Astronet > Ya.B.Zel'dovich, "Vozmozhno li obrazovanie Vselennoi "iz nichego"?

po tekstam po klyuchevym slovam v glossarii po saitam perevod po katalogu

Vozmozhno li obrazovanie Vselennoi "iz nichego"?

<< Vselennaya | Oglavlenie | Sohranenie energii >>

SOHRANENIE ZARYaDOV

Nachnem s zakona sohraneniya elektricheskogo zaryada. Otvet lezhit na poverhnosti, on ocheviden: net nikakogo zapreta na rozhdenie elektroneitral'noi Vselennoi, t. e. Vselennoi, soderzhashei ravnoe chislo polozhitel'nyh i otricatel'nyh zaryadov. Est' vse osnovaniya dumat', chto imenno takova nasha Vselennaya. V protivnom sluchae voznikli by sil'nye elektricheskie polya, kotorye narushili by ee (Vselennoi) odnorodnost' i izotropiyu. Itak, Vselennaya, skoree vsego, strogo neitral'na, a znachit, vpolne mogla rodit'sya "iz nichego" (bez protivorechiya zakonu sohraneniya elektricheskogo zaryada).

Obratimsya k zakonu sohraneniya barionnogo zaryada. Napomnim, chto vo vseh izvestnyh processah, proishodyashih v laboratorii, summarnoe chislo protonov i neitronov ne menyaetsya. V chastnosti, radioaktivnost' yader proyavlyaetsya libo kak peregruppirovka protonov i neitronov, libo kak prevrashenie protonov v neitrony i obratno.

Tak, pri ispuskanii $\gamma$ -luchei (t. e. fotonov) peregruppirovka proishodit pri perehode dannogo yadra iz energeticheski vozbuzhdennogo sostoyaniya v osnovnoe ili v sostoyanie s men'shei energiei vozbuzhdeniya. Pri $\alpha$ -raspade yadra chast' protonov i neitronov materinskogo yadra ostayutsya v dochernem yadre, a drugie vyletayut v vide yadra geliya (dva protona i dva neitrona). V $\beta$ -raspade bystryi elektron ( $\beta$ -chastica) i neitrino rozhdayutsya pri prevrashenii neitrona v proton. Est' i obratnyi process ispuskaniya pozitrona (p = N+e⁺+ $\nu$ _e) pri prevrashenii protona v neitron, no takoi process idet lish' v tom sluchae, esli proton nahoditsya v yadre i posle prevrasheniya neitron zanimaet bolee nizkoe energeticheskoe sostoyanie.

Svobodnyi proton legche svobodnogo neitrona, poetomu svobodnyi neitron $\beta$ -radioaktiven; svobodnyi proton stabilen, nestabil'nym on byvaet tol'ko vnutri nekotoryh yader.

Itak, k koncu 40-h godov zakon sohraneniya barionov formulirovalsya prosto: summa chisla protonov i neitronov ne menyaetsya. Zatem posledovalo otkrytie tak nazyvaemyh strannyh chastic. Sperva oni byli otkryty v kosmicheskih luchah, a pozzhe ochen' podrobno issledovany v laboratorii na uskoritelyah. Oni nestabil'ny, obrazuyutsya iz protonov ili neitronov i pri raspade snova dayut protony ili neitrony.

Tak, naprimer: p + N = $\Delta$ + K⁺ + N ( $\Delta$ - strannyi giperon, K - strannyi mezon). Strannymi eti chasticy byli nazvany potomu, chto pri sravnitel'no bol'shoi veroyatnosti obrazovaniya za ochen' korotkoe vremya stolknoveniya oni imeyut dovol'no bol'shoe vremya zhizni, 10^-8-10^-10 s.

V nachale 50-h godov byli otkryty tak nazyvaemye barionnye rezonansy. Rasseyanie l-mezonov na protonah i neitronah zavisit ot energii v sootvetstvii s tem, chto eti dve chasticy sperva slivayutsya v odnu, kotoraya potom snova raspadaetsya. Tak, naprimer:

Posle etih otkrytii zakon sohraneniya barionov uslozhnilsya: sohranyaetsya summa

B = p + N + $\Delta$ + $\Sigma$ + ... + $\Delta$ ⁺⁺ + $\Delta$ ⁺ + $\Delta$ ⁰ + $\Delta$ ^- + ... = const

ili, inymi slovami, sohranyaetsya obshee kolichestvo barionov (Zdes' $\Delta$ , $\Sigma$ , ... - strannye bariony; mnogotochie zamenyaet perechislenie vseh strannyh barionov - ot $\Delta$ ⁺⁺ do $\Delta$ ^-, samyh legkih barionnyh rezonansov, a povtornoe mnogotochie zamenyaet perechislenie vseh rezonansov.).

V 1955 g. byli, nakonec, eksperimental'no otkryty antiprotony. Teoreticheski sushestvovanie antichastic - antibarionov - bylo predskazano vskore posle predskazaniya i obnaruzheniya antielektronov, t.e. pozitronov. Odnako energiya, nuzhnaya dlya rozhdeniya pary proton-antiproton v 2000 raz bol'she, chem dlya pary elektron-pozitron, poetomu mezhdu dvumya otkrytiyami voznik interval v chetvert' veka. V eto vremya u nekotoryh uchenyh nervy ne vyderzhivali i vyskazyvalis' somneniya otnositel'no sushestvovaniya antibarionov; teper' dlya etih somnenii net mesta!

Itak, v okonchatel'noi forme zakona sohraneniya barionnogo zaryada: sohranyaetsya raznost' chisla barionov i antibarionov.

Za poslednie 20 let pokazano, chto bariony sostoyat iz 3 kvarkov. Antibariony sostoyat iz antikvarkov. Sootvetstvenno, barionnyi zaryad i zakon ego sohraneniya na yazyke kvarkov formuliruetsya tak:

$3B = \Sigma\theta_i =\Sigma\theta'_k = \textrm{const,}$

gde $\Sigma\theta_i$ - chislo kvarkov i-ro sorta; $\Sigma\theta'_k$ - chislo antikvarkov k-ro sorta; summa beretsya po vsem sortam.

Zakon sohraneniya barionnogo zaryada neobychaino vazhen kak dlya Vselennoi v celom, tak i dlya neposredstvenno okruzhayushego nas sovremennogo mira. S uchetom etogo zakona dannoe kolichestvo barionov mozhno ispol'zovat' dlya proizvodstva energii, tol'ko perevodya ih v nainizshee energeticheskoe sostoyanie, a imenno v yadra zheleza^*). Otsyuda sleduet, chto energiyu mozhno poluchit', libo prevrashaya uran v yadra serediny tablicy Mendeleeva, libo prevrashaya vodorod v zhelezo.

Pervyi process uspeshno osushestvlyaetsya na atomnyh elektrostanciyah. Vtoroi proishodit v zvezdah. V neskol'ko izmenennoi forme (nachinaya ne s nachala i ne dohodya do konca) vtoroi process realizuetsya pri sliyanii yader deiteriya i tritiya s obrazovaniem ⁴Ne i neitrona i v budushem stanet istochnikom termoyadernoi energii na Zemle. No obshim dlya oboih processov yavlyaetsya ispol'zovanie maloi doli - menee 1 % - polnogo zapasa energii goryuchego.

Polnyi zapas energii, sleduya zakonu ekvivalentnosti Einshteina E = Ms², raven 9^.10¹³Dzh na 1 g veshestva.

Otmena zakona sohraneniya barionnogo zaryada oznachala by principial'nuyu vozmozhnost' pryamogo raspada protona r = e^- + energiya ili r = e⁺ + energiya.

Itak, proton - svobodnyi ili svyazannyi v yadre - mog by byt' nestabil'nym i raspadat'sya s vydeleniem ogromnoi energii, esli by ne bylo zakona sohraneniya barionnogo zaryada. Ogromnoe sovremennoe znachenie etogo zakona sohraneniya ochevidno.

To zhe otnositsya i k rozhdeniyu Vselennoi �iz nichego�.

Barionnyi zaryad �nichego�, ochevidno, raven nulyu. Esli barionnyi zaryad sohranyaetsya, to vsya Vselennaya, rodivshayasya �iz nichego�, dolzhna imet' nulevoi barionnyi zaryad, t. e. ravnoe kolichestvo veshestva i antiveshestva. Tak i dumali te, kto pervymi v nachale 60-h godov vyskazyvali ideyu rozhdeniya Vselennoi. Oni polagali, chto rozhdaetsya Vselennaya s ravnym kolichestvom barionov i antibarionov, t. e. s ravnym kolichestvom veshestva i antiveshestva. No esli veshestvo i antiveshestvo v ravnom kolichestve ravnomerno razmesheny v prostranstve (t. e. ih plotnost' odinakova v kazhdoi tochke), to pri ohlazhdenii oni polnost'yu annigiliruyut. K tomu zhe net mehanizma, kotoryi mog by ih razdelit'; tyagotenie styagivaet veshestvo i antiveshestvo odinakovo.

Rozhdenie Vselennoi takoi, kakoi my ee nablyudaem, vozmozhno lish' v tom sluchae, esli zakon sohraneniya barionnogo zaryada mozhet byt' narushen^**). Ne povtoryaya uvlekatel'nuyu, no slozhnuyu traktovku voprosa, rezyumiruem posvyashennye emu stat'i.

Elektricheskii zaryad obyazan sohranyat'sya postol'ku, poskol'ku spravedlivy uravneniya Maksvella, ne dopuskayushie nesohraneniya etogo zaryada. Inymi slovami, svyaz' elektricheskogo zaryada s elektromagnitnym polem avtomaticheski privodit k sohraneniyu elektricheskogo zaryada.

Odnako ne sushestvuet polya, kotoroe igralo by podobnuyu rol' v sluchae barionnogo zaryada. Ubezhdennost' v sohranenii barionnogo zaryada osnovyvalas' tol'ko na eksperimente.

Kazhdyi eksperiment po neobhodimosti imeet ogranichennuyu tochnost'. Absolyutiziruya rezul'taty opyta, fiziki do 60-h godov molchalivo predpolagali, chto v mire elementarnyh chastic ne dolzhno byt' slishkom bol'shih kolichestvennyh razlichii.

Kogda neitron raspadaetsya, prevrashayas' v proton ( $\beta$ -raspad), srednee vremya raspada okolo 1000 s. Kazalos', chto priroda (s malen'koi bukvy, t. e. ne tot uvazhaemyi zhurnal, gde budet pomeshena dannaya stat'ya) dolzhna vybirat' mezhdu dvumya krainostyami: libo sravnitel'no bystryi raspad, po analogii s ( $\beta$ -raspadom neitrona, libo sovsem nikakogo raspada, kak v sluchae absolyutno stabil'nogo elektrona. Tretii - promezhutochnyi - sluchai medlennogo raspada do 60-h godov kazalsya neestetichnym i kraine maloveroyatnym.

Vkusy izmenilis', uvelichilas' hrabrost' teoretikov, vystupayushih v nastoyashee vremya pod lozungom: vse, chto ne zapresheno, sushestvuet, i v chastnosti proton mozhet raspadat'sya.

Odnako polozhenie i seichas ostaetsya dramaticheskim: usiliyami eksperimentatorov nizhnyaya granica vremeni zhizni protona dovedena do 10³² let, no raspad vse eshe ne obnaruzhen. Eksperimental'naya situaciya podrobno opisana V.S.Berezinskim^***).

V ego stat'e ne hvataet tol'ko odnogo soobrazheniya: segodnya ubezhdennost' v nesohranenii barionnogo zaryada osnovyvaetsya v znachitel'noi stepeni na tom, chto Vselennaya soderzhit veshestvo i ne soderzhit antiveshestva. Pri etom prihoditsya privlekat' eshe razlichie svoistv chastic i antichastic, a takzhe narushenie termodinamicheskogo ravnovesiya, voznikayushee vsledstvie rasshireniya Vselennoi. (Vpervye eto otmecheno v rabote A.D.Saharova v 1967 g.^****)

Iz ocenok v takih teoriyah s nesohraneniem barionnogo zaryada poluchaetsya, chto chislo protonov i neitronov v milliard raz men'she chisla fotonov ili neitrino. Glavnoe zhe sostoit v tom, chto seichas yasno ponyato razlichie mezhdu elektricheskim i barionnym zaryadami. Krome togo, fizicheskaya obshestvennost' v celom (ili, vo vsyakom sluchae, fiziki-teoretiki) izbavilis' ot straha pered bol'shimi chislami. Esli vremya zhizni protona 10⁴⁰ let (chto, po-vidimomu, na ochen' mnogie gody ostanetsya nedostupnym dlya proverki v pryamyh eksperimentah), to ponadobitsya predpolozhenie o processah v goryachei Vselennoi, idushih pri temperature poryadka 10¹⁷ GeV (10³⁰ K), stol' zhe nedostupnoi dlya uskoritelei^*****). Poka ne vidno, kakie kosvennye opyty mogli by dat' otvet.

Voznikla situaciya, kotoruyu vysoko cenyat astronomy: imenno astronomicheskie dannye ukazyvayut put' fizikam, kak eto bylo so skorost'yu sveta i zakonom tyagoteniya N'yutona. Sushestvovanie Vselennoi, zapolnennoi veshestvom, yavlyaetsya poka edinstvennym, no ochen' veskim dokazatel'stvom nesohraneniya barionnogo zaryada!

<< Vselennaya | Oglavlenie | Sohranenie energii >>

Publikacii s klyuchevymi slovami: Kosmologiya - spontannoe rozhdenie Vselennoi - zakony sohraneniya - fizika elementarnyh chastic Publikacii so slovami: Kosmologiya - spontannoe rozhdenie Vselennoi - zakony sohraneniya - fizika elementarnyh chastic
Sm. takzhe: Podtverzhdennaya precessiya myuonov ostaetsya neob'yasnimoi Razlozhenie dalekogo sveta Formirovanie galaktik v magnitnoi Vselennoi "Effekty" Zel'dovicha, zapechatlennye na nashem nebe Sverhnovaya 1994D i neozhidannaya Vselennaya Kuda smeshaetsya krasnoe smeshenie? Samaya dalekaya sverhnovaya tipa Ia Vse publikacii na tu zhe temu >>

Mneniya chitatelei [11]

Versiya dlya pechati

Astrometriya - Astronomicheskie instrumenty - Astronomicheskoe obrazovanie - Astrofizika - Istoriya astronomii - Kosmonavtika, issledovanie kosmosa - Lyubitel'skaya astronomiya - Planety i Solnechnaya sistema - Solnce