Юрий Чирков - Охота за кварками
За признание пустоты в физике (о, эта интуиция великих умов!) боролся французский философ и математик Р. Декарт (1596-1650). Вот его слова: "Все пространства, которые обычно считают пустыми и в которых не чувствуется ничего, кроме воздуха, на самом деле так же наполнены, и притом той же самой материей, как и те пространства, где мы чувствуем другие тела..."
Этот перечень цитат, где прозревается грядущее научное и практическое значение вакуума, можно было бы легко продолжить, сославшись на Б. Паскаля, И. Ньютона, Д. Менделеева и других ученых.
Да, предсказывая вакууму большое будущее, корифеи науки не заблуждались: вакуум становится сейчас непосредственным объектом многих исследований физиков во всех концах мира. (Не теряют времени и популяризаторы науки: в нашей стране уже появилась книжка с названием "Нечто по имени Ничто". Правда, смысл этого заголовка - но таков уж вакуум! - мало изменится, если поменять местами слова Нечто и Ничто.)
Отчего же это Ничто, это вроде бы полное отсутствие чего бы то ни было, стало таким наполненным и полновесным? Да потому, что вакуум (чаще для солидности теперь говорят о "физическом вакууме") предстал перед учеными отнюдь не пустым.
А. Линде: "Вакуум - это то, что лишь выглядит как пустота. Под микроскопом, если выражаться фигурально, он буквально кипит, выбрызгивая элементарные частицы..."
Действительно, физический вакуум заполнен частицами особого рода, исчезающими сразу же после своего рождения. Одновременно существующими и нет, воистину эфемерными.
Такие почти-частицы в физике носят название виртуальных. Их вроде бы невозможно зафиксировать. Но - опять парадокс! - эти призраки микромира, почти фантомы, тем не менее могут взаимодействовать с частицами реальными, настоящими, влиять на их поведение.
Вот оно, "окошко" в вакуум, в это загадочное и, казалось бы, неуловимое Нечто.
В последние годы очень много внимания вакууму уделяет паш ведущий космолог академик Я. Зельдович. Совсем недавно торжественно отмечался его 70-летний юбилей (родился в 1914 году). Однако этот ученый (трижды Герой Социалистического Труда) полон неиссякаемой творческой энергии и в силе и быстроте мышления не уступает молодым физикам-теоретикам. (Считается, что карьера физика-теоретика, как и звезды балета - хотя для балерины, может быть, мускулы ног важней нейронов головы! - заканчивается к 30 годам: он-де "сжигает" свои лучшие мозговые клетки. Я. Зельдович своим примером опровергает это, конечно же, вздорное мнение.)
Я. Зельдович много пишет о вакууме, и тон его выступлений становится все более уверенным. Вначале он только ставил вопросы (одна из его статей в журнале "Успехи физических паук" называлась "Теория вакуума, быть может, решает загадку космологии", 1981 год), но теперь уже почти не сомневается, что в вакуумном океане рождаются ке только элементарные частицы - эти крохотные островки среди бушующих стихий, - но и целыа материки вселенные.
Что же все-таки было в момент команды "старт"?
Я. Зельдович верит: развитие теории квантовой гравитации приведет к возможности квантового флуктуационного рождения Вселенной, ее создания из вакуума. "Вещество Вселенной родилось из ничего, - повторяет он и тут же спешит добавить: - И это не противоречит физическим законам".
...Вселенная тогда клокотала, как кипящий чайник
Мы продолжаем разговор о Вакууме (это слово, как и слово Вселенная, давно уже следует писать с большой буквы), Вакууме, который не следует путать с пустотой.
Д. Киржниц (родился в 1926 году), физик-теоретик, доктор физико-математических наук, профессор, заведующий сектором теории сверхпроводимости в ФИАНе, после окончания физфака МГУ в 1949-м несколько лет работал в промышленности. На заводе, когда Д. Киржниц определялся на работу, расспросив молодого человека и узнав, что он занимался поляризацией вакуума, в отделе кадров рассудили просто: решили дать ему в руки кисточку и определить к вакуумным приборам замазывать трещинки...
В судьбе теоретика всякое бывает! Но именно Д. Киржниц первым высказал оригинальную мысль о том, что физический вакуум может проявлять свойства сверхпроводимости. Вместе с А. Линде (1972) он показал, что система уравнений, описывающих сверхпроводимость в металле, практически неотличима от системы уравнений, характеризующих вакуум. Что при определенных обстоятельствах вакуум может резко изменять свои свойства, испытывать фазовые переходы. За это позднее исследователи и были удостоены Ломоносовской премии.
Сверхпроводимость, это необычное свойство проводника вовсе не оказывать сопротивления электрическому току, - явление уникальное. Однако вакуум тут выказывает еще более поразительные качества: он, оказывается, изолятор для токов электромагнитных и сверхпроводник для токов слабого взаимодействия. Так сказать, един в двух лицах!
Сверхпроводимость характеризуется критической температурой. Выше этой точки сверхпроводимость исчезает, внутреннее состояние проводника перестает быть упорядоченным (в вакууме, как оказалось, виртуальные частицы тоже отнюдь не находятся в состоянии хаоса). Так вот, для металлов критическая температура не превышает что-то около 25 градусов выше абсолютного нуля (шкала Кельвина). А в вакууме - он и тут ставит рекорд критическая температура, как показали расчеты, равна 10^16 градусов!
Где же найти подобные чудовищные и даже еще более высокие температуры? Где? Их имела Вселенная сразу же после "первовзрыва", когда физический вакуум не был сверхпроводником, а обладал совсем другими свойствами. И это обстоятельство проливает свет не только на ход формирования Вселенной, но и на историю элементарных частиц. Попробуем это объяснить.
Результат деятельности трех из четырех основных сил природы - сильных, слабых и электромагнитных - можно наблюдать совокупно в любом акте радиоактивного распада атомов.
Tут сильное (ядерное) взаимодействие обусловливает "слипание" протонов и нейтронов, покидающих разваливающийся атом в виде ядер атомов гелия а-частиц.
Слабое взаимодействие побуждает нейтрон ядра к распаду: так возникают электроны - р-частицы. А электромагнетизм проявляет себя в испускании квантов света - у-лучей.
Прежде все эти фундаментальные силы казались ученым совершенно независимыми. Однако теперь теория "Великого объединения" сделала эти различия иллюзорными, мнимыми. В момент Большого Взрыва, при сверхвысоких температурах, различия сил не существовало, их разделение произошло позже.
К моменту времени 10-35 секунды после Большого Взрыва вследствие расширения температура вещества понизилась до 10^16 градусов. И вот тут произошло первое разделение сил: сильные взаимодействия отделились от электрослабых. Что и привело к выделению отдельно кварков и лептонов.
Это был скачок в эволюции Вселенной, сопровождавшийся фазовым переходом. Высвободившаяся при этом из вакуума гигантская энергия (перекачка энергии из вакуума в вещество) перешла в кинетическую энергию пузырьков повой фазы, подобно тому как это происходит при бурном вскипании сильно перегретой жидкости.
Вселенная тогда буквально клокотала, как кипящий на плите чайник!
И этот фазовый переход не был в истории Вселенной единственным. Позднее, ко времени 10^-10 секунды после "пуска", произошел новый фазовый переход: здесь уже электрослабое взаимодействие "раскололось" на слабые ядерные силы и силы электромагнитные. В результате все окружающие нас частицы, кроме фотонов и нейтрино, приобрели собственную массу...
Так творился наш мир.
Работы советских физиков-теоретиков открыли совершенно новую страницу в изучении Вселенной. Стали понятны причины и истоки гармонии Вселешюп. Никакой господь-бог не подгонял, не шлифовал, не прилаживал мировые константы. Они так топко согласованы, увязаны друг с другом потому, что имеют общие корни и совместную историю. "Расслоение" сил, формирование спектраэлементарных частиц, возникновение химических элементов - все это жестко и в то же время непринужденно запрограммировано в длительной эволюции Вселешк/й.
Содержание двух последних глав свидетельствует, что существует глубокая взаимосвязь между современной космологией и астрофизикой и новейшей фшпкой элементарных частиц. Космология и астрофп мша устанавливают определенные ограничения на число и свойства элементарных частиц, а экспериментально подтвержденные положения физики элементарных частиц позволяют находить новые пути для решения космологических проблем, связанных прежде всего с происхождением вещества во Вселенной.
Вообще чем дальше развивается естествознание, том все более очевидным становится зыбкость и условность границ (не тут ли главный порок сверхспециализации?)
отдельных научных разделов. Космос соединяется с микромиром, Вселенная кипит, словно чайник, - эти и им подобные примеры наглядно иллюстрируют единство наук.
