Коротка історія часу

Розділ 5 ЕЛЕМЕНТАРНІ ЧАСТИНКИ ТА СИЛИ ПРИРОДИ

На думку Аристотеля, вся матерія у Всесвіті складалася з чотирьох основних елементів — землі, повітря, вогню та води. На ці елементи діяли дві сили: сила тяжіння, схильність землі та води опускатися, та левітація, схильність повітря та вогню підніматися. Такий поділ вмісту Всесвіту на матерію та сили, використовують і сьогодні.

Аристотель вважав, що матерія неперервна, тобто можна ділити шматок матерії на все менші та менші шматочки без жодного обмеження: ніхто ніколи не стикався з крупинкою матерії, якої не можна було б ділити далі. Деякі греки, однак, такі як Демокрит, стверджували, що матерія за своєю природою зерниста і що все складається з величезної кількості різноманітних всеможливих атомів. (Слово «атом» грецькою означає «неподільний».) Протягом століть дискусія тривала без будь-яких реальних доказів з обох сторін, але 1803 року британський фізик та хемік Джон Далтон зауважив: те, що хемічні сполуки завжди поєднуються в певному співвідношенні, можна пояснити об’єднанням атомів, які утворюють елементи, так званими молекулами. Проте ще до початку минулого століття дискусія між цими двома науковими школами не була остаточно розв’язана на користь атомістів. Один з найважливіших фізичних доказів надав Айнштайн. У статті, написаній 1905 року, за кілька тижнів до знаменитої роботи зі спеціяльної теорії відносності, Айнштайн вказував, що так званий броунівський рух — нерегулярний, хаотичний рух дрібних частинок пилу, завислих у рідині — може бути пояснений як наслідок зіткнення атомів рідини з частинками пилу.

До того часу вже були підозри, що зрештою ці атоми не були неподільні. За кілька років до того член Триніті-коледжу (Кембридж) Дж. Дж. Томсон продемонстрував існування частинки матерії, названої електроном, що мала масу меншу за одну тисячну частку найлегшого атома. Він використав пристрій, дещо схожий на сучасний кінескоп телевізора: розпечений метал нитки випускав електрони, а через те, що вони мають негативний електричний заряд, електричне поле може бути використане для пришвидшення їх до вкритого фосфором екрана. Коли вони вдаряються в екран, то породжують спалахи світла. Незабаром стало зрозуміло, що ці електрони повинні виходити зсередини самих атомів, а 1911 року новозеландський фізик Ернест Резерфорд, нарешті, показав, що атоми речовини мають внутрішню структуру: вони складаються з дуже маленького, позитивно зарядженого ядра, навколо якого обертається деяка кількість електронів. Він вивів це, аналізуючи, як альфа-частинки (позитивно заряджені частинки, що їх випускають радіоактивні атоми) відхиляються, коли зіштовхуються з атомами.

Спочатку вважали, що ядро атома складене з електронів і різного числа позитивно заряджених частинок, названих протонами (з грецької — «перший», бо їх вважали фундаментальними одиницями, з яких складалася матерія). Але 1932 року колега Резерфорда в Кембриджі, Джеймс Чедвік, виявив, що ядро містить іншу частинку, названу нейтроном, яка була майже така сама за масою, як протон, але без електричного заряду. Чедвік отримав Нобелівську премію за відкриття, і був обраний керівником коледжу Ґонвіл-енд-Кіз (це коледж, в якому я тепер працюю). Пізніше він пішов у відставку з посади керівника через розбіжності з іншими колегами. Після того, як молодші колеги повернулися з війни, більшість з них проголосувала за зміщення старших працівників з посад, які ті обіймали протягом тривалого часу, що викликало запеклі суперечки. Ці події відбулися ще до мене; я приєднався до коледжу 1965 року в самому кінці затятої боротьби, коли подібні розбіжності змусили іншого керівника, [згодом] нобелянта, сера Невіла Мота, піти у відставку.

Ще десь тридцять[16] років тому вважали, що протони і нейтрони були «елементарні» частинки, але експерименти, в яких протони зіштовхувалися з іншими протонами або електронами на високих швидкостях, вказали, що вони насправді складаються з дрібніших частинок. Ці частинки назвав кварками фізик Мюрей Ґел-Ман з Каліфорнійського технологічного інституту, який 1969 року отримав Нобелівську премію за свою роботу над ними. Назва походить від загадкової цитати Джеймса Джойса: «Три кварки для Мастера Марка!». Слово quark (кварк) має вимовлятися як quart (кварт), але з к на кінці, а не т, та зазвичай вимовляється як рима до lark (жайворонок, жарт).

Існує певна кількість різних сортів кварків: є шість «ароматів», які ми називаємо верхній (від англ. up), нижній (від англ. down), дивний (від англ. strange), чарівний (від англ. charmed), найнижчий (від англ. bottom), найвищий (від англ. top)[17]. Перші три аромати відомі з 1960-х років, але чарівний кварк відкрито лише у 1974-му, найнижчий — у 1977-му і найвищий — у 1995-му. Кожен з ароматів може бути трьох «кольорів»: червоного, зеленого та синього. (Слід зазначити, що ці терміни — просто позначки: кварки набагато менші за довжину хвилі видного світла і тому не мають ніякого кольору у звичному сенсі. Просто сучасні фізики, видається, використовують образніші способи називання нових частинок і явищ — вони вже більше не обмежуються грецькою!) Протон чи нейтрон складається з трьох кварків, по одному кожного кольору. Протон містить два верхніх кварки і один нижній; нейтрон — два нижніх та один верхній. Можна створити частинки, що містять інші кварки (дивний, чарівний, найнижчий і найвищий), але всі вони мають набагато більшу масу і дуже швидко розпадаються на протони та нейтрони.

Тепер ми знаємо, що ні атоми, ні протони та нейтрони всередині них не неподільні. Отже, постає питання: які є насправді елементарні частинки, основні будівельні блоки, з яких все складається? Позаяк довжина хвилі світла набагато більша, ніж розмір атома, ми не можемо сподіватися «побачити» частини атома звичайним способом. Нам потрібно використовувати щось з набагато меншою довжиною хвилі. Як ми переконалися в попередньому розділі, квантова механіка стверджує, що насправді всі частинки — хвилі, і що вища енергія частинки, то менша довжина відповідної хвилі. Так що найкраща відповідь, яку ми можемо дати, залежить від того, які високі енергії частинок ми маємо в своєму розпорядженні, бо від цього залежить, який малий масштаб відстаней ми можемо побачити. Ці енергії частинок зазвичай вимірюють в одиницях, які називають електронвольтами. (В експериментах Томсона з електронами ми бачили, що він використовував електричне поле для пришвидшення електронів. Енергія, яку електрон набуває від електричного поля в один вольт, і є електронвольт). У дев’ятнадцятому столітті, коли люди знали, як використовувати лише низькі енергії величиною кілька електронвольт, що породжені хемічною реакцією, такою як горіння, вважали, що атоми були найменшою одиницею. В експерименті Резерфорда альфа-частинки мають енергію мільйонів електронвольт. Зовсім недавно ми дізналися, як використовувати електромагнетні поля, щоб передати частинкам енергію спершу на мільйони, а потім і мільярди електронвольт. Отже, ми знаємо, що частинки, яких вважали «елементарними» тридцять[18] років тому, по суті, складаються з дрібніших частинок. Можливо, коли ми досягнемо ще вищих енергій, виявиться, що, своєю чергою, ті складаються з іще менших частинок? Це, звісно, можливо, але є деякі теоретичні підстави вважати, що ми вже знаємо або дуже близькі до знання кінцевих будівельних блоків природи.

Використання дуальності хвиль і частинок обговорено в останньому розділі. Все у Всесвіті, зокрема світло і гравітація, може бути описане в термінах частинок. Ці частинки мають властивість, так званий спін. Один із способів міркування про спін — уявляти частинки, що як маленькі дзиґи обертаються навколо осі. Однак це може ввести в оману, бо квантова механіка стверджує, що частинки не мають чітко визначеної осі. Насправді спін частинки повідомляє про те, як частинка виглядає з різних напрямів. Частинка зі спіном 0 подібна до крапки: вона виглядає однаково з усіх боків (рис. 5.1-І). З іншого боку, частинки зі спіном 1 подібні до стріли: її вигляд різний з різних напрямів (рис. 5.1-ІІ). Частинка матиме той же вигляд, тільки якщо зробить повний оберт (на 360 градусів). Частинка зі спіном 2 виглядає як двонаправлена стрілка (рис. 5.1-ІІІ), при цьому вона виглядає однаково, якщо повернути на півоберт (на 180 градусів). Аналогічно, частинки з вищими спінами виглядають так само через менші частини повного обороту. Все це видається досить простим, але існують частинки, що так само не виглядатимуть навіть через один оберт: їх треба повернути на два повні оберти! Кажуть, що такі частинки мають спін ½.

Рис. 5.1.

Всі відомі частинки у Всесвіті можна розділити на дві групи: частинки зі спіном ½, що утворюють матерію у Всесвіті, й частинки зі спіном 0, 1, і 2, що, як ми побачимо, спричиняють сили між частинками матерії. Частинки матерії підлягають так званому принципові заборони Паулі. Принцип відкрив 1925 року австрійський фізик Вольфґанґ Паулі, за що отримав Нобелівську премію в 1945 році. Він був справжнісінький фізик-теоретик: про нього говорили, що навіть його присутність у тому самому місті призводила до провалу експериментів! Принцип заборони Паулі стверджує, що дві однакові частинки не можуть існувати в однаковому стані; тобто, вони не можуть мати те ж саме положення і ту ж саму швидкість, у межах, заданих принципом невизначеності. Принцип Паулі ключовий, бо пояснює, чому частинки речовини не колапсують до стану дуже високої густини під впливом сил, створюваних частинками зі спіном 0, 1 і 2: якщо частинки матерії мають дуже близькі положення, то вони повин­ні мати різні швидкості, тобто вони не будуть залишатися в такому положенні надовго. Якби світ був створений без принципу заборони, кварки не сформували б окремі, чітко визначені протони і нейтрони. І вони, своєю чергою, не змогли б, разом з електронами, утворити окремі, чітко визначені атоми. Вони б усі сколапсували і утворили б більш-менш однорідну, густу «юшку».

Правильного уявлення про електрон та інші частинки зі спіном ½ не було до 1928 року, коли свою теорію запропонував Пол Дирак, який пізніше був обраний лукасівським професором математики в Кембриджі (те саме професорство, яке свого часу посідав Ньютон, а тепер я)[19]. Теорія Дирака була перша теорія такого роду, що узгоджувалася і з квантовою механікою, і спеціяльною теорією відносності. У ній математично пояснено, чому електрон має спін 1/2, тобто чому при одноразовому повному обороті він не набуває такого ж самого вигляду, а при дворазовому — набуває. Вона передбачила також, що електрон повинен мати партнера — антиелектрон, або ж позитрон. Відкриття позитрона в 1932 році підтвердило теорію Дирака, а в 1933-му він отримав Нобелівську премію з фізики. Тепер ми знаємо, що кожна частинка має античастинку, з якою вона може анігілювати. (У разі силоносних частинок[20], або частинок-носіїв взаємодії, античастинки точно такі ж, як самі частинки). Могли б існувати цілі антислова й антилюди, що складаються з античастинок. Але, якщо зустрінете антисебе, не ручкайтеся! Бо ви обидва зникнете у сліпучому спалаху світла. Надзвичайно важливе питання: чому видається, що навколо нас набагато більше частинок, ніж античастинок. Ми до нього ще повернемося в цьому розділі.

Як покладають у квантовій механіці, всі сили, або взаємодії, між частинками речовини переносять частинки з цілочисловим спіном, рівним 0, 1 або 2. Частинка речовини, наприклад електрон або кварк, випускає силоносну частинку. Відрух від цього випромінювання змінює швидкість частинки речовини. Потім силоносна частинка зіштовхується з іншою частинкою речовини і поглинається нею. Це зіткнення змінює швидкість другої частинки так само, як ніби між цими двома частинками речовини діє сила. Силоносні частинки мають одну важливу властивість: вони не підкоряються принципові заборони Паулі. Це означає, що нема ніяких обмежень на кількість обмінюваних частинок, тому вони можуть спричинити велику силу. Але якщо маса силоносних частинок велика, то їм буде важко виникати та обмінюватися на великих відстанях. Отже, сили, що вони переносять, будуть короткодійні. З іншого боку, якщо силоносні частинки не мають власної маси, то сили будуть далекодійні. Силоносні частинки, якими обмінюються частинки речовини, називають віртуальними, бо, на відміну від «реальних», їх не можна безпосередньо виявити за допомогою детектора частинок. Однак ми знаємо, що вони існують, бо створюють вимірну дію: вони — причина сил між частинками речовини. За деяких умов частинки зі спінами 0, 1, 2 також існують і як реальні, тоді їх можна виявити безпосередньо. Тоді вони постають перед нами тими, що класичні фізики назвали б хвилями, скажімо, світловими або гравітаційними. Вони можуть іноді випускатися при взаємодії між собою частинок речовини, що обмінюються віртуальними силоносними частинками. (Наприклад, електрична сила відштовхування між двома електронами виникає за рахунок обміну віртуальними фотонами, які ніколи не можна виявити безпосередньо, але якщо один електрон пролітає повз іншого, то можуть випускатися реальні фотони, які ми виявляємо як світлові хвилі.)

Силоносні частинки можна розділити на чотири категорії залежно від величини сили, яку вони переносять, і з якими частинками вони взаємодіють. Слід підкреслити, що такий поділ на чотири класи штучний: так зручно для розроблення часткових теорій, але за цим нема нічого глибшого. Врешті, більшість фізиків сподівається, що вдасться створити єдину теорію, яка пояснить усі чотири сили як різні сторони єдиної сили. Справді, багато хто скаже, що це головна мета сучасної фізики. Останнім часом зроблено результативні спроби об’єднати три з чотирьох категорій сил — і я опишу їх у цьому розділі. Питання про об’єднання з останньою категорією, гравітацією, ми залишимо на потім.

Отже, перша категорія — гравітаційна сила. Ця сила універсальна, тобто кожна частинка відчуває силу тяжіння, відповідно до своєї маси, або енергії. Гравітація набагато слабша проти трьох інших сил; така слабка, що ми б взагалі її не помічали, якби не дві її специфічні властивості: вона може діяти на великих відстанях і вона завжди притягальна.

Це означає, що дуже слабкі гравітаційні сили між окремими частинками в двох великих тілах, таких як Земля і Сонце, можуть в сумі дати значну силу. Три інші сили або короткодійні, або іноді відштовхують, іноді притягують, тому вони мають тенденцію компенсуватися. Згідно з квантовомеханічним підходом до гравітаційного поля, силу між двома частинками речовини переносить частинка зі спіном 2, яку називають гравітоном. Останній не має власної маси, тому сила, яку він переносить, далекодійна. Гравітаційну силу між Сонцем і Землею приписують обмінові гравітонами між частинками, з яких складаються ці два тіла. Хоча обмінювані частинки віртуальні, вони, безперечно, створюють вимірний ефект — визначають орбіту Землі навколо Сонця! Реальні гравітони утворюють те, що класичні фізики назвали б гравітаційними хвилями, але вони дуже слабкі, і їх так важко спостерегти, що досі ще не виявили.

Друга категорія — електромагнетна сила, що діє між електрично зарядженими частинками, такими як електрони і кварки, але не між незарядженими частинками, такими як гравітон. Вона набагато сильніша за гравітаційну: електромагнетна сила, що діє між двома електронами, приблизно в мільйон мільйонів мільйонів мільйонів мільйонів мільйонів мільйонів (одиниця з сорока двома нулями) разів більша від гравітаційної. Але існують два види електричного заряду — позитивний і негативний. Відштовхувальна сила діє між двома позитивними зарядами, як і між двома негативними, а притягальна сила діє між позитивним і негативним. Великі тіла, наприклад Земля чи Сонце, містять майже рівні кількості позитивних і негативних зарядів. Отже, притягальні та відштовхувальні сили між окремими частинками майже компенсують одна одну, і залишається дуже мала сумарна електромагнетна сила. Однак на малих масштабах атомів і молекул електромагнетні сили домінують. Електромагнетне притягання між негативно зарядженими електронами та позитивно зарядженими протонами в ядрі, змушує електрони обертатися навколо ядра атома, точно так само, як гравітаційне притягання змушує Землю обертатися навколо Сонця. Електромагнетне притягання описують як спричинене обміном великим числом віртуальних безмасових частинок зі спіном 1, яких називають фотонами. Знову ж, фотони, якими обмінюються, — це віртуальні частинки. Однак коли електрон переходить з однієї дозволеної орбіти на іншу, ближчу до ядра, вивільняється енергія і випускається реальний фотон, що можна при відповідній довжині хвилі спостерігати як видне світло людським оком, або ж за допомогою якого-небудь детектора фотонів, наприклад фотоплівки. Однаковою мірою, якщо реальний фотон зіштовхується з атомом, електрон може перейти з орбіти, ближчої до ядра, на дальшу від нього. При цьому використовується енергія фотона, тому вона поглинається.

Третя категорія — так звана слабка ядерна сила, яка відповідає за радіоактивність і діє на всі частинки речовини зі спіном 1/2, але не на частинки зі спіном 0, 1, 2, такі як фотони і гравітони. Слабка ядерна сила була не дуже добре зрозуміла до 1967 року, коли Абдус Салам з Імперського коледжу Лондона, і Стівен Вайнберґ з Гарвардського університету одночасно запропонували теорію, що об’єднала цю взаємодію з електромагнетною силою, точно як Максвел об’єднав електрику і магнетизм приблизно за сто років до того. Вони припустили, що, на додаток до фотона, існують ще три інші частинки зі спіном 1, відомі разом як масивні векторні бозони, що переносять слабку силу. Вони були названі W+ (дабл’ю-плюс), W– (дабл’ю-мінус) і Z0 (зед-нуль), і кожна мала масу близько 100 ГеВ (ГеВ означає гігаелектронвольт, або мільярд електронвольт). Теорія Вайнберґа — Салама виявляє властивість, відому як спонтанне порушення симетрії: коли ті, що видаються низкою зовсім різних частинок при низьких енергіях, насправді всі виявляються тим же типом частинки, тільки в різних станах. При високих енергіях усі ці частинки поводяться аналогічно. Ефект швидше схожий на поведінку кульки на колесі рулетки. При всіх високих енергіях (тобто при швидкому обертанні колеса) кулька поводиться, по суті, однаково — обертається і обертається по колу. Але коли колесо сповільнюється, енергія кульки зменшується, і врешті-решт вона падає в одну з тридцяти семи канавок на колесі. Іншими словами, при низьких енергіях може існувати тридцять сім станів, в яких може бути кулька. Якби ми чомусь могли спостерігати за кулькою тільки при низьких енергіях, то вважали б, що існує тридцять сім різних типів кульок!

Згідно з теорією Вайнберґа — Салама, при енергіях, значно вищих за 100 ГеВ, три нові частинки і фотон поводяться аналогічним чином, а при нижчих енергіях, тобто в більшості звичайних ситуацій, ця симетрія між частинками буде порушена. W+, W– і Z0 набували б великих мас, а створювані ними сили мали б дуже малий радіус дії. Коли Вайнберґ і Салам висунули свою теорію, їм мало хто повірив, а пришвидшувачі частинок не були достатньо потужні, щоб досягти енергії 100 ГеВ, необхідної для народження реальних W+, W– і Z0 частинок. Однак років десь через десять інші передбачення теорії щодо нижчих енергій так добре узгодилися з експериментом, що 1979 року Вайнберґ і Салам були удостоєні Нобелівської премії разом з Шелдоном Ґлешоу (теж з Гарварду), який запропонував схожу єдину теорію електромагнетних і слабких ядерних сил. Нобелівському комітетові не довелося пекти рака за можливу помилку, бо 1983 року в ЦЕРНі (Европейському центрі ядерних досліджень) відкрито трьох масивних партнерів фотона з правильно передбаченими значеннями маси та іншими властивостями. Карло Рубія, що очолював команду з декількох сотень фізиків, яка зробила це відкриття, отримав Нобелівську премію 1984 року разом з інженером ЦЕРНу Симоном Ван дер Меєром, що розробив систему накопичення античастинок, яка була використана. (У наші дні дуже важко залишити свій слід в експериментальній фізиці, хіба що ви вже на вершині!)

Четверта категорія — сильна ядерна сила (взаємодія)[21], що утримує разом кварки в протоні та нейтроні, а протони і нейтрони — в атомному ядрі. Вважають, що цю силу переносить ще одна частинка зі спіном 1, названа глюоном, що взаємодіє тільки з глюонами та кварками. Сильна ядерна сила має одну незвичну властивість, названу конфайнментом (утримуванням): частинки завжди пов’язуються разом у комбінаціях, що не мають кольору. Не можна мати одного кварка самого по собі, бо він матиме колір (червоний, зелений або синій). Натомість, червоний кварк має бути з’єднаний із зеленим і синім «низкою» глюонів (червоний + зелений + синій = білий). Такий триплет утворює протон або нейтрон. Є інша можливість: коли кварк і антикварк об’єднуються в пару (червоний + античервоний, або зелений + антизелений, або синій + антисиній = білий). Такі комбінації складають частинки, відомі як мезони; вони нестабільні, бо кварк і антикварк можуть анігілювати один з одним, утворюючи електрони та інші частинки. Аналогічно, конфайнмент запобігає наявності окремого, самого по собі глюона, бо глюони теж мають колір. Замість цього, має бути набір глюонів, щоб їхні кольори в сумі давали білий. Такий набір утворює нестабільну частинку, названу глюболом.

Через те, що конфайнмент запобігає спостереженню по­одинокого кварка або глюона, може здатися, що саме поняття про кварки і глюони як частинки дещо метафізичне. Однак є ще одна властивість сильної ядерної сили, названа асимптотичною свободою, що робить поняття кварків і глюонів добре означеним. За звичайних енергій сильна ядерна сила дійсно сильна і щільно пов’язує кварки разом. Проте, як показують експерименти на потужних пришвидшувачах, при високих енергіях сильна взаємодія набагато слабкіша, а кварки та глюони поводяться як майже вільні частинки. На рис. 5.2 показано фотографію зіткнення високоенергетичних 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 криється в тому, що закони фізики не зовсім однакові для частинок і античастинок.

До 1956 року вважали, що закони фізики підлягають кожній з трьох симетрій, названих C, P і T. Симетрія С означає, що закони однакові для частинок і античастинок. Симетрія P означає, що закони фізики однакові для будь-яких ситуацій і їх дзеркального відображення (дзеркальним відображенням частинки, що закручується в правоспрямованому напрямі, буде така, що закручується в лівоспрямованому). Симетрія Т означає, що якщо зміниться на зворотний напрям рух усіх частинок і античастинок, то система має повернутися назад до того, що було в раніші часи; іншими словами, закони однакові в прямому і зворотному напрямах часу. У 1956 році два американських фізики, Цзундао Лі і Чженьнін Янґ, припустили, що слабка сила насправді не підкоряється симетрії Р. Іншими словами, через слабку силу Всесвіт може розвиватися інакше, ніж його дзеркальне відображення. У тому ж році Цзяньсюн By, їхня колега, довела, що це припущення правильне. Вишикувавши в магнетному полі ядра радіоактивних атомів так, щоб вони всі оберталися в одному напряму, вона показала, що в одному напряму електронів випускається більше, ніж в іншому. Наступного року Лі та Янґ за свою ідею отримали Нобелівську премію. Також виявлено, що слабкі сили не підкоряються і симетрії С. Тобто світ, що складається з античастинок, поводиться інакше, ніж наш світ. Проте видавалося, що слабка сила підлягає комбінованій CP-симетрії. Тобто Всесвіт розвивався б так само, як його дзеркальне відображення, якщо, крім того, кожна частинка була б замінена її античастинкою! Але 1964 року ще два американці, Дж. В. Кронін і Вел Фітч, виявили, що в розпаді частинок, названих K-мезонами, порушується навіть CP-симетрія. Кронін і Фітч зрештою отримали за свою роботу Нобелівську премію в 1980 році. (Багато премій присуджено за виявлення того, що Всесвіт не такий простий, як можна було подумати!).

Існує математична теорема, яка стверджує: будь-яка теорія, що підлягає квантовій механіці та теорії відносності, повинна завжди підлягати комбінованій симетрії CPT. Іншими словами, Всесвіт має поводитися так само, якщо замінити частинки античастинками, взяти дзеркальне відображення, а також зворотний напрямок часу. А Кронін і Фітч показали, що якщо замінити частинки античастинками і взяти дзеркальне відображення, але не обернути напрямок часу, то Всесвіт не буде поводитися так само. Отже, закони фізики мають змінитися, якщо обернути напрям часу — вони не підлягають симетрії Т.

Незаперечно, ранній Всесвіт не підлягає симетрії Т: коли час тече вперед, Всесвіт розширюється, а якби він потік назад, то Всесвіт стискався б. А що існують сили, які не підлягають симетрії Т, то звідси випливає, що в міру розширення Всесвіту під дією цих сил антиелектрони могли б перетворюватися на кварки частіше, ніж електрони на антикварки. Потім, коли Всесвіт розширювався і охолоджувався, антикварки і кварки анігілювали б, але що кварків було б більше, ніж антикварків, невеликий надлишок кварків залишився б. Саме з них і складається матерія, яку ми бачимо сьогодні, і з якої утворені ми самі. Отже, саме наше існування можна розглядати як підтвердження теорії великого об’єднання, правда, тільки як якісне; невизначеності такі, що ніхто не може передбачити, ні скільки кварків залишиться після анігіляції, ні навіть чи будуть ці частинки кварками чи антикварками. (Однак, якби у надлишку були антикварки, ми б просто назвали їх кварками, а кварки — антикварками.)

Теорії великого об’єднання не охоплюють гравітаційну силу. Це не має великого значення, бо гравітація — така слабка сила, що її ефектами можна просто знехтувати, коли ми маємо справу з елементарними частинками або атомами. Однак той факт, що вона далекодійна й завжди притягальна, означає, що її дії всі сумуються. Отже, для досить великої кількості частинок речовини гравітаційні сили можуть переважати всі інші сили. Ось чому еволюцію Всесвіту визначає саме гравітація. Навіть для об’єктів розміром як зорі притягальна сила гравітації може переважити всі інші сили і привести до колапсу зорі. Моя робота у 70-х роках зосереджена на чорних дірах, які можуть виникнути в результаті такого колапсу зорі, та інтенсивних гравітаційних полях навколо них. Саме вона навела на перші думки про те, як квантова механіка і загальна теорія відносності можуть впливати одна на одну — проблиск форми квантової теорії гравітації, поки ще не розробленої.