Кварки, протоны, Вселенная

Когда разумно поставленная задача долго не находит решения, полезно взглянуть на всю проблему с совершенно иной точки зрения. Среди физиков популярен был когда-то анекдот о том, как решает задачу посредственный научный сотрудник. Задача была взята из истории зоопсихологии, представители которой а начале XX в. исследовали мышление обезьян. Там была, в частности, такая задача. Экспериментаторы прикрепили к ветке дерева банан. Обезьяне требовалось достать его. Сначала она бросилась трясти дерево. Видит, не получается — крепко сидит банан. Подумала — схватила палку. Опять неудача — коротка палка. Снова подумала — метнула камень и сбила банан. Дали ту же задачу научному сотруднику, замотанному разными планами и отчетами. Он тоже, не теряя времени, схватился за дерево — трясет, и чем дольше, тем с большим рвением. «Подумай», — подсказывают ему. «Некогда! — отвечает. — Работать надо!» Так до сих пор и трясет...

Проблема монополей приобрела «второе дыхание», когда на нее посмотрели с принципиально новой точки зрения — с позиций теории «великого объединения». Если ехать по одной из скоростных автострад из Нью-Йорка, то через час с небольшим добираешься до тщательно охраняемой местности, застроенной редкими зданиями похожими на цехи. Это Брукхейвенская лаборатория — один из основных атомных институтов США. В 50-х годах два сотрудника лаборатории Чженьнин Янг и Роберт Миллс изучали обобщение максвелловских уравнений, которое они надеялись использовать для описания нового класса частиц — подобных фотону, но в отличие от него несущих на себе электрический заряд. Так сказать, квантов заряженного света. Теория получалась на редкость стройной и изящной; усовершенствованием и интерпретацией ее математического аппарата занимались многие физики, до тех пор пока в конце 60-х годов эти исследования не привели к новой теории, объединившей электромагнитные и слабые силы (последние вызывают распад элементарных частиц и атомных ядер). Теперь-то мы знаем, что все это — проявление различных компонент одного и того же «электрослабого поля» которое в зависимости от условий воспринимается нами как электричество, магнетизм или как особое, слабое взаимодействие элементарных частиц. И вот тут гипотеза монополей неожиданно получила мощную поддержку.

Есть страшное явление природы — цунами. Далеко в океане образуется необыкновенно устойчивая волна — изолированный всплеск, который, почти не изменяя своей формы и не растрачивая энергии, преодолевает огромные расстояния (в то время как обычная волна давным-давно успела бы угаснуть) и всю свою энергию одним ударом обрушивает на побережье. Такие события иногда происходят у нас на Дальнем Востоке. В открытом море волна цунами плоская, заметить ее трудно, но энергия у нее колоссальная. У побережья, затормаживаясь, она вздымается метров на десять, а то и больше и разрушает причалы, смывает целые поселки.

Теория говорит, что это не простая волна, а особое самоподдерживающееся, нелинейное образование. Оказалось, что в результате возмущений, вызванных внешним воздействием, а при определенных условиях и под действием внутренних сил в электрослабом поле, как в океане, возможно образование особых всплесков-цунами. Первыми это явление обнаружили в своих расчетах советский физик А. М. Поляков и голландский Т’Хуфт. Они заметили, что каждое «полевое цунами» ведет себя в пространстве подобно частице, а также, что особенно важно, с каждым таким всплеском связан изолированный магнитный полюс, северный или южный. Другими словами, новая теория подтвердила гипотезу монополей! С математической точки зрения монополь — это особое решение полевых уравнений, а с физической — сгусток энергии, новая частица.

Правда, монопольные решения получаются не во всех вариантах электрослабой теории. Для них нужны весьма специфические условия, и в конечном счете опять-таки только эксперимент способен подтвердить, существуют монополи в природе или нет. Расчеты, например, показывают, что полевые цунами-монололи могут образоваться, лишь имея достаточно большую массу. Они должны быть приблизительно в 10 тысяч раз тяжелее протона, то есть весить чуть ли не столько, сколько молекула белка.

В сравнении с другими элементарными частицами они мамонты среди мышей. Но существуют ли они, эти мамонты, в природе?

Еще более удивительные частицы предсказывает теория «великого объединения», в которой электрослабое поле объединяется с сильным, ядерным. Эта теория — дальнейшее развитие идей Янга и Миллса, следующий шаг в построении единой теории поля. Хотя теория «великого объединения» еще весьма неопределенна, у нее много различных вариантов и плохо изученных возможностей, предсказание цунами-монополей получается почти в любом ее варианте.

Просто поразительно, как с разных сторон математический аппарат подсказывает нам идею магнитных частиц.