Барри Паркер - Мечта Эйнштейна. В поисках единой теории строения
Первый эксперимент, поставленный для определения периода полураспада протона, дал значение гораздо большее. Этот эксперимент проводился в одной из глубоких шахт в Индии. Учёные обнаружили, что период полураспада протона должен быть больше 1030 лет. Интересно, что вскоре после проведения этого опыта Джорджи, Куинн и Вайнберг, исходя из теоретических соображений (на основе SU(5)-симметрии), показали, что эта величина должна составлять около 1032 лет; позднее они понизили предел до 1031 лет. Это невообразимо долгое время; нашей Вселенной сейчас всего около 1010 лет. Да и можно ли вообще зарегистрировать распад протона, если он происходит так редко? Ответ утвердителен – можно, если период полураспада не превышает 1032 лет (в противном случае возникают трудности). Обнаружить распад можно, если собрать вместе достаточно много протонов. Так, из 1032 протонов в год будет распадаться по одному. Они займут не так уж много места, впрочем, всё зависит от материала, с которым мы имеем дело, но скорее всего для этого потребуется объём с комнату среднего размера.
Я уже упоминал о том, что эксперимент в Индии проводился в глубокой шахте, и это неспроста. Земля постоянно подвергается бомбардировке космическими лучами, поэтому на поверхности было бы трудно определить, какие частицы появились в результате распада, а какие приходят из космоса. Может показаться, что вещество, содержащее такое количество протонов, будет стоить очень дорого, но на самом деле это не так. Протоны есть в любом веществе, поэтому можно использовать довольно дешевые материалы, такие как вода, железо или бетон – ими и пользовались в эксперименте.
Итак, для опыта требуется всего лишь большая масса материала и защищённое от внешних излучений помещение. В Европе есть много длинных туннелей, которые просто созданы для такого эксперимента. Особенно подходящим для этой цели оказался туннель под Монбланом: в нём есть большие помещения для хранилищ, где и проводились опыты. В США опыты производили только в шахтах. Один из экспериментов проводился в соляной шахте под озером Эри, другой – в серебряном руднике около Солт-Лейк-Сити, штат Юта, третий – в старом руднике в Миннесоте. В Миннесоте учёные использовали бетон, а в соляной шахте – воду.
Тяжёлые вещества – железо или бетон – по сравнению с водой занимают при том же количестве протонов меньший объём, но детекторы приходится располагать ближе друг к другу, что довольно трудно сделать. А вокруг резервуара с водой их можно устанавливать на больших расстояниях по определённой схеме.
Учёные пытались использовать для регистрации продуктов распада эффект Черенкова. Суть этого эффекта в том, что если частица движется в воде со скоростью, меньшей скорости света в вакууме, но превышающей световую скорость в воде, она испускает конус голубого света. Этот конус расширяется в направлении, противоположном движению частицы, а угол его раскрытия зависит от скорости. Ожидается, что частицы, образующиеся при распаде протона, можно будет легко обнаружить при помощи эффекта Черенкова.
Предварительные результаты проведённых экспериментов показывают, что период полураспада немного превышает 1032 лет. Это не совсем соответствует теоретическим предсказаниям (около 1031 лет), но эксперименты далеко не закончены. Учёные надеются, что время жизни протона (если он вообще распадается) ненамного превышает 1032 лет, иначе массовое рождение нейтрино может замаскировать распад протонов.
Хотя большинство физиков надеется на то, что регистрация распада протона позволит проверить справедливость теорий великого объединения, это не единственная возможность проверки. Некоторые из этих теорий предсказывают также существование новой частицы, называемой магнитным монополем. Я уже вкратце упоминал об этой частице. Электрическое поле создаётся зарядами, а также изменяющимся магнитным полем; электрон, например, окружён электрическим полем. Магнитное же поле создаётся не зарядами, а магнитами, каждый из которых имеет два полюса – северный и южный. Похоже, что изолированных магнитных зарядов (полюсов) нет.
Многие учёные считают это недостатком электромагнитной теории. Учитывая взаимосвязь электрического и магнитного полей, логично было бы предположить, что и создаются они симметричным путём, т.е. должен существовать магнитный аналог электрического заряда. Иными словами, должен быть один магнитный монополь, создающий северный полюс, и другой – для южного полюса. Но, очевидно, в природе это не так. Возникает вопрос: почему? Может быть, магнитные монополи существуют и просто пока не обнаружены? Эту точку зрения разделяют многие учёные.
Интерес к магнитным монополям впервые возник в 1931 году, после того как Дирак создал теорию, предсказывавшую их существование. Но монополи Дирака не совсем устраивали учёных: это были странные частицы с «хвостами».
Проблема разрешилась в 1974 году, когда Хофт показал, что существование монополей следует также из теории великого объединения, но его монополи значительно отличались от предсказанных Дираком. «Хвост» у них отсутствовал, зато масса была огромна – в 1016 раз больше, чем у протона. Вот почему их не удавалось наблюдать – сегодня нет ускорителей, на которых можно получить подобные частицы. Однако они должны были образовываться в гигантском ускорителе, созданном природой, – в молодой Вселенной. Согласно теории великого объединения, они должны были образоваться через 10-35 с после Большого взрыва. Рождались монополи обеих полярностей, и они должны были дожить до наших дней.
За этим предсказанием последовали интенсивные поиски. Во всём мире учёные принялись искать монополи, и примерно через год одна из групп заявила об успехе. (Подтверждений, впрочем, не последовало, и сейчас распространено мнение, что это была ложная тревога.) Исследовали космические лучи, лунную породу, проводили специальный эксперимент на космической станции «Скайлэб», но всё безрезультатно.
Если монополи действительно существуют, то где их можно найти? Раз они обладают магнитным полем, то поле Земли должно было бы притягивать их к полюсам – «северный» монополь к южному полюсу, а «южный» – к северному. Кроме того, удалось показать, что они должны двигаться гораздо медленнее, чем предполагалось, возможно, намного медленнее света. В надежде найти монополи у полюсов учёные выпиливали огромные куски льда в полярных районах, но и там ничего не обнаружили.
Возникает вопрос – если монополи так трудно найти, то сколько же их существует в действительности? Поначалу предполагали, что монополи должны быть так же распространены, как протоны, но тогда их легко было бы обнаружить. Более поздние оценки позволили снизить их число до примерно одного монополя на 1015 протонов, а в действительности их число может оказаться намного меньше. Сотрудник Чикагского университета Е. Н. Паркер указал, что если бы монополей было очень много, то их поле в результате взаимодействия уничтожило бы магнитное поле нашей Галактики. Поскольку этого не случилось, монополей, видимо, гораздо меньше, чем предполагается. Охота на монополь продолжается.
Мы уже упоминали о другой частице огромной массы, существовавшей в ранней Вселенной – X-частице. Так же как и монополь, её пока не удалось обнаружить из-за гигантской массы. Но с X-частицей возникает ещё одна трудность – частица эта калибровочная, и для объединения с другими калибровочными частицами она должна, при определённых условиях, иметь нулевую массу. Почему же сейчас X-частица столь массивна (если вообще существует)? Чтобы ответить на этот вопрос, посмотрим откуда взялась масса у W-частицы. В ранней Вселенной, когда температура превосходила определённое значение, W-частица и фотон не имели массы. Этот нижний предел температуры соответствовал энергии 100 ГэВ (1 ГэВ – гигаэлектрон-вольт, или 1000 миллионов электрон-вольт). При расширении Вселенная стала охлаждаться, её температура снизилась до этого предела, и W-частицы внезапно, в результате спонтанного нарушения симметрии, приобрели массу. Можно сказать, что они поглотили частицы Хиггса и потяжелели. При энергии ниже 10 ГэВ W-частицы имеют массу, а слабое и электромагнитное взаимодействия проявляются в виде самостоятельных сил. Как говорят, они «вымерзли» из единого поля. В качестве простой аналогии можно рассмотреть однородную смесь трёх жидкостей. Выше определённой температуры все они равномерно перемешаны, но по мере охлаждения этой жидкости каждый из компонентов смеси будет переходить в твёрдое состояние. Сначала вымерзнет одна жидкость, а две другие останутся в виде раствора, затем вымерзнет вторая, а в конце концов и третья. Примерно то же произошло с силами по мере охлаждения Вселенной. Важно, однако, отметить, что в отличие от жидкостей, в полях не происходило никаких физических изменений.
