Первые три минуты - Стивен Вайнберг

Я.Б.Зельдович и Р.А. Сюняев поставили вопрос: можно ли определить, как движутся относительно «нового эфира» сверхдальние небесные тела? Если смещение спектральных линий соответствует, например, скорости удаления некоего скопления галактик, равной 100 000 км/с, то какая часть этой скорости есть хаббловская скорость, а какая часть — добавочная случайная скорость, связанная с отклонением движения данного скопления галактик от хаббловского закона? Более того, был поставлен вопрос о том, с какой точностью выполняется закон Хаббла в его векторной форме: действительно ли скорость далекого скопления галактик относительно нас (Земли, Солнечной системы, нашей Галактики) направлена по вектору, соединяющему нас с этим далеким скоплением? Нет ли у далекого скопления поперечной (тангенциальной, касательной) скорости, хотя бы и меньшей, чем его хаббловская скорость удаления?

Смещение спектральных линий не позволяет отличить случайную скорость от хаббловской, поскольку независимое определение расстояния до далеких галактик очень неточно (не лучше ±30 %). Поперечная скорость дает малое смещение спектральных линий, которое к тому же принципиально нельзя отделить от смещения, связанного с продольной скоростью.

Однако авторы показали, что скорость скоплений, которые содержат большое количество ионизованного газа, может быть измерена. Такой газ содержит свободные электроны, рассеивающие микроволновое излучение. Если этот газ движется относительно нового эфира, т. е. относительно микроволнового излучения, то свойства излучения изменяются. Продольное движение вызывает повышение или понижение температуры микроволнового излучения при антенне, направленной на облако газа. Поперечное движение дает небольшую поляризацию рассеянного излучения. Тепловое движение электронов несколько меняет спектр излучения. Этот эффект в настоящее время обнаружен путем радиоастрономических наблюдений гигантских облаков горячего газа, являющихся одновременно источником рентгеновского излучения. Из этих наблюдений можно определить также температуру и концентрацию электронов. Таким образом, в принципе можно определить движение облака и вместе с ним всего скопления или, по крайней мере, сказать, что эта скорость не превышает величины порядка 2000 — 3000 км/с для продольного и 5000 — 10 000 км/с для поперечного движения.

ДОПОЛНЕНИЕ 6. О СОХРАНЕНИИ БАРИОНОВ

Вайнберг упоминает о законе сохранения барионного числа, или, другими словами, о законе сохранения барионов как о несомненном факте.

Действительно, все экспериментальные данные ядерной физики подтверждают этот закон. Специальные поиски распада обыкновенных, не радиоактивных ядер показали, что вероятность распада протона меньше 10-37 с-1, что соответствует времени полураспада больше 3 × 1029 лет.

Однако сам Вайнберг еще в 1964 году отметил, что закон сохранения барионов может быть лишь приближенным в отличие от точного закона сохранения электрического заряда. Дело в том, что электрический заряд взаимодействует с электромагнитным полем, подчиняющимся уравнениям Максвелла, а эти уравнения требуют сохранения заряда. Грубо говоря, сохранение электрического заряда вытекает из существования радиоволн. Однако нет другого аналогичного поля, которое требовало бы сохранения барионного заряда (это то же самое, что и барионное число) и запрещало бы превращение протона, например, в позитрон и нейтральный пион. Сохранение барионного заряда установлено лишь прямыми опытами и с той точностью, которую дает опыт[65].

Поэтому Вайнберг в 1964 году предположил, что барионный заряд не сохраняется. Однако в то время Вайнберг имел в виду теорию стационарной Вселенной Хойла и писал о возможности преимущественного рождения в вакууме барионов по сравнению с антибарионами. Теорию горячей Вселенной он тогда не рассматривал. В 1973–1976 гг. в предлагаемой книге Вайнберг не указывает на возможность несохранения барионов и, как сказано выше, причисляет сохранение барионов к фундаментальным законам природы.

Процессы, медленно идущие при низкой температуре, могут идти быстро при высокой температуре. А.Д. Сахаров в 1967 году первый поставил вопрос о несохранении барионов в горячей модели Вселенной. По современным взглядам, нейтроны, протоны и другие сильновзаимодействующие частицы (адроны) состоят из кварков; при высокой температуре кварки свободны и достаточно быстро распадаются и рождаются, спонтанно и при столкновениях с другими частицами (подробнее о кварках см. главу VII). Между свойствами частиц и античастиц существует определенное различие — на это указывают лабораторные эксперименты. Теория показывает, что это различие не нарушает равенства числа частиц и античастиц в термодинамическом равновесии (о понятии термодинамического равновесия см. главу III). Однако в ходе расширения равновесие может нарушиться, и возможно закономерное появление всюду одинакового избытка барионов над антибарионами. После охлаждения Вселенная везде будет состоять из барионов («вещества») и фотонов. Антибарионы, «антивещество», практически полностью аннигилируют, оставляя избыток вещества, задолго до того, как начнется нуклеосинтез. Аналогичные идеи развивал В.А.Кузьмин в 1969 году.

Позже, в 1974 году, С. Хоукинг и вслед за ним Я.Б. Зельдович отметили возможность появления избытка вещества при испарении черных дыр.

Новая ситуация возникла уже после выхода в свет предлагаемой книги Вайнберга. Сейчас развивается новая теория элементарных частиц, объединяющая теорию электромагнетизма, теорию слабого взаимодействия (в частности, процессов испускания электронов и нейтрино при распаде нейтрона) и теорию сильного взаимодействия (ядерных сил и кварков). В этой теории естественным образом получается, что протон должен распадаться с временем жизни около 1032 лет. Это предсказание не противоречит существующим опытам.

В настоящее время (конец 1980 года) начинается необычайно трудный, но и важнейший «эксперимент века» — поиски распада протона, предсказанного теорией. Применительно к космологии и, в частности, к теории горячей Вселенной возможно, что теория объяснят соотношение между количеством вещества (протонов) и фотонов, т. е. значение числа В/γ = 10-8 ÷ 10-9 (отношение числа протонов к числу фотонов в единице объема), которое в настоящее время известно только из наблюдений. Единственным предположением при этом будет однородное и изотропное расширение Вселенной «по Фридману», начиная с сингулярного состояния. В развитии теории активное участие принимает Вайнберг.

Конкретно наиболее вероятным считается следующий механизм распада протона, связанный с предположением о существовании очень тяжелых дробнозаряженных скалярных (т. е. со спином нуль) Х-частиц. Их масса в 1014 раз больше массы протона, а заряд равен +4/Зе или —4/Зе, где е — элементарный заряд (заряд протона). Эти частицы могут распадаться по двум каналам каждая:

Здесь q — кварки; q¯ — антикварки; l — лептоны (заряженные!); l¯ — антилептоны. В первом канале для X+ фигурируют два кварка с зарядом +2/Зе каждый, во втором канале античастица кварка, имеющего заряд -1/Зе. Следовательно, заряд q¯ во втором канале равен +1/Зе, а заряд l¯ равен +е. Таким образом, электрический заряд сохраняется точно. Однако барионный заряд, получающийся в двух каналах, различен. Напомним, что барион состоит из трех кварков и барионный заряд кварка равен 1/3; барионный заряд протона равен 1 по определению.

При высокой температуре (выше пороговой температуры для рождения Х-частиц) частицы X находятся в равновесии. Однако при расширении и охлаждении распад Х-частиц отстает и на определенной стадии X+ и Х- распадаются в неравновесных условиях. При этом из-за асимметрии частиц и античастиц образуется несколько больше кварков по сравнению с количеством антикварков. При дальнейшем охлаждении кварки и антикварки соединяются в барионы, антибарионы и мезоны, и возникает избыток барионов.

С другой стороны, распад протонов в настоящее время происходит через промежуточное образование частицы X:

Первый шаг процесса есть обращение того процесса (X → 2q), который написан выше. Так как X — очень тяжелая частица, то образоваться она может лишь на краткое мгновение (как говорят физики — «виртуально»), наблюдать можно лишь конечные продукты распада

Вероятность процесса мала именно потому, что велика масса X, образующая энергетический барьер на пути реакции. В ближайшие 20–30 лет прямое наблюдение Х-частицы исключено, однако мы надеемся, что распад протона будет наблюден значительно раньше.