Развивающаяся Вселенная

Непосредственная связь вакуума с веществом на его глубинных уровнях проявляется в форме зависимости величины зарядов и их свойств от состояния и структуры вакуума. Так, экспериментально обнаруживаемая поляризуемость вакуума под действием электрического заряда создает экранировку последнего и снижает наблюдаемое эффективное значение заряда по сравнению с предполагаемым его значением в свободном от вакуума состоянии. Однако, электрический заряд невозможно вычленить из вакуума. Но если сблизить заряженные частицы до расстояний, меньших чем 10^–8 см, для чего им надо сообщить огромные энергии, то взаимодействие вакуума с частицами ослабеет и эффективный электрический заряд возрастет. Можно сказать и так, что на малых расстояниях между частицами возрастает константа электромагнитного взаимодействия, тем самым она перестает быть константой. Остается добавить к сказанному, что все известные науке разновидности электромагнитного взаимодействия переносятся безмассовой бозонной частицей – фотоном.

Слабое взаимодействие переносится тремя частицами, называемыми векторными бозонами: один из них электрически нейтрален, два других имеют соответственно положительный и отрицательный заряды. Эти частицы обладают еще одной странностью – они наделены массой, примерно в 100 раз превышающей массу протона. Из-за такой массы виртуальные векторные бозоны за короткое время своего существования не успевают далеко переместиться, и слабое взаимодействие ограничено радиусом действия порядка 2 * 10^–16 см. Отсюда малая вероятность его проявления.

Переносчиками сильного (цветового) взаимодействия выступают безмассовые частицы, получившие название глюонов, что в переводе с английского означает склеивающие бозоны. Они соединяют ("склеивают") кварки и антикварки в адроны. Глюоны представляют собой очень сильный "клей", и они вместе с кварками являются вечными пленниками адронов. Глюоны своеобразные частички, им присуще то, чем не обладают другие бозоны, а именно, часть из них наделена цветовым зарядом, который считался принадлежностью только кварков. Это сразу меняет поведение таких частиц со своим окружением. Казалось бы, отсутствие массы у глюонов обеспечивает им дальнодействие, если судить по аналогии с безмассовыми фотонами и гравитонами. Но, обладая цветовым зарядом, глюон при удалении от кварка нарушает бесцветность, тем самым вызывая бурную реакцию вакуума, возвращающего беглеца на место. А его "место" ограничивается радиусом порядка 10^–13 см, радиусом атомного ядра. Из-за таких своих свойств глюоны теряют способность к дальнодействию, а радиус цветового (сильного) взаимодействия ограничивается радиусом ядра.

Фундаментальные взаимодействия – это только часть проявляющихся в нашем Мире взаимодействий. На переднем крае научного поиска стоит также проблема скрытых в глубинах материи взаимодействий вакуума с веществом. Например, физики не без основания убеждены, что масса у частиц появляется в результате особой формы их взаимодействия со структурами вакуума. Но какого рода это взаимодействие, и по какому принципу происходит наделение частиц массой? Почему векторные бозоны обладают значительной по масштабам микромира массой, в то время как переносчики других фундаментальных взаимодействий массой не наделены? Здесь многое неясно. За рамками нашего рассмотрения оставлены также наиболее общие и плодотворные идеи современной теоретической физики, такие как симметрия законов природы, спонтанные нарушения симметрии как основа перехода от хаоса к упорядоченности, новые представления о многомерности физического пространства-времени, теория струн, как результат поиска нового подхода к пониманию структуры вещества на самом глубоком уровне микромира. В доступной форме об этом частично рассказывается в [14, 15].

Несколько замечаний о характерных особенностях фундаментальных взаимодействий. Гравитация – самая слабая из сил, представленных в таблице 2.2. В макромире она проявляет себя тем сильнее, чем крупнее массы взаимодействующих тел. О ее роли в формировании Вселенной уже говорилось, а в микромире она теряется на фоне более могучих сил. Так, сила электростатического отталкивания двух электронов в ~ 4 * 10⁴² раз больше силы их гравитационного притяжения. И только при экстремально высокой плотности вещества, то есть при планковской плотности, гравитационные взаимодействия в микромире сравниваются по своей значимости с другими господствующими там силами.

При рассмотрении полевых аспектов своей теории Эйнштейн постулировал, что в качестве гравитационного заряда выступает эквивалентная масса вещества. Этот заряд создает поле тяготения с присущей ему безмассовой бозонной частицей, названной гравитоном. Экспериментально обнаружить гравитон при современном техническом уровне крайне трудно, пока он остается гипотетической частицей. К проблеме обнаружения гравитона непосредственно примыкает другая: неравномерное движение массивного тела под действием реальной силы вызывает возмущение собственного гравитационного поля, распространяющегося со скоростью света в форме гравитационной волны. Из-за ничтожной малости сил тяготения амплитуда волны мала, и обнаружить ее существующими приборами практически невозможно. Даже такие грандиозные космические события, как взрыв сверхновой или коллапс массивной звезды порождают гравитационные волны с амплитудой, лежащей за пределами чувствительности существующих регистрирующих приборов.

Тем не менее, в изучении проблемы гравитационной волны и гравитона произошел серьезный прорыв. Началось с того, что в 1967 году А.Хьюиш открыл новые астрономические объекты – пульсары. Это бывшие нормальные звезды, которые после израсходования своего жизненного ресурса сжались до диаметра порядка 10 км, что стало возможным лишь за счет деформации вещества звезды, приведшей к образованию очень плотной упаковки нейтронов. Такая трансформация прекратила дальнейшее сжатие. Плотность вещества внутри пульсара достигает значения 10¹⁵ г/см³ (для сравнения: средняя плотность земного вещества всего 5,52 г/см³). Пульсары очень быстро вращаются, что является следствием их сжатия, а астрофизики умеют очень точно измерять периоды вращения таких объектов. В 1974 году профессору Принстонского университета Дж. Тейлору и его тогдашнему аспиранту Р. Халси "посчастливилось" обнаружить уникальный астрономический объект – тесно связанную двойную звезду, оба компонента которой оказались пульсарами. Такая система в принципе позволяет путем систематических наблюдений за изменениями периодов вращения двух гравитационно связанных массивных тел определить наличие (или отсутствие) предсказанного Эйнштейном гравитационного излучения. Положительный результат означал также существование в природе гравитационных волн и гравитонов. Многолетние измерения Халси и Тейлора показали, что наблюдаемое изменение периода обращения, вызываемое гравитационным излучением, с высокой точностью совпадает с расчетом, выполненным на основе теории гравитационного излучения Эйнштейна. За это выдающееся открытие Халси и Тейлор удостоены Нобелевской премии по физике за 1993 год.

Электромагнетизм – второе фундаментальное взаимодействие. Как и гравитация, оно характеризуется дальнодействием. На заре развития науки об электричестве электрическая и магнитная компоненты этого взаимодействия рассматривались как независимые, не связанные между собой родством. Максвелл доказал, что обе силы – это два проявления единой сущности. Так был создан прецедент в науке, показавший, что за внешним различием природных сил может скрываться их глубокая общность. Разработанная Максвеллом электродинамика стала законченной классической теорией электромагнетизма, сохраняющая свое значение и в наши дни.

Современная физика создала более совершенную и точную теорию электромагнетизма, учитывающую квантово-полевые аспекты феномена, что позволило распространить ее и на микромир. Теория названа Квантовой электродинамикой, сокращенно КЭД. Как и классическая теория, КЭД постулирует существование электромагнитного заряда, не раскрывая его природы. Заряд создает поле, квантом которого выступает безмассовый бозон, называемый фотоном. Спин фотона равен 1. Электрический заряд проявляется в двух разновидностях: заряд, присущий электрону, назван отрицательным, а присущий протону – положительным. Взаимодействие заряженных частиц обеспечивается обменом виртуальными фотонами. В случае разноименных зарядов обмен создает эффект притяжения частиц, а в случае одноименных – отталкивания. Во всех процессах с участием электрических зарядов выполняется закон сохранения суммарного заряда. В рамках КЭД учитывается взаимодействие электрического заряда с вакуумом.

Сильные и слабые взаимодействия познавались по мере проникновения науки в микромир с его специфическими закономерностями. Основная функция сильного взаимодействия – соединять кварки и антикварки в адроны, функция слабого взаимодействия обратная, она состоит в разрушении сложных микрочастиц, если какой-то из входящих в их состав элементов обладает слабым зарядом. Слабое взаимодействие переводит один фермион в другой, не меняя при этом его цветового заряда. Подобные превращения не проходят безболезненно для составных частиц, содержащих слабо взаимодействующие лептоны или кварки, эти образования распадаются, трансформируясь в другие частицы. Классический пример слабого взаимодействия – процесс b-распада, в ходе которого свободный нейтрон в среднем за 15 минут распадается на протон, электрон и электронное антинейтрино. Распад вызывается превращением внутри нейтрона кварка аромата d в кварк аромата u. Нейтрон становится протоном, но при этом испускается электрон, что обеспечивает сохранение суммарного электрического заряда, и антинейтрино, чей вылет позволяет сохранить суммарный механический импульс системы. Именно процесс b-распада на одной из ранних стадий развития Вселенной сыграл существенную роль в обеспечении ее преимущественно водородным составом.

Полевые представления о слабом взаимодействии выглядят так. Постулируется существование фундаментального слабого заряда, которым обладают некоторые лептоны и кварки, но не все. Слабый заряд образует три разновидности поля с тремя обменными бозонными частицами, обладающими значительными (по масштабам микромира) массами. В процессах взаимодействия слабый заряд может не сохранятся.

^* Силу, объединяющую барионы в атомное ядро, называют ядерной силой. До открытия кварков и цветового взаимодействия эту силу считали фундаментальной. Теперь ядерная сила рассматривается как отголосок новой фундаментальной сущности - цветовой силы.