PRO парадоксы науки

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.