Среди адронов

Среди адронов

Нельзя ли использовать некоторые свойства элементарных частиц для выяснения физической сущности тех или иных процессов космического порядка? В частности, закономерностей эволюции материи во Вселенной?

Одна из таких попыток была в свое время предпринята научным сотрудником Ереванского физического института доктором физико-математических наук P.M. Мурадяном.

Хотя с тех пор, как Мурадян проводил свои исследования, прошло уже довольно значительное время, мы тем не менее посчитали необходимым на них специально остановиться, поскольку, с одной стороны, они представляют несомненный интерес, открывая новую малоисследованную сторону взаимосвязи «микро» и «мега», а с другой, насколько нам известно, никто после Мурадяна этими вопросами всерьез не занимался.

Еще в 1960-е годы в теории сильных взаимодействий на основе работ итальянского физика Т. Рэдже была предложена формула для определения момента количества движения элементарных частиц, которая связывала величину этого момента с соотношением массы элементарной частицы с массой протона – ядра атома водорода.

Астрономам хорошо известно, что такие космические объекты как астероиды, планеты, звезды, галактики – вращаются. Собственное вращение – это такое же «врожденное» их свойство, как и наличие некоторой массы.

В этом отношении космические объекты, о которых идет речь, в какой-то мере подобны элементарным частицам, также обладающим собственным вращением. С этим вращением связана одна из важных физических характеристик элементарных частиц, так называемый спин. Его аналогом для обычных вращающихся тел, в том числе и космических, является момент количества движения.

В микрофизике, в теории так называемых сильных взаимодействий, есть довольно общая формула для определения спина элементарной частицы. Из этой формулы, которая при определенных допущениях может быть применена и к адронам, следует, что в зависимости от числа измерений частицы (то есть от того, является ли она «плоской» или «объемной») ее спин с увеличением массы может возрастать либо как некоторая величина в степени 3/2 – в «плоском» случае, либо в степени 4/3 – в «объемном» случае.

Р. Мурадян решил проследить, как связаны с массами моменты количества движения космических объектов: астероидов, планет, звезд, галактик, а также скоплений галактик. Эти моменты могут быть определены с помощью астрономических наблюдений.

И здесь обнаружилась весьма любопытная закономерность.

Оказалось, что моменты астероидов, планет и отдельных звезд связаны с массами космических тел соотношением, включающим в себя отношение их массы к массе протона в степени 4/3 («закон 4/3»), а моменты галактик и их скоплений относятся к массе протона в степени 3/2 («закон 3/2»).

Не исключено, что полученные результаты указывают на глубокую внутреннюю связь, существующую между миром элементарных частиц и миром космических объектов. В физике элементарных частиц существует гипотеза о том, что «спектр масс» этих частиц простирается до бесконечности. Она основывается на попытке провести определенную аналогию между строением всего семейства элементарных частиц и структурой атома водорода, обладающего бесконечным числом энергетических уровней.

Если подобное предположение справедливо, то это значит, что при определенных условиях в ультрамалых пространственно-временных областях могут в принципе рождаться макроскопические и даже мегаскопические объекты. Во всяком случае современная теория элементарных частиц подобную возможность допускает.

Исходя из этого, Р. Мурадян попытался выявить более тесную зависимость между свойствами космических объектов и свойствами одного из классов элементарных частиц – так называемых адронов.

В современной физике все элементарные частицы, на основе некоторых весьма общих соображений, делятся на три основные класса. Первый класс включает в себя фотон – порцию электромагнитного излучения, второй – электрон и нейтрино, третий класс – класс адронов, самый многочисленный, их известно сейчас несколько сотен. К нему относятся сильно взаимодействующие частицы, в частности, протон, нейтрон и мезоны – частицы с массами, промежуточными между массами электрона и протона. Значительная часть адронов – нестабильные частицы с временем жизни от 10^-8 до 10^-23 секунды. Особо короткоживущие адроны получили название резонансов.

Одной из самых интригующих проблем современной астрофизики является так называемая космогоническая проблема, т.е. проблема происхождения звезд, звездных островов-галактик и их грандиозной совокупности – Метагалактики.

Что касается Метагалактики, то в настоящее время можно считать установленным, что она возникла в результате взрывного расширения компактного сгустка материи, находившейся в состоянии чудовищной плотности.

Относительно же формирования галактик и звезд в современной астрофизике существуют, как мы уже говорили, две противоположные концепции. Согласно одной из них, наиболее распространенной – ее обычно называют классической, – космические объекты, в том числе звезды и галактики, формируются путем сгущения, конденсации диффузной материи – газа и пыли.

Другая концепция, развиваемая академиком В.А. Амбарцумяном и его школой и получившая название Бюраканской, наоборот, исходит из того, что эволюция космических объектов идет от более плотных состояний к менее плотным и что, в частности, «зародышами» звезд и галактик являются гипотетические сверхплотные объекты весьма малых размеров, взрывной распад которых и ведет к образованию различных небесных тел.

Длительное время между сторонниками обоих направлений ведется острая дискуссия, и отдавать кому-либо из них предпочтение пока еще рано. Это объясняется, с одной стороны, недостатком данных, а с другой – возможностью различного, иногда прямо противоположного истолкования одних и тех же фактов.

В частности, одним из основных возражений, выдвигаемых сторонниками классического направления против гипотезы сверхплотных тел, является ссылка на то, что подобные тела никто никогда не наблюдал и об их физической природе не только ничего не известно, но и не существует даже никаких сколько-нибудь обоснованных теоретических предположений. Гипотеза Р. Мурадяна представляет собой попытку восполнить этот пробел.

И оказалось, его, на первый взгляд, весьма неожиданная идея открывает известные перспективы к построению единой теории образования космических объектов.

Согласно гипотезе Мурадяна, Метагалактика образовалась в результате распада сверхтяжелого суперадрона с массой 10⁵⁶ г. Это и был тот «первоатом», тот сверхплотный «сгусток» материи, который дал начало нашей Вселенной. Его распад на более мелкие адроны привел к образованию протоскоплений галактик, а последующие распады на адроны с еще меньшими массами – к образованию галактик. Следующим этапом был распад на адроны с массами, меньшими 10²⁸ г. Дальнейшие распады, по мысли Мурадяна, должны были привести к образованию диффузного облака, внутри которого в результате конденсации вещества сначала возникли сгущения – «протозвезды», а затем процесс образования звезд протекал в соответствии с обычной классической схемой…

Однако за то время, которое отделяет нас от работ Мурадяна, была создана уже знакомая нам теория «инфляционной Вселенной», которая фактически снимает вопрос о начальной «сингулярности».

Стоит только отметить, что если в обычной классической картине образования космических объектов диффузная среда, из которой они формируются, состоит из водорода и гелия, то в схеме Мурадяна она может иметь различный химический состав, зависящий от особенностей распада предшествующих ей объектов. А это, в частности, значит, что тяжелые химические элементы могут возникать не только за счет взрывов сверхновых звезд, как принято считать в классической астрофизике, но и в результате деления еще более тяжелых частиц. Это обстоятельство весьма существенно, так как классическая теория происхождения тяжелых элементов встречается с рядом серьезных трудностей.

Таким образом, если в обычной классической астрофизике эволюционный процесс идет от объектов более разреженных к менее разреженным и от «беспорядка» к «порядку», то в модели Мурадяна на весьма значительном интервале существования Метагалактики эволюция, наоборот, идет от объектов более плотных к менее плотным и от более упорядоченных к менее упорядоченным.

Нетрудно видеть, что в этой части эволюционная схема Мурадяна согласуется с идеями В.А. Амбарцумяна. Однако с момента фазового перехода от адронной материи к ядерной – она ближе к классической космогонии.

Вообще, по мысли Мурадяна, в природе существуют две формы материи – адронная и ядерная. Как уже было сказано выше, исходным объектом для образования Метагалактики является сверхтяжелый суперадрон. Спины подобных частиц связаны с их массами «законом 3/2». Иными словами, суперадроны – двумерные, плоские образования. Как считает Мурадян, они представляют собой комбинации шести кварков (гипотетических фундаментальных частиц с дробными электрическими зарядами, из которых могут быть построены все основные элементарные частицы), расположенных чрезвычайно близко друг к другу.

Однако в цепи последовательных распадов «плоских» адронов наступает момент своеобразного фазового перехода от адронной формы к ядерной. Это происходит тогда, когда в результате распадов начинают возникать объекты с массами порядка 10¹¹ г и меньше. При таком переходе кварки перегруппировываются по три, образуя обычные частицы. У возникающих при этом космических объектов моменты связаны с массами уже «законом 4/3». Следовательно, подобные объекты являются уже не плоскими, а сферическими. По своему же физическому состоянию – это объекты типа нейтронных звезд, однако обладающие намного большими, колоссальными моментами. Их распад и приводит к образованию диффузных облаков, из которых в дальнейшем и могут формироваться звезды.

Как известно, одним из самых важных и существенных критериев справедливости той или иной теоретической модели является ее способность предвидеть, то есть предсказывать еще неизвестные явления. Если гипотеза Мурадяна все же верна и Метагалактика действительно возникла в результате распада суперадрона, то она обязательно должна обладать собственным вращением. Так что открытие вращения Метагалактики явилось бы если и не подтверждением модели Мурадяна, то во всяком случае важным свидетельством в ее пользу.

Иногда высказывается мысль о том, что вообще любые космогонические модели (а гипотеза Мурадяна относится к их числу) являются чисто умозрительными, поскольку они не могут быть проверены наблюдениями.

Однако соображения подобного рода нельзя признать убедительными. Современная космогония стоит на прочной наблюдательной основе. Современные, более мощные и совершенные, средства астрономических исследований позволяют непосредственно наблюдать и изучать все более удаленные космические объекты. А, как известно, чем дальше расположен тот или иной космический объект, тем в более глубоком прошлом мы его наблюдаем. Единственный в своем роде случай, когда мы, можно сказать, непосредственно, своими собственными глазами можем увидеть события давным-давно минувших времен. А это означает, что вопрос о соответствии тех или иных космогонических моделей реальной действительности в принципе может быть решен наблюдательным путем.

Но, пожалуй, самое интересное в исследованиях Р. Мурадяна даже не космогонические идеи, а вывод о взаимосвязи параметров элементарных частиц и космических объектов. Вывод, сделанный на основе исследования закономерностей их вращения.

Полученные результаты еще раз свидетельствуют о том, что между явлениями, происходящими в мире элементарных частиц, и процессами космического порядка существует глубокая внутренняя связь, пока что полностью еще не понятая. Не исключена возможность, что сильные и гравитационные взаимодействия связаны друг с другом нетривиальным образом. И можно надеяться, что в будущей более общей теории, которая по-настоящему объединит эти взаимодействия, такая связь станет, наконец, более отчетливой.