Загадки микромира

Советские физики-теоретики Я. Зельдович, Я. Окунь и С. Пикельнер попытались проследить судьбу свободных, реликтовых кварков как реально существующих частиц, исходя из «горячей» модели вселенной.

Вначале, когда температура излучения была очень велика, рождались пáры любых частиц, в том числе и кварков. Но огромная плотность вещества «сжимала» их время жизни до ничтожных мгновений. Едва родившись, они тут же аннигилировали друг с другом — исчезали, превращаясь в излучение.

Как одни из самых тяжелых частиц, кварки, по-видимому, первыми ощутили изменение климата вселенной. Температура вселенной понизилась, и возникли условия, подобные условиям на современных ускорителях, когда для рождения кварков уже не хватало энергии. Вселенная расширялась, плотность ее вещества уменьшалась. Кваркам и антикваркам все труднее было находить друг друга, и процессы аннигиляции прекратились.

Кварки, спасшиеся от «выгорания», могли «дожить» до наших дней. Однако число их зависело от истории развития ближайшей к нам области вселенной. Если это были очень горячие области, то процессы аннигиляции могли уничтожить значительное количество кварков. Это обстоятельство делает ответ несколько неопределенным. Но вывод о том, что в природе может существовать только 10^–10–10^–13 кварка на каждый нуклон, дал возможность облегченно вздохнуть «охотникам» за этими экзотическими частицами.

А что может сказать теория эволюции вселенной о существовании в природе монополей Дирака?

Ученые в рамках «горячей» модели вселенной оценили возможную концентрацию «реликтовых» магнитных зарядов. Как и в случае с кварками, в какой-то момент эволюции вселенной аннигиляции монополей и антимонополей прекратились из-за недостаточной плотности этих частиц. Какой же части этих частиц суждено было дожить и до наших дней? Ответ неутешительный: 10^–13 частицы на квадратный сантиметр в секунду. Нелегко обнаружить частицы, присутствующие в природе в таком ничтожном количестве. Этим выводом космология внесла некоторое успокоение в души физиков-экспериментаторов, оправдав полученный ими отрицательный результат.

Последние достижения космологии совсем в ином свете представляют нам жизнь вселенной. Пресловутая космическая «пустота» уступает место ощущению тесноты. Четыреста реликтовых тепловых квантов приходится на объем в один кубический сантиметр!

На неведомых нам космических перекрестках потоки элементарных частиц, выброшенных звездами, наверняка встречаются с «вечными странниками» — реликтовыми тепловыми квантами и нейтрино, заполняющими космические просторы. Уж не из-за «трения» ли между космическими частицами и реликтовыми квантами максимальная энергия космических лучей, достигающих атмосферы Земли, не превышает 10¹⁹–10²⁰ электрон-вольт?

«Проблемы большой вселенной теснейшим образом переплетаются с задачами теории элементарных частиц, — говорил академик В. Амбарцумян. — Как ведут себя частицы сверхвысоких энергий, проходя через разреженное межзвездное вещество и космические магнитные поля? Имеются ли античастицы в космических лучах и каково их количество? Какой род элементарных частиц является основным носителем той огромной энергии, которая сосредоточена в радиогалактиках и постепенно излучается в виде радиоволн? Естественно, что многие астрофизики связывают возможность теоретического решения проблемы происхождения звезд и галактик с будущими успехами физики элементарных частиц».

Маленькая вселенная

В конце XVI века была впервые поставлена задача построения единой картины мира. Иоган Кеплер пытался объединить в понятии «вселенная» две, как казалось в то время, не пересекающиеся области земного и небесного.

И вот взволнованная реакция лирика, современника И. Кеплера, английского поэта Джона Донна:

Из параллелей и меридианов
Сеть человек соткал и эту сеть набросил
На небеса, и ныне — они в его владенье.

Так он писал в 1611 году в поэме «Анатомия мира».

Много воды утекло с тех пор. Много перемен произошло в мире. Армия ученых-естествоиспытателей давно разделилась на отдельные подразделения. Одни все глубже уходили в исследование структуры материи, другие стремились проникнуть в тайны космоса. Казалось, что они идут в противоположные стороны и что связь между структурой пространства, которое изучено уже на расстояниях в 10^–15 сантиметра, и процессами, происходящими в пределах видимой вселенной, удаленной на 10²⁸ сантиметров, становится менее заметной.

На самом же деле идея материального единства мира сейчас отчетливее, чем когда бы то ни было в прошлом, объединяет наше понимание сверхбольшого и сверхмалого. Все представления о большом космосе опираются на те же принципы, которым подчиняются законы микромира.

«Как ни замечательны последние астрономические открытия, они еще не вывели нас за пределы известных физических представлений и законов», — пишет академик В. Гинзбург.

Чего же ждут физики-элементарщики от астрофизиков и астрономов?