В числе прочих физических характеристик этого кварка имеется новое, так называемое квантовое число, получившее название "очарования" или "чарма".
По если есть четвертый кварк, то должны существовать и частицы, в состав которых он входит. Именно одна из такпх- частиц - джей-пси-мезон и была обнаружена в ноябре 1974 г.
Есть предположение, что джей-пси-мезон представляет собой своеобразную атомоподобную систему, которая состоит из С-кварка и его антикварка. Эту систему назвали "чармонием".
Если это предположение соответствует действительности, то джей-пси-мезон, видимо, представляет собой нечто иное, как один из возможных энергетических уровней чармония.
Не исключена также возможность, что в природе существуют образования, состоящие из комбинаций "старых" и "новых" кварков. Сперва подобные объекты попытались "сконструировать" теоретики, а в конце 1976 г. появились сообщения об открытии чармированных мезонов и чармированного бариона. Любопытно отметить, что джей-пси-мезон оказался самым тяжелым мезоном среди всех известных современной физике. В то же время весьма велика и продолжительность жизни джей-пси-мезона. Она составляет около 10~20 с. Это примерно в тысячу раз больше, чем продолжительность существования других тяжелых частиц. А в 1977 г. была открыта ипсилон-частица, предсказанная теорией как комбинация шестого кварка и антикварка. Ее масса равна пяти массам протона. Тот факт, что пси-частицы оказались сравнительно долгоживущими, наводит на мысль, что, быть может, в природе есть некое еще неизвестное нам правило запрета, накладывающее "вето" на быстрый распад джей-пси-мезона и других подобных частиц.
Открытие пси-частиц послужило весьма важным свидетельством в пользу гипотезы кварков и заставило ещо раз задуматься над тем, почему эти объекты не удается обнаружить на опыте.
Для объяснения возникшей ситуации была предложена любопытная идея так называемого удержания кварков.
Речь идет о том, что, быть может, вообще в природе существуют частицы, в том числе и кварки, которые в принципе невозможно оторвать друг от друга и выделить в чистом виде. Согласно этой идее силы, связывающие между собой два кварка, возможно, имеют не электромагнитную, а какую-то иную природу. Не исключено, что по своему характеру они напоминают бесконечно узкую, упругую, как бы "резиновую" трубку. Такая упругая трубчатая связь не позволяет оторвать один кварк от другого, - "растягиваясь" при внешнем воздействии, она затем - сокращается и возвращает кварк на место. Таким образом, не исключена возможность, что кварки представляют собой особый тип образований, которые могут существовать только в совокупности и которые принципиально невозможно разделить. Не исключено также, что дальнейшее развитие физики элементарных частиц покажет, что, помимо четырех кварков, фигурирующих в настоящее время, существуют и другие, более тяжелые. Возможно, ответ на этот вопрос удастся получить в самое ближайшее время. Теория элементарных частиц наряду с астрофизикой всегда играла важную роль в формировании новых представлений о явлениях окружающего нас мира. В частности, современная теория элементарных частиц не только знакомит нас с новыми объектами, но по мере своего развития ведет в глубины "все более странного мира". Одним из весьма любопытных объектов "странного мира" современной микрофизики являются так называемые сверхсветовые частицы, или тахионы.
БЫСТРЕЕ СВЕТА
Согласно теории относительности Эйнштейна, которая является одной из фундаментальных основ современного естествознания, скорость передачи любых физических взаимодействий не может превосходить скорости света.
Однако можно предположить, что наряду с миром досветовых взаимодействий существует нигде не пересекающийся с ним мир сверхсветовых скоростей, в котором скорость света является не верхней, а нижней границей скорости физических процессов. Подобное предположение в принципе не только не противоречит существу теории относительности, но, наоборот, делает эту теорию более симметричной и внутренне согласованной, обобщая ее на мир, лежащий за световым барьером.
Кстати, это как раз тот случай, когда к довьтм выводам приводит саморазвитие теории, вытекающее из ее внутренней логики.
Разумеется, справедливость гипотезы тахпонов может доказать только эксперимент, по естественность теоретического обобщения, о котором идет речь, производит сильное впечатление.
Если бы тахионы действительно существовали, они оказались бы третьим типом известных нам частиц. Первый из них составляют "досветовые" частицы, которые ни при каких обстоятельствах не могут достичь скорости, в точности равной световой. К их числу относятся почти все известные нам элементарные частицы. Второй тип - частицы, движущиеся точно со скоростью света. К ним относятся фотоны - порции света - и нейтрино. Тахиопы явились бы частицами, всегда обладающими сверхсветовыми скоростями.
- Возникает вопрос: не является ли гипотеза тахионов физически бессмысленной?
Все дело в том, что соотношение или процесс, которые невозможны в круге привычных для нас явлений, в принципе могут реализоваться в другой области явлений. Иными словами, наши представления о возможном и невозможном носят относительный характер. Физически бессмысленными можно считать лишь такие выводы теории, которые вступают в противоречие с тем или иным фундаментальным законом природы в той области, где этот заон достаточно хорошо проверен. Гипотеза тахионов в подобные противоречия не вступает. Мир тахионов нигде ве пересекается с нашим досветовым миром. Те три типа частиц, которые были упомянуты, обладают таким свойством: частицы одного типа ни при каких известных нам взаимодействиях не могут перейти в частицы другого типа. Хотя на более глубоком, еще не изученном современной физикой уровне это может оказаться и не так.
Правда, пока что никаких экспериментальных указаний на возможность существования тахионов получить не удалось. Но, может быть, это связано с тем, что в соответствующих экспериментах не учитывались какие-то еще неизвестные нам свойства этих гипотетических частиц. Одна из интересных возможностей состоит в том, чтобы попытаться обнаружить тахионы по так называемому черенковскому излучению (подмени советского физика Черенкова). Теория утверждает, что при движении в вакууме сверхсветовые частицы должны излучать электромагнитные волны, хотя зафиксировать подобное излучение будет весьма нелегко.
Физика микромира особенно поучительна тем, что в процессе ее развития возникает масса неожиданных понятий и образов, потрясающих привычные основы. Тем самым наглядно и убедительно демонстрируется неправомерность любой абсолютизации научных знаний, физика как наука никогда не закончится.
Развитие теории элементарных частиц ведет -нас ко все более диковинным явлениям, все дальше от привычных, наглядных представлений. Эта теория постепенно обрастает более сложными математическими и другими образами, у которых нет аналогий в том мире, который нас непосредственно окружает.
В то же время, несмотря на обилие экспериментальных данных, единой теории элементарных частиц пока не существует. Значит ли это, что современная микрофизика нуждается в каких-то принципиально новых, может быть, "безумных идеях"?
В тех сведениях, которыми мы располагаем сегодня о процессах микромира, еще много непонятного. Не исключено, что усилиями теоретиков трудности будут преодолены на основе имеющихся представлений. Но могут потребоваться и совершенно новые идеи, в том числе и весьма необычные.
Таково мнение большинства специалисте", работающих в этой области физической науки.
УДИВИТЕЛЬНАЯ ВСЕЛЕННАЯ
Таким образом, когда наука перешла от изучения обычных, окружающих нас макроскопических явлений к исследованию микропроцессов, то она столкнулась с миром необычных, странных явлений.
Поэтому можно было ожидать, что когда будет сделан скачок в противоположном направлении - от физики макромира к физике мегакосмоса, для которого характерны колоссальные расстояния, огромные промежутки времени и гигантские массы вещества, то мы столкнемся с не менее странными и диковинными явлениями.
Так и произошло! Астрофизика XX века, изучая Вселенную, принесла ряд неожиданных открытий, явно не укладывающихся в рамки традиционных представлений о мироздании и производящих на первый взгляд впечатление необычного, невероятного, не поддающегося объяснению с позиций здравого смысла.
Об открытии расширения Вселенной мы уже говорили.
К не менее удивительным результатам привело и изучение ее геометрических свойств.
Мы не будем сейчас касаться полной драматических событий и крутых поворотов истории изучения этой проблемы. Подлинно научная постановка вопроса о геометрии пространства Вселенной, и в частности о его конечности или бесконечности, стала возможна лишь в начале XX столетия, когда А. Эйнштейном была создана общая теория относительности.
Один из основных выводов этой теории состоит в том, что геометрические свойства пространства зависят от распределения материи. Любая масса искривляет окружающее пространство, и это искривлепие тем сильнее, чем больше масса.
Сущность общей теории относительности Эйнштейн объяснял примерно так. Если бы из мира вдруг исчезла вся материя, то с точки зрения классической физики пространство и время сохранились бы. С точки зрения общей теории относительности с исчезновением материи исчезли бы пространство и время.
Таким образом, не существует абсолютного ньютоновского пространства и абсолютного времени, не зависящих от материи: пространство и время лишь формы ее существования.
Поскольку мы живем в мире, заполненном различными космическими объектами - звездами, туманностями, галактиками, мы живем в искривленном, или, как говорят математики, неэвклидовом пространстве.
В обычной жизни мы этого не замечаем, так как в условиях Земли имеем дело со сравнительно небольшими массами и незначительными расстояниями. Именно по этой причине мы вполне удовлетворяемся обычной эвклидовой геометрией. В земных условиях ена является достаточным приближением к реальной действительности. Однако в космических масштабах искривление пространства становится значительным, и его уже нельзя по учитывать. Особенно важное значение это имеет для выяснения геометрических свойств Вселен иой. В частности, оказалось, что в искривленном мире неограниченность и бесконечность пространства не одно и то же. Неограниченность пространства - это отсутствие границ. Но оказывается, неограниченное пространство может быть конечным, замкнутым в себе, и бесконечным.
Приведем для наглядности в качестве аналогии сферическую поверхность, поверхность шара конечного радиуса.
И представим себе некое гипотетическое двумерное существо, скажем бесконечно плоского муравья, обитающего v этой поверхности и даже не подозревающего, что существует какое-то третье измерение.
Куда бы ни полз этот муравей, он никогда не доберется до границы своего сферического мира. И в этом смысле сферическая поверхность неограниченна.
Но поскольку радиус ее конечен, то конечна и ее площадь - это конечное пространство.
Неограниченность материального мира не вызывает сомнений. Если мы стоим на позициях материализма и атеизма, мы должны признать, что материальный мир не может иметь границ. Наличие границ означало бы, что за ними располагается нечто нематериальное. Иными словами, мы пришли бы к идеальному, к религии.
Таким образом, вопрос о неограниченности материального мира - это принципиальный мировоззренческий вопрос,
Однако неограниченный мир, как мы уже знаем, может быть как конечным, так и бесконечным. И вопрос о том, каков он на самом деле, нельзя решить из одних лишь философских соображений, его можно решить только путем исследования реальной действительности.
Нетрудно догадаться, что конечность или бесконечность пространства Вселенной зависит от его кривизны, А кривизна, в свою очередь, определяется количеством материи, ее массой.
Соберем мысленно всю материю Вселенной и равномерно "размажем" ее по всему пространству. И посмотрим, какая масса окажется в одном кубическом метре, т. е. определим среднюю плотность.
Теория осносительности дает четкий критерий: если средняя плотность не больше девяти протонов - ядер атомов водорода, пространство незамкнуто и бесконечно; если десять или больше протонов, замкнуто и конечно.
Что говорит нам современная астрофизика о средней плотности материи во Вселенной? Существуют различные способы ее определения, и они приводят к разным результатам. Но во всех случаях плотность получается ниже критической. Таким образом, с точки зрения современных астрофизических данных мы живем в бесконечной незамкнутой Вселенной.
Однако вопрос обстоит значительно сложнее. Прежде всего надо иметь в виду, что нам, возможно, известны не все формы существования материи, а открытие новых форм может изменить значение средней плотности материи.
Но если бы даже удалось определить среднюю плотность совершенно точно, вопрос о конечности или бесконечности Вселенной не был бы решен окончательно. Дело в том, что его, видимо, и нельзя решить окончательно в том смысле, в каком мы решаем многие другие вопросы науки, т. е. получить четкий ответ типа "да" или "нет".
Теория относительности вскрыла относительный характер ряда физических величин, казавшихся до этого абсолютными и неизменными. Несколько лет тому назад московскому астроному А. Зельманову удалось доказать, что относительным является и свойство пространства быть конечным или бесконечным. Пространство Вселенной, конечное и замкнутое в одной системе отсчета, может быть в то же самое время бесконечным и незамкнутым в другой.
Таким образом, мы встретились с не совсем обычной и в то же время поучительной ситуацией, которая показывает, что природа значительно сложнее наших формальнологических представлений о ней, что ее свойства и явления обладают диалектическим характером.
ЗАГАДОЧНЫЕ ЯДРА ГАЛАКТИК
За последние десятилетия астрономы обнаружили во Вселенной ряд нестационарных объектов, где протекают бурные физические процессы и за сравнительно короткие промежутки времени происходят весьма существенные качественные изменения.
Начало этим исследованиям было положено открытием в 1962 г. так называемых радиогалактик, т. е. галактик, радиоизлучение которых во много раз сильнее теплового радиоизлучения, присущего любому космическому объекту, температура которого выше температуры абсолютного нуля. В качестве наиболее яркого примера можно привести двойную радиогалактику в созвездии Лебедь (радиоисточник Лебедь А). Хотя эта космическая "радиостанция" находится от нас на огромном расстоянии около 600 миллионов световых лет, ее радиоизлучение, принимаемое на Земле, имеет такую же мощность, как и радиоизлучение спокойного Солнца. А ведь расстояние до Солнца составляет около восьми световых минут, т. е. в 400 миллиардов раз меньше!
Для того чтобы работала любая радиостанция, в том числе и природная, ее надо питать энергией. Каковы же те энергетические источники, которые способны на протяжении миллионов лет обеспечивать мощное радиоизлучение радиогалактик?
В последние годы накапливается все больше фактов, свидетельствующих о том, что эта энергия вырабатывается в результате бурных физических процессов, протекающих в ядрах галактик - сгущениях материи, расположенных в центральных частях многих звездных островов Вселенной.
Несомненные признаки активности проявляет, например, ядро нашей собственной Галактики. Как показали радионаблюдения, оно непрерывно выбрасывает водород в количестве, достигающем полутора солнечных масс в год.
Если принять во внимание, что возраст нашей Галактики составляет около 15-17 миллиардов лет, то получится, что из ее ядра было выброшено около 25 миллиардов солнечных масс, что составляет уже около одной восьмой части массы всей Галактики.
При этом явления, которые мы наблюдаем в ядре нашей звездной системы в настоящее время, представляют собой скорее всего лишь слабые отголоски былых, гораздо более бурных процессов, происходивших в ту эпоху, когда наша Галактика была моложе и богаче энергией. Во всяком случае, известны галактики, ядра которых ведут себя значительно активнее, а у некоторых звездных систем эта активность приобретает даже взрывной характер. Например, в ядре галактики М-82, судя по всему, несколько миллионов лет назад произошел грандиозный взрыв, в результате которого было выброшено колоссальное количество газа. И сейчас эти газовые массы с огромной скоростью мчатся от центра Галактики к ее окраинам.
Астрофизики подсчитали, что кинетическая энергия взрыва в М-82 составляет около 3"1052 Дж. Чтобы сделать это число более ощутимым, достаточно сказать, что для получения такой энергии надо было бы взорвать термоядерный заряд с массой, равной массе 15 тысяч солнц...
Эти и другие подобные факты указывают на то, что ядра галактик, видимо, не только являются мощными источниками энергии, но и оказывают весьма существенное влияние на развитие звездных систем.
Еще более грандиозными источниками энергии оказались знакомые нам квазары, открытые в 1963 г. и расположенные на очень больших расстояниях от нашей Галактики, вблизи границ наблюдаемой Вселенной.
По своим размерам квазары не идут ни в какое сравнение с галактиками. Данные астрономических наблюдений свидетельствуют о том, что поперечники их ядер составляют от нескольких световых недель до нескольких световых месяцев, в то время как поперечник нашей Галактики равен 100 тысячам световых лет. Однако полная энергия излучения квазаров примерно в сто раз превосходит энергию излучения самых гигантских известных нам галактик.
Более того, сейчас почти не остается никаких сомнений в том, что окружающая нас Вселенная также произошла в результате гигантского взрыва и последующего расширения компактного сгустка сверхплотной горячей плазмы.
Все эти открытия показали, что во Вселенной происходят сложнейшие физические процессы, связанные с необратимыми изменениями космических объектов, исключающими возможность возврата к прежним состояниям. И подобные изменения совершаются не только медленно и постепенно, но и за сравнительно короткие промежутки времени, скачкообразно.
Таким образом, исследования последних десятилетий привели ученых к заключению, что, вопреки существовавшим ранее представлениям, для многих фаз процесса развития космических объектов характерна резкая нестационарность, которая выражается во взрывных явлениях, дезинтеграции, рассеянии и т. п. Подобные процессы связаны с образованием новых космических объектов, их превращениями, а также переходами материи из одного физического состояния в другое,
"...Развитие скачкообразное, катастрофическое, революционное, - писал В. И. Ленин, - "перерывы постепенности"; превращение количества в качество; ...взаимозависимость и теснейшая, неразрывная связь всех сторон каждого явления; ...связь, дающая единый, закономерный мировой процесс движения, - таковы некоторые черты диалектики..." [Ленин В. И, Карл Маркс, - Пола, собр. соч., т. 26, с. 55. 135].
Открытие нестационарных процессов во Вселенной убедительно подтверждает, что диалектический характер присущ не только процессу научного познания, но и самой природе.
Если с этой точки зрения взглянуть на нестационарные явления в космосе, станет ясно, что они представляют собой "поворотные пункты" в развитии космических объектов, где совершаются переходы материи из одного качественного состояния в другое, возникают новые небесные тела.
Стало ясно: представления классической науки о стационарном характере большинства космических процессов в действительности оказались лишь одним из первых приближений к истинной картине мира, приближением, возможности которого были ограничены как уровнем развития методов исследования, так и общим состоянием естествознания,
С другой стороны, надо отметить, что найти удовлетворительное объяснение природы нестационарных явлений во Вселенной в рамках современных фундаментальных физических теорий пока не-удается. С точки зрения этих теорий такие явления представляются весьма необычными, в высшей степени "диковинными".
Удастся ли объяснить их с точки прения существующих фундаментальных физических теорий или для этого потребуются совершенно новые идеи?
Одна из таких идей была выдвинута известным советским астрофизиком академиком В. А. Амбарцумяном. Согласно гипотезе Амбарпумяна, в ядрах галактик присутствуют сверхплотные сгустки "дозвездной" материи.
Весьма возможно, что эти сгустки непосредственно связаны с тем "первоначальным", сверхплйтньм веществом, в результате распада которого возникла Метагалактика. Не исключено, что в процессе взрыва и расширения "первоначальное" вещество прореагировало не все сразу.
Часть сгустков по тем или иным причинам могла на длительное время сохраниться в устойчивом состоянии; их последующий распад, возможно, и приводит к тем энергетическим "всплескам", которые происходят во Вселенной.
Но что может представлять собой сверхплотная дозвездная материя? Какова ее физическая природа? К сожалению, в настоящее время для сколько-нибудь обоснованного ответа на этот вопрос в нашем распоряжении слишком мало данных.
Складывается впечатление, что свойства дозвездной материи, если она действительно существует, столь необычны, что вряд ли их удастся описать с помощью известных физических теорий. Очень может быть, что здесь действуют какие-то физические закономерности, еще неизвестные современной науке.
Впрочем, с подобным выводом соглашаются далеко не все современные физики и астрофизики.
Вполне возможно, что объяснение гигантских космических энергий будет получено на совсем иных путях.
ТЕРМОЯД ИЛИ...?
Проблема космических энергий связана не только с активными явлениями в ядрах галактик и квазарами, но и с отрицательными результатами нейтринных наблюдений Солнца.
Американский физик Р. Девис создал весьма чувствительную установку для регистрации солнечных нейтрино, Наблюдения проводились в течение длительного времени и принесли весьма неожиданный результат. Оказалось, что поток солнечных нейтрино по крайней мере в шесть раз меньше, чем это следует из существующей теории, основанной на предположении о термоядерной природе источников солнечно" и звездной энергии.
О необходимости серьезной проверки этой теории говорят и некоторые другие результаты исследований Солнца, выполненных в последнее время.
Несколько лет назад на Крымской астрофизической обсерватории АН СССР был создан высокочувствительный прибор для измерения чрезвычайно слабых магнитных полей на Солнце - солнечный магнитограф. Наблюдения, проведенные с помощью этого прибора, позволили обнаружить весьма интересный факт. Оказалось, что солнечная поверхность ритмично пульсирует с периодом около 2 час. 40 мин., поднимаясь при каждой пульсации на высоту около 20 км.
Как считает академик В. А. Амбарцумян, открытие крымских астрономов имеет первостепенное значение.
Оно не только свидетельствует о качественно новом процессе на Солнце, но и должно дать важную информацию о внутреннем строении нашего дневного светила. Как показывают теоретические расчеты, значение периода пульсации Солнца непосредственно связано с его внутренним строением. Периоду, равному 2 час. 40 мин., соответствует более однородное распределение плотности и температуры, а также более низкие значения этих физических величин для центральной части дневного светила, чем это следует из современной теории строения Солнца. В частности, температура в центре Солнца в этом случае должна составлять не 15 миллионов градусов, а всего 6,5 миллионов.
Но при таких физических условиях термоядерная реакция не может обеспечить наблюдаемого выхода солнечной энергии.
Есть и еще одно независимое соображение, ставящее под сомнение справедливость термоядерной гипотезы. Дело в том, что в атмосфере Солнца (как и в атмосферах других подобных ему звезд) в значительных количествах присутствуют литий и бериллий. Но в случае термоядерных реакций эти элементы должны были бы давно "выгореть".
В последнее время вывод о пульсации Солнца, полученный крымскими астрофизиками под руководством академика А. Н, Северного, нашел подтверждение и в работах английских астрономов, проводивших наблюдения на известной французской обсерватории Цик дю Мюди.
Были предприняты и первые попытки объяснить это явление. Так, ученые Кембриджского университета (Англия) высказали предположение, что в центральной части Солнца содержится в два раза больше тяжелых элементов, чем предполагалось ранее. Однако подобная гипотеза неизбежно ведет к кардинальному пересмотру современных физических представлений о строении Солнца и звезд.
Дальнейшая проверка термоядерной гипотезы связана прежде всего с осуществлением новых нейтрипных наблюдений дневного светила. Не исключена возможность, что нейтрино от Солнца все-таки летят, но их энергия ниже того порогового значения, на которое была рассчитана установка Девиса.
По если есть четвертый кварк, то должны существовать и частицы, в состав которых он входит. Именно одна из такпх- частиц - джей-пси-мезон и была обнаружена в ноябре 1974 г.
Есть предположение, что джей-пси-мезон представляет собой своеобразную атомоподобную систему, которая состоит из С-кварка и его антикварка. Эту систему назвали "чармонием".
Если это предположение соответствует действительности, то джей-пси-мезон, видимо, представляет собой нечто иное, как один из возможных энергетических уровней чармония.
Не исключена также возможность, что в природе существуют образования, состоящие из комбинаций "старых" и "новых" кварков. Сперва подобные объекты попытались "сконструировать" теоретики, а в конце 1976 г. появились сообщения об открытии чармированных мезонов и чармированного бариона. Любопытно отметить, что джей-пси-мезон оказался самым тяжелым мезоном среди всех известных современной физике. В то же время весьма велика и продолжительность жизни джей-пси-мезона. Она составляет около 10~20 с. Это примерно в тысячу раз больше, чем продолжительность существования других тяжелых частиц. А в 1977 г. была открыта ипсилон-частица, предсказанная теорией как комбинация шестого кварка и антикварка. Ее масса равна пяти массам протона. Тот факт, что пси-частицы оказались сравнительно долгоживущими, наводит на мысль, что, быть может, в природе есть некое еще неизвестное нам правило запрета, накладывающее "вето" на быстрый распад джей-пси-мезона и других подобных частиц.
Открытие пси-частиц послужило весьма важным свидетельством в пользу гипотезы кварков и заставило ещо раз задуматься над тем, почему эти объекты не удается обнаружить на опыте.
Для объяснения возникшей ситуации была предложена любопытная идея так называемого удержания кварков.
Речь идет о том, что, быть может, вообще в природе существуют частицы, в том числе и кварки, которые в принципе невозможно оторвать друг от друга и выделить в чистом виде. Согласно этой идее силы, связывающие между собой два кварка, возможно, имеют не электромагнитную, а какую-то иную природу. Не исключено, что по своему характеру они напоминают бесконечно узкую, упругую, как бы "резиновую" трубку. Такая упругая трубчатая связь не позволяет оторвать один кварк от другого, - "растягиваясь" при внешнем воздействии, она затем - сокращается и возвращает кварк на место. Таким образом, не исключена возможность, что кварки представляют собой особый тип образований, которые могут существовать только в совокупности и которые принципиально невозможно разделить. Не исключено также, что дальнейшее развитие физики элементарных частиц покажет, что, помимо четырех кварков, фигурирующих в настоящее время, существуют и другие, более тяжелые. Возможно, ответ на этот вопрос удастся получить в самое ближайшее время. Теория элементарных частиц наряду с астрофизикой всегда играла важную роль в формировании новых представлений о явлениях окружающего нас мира. В частности, современная теория элементарных частиц не только знакомит нас с новыми объектами, но по мере своего развития ведет в глубины "все более странного мира". Одним из весьма любопытных объектов "странного мира" современной микрофизики являются так называемые сверхсветовые частицы, или тахионы.
БЫСТРЕЕ СВЕТА
Согласно теории относительности Эйнштейна, которая является одной из фундаментальных основ современного естествознания, скорость передачи любых физических взаимодействий не может превосходить скорости света.
Однако можно предположить, что наряду с миром досветовых взаимодействий существует нигде не пересекающийся с ним мир сверхсветовых скоростей, в котором скорость света является не верхней, а нижней границей скорости физических процессов. Подобное предположение в принципе не только не противоречит существу теории относительности, но, наоборот, делает эту теорию более симметричной и внутренне согласованной, обобщая ее на мир, лежащий за световым барьером.
Кстати, это как раз тот случай, когда к довьтм выводам приводит саморазвитие теории, вытекающее из ее внутренней логики.
Разумеется, справедливость гипотезы тахпонов может доказать только эксперимент, по естественность теоретического обобщения, о котором идет речь, производит сильное впечатление.
Если бы тахионы действительно существовали, они оказались бы третьим типом известных нам частиц. Первый из них составляют "досветовые" частицы, которые ни при каких обстоятельствах не могут достичь скорости, в точности равной световой. К их числу относятся почти все известные нам элементарные частицы. Второй тип - частицы, движущиеся точно со скоростью света. К ним относятся фотоны - порции света - и нейтрино. Тахиопы явились бы частицами, всегда обладающими сверхсветовыми скоростями.
- Возникает вопрос: не является ли гипотеза тахионов физически бессмысленной?
Все дело в том, что соотношение или процесс, которые невозможны в круге привычных для нас явлений, в принципе могут реализоваться в другой области явлений. Иными словами, наши представления о возможном и невозможном носят относительный характер. Физически бессмысленными можно считать лишь такие выводы теории, которые вступают в противоречие с тем или иным фундаментальным законом природы в той области, где этот заон достаточно хорошо проверен. Гипотеза тахионов в подобные противоречия не вступает. Мир тахионов нигде ве пересекается с нашим досветовым миром. Те три типа частиц, которые были упомянуты, обладают таким свойством: частицы одного типа ни при каких известных нам взаимодействиях не могут перейти в частицы другого типа. Хотя на более глубоком, еще не изученном современной физикой уровне это может оказаться и не так.
Правда, пока что никаких экспериментальных указаний на возможность существования тахионов получить не удалось. Но, может быть, это связано с тем, что в соответствующих экспериментах не учитывались какие-то еще неизвестные нам свойства этих гипотетических частиц. Одна из интересных возможностей состоит в том, чтобы попытаться обнаружить тахионы по так называемому черенковскому излучению (подмени советского физика Черенкова). Теория утверждает, что при движении в вакууме сверхсветовые частицы должны излучать электромагнитные волны, хотя зафиксировать подобное излучение будет весьма нелегко.
Физика микромира особенно поучительна тем, что в процессе ее развития возникает масса неожиданных понятий и образов, потрясающих привычные основы. Тем самым наглядно и убедительно демонстрируется неправомерность любой абсолютизации научных знаний, физика как наука никогда не закончится.
Развитие теории элементарных частиц ведет -нас ко все более диковинным явлениям, все дальше от привычных, наглядных представлений. Эта теория постепенно обрастает более сложными математическими и другими образами, у которых нет аналогий в том мире, который нас непосредственно окружает.
В то же время, несмотря на обилие экспериментальных данных, единой теории элементарных частиц пока не существует. Значит ли это, что современная микрофизика нуждается в каких-то принципиально новых, может быть, "безумных идеях"?
В тех сведениях, которыми мы располагаем сегодня о процессах микромира, еще много непонятного. Не исключено, что усилиями теоретиков трудности будут преодолены на основе имеющихся представлений. Но могут потребоваться и совершенно новые идеи, в том числе и весьма необычные.
Таково мнение большинства специалисте", работающих в этой области физической науки.
УДИВИТЕЛЬНАЯ ВСЕЛЕННАЯ
Таким образом, когда наука перешла от изучения обычных, окружающих нас макроскопических явлений к исследованию микропроцессов, то она столкнулась с миром необычных, странных явлений.
Поэтому можно было ожидать, что когда будет сделан скачок в противоположном направлении - от физики макромира к физике мегакосмоса, для которого характерны колоссальные расстояния, огромные промежутки времени и гигантские массы вещества, то мы столкнемся с не менее странными и диковинными явлениями.
Так и произошло! Астрофизика XX века, изучая Вселенную, принесла ряд неожиданных открытий, явно не укладывающихся в рамки традиционных представлений о мироздании и производящих на первый взгляд впечатление необычного, невероятного, не поддающегося объяснению с позиций здравого смысла.
Об открытии расширения Вселенной мы уже говорили.
К не менее удивительным результатам привело и изучение ее геометрических свойств.
Мы не будем сейчас касаться полной драматических событий и крутых поворотов истории изучения этой проблемы. Подлинно научная постановка вопроса о геометрии пространства Вселенной, и в частности о его конечности или бесконечности, стала возможна лишь в начале XX столетия, когда А. Эйнштейном была создана общая теория относительности.
Один из основных выводов этой теории состоит в том, что геометрические свойства пространства зависят от распределения материи. Любая масса искривляет окружающее пространство, и это искривлепие тем сильнее, чем больше масса.
Сущность общей теории относительности Эйнштейн объяснял примерно так. Если бы из мира вдруг исчезла вся материя, то с точки зрения классической физики пространство и время сохранились бы. С точки зрения общей теории относительности с исчезновением материи исчезли бы пространство и время.
Таким образом, не существует абсолютного ньютоновского пространства и абсолютного времени, не зависящих от материи: пространство и время лишь формы ее существования.
Поскольку мы живем в мире, заполненном различными космическими объектами - звездами, туманностями, галактиками, мы живем в искривленном, или, как говорят математики, неэвклидовом пространстве.
В обычной жизни мы этого не замечаем, так как в условиях Земли имеем дело со сравнительно небольшими массами и незначительными расстояниями. Именно по этой причине мы вполне удовлетворяемся обычной эвклидовой геометрией. В земных условиях ена является достаточным приближением к реальной действительности. Однако в космических масштабах искривление пространства становится значительным, и его уже нельзя по учитывать. Особенно важное значение это имеет для выяснения геометрических свойств Вселен иой. В частности, оказалось, что в искривленном мире неограниченность и бесконечность пространства не одно и то же. Неограниченность пространства - это отсутствие границ. Но оказывается, неограниченное пространство может быть конечным, замкнутым в себе, и бесконечным.
Приведем для наглядности в качестве аналогии сферическую поверхность, поверхность шара конечного радиуса.
И представим себе некое гипотетическое двумерное существо, скажем бесконечно плоского муравья, обитающего v этой поверхности и даже не подозревающего, что существует какое-то третье измерение.
Куда бы ни полз этот муравей, он никогда не доберется до границы своего сферического мира. И в этом смысле сферическая поверхность неограниченна.
Но поскольку радиус ее конечен, то конечна и ее площадь - это конечное пространство.
Неограниченность материального мира не вызывает сомнений. Если мы стоим на позициях материализма и атеизма, мы должны признать, что материальный мир не может иметь границ. Наличие границ означало бы, что за ними располагается нечто нематериальное. Иными словами, мы пришли бы к идеальному, к религии.
Таким образом, вопрос о неограниченности материального мира - это принципиальный мировоззренческий вопрос,
Однако неограниченный мир, как мы уже знаем, может быть как конечным, так и бесконечным. И вопрос о том, каков он на самом деле, нельзя решить из одних лишь философских соображений, его можно решить только путем исследования реальной действительности.
Нетрудно догадаться, что конечность или бесконечность пространства Вселенной зависит от его кривизны, А кривизна, в свою очередь, определяется количеством материи, ее массой.
Соберем мысленно всю материю Вселенной и равномерно "размажем" ее по всему пространству. И посмотрим, какая масса окажется в одном кубическом метре, т. е. определим среднюю плотность.
Теория осносительности дает четкий критерий: если средняя плотность не больше девяти протонов - ядер атомов водорода, пространство незамкнуто и бесконечно; если десять или больше протонов, замкнуто и конечно.
Что говорит нам современная астрофизика о средней плотности материи во Вселенной? Существуют различные способы ее определения, и они приводят к разным результатам. Но во всех случаях плотность получается ниже критической. Таким образом, с точки зрения современных астрофизических данных мы живем в бесконечной незамкнутой Вселенной.
Однако вопрос обстоит значительно сложнее. Прежде всего надо иметь в виду, что нам, возможно, известны не все формы существования материи, а открытие новых форм может изменить значение средней плотности материи.
Но если бы даже удалось определить среднюю плотность совершенно точно, вопрос о конечности или бесконечности Вселенной не был бы решен окончательно. Дело в том, что его, видимо, и нельзя решить окончательно в том смысле, в каком мы решаем многие другие вопросы науки, т. е. получить четкий ответ типа "да" или "нет".
Теория относительности вскрыла относительный характер ряда физических величин, казавшихся до этого абсолютными и неизменными. Несколько лет тому назад московскому астроному А. Зельманову удалось доказать, что относительным является и свойство пространства быть конечным или бесконечным. Пространство Вселенной, конечное и замкнутое в одной системе отсчета, может быть в то же самое время бесконечным и незамкнутым в другой.
Таким образом, мы встретились с не совсем обычной и в то же время поучительной ситуацией, которая показывает, что природа значительно сложнее наших формальнологических представлений о ней, что ее свойства и явления обладают диалектическим характером.
ЗАГАДОЧНЫЕ ЯДРА ГАЛАКТИК
За последние десятилетия астрономы обнаружили во Вселенной ряд нестационарных объектов, где протекают бурные физические процессы и за сравнительно короткие промежутки времени происходят весьма существенные качественные изменения.
Начало этим исследованиям было положено открытием в 1962 г. так называемых радиогалактик, т. е. галактик, радиоизлучение которых во много раз сильнее теплового радиоизлучения, присущего любому космическому объекту, температура которого выше температуры абсолютного нуля. В качестве наиболее яркого примера можно привести двойную радиогалактику в созвездии Лебедь (радиоисточник Лебедь А). Хотя эта космическая "радиостанция" находится от нас на огромном расстоянии около 600 миллионов световых лет, ее радиоизлучение, принимаемое на Земле, имеет такую же мощность, как и радиоизлучение спокойного Солнца. А ведь расстояние до Солнца составляет около восьми световых минут, т. е. в 400 миллиардов раз меньше!
Для того чтобы работала любая радиостанция, в том числе и природная, ее надо питать энергией. Каковы же те энергетические источники, которые способны на протяжении миллионов лет обеспечивать мощное радиоизлучение радиогалактик?
В последние годы накапливается все больше фактов, свидетельствующих о том, что эта энергия вырабатывается в результате бурных физических процессов, протекающих в ядрах галактик - сгущениях материи, расположенных в центральных частях многих звездных островов Вселенной.
Несомненные признаки активности проявляет, например, ядро нашей собственной Галактики. Как показали радионаблюдения, оно непрерывно выбрасывает водород в количестве, достигающем полутора солнечных масс в год.
Если принять во внимание, что возраст нашей Галактики составляет около 15-17 миллиардов лет, то получится, что из ее ядра было выброшено около 25 миллиардов солнечных масс, что составляет уже около одной восьмой части массы всей Галактики.
При этом явления, которые мы наблюдаем в ядре нашей звездной системы в настоящее время, представляют собой скорее всего лишь слабые отголоски былых, гораздо более бурных процессов, происходивших в ту эпоху, когда наша Галактика была моложе и богаче энергией. Во всяком случае, известны галактики, ядра которых ведут себя значительно активнее, а у некоторых звездных систем эта активность приобретает даже взрывной характер. Например, в ядре галактики М-82, судя по всему, несколько миллионов лет назад произошел грандиозный взрыв, в результате которого было выброшено колоссальное количество газа. И сейчас эти газовые массы с огромной скоростью мчатся от центра Галактики к ее окраинам.
Астрофизики подсчитали, что кинетическая энергия взрыва в М-82 составляет около 3"1052 Дж. Чтобы сделать это число более ощутимым, достаточно сказать, что для получения такой энергии надо было бы взорвать термоядерный заряд с массой, равной массе 15 тысяч солнц...
Эти и другие подобные факты указывают на то, что ядра галактик, видимо, не только являются мощными источниками энергии, но и оказывают весьма существенное влияние на развитие звездных систем.
Еще более грандиозными источниками энергии оказались знакомые нам квазары, открытые в 1963 г. и расположенные на очень больших расстояниях от нашей Галактики, вблизи границ наблюдаемой Вселенной.
По своим размерам квазары не идут ни в какое сравнение с галактиками. Данные астрономических наблюдений свидетельствуют о том, что поперечники их ядер составляют от нескольких световых недель до нескольких световых месяцев, в то время как поперечник нашей Галактики равен 100 тысячам световых лет. Однако полная энергия излучения квазаров примерно в сто раз превосходит энергию излучения самых гигантских известных нам галактик.
Более того, сейчас почти не остается никаких сомнений в том, что окружающая нас Вселенная также произошла в результате гигантского взрыва и последующего расширения компактного сгустка сверхплотной горячей плазмы.
Все эти открытия показали, что во Вселенной происходят сложнейшие физические процессы, связанные с необратимыми изменениями космических объектов, исключающими возможность возврата к прежним состояниям. И подобные изменения совершаются не только медленно и постепенно, но и за сравнительно короткие промежутки времени, скачкообразно.
Таким образом, исследования последних десятилетий привели ученых к заключению, что, вопреки существовавшим ранее представлениям, для многих фаз процесса развития космических объектов характерна резкая нестационарность, которая выражается во взрывных явлениях, дезинтеграции, рассеянии и т. п. Подобные процессы связаны с образованием новых космических объектов, их превращениями, а также переходами материи из одного физического состояния в другое,
"...Развитие скачкообразное, катастрофическое, революционное, - писал В. И. Ленин, - "перерывы постепенности"; превращение количества в качество; ...взаимозависимость и теснейшая, неразрывная связь всех сторон каждого явления; ...связь, дающая единый, закономерный мировой процесс движения, - таковы некоторые черты диалектики..." [Ленин В. И, Карл Маркс, - Пола, собр. соч., т. 26, с. 55. 135].
Открытие нестационарных процессов во Вселенной убедительно подтверждает, что диалектический характер присущ не только процессу научного познания, но и самой природе.
Если с этой точки зрения взглянуть на нестационарные явления в космосе, станет ясно, что они представляют собой "поворотные пункты" в развитии космических объектов, где совершаются переходы материи из одного качественного состояния в другое, возникают новые небесные тела.
Стало ясно: представления классической науки о стационарном характере большинства космических процессов в действительности оказались лишь одним из первых приближений к истинной картине мира, приближением, возможности которого были ограничены как уровнем развития методов исследования, так и общим состоянием естествознания,
С другой стороны, надо отметить, что найти удовлетворительное объяснение природы нестационарных явлений во Вселенной в рамках современных фундаментальных физических теорий пока не-удается. С точки зрения этих теорий такие явления представляются весьма необычными, в высшей степени "диковинными".
Удастся ли объяснить их с точки прения существующих фундаментальных физических теорий или для этого потребуются совершенно новые идеи?
Одна из таких идей была выдвинута известным советским астрофизиком академиком В. А. Амбарцумяном. Согласно гипотезе Амбарпумяна, в ядрах галактик присутствуют сверхплотные сгустки "дозвездной" материи.
Весьма возможно, что эти сгустки непосредственно связаны с тем "первоначальным", сверхплйтньм веществом, в результате распада которого возникла Метагалактика. Не исключено, что в процессе взрыва и расширения "первоначальное" вещество прореагировало не все сразу.
Часть сгустков по тем или иным причинам могла на длительное время сохраниться в устойчивом состоянии; их последующий распад, возможно, и приводит к тем энергетическим "всплескам", которые происходят во Вселенной.
Но что может представлять собой сверхплотная дозвездная материя? Какова ее физическая природа? К сожалению, в настоящее время для сколько-нибудь обоснованного ответа на этот вопрос в нашем распоряжении слишком мало данных.
Складывается впечатление, что свойства дозвездной материи, если она действительно существует, столь необычны, что вряд ли их удастся описать с помощью известных физических теорий. Очень может быть, что здесь действуют какие-то физические закономерности, еще неизвестные современной науке.
Впрочем, с подобным выводом соглашаются далеко не все современные физики и астрофизики.
Вполне возможно, что объяснение гигантских космических энергий будет получено на совсем иных путях.
ТЕРМОЯД ИЛИ...?
Проблема космических энергий связана не только с активными явлениями в ядрах галактик и квазарами, но и с отрицательными результатами нейтринных наблюдений Солнца.
Американский физик Р. Девис создал весьма чувствительную установку для регистрации солнечных нейтрино, Наблюдения проводились в течение длительного времени и принесли весьма неожиданный результат. Оказалось, что поток солнечных нейтрино по крайней мере в шесть раз меньше, чем это следует из существующей теории, основанной на предположении о термоядерной природе источников солнечно" и звездной энергии.
О необходимости серьезной проверки этой теории говорят и некоторые другие результаты исследований Солнца, выполненных в последнее время.
Несколько лет назад на Крымской астрофизической обсерватории АН СССР был создан высокочувствительный прибор для измерения чрезвычайно слабых магнитных полей на Солнце - солнечный магнитограф. Наблюдения, проведенные с помощью этого прибора, позволили обнаружить весьма интересный факт. Оказалось, что солнечная поверхность ритмично пульсирует с периодом около 2 час. 40 мин., поднимаясь при каждой пульсации на высоту около 20 км.
Как считает академик В. А. Амбарцумян, открытие крымских астрономов имеет первостепенное значение.
Оно не только свидетельствует о качественно новом процессе на Солнце, но и должно дать важную информацию о внутреннем строении нашего дневного светила. Как показывают теоретические расчеты, значение периода пульсации Солнца непосредственно связано с его внутренним строением. Периоду, равному 2 час. 40 мин., соответствует более однородное распределение плотности и температуры, а также более низкие значения этих физических величин для центральной части дневного светила, чем это следует из современной теории строения Солнца. В частности, температура в центре Солнца в этом случае должна составлять не 15 миллионов градусов, а всего 6,5 миллионов.
Но при таких физических условиях термоядерная реакция не может обеспечить наблюдаемого выхода солнечной энергии.
Есть и еще одно независимое соображение, ставящее под сомнение справедливость термоядерной гипотезы. Дело в том, что в атмосфере Солнца (как и в атмосферах других подобных ему звезд) в значительных количествах присутствуют литий и бериллий. Но в случае термоядерных реакций эти элементы должны были бы давно "выгореть".
В последнее время вывод о пульсации Солнца, полученный крымскими астрофизиками под руководством академика А. Н, Северного, нашел подтверждение и в работах английских астрономов, проводивших наблюдения на известной французской обсерватории Цик дю Мюди.
Были предприняты и первые попытки объяснить это явление. Так, ученые Кембриджского университета (Англия) высказали предположение, что в центральной части Солнца содержится в два раза больше тяжелых элементов, чем предполагалось ранее. Однако подобная гипотеза неизбежно ведет к кардинальному пересмотру современных физических представлений о строении Солнца и звезд.
Дальнейшая проверка термоядерной гипотезы связана прежде всего с осуществлением новых нейтрипных наблюдений дневного светила. Не исключена возможность, что нейтрино от Солнца все-таки летят, но их энергия ниже того порогового значения, на которое была рассчитана установка Девиса.