Охота за кварками - Чирков Юрий Георгиевич

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 1016 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 1016 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.

7

Странности странного мира

Отыскивание законов физики — это вроде детской игры в кубики, из которых нужно собрать целую картинку. У нас огромное множество кубиков, и с каждым днем их становится все больше. Многие валяются в стороне и как будто бы не подходят к остальным. Откуда мы знаем, что все они из одного набора? Откуда мы знаем, что вместе они должны составить цельную картинку? Полной уверенности нет, и это нас несколько беспокоит. Но то, что у многих кубиков есть нечто общее, вселяет надежду. На всех нарисовано голубое небо, все сделаны из дерева одного сорта…