Кварки, протоны, Вселенная - Владилен Барашенков

Правда, это в среднем, если бы монополи распределялись равномерно. А они могут собираться в сгустки, концентрироваться в центре тяжелых планет или звезд, удерживаемые их гравитационным полем. Кроме того, астрофизики дают нам верхнюю оценку, на самом деле монополей, по-видимому, значительно меньше. По крайней мере в миллион раз. В противном случае они оказали бы очень сильное возмущающее влияние на магнитное поле Галактики, и оно имело бы совсем не ту структуру, которая наблюдается сегодня.

С точки зрения теории «великого объединения» открытие сверхтяжелых монополей имело бы исключительно важное, принципиальное значение. Этим была бы окончательно подтверждена правильность самой идеи «великого объединения», и теоретики могли бы с большей уверенностью рассматривать процессы, непосредственно связанные с Большим взрывом.

В последние годы во всем мире снова было выполнено много экспериментов по поиску сверхтяжелых монополей. Пока все опыты закончились неудачей. Учитывая чувствительность приборов, можно сказать, что в течение года каждый квадратный метр земной поверхности пересекает не более одного-двух монополей. Если бы их было больше, аппаратура бы их зафиксировала. Астрофизические оценки предсказывают в миллион раз меньший поток — несколько монополей на один квадратный километр. Это, конечно, осложняет дело.

Обнаружить предсказанные теорией «великого объединения» монополи невероятно трудно. Ко всему прочему, по меркам ядерной физики, большинство из них — довольно медленные частицы. Только такие «ленивые» частицы и могло удержать магнитное поле нашей Галактики, более энергичные давно уже успели ее покинуть и затеряться в безбрежных межгалактических просторах. Медленные же частицы ионизуют вещество слабо, и чтобы их заметить, нужны гигантские детекторы — в сотни, в тысячи раз больше существующих.

Сегодня много говорят об установке ДЮМАНД — глубоководном детекторе ливней, порождаемых слабо взаимодействующими частицами космического излучения. Это сложная система фотоумножителей, которая фиксирует едва уловимые световые импульсы, сопровождающие прохождение ливня частиц в морской воде. Размеры ДЮМАНДа — около кубического километра. Подумать только — куб с ребром в один километр! Оттого и предложено разместить эту сверхгигантскую установку в толще океана. На суше это было бы просто невозможно. Но даже ДЮМАНДа недостаточно, чтобы уловить слабое свечение, вызываемое сверхтяжелыми монополями.

Так обстоит дело со сверхтяжелыми магнитными частицами. Умеренно тяжелые монополи, которые предсказывает теория электрослабого взаимодействия, обнаружить еще труднее. Если они и существуют в природе, их концентрация по сравнению со сверхтяжелыми должна быть значительно меньше, и вот почему. Многие нейтронные звезды обладают сильным магнитным полем. Такое поле должно притягивать и разгонять падающий на звезду монополь до энергии, в сотни миллионов раз превышающей ту, которую можно получить в самых мощных современных ускорителях. Этой энергии достаточно, чтобы породить в плотном нейтронном веществе звезды интенсивный каскад новых монополей, которые, притягиваясь ее магнитными полюсами, будут компенсировать, «гасить» ее магнитное поле. А для этого, оказывается, достаточно всего лишь одного начального монополя. Наличие же у нейтронных звезд магнитных полей (астрофизики их наблюдают) свидетельствует как раз о том, что умеренно тяжелые монополи, предсказываемые теорией Полякова — Т’Хуфта, исключительно редки, настолько редки, что, по мнению некоторых ученых, за все время существования Земли вероятность ее столкновения хотя бы с одним космическим монополем не превысила нескольких шансов на миллион.

Этот вывод, по-видимому, зачеркивает все варианты теории электрослабого взаимодействия, которые предсказывают образование монополей: в этой теории они получаются слишком легкими. Каскадный механизм «тушения» магнитного поля нейтронных звезд не вступает в действие только в том случае, если массы монополей так велики, что энергии падающей на звезду первичной частицы не хватает для их множественного образования. Поэтому-то физики и считают, что, если монополи и существуют в природе, они должны быть чрезвычайно тяжелыми, о чем и говорит теория «великого объединения». Вот только число их согласно расчетам оказывается на много порядков больше, чем это нужно для объяснения астрофизических данных. Иными словами, эксперимент и теория пока согласуются плохо.

Однако неустранимого противоречия здесь все же нет. Ведь наши сведения об условиях, при которых протекали процессы в первые мгновения жизни Вселенной, еще весьма приблизительны. Некоторые физики доказывают, что условия в то время были таковы, что монополи стремились объединиться в группы, а это резко убыстряло процесс их аннигиляции и тем самым уменьшало их число. Есть и более радикальная идея: Биг Бэнгу предшествовала еще одна стадия развития Вселенной, в ходе которой сверхтяжелые монополи рассеялись по необозримо огромной области быстро раздувавшегося пространства. Биг Бэнг — это «взрывное нагревание» образовавшегося и уже медленнее расширяющегося мира. На этой стадии, как следует из расчетов, могли рождаться только умеренно тяжелые частицы.

Какой бы логически стройной и изящной ни была теория, ее следствия непременно должны быть подтверждены наблюдением или экспериментом. Иначе она останется гипотезой. Идея монополей возникла более полувека назад. Это очень большой срок для научной гипотезы. Обычно за такой срок гипотеза либо отбрасывается, либо подтверждается. Монополь — редкое исключение, он по-прежнему загадка. И вместе с тем это ключ к целому клубку проблем, связывающих два полюса наших знаний — физику элементарных частиц и космологию. Поэтому, несмотря на все трудности с экспериментами, интерес физиков к этой удивительной частице не только не ослабевает, а, наоборот, усиливается, тем более что теоретики открывают у монополя все новые и неожиданные свойства.

Недавно, например, было установлено, что монополь может служить эффективным ускорителем радиоактивного распада протонов. Согласно теории «великого объединения» протон — хотя и распадающаяся, но долгоживущая частица. Как мы уже говорили, живет он немыслимо долго: 1032—1033 лет. Но вот если рядом находится монополь, то протон мгновенно распадается на позитрон и мезоны, один или несколько. И что интересно, после этого «убийства» опять остается монополь, готовый к уничтожению следующего протона, и так далее. Точь-в-точь хорошо известный всем химикам катализ! Монополи разрушают окружающее их вещество. Такой вывод недавно был сделан теоретиками Института ядерных исследований из подмосковного научного городка Троицка.

При взаимодействии протона с монополем образуется необычная по своим свойствам неустойчивая система, распадающаяся на компоненты, среди которых есть монополь (магнитный заряд сохраняется!), но уже нет протона. Это уникальная реакция, подобных мы не знаем. Путь монополя в веществе должен быть отмечен цепочкой «протонных катастроф». Это подсказывает физикам новые подходы к поиску магнитных частиц. Трясти дерево в ожидании банана никто не собирается.

Можно усмотреть и более важное следствие протон-монопольного катализа. При распаде протона каждый раз выделяется значительная энергия, поэтому, будь в нашем распоряжении килограмм монополей (сегодня это, конечно, звучит сверхфантастично), физикам удалось бы удовлетворить все энергетические потребности человечества. Энергию можно было бы извлекать из любого вещества. Достаточно прикоснуться к нему монополем. Вот был бы действительно неисчерпаемый, бесконечный источник энергии. Космическим кораблям, а может, даже и самолетам, не пришлось бы брать с собой горючего. Звездолеты питались бы собираемой при полете космической пылью, а самолеты — просто воздухом! И никаких радиоактивных отходов, так как мезоны почти мгновенно бы распадались, а образующиеся в реакциях позитроны тут же аннигилировали в стенках реактора. Возникающее гамма-излучение нетрудно задержать поглощающими экранами. Чистая и безопасная атомная энергия!

Монополи можно было бы хранить в «магнитных бутылках» — специальных ловушках, магнитное поле которых действительно имеет форму бутылки и предохраняет содержащиеся в ней частицы от соприкосновения со стенками.

Пока это — только мечта. Но если законы природы ей не противоречат, рано или поздно наука ее осуществит.

Правда, есть и пугающий аспект проблемы: что произойдет, если хотя бы один монополь ускользнет из «бутылки»? Неуправляемый распад планеты? Загнать монополи обратно в «бутылку» потруднее, чем джинна в кувшин. Впрочем, надо сначала их найти...

Вот куда заводит, казалось бы, чисто теоретический вопрос о симметрии электричества и магнетизма! В физике всегда так: даже самые абстрактные проблемы рано, или поздно находят практическое применение. И в каждом таком приложении есть как положительные, так и отрицательные стороны. Такова диалектика природы и научного знания, диалектика жизни.