Мечта Эйнштейна. В поисках единой теории строения

Тяжёлые вещества – железо или бетон – по сравнению с водой занимают при том же количестве протонов меньший объём, но детекторы приходится располагать ближе друг к другу, что довольно трудно сделать. А вокруг резервуара с водой их можно устанавливать на больших расстояниях по определённой схеме.

Учёные пытались использовать для регистрации продуктов распада эффект Черенкова. Суть этого эффекта в том, что если частица движется в воде со скоростью, меньшей скорости света в вакууме, но превышающей световую скорость в воде, она испускает конус голубого света. Этот конус расширяется в направлении, противоположном движению частицы, а угол его раскрытия зависит от скорости. Ожидается, что частицы, образующиеся при распаде протона, можно будет легко обнаружить при помощи эффекта Черенкова.

Предварительные результаты проведённых экспериментов показывают, что период полураспада немного превышает 10³² лет. Это не совсем соответствует теоретическим предсказаниям (около 10³¹ лет), но эксперименты далеко не закончены. Учёные надеются, что время жизни протона (если он вообще распадается) ненамного превышает 10³² лет, иначе массовое рождение нейтрино может замаскировать распад протонов.

Хотя большинство физиков надеется на то, что регистрация распада протона позволит проверить справедливость теорий великого объединения, это не единственная возможность проверки. Некоторые из этих теорий предсказывают также существование новой частицы, называемой магнитным монополем. Я уже вкратце упоминал об этой частице. Электрическое поле создаётся зарядами, а также изменяющимся магнитным полем; электрон, например, окружён электрическим полем. Магнитное же поле создаётся не зарядами, а магнитами, каждый из которых имеет два полюса – северный и южный. Похоже, что изолированных магнитных зарядов (полюсов) нет.

Многие учёные считают это недостатком электромагнитной теории. Учитывая взаимосвязь электрического и магнитного полей, логично было бы предположить, что и создаются они симметричным путём, т.е. должен существовать магнитный аналог электрического заряда. Иными словами, должен быть один магнитный монополь, создающий северный полюс, и другой – для южного полюса. Но, очевидно, в природе это не так. Возникает вопрос: почему? Может быть, магнитные монополи существуют и просто пока не обнаружены? Эту точку зрения разделяют многие учёные.

Интерес к магнитным монополям впервые возник в 1931 году, после того как Дирак создал теорию, предсказывавшую их существование. Но монополи Дирака не совсем устраивали учёных: это были странные частицы с «хвостами».

Проблема разрешилась в 1974 году, когда Хофт показал, что существование монополей следует также из теории великого объединения, но его монополи значительно отличались от предсказанных Дираком. «Хвост» у них отсутствовал, зато масса была огромна – в 10¹⁶ раз больше, чем у протона. Вот почему их не удавалось наблюдать – сегодня нет ускорителей, на которых можно получить подобные частицы. Однако они должны были образовываться в гигантском ускорителе, созданном природой, – в молодой Вселенной. Согласно теории великого объединения, они должны были образоваться через 10^-35 с после Большого взрыва. Рождались монополи обеих полярностей, и они должны были дожить до наших дней.

За этим предсказанием последовали интенсивные поиски. Во всём мире учёные принялись искать монополи, и примерно через год одна из групп заявила об успехе. (Подтверждений, впрочем, не последовало, и сейчас распространено мнение, что это была ложная тревога.) Исследовали космические лучи, лунную породу, проводили специальный эксперимент на космической станции «Скайлэб», но всё безрезультатно.

Если монополи действительно существуют, то где их можно найти? Раз они обладают магнитным полем, то поле Земли должно было бы притягивать их к полюсам – «северный» монополь к южному полюсу, а «южный» – к северному. Кроме того, удалось показать, что они должны двигаться гораздо медленнее, чем предполагалось, возможно, намного медленнее света. В надежде найти монополи у полюсов учёные выпиливали огромные куски льда в полярных районах, но и там ничего не обнаружили.

Возникает вопрос – если монополи так трудно найти, то сколько же их существует в действительности? Поначалу предполагали, что монополи должны быть так же распространены, как протоны, но тогда их легко было бы обнаружить. Более поздние оценки позволили снизить их число до примерно одного монополя на 10¹⁵ протонов, а в действительности их число может оказаться намного меньше. Сотрудник Чикагского университета Е. Н. Паркер указал, что если бы монополей было очень много, то их поле в результате взаимодействия уничтожило бы магнитное поле нашей Галактики. Поскольку этого не случилось, монополей, видимо, гораздо меньше, чем предполагается. Охота на монополь продолжается.