Черные дыры и молодые вселенные - Стивен Уильям Хокинг

которых кварк сопровождается антикварком (как в пи-мезоне). Чтобы объяснить это свойство, ученые наделили кварки таким качеством, как «цвет». Здесь следует подчеркнуть, что цвет кварков не имеет ничего общего с нашим обыденным восприятием цвета: кварки слишком малы, чтобы их можно было визуально «увидеть» в свете. Это всего лишь удобное наименование. Идея заключается в том, что кварки бывают трех цветов: красного, зеленого и синего. При этом любое изолированное связанное состояние кварков, например в адроне, должно быть бесцветным и представлять собой либо сочетание красного, зеленого и синего (как в протоне), либо красного и антикрасного, зеленого и антизеленого, синего и антисинего (как в пи-мезоне).

Сильные взаимодействия между кварками предположительно переносятся глюонами, частицами со спином 1, наподобие тех частиц, которые переносят слабые взаимодействия. Глюоны также несут в себе цвет. Как и кварки, они подчиняются перенормируемой теории, называемой квантовой хромодинамикой (КХД). Следствием процедуры перенормировки является то, что эффективная константа связи в теории КХД зависит от энергии, на которой она измеряется, уменьшаясь до нуля при очень высоких энергиях. Это явление, называемое асимптотической свободой, подразумевает, что поведение кварков внутри адрона очень напоминает поведение свободных частиц в столкновениях при высоких энергиях и может описываться с использованием методов теории возмущений. Результаты, предсказанные теорией возмущений, довольно хорошо согласуются в качественном отношении с наблюдениями, хотя еще никто не взял на себя смелость заявить, что теория полностью подтверждена экспериментально. При низких энергиях эффективная константа связи становится очень большой и теория возмущений нарушается. Есть надежда, что это «инфракрасное рабство» в конце концов позволит понять, почему кварки всегда группируются в бесцветные связанные состояния, хотя до сих пор еще никто не смог убедительно это продемонстрировать.

Естественно, что после того, как была создана одна перенормируемая теория для сильных взаимодействий и другая – для слабых и электромагнитных взаимодействий, появилось желание поискать теорию, которая смогла бы объединить эти две. Подобным теориям дается весьма пышный титул: теория великого объединения (ТВО). Это некоторое преувеличение, поскольку они вовсе не такие великие и не такие уж объединяющие, и даже не вполне теории, так как обладают целым рядом неопределенных параметров перенормировки, таких как константы связи и массы. Тем не менее они могут рассматриваться как существенный шаг вперед на пути к созданию всеобъемлющей теории объединения. Основная идея заключается в том, что эффективная константа связи коротких взаимодействий, которая велика при малых энергиях, за счет асимптотической свободы постепенно уменьшается при высоких энергиях. С другой стороны, эффективная константа связи в теории Салама – Вайнберга, малая при низких энергиях, постепенно возрастает при высоких энергиях, потому что эта теория не является асимптотически свободной. Если проэкстраполировать темп возрастания и уменьшения констант связи на низких энергиях, то обнаружится, что эти две константы связи становятся равными при энергии порядка 1015 Гэ В. (Гэ В – гигаэлектрон-вольты; 1 Гэ В = 1 млрд электрон-вольт. Эта энергия примерно равна той, которая высвободилась бы при полном превращении атома водорода в энергию. Сравните это с энергией, высвобождаемой в химических реакциях типа горения: она равна одному электрон-вольту на атом.) Теории предполагают, что при более высоких энергиях сильные взаимодействия объединяются со слабыми и электромагнитными, а при низких энергиях наступает спонтанное нарушение симметрии.

Энергия 1015 Гэ В находится за пределами возможностей лабораторного оборудования. Современное поколение ускорителей частиц может дать энергии в системе центра масс порядка 10 Гэ В, а следующее поколение будет способно давать приблизительно 100 Гэ В[24]. Этого будет достаточно для исследования диапазона энергий, в котором электромагнитные взаимодействия должны объединиться со слабыми согласно теории Салама – Вайнберга, но исследование очень высоких энергий, при которых будет возможность объединить слабые, электромагнитные и сильные взаимодействия, по-прежнему будет недоступно. Тем не менее, в рамках ТВО можно сделать некоторые предсказания, касающиеся низких энергий, которые можно проверить в лаборатории. Например, теории предсказывают, что протон не является абсолютно устойчивой частицей – время его распада составляет порядка 1031 лет. Современная оценка нижнего предела времени жизни протона составляет 1030 лет, но она еще требует уточнения.

Еще одно наблюдательное предсказание касается отношения числа барионов к фотонам во Вселенной. Законы физики одинаковы для частиц и античастиц. Точнее говоря, они не меняются, если частицы заменить античастицами, «право» на «лево», а скорости всех частиц заменить на противоположные. В этом суть CPT-теоремы[25], являющейся следствием основных предположений, которые должны выполняться в любой разумной теории. Но Земля да и вся Солнечная система построены из протонов и нейтронов без примеси антипротонов или антинейтронов. Такой дисбаланс между частицами и античастицами является еще одним априорным условием нашего существования. Действительно, если бы Солнечная система состояла из смеси частиц и античастиц в равных количествах, они бы сразу аннигилировали, превратившись в излучение. Опираясь на наблюдения, которые говорят об отсутствии такого аннигиляционного излучения, мы можем сделать вывод, что наша Галактика состоит из частиц, а античастиц в ней нет. У нас нет прямого свидетельства по поводу других галактик, но, скорее всего, они тоже состоят из частиц. Вероятно, вся Вселенная характеризуется переизбытком частиц над античастицами в соотношении примерно одна частица на 108 фотонов. Можно попытаться объяснить этот факт, вновь сославшись на антропный принцип, но теории великого объединения могут объяснить этот дисбаланс по-другому. Хотя все взаимодействия, судя по всему, инвариантны по отношению к комбинации C (замене частиц на античастицы), P (замене правого на левое) и T (замене направления течения времени), известно, что есть такие взаимодействия, которые не являются инвариантными по отношению к одному T. На ранних этапах зарождения Вселенной, на которых расширение задавало явно выраженную стрелу времени, эти взаимодействия могли привести к возникновению большего количества частиц по сравнению с античастицами. Но численные оценки сильно зависят от вида модели, поэтому согласие с наблюдениями здесь вряд ли можно считать подтверждением ТВО.

До настоящего времени усилия были в основном направлены на объединение первых трех категорий физических взаимодействий: сильных и слабых ядерных, а также электромагнитных. Гравитацию до сих пор обходили стороной. Объяснением этого может служить тот факт, что гравитация настолько слаба, что квантовые гравитационные эффекты могут проявиться только при энергиях, намного превышающих возможности любого ускорителя частиц. Кроме того, гравитация, по-видимому, не поддается перенормировке. Чтобы получить результат с конечной величиной, кажется, придется сделать бесконечное количество вычитаний бесконечных величин, которые приведут к бесконечному количеству неопределенных конечных остатков. Но учитывать гравитацию необходимо, если мы хотим построить полностью единую теорию. Более того, классическая теория ОТО предсказывает, что должны существовать пространственно-временные сингулярности, в которых гравитационное поле будет бесконечно большим. Такие