Коротка історія часу - Стівен Вільям Хокінг

протона і антипротона. Успіх об’єднання електромагнетних і слабких ядерних сил привів до низки спроб об’єднати ці дві сили з сильною ядерною в так званій теорії великого об’єднання (або ТВО). Ця назва швидше перебільшення: сумарні теорії і не такі всі великі, і не цілком об’єднані, бо в них не входить гравітація. І при цьому вони насправді не повні теорії, бо містять низку параметрів, значення яких не можна передбачити з теорії, а їх треба вибирати, щоб узгодити з експериментом. Проте вони можуть бути кроком до повної, цілком єдиної теорії. Основна ідея теорій великого об’єднання полягає в такому: як уже згадано вище, сильна ядерна сила стає слабкіша при високих енергіях. З іншого боку, електромагнетні та слабкі сили, які не є асимптотично вільні, при високих енергіях сильнішають. За якоїсь дуже великої енергії, так званої енергії великого об’єднання, всі ці три сили матимуть таку саму величину і стали б просто різними сторонами єдиної сили. Теорії великого об’єднання також передбачають, що при цій енергії різні частинки речовини зі спіном 1/2, такі як кварки і електрони, всі будуть, по суті, однакові, тим самим досягаючи ще одного об’єднання.

Значення енергії великого об’єднання не дуже добре відоме, але воно, напевно, має становити щонайменше тисячу мільйонів мільйонів ГеВ. У пришвидчувачах нинішнього покоління можуть зіштовхуватися частинки з енергіями близько 100 ГеВ, а в планованих машинах ця величина зросте до декількох тисяч ГеВ. Але машина, яка була б досить потужна, щоб пришвидшувати частинки до енергії великого об’єднання, мала б бути така велика, як Сонцева система, і навряд чи буде профінансована за умов нинішнього економічного клімату. А отже неможливо безпосередньо експериментально перевірити теорії великого об’єднання. Однак, як і в разі електрослабкої єдиної теорії, існують низькоенергетичні наслідки, які перевірити можна.

Найцікавіший з них — передбачення, що протони, які становлять більшу частину маси звичайної речовини, можуть спонтанно розпадатися на легші частинки, такі як антиелектрони. Причина в тому, що, можливо, при енергії великого об’єднання немає істотної різниці між кварком і антиелектроном. Три кварки всередині протона зазвичай не мають достатньо енергії для перетворення на антиелектрони, але один з кварків може зовсім випадково дістати одного разу енергію, достатню для такого переходу, бо принцип невизначеності означає, що енергія кварків усередині протона не може бути точно фіксована. Протон міг би тоді розпастися. Ймовірність того, що кварк дістане достатню енергію, така мала, що, можливо, чекати цього доведеться принаймні мільйон мільйонів мільйонів мільйонів мільйонів (одиниця з тридцятьма нулями) років. Це набагато більше за час, що минув з моменту Великого вибуху, який не перевищує десяти мільярдів років чи близько того (одиниця з десятьма нулями). Отже, можна було б подумати, що можливість спонтанного розпаду протона не можна перевірити експериментально. Можна, однак, збільшити шанси виявити розпад протона, спостерігаючи велику кількість речовини, що містить дуже велике число протонів. (Якщо спостерігати, наприклад, один з тридцятьма одним нулем протонів протягом року, можна було б сподіватися виявити, згідно з найпростішою теорією великого об’єднання, більш ніж один розпад протона.)

Рис. 5.2. Протон і антипротон зіштовхуються при високій енергії, утворюючи кілька майже вільних кварків.

Деякі такі експерименти вже виконано, але жоден не дав певних доказів протонного або нейтронного розпаду. В одному з експериментів використано вісім тисяч тон води, і його проводили в соляній шахті Мортона в штаті Огайо (щоб уникнути інших подій, що відбуваються, бувши спричинені космічними променями, і які можна прийняти за розпад протона). А що протягом експерименту не виявлено жодного спонтанного розпаду протона, то можна вирахувати, що ймовірний час життя протона має бути більший за десять мільйонів мільйонів мільйонів мільйонів мільйонів років (одиниця з тридцятьма одним нулем). Це більше, ніж дає найпростіша теорія великого об’єднання, але є і складніші теорії, які передбачають довше життя. Для їх перевірки будуть потрібні ще чутливіші експерименти з іще більшими кількостями речовини.

І хоча дуже важко спостерегти спонтанний розпад протона, може виявитися, що саме́ наше існування — це наслідок зворотного процесу, утворення протонів, або, ще простіше, кварків, на самій початковій стадії, коли кварків було не більше, ніж антикварків, і це найприродніший спосіб уявити початок Всесвіту. Речовина на Землі здебільша складається з протонів і нейтронів, які, своєю чергою, складаються з кварків, але в ній немає ні антипротонів, ні антинейтронів, що складаються з антикварків, за винятком тих кількох, що фізики створили на великих пришвидчувачах частинок. Ми маємо докази завдяки космічним променям, що те ж саме справедливо і для всієї речовини в нашій Галактиці: у ній немає ні антипротонів, ні антинейтронів, за винятком тієї невеликої кількості, що утворюються як пари частинка-античастинка у високоенергетичних зіткненнях. Якби в нашій Галактиці були великі ділянки антиречовини, то можна було б очікувати сильного випромінювання від меж розділу областей речовини і антиречовини, де багато частинок стикалися б зі своїми античастинками, анігілюючи одна з одною і виділяючи високоенергетичне випромінювання.

У нас немає прямих доказів щодо того, чи речовина інших галактик складається з протонів і нейтронів, чи з антипротонів і антинейтронів, але має бути або перше, або друге: в межах однієї галактики не може бути суміші, бо в цьому разі ми б спостерігали потужне випромінювання в результаті їхньої анігіляції. Тому ми вважаємо, що всі галактики складаються з кварків, а не з антикварків; видається неймовірним, щоб одні галактики могли складатися з речовини, а інші — з антиречовини.

Чому кварків має бути так набагато більше, ніж антикварків? Чому їхні кількості не однакові? Нам, звісно, пощастило, що кількості не рівні, бо якби вони були однакові, то майже всі кварки і антикварки занігілювали б один з одним у ранньому Всесвіті, залишивши його заповненим промінням, але навряд чи залишивши хоч якусь речовину. Не було б тоді ні галактик, ні зір, ні планет, на яких могло б розвиватися людське життя. На щастя, теорії великого об’єднання можуть пояснити, чому Всесвіт тепер має містити більше кварків, ніж антикварків, навіть якщо на самому початку їх було порівну. Як ми вже знаємо, теорії великого об’єднання дозволяють кваркам при високих енергіях перетворюватися на антиелектрони. Вони також дозволяють і зворотні процеси, коли антикварки перетворюються на електрони, а електрони і антиелектрони — в антикварки та кварки. Був момент у дуже ранньому Всесвіті, коли він був такий гарячий, що енергія частинок була достатньо висока для цих перетворень. Але чому це мало привести до того, що кварків стало більше, ніж антикварків? Причина