Вселенная Стивена Хокинга - Стивен Хокинг

Четвертый тип взаимодействия – сильное ядерное взаимодействие. Благодаря ему внутри протонов и нейтронов удерживаются кварки, а протоны и нейтроны – внутри атомного ядра. Носителем этого взаимодействия считается частица со спином 1 под названием глюон, которая взаимодействует только с такими же частицами и с кварками. Сильное ядерное взаимодействие обладает удивительным свойством – так называемым конфайнментом^[15]. Это означает, что удерживаемые вместе частицы всегда имеют нулевой суммарный цветовой заряд. Невозможно получить отдельный кварк, потому что у него был бы какой-либо определенный цвет (красный, зеленый или синий). Вместо этого красный кварк должен объединяться с зеленым и синим посредством «струны» из глюонов (красный + зеленый + синий = белый). Такого рода триплет образует протон или нейтрон. Другая возможная комбинация – это пара, состоящая из кварка и антикварка (красный + антикрасный / зеленый + антизеленый / синий + антисиний = белый). Из таких комбинаций состоят частицы, называемые мезонами, которые неустойчивы, потому что кварк и антикварк могут взаимно аннигилироваться, в результате чего образуются электроны и другие частицы. Аналогично конфайнмент не допускает существования отдельного глюона, потому что глюоны также имеют цветовой заряд. Вместо этого приходится иметь дело с комбинациями глюонов с суммарным белым цветовым зарядом. Такая комбинация образует неустойчивую частицу, получившую название глюоний.

Конфайнмент делает невозможным наблюдение изолированных кварков и глюонов, и потому может создаться впечатление, что представления о кварках и глюонах как о частицах относятся, скорее, к области метафизики. Но у сильного взаимодействия есть еще одно свойство – так называемая асимптотическая свобода, – благодаря которому понятия кварков и глюонов обретают определенные очертания. При обычных энергиях сильное ядерное взаимодействие действительно сильно и надежно удерживает кварки вместе. Но эксперименты на больших ускорителях частиц свидетельствуют, что при высоких энергиях сильное взаимодействие заметно ослабевает, отчего кварки и глюоны начинают вести себя почти как свободные частицы. На рисунке 5.2 приводится фотография столкновения протона высокой энергии и антипротона. На волне успеха после объединения электромагнитного и слабого ядерного взаимодействий был предпринят ряд попыток объединить эти две силы с сильным ядерным взаимодействием, чтобы создать так называемую теорию великого объединения (англ. Grand Unified Theory; GUT). Название несколько претенциозное: созданные теории не такие уж великие и объединяют отнюдь не всё, поскольку не распространяются на силу тяготения. К тому же они неполны, поскольку содержат ряд параметров, численные значения которых нельзя предсказать в рамках этих теорий: их следует подбирать так, чтобы они не противоречили экспериментальным данным. Однако это все же шаг на пути к полной, всеобъемлющей теории. Основная идея такой теории сводится к следующему. Как мы отмечали выше, сильное ядерное взаимодействие становится слабее при высоких энергиях. При некоторой – очень высокой – энергии, называемой энергией великого объединения, три рассматриваемых типа взаимодействий сравняются по интенсивности и смогут рассматриваться как разные аспекты единой силы. Теории великого объединения также предсказывают, что при этой энергии разные частицы вещества со спином ¹/₂ – такие, как кварки и электроны, – тоже станут, в сущности, одним видом частиц, то есть объединение произойдет и на этом уровне.

Рис. 5.2. Столкновение протона и антипротона в условиях высоких энергий с образованием пары почти свободных кварков

Величина энергии великого объединения пока точно не определена, но скорее всего, составляет не менее тысячи миллионов миллионов ГэВ. Современные ускорители способны обеспечить столкновения частиц с энергиями порядка сотен ГэВ. Планируется построить ускорители, в которых эта величина поднимется до нескольких тысяч ГэВ. Устройство с мощностью, достаточной для ускорения частиц до энергии великого объединения, должно быть размером с Солнечную систему, и вряд ли на него выделят средства в нынешних экономических условиях. Так что проверить теории великого объединения в лабораторных условиях не удастся. Но, как и в случае с единой теорией электрослабого взаимодействия, у теорий великого объединения есть следствия, которые проявляются на низких энергиях и потому могут быть проверены.

Любопытнее других предсказание того, что протоны, составляющие значительную часть массы обычного вещества, могут самопроизвольно распадаться на более легкие частицы, такие как антиэлектроны. Причина состоит в том, что при энергии великого объединения между кварком и антиэлектроном нет существенных различий. Как правило, три кварка в составе протона не обладают энергией, достаточной для превращения в антиэлектроны, но иногда – хотя и очень редко – один из кварков может приобрести достаточную для такого превращения энергию. Эту вероятность обеспечивает принцип неопределенности, согласно которому энергия кварков в протоне не может быть зафиксирована на каком бы то ни было точном значении. В этом случае протон распадается. Ситуация, в которой кварк обретает достаточно высокую энергию, настолько неординарна, что ждать такого события придется миллион миллионов миллионов миллионов миллионов лет (единица с тридцатью нулями). С момента Большого взрыва – а он случился около десяти миллиардов (единица с десятью нулями) лет назад – прошло куда меньше времени. Потому нам кажется, что возможность спонтанного распада протона нельзя проверить экспериментально. Впрочем, шансы обнаружить его можно увеличить, наблюдая большое количество вещества, содержащее очень много протонов. (Например, если в течение года наблюдать протоны в количестве, выражаемом единицей с тридцатью одним нулем, то, согласно простейшей теории великого объединения, можно рассчитывать на регистрацию более одного распада протона.)

Физики поставили ряд экспериментов, но ни один из них не дал никаких определенных свидетельств распада протона или нейтрона. В одном из исследований использовалось 8000 тонн воды: он проводился в соляной шахте в штате Огайо, принадлежащей компании Morton Salt (чтобы не спутать с распадом протона другие явления, вызванные космическими лучами). Поскольку в ходе эксперимента не наблюдалось ни одного спонтанного распада протона, можно заключить, что среднее время его жизни должно превышать десять миллионов миллионов миллионов миллионов миллионов лет (единица с тридцать одним нулем). Это больше, чем время жизни, которое предсказывает самая простая из теорий великого объединения. Хотя некоторые более изощренные теории отводят протону еще более длинную жизнь. Для проверки этих теорий потребуются более чувствительные эксперименты с бо́льшим количеством вещества.

Зафиксировать спонтанный распад протона – чрезвычайно трудная задача, но вместе с тем не исключено, что самим нашим существованием мы обязаны обратному процессу – рождению протонов, или, попросту говоря, кварков, на исходной стадии, когда кварков было не больше, чем антикварков. Именно так естественно было бы представить зарождение Вселенной. Вещество на Земле состоит в основном из протонов и нейтронов, которые, в свою очередь, сложены из кварков. Не существует антипротонов и антинейтронов, составленных из антикварков, за исключением тех немногих, что физики получают в больших ускорителях. Данные исследований космических лучей свидетельствуют, что то же верно и для всего вещества в нашей Галактике – там нет ни антипротонов, ни антинейтронов, за исключением небольшого количества пар частица-античастица, возникающих при столкновениях частиц с высокой энергией. Если бы в нашей Галактике были большие области, заполненные антивеществом, то на их границе с областями обычного вещества – там, где многие частицы сталкиваются с античастицами и взаимно аннигилируют, – наблюдалось бы мощное излучение.