Куда течет река времени - Новиков Игорь Дмитриевич

В 1965 году было сделано открытие, которое, казалось бы, должно ответить на все эти вопросы. Было обнаружено слабое электромагнитное излучение с температурой около трех градусов шкалы Кельвина, которое равномерно заполняет всю Вселенную. Оно присутствовало во Вселенной с самого начала расширения и было названо И. Шкловским, как мы уже знаем, реликтовым. Остыло оно в ходе расширения. А раньше, очевидно, его температура, а значит, и температура всего вещества, достигала очень высоких значений. Вселенная была горячей, давление вещества, которое тогда распределялось в пространстве почти равномерно, было огромным.

Большое давление на первый взгляд кажется крайне важным для объяснения взрыва Вселенной. Вспомним картину взрыва какого-либо заряда в малом объеме, например, химического (порох) или ядерного. Вещество заряда сильно нагревается, испаряется. И давление нагретых газов стремительно расширяет само вещество. Кажется, так же начала расширяться и Вселенная. Можно посчитать, что и здесь высокая температура и колоссальное давление стали причиной начала расширения Вселенной. Однако такое заключение оказалось бы неправильным. Между двумя этими явлениями имеется существенное различие.

При взрыве обычного заряда возникает перепад давлений — огромное давление внутри горячих газов и сравнительно малое атмосферное снаружи (если взрыв происходит в воздухе). Этот перепад и создает силу, расшвыривающую вещество, то есть силу создает перепад давлений, а не само высокое давление. Если бы снаружи давление было такое же, как и внутри, то, очевидно, никакого разлета вещества не было бы. Кроме того, и плотность расширяющегося газа при взрыве неоднородна: максимальна она в центре и уменьшается к краям. В ходе разлета перепад давлений, связанный с перепадом плотности и температуры, создает силу, подталкивающую разлетающийся газ.

Ничего подобного не было в начале расширения Вселенной. Ее вещество до образования небесных тел однородно, никаких перепадов плотности и давления не имелось, не возникало, значит, и силы, которая могла бы служить причиной начала расширения. Следовательно, большое давление горячего газа не являлось причиной начала расширения Вселенной. А что же послужило «первотолчком», давшим начальные скорости веществу?

Чтобы понять это, нам предстоит мысленно отправиться к самому «началу». А для этого познакомимся со свойствами материи при очень больших плотностях и температурах.

ПУТЕШЕСТВИЕ В НЕОБЫЧНЫЕ ГЛУБИНЫ

В нашем путешествии к истокам реки времени мы столкнемся с фактом, что чем ближе к сингулярности, тем выше температура Вселенной, а следовательно, больше энергия частиц материи. Какие процессы мы должны ожидать здесь, в мире гигантских энергий? Для того чтобы разобраться в этом, оставим на время космологию и отправимся в область бесконечно малого — в мир современной физики элементарных частиц.

Это наше путешествие будет очень кратким, и мы познакомимся в основном лишь с фактами, особенно важными для понимания процессов в ранней Все· ленной.

В физике элементарных частиц за последние два десятка лет произошел настоящий переворот. Стало ясно, что элементарные частицы, из которых состоит вещество, например такие, как протон и нейтрон, это вовсе не «кирпичики мироздания», а сложные системы, состоящие из еще более элементарных объектов — кварков. Было установлено существование целых классов новых частиц с совершенно необычными свойствами. Но, пожалуй, самое важное — это установление замечательного единства различных сил природы, которые еще недавно считались совсем несхожими по своей сути. Такое единство проявляется при очень больших энергиях и поэтому особенно важно для понимания начала расширения Вселенной.

Физика не впервые сталкивается с ситуацией, когда силы, совсем непохожие друг на друга, оказывались различными проявлениями более общей сущности. Такое случилось с электрическими и магнитными взаимодействиями. Люди были знакомы с проявлениями этих сил с незапамятных времен и думали, что магниты никак не воздействуют на электрические заряды и наоборот. Однако опытами А. Ампера, М. Фарадея и других было установлено, что движущиеся заряды создают магнитное поле, а движение магнита ведет к появлению электрических сил. Электромагнитная теория Дж. Максвелла через полвека объединила эти на первый взгляд разные взаимодействия в единую сущность — в электромагнитное поле. Таким образом, оказалось, что электромагнетизм един, и только в специальных условиях, когда нет движения, нет изменения полей во времени, он распадается на электричество и магнетизм.

А. Эйнштейн вскоре после создания общей теории относительности начал титаническую работу, пытаясь объединить электромагнетизм и гравитацию — те два вида взаимодействий, которые тогда были известны. Эти попытки он продолжал всю жизнь. Однако в то время наука не была еще готова не только для успешного выполнения этой задачи, но даже для осмысления грандиозности и значимости этих попыток. Очень многие физики относились к попыткам А. Эйнштейна весьма скептически. Так, знаменитый физик В. Паули образно говорил по этому поводу: «Что разделено богом, человеку не соединить». Когда же позднее начались попытки объединения других сил природы, то они часто встречали такой же скептицизм.

Весной 1988 года в Триесте я спросил знаменитого пакистанского физика, директора Международного исследовательского центра А. Салама о первых попытках создания теорий, объединяющих различные силы. Он ответил, что лет тридцать назад в это почти никто не верил, и посоветовал прочитать письмо, которое ему написал В. Паули в 1957 году и которое А. Салам приводит в одной из своих статей. В этом письме говорится: «Не торопясь читаю Вашу статью. (Под ярким Солнцем на берегу Цюрихского озера.) Меня очень удивило ее название — «Универсальное взаимодействие Ферми»; это связано с тем, что с некоторых пор я придерживаюсь правила: если теоретик говорит «универсальный», то это означает чистую бессмыслицу».

С времен первых попыток А. Эйнштейна прошло много десятилетий, и ситуация в физике резко изменилась. В настоящее время известны четыре вида физических взаимодействий: гравитационные, слабые, электромагнитные и сильные.

До сих пор мы говорили главным образом о гравитационном взаимодействии, управляющем движением небесных тел, но в мире элементарных частиц им можно пренебречь. Несколько предварительных слов о трех других взаимодействиях.

Примером процесса, идущего за счет слабого взаимодействия, является распад свободного нейтрона  nна протон р, электрон еи антинейтрино ν e. Мы видим существенное отличие проявления этого взаимодействия от рассмотренных нами проявлений гравитационного взаимодействия. Гравитация в том понимании медленных движений, о котором мы говорили, меняет только состояние движения частиц, слабое же взаимодействие меняет внутреннюю природу частиц: вместо нейтрона появляются протон, электрон и антинейтрино.

Сильные взаимодействия обусловливают различные ядерные реакции (такие, например, как термоядерные реакции), а также возникновение сил, связывающих нейтроны и протоны в ядра.

С электрическими и магнитными силами мы знакомы по школьным опытам, а поэтому они не нуждаются в комментариях.

Частицы, из которых состоит материя, делятся на группы в зависимости от свойств их взаимодействия.

Частицы, не участвующие в сильных взаимодействиях, называют лептонами. Таких частиц шесть. Это электрон e, мюон μ -, тау-лептон τ -и три сорта нейтрино: электронное ν eмюонное ν μ  и тау-нейтрино ν τ. (Тау-нейтрино пока не открыто. Однако, по-видимому, никто не сомневается в его существовании. Мы в дальнейшем не будем делать оговорок об отдельной неполноте наших знаний.)