Удивительная космология

Для начала вспомним о четырех типах фундаментальных взаимодействий – электромагнитном, сильном, слабом и гравитационном, под знаком которых развивается этот несовершенный мир. Вкратце напомню вам, читатель, что электромагнетизм был исчерпывающе описан английским физиком Джеймсом Максвеллом в 1873 году. Если бы не эта сила, построенная на противоборстве двух полярных начал (заряды одного знака отталкиваются, а разноименные – притягиваются), ни атомы, ни молекулы не смогли бы существовать. Химия и биология так или иначе сводятся к электромагнитному взаимодействию. Телевидение и радио, благодаря которым мы узнаем о цунами в Индонезии, эскападах недобитых талибов в предгорьях Гиндукуша или очередном взлете цен на нефть на мировых рынках, тоже обязаны своим существованием феномену электромагнетизма.

Сильное взаимодействие удерживает протоны и нейтроны внутри атомного ядра, противодействуя силам кулоновского отталкивания, а также склеивает воедино субъядерные частицы – кварки, из которых построена вся материя. Слабое взаимодействие (слабее его только гравитационное) отвечает за превращения элементарных частиц в микромире и некоторые виды радиоактивного распада.

Наконец, гравитационное взаимодействие (оно самое слабое из всех – электромагнитное отталкивание противоположных зарядов превышает стягивающую силу гравитации в 10⁴³ раз) вынуждает тела притягиваться друг к другу и имеет только один знак – массу (что такое «масса» и откуда она берется, не знает никто). Но электромагнитные силы действуют только на заряженные объекты, а гравитация – на все тела без исключения, обладающие массой. А поскольку макроскопические структуры почти всегда электрически нейтральны, сила всемирного тяготения приобретает определяющую роль в космологических масштабах.

Переносчиками электромагнитного взаимодействия являются фотоны (если точнее – виртуальные фотоны), сильного – глюоны (от английского glue — «клей», «клеить»), слабого – так называемые тяжелые векторные бозоны (W⁺-бозон, W^--бозон и Z⁰-бозон). А вот гравитация стоит в этом ряду особняком, потому что переносчик гравитационного взаимодействия – гипотетический гравитон – до сих пор не обнаружен. Поэтому гравитационное поле описывается в рамках общей теории относительности как искривленный четырехмерный пространственно-временной континуум. Кривизна пространства определяется наличием масс, а сами эти массы, как уже говорилось прежде, перемещаются не по прямой, а по траекториям наименьшей длины – геодезическим линиям. Вспомним простой пример. Если положить на эластичный резиновый лист увесистый металлический шарик, резина просядет, образовав ямку. Если теперь взять шарик поменьше и попробовать его прокатить мимо тяжелого шара, он или скатится в углубление (притянется к тяжелому шару), или опишет около него некоторую кривую, что будет зависеть от скорости легкого шарика и расстояния между ними. Чем больше масса, тем сильнее искривляется пространство. Другими словами, сила гравитации эквивалентна изгибу пространства-времени.

Искривление пространства (схематичное изображение)

Остается добавить, что электромагнетизм и гравитация являются дальнодействующими силами, а сильное и слабое взаимодействия эффективны только на малых и сверхмалых расстояниях (10^-13—10^-15 сантиметров и 10^-16—10^-17 сантиметров соответственно).

В 1967 году в физике элементарных частиц произошло знаменательное событие. Американец Стивен Вайнберг и англичанин Абдус Салам независимо друг от друга показали, что электромагнитное и слабое взаимодействия имеют единую природу и общее происхождение. Порознь они выступают только при сравнительно низких температурах, а при температуре порядка 10¹⁵ градусов становятся неразличимыми, объединяясь в электрослабую силу. Из модели Вайнберга – Салама следовало, что в дополнение к фотону существуют еще три частицы, которые являются переносчиками слабого взаимодействия, – уже знакомые нам векторные бозоны («дубльве плюс», «дубльве минус» и «зет ноль»). При высоких уровнях энергии, соответствующих температуре 10¹⁵ градусов Кельвина (а температура, как известно, есть лишь мера количества энергии), W-и Z-частицы начинают вести себя точно так же, как без-массовый фотон. Это напоминает поведение шарика при игре в рулетку.

Стивен Вайнберг

Абдус Салам

Стивен Хокинг пишет: