Ирина Радунская – Предчувствия и свершения. Книга 2. Призраки (страница 62)
Для этой области температур уже существует достаточно надежная теория, позволяющая производить расчеты и делать предсказания, то есть удовлетворяющая всем требованиям к научной теории. Она называется теорией Большого объединения, ибо позволяет рассматривать совместно все известные сейчас силовые поля (кроме гравитационного поля) и рассматривать все частицы как члены единого семейства. Такое объединение становится возможным на расстояниях 10–29 см при температуре 1018 К, при которой происходит первое спонтанное нарушение всеобщей симметрии первичного состояния Вселенной — разделение частиц и античастиц.
Температура 1018 К — это та граница, ниже которой разность между числом частиц и числом античастиц, установившаяся при более высокой температуре, уже никогда более практически не нарушается. Поэтому случайное преобладание частиц на этом температурном рубеже сохранится на всем протяжении дальнейшей эволюции Вселенной. Так современная теория эволюции Вселенной решает полувековую загадку антимира. Загадку о том, почему мы живем в мире частиц, а не античастиц.
После того как Дирак предсказал существование позитрона, а затем в 1932 году Андерсон обнаружил его, были предсказаны и обнаружены другие античастицы, и многие ученые пытались выяснить, почему наш мир состоит из частиц, а античастицы рождаются очень редко и только при некоторых взаимодействиях с участием частиц, обладающих очень большой энергией. Такие частицы приходят к нам из космоса в составе космических лучей или получаются при помощи наиболее мощных ускорителей заряженных частиц. Вместе с тем в потоке космических частиц, несмотря на тщательные поиски, до последнего времени не удавалось обнаружить свободных античастиц. Только недавно единственная такая античастица была обнаружена, однако совершенно не доказано — не возникла ли она в результате взаимодействия первичных космических частиц, происшедшего так далеко, что эта античастица сильно удалилась от своего близнеца — частицы — и поэтому была зарегистрирована как одиночка.
Уверенность в симметрии мира раньше заставляла некоторых ученых предполагать, что где-то во Вселенной существует антимир, зеркальный нашему. Этот антимир был бы очень кстати, он восстановил бы общий баланс частиц и античастиц во Вселенной. Другие предполагали, что половина видимых галактик состоит из антиматерии, но обнаружить это невозможно, ибо идущие от них антифотоны неотличимы от обычных фотонов (фотон, не обладая ни зарядом, ни массой покоя, совпадает со своей античастицей). Опровергнуть эти гипотезы невозможно. Но они противоречат общему духу науки, которая, начиная с Ньютона, отвергает гипотезы, созданные для объяснения единичного факта. В данном случае фактом является неудача или невозможность обнаружения антимира или хотя бы скоплений антивещества.
Новая теория приходит к выводу о том, что существование нашего мира, состоящего из вещества, не скомпенсированного антивеществом, есть прямое следствие сложившейся эволюции Вселенной. Эта эволюция описывается теорией, и целый ряд ее предсказаний уже подтвержден опытом. Существующее положение вещей должно было сложиться именно так, как сложилось при перевесе частиц над античастицами всего на одну лишнюю частицу в каждом миллиарде пар частиц и античастиц! Это произошло на рубеже температуры 1018 К. Именно тогда — всего на одну миллиардную долю — был нарушен баланс между тяжелыми частицами и античастицами. А далее уже все развивалось по знакомым нам законам. Заметим, что тот же результат был бы достигнут при случайном преобладании в одну античастицу на миллиард пар. Ведь названия «частица» и «античастица» даны совершенно условно. Частицы — это те, которые сейчас устойчиво существуют в окружающем нас мире.
Если бы при температуре 1018 К количество частиц случайно оказалось точно равным количеству античастиц, то при последующей эволюции Вселенной все вещество должно было аннигилировать и без остатка превратиться в фотоны и, может быть, другие частицы, не имеющие массы покоя. Следовательно, само существование Вселенной в том состоянии, которое мы наблюдаем, может считаться подтверждением теории Большого объединения.
При температуре 1018 К произошло и другое существенное изменение. Плотность вещества Вселенной настолько уменьшилась по сравнению с исходной, что при расстояниях порядка 10–29 см уже выявились индивидуальные свойства отдельных частиц. Теперь гравитационное поле окончательно перестает играть роль во взаимодействиях отдельных частиц и проявляет себя только в структуре пространства, расширяющегося вместе с расширением самой Вселенной. Позже, когда образуются галактики и звезды, гравитационное поле будет определять и отклонение симметрии пространства в их окрестности от общей симметрии Вселенной.
Итак, для расстояний порядка 10–29 см существует достаточно надежная теория. На этих расстояниях проявления электромагнитного поля и двух других полей, слабого и сильного, действующих между частицами, оказываются одинаковыми, а гравитационное поле перестало играть роль в микромире, заняв свое место во взаимодействии макроскопических тел.
При этом все частицы оказываются объединенными в общее семейство. И исчезает запрет, препятствующий, например, протону превращаться после ряда промежуточных этапов в несколько фотонов.
В качестве одного из следствий этой теории является предсказание, которое показалось бы безумным ещё 3O лет назад; предсказание того, что такие распады протона возможны и в наши дни.
Мы привыкли считать, что протон — образец вечного постоянства. И вот ныне теория утверждает, что протон живет не вечно, что он может распасться. Теория предсказывает, что в современном мире при современных температурах эти спонтанные превращения протонов в фотоны очень редки. Для единичного протона вероятность такого распада — один раз за 1031 лет! Но известно, что возраст нашей Вселенной составляет всего от 1 1010 до 2 1010 лет! Не значит ли это, что протон следует считать истинно устойчивой частицей? Нет, ведь их очень много. Так много, что и при этой крайне малой вероятности распада во Вселенной действительно должны происходить такие процессы. Поэтому ученые приступили к опытам, цель которых обнаружить столь удивительное и маловероятное событие. Ведь положительный результат был бы сильнейшим аргументом в пользу теории Великого объединения главных сил, действующих в природе, и объединения всех частиц в единое семейство, обладающее чрезвычайно симметричным строением, причем отклонения от этой симметрии объясняют все известные различия между частицами.
Идея этого опыта основана на том, что элементарные частицы очень малы и их очень много. Достаточно взять 1000 тонн любого вещества, чтобы в нем содержалось около 5 1032 протонов и нейтронов. Если этим веществом является вода, то протонов в ней чуть больше половины. Это значит, что, при вероятности распада 10–31 в год, в течение года следует ожидать примерно 25 случаев спонтанного распада протонов. Для того чтобы наблюдать эти чрезвычайно редкие события, опыты будут проводиться в глубоких шахтах или в глубине океана, чтобы уменьшить помехи со стороны космических лучей, которые могут исказить результаты опыта.
Мы сосредоточили внимание на рубеже, на котором при температуре 1018 К сложилась основа той Вселенной, которую мы наблюдаем теперь. Именно после этого, вследствие случайного избытка в 1 частицу на 109 античастиц и после аннигиляции этих античастиц с соответствующим количеством в 109 частиц, осталась и ныне существует вся материя Вселенной и множество фотонов. Затем, на протяжении огромного периода времени, который по нашим часам длился примерно 0,01 сек, температура расширяющейся Вселенной упала до 1011 К (100 миллиардов градусов). В течение этого времени, после завершения аннигиляции тяжелых частиц, вещество Вселенной не испытало существенных изменений. Оно состояло главным образом из фотонов, электронов, позитронов и нейтрино с их антинейтрино. Доля тяжелых частиц — протонов и нейтронов, уцелевших в процессе аннигиляции, была малой.
Когда температура в результате расширения Вселенной упала до 100 миллиардов градусов, плотность равновесной массы вещества и излучения была в 3,8 миллиарда раз больше, чем плотность воды на поверхности Земли в наше время. При этом окружность Вселенной была невелика, так что свет мог обежать ее за несколько лет. Впрочем, этот размер еще точно не известен, а дальнейшая эволюция Вселенной не зависит от ее начальных размеров.
Через 0,11 секунды температура упала до 30 миллиардов градусов, но ничего существенного за это время не произошло. По-прежнему Вселенная наполнена фотонами, электронами, позитронами, нейтрино и антинейтрино. Но плотность этой равновесной мешанины значительно уменьшилась, падая как четвертая степень уменьшения температуры. Изменилось и соотношение между протонами и нейтронами, количество которых в начале предыдущего этапа было одинаково. Изменение произошло потому, что протоны и нейтроны при температуре 30 миллиардов градусов еще не способны объединяться в ядра атомов, а свободные нейтроны, как известно, неустойчивы. Каждый из них в среднем через 15 минут превращается в протон, выделяя также электрон и нейтрино. В результате таких распадов к концу этого этапа развития из каждых ста ядерных частиц лишь 38 были нейтронами, а 62 протонами.