Микрофизика
Итак, два новых определения: адроны и лептоны. Адроны - сильновзаимодействующие частицы, образующие атомные ядра - протоны и нейтроны, а также нестабильные тяжелые частицы пи-мезоны, к-мезоны, лямбда-гипероны и другие. Лептоны не участвуют в сильных взаимодействиях и объединяют в один класс большинство легких частиц - нейтрино, мюоны и электроны; есть еще, разумеется, и безмассовые фотоны.
Чрезвычайно важно то обстоятельство, что адроны взаимодействуют друг с другом гораздо сильнее, чем лептоны. Химические связи между атомами в молекулах во много миллионов раз слабее, чем силы, удерживающие атомное ядро от распада. Ядерные силы внутри ядра намного, примерно в 100 раз, сильнее электрических сил отталкивания. Ведь протоны согласно закону Кулона должны были бы разлетаться друг от друга, так как они несут положительный заряд. Но, как только им удается сблизиться достаточно тесно (атомное ядро!), главную роль начинают играть так называемые сильные взаимодействия; именно они и стабилизируют структуру атомного ядра, свободно преодолевая взаимное отталкивание десятков протонов. Но при повышении температуры, ближе к началу мира, атомные ядра уже становятся неустойчивыми. Более того, при высоких температурах начинает проявляться неэлементарность адронов.
Согласно бурно развивающейся в последние годы кварковой теории все адроны состоят из "более" элементарных частиц - кварков. Если эта теория верна (а она получает сейчас убедительные доказательства в различных экспериментах), то при температуре около нескольких тысяч миллиардов градусов Кельвина адроны, по-видимому, уже не могут существовать, они разбиваются на составляющие их кварки, точно так же, как атомы при нескольких тысячах градусов распадаются на ядра и электроны, а ядра, в свою очередь, при миллиарде градусов - на протоны и нейтроны.
Кварки, вообще говоря, поразительные частицы, задающие и по сегодняшний день немало работы как теоретикам, так и экспериментаторам. Дело в том, что внутри адрона они ведут себя как каторжники, скованные цепями. Пока цепи не натянуты, кварки относительно свободны, но только относительно: стоит чуть увеличить расстояние между ними - и они оказываются прочносвязанными. Как принято говорить, свобода их асимптотическая.
Итак, все адроны состоят из кварков. И возникает естественный вопрос: где же предел элементарности частиц? Ведь сравнительно недавно круг элементарных частиц был ограничен нейтронами, протонами, электронами и фотонами. А сейчас, мало того, что одних адронов порядка сотни, оказалось, они неэлементарны, состоят из кварков, антикварков. Неужели в микромире работает принцип "русской матрешки"?
Мы опять не можем ответить на этот вопрос. Физике неизвестна сегодня модель праматерии. Как сказал член-корреспондент Академии наук СССР Л. Окунь, "ярмарочное обилие и разнообразие элементарных частиц" действительно наталкивает на мысль о существовании истинной элементарности. Ведь с эстетической стороны, а эстетичность, вообще говоря, почти всегда была одним из критериев правильности в теоретической физике, гораздо естественнее существование небольшого числа "истинно элементарных" частиц. Они уже имеют и названия - пракварки, метакварки, преоны, ришоны, глики, максимоны. Но… названия есть, а теории праматерии нет.
Подходы к этой общей теории, которая должна в конечном итоге связать микро- и макромиры, в центре внимания и физики элементарных частиц, и космологии. Почему?
Мы уже говорили о гравитационном и электромагнитном взаимодействии в физике. Но сегодня известно еще два типа взаимодействий. Это уже упоминавшееся сильное и так называемое слабое взаимодействия. Слабые силы взаимодействия названы так потому, что на масштабах длин порядка размеров ядер они слабее не только сильных (ядерных), но и электромагнитных. Тем не менее роль их в природе огромна. Не будь слабых взаимодействий, были бы невозможны процессы, лежащие в основе термоядерных реакций, происходящих в недрах Солнца. Другими словами, если бы не было слабых взаимодействий, погасло бы Солнце! Поистине мал золотник, да дорог!
Эти два типа взаимодействия обладают очень малым радиусом действия: сильное работает на расстоянии порядка 10 сантиметра, а радиус действия слабого по порядку величины составляет около 10 сантиметра.
Сейчас на повестке дня с особой остротой стоит проблема создания единой основополагающей теории, объединяющей все известные силы. Пока удалось объединить электромагнитные и слабые силы. Возникла модель так называемых электрослабых взаимодействий. На очереди - модели великого объединения, или, как их еще называют, гранд-модели. Совершенно ясно, что законченная гранд-теория должна с единых позиций объяснить действие всех сил в микромире.
Это очень многообещающее направление в физике. Гранд-модели предсказывают массу удивительных вещей и, в частности, распад протона. Сейчас экспериментаторы пытаются обнаружить это явление, осуществить, как считают многие физики, эксперимент века. В случае успеха Природа воздаст должное пытливости человеческого ума.
Физика микромира, так же как и физика макромира, имеет дело с огромными энергиями. Недаром в разных странах мира: в СССР, в США, Швейцарии, ФРГ - построены ускорители, на которых удается исследовать частицы с энергиями порядка сотен ГЭВ. Эта энергия соответствует температурам в миллион миллиардов градусов. Может ли современная экспериментальная физика подняться еще выше по шкале энергии?
Тридцать с лишним лет назад Э. Ферми выдвинул идею ускорителя-гиганта, опоясывающего весь земной шар. Такой ускоритель представлял бы собой расположенное в космосе огромное кольцо вокруг Земли с радиусом около 7 тысяч километров. Это дало бы возможность достигнуть энергий в 10–10 ГЭВ, или 10–10 K. Ясно, что постройку такого ускорителя нельзя назвать делом ближайшего будущего.
Попытки разработки гранд-моделей, где при еще более высоких энергиях объединяются и электрослабые, и сильные взаимодействия, требуют энергии порядка 10–10 ГЭВ (10–10 К!). Для получения таких энергий нужно было бы построить кольцевой ускоритель порядка размеров Солнечной системы. Это уже чересчур не только для физики обозримого будущего, но и для научной фантастики. Ведь пока диаметр самого большого кольцевого ускорителя - "всего" 2,2 километра.
При переходе к высоким энергиям порядка 10 ГЭВ мир элементарных частиц должен стать в известном смысле проще. Ярмарочное обилие их должно "испариться" и число частиц существенно уменьшиться.
Здесь уместна следующая аналогия. Число минералов на Земле исчисляется несколькими тысячами. Но Давайте начнем увеличивать температуру Земли. Стоит нам достичь двух-трех тысяч градусов, когда плавятся самые тугоплавкие минералы, - и мы будем иметь достаточно гомогенную жидкость. Это будет расплав, не содержащий ни одного минерала. В нем будут присутствовать лишь элементы таблицы Менделеева, а их всего около сотни. Охладим его, и по мере охлаждения в нем начнут возникать множество самых различных типов минеральных зерен. Быть может, именно так, по мере перехода к неизмеримо более высоким температурам происходит некоторое "упрощение" системы элементарных частиц.
Но так ли на самом деле оптимистично выглядят перспективы теории элементарных частиц? Объединение электромагнитных и слабых взаимодействий - действительно триумф теоретической физики, причем триумф, увенчанный убедительным экспериментом. Мы знаем теперь, как ведет себя вещество и что оно собой представляет до энергий 100 ГЭВ. Но насколько справедлива экстраполяция на энергии 10 ГЭВ? Ведь здесь разница в 12 порядков, в тысячу миллиардов раз?
Нельзя исключить того, что здесь мы можем столкнуться с неизвестными явлениями, с новой физикой. Большинство физиков не верит, что между энергиями в 10 ГЭВ и 10 ГЭВ лежит "пустыня", что здесь не могут проявиться какие-то новые явления, и поэтому вопрос о том, какие частицы можно считать истинно элементарными, остается открытым.
Нам же важно сейчас отметить следующее. В нашем мысленном эксперименте мы начали сжимать Вселенную для того, чтобы посмотреть, что будет при этом с веществом. Мы дошли до энергии в сотни ГЭВ. Здесь есть эксперимент, здесь можно с уверенностью сказать, что физика дает хорошие прогнозы по интересующему нас вопросу. Теперь можно подвести некоторые итоги.
Этой энергии соответствует температура 10 K. Ясно, что ни атомных ядер, ни протонов, ни нейтронов при такой температуре нет. Есть лишь частицы, претендующие на роль истинно элементарных: лептоны, фотоны да вырвавшиеся на свободу кварки. Весь этот кварко-лептонный суп находится в состоянии, близком к термодинамическому равновесию. Это означает, что концентрация частиц поддерживается постоянной, скорости их рождения и гибели равны.