Занимательная астрофизика

В связи с этим возник принципиальный вопрос, так сказать, методологического свойства: можно ли считать реально существующими физические объекты, которые не удается выделить в чистом виде? В частности, по отношению к кваркам некоторые физики проявляют определенную осторожность: они допускают, что эти гипотетические фундаментальные частицы являются всего лишь вспомогательными физическими образами, позволяющими удобно описывать некоторые свойства микрообъектов. Такой точки зрения, например, придерживался один из крупнейших физиков-теоретиков В. Гейзенберг, и хотя в настоящее время под воздействием впечатляющих успехов хромодинамики и основанной на кварковой модели теории сильных взаимодействий подобная точка зрения является уже менее популярной, тем не менее она все же существует.

Возможно, это в значительной степени объясняется тем обстоятельством, что физики, работающие в области изучения элементарных частиц, привыкли к тому, что до сих пор все теоретически предсказанные новые элементарные частицы рано или поздно обнаруживались экспериментально. Кварки же выпали из этой привычной схемы развития событий.

Вообще вопрос о том, «что из чего состоит», когда речь идет о явлениях микромира, утрачивает свой совершенно ясный и отчетливый смысл. Так, например, на основе экспериментальных данных считается, что при распаде нейтрона образуются протон, электрон и нейтрино. Значит ли это, однако, что нейтрон состоит из этих частиц? Подобное заключение было бы неверно хотя бы уже потому, что сам протон может распадаться на нейтрон, позитрон и нейтрино.

Таким образом, понятие «состоит из…» по отношению к элементарным частицам обладает ограниченной применимостью.

Эти соображения необходимо принимать во внимание и тогда, когда речь идет о том, что адроны состоят из кварков.

В настоящее время считается, что в природе существуют кварки нескольких разных типов, или «ароматов» (по современной физической терминологии), и для каждого кварка имеется соответствующий антикварк.

Подобно тому, как квантовая электродинамика связывает взаимодействие заряженных частиц с обменом фотонами, квантовая хромодинамика объясняет взаимодействие кварков в нуклонах обменом особыми безмассовыми частицами — глюонами. Глюоны представляют собой кванты особых «глюонных» полей (от английского слова glue — клей).

Между теориями, о которых идет речь, существует и другое сходство. В квантовой хромодинамике есть физическая величина, аналогичная электрическому заряду в квантовой электродинамике. Она называется «цветом». Из опыта известно, что электрический заряд «квантуется» — заряд электрона, например, в точности равен по абсолютной величине заряду протона. Что же касается «цвета», то каждый кварк может находиться в одном из трех «цветовых состояний», условно названных красным, зеленым и синим (в некоторых вариантах теории — красным, синим и желтым).

Любой барион состоит из трех кварков разного цвета, но сам тем физическим свойством, которое соответствует понятию «цвет», не обладает. Именно по этой причине способ описания с помощью цвета оказался весьма удобным. Ведь, как известно, смешение красного, зеленого и синего цветов дает цвет, близкий к белому. Что касается мезонов, то согласно кварковой модели каждый из них образован кварком и антикварком. Поэтому мезоны так же «бесцветны», как и барионы: цвет антикварка нейтрализует «антицвет» кварка. А вот глюоны, осуществляющие сильные взаимодействия, имеют цвет и поэтому в изолированном виде не существуют.

Если на первых порах кварки рассматривались только в качестве составных частей некоторых элементарных частиц, то к настоящему времени понимание той роли, которую они играют в строении материи, в ее глубинных свойствах, значительно расширилось. В частности, обнаруживается явная взаимосвязь между тяжелыми частицами, электронами, мю-мезонами и кварками. Связь, которая позволила приступить к созданию единой теории, объединяющей все известные элементарные частицы. Суть этой теории состоит в том, что основные физические взаимодействия — слабое, электромагнитное, сильное и гравитационное — проявляются как разные только при сравнительно небольших энергиях, а при достаточно высоких энергиях они объединяются, сливаются.

В случае, если энергия взаимодействующих частиц достигает 10² ГэВ (соответствующая температура 10¹⁵ К), объединяются слабое и электромагнитное взаимодействия. При энергиях около 10¹⁵ ГэВ и температуре 10²⁸ К происходит «Великое объединение» — слияние не только слабого и электромагнитного, но и сильного взаимодействий. Когда же энергия достигает 10¹⁹ ГэВ, а температура 10³² К, то с ними; по-видимому, объединяется и гравитационное взаимодействие. Осуществляется так называемое «Величайшее объединение».

Сперва была разработана теория, объединяющая электромагнитные и слабые взаимодействия. Иногда ее называют «электрослабой». Эта теория уже получила блестящие экспериментальные подтверждения. В частности, она предсказала существование неизвестного ранее класса физических явлений — так называемых нейтральных токов.