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.
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 кварка, порождаемого в вакууме за счет энергии, затраченной на освобождение кварка из недр протона или нейтрона.
Эти процессы, кажущиеся фантастическими, реализованы и подробно изучены при помощи самых мощных из имеющихся ускорителей заряженных частиц. На основе подобных исследований ученые были вынуждены признать, что при очень высоких энергиях, соответствующих температуре около 1028 К, электрослабые взаимодействия сравниваются по величине с сильными взаимодействиями и сливаются с ними воедино. Физики назвали этот процесс Великим объединением. Это значит, что при температуре, превышающей 1028, все составные частицы (протоны, нейтроны, мезоны и более сложные частицы) распадаются. Все вещество при этом существует в форме кварков и лептонов (этим наименованием обозначают семейство, состоящее из электрона, мюона, их родственника тау- лептона, трех нейтрино и их античастиц). Распад протонов, нейтронов и других составных частиц происходит вследствие того, что при температуре 1028 К частицы могут сближаться на расстояние 10— 28 см и ближе. Но на этих малых расстояниях силы, удерживающие кварки внутри составленных из них частиц, уменьшаются практически до нуля.