Типы и принципы логики

Самодействием глюонов объясняется правило невылетания цвета, согласно которому самостоятельно существовать могут только "бесцветные" объекты. Это значит, что невозможно встретить кварк или глюон в свободном состоянии. Иначе это состояние глюонов и кварков называется "конфайнмент" (англ. confinement – тюремное заключение): они "сидят" в адронах, как пожизненно осужденные. При этом кварки постоянно меняют свои цвета, испуская и поглощая глюоны. Даже если бы кварк или глюон вырвался из адрона, он тут же превратился бы в "обычные" микрочастицы. По современным представлениям, выбивание кварка при глубоко неупругом рассеянии лептонов должно породить струи адронов. Таким образом, все субатомные частицы (в т. ч. адроны) элементарны в том смысле, что они не разлагаются на составляющие, а только превращаются в другие частицы. В то же время, недавно появились сообщения, что на протонных коллайдерах в Швейцарии и США удалось “разбить” элементарные частицы, получив кварк-глюонную плазму. Это потребовало громадных затрат энергии. Бомба, использующая энергию взаимодействия кварков, была бы настолько же сильнее ядерной или термоядерной, насколько они превосходят силу обычных (химических) взрывчатых веществ.

Промежуточные бозоны являются квантами трех разных полей, обеспечивающих т. н. слабое взаимодействие. Спин промежуточных бозонов равен также 1 (именно к ним чаще всего прилагают понятие "векторные"), а заряд указан при обозначающих символах. Масса их может быть изначально нулевой, но в процессе действия они становятся весьма тяжелыми: бозоны W^+,– достигают массы в 160000, а бозоны Z^о – в 180000 масс электрона. Поэтому их называют также "тяжелые бозоны". Есть предположения, что существует также переносчик силы тяготения – гравитон, со спином 2, т. е. не векторный и не скалярный. В моделях супергравитации наряду с гравитоном признается также гравитино, со спином 3/2; но существование тех и других пока не доказано. Мезоны, отнесенные выше к адронам, но имеющие целочисленный спин, также играют большую роль во взаимной связи частиц. Особой активностью отличаются пи-мезоны, – скалярные (бесспиновые) бозоны, которые участвуют во всех фундаментальных взаимодействиях. Одна из самых актуальных задач физики элементарных частиц – поиски т. н. хиггса – бозона Хиггса, который мы упоминали при рассмотрении возможной структуры физического вакуума.

В литературе и в сети Интернет встречаются разного рода экзотические теории строения микрочастиц. Напр., т. н. праоника отвергает учение о кварках и исходит из представлений о многоуровневом строении вещества, так что элементарные частицы нашего "уровня" составлены из молекул вещества субуровня. Некто А.С. Зазерский приглашает всех желающих к разработке "субквантовой парадигмы". Авторы таких учений сулят запросто разрешить проблему сохраняемости электрона. Но пока еще эти теории не признаны большой наукой.

В заключение данного вопроса лекции приведем таблицу относительной  силы и других важнейших признаков фундаментальных взаимодействий с участием субатомных частиц. 

Иногда встречаются  несколько иные оценки и в другой форме записи: 1 : 1/137 : 10^–5 : 10^–39. Известно, сколько бед может наделать "слабая" гравитация; силу более мощных фундаментальных связей невозможно себе чувственно представить. 

 
    4. ЭВОЛЮЦИЯ ВЕЩЕСТВА В КОСМОСЕ

В настоящее время мы можем наблюдать  процессы порождения частиц вещества (в небольших количествах) при торможении космических и других излучений. Но изначально и в массовом виде вещество порождается из вакуума в ходе становления Вселенной. Можно сказать, что современная космология сливается с физикой элементарных частиц, микромир и мегамир обнаруживают свое непосредственное единство. Это еще один пример слияний противоположностей в науке наших дней. Мы не станем рассматривать всю сложную цепь процессов становления Вселенной и формирования вещества. Отметим лишь наиболее примечательные звенья этой цепи.

По современным представлениям, при возрасте Вселенной всего  лишь в 10^–34 с и температуре около 10²⁷ К настала "эра Великого объединения". Мир был тогда заполнен "супом" из экзотических частиц, и важнейшую роль играли сверхмассивные Х- и Y-бозоны. Именно эти частицы рассматриваются в современных теориях Великого объединения как универсальные переносчики взаимодействия. Но с падением температуры ниже 10²⁷ К они уже не могли эффективно рождаться, и стал преобладать процесс распада частиц. Но распад Х-бозонов идет не совсем симметрично; в результате на каждый миллиард античастиц появлялась одна лишняя частица.

По мере остывания Вселенной  вещество проаннигилировало с антивеществом, но этот мизерный избыток вещества остался и послужил материалом для построения атомов, звезд и планет. Как видим, природа в своем творчестве бывает весьма расточительна и безжалостна к собственным порождениям. И сейчас наряду с обычным веществом возникают частицы антивещества. Они в принципе могут образовывать сложные системы, и в 1969 г. в СССР, впервые в мире, искусственно получен антигелий. Но пока в Метагалактике не отмечено скоплений антивещества. Возможно, что эта асимметрия вещества и антивещества обусловлена, в конечном счете, самой неравновесностью физического вакуума, как самоорганизующейся субстанции; но этот вопрос еще неясен для науки. А в ходе первичной массовой аннигиляции на каждую уцелевшую частицу вещества возникало около миллиарда фотонов (возраст Вселенной в это время насчитывал около 300 тыс. лет). Они и дошли до нас в виде т. н. реликтового фонового излучения.

Но  еще при времени от начала расширения около 0,2 с и температуре около 2× 10¹⁰ К и электронные нейтрино перестали взаимодействовать с частицами, и отправились в свободное путешествие сквозь пространство и сквозь вещество. Сейчас температура этих реликтовых нейтрино должна быть около 2 К, но по понятным причинам их пока не удается зафиксировать. Материя в горячей Вселенной представляла собой плазму – ионизированный газ, состоящий из свободных электронов и положительных ионов, находящихся в тепловом равновесии с фотонами в результате постоянных столкновений друг с другом. Целый миллион лет от начала расширения Вселенной продолжалась "эра излучения", когда Вселенная была еще слишком "горячей", чтобы субатомные частицы могли создавать устойчивые системы. Лишь после этого из них образуются первые простейшие атомы. В это время Вселенная была в 1000 раз меньше, чем сегодняшняя.

Современный человек еще на школьной скамье, а то и раньше узнаёт, что атом состоит из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов, которые движутся возле этого ядра. Основная масса любой единицы данного уровня – атома – более, чем на 99,9% сосредоточена в его ядре, размер которого составляет 10^–13 см, то есть в 10⁵ раз меньше размеров самого атома (10^–8 см). Так, если размеры атома представить в виде футбольного поля (с диаметром 100 м), то атомное ядро будет соответствовать дробинке с диаметром лишь 1 мм. Тем не менее, в ядре сосредоточена практически вся масса атома; но движением электронов управляет не она, а кулоновские силы притяжения разноименных зарядов. Протоны определяют положительный заряд ядра атома, и число их в ядре равняется номеру данного химического элемента в таблице Менделеева. Число нейтронов в ядре может меняться, создавая изотопы атомов одного химического элемента, различающиеся по весу и физическим (но не химическим) свойствам. Протоны и нейтроны в ядре не просто дремлют рядышком, а постоянно превращаются друг в друга путем слабого взаимодействия между кварками. Между собой они связаны благодаря остаточным эффектам сильного взаимодействия между кварками в этих нуклонах. Т. о., ядерные силы – это "хвосты" внутриадронных связей.

В пустом космическом пространстве образуются только атомы водорода, и в небольшом количестве – гелия и лития, следующих по простоте элементов. В изначальных космических облаках более сложные атомы встречаются только в следовом количестве. Обычная плотность космических облаков составляет несколько тысяч атомов в кубическом сантиметре пространства. Скопление этих простейших атомов в виде облаков является своеобразной формой социальности, призванной защитить эти атомы от разрушающего действия космических излучений. Ведь для такой простейшей системы даже потеря одного элемента, как правило, равносильна гибели, и вне скоплений они просто не выживают. Коллективная защита оказывается достаточно эффективной: даже вблизи горячих голубых звезд ионизация космических облаков составляет всего несколько процентов. Причем элементы распавшихся атомов в условиях однородного коллектива легко находят друг друга и осуществляют т. н. рекомбинацию, повторно образуя целостные системы.

Но  та же сила гравитации, которая собрала  простые атомы в устойчивые коллективы, губит скромную гармонию их бытия. Большие облака гравитационно неустойчивы и со временем самопроизвольно распадаются на части, а в этих частях выделяются более плотные ядра. Когда Вселенная была примерно в 100 раз меньше, чем сейчас, из газовых облаков начали выделяться протогалактические сгущения. Внутри будущих галактик, также путем сгущения, постепенно образовались звезды. Общее количество звезд во Вселенной оценивается числом 10²², только в нашей галактике Млечного пути насчитывается несколько сотен миллионов звезд, а астрономическому наблюдению сегодня доступно около двух миллиардов звезд.

В недрах звезд водород, гелий и  литий выгорают в процессе термоядерного  синтеза, и образуются более сложные  химические элементы, напр., углерод  и железо. Катаклизмы и гибель звезд обогащают мировое пространство такими элементами. В старых, рано образовавшихся звездах содержание тяжелых элементов бывает в 10–100 раз ниже среднего современного. Особенно важная роль в "обогащении" космоса принадлежит вспышкам сверхновых звезд, т. е. взрывам звезд с выбросом в пространство больших количеств вещества, образующего газовые туманности. Благодаря энергии излучения и взрывной волны, в эти моменты образуются наиболее тяжелые атомы. Собственно в процессе эволюции звезды до ее взрыва не получается элементов тяжелее чем железо. В последние годы в продуктах деятельности звезд обнаружены молекулы бензола (они состоят из шести атомов углерода, соединенных в виде кольца, и шести атомов водорода, по одному на каждый атом углерода), а еще раньше – длинные цепочки атомов углерода. Подозревается также наличие ароматических углеводородов – производных бензола.

Мы  не станем здесь рассматривать эволюцию звезд и все способы ее завершения, – это предмет астрономии и  астрофизики. Но нельзя пройти мимо такого явления, как т. н. черные дыры. Когда в недрах звезды угасли термоядерные процессы, ее развитие может завершиться гравитационным коллапсом ("схлопыванием"), при котором вещество безостановочно падает к центру звезды. Дело в том, что с приближением радиуса звезды к величине r_g = 2GM/C² (где M – масса звезды, G – гравитационная постоянная) сила тяготения, согласно общей теорией относительности, стремится к бесконечности, а силы упругости остаются конечными при любой степени сжатия вещества. Для Солнца радиус r_g составлял бы около 3 км, а для Земли – около 1 см.

Сфера с таким радиусом называется сферой Шварцшильда. Иначе ее называют горизонтом событий, т. к. громадное тяготение  не выпускает за ее пределы даже электромагнитные волны. Частота любого излучения на этой сфере обращается в ноль. Поэтому мы не видим черные дыры ни в каком диапазоне излучения, но узнаём о них, наблюдая, как якобы пустая область с огромной силой втягивает в себя вещество и закручивает его вокруг "черной дыры". Интересно, что по данным внешнего наблюдателя никакая частица никогда не достигнет сферы Шварцшильда и не пересечет ее, тогда как по часам наблюдателя, падающего в черную дыру, он проник бы внутрь этой сферы за конечное время (в реальности он гораздо раньше этого был бы разорван приливными силами).

Хотя  из черных дыр не выходит никакого излучения, закон сохранения энергии  действует и для них. Ускоряя  частицы в окружающем пространстве, они заставляют их излучать дополнительную энергию и затрачивают на это  собственную энергию; следовательно (по канонам релятивистской физики), расходуют свою массу. В этом смысле говорят, что черные дыры "испаряются". Их испарение происходит очень медленно, но все же они не вечны. Под сферой Шварцшильда вещество полностью распадается, исчезают даже элементарные частицы. Интересно, что температура там поначалу близка к абсолютному нулю, но по мере "испарения" черная дыра может разогреваться до миллионов градусов.

В теории черных дыр большую роль сыграли  труды Ст. Хокинга: в 1971 г. он предложил  механизм образования первичных черных дыр в ранней Вселенной, а в 1974 г. открыл эффект квантового испарения черных дыр. В 2000 г. впервые обнаружена черная дыра в нашей галактике, которая примерно в шесть раз массивнее Солнца и находится в 6 тысячах световых лет от Земли. Известно еще около 20 источников излучения в Млечном Пути, которые предположительно указывают на черные дыры. А в начале января 2001 г., возможно, впервые удалось получить прямое доказательство существования черных дыр, путем наблюдения (с помощью космического телескопа Hubble) за исчезновением материи возле массивного компактного объекта "Лебедь XR-1". Но не все специалисты признают даже само существование "черных дыр". Развивая РТГ, А.А. Логунов с соавторами недавно пришли к заключению, что в рамках этой теории черные дыры не существуют. Акад. В.Л. Гинзбург, наоборот, уверен в том, что и в вопросе о черных дырах права ОТО, а не РТГ. Спор еще окончательно не решен.