Кварки, протоны, Вселенная - Владилен Барашенков

А недавно в центре одной галактики (астрономы называют ее объектом М-87) замечено темное образование с массой, в несколько миллиардов раз большей, чем у Солнца, и с чрезвычайно высокой плотностью — приблизительно в 100 триллионов раз плотнее свинца. Ближайшие окрестности этого необычного тела излучают энергию как 100 миллионов Солнц! Впечатление такое, что там происходит гравитационный коллапс: вещество галактики М-87 втягивается в черную дыру.

Есть еще несколько кандидатов в черные дыры, на-пример рентгеновский источник в Большом Магеллановом облаке, на расстоянии 180 тысяч световых лет от нас. Он, пожалуй, самый яркий из всех известных. Его интенсивность непрерывно изменяется, временами резко возрастает в 10—20 раз. Считается, что такие непостоянные источники являются двойными, спаренными системами, состоящими из нормальной звезды и какого-то невидимого компактного объекта — тяжелой нейтронной звезды или черной дыры. Вполне допустимо, что в Магеллановом облаке таким компактным объектом действительно является черная дыра. Некоторые астрофизики убеждены в том, что даже в центре нашей собственной Галактики — Млечного Пути — должна быть одна или даже несколько массивных черных дыр.

Достоверное обнаружение больших черных дыр существенно повысило бы доверие к гипотезе фридмонов. Ведь если есть большие дыры в космосе, то возможны и маленькие. К сожалению, нет пока ни одного объекта, о котором можно было бы с абсолютной уверенностью сказать: да, это черная дыра. Энтузиасты выдвигают аргументы, скептики же, которых, как всегда, не меньше, чем энтузиастов, — контраргументы. И это, без сомнения, очень хорошо. В науке скептики играют важную роль, предохраняя ее от поспешных выводов, от ошибок. Оценка достоверности наблюдения всегда субъективна. Хорошо, если доводы «за» или «против» резко перевешивают, тогда вероятность ошибки невелика. Но вот когда и «за» и «против» почти уравновешены, ошибиться очень легко: очень многие ученые склонны чуть-чуть преувеличивать весомость тех аргументов, которые подтверждают их позицию. Желаемое выдается за действительное, и мы сталкиваемся с сенсацией, за которой, увы, не кроется ничего, кроме эмоций. Можно ли осуждать за это тех, чей дар убеждать оказывается сильнее? Нет, конечно: каждый человек ищет подтверждения своим идеям, и мало кто старается выискать опровержения. Люди есть люди.

Выдающийся ученый, как правило, обладает способностью, умением правильно оценивать относительный вес каждого из множества разнородных факторов. Но это такой же природный дар, как склонность к живописи или музыке. Можно быть исключительно изобретательным человеком, подлинным генератором идей, но каждый раз спотыкаться на их оценке. Бывают и такие.

Вот тут-то и требуется, настоятельно требуется скептик! Сомнение — один из главных двигателей науки.

Теория обладает замечательным свойством: в ней часто содержится много такого, чего никак не ожидали увидеть даже ее создатели. Так получилось и с черными дырами. Сегодня доводов в пользу существования этих удивительных объектов больше, чем против. То же и с фридмонами или почти то же. Уж очень просто и естественно в рамках современной теории возникают космические объекты с микроскопическими свойствами! И это вселяет надежду на то, что в один прекрасный день фридмоны будут обнаружены в эксперименте. Как подчеркивает академик М.А. Марков, первый исследовавший эти замечательные объекты, исключительная привлекательность гипотезы фридмонов состоит в том, что она позволяет достичь единого подхода к элементарным частицам и к грандиозным космическим объектам, вплоть до строения всей Вселенной. Физика элементарных частиц тесно переплетается с космологией, а привычное для нас разделение окружающего на микромир и макромир теряет абсолютное значение и сохраняет, смысл лишь в определенных границах.

ГЛАВА СЕДЬМАЯ,

в которой читатель знакомится с историей открытия античастиц и узнает о том, как в пекле первичного взрыва «сварилось» вещество нашего мира и куда девался антимир

В своих лабораториях физики уже давно научились создавать частицы антивещества. Но вот в окружающей нас природе мы почему-то не встречаем тел из антивещества. Может быть, они сосредоточены где-то далеко в космосе и нам еще только предстоит их открыть? Или же существуют какие-то физические законы, в силу которых Вселенная обязана быть только из вещества? Или, наоборот, из антивещества, которое нам, естественно, кажется веществом?

История открытия антивещества связана с электроном. С ним люди знакомы уже почти 100 лет. Он был первой элементарной частицей, открытой физиками. Электроны входят в состав всех атомов, потоки электронов работают в радиолампах. Каждый вечер они высвечивают изображения на экранах наших телевизоров. Именно электроны когда-то первыми упорно не желали подчиняться трем знаменитым законам Ньютона. Во многих случаях их движение походило скорее на распространение волн, чем на движение корпускул. Подобно волнам, пучки электронов огибали препятствия, отражались и интерферировали между собой.

Для описания этих явлений пришлось создать совершенно новую науку — квантовую механику.

Молодой английский теоретик Поль Дирак попытался объединить только что созданную квантовую механику с теорией относительности. Ведь электроны могут двигаться очень быстро, почти со скоростью света, когда масса частицы начинает заметно зависеть от ее скорости. В этом случае без теории относительности уже не обойтись. И вот оказалось, что уравнение, описывающее движение электрона, имеет два решения. Одно из них соответствовало обычной частице с положительной энергией, а другое — частице с отрицательной энергией и массой.

Сначала Дирак просто отбросил это решение, подобно тому как мы отбрасываем отрицательное, «нефизическое» решение квадратного уравнения, когда в ответе получается, например, что число землекопов равно ± 2. Однако положительное и отрицательное решения оказались тесно связанными между собой. Получалось так, что при определенных условиях частицы с отрицательной энергией могут возникать из частиц с положительной энергией, и наоборот. Нельзя было отбросить ни одно из решений, не разрушив всей картины.

Можно было, конечно, вообще отказаться от уравнения с такими странными свойствами и искать другой путь построения теории. Вероятно, многие на месте Дирака так бы и поступили. Но Дирак принадлежал к ученым, которые убеждены, что если удалось найти достаточно простое и симметричное по форме обобщение теории («красивое», как говорят физики), то, скорее всего, оно отражает какие-то важные физические закономерности и поэтому должно соответствовать явлениям природы. А если это не так, то и для этого должны быть глубокие основания, нередко опять-таки связанные с какими-то еще нам не известными физическими принципами.

В новом здании Московского университета на Ленинских горах есть комната, где часто собираются физики-теоретики. По традиции наиболее почетные гости пишут на стенах этой комнаты какую-нибудь мысль, которую каждый из них считает наиболее важной. Дирак написал: «Физический закон должен быть математически изящным».

Найденное им электронное уравнение и в самом деле было очень изящным. Из него можно было как частный случай вывести уже известные уравнения квантовой механики, получить законы Ньютона. И Дирак настойчиво старался понять физический смысл частиц с отрицательной энергией.

Наконец, решение было найдено. И очень неожиданное. Оказалось, что частицы с отрицательной энергией — это ... дырки в вакууме! Чтобы уяснить себе, в чем состояла эта идея Дирака, следует познакомиться с еще одним важным свойством электрона, открытым незадолго до этого швейцарским физиком-теоретиком Вольфгангом Паули.

Анализируя движение электронов в атомах, Паули заметил, что никогда не бывает так, чтобы у нескольких электронов одновременно были бы совершенно одинаковые параметры. Всегда чем-нибудь да они отличались друг от друга — энергией, направлением движения или еще какой-либо характеризующей их величиной. Получалось, иначе говоря, что любое физическое состояние, возможное в природе, может быть занято только одним электроном. Это правило часто называют принципом Паули. Его корни лежат глубоко в волновых свойствах микрочастиц и даже глубже — в свойствах окружающего нас пространства. Многое здесь стало понятным совсем недавно — в связи с разработкой «супертеории», объединяющей гравитационные и другие типы взаимодействий. А полвека назад, когда Дирак решал свое уравнение, принцип Паули рассматривался просто как подсказанное экспериментом и не знающее исключений правило.

Так вот, основываясь на принципе Паули, Дирак предположил, что все состояния с отрицательной энергией уже заняты электронами — в каждом из них находится по одной частице. А так как наблюдать мы можем лишь изменения, то сама по себе вся эта система бесконечно большого числа частиц остается для нас незаметной. Дирак назвал ее морем отрицательных энергий. Она воспринимается нами как пустота, как вакуум и играет роль фона, на котором протекают наблюдаемые физические явления. Если, однако, из этого моря выбить электрон, то новое состояние — «море с дыркой» — будет обладать по сравнению первоначальным фоном положительной энергией и положительным электрическим зарядом (вспомним, что вычитание отрицательной величины эквивалентно прибавлению положительной. И дырка будет наблюдаема. Она может перемещаться в море, и это перемещение мы воспримем как движение обычной частицы с положительной энергией и положительным зарядом.