Очарование физики - Глэшоу Ш.Л.
ISBN 5-93972-151-6
Скачать (прямая ссылка):
Именно здесь начинается самое тесное сотрудничество специалистов по физике частиц и космологов. Вселенная говорит нам, что должен существовать некий новый вид частиц или объектов, составляющих ее массу. Создается ощущение, что древние греки опять оказались правы! Они говорили, что земная материя образована четырьмя элементами, а небесная — пятым и совершенным элементом. Огонь, воду, землю и воздух уже заменили протонами, нейтронами, электронами и нейтрино, а сейчас мы идем по горячему следу космической квинтэссенции.
Относительно того, что же это за темная материя, выдвигалось много предположений: аксионы, фотино, магнитные монополи и слабо вза- Большое и малое
221
имодействующие массивные частицы (WIMPs1) — это лишь некоторые из них. У нас с моими друзьями есть свой собственный любимый претендент — заряженные массивные частицы, или CHAMPs2. Если мы правы, эта новая форма материи скрывается под маской сверхтяжелых изотопов обыкновенных химических элементов: одна половина в виде водорода с атомной массой в несколько сотен тысяч, а другая (анти-CHAMPs) — в виде сверхтяжелых изотопов других элементов. Именно вследствие своей тяжести эти частицы при столкновении с другими частицами в межзвездном пространстве теряют энергии не больше, чем ее теряет грузовик, когда о его ветровое стекло ударяются мухи. Поскольку эти частицы не могут замедлиться, они не могут и разрушиться, чтобы образовать звезды, а потому остаются темными.
Однако эти частицы бомбардируют Землю с частотой порядка одной частицы на квадратный дюйм в секунду. Едва попав в атмосферу, CHAMPs образуют молекулы сверхтяжелой воды, которая в виде дождя выпадает на Землю. После того как эти частицы, молекула за молекулой, накапливались в течение миллиардов лет, сегодня их должно насчитываться порядка десяти частей на миллиард по массе земной коры: их должно быть больше, чем золота и немногим меньше, чем серебра.
Группа гарвардских исследователей начала старательно искать CHAMPs. Они начинают со столь многообещающего образца материи, как глубоководное морское отложение. Они эстрагируют из этого образца воду и подвергают ее ультрацентрифугированию, которое собирает CHAMPs, если таковые существуют, в крошечную капельку. Затем они измеряют плотность этой капельки, чтобы посмотреть, не превышает ли она то значение, которое ожидается в отсутствие CHAMPs. Это достаточно простой эксперимент, но, насколько нам известно, ранее его не проводил никто. Идея о CHAMPs как о составляющих темной материи кажется абсолютно согласованной со всем, что нам известно, но она немного ненормальна. Вероятно, ученым не удастся найти никаких CHAMPs по одной простой причине — их несуществования.
Но только представьте, что наша прихоть — это реальность природы и что нам удастся найти эти частицы. Если они действительно существуют, то эстрагировать их не составит никакого труда. Подумайте о том, что мы могли бы сделать с ними. Помимо всех новых удивительных материалов, которые мы могли бы создать, мы сумели бы отделить CHAMPs от антиСНАМРэ и аннигилировать их в ускорителе. Вследствие их большой массы нам не понадобилось бы придавать им очень большое ускорение, чтобы добиться высоких энергий. Другими слова-
1Weakly Interacting Massive Particles.
2Charged Massive Particles. 222
Большое и малое
ми, CHAMPs могли бы обеспечить дешевый способ изучения физики высоких энергий — и, быть может, кроме этого, создали бы большое количество пригодной для использования энергии, не создавая побочных опасностей. Возможно, они смогут даже послужить в качестве топлива, которое нам необходимо, чтобы отправить космические корабли к звездам. Я надеюсь, что мы их найдем.
Физика высоких энергий, с CHAMPs или без них, все равно останется наукой, изучать которую стоит. В течение нескольких прошедших десятилетий она была нашим билетом к границе, более далекой, чем звезды, — границе человеческого воображения. Именно там находится наиболее интересная часть физики и космологии: в попытке понять таинственный механизм, пятнадцать миллиардов лет назад приведший к Большому взрыву. Сегодня наша Вселенная мертвенно холодна: всего на три градуса теплее абсолютного нуля, что примерно соответствует температуре жидкого гелия. (Конечно же, здесь, в столь уютном соседстве с нашим Солнцем, далеко не так холодно.) Но когда Вселенной было несколько сотен тысяч лет, она была однородной и горячей, примерно такой же горячей, как сварочная горелка. Именно тогда впервые образовались атомы. Еще раньше, когда Вселенной было всего несколько минут, она была еще горячее, около десяти миллиардов градусов, что соответствует частицам, движущимся с энергиями порядка миллиона электрон-вольт. Мы понимаем раннюю историю Вселенной только потому, что изучали ядерные реакции при этих энергиях на ускорителях. Например, Уильям Фаулер и его соратники из Калифорнийского технологического института показали, что большая часть маленьких атомных ядер во Вселенной, например, ядра гелия, дейтерия и лития, образовались в первые несколько минут.
