Очарование физики - Глэшоу Ш.Л.
ISBN 5-93972-151-6
Скачать (прямая ссылка):
Таким образом, специалисты по физике частиц рассматривают наблюдаемые асимметрии природы как искусственный признак, вызванный преобладающей во Вселенной низкой температурой. При более высоких температурах врожденная симметричность Вселенной проступает более явно. К сожалению, в данном случае слово «высокие» в действительности означает очень высокие. Существует три области: 270
Великое объединение
• Горячая. Сюда я отношу температуры выше IO29 градусов Кельвина, или энергии порядка IO16 ГэВ. При таких условиях существует полная симметрия. Кварки и лептоны не имеют массы и не отличимы друг от друга. Сильные, слабые и электромагнитные взаимодействия — эквивалентные разделы теории великого объединения. Сегодня эти температуры практически недостижимы. Они достигались только в первые мгновения Большого взрыва. С тех пор Вселенная замерзла, потеряв свою симметрию.
• Теплая. Это область между IO29 и IO15 градусами Кельвина, или между энергиями в 100 и IO16 ГэВ. Нижняя граница такой энергии скоро станет достижима для ускорителей, которые в настоящее время строятся в Европе и в США. При этих температурах очевидной должна быть симметрия между слабыми и электромагнитными взаимодействиями. Это диапазон энергии, в котором можно подвергнуть точной проверке объединенную теорию электрослабых взаимодействий.
• Прохладная. При более низких энергиях теряется вся симметрия вселенной за исключением «цвета», лежащего в основе сильных взаимодействий, и «заряда», создающего электромагнетизм. Слабые взаимодействия наблюдаются как слабые, потому что повседневные энергии во много раз меньше энергий в 100 ГэВ, соответствующих электрослабым взаимодействиям.
Простейшая теория великого объединения основана на математической группе, известной под названием SU (5). Это уникальная объединенная теория, в которой основными семействами частиц являются всем известные кварки и лептоны. В этой теории присутствует ровно 24 частицы, в процессе обмена которыми возникают силы: фотон, переносящий электромагнетизм, не имеющий массы и могущий быть увиденным; три переносчика слабых взаимодействий (W+, W~, Z0), которые имеют массу порядка 100 ГэВ (если выразить ее через энергию) и могут наблюдаться (мы должны их увидеть с помощью ускорителей следующего поколения); восемь глюонов, которые переносят сильные «хромодинамические» взаимодействия и, будучи окрашенными, не могут наблюдаться по отдельности, хотя их косвенные «отпечатки» видны достаточно четко; еще двенадцать частиц, которые имеют большую массу (около IO16 ГэВ), очень короткое время жизни и, в принципе, наблюдаться не могут. Эти последние частицы приводят к новой силе, в IO28 раз более слабой, чем обычные слабые взаимодействия. Эта новая сила может превращать кварки в лептоны, тем самым приводя к распаду 271 Великое объединение
протонов — самому драматическому предсказанию теорий великого объединения. Следовательно, вся материя распадается, хотя и через очень долгий период полураспада. Среднестатистический протон должен распадаться через IO31 лет, ошибка данного значения может быть равной множителю 10.
Теория предсказывает, что в тонне материи один протон должен распадаться каждые десять лет. Хотя этот эффект и представляется очень малым, его все же можно зарегистрировать. В настоящее время в Индии, Юте, Огайо, Миннесоте и, возможно, в Альпах в подземных шахтах проводятся такие эксперименты, задействующие сотни или тысячи тонн материи. Через год или два мы должны узнать, действительно ли распадается протон и действительно ли «бриллианты вечны».
Однако великое объединение не только предсказывает смерть всей материи, оно может объяснить и ее рождение. Ученые уже давно задаются вопросом, почему Вселенная состоит именно из материи, а не из антиматерии, но только сегодня мы приближаемся к ответу. В очень молодой Вселенной взаимодействие, создающее и разрушающее протоны, было гораздо более сильным, чем сегодня. Считается, что взаимодействие, которое приведет к распаду протона, когда-то отвечало, прежде всего, за создание материи.
Великое объединение имеет лишь несколько экспериментальных проверок. Оно предсказывает значение параметра, который изобрел я, но который называется углом Вайнберга. Пять лет назад это предсказание очень сильно расходилось с экспериментальными данными. Проведя всего лишь более точные эксперименты, экспериментаторы изменили свое значение. Сегодня экспериментальное значение угла Вайнберга полностью согласуется со значением, предсказанным SU(5). Очень скоро мы узнаем, распадается ли протон, как это предсказывает SU (5).
К сожалению, эксперименты по распаду протона показали, что протоны живут гораздо дольше, чем это предсказывает SU(5). Таким образом, была доказана ошибочность простейшей теории великого объединения. И все же эти эксперименты привели к неожиданному открытию. Детекторы, которые должны были регистрировать распад протона, были установлены как раз вовремя, чтобы зарегистрировать волну нейтрино, исходящих от сверхновой, вспыхнувшей в 1987 году. Вместо того чтобы подтвердить мою теорию распада протона, эти эксперименты доказали, что астрофизики действительно понимают сущность сверхновых.
