Очарование физики - Глэшоу Ш.Л.
ISBN 5-93972-151-6
Скачать (прямая ссылка):
Однако великое объединение не только предсказывает конечный распад всей осязаемой материи, оно также помогает объяснить, каким образом в очень молодой и горячей Вселенной могла образоваться материя. Примерный сценарий рождения материи в 1967 году описал Андрей Сахаров, который является, быть может, величайшим из ныне живущих советских физиков1. Он утверждал, что для создания материи были необходимы три вещи. Во-первых, должен был произойти Большой взрыв — громадный взрыв, отмечающий начало времени. Сейчас эта теория полностью принята в нашей стандартной научной космологии. Во-вторых, силы природы должны были определить стрелу времени. Ее существование было установлено в процессе экспериментальной работы Фитча и Кронина, которые за свой эпохальный труд в 1980 году были удостоены Нобелевской премии. Наконец, было необходимо еще и существование механизма распада материи — ингредиента, представляемого теорией великого объединения. Последние теоретические разработки показали, что видение рождения материи Сахаровым имеет смысл и в рамках нового синтеза.
Теория великого объединения решает несколько головоломок в физике частиц. Она объясняет, почему в природе существуют кварки и лептоны и почему они объединяются в семейства. Структура периодической таблицы кварков и лептонов просто-таки навязывается нам. Почему электрический заряд протона численно точно равен заряду электрона, но имеет противоположный знак? Для теории великого объединения это не есть ни тайна, ни совпадение; именно так и должны обстоять дела. Почему фотон не имеет массы? Теория, не являющаяся объединенной, этого не требует, а в теории великого объединения — это необходимый постулат. Почему сильные взаимодействия настолько сильнее электромагнитных? В объединенной теории при очень высоких температурах эти взаимодействия имеют равную силу. В холодной Вселенной, которую мы населяем, они расходятся. И опять, наша теория успешна в том, что вещи должны быть такими, какими мы их видим.
1B момент написания данного эссе Андрей Сахаров был еще жив. — Прим. пер. Великое объединение и будущее физики
287
Однако каким бы привлекательным ни казалось великое объединение, его необходимо подвергнуть точной экспериментальной проверке. Необходимо проверить три ключевых предсказания. Первая проверка связана со структурой слабых нейтральных токов. Великое объединение требует, чтобы некоторый наблюдаемый параметр (называемый «слабым углом смешивания») принимал определенное численное значение. Данные, которыми мы располагаем сейчас, согласуются с предсказанием в пределах 10 процентов. Для проверки этой теории нужны лучшие данные. Вторая проверка касается предсказания распада протона. Протон должен не просто распадаться по истечении предсказанного времени жизни, он должен распадаться именно так, как это предсказывает теория. Чтобы проверить эти предсказания, необходимо провести немало экспериментов.
Третья же проверка великого объединения несколько отличается от двух предыдущих. Специалисты по физике частиц уже привыкли к тому, что при достижении все более и более высоких энергий они открывают новые и очень интересные явления. Каждый новый ускоритель, почти без исключения, преподнес свою долю сюрпризов. Великое объединение предсказывает, что приближается последняя достижимая граница высоких энергий. Мы должны увидеть W- и Z-частицы. Нам нужно найти і-кварк. Необходимо изучить частицы, содержащие і- и 6-кварки. Не полностью исключена и возможность того, что при более высоких энергиях будет обнаружено четвертое семейство кварков и лептонов. Помимо всех этих деталей, великое объединение требует отсутствия каких бы то ни было сюрпризов. Оно предсказывает существование при высоких энергиях «великой пустыни», которая будет представлять очень скудный интерес для изучения.
Некоторых физиков пугает перспектива исчезновения границы высоких энергий. Они утверждают, что следующее поколение ускорителей, несомненно, ожидают новые чудеса. Быть может, они правы, но если мы не построим более крупные ускорители (типа LEP — Великой европейской машины мечты), мы никогда этого не узнаем. С другой стороны, вопросы стоимости, энергопотребления и ограниченных ресурсов, видимо, говорят о том, что мы не можем вечно создавать все более крупные ускорители частиц. Быть может, в ближайшем будущем мы узнаем о мире высоких энергий все, что нам нужно о нем знать. Мы найдем все ключи, которые нам необходимы, чтобы создать единственную и истинную физическую теорию. Зарождающийся предел границы высоких энергий нужно считать триумфом, а не трагедией.
Ускорители были нашим главным инструментом в течение всего нескольких десятилетий. В действительности, многие великие открытия физики частиц не зависели от такой искусственной помощи. И я уверен, 288
Великое объединение и будущее физики 288
что еще будут сделаны многие великие открытия, далекие от границы высоких энергий. Мы упоминали эксперименты по распаду протона, для которых ускоритель не нужен вообще, а нужны массивные подземные детекторы. Быть может, множество великих сюрпризов лежит прямо под нашими ногами. Другой дисциплиной, не требующей еще более крупных ускорителей, является изучение нейтрино. Эти призрачные частицы могут свободно проникать сквозь Землю. Их создают Солнце, космические лучи и ускорители: маленькие и большие. Имеют ли нейтрино массу? Изменяются ли они по мере движения? Лишь совсем недавно мы начали задавать эти важные вопросы. Наше давнее подозрение, что нейтрино могут составлять преобладающую форму материи во Вселенной, становится все сильнее и сильнее. Нейтрино определят, замкнута ли Вселенная. Обыкновенная материя, из которой состоим мы и наши звезды, может быть лишь второстепенным наполнителем Вселенной, состоящей главным образом из нейтрино.
