­ацию, подавить реакции, восстанавливающие барионную симметрию. И это действительно происходит только в рас­ширяющейся Вселенной. Ведь со временем ее темпера­тура падает. Когда она становится порядка массы леп­токварка, Х-частицы выходят из равновесия с излучени­ем и начинают преимущественно распадаться, создавая избыток барионов. Скорость ликвидации этого избытка по мере падения температуры быстро снижается, и кон­центрация «лишних» кварков как бы замораживается. Уже при временах /> К)-*8 секунды в первичной плазме не остается Х-частиц, и процесс бариосинтеза заканчи­вается. Избыток же кварков выживает до низких темпе­ратур, затем из кварков образуются нуклоны и антинук­лоны, причем нуклонов оказывается чуть больше. После интенсивной аннигиляции нуклон-антинуклонных пар, ко­торая заканчивается ко времени t~ 10~*секунды, оста­ются лишь избыточные нуклоны, образующие затем весь окружающий нас мир.

Интересно, что в сценарии появления избытка барио­нов, который мы только что набросали, не имеет ника­кого значения, было ли в самом начале во Вселенной одинаковое количество вещества и антивещества^ или нет. Мы исходили из того, что вначале Х-частиц и Х-час­тиц было поровну. Но даже если бы во Вселенной снача­ла было больше антибарионов, чем барионов, то наш механизм сначала компенсирует этот избыток, а затем уже начнет генерировать положительный барионный за­ряд.

Таким образом, рецепт, как получить Мир, состоит в следующем:

а)         возьмем очень горячую Вселенную,

б)         нарушим С- и СР-инвариантности,

в)         нарушим закон сохранения барионного заряда,

г)         нарушим тепловое равновесие.

Параметры распадов Х-частиц можно подобрать так, чтобы в конце концов получилось наблюдаемое отноше­ние числа барионов к числу фотонов:

число барионов              \Q—s       Ю""9

число фотонов

Что касается антибарионов, то про них в таком под­ходе можно забыть! Ведь как мы говорили в четвертой главе, при наличии избытка барионов числе реликтовых антибарионов, выживающих после аннигиляции, пренеб­режимо мало:

число антибарионов ц)—87

число фотонов в

КАК СОЗДАТЬ АНТИМИР

Не удивляйтесь, дорогой читатель, было бы наивно думать, что теоретики так легко откажутся от идеи Ан­тимира и не найдут лазейку, через которую можно про­тащить его существование. На этот раз они просто взяли сценарий «Как создать Мир», который мы только что об­судили, и, лишь немного видоизменив его, показали, что в рамках той же самой схемы можно с таким же успехом создавать и Антимир!

Действительно, ключевым предположением, которое позволяет генерировать в распадах Х-частиц именно ба­рионный избыток, является то, что CP-симметрия должна нарушаться только вполне определенным образом: веро­ятность распада X-+qq, которую мы обозначали через А, должна быть обязательно больше, чем вероятность С распада X-+qq. Ведь избыток барионного заряда, кото­рый получается при распаде одной пары X—X, равен А—С. Если А > С, то у нас будет образовываться больше кварков, если, наоборот, OA, то преимущественно будут возникать антикварки.

Как на самом деле происходит распад лептокварков, по вполне понятным причинам никто не изучал. Поэтому неизвестно, каково должно быть соотношение между ве­роятностями разных распадов. Более того, причины на­рушения CP-инвариантности не очень хорошо поняты, и из теоретических соображений трудно определить, в какую «сторону» должно происходить нарушение СР.

Ясно одно: если бы в результате распадов лептоквар­ков накапливался избыток антибарионов, то буквальное повторение сценария «Как создать Мир» привело бы к тому, что уже сегодня в нашем мире практически не осталось бы никаких барионов и все вещество во Вселен­ной было бы построено только из антибарионов. Несом­ненно,   такая  крайность  не  устраивает сторонников

Антимира, тела которых состоят все-таки из барионов. Они начинают утверждать следующее.

Откуда известно, что абсолютно все процессы должны протекать во Вселенной одинаковым образом? Ведь за какое-то время t свет может пройти лишь вполне опре­деленное расстояние R. Так как никакое взаимодействие не может передаваться быстрее скорости света, то те области Вселенной, которые расположены «за горизон­том» R, никак не взаимодействовали с нашим миром. В эпоху бариосинтеза, то есть во времена t~l0-*5секун­ды, размеры «горизонта» были исключительно малы и в Метагалактике существовало много причинно-несвязан­ных областей, которые совершенно не взаимодействовали друг с другом.

Предположим далее, что вначале физические законы во Вселенной были инвариантны относительно СР-преоб-разования. Однако затем произошло нарушение CP, при­чем в разных причинно-несвязанных областях оно проис­ходило по-разному. Если говорить в терминах распадов лептокварков, то в одной части Вселенной вероятность А могла стать больше С, а в другой — С больше Л. В ре­зультате в одной области Вселенной образовался избы­ток барионов, а в другой — антибарионов. По мере рас­ширения Вселенной эти области увеличивались, вступали в контакт друг с другом, начиналась аннигиляция, соз­давалась пленка Лейденфроста. И вообще: смотрите в третьей главе рис. 33, там изображена кривая расчета гамма-фона, которая прекрасно соответствует экспери­ментальным данным!

Как можно прокомментировать такой монолог адеп­тов Антимира? Основной момент в их аргументации — это то, что нарушение CP может происходить по-разному в причинно-несвязанных областях Вселенной. Такая си­туация возможна. Важно, однако, подчеркнуть, что слово «по-разному» имеет оттенок некоторого произвола. Не­вольно складывается впечатление, что в областях, разде­ленных световым горизонтом, может вообще происходить все, что угодно. Почему бы тогда и антибарионам не появляться?

На самом деле доводы сторонников Антимира гораз­до тоньше. Утверждая, что нарушение CP идет по-раз­ному в невзаимодействующих друг с другом частях Все­ленной, они понимают под этим так называемое спонтан­ное нарушение СР-симметрии.

Рис. 50. Шарик в бутылке с вы­пуклым дном

Идея спонтанного нарушения симметрии необычайно красива и широко используется в современных теориях элементарных частиц. Мы поясним ее на примере, став­шем уже классическим.

Рассмотрим бросание шарика в бутылку с выпуклым дном (рис. 50). Даже если вы бросаете шарик строго по оси симметрии и дно бутылки тоже идеально симметрич­но относительно этой оси, все равно шарик скатывается куда-нибудь в уголок. То есть хотя уравнения движения шарика и начальные условия симметричны, тем не менее конечное состояние такой симметрией не обладает. При­чина, по которой шарик все время попадает к стенкам бутылки, а не остается в центре, совершенно очевидна. Если положить шарик на дно бутылки, в самый центр, то его потенциальная энергия в этой точке будет наиболь­шей, а устойчивость — наименьшей. Малейший толчок — и шарик охотно займет наиболее устойчивое положение с минимальной потенциальной энергией у стенок бутылки. Тем самым имевшаяся до этого симметрия спонтанно нарушается. Важно, что хотя каждое конечное состояние шарика, естественно, несимметрично относительно оси бутылки, тем не менее совокупность всех возможных состояний шарика такой симметрией обладает.

Мы подробно говорим о столь простых вещах только потому, что пример с шариком помогает понять, как фи­зики решили нетривиальную проблему описания процес­сов, в которых нарушается симметрия. В таких случаях всегда возникает вопрос: что делать? Видоизменять ли

сами уравнения движения, добавляя в них члены, нарушающие симметрию, или, может быть, лучше предпо­ложить, что сама арена, на которой развертываются все физические явления,— вакуум, является несколько «ко­собокой»? И тот и другой пути не кажутся особенно привлекательными. Мы уже говорили, как много симмет­рии нарушается в микромире, и если описывать их нару­шение прямо, «в лоб», то соответствующие уравнения выглядели бы совершенно ужасно и вряд ли поддава­лись бы анализу.

Идея спонтанного нарушения симметрии позволяет спасти и красивые симметричные уравнения, и симмет­ричность вакуума. Однако она предполагает, что физи­ческий вакуум должен иметь довольно сложную струк­туру, заставляющую вспомнить дно бутылки.

Вакуум, по определению,— это состояние системы с наименьшей энергией. Механизм спонтанного нарушения предполагает, что у системы имеется несколько таких со­стояний. При преобразовании симметрии они переходят друг в друга, и вся в целом совокупность этих состояний симметрична относительно соответствующего преобразо­вания. Однако само по себе каждое из этих состояний напоминает положение шарика у стенки бутылки: оно не­симметрично и обладает наименьшей потенциальной энер­гией. Кроме того, у вакуума должно быть еще симмет­ричное состояние с наибольшей потенциальной энерги­ей — аналог центра бутылочного дна. Такое состояние будет наиболее неустойчивым, и система, находящаяся в нем, будет стремиться перейти в одно из устойчивых, но несимметричных вакуумных состояний. В какое именно состояние оно попадет — решает случай.

Если считать, что нарушение CP происходит именно спонтанным образом, то красота этого предположения в том, что хотя в разных частях Вселенной оно действи­тельно может происходить по-разному, но особого произ­вола в этом нет. Физические процессы в причинно-несвя­занных областях будут подчиняться одинаковым законам, вакуум тоже будет в известном смысле един, но вот дальнейшая судьба таких областей станет разной. В од­них будут накапливаться барионы, в других — антиба-рионы. Последующую динамику развития этих областей довольно трудно рассчитать. Требуется известный опти­мизм, чтобы предположить, что они доживают до нашего

времени, разрастаясь до огромных размеров скоплений галактик.

Подведем итог. В принципе возможно составить ре« цепт «Как создать Антимир». Для этого необходимо:

взять горячую Вселенную,

в которой CP-симметрия нарушается спонтанным образом,

нарушить закон сохранения барионного заряда,

нарушить тепловое равновесие,

придумать механизм выживания и увеличения об­ластей антивещества до размеров скоплений галактик.

Видно, что схема получения Антимира гораздо слож­нее, чем сценарий образования Мира. Некоторые ее мо­менты еще не до конца разработаны, и вообще она пока выглядит не очень привлекательно. Как бы то ни было, принципиальная возможность создать Антимир все же существует.

АНТИВЕЩЕСТВО ВО ВСЕЛЕННОЙ — НОВЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ И ПЕРСПЕКТИВЫ

Итак, разделаться с Антимиром в теоретическом пла­не оказалось не так-то просто. Однако «борьба» с ним плодотворна и привела к ряду интересных результатов. Для объяснения барионной асимметрии Вселенной при­шлось разработать теорию процессов, протекающих в фантастически малые промежутки с начала Большого Взрыва. Если распад протона будет обнаружен, а гам­ма-астрономия получит еще более строгие ограничения на количество антивещества во Вселенной, то само су­ществование нашего Мира может считаться подтвержде­нием основных постулатов теории великого объединения, результатов уникального эксперимента, выполненного са­мой Природой.

В последнее время появились новые предположения о возможных источниках антивещества во Вселенной. Прежде всего к ним относятся так называемые первич­ные черные дыры. Сама по себе черная дыра, по совре­менным представлениям,— это вполне закономерный про­дукт конечной стадии эволюции массивных звезд. Когда у звезды исчерпываются запасы термоядерного «горюче­го», давление ее теплового излучения уже не в состоянии противостоять мощным гравитационным силам, стремя­щимся сжатЬ звезду. Этот процесс сжатия, звездный

коллапс, может происходить по-разному, и конечный его результат зависит от того, насколько была велика масса звезды. Если она превышала массу Солнца приблизи­тельно в три раза и если в процессе коллапса стареющая звезда не смогла выбросить в пространство достаточное количество вещества, то никакие силы в природе уже не могут остановить ее гравитационное сжатие. По мере коллапса напряженность гравитационного поля вокруг звезды становится все больше и больше, до тех пор пока не достигнет такой величины, что даже свет, испущенный с поверхности умирающей звезды, не сможет преодолеть ее колоссальное гравитационное притяжение.

Но раз так, то, казалось бы, черные дыры не должны испускать совершенно никакого излучения, а лишь захва­тывать все вещество, попадающее в сферу их гравита­ционного притяжения. Однако в 1975 году выдающийся английский астрофизик С. Хоукинг сделал удивительное открытие. Он доказал, что черные дыры могут излучать! Дело в том, что гравитационное поле черной дыры на­столько велико, что способно рождать пары частица — античастица. Если бы эти частицы подчинялись законам классической физики, то они никогда не смогли бы пре­одолеть гравитационного притяжения черной дыры, кото­рое представляет собой своеобразный потенциальный барьер. Но законы квантовой механики позволяют мик­рочастицам проникать сквозь потенциальный барьер. Это явление хорошо изучено в ядерной физике и называ­ется туннельным эффектом. Конечно, квантовая частица может благодаря туннельному эффекту «просочиться» через потенциальный барьер только с некоторой вероят­ностью. Если барьер достаточно «толст», эта вероятность будет маленькой, но все-таки отличной от нуля. Таким образом, за счет квантовых эффектов черные дыры начи­нают излучать. Оказывается, спектр их излучения совпа­дает с хорошо известным нам спектром излучения черно­го тела. Расчеты показывают, что температура массив­ных черных дыр, образующихся в результате эволюции звезд, исключительно мала, порядка 10~7 К.

Для нашего рассказа особый интерес представляет так называемые первичные черные дыры, которые были впервые рассмотрены советскими астрофизиками Я. Б. Зельдовичем и И. Д. Новиковым. Первичные чер­ные дыры —- это черные дыры с малой массой. В отли­чие от обычных черных дыр они не могли образоваться

за счет эволюции звезд. Однако в ранней Вселенной, когда плотность вещества была очень велика, большие флуктуации плотности могли в принципе усиливаться и перерастать в черную дыру. Чем меньше масса черной дыры, тем меньше область, в которой ее гравитационное поле достаточно сильно. Поэтому ширина потенциально­го барьера у первичных черных дыр довольно мала и частицы могут проникать сквозь него с большей вероят­ностью, чем у обычных черных дыр. Это приводит к тому, что черная дыра малой массы интенсивно излучает. Тем­пература ее излучения обратно пропорциональна массе дыры:

Т = 1013 ГэВ/М,

где М — масса черной дыры в граммах. Видно, что чер­ные дыры с массой М~ 1013 граммов испускают излучение с температурой порядка 1 ГэВ. В спектре такого излуче­ния уже могут присутствовать и протон-антипротонные пары. Следовательно, в результате излучения первичных черных дыр во Вселенной может появиться какое-то ко­личество антивещества.

Однако в результате интенсивного излучения масса черной дыры уменьшается, и в конце концов она пол­ностью испаряется. Причем процесс испарения идет с на­растающей скоростью, черная дыра перед своей кончиной испускает все более и более энергичные частицы, и темпе­ратура ее излучения может достигать колоссальных вели­чин. Полное же количество энергии, выделяемое черной дырой за последнюю секунду испарения, эквивалентно взрыву водородной бомбы мощностью миллион мегатонн!

Время, за которое испарится первичная черная дыра с массой 1013 граммов, испускающая протоны и антипро­тоны, равно 1012 секунд. То есть если считать, что пер­вичные черные дыры образуются только в ранней Вселен­ной, то приблизительно через 10'2—1013 секунд после начала расширения такие дыры должны исчезнуть. Итак, предсказывается появление нового источника антивещест­ва, действующего в течение первых 30—300 тысяч лет.

До сих пор мы обсуждали с вами проблемы сущест­вования Антимира либо в наше время, либо в очень ран­ней Вселенной. Теперь же давайте посмотрим, какова судьба антивещества, возникающего в результате испа­рения первичных черных дыр в течение первых 30— 300 тысяч лет с момента Большого Взрыва.

Сразу надо сказать, что антивещество, образовавшее­ся в этот период, по всей видимости, уже полностью про-аннигилировало и с помощью первичных черных дыр нам не удастся создать Антимир в полном смысле этого сло­ва. Количество античастиц, испускаемых первичными черными дырами, не столь велико, чтобы стать строитель­ным материалом для образования скоплений антигалак­тик. Однако ответ на вопрос, сколько антивещества было во Вселенной в то время, очень важен как для астро­физики, так и для современных моделей элементарных частиц. Во-первых, тогда можно было бы оценить, сколь­ко первичных черных дыр существовало в ту эпоху, а во-вторых, как показали советские теоретики М. Ю. Хло­пов и А. Г. Полнарев, количество первичных черных дыр тесно связано со свойствами новых элементарных час­тиц, предсказываемых в рамках теорий великого объе­динения.

Что же представляла собой Вселенная в этот пери­од? В четвертой главе мы говорили, что после первых 30 минут от начала расширения вещество во Вселенной состояло из нейтрино, электронов, протонов и ядер легких элементов. Причем в течение 300 тысяч лет Вселенная была непрозрачна для фотонов, которые эффективно вза­имодействовали с веществом и находились с ним в теп­ловом равновесии. Так что, изучая реликтовое фоновое излучение, мы как бы видим снимок Вселенной, какой она выглядела после 300 тысяч лет. И лишь по некоторым «морщинам» на ее «лице» можно как-то догадываться, что ей пришлось пережить к этому моменту.

Аннигиляция антивещества в то время, когда Вселен­ная была непрозрачна для излучения, практически не искажает спектра реликтового излучения. Гамма-кванты от аннигиляции быстро термализуются, теряют свою энер­гию и становятся неотличимыми от «обычных» фотонов

. Поэтому из данных по спектру реликтовых фотонов можно лишь заключить, что антибарионов в эпоху теп­лового равновесия было не больше, чем барионов, и только.


других легких элементов — дейтерия и гелия-3 — во Все­ленной значительно меньше, их концентрации приблизи­тельно в 10~4 раза ниже концентрации гелия-4.

Предположим теперь, что у нас в это время начинает «работать» источник антивещества. Тогда антипротоны, которые он испускает, могут взаимодействовать не толь­ко с протонами, но и с гелием-4. В процессе такой анни­гиляции ядро гелия разваливается, и среди его осколков могут быть и ядра дейтерия и ядра гелия-3. Из-за того что концентрация гелия-4 очень большая, а других эле­ментов очень мало, достаточно лишь небольшой (поряд­ка 10~4) доле гелия-4 проаннигилировать, чтобы создать весь наблюдаемый сегодня дейтерий или гелий-3.

Количество дейтерия VdHH, образующегося при анниги­ляции, зависит от

доли антивещества в ранней Вселенной — R,

концентрации гелия-4 — п,

вероятности появления дейтерия при аннигиляции аш* типротонов и гелия-4 — fd'-

Yr = nhR.

Величина п, то есть концентрация гелия-4, нам изве­стна из астрономических наблюдений, величину ft можно измерить в лабораторных опытах. Тогда, если предполо­жить, что при аннигиляции не должно образоваться дей­терия больше, чем его мы видим во Вселенной сейчас VdHH ^^Забл,  можно оценить долю антивещества — R.

В настоящее время группа ученых из Объединенного института ядерных исследований в Дубне под руководст­вом С. А. Бунятова и И. В. Фаломкина совместно с италь­янскими физиками из Турина подготавливает эксперимент по измерению вероятности образования дейтерия и ге­лия-3 при аннигиляции антипротонов и гелия-4. В распо­ряжении астрофизиков появится важная эксперименталь­ная информация, которая поможет наложить ограниче­ния на возможное количество антивещества в ранней Вселенной.

В ближайшие годы должны быть получены новые данные в области гамма-астрономии. Существенный про­гресс в изучении фонового внегалактического гамма-из­лучения ожидается в связи с ведущимися в Советском Союзе работами по созданию нового мощного гамма-те­лескопа. Планируется вывести на орбиту космический ко-

рабль с более чем двумя тоннами научного оборудовании, предназначенного для исследований гамма-лучей в широ­ком диапазоне энергий. Эту орбитальную космическую обсерваторию проектирует группа специалистов из Инс­титута космических исследований АН СССР и Московс­кого инженерно-физического института с участием фран­цузских специалистов из лабораторий в Сакле и Тулузе. Проект большой гамма-обсерватории разрабатывается американскими учеными. Нет сомнений, что результаты, которые будут получены в этих исследованиях, окажутся весьма важными для окончательного решения вопроса: существует Антимир или нет.

— Ну вот! — скажет недовольный читатель.— Говори­ли, говорили, а в конце концов получилось, как в лекции из кинофильма «Карнавальная ночь»: есть ли жизнь на Марсе, нет ли жизни на Марсе — это науке пока неиз­вестно!

Мне не хотелось бы, чтобы у читателя сложилось впе­чатление, что наука совсем уж ничего не может сказать о проблеме Антимира. Напротив, в последнее время мне­ние научного сообщества все больше и больше склоняется к тому, что Антимира в настоящее время не существует. И действительно, в пользу этого говорят многие факты. Однако я старался изложить все доводы «за» и «против», чтобы читатель получил представление о том, на чем ос­новано это общепризнанное мнение; что оно отнюдь не является истиной в последней инстанции. Поэтому, я думаю, уместно будет закончить наше обсуждение таки­ми словами Дирака:

«Посвящая себя исследовательской работе, нужно стремиться сохранять свободу суждений и ни во что не следует слишком сильно верить; всегда надо быть гото­вым к тому, что убеждения, которых придерживался в течение долгого времени, могут оказаться ошибочными».