Очарование физики - Глэшоу Ш.Л.
ISBN 5-93972-151-6
Скачать (прямая ссылка):
А как насчет электронных нейтрино? Играет ли какую-то роль этот последний оставшийся представитель «первого семейства»? Его роль ни в коей мере не связана с материей, уж будьте уверены. Нейтрино играют Большая картина
115
основную роль в одной из трех разновидностей естественной радиоактивности, так называемом «бета-распаде». Именно в ходе этого процесса нейтроны и протоны могут превращаться друг в друга. В частности, это необходимый механизм превращения водорода, который присутствует в недрах каждой звезды, в более тяжелые ядра - процесс, имеющий колоссальную важность для жизни на Земле по двум причинам. Материал, из которого состоит наша планета, сформировался в недрах звезд очень и очень давно. Теплые солнечные лучи создаются в Солнце при ядерном синтезе. Если бы не было электронных нейтрино, то ничего подобного не могло бы и быть. Космическая Земля была бы твердым шаром, состоящим из замороженного водорода. Таким образом, первое семейство кварков и лептонов, во всей своей полноте, необходимо для существования мира в том виде, в каком мы его знаем.
В чем же состоит основная цель второго и третьего семейств? Судя по всему, они не играют никакой существенной роли в повседневных явлениях. Технология не нашла никакого применения ни мюону, ни с-кварку (очарованному кварку). Тем не менее, эти любопытные частицы существуют. Они создаются космическими лучами и получаются на ускорителях частиц. Именно они преобладали во Вселенной на ранней стадии ее развития. Почему же существует три семейства частиц, когда, казалось бы, хватило и одного? Эту проблему специалисты по физике частиц называют «вопросом избыточного копирования». Точного ответа на этот вопрос у нас пока нет, но есть одна подсказка.
В природе существует несколько любопытных асимметрий. Одной из них является нарушение «инвариантности относительно обращения времени», существование даже в микромире четко определенной стрелы времени. В повседневном мире прошлое и будущее совершенно определенно отличаются друг от друга. Люди, например, сначала рождаются, а потом умирают, и никогда не наоборот. Это мы понимаем. Это связано с тенденцией сложных систем, состоящих из большого количества частей, приходить в беспорядок в отсутствие активного вмешательства — фундаментальный принцип, известный как «второй закон термодинамики». Но атомы и элементарные частицы не являются такими сложными системами. Когда-то мы считали, что для них вообще нет никакой разницы между прошлым и будущим. Но мы ошибались. Группа экспериментаторов из Брукхейвенской национальной лаборатории обнаружила, что даже самые простые системы способны «чувствовать» стрелу времени.
Другая природная асимметрия связана с материей и антиматерией. Каждой материальной частице соответствует античастица, имеющая точно такую же массу и диаметрально противоположные электрические свойства. При нормальных условиях материя и антиматерия сосуществовать не могут. Земные объекты состоят исключительно из материи, но, 116
Большая картина
в принципе, они точно также могли бы состоять из антиматерии. Антиматерия может создаваться в крошечных количествах в лабораториях физики высоких энергий. Причем во всех лабораториях мира за все время было создано не более миллиграмма антиматерии. Вся наша Солнечная система состоит из материи. То же самое касается Млечного Пути и соседних галактик. Ученые полагают, что вся известная Вселенная состоит из материи и вряд ли содержит даже малую долю антиматерии. Почему? За что природа так несправедлива к антиматерии?
Андрей Сахаров, лауреат Нобелевской премии мира 1975 года, известен во всем мире как мужественный защитник прав человека в Советском Союзе и не только. Гораздо меньшее количество людей знает, что он также является одним из величайших ныне живущих физиков1. На его ранней работе по ядерному синтезу основаны современные попытки приспособить механизм солнечной печи к получению электричества на Земле. В 1967 году он увидел связь между двумя асимметриями: между материей и антиматерией и относительно обращения времени. В контексте теорий, которые тогда еще не были разработаны, он показал, как из одного может создаваться другое. В очень молодой и горячей Вселенной действие асимметрии относительно обращения времени состояло в том, чтобы превратить ее в место, где преобладает материя (а не антиматерия). Однако Сахаров не только указал путь к разгадке сложной головоломки, он одним из первых показал, насколько глубоко связаны космология и физика частиц: в данном случае, как открытие, сделанное в физике частиц, может объяснить возможную эволюцию Вселенной.
Но как все это связано с тремя семействами кварков и лептонов? Аргумент Сахарова основан на современной «теории великого объединения», согласно которой симметрию относительно обращения времени очень легко нарушить, причем, на самом деле, это вообще происходит автоматически — только если существуют, по крайней мере, три семейства основных материальных частиц. Дополнительные семейства могут оказаться не такими избыточными, какими кажутся. Без них не произошло бы естественного нарушения симметрии относительно обращения времени, вследствие чего Вселенная находилась бы в равновесии между материей и антиматерией. В такой Вселенной не было бы ни Солнца, ни Земли, ни людей, интересующихся тем, как же все это работает.
