Эти два типа взаимодействия обладают очень малым радиусом действия: сильное работает на расстоянии порядка 10–13 сантиметра, а радиус действия слабого по порядку величины составляет около 10–16 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 107–108 ГЭВ, или 1020–1021 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 1014–1016 ГЭВ (1026–1028 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 1014 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 1014 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 102 ГЭВ и 1014 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 1015 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.
Можно, конечно, пойти дальше и пытаться смотреть, что будет с веществом при более высоких энергиях. Теоретики выпустили огромное количество работ, посвященных этой теме. Но, во-первых, твердо установившейся теории здесь нет, во-вторых, когда мы приближаемся к планковскому порогу, мы волей-неволей должны рассматривать Вселенную, радиус кривизны которой меньше размеров элементарных частиц, с плотностью вещества, достигающей 1094 г/см3. Это, вообще говоря, terra incognita для современной физики, и вряд ли кто-либо возьмется сказать, что представляет собой сверхплотная Вселенная. Можно надеяться, однако, лишь на то, что в этих экстремальных условиях применимы понятия плотности энергии и давления. Мы чуть позднее в самых общих чертах поговорим об очень-очень ранней Вселенной, а пока попытаемся описать ее начиная с времен от 10–10 секунды после Большого Взрыва.
Здесь при температурах 1015 K и плотностях, больших, чем плотность атомных ядер, основную роль играют адроны, лептоны и фотоны. Их энергия очень велика, а поскольку их много, они дают основной вклад в плотность энергии и определяют динамику расширения Вселенной.
В самой Вселенной в это время непрерывно идут реакции рождения пар частиц и античастиц, например, электронов и позитронов при столкновении энергичных фотонов: γ + γ
Для нас очень важно сейчас не забыть о кварках. Ведь именно кварки по мере остывания Вселенной образуют нейтроны и протоны; кроме этого, они участвуют в реакциях образования мезонов. Период свободной жизни для кварков кончается при энергиях 1 ГЭВ: они попадают в адронный «мешок» и навсегда становятся «невидимками», давая жизнь новым фундаментальным частицам.
Плотность упала до значений 1014 г/см3, прошла одна десятитысячная доля секунды после начала Большого Взрыва. Именно в эти моменты времени начинается так называемая адронная стадия эволюции Вселенной. Она продолжается недолго, чуть меньше секунды, но за этот короткий промежуток времени происходит очень много важных событий.
Температура еще достаточно высока, и в условиях обилия высокоэнергичных лептонов непрерывно идут реакции взаимных превращений нейтронов и протонов:
p + e–
p + ν–
При температуре больше 1011 K концентрации протонов и нейтронов примерно одинаковы. Но с понижением температуры концентрация протонов возрастает. Действительно, ведь масса протона меньше массы нейтрона, и поэтому в указанных выше реакциях образование протона при определенной температуре становится более выгодным энергетически. С дальнейшим понижением температуры эти реакции вообще прекращаются, и мы уже имеем дело с «замороженными» концентрациями протонов и нейтронов во Вселенной, когда Снейтр./Спрот. ≈ 0,15.