Куда течет река времени - Новиков Игорь Дмитриевич

Прежде всего оказывается, что в нашей сегодняшней Вселенной могут существовать диковинные образования, являющиеся вкраплениями вакуумноподобных состояний или, как их иначе называют, вкраплениями «ложного вакуума» в наш «истинный вакуум».

Поясним, что здесь имеется в виду на упрощенном примере. Для этого вспомним, как образуется «наш вакуум», когда хиггсовское поле, являющееся ложным вакуумом, «скатывается» с потенциальной «горки». в «ложбину». Представим себе, что горка имеет вид холмика, возвышающегося над круглой ложбиной (см. рисунок 16). Теперь шарик, положенный на вершину, может скатиться в любое место круговой ложбинки. Это значит, что наинизшее энергетическое положение шарика может быть различным и характеризоваться точкой в ложбине. Эта точка может отмечаться направлением (стрелкой), по которому скатывался шарик с вершины. Таким образом, наинизшее энергетическое состояние должно характеризоваться еще и стрелкой. В разных точках пространства новый вакуум мог образовываться при «скатывании» шарика по разным направлениям, то есть «стрелка вакуума» может быть ориентирована по-разному, плавно поворачиваясь от места к месту.

рис.16

Изобразим картину подобных стрелок в разных точках на плоскости. Может случиться так, что, плавно поворачиваясь от точки к точке, стрелки совершат полный поворот, как показано на рисунке 17. Тогда всегда найдется такая точка (точка А на рисунке 17), вблизи и вокруг которой стрелки имеют самые разные направления. Таким образом, в точке А нельзя придать стрелке такого направления, чтобы оно плавно переходило в направление стрелок в соседних точках. Это значит, что старое вакуумноподобное состояние («ложный вакуум») в данном месте не сможет «скатиться с горки» ни по какому направлению, чтобы вместе с другими стрелками образовать новый вакуум с плавным поворотом от точки к точке. В данной точке А останется старый вакуум, а вокруг будет вакуум новый!

          рис.17

Интересную механическую аналогию возможности возникновения такой странной ситуации, когда система стремится перейти в более выгодное энергетическое состояние, но не всем точкам системы удается это сделать, придумал физик В. Унру.

Рассмотрим множество карандашей, стоящих вертикально на плоскости и соединенных между собой резинками, закрепленными у верхних концов (рисунок 18а). Ясно, что такое их положение неустойчиво, каждый из них при малейшем сотрясении стремится упасть. Но направление, в котором начнет падать каждый карандаш, случайно. Конечно, все они могут упасть примерно в одном направлении (рисунок 18б). Тогда вся система перейдет в более выгодное энергетическое состояние лежащих карандашей. Но представим себе, что далекие друг от друга карандаши начали падать в разные случайные стороны (рисунок 18в), увлекая за собой резинками соседние. Тогда возможно, что вокруг какого-либо карандаша (А на рисунке 18г) его соседи упадут по разным направлениям, натягивая за собой резинки. В результате карандаш А останется стоять, удерживаемый в таком положении растяжками-резинками. Теперь его положение вполне устойчиво и он не будет падать даже при заметных сотрясениях.

Рис. 18а, б

Так и в случае хиггсовского поля, образующего состояние ложного «вакуума». Оно может вокруг какой-то точки «скатиться» с горки в разных направлениях и тянуть за собой поле в данной точке, которое, как карандаш на растяжках-резинках, уже не может в этой точке «скатиться» с горки и останется в первоначальном положении.

Похожие ситуации могут возникать не только на плоскости, но и в пространстве. Такое, оказывается, возможно при спонтанном нарушении симметрии с понижением температуры образования нового вакуума, в который вкраплены точки старого вакуума и этот старый вакуум не может разрушиться, не может перейти в новый; по аналогии с тем, как карандаш А не может упасть и присоединиться к своим соседям.

Рис. 18в, г

Необходимость возникновения таких удивительных объектов в теории великого объединения была показана советским физиком А. Поляковым и американским физиком Г. т’Хофтом в 1974 году. Что же это за образования?

Свойства их должны быть удивительны. Прежде всего, оказалось, что они должны быть изолированными магнитными полюсами.

Вспомним по этому поводу следующее весьма странное обстоятельство. Среди элементарных частиц есть электрически заряженные, но нет магнитозаряженных! Конечно, многие элементарные частицы обладают магнитными свойствами. Но при этом они представляют собой маленькие магнитики, то есть у них всегда есть и северный и южный магнитные полюса одновременно. Ни в мире элементарных частиц, ни вообще нигде в природе не обнаружен изолированный только, скажем, северный или только южный магнитный полюс. Они встречаются обязательно в паре. Если разрезать магнит пополам, то мы не получим, конечно, отдельно северный и отдельно южный полюса, а получим два магнита, и у каждого будет пара полюсов. В то же время изолированный электрический заряд — и положительный, и отрицательный — встречается сплошь и рядом. Почему это так? Чем магнитный заряд хуже электрического?

Да ничем! Еще в 1931 году английский физик П. Дирак показал, что изолированные магнитные заряды, как говорят — магнитные монополи, вполне могут существовать в природе. Физики уже давно пришли к твердому убеждению, что все то, что не запрещено специально законами природы, должно реально существовать (хотя иногда и является весьма редким или существующим в экзотических условиях).

Такова же судьба и предсказанного П. Дираком магнитного монополя. Он должен существовать, согласно теории Великого объединения, в виде вкраплений старого вакуума в новый. От этого образования исходят магнитные силовые линии точно так же, как из электрона исходят силовые линии электрического поля. Однако между магнитным монополем и электроном есть весьма существенные различия. Прежде всего, магнитный монополь очень массивен. Его масса должна быть, вероятно, в тысячу миллионов миллиардов раз больше массы протона. Даже с нашей макроскопической точки зрения это не так уж мало и составляет одну стомиллионную долю грамма.

Но наиболее существенное отличие монополя от истинно элементарных частиц состоит в том, что он обладает сложной внутренней структурой в пространстве. Большая часть его массы сосредоточена в очень маленьком объеме — в поперечнике в миллион миллиардов раз меньше размеров атомного ядра. Этот размер во столько же раз меньше размера протона, во сколько маленькая монетка меньше всей Солнечной системы!

Внутри этого крошечного объема сосредоточена большая энергия, там царит Великое объединение всех сил природы (кроме гравитации). Вокруг этого ядрышка есть зона, где присутствуют многочисленные X- и Y-бозоны. Во внешних, достаточно разреженных, областях имеются и W +-, W --, Z 0-бозоны. Внешние границы монополя имеют радиус примерно в сто раз меньше размеров атомного ядра. Читатель наверняка уже догадался, что огромная масса монополя является непреодолимым препятствием для получения его на ускорителях. Однако монополи могли остаться в виде реликтов процессов в очень ранней Вселенной. Как можно было бы их зарегистрировать?

Простейший путь состоит в следующем. Представим себе, что имеется круговая петля сверхпроводника, по которой течет электрический ток. Если магнитный монополь пролетит сквозь такое кольцо, то это приведет к появлению электродвижущей силы в кольце и ток в нем внезапно изменится, что может быть зарегистрировано. Разумеется, при этом должны быть приняты специальные меры защиты этого кольца от других причин, которые могут привести к внезапным изменениям тока в кольце.