PRO парадоксы науки

Впоследствии следы антиматерии искали повсюду: от аномального поведения некоторых комет до необычных следов в столкновениях элементарных частиц. С помощью гипотезы антиматерии пытались объяснить многие взрывные выделения энергии в дальнем космосе, в частности в ядрах активных галактик. Возможно, убедительные доказательства существования антимира сможет предоставить мощный детектор элементарных частиц, созданный международным коллективом физиков Европейского Центра ядерных исследований (ЦЕРН). Для этой цели планируется доставить на МКС уникальное устройство – альфа-магнитный спектрометр, весящий без малого девять тонн.

В других детекторах, широко применяемых в земных высокогорных обсерваториях, гостей из антимиров ищут в так называемых пузырьковых камерах, где микрочастицы оставляют в пересыщенном растворе следы из капелек конденсата наподобие инверсионных следов у высотных самолетов. В свое время исследуя такие следы – треки элементарных частиц – при столкновениях космических лучей с атомами-мишенями, удалось сфотографировать реакции, в которых образовывались частицы с массой электрона, но положительным электрическим зарядом. Так были экспериментально открыты первые античастицы – позитроны, а вскоре построены ускорители элементарных частиц, позволившие обнаружить многие античастицы в лабораторных условиях.

Нерешенная задача поиска гипотетических космических антимиров, полностью построенных природой из античастиц или хотя бы сгустков антиматерии во Вселенной, неразрывно связана с задачей нарушения баланса в первые мгновения Большого взрыва, когда частиц и античастиц должно было бы быть ровно поровну. Решить подобную «антиматериальную» задачу астрофизики надеются с помощью космических сверхчувствительных детекторов микрочастиц. Кроме всего прочего, новые уникальные космические модуль-лаборатории могут прояснить многие тайны, связанные с загадочными компонентами мироздания: темной материей и темной энергией, которые в совокупности составляют почти всю наблюдаемую Вселенную – метагалактику.

Шведский ученый, лауреат Нобелевской премии Ганнес Альвен (1908–1995), которого большинство астрономов, космологов и астрофизиков до сих пор считают своеобразным еретиком в физике космоса, полагал, что окончательный выбор между различными теориями возможен лишь после того, как будет обнаружено антивещество или доказано, что Вселенная его не содержит. В этом направлении он поддерживал и развивал теорию известного шведского физика Оскара Клейна (1894-1977), считавшего, что наличие обширных областей структурированной антиматерии связано с его моделью терагалактики, состоящей из множества метагалактик. Этот необычный космологический сценарий предполагает, что некогда космос был заполнен разряженным газом «амбиоплазмы», впоследствии конденсировавшейся в метагалактические структуры, расположенные на дистанции во многие триллионы световых лет. Путем сложных построений Клейн доказал, что при такой генерации галактических структур обязательно должны бы образовываться и антимиры.

Правда, Альвен с пессимизмом отмечал, что в настоящее время это не совсем реально, хотя и существуют определенные косвенные аргументы, связанные с колоссальным выделением энергии в пульсарах, квазарах и ядрах активных радиогалактик…

Одно время последователи Альвена и Клейна даже утверждали, что каждая вторая далекая галактика может содержать антиматерию, однако современные наблюдательные данные не поддерживают подобную гипотезу.

Глава 3. Гравитационный коллапс

Астрофизики считают, что черные дыры чаще всего могут образовываться в результате коллапса нейтронных звезд, когда при сжатии их гравитационное поле уплотняется все сильнее и сильнее. Наконец звезда сжимается до такой степени, что свет уже не может преодолеть ее притяжения.

Ж.-П. Люмине.

Черные дыры: Популярное введение

Многие нерешенные задачи науки имеют как бы второе дно, за которым скрывается поиск экспериментальных подтверждений вполне ясных теоретических построений. Такой задачей является исследование гравитационного коллапса – удивительного явления падения очень плотного и массивного вещества под собственным весом «внутрь себя». Причем падение бесконечное!

В результате гравитационного коллапса образуются (вернее, должны теоретически образовываться) поразительные небесные тела квазары, состоящие из одной или нескольких черных дыр – объектов, в которых материя сжата настолько плотно, что ее гравитационное поле не выпускает за свои пределы никакого излучения, включая лучи видимого света. Если черная дыра с массой от миллиона до миллиарда солнечных масс находится в центре галактики с большой плотностью вещества, то это вещество «засасывается» черной дырой. При этом гравитационные силы настолько велики, что заставляют падающее вещество излучать, превращая галактику в активную. Именно это излучение и выдает ученым присутствие квазаров – черных дыр.

По теории черные дыры должны возникать при гравитационном разрушении массивных звезд в процессе гравитационного коллапса – безудержного сжатия умирающего светила под собственным весом. Если черная дыра образовалась где-то в «пустых» просторах космоса, ее практически невозможно наблюдать. Однако ситуация меняется, если гравитационный коллапсар образовался вблизи в газопылевом облаке. Тогда падение межзвездной среды может весьма эффективно высветить провал черной дыры. Однако далеко не каждое космическое тело, провалившееся в черную дыру, даст яркий видимый всплеск излучения. При падении на гравитационный коллапсар газовой среды важна симметрия потока межзвездного вещества – если он сферически симметричен, то излучение энергии будет незначительным. Для существенной «энергетической отдачи» необходим вращающийся вокруг коллапсара аккреционный диск. В этом случае межзвездное вещество, двигаясь по сходящимся к центру черной дыры спиралям, будет сильно разогреваться в плоскости диска. Именно подобные раскаленные диски и надеются когда-нибудь воочию увидеть астрономы.

Схема гравитационного коллапсара

Не решенная до сих пор научная задача непосредственного наблюдения черной дыры делает несколько двусмысленными многочисленные исследования этих по истине странных космических объектов. Строго говоря, надо говорить лишь о «кандидатах в черные дыры», но астрономы так уверены в косвенных признаках их существования, что давно уже считают вполне реальными небесными телами. Трудно даже представить, какая их накроет волна разочарования, если действительность окажется несколько иной…

Согласно современным представлениям черные дыры поглощают световые лучи, проходящие вблизи их поверхностей, и отклоняют лучи, попадающие в их эффективную сферу притяжения. Они легко могут вступать в гравитационное взаимодействие с иными небесными телами, поглощая межзвездное вещество и образуя возле себя планетарные и звездные системы. Вещество, попадающее в сферу притяжения черной дыры, может разогреваться до очень высоких температур, выбрасывая вокруг потоки интенсивного рентгеновского излучения. Исходя из этих в общем-то сугубо теоретических представлений астрономы и считают, что во многих двойных звездных системах источниками рентгеновского излучения являются невидимые компоненты черных дыр.

Недавние астрономические наблюдения с помощью космических телескопов позволяют дать статус кандидатов в черные дыры трудновообразимым гигантам с многомиллиардной солнечной массой. Многие астрономы считают, что подобные сверхмассивные объекты находятся в центре практически всех галактик, играя важную роль в их возникновении и последующей эволюции.

Еще более впечатляющую картину с помощью компьютерных моделей рисуют астрофизики для тесных двойных систем, где аккреционный диск возникает при орбитальном вращении светила и коллапсара, перетекая на черную дыру феерическим потоком звездной плазмы. Вскоре после запуска новых орбитальных рентгеновских телескопов выяснилось, что черные дыры могут активно проявлять себя в тесных двойных системах, в процессах поглощения звездной плазмы, нагревающейся до температуры в миллионы градусов, что и сопровождается всплеском рентгеновского излучения.

Кроме того, возможны и тесные двойные системы исключительно из черных дыр. При этом коллапсары могут сближаться и сливаться, и тогда вблизи них будут ощущаться гравитационные волны – пульсации кривизны пространства-времени. Если вблизи окажется космический корабль, то его будет трясти, сжимать, растягивать, как обычный корабль в сильный шторм. В результате таких слияний должны возникать быстро вращающиеся сплюснутые коллапсары, превращая черные дыры в блины.

Учитывая важнейшие структурные свойства черных дыр (массивность, компактность и невидимость) астрономы постепенно выработали стратегию их поиска. Проще всего обнаружить черную дыру по ее гравитационному взаимодействию с окружающим веществом, например с близкими звездами. Правда, попытки визуально обнаружить невидимые массивные спутники в двойных звездах по эффектам поглощения ими своих светил-партнеров пока еще не увенчались успехом.

Другим направлением поиска гравитационных коллапсаров может служить изучение ядер галактик. В этих структурных образованиях, которые многие астрофизики связывают с загадочными квазарами, по идее должны скапливаться в сверхплотном состоянии колоссальные количества звездной материи, образованной сталкивающимися и сливающимися светилами. Теория предсказывает, что в подобных условиях вполне могли бы сформироваться сверхмассивные гравитационные коллапсары квазизвездного типа. Притягивая и разрушая окружающие их светила, эти «звездные каннибалы» способны создавать в центре галактик чудовищные аккреционные диски, выбрасывая вдоль их осей грандиозные фонтаны сверхбыстрых струй и потоков микрочастиц. Подобные феерические картины астрофизики уже наблюдали вблизи некоторых галактических ядер, что как минимум указывает на правильное направление поиска сверхмассивных кандидатов в черные дыры, в миллиарды раз превышающих Солнце. Недавние наблюдения в различных частях спектра зафиксировали одного из таких монстров и в глубине Млечного Пути. Там, судя по всему, расположился зародыш или, наоборот, останки квазара, включающие унитарный или множественный коллапсар с массой, превышающей два с половиной миллиона солнц.

Нерешенная задача науки о реальности гравитационного коллапса и наличии объектов, заключающих в себе непонятную сингулярность пространства-времени, является актуальнейшей задачей как астрофизики, так и физики элементарных частиц. Таким же образом существуют и два перспективных пути ее решения – эксперименты на ускорителях элементарных частиц и наблюдения всплесков космического излучения.

Современные космологические сценарии допускают, что коллапс звезд является не единственным способом рождения черных дыр и существуют особые механизмы формирования первичных коллапсаров в ранней Вселенной. Если вспомнить раннюю историю Большого взрыва, то средняя плотность вещества на определенном этапе значительно превышала ядерный уровень и любые, даже незначительные ее колебания в теории могли привести к локальным коллапсам пространства-времени. Электронное моделирование показывает, что в подобных условиях должны были возникать особые микроскопические коллапсары много меньше элементарных частиц, но с громадной для таких параметров массой в стотысячные доли грамма. В ходе ранней эволюции Вселенной плотность космической материи стремительно падала, так что рождались все более массивные первичные коллапсары, начиная от размеров нуклонов – протонов и нейтронов и заканчивая обычными звездными параметрами.

Физики-теоретики настойчиво предсказывают существование сверхкороткоживущих микроскопических черных дыр, которые физики-экспериментаторы не менее настойчиво ищут в потоках космических лучей сверхвысоких энергий. Существует даже совершенно фантастический проект массовой генерации подобных микроколлапсаров при взаимодействии очень энергичных встречных пучков элементарных частиц на мощных ускорителях – коллайдерах. Значение факта существования черных дыр для науки трудно переоценить, их «космологический» смысл наличия во Вселенной выходит далеко за рамки астрономии и физики элементарных частиц.

Вообще говоря, сама по себе сверхвысокая плотность вещества новорожденной Вселенной могла быть и недостаточна для генерации микроколлапсаров. Для начала гравитационного коллапса требовались некие флуктуации плотности, достаточно существенные в малых масштабах. Впрочем, даже при отсутствии флуктуаций процессы гравитационного коллапса могли спонтанно происходить во время космологических фазовых переходов. Это могло происходить на самых ранних этапах Большого взрыва, когда только что закончился период инфляционного расширения, или в эпоху ядерной плотности, когда адроны, такие как протоны и нейтроны, конденсировались из кваркглюонной плазмы.

Процесс излучения энергии и массы микроколлапсара, по расчетам, должен идти с постоянным увеличением. Так что черная дыра весьма нестабильна: она сжимается, в результате чего нагревается и начинает излучать все более энергичные частицы и при этом уменьшается все быстрее. Когда коллапсар достигает граничной массы около тысячи тонн, он в течение секунды взрывается, как миллион мегатонных ядерных бомб. Время полного испарения черной дыры пропорционально кубу его начальной массы, и у коллапсара солнечной массы время жизни превышает все мыслимые пределы, составляя число с шестьюдесятью нулями лет. Дыра же с массой в миллиарды тонн должна существовать в пределах возраста современной Вселенной. Следовательно, первичные коллапсары такой массы именно сейчас должны были бы взрываться, заканчивая свой жизненный цикл. А все дыры с меньшей массой должны были испариться в более ранние космологические эпохи.

С тех пор как почти столетие назад возникла идея ускорять элементарные частицы в электрических и магнитных полях, она была многократно воплощена в нескольких поколениях всевозможных циклотронов, бетатронов, синхрофазотронов и коллайдеров. Трудно даже перечислить все научные задачи, решенные с их помощью, и открытия, в которых они принимали полноправное участие. Их использовали для расщепления и синтеза атомов, превращения элементов, создания антивещества и частиц, ранее не наблюдавшихся в природе. Но все эти замечательные результаты сильно блекнут перед перспективой проводить лабораторные исследования прообразов наиболее таинственных объектов Вселенной – застывших звезд – микроколлапсаров.

Компьютерное моделирование показывает, что в столкновениях микрочастиц, разогнанных до колоссальных энергий, вполне могут возникать провалы пространства-времени. В этих очень странных частицах-коллапсарах теоретически очень многое напоминает процессы, протекающие в их макроскопических аналогах, однако в допустимых современной технике энергетических пределах время существования искусственных черных дыр представляется весьма малым.

В решении научной задачи исследования самой возможности существования искусственных миниколлапсаров последнее слово остается за физиками-экспериментаторами. Если они смогут создавать черные дыры, то следует ожидать целого фейерверка новых физических явлений, включая появление новых элементарных частиц. Может быть, что за определенным энергетическим пределом столкновения элементарных частиц не будут уже создавать ливни вторичных частиц, а приведут к рождению своеобразной «цепной реакции» черных дыр все увеличивающихся размеров.

Глава 4. Стабильность материи

Известно, что время жизни протона по крайней мере в 1020 раз больше, чем возраст Вселенной, но теория говорит, что он может жить вечно. Если протон не бессмертен, то и вся обычная материя когда-то должна распасться.

С. Вайнберг.

Распад протона

Одна из нерешенных задач науки – исследование степени стабильности окружающего нас мира. Долгое время считалось, что атомы вещества вечны и неизменны, затем то же говорилось об атомных ядрах обычных элементов, таких как водород, гелий или углерод, которые казались абсолютно стабильными. Сегодня мы знаем, что теоретическая ядерная физика предсказывает распад абсолютно всех атомных ядер, так что всю материю в какой-то степени можно считать радиоактивной. Последний «бастион стабильности» материи составляют некоторые элементарные частицы, такие как электрон и протон. Нуклоны – протоны и нейтроны – при взаимодействии с другими частицами, превращаются в иные микрочастицы, совершенно отличные от самих нуклонов. Даже в самом элементарном и легчайшем ядре атома водорода, состоящем из одного нейтрона и одного протона, также возможны процессы распада. Поэтому, чтобы понять суть стабильности или нестабильности мироздания, необходимо знать, почему, к примеру, абсолютно стабилен электрон и какие физические принципы предохраняют его от самопроизвольного распада в иные микрочастицы.

Если вспомнить о позитроне как о несущем положительный заряд антипартнере электрона, то можно предположить, что в результате распада протона может появиться именно эта микрочастица. А поскольку протон почти в две тысячи раз больше позитрона по массе, то следует ожидать и дополнительного потока энергии, в который превратится разница масс. Таким образом, позитрон представляет собой состояние с более низкой энергией. Один из фундаментальных физических принципов гласит, что все системы эволюционируют в направлении состояний с более низкой энергией. Вода стекает с холма. Возбужденные атомы испускают свет. Легкие ядра типа водорода в ходе синтеза превращаются в более тяжелые, от гелия и до железа, потому что более крупные ядра имеют более низкую энергию (на частицу). Большие ядра вроде урана являются радиоактивными и распадаются на более мелкие ядра с более низкой энергией. Так почему протоны не могут распасться на позитроны или другие маленькие частицы?

Стивен Вайнберг, один из главных теоретиков фундаментальной стабильности атомной материи

Вообще говоря, закон сохранения энергии-массы требует, чтоб энергия и масса распадающихся микрочастиц была несколько больше суммарной массы продуктов распада, поскольку часть вещества неминуемо превратится в кинетическую энергию. Поэтому при анализе степени стабильности той или иной элементарной частицы надо прежде всего учитывать, на какие микрочастичные компоненты она могла бы разделиться в процессе самопроизвольного распада.

С момента открытия радиоактивности физиков занимает интересный вопрос: а почему мы не наблюдаем вокруг повсеместных актов распада материальных тел?

Эта задача подробно дискутировалась в тридцатых годах прошлого столетия, еще до открытия таких важных компонентов микрочастичных превращений, как позитроны, мезоны и мюоны. Однако уже тогда стабильность материи представлялась как одна из самых непонятных загадок природы, ведь по идее такой нуклон, как протон, всегда может поглотить один из орбитальных электронов, превратив атом водорода в поток квантов электромагнитного излучения. Это дает весьма устрашающую картину, ведь водород – основа вещественной части Вселенной!

Надо сказать, что экспериментальные данные, полученные физиками-элементарщиками, показывают, что любой микрочастичный распад в природе может происходить самопроизвольно, если только этому не препятствует тот или иной принцип сохранения. Тут надо заметить, что в самом общем виде любой закон сохранения устанавливает неизменность суммарного количества некоторых величин, таких как электрический заряд, момент импульса или энергия. Для распада элементарных частиц это означает, что в любом случае он будет иметь вид череды излучений и поглощений частиц в полном соответствии с законами сохранения. Именно поэтому сам по себе вопрос стабильности микрочастиц сводится к проблеме соответствия некоторым фундаментальным принципам сохранения.

Один из сюрпризов, преподнесенных нам физикой частиц во второй половине двадцатого века, состоит в том, что протон, оказывается, не вечен. Протоны, считавшиеся стабильными и бесконечно долго живущими частицами, как оказалось, по истечении достаточно долгого времени могут распасться на более мелкие частицы. В сущности, протонам свойственна экзотическая разновидность радиоактивности. Они излучают более мелкие частицы и превращаются в нечто новое. Этот процесс распада займет время, значительно превышающее современный возраст Вселенной, время жизни звезд и даже намного больше жизни галактик. Получается, что по сравнению с вечностью протоны исчезнут довольно скоро.

Распад протонов может пойти по множеству разных путей, вследствие чего получится много разных продуктов этого распада, таких как позитроны и нейтральные пионы, соответственно, распадающиеся на кванты электромагнитного излучения. Возможно и множество иных вариантов распада, но чаще всего физики обсуждают именно такие пути распада протонов, когда возникают крайне нестабильные электронейтральные пионы, тут же превращающиеся в фотоны. Теоретически вместе с протоном должны распасться и вторые нуклоны – нейтроны, которые в связанном ядерном состоянии должны существовать очень долго. Между тем в свободном состоянии нейтроны живут всего около десяти минут, распадаясь на протон, электрон и антипартнер нейтрино – антинейтрино.

Сегодня физики-теоретики расходятся в оценке сроков жизни связанных нуклонов. Одно время можно было встретить предсказание о том, что большинство протонов распадется примерно через тридцать так называемых космологических декад – 1030 лет. Число очень большое, ведь даже переведенное в миллиардолетия, оно содержит более двадцати нулей. Однако в последний период превалирует точка зрения, возникшая из ряда экспериментов с элементарными частицами, разгоняемыми до гигантских энергий на ускорителях: время жизни протона может даже превысить тридцать две космологические декады.

Если принять во внимание возраст нашего мира в 13,7 миллиардолетия, то сама мысль об экспериментальной проверке времени жизни микрочастиц, оцениваемой в десятки космологических декад может показаться очень странной. Однако тут определенные надежды дает теория радиоактивного распада, согласно которой все элементарные частицы, включая и протоны, не живут в течение какого-то строго определенного времени, по прошествии которого все они одновременно распадаются.

На самом фундаментальном уровне многие физические теории имеют неотъемлемый закон, запрещающий распад протонов, даже несмотря на то что в результате этого распада они могли бы перейти в состояние с более низкой энергией. Кратко этот закон можно сформулировать так: барионное число всегда сохраняется. Протоны и нейтроны состоят из обычного вещества, которое мы зовем барионным. Каждый протон или нейтрон содержит одну единицу барионного числа. Частицы типа электронов и позитронов имеют нулевое барионное число, равно как и фотоны, частицы света. Таким образом, если протон распадается на позитроны, в этом процессе происходит потеря барионного числа.

Долгое время предполагалось, что всеобщая стабильность атомарных образований объясняется существованием электрической биполярности, когда аннигиляция зарядов протона и электрона нарушила бы общий зарядовый баланс. Впоследствии данные идеи были развиты в концепцию «барионного числа», которое так же, как и энергия с электрическим зарядом, должно сохраняться в любых превращениях микрочастиц. Уточним, что барионами считают обширное семейство микрочастиц, включающее вместе с протоном такие «тяжелые» частицы (по-гречески тяжесть – «барис»), как нейтрон и нестабильные микрочастицы гипероны. Условно считается, что все барионы обладают барионным числом «+1». В любой атомарной структуре барионное число составляет общую сумму всех барионных чисел «комплектующих» микрочастиц. Следовательно, распад протона был бы переходом от единичного барионного числа к нулевому ансамбля каких-нибудь легких частиц, что категорически запрещено барионным принципом сохранения.

Глава 5. Теория Всего

Мечту Эйнштейна о создании единой теории Вселенной осуществить пока не удалось, но успехи последних лет показывают, что мы на верном пути. Конечно, вряд ли кто-то из ученых станет загадывать, когда придет удача, но большинство их них уверено, что когда-нибудь это случится.

Наша же цель отличается от той, которую поставил перед собой Эйнштейн. Всем ясно, что он опередил свое время, тогда еще многое оставалось непонятным. Ученые не знали многих типов элементарных частиц, не знали о симметрии в природе, о калибровочных теориях и очень мало о Большом взрыве, с которого все началось.

Б. Паркер.