Мечта Эйнштейна. В поисках единой теории строения

Дальнейшие события вытекают из современной единой теории поля, называемой теорией великого объединения; о ней речь пойдёт позже. Из этой теории следует, что протон распадается примерно за 10³¹ лет. Сейчас ведётся несколько экспериментов по обнаружению такого распада, а значит, и по проверке теории. Согласно ей, протоны должны распадаться на электроны, позитроны, нейтрино и фотоны. Отсюда следует, что в конце концов всё, что состоит во Вселенной из протонов и нейтронов (а их не содержат только чёрные дыры), распадётся на эти частицы. Вселенная превратится в смесь из них и чёрных дыр, и будет находиться в таком состоянии очень, очень долго. Когда-нибудь испарятся маленькие чёрные дыры, а вот с большими возникнут трудности. Фоновое излучение к тому времени будет очень холодным, но всё же его температура останется чуть выше, чем у чёрных дыр. Однако по мере расширения Вселенной ситуация изменится – температура излучения станет ниже, чем на поверхности чёрных дыр, и те начнут испаряться, медленно уменьшаясь в размерах; на это потребуется примерно 10¹⁰⁰ лет. Затем Вселенную заполнят электроны и позитроны, которые, вращаясь друг вокруг друга, образуют огромные «атомы». Но постепенно позитроны и электроны, двигаясь по спирали, столкнутся и аннигилируют, в результате чего останутся только фотоны. Во Вселенной не будет ничего, кроме излучения.

Мы рассмотрели судьбу как открытой, так и закрытой Вселенной. Что её ждет, пока неизвестно. Если даже Вселенная когда-нибудь сколлапсирует, неизвестно, произойдёт ли потом «отскок». Единой теории придётся ответить и на эти вопросы.

Глава 9Мир частиц и полей

Итак, мы видели, какие трудности проявляются на макроскопическом уровне при создании единой теории строения Вселенной, и могли убедиться в том, что некоторые из этих трудностей связаны с микроскопической структурой Вселенной. В этой главе мы постараемся понять, откуда они берутся, что мешает включить микромир в единую теорию.

Начнём с частиц. Большинство читателей, вероятно, представляет себе элементарные частицы в виде крошечных биллиардных шаров, притом вращающихся вокруг своей оси, что соответствует понятию спина. Оказывается, однако, что такое представление не совсем верно. Из квантовой теории следует, что с элементарными частицами, например с электроном, связана волна; иными словами, если бы мы могли на них посмотреть, то увидели бы что-то вроде маленького размазанного облачка. Самое странное, что нам не удалось бы установить его точное положение, как бы мы ни старались; координаты частицы можно определить только приблизительно.

Одно время считалось, что электрон, протон и большинство других частиц элементарны, т.е. фундаментальны и не состоят из более простых частей. Но постепенно этих так называемых элементарных частиц набралось столько, что учёные стали задумываться, все ли они действительно элементарны. И вообще, что означает слово «элементарный»? Можно сказать, что частица действительно элементарна, если она не имеет более глубокой структуры, но даже при таком упрощённом и расплывчатом определении сразу же возникают трудности. Вернёмся ненадолго к электрону. Предположим, что он состоит из более фундаментальных частиц, но тут же возникает вопрос, а из чего состоят они? Ответив на него, придётся решать, что внутри частиц следующего уровня, и так до бесконечности. Где-то этому процессу нужно положить конец. Можно, например, рассматривать как элементарную такую частицу, которая не имеет размеров и, следовательно, структуры, т.е. является по сути точечной. Ясно, что у не имеющей размеров точки не может быть внутренней структуры. Принято считать, что электрон – точечная частица; ни один эксперимент пока не позволил зафиксировать линейные размеры электрона.

С протоном дело обстоит иначе. Из экспериментов следует, что он имеет радиус порядка 10^-13 см и, по-видимому, обладает внутренней структурой. В 1968 году на линейном ускорителе в Станфорде протоны подвергались бомбардировке высокоэнергетичными электронами. Из экспериментов следовало, что заряд распределён в протоне неоднородно, так, как будто внутри есть крошечные субчастицы. Сейчас их называют кварками. Принято считать, что семейство кварков и семейство электрона (вместе они носят название лептонов) являются действительно элементарными частицами.

А д р о н ы:

Барионы(тяжёлые частицы:p, n)

Мезоны(частицы промежуточной массы)

(Барионы и мезоны состоят из кварков)

Л е п т о н ы:

(лёгкие частицы: e^-, ?, ?)

(Каждому типу лептонов соответствует частица, которая называется нейтрино и, как считают, не имеет массы)

Фундаментальные частицы: e^- – электрон, p – протон, n – нейтрон, ? – мюон, ? – тау-частица