Предчувствия и свершения. Книга 3. Единство - Ирина Львовна Радунская
Мы знаем, что через несколько лет Фридман нашел нестационарные решения первоначальных уравнений Эйнштейна. Впрочем, сам Фридман заметил, что нестационарное решение возможно и в уравнениях Эйнштейна, содержащих космологический член. Нужно лишь предположить, что силы тяготения и силы отталкивания компенсируют друг друга не полностью. Но было ясно, что введение космологического члена лишь усложняет уравнения, не давая ничего нового.
Сам Эйнштейн писал впоследствии, что введение космологического члена было «самой грубой ошибкой» в его жизни. Казалось, что космологический член канул в небытие.
Но в тридцатых годах он вновь возродился. Мы уже знаем, что первые вычисления величины постоянной Хаббла, определяющей время расширения Вселенной, были завышены в 10 раз. Это давало для возраста Вселенной величину, меньшую возраста Земли. Для того чтобы устранить это противоречие, космологи вернули в уравнения Эйнштейна космологический член. Они рассуждали так. Первоначально, когда мир Фридмана — Эйнштейна только начал расширяться, все вещество было сжато до огромных плотностей в малом объеме. Тогда, рассуждали они, силы тяготения были велики (большая плотность вещества и энергии), а силы отталкивания, обусловленные вакуумом, малы (малые расстояния).
В ходе расширения плотность Вселенной уменьшалась, а ее размеры росли. Соответственно силы тяготения убывали, а силы отталкивания возрастали. В какой-то момент эти силы стали одинаковыми, Вселенная расширялась по инерции. Если ее скорость при этом мала, то этот период может быть очень длительным. Так можно избежать противоречия между возрастами Земли и Вселенной. В конце концов плотность массы Вселенной, а с ней и сила тяготения уменьшатся настолько, что сила отталкивания превзойдет силу тяготения, и Вселенная начнет расширяться ускоренно. Так можно было примирить известное в то время значение постоянной Хаббла с возрастом Вселенной.
Эту гипотезу пришлось отбросить после того, как в пятидесятых годах астрономы уточнили величину постоянной Хаббла. Теперь возраст Вселенной определяют примерно в 15 миллиардов лет. Космологический член снова оказался ненужным.
Космологический член вновь ожил после того, как в 1967 году были открыты квазары и установлено очень большое красное смещение в их спектрах, свидетельствующее о том, что они чрезвычайно быстро удаляются от нас. Если все квазары обладают одинаковой природой, то их видимый блеск должен убывать по мере увеличения красного смещения, которое тем больше, чем дальше квазар. Такое простое соображение противоречило данным, полученным в первые годы наблюдения квазаров. Тогда астрофизики объясняли расхождение отрицательным давлением вакуума, описываемым космологическим членом.
Но постепенно появлялись новые астрономические данные. Оказалось, что отнюдь не все квазары одинаковы и поэтому различия в их блеске обусловлены не только их разной удаленностью.
При этом космологический член опять оказался ненужным.
Но мы скоро увидим, что физика элементарных частиц указывает на возможную большую роль гравитации вакуума, а значит, и космологического члена на ранних стадиях эволюции Вселенной.
Перейдем к современным космологическим сценариям, опирающимся на достижения новейших теории элементарных частиц. Эти космологические теории исходят из наиболее достоверных, полученных из изощренных опытов, физических предположений и проверенных этими опытами теорий элементарных частиц, подтвержденных дополнительными опытами.
Но прежде чем погрузиться в эту увлекательную область, необходимо вспомнить о той революции в физике элементарных частиц, которая зарождалась в начале семидесятых годов.
ГЛАВА 7
ВЕЛИКОЕ ОБЪЕДИНЕНИЕ
Так рождалась сказка о стране чудес.
Л. Кэрролл
Новый подход
В середине нашего века физики убедились: все процессы, происходящие в природе, обусловлены взаимодействием между частицами и полями. Наиболее универсально гравитационное взаимодействие, связанное с гравитационными полями. Оно порождается любыми видами материи и связанной с нею энергией. Гравитационные поля играют решающую роль в крупномасштабных явлениях — в космосе. Их нельзя избежать в нашей земной жизни. Однако они становятся исчезающе малыми в атомных масштабах и поэтому не проявляют себя в процессах, разыгрывающихся внутри атомов и молекул. Зато здесь играют главную роль электромагнитное взаимодействие и электромагнитные поля. Они определяют свойства атомов и молекул, участвуют в радиоактивном гамма-распаде и имеют первостепенное значение в технике, в химических реакциях и биологических процессах.
При радиоактивном бета-распаде наиболее важны взаимодействия, вызывающие распад нейтрона и испускание электронов и позитронов из некоторых ядер. Это взаимодействие было названо слабым взаимодействием. Слабым потому, что оно в 1010 раз слабее электромагнитного взаимодействия.
Ряд экспериментов привел физиков к заключению, что при очень высоких энергиях роль слабого взаимодействия увеличивается и оно становится неотличимым от электромагнитного взаимодействия. Такое объединенное взаимодействие названо электрослабым.
Кроме гравитационного, электромагнитного и слабого, существует четвертый вид взаимодействия. Сведения о нем стали достоянием ученых только в середине шестидесятых годов, когда исследования, проведенные при помощи ускорителей, показали, что ядерные частицы, в частности протоны и нейтроны, не являются элементарными частицами.
Постепенно выяснилось, что протон и нейтрон образованы из трех различных комбинаций более элементарных частиц — кварков. В природе существует шесть разновидностей кварков и, соответственно, шесть антикварков. При соединении кварка и антикварка получается мезон, частица, ранее считавшаяся элементарной. При соединении трех кварков получаются протоны и нейтроны и другие тяжелые частицы, называемые барионами. Таким образом, и эти частицы оказались не элементарными.
Объединение кварков (и антикварков) в более сложные частицы осуществляется в результате сильных взаимодействий. Их название показывает, что они в масштабе размера ядра (10— 13 см) очень сильны. Но они кардинально отличаются от остальных взаимодействий своей зависимостью от расстояния. Взаимодействия, с которыми мы познакомились ранее, гравитационное и электрослабое, быстро убывают при увеличении расстояния. Сильное взаимодействие обладает более сложными свойствами. Оно очень быстро растет, когда расстояния увеличиваются за пределы размеров ядра, и резко уменьшается, когда расстояния становятся меньшими, чем размеры ядра. В результате этого кварки внутри протона и нейтрона ведут себя как свободные частицы. Если же какому-либо из кварков придана очень большая энергия, способная вырвать его наружу, то происходит процесс, с которым физики ранее не встречались. Эта энергия оказывается затраченной на рождение нового кварка внутри частицы (например, внутри протона или нейтрона), из которой мы пытаемся вырвать кварк, и рождение мезона, как бы вылетающего из материнской частицы. Более детальное изучение показывает, что мезон не вылетает как целое из этой частицы, а возникает из выбитого из нее кварка и еще одного
