Аристотель считал, что все вещество в мире родилось из четырех стихий: земли, воздуха, огня и воды. Эти стихии подвержены влиянию двух типов сил: тяжести – стремлению земли и воды опускаться – и легкости – стремлению воздуха и огня подниматься. Этот подход, подразделяющий составляющие Вселенной на вещество и силы, используется и в настоящее время.

Аристотель считал вещество непрерывным – то есть «часть» вещества можно делить на все более мелкие фрагменты до бесконечности: мы никогда не дойдем до крупинки, которую нельзя было бы далее разделить. Однако некоторые древнегреческие ученые, такие как Демокрит, считали, что вещество имеет зернистую структуру и что все в мире состоит из большого числа разных атомов. Само слово «атом» в греческом языке означает «неделимый». Этот спор продолжался на протяжении столетий в отсутствие каких бы то ни было реальных свидетельств в пользу той или иной точки зрения, пока в 1803 году британский химик и физик Джон Дальтон не заметил, что факт участия химических веществ в реакциях всегда в четко определенных пропорциях можно объяснить, предположив, что атомы исходных веществ, соединяясь, образуют структуры, названные впоследствии молекулами. Но атомистов окончательно признали правыми в этом противоборстве двух учений лишь в начале ХХ века. Важную роль при этом сыграло физическое соображение, высказанное Эйнштейном. В своей статье 1905 года, за несколько недель до выхода знаменитой статьи по специальной теории относительности, Эйнштейн обратил внимание на то, что так называемое броуновское движение – беспорядочное случайное движение мелких частиц пылевой взвеси в жидкости – можно объяснить столкновениями атомов жидкости с пылинками.

К этому времени уже появились сомнения в неделимости атомов. За несколько лет до работы Эйнштейна сотрудник колледжа Троицы Кембриджского университета Дж. Дж. Томсон доказал существование частицы вещества, названной электроном, причем его масса была в [две тысячи] раз меньше массы самого легкого из атомов. Томсон использовал установку, напоминающую трубку старомодного телевизора: в ней электроны уходили с докрасна раскаленной металлической нити, а благодаря отрицательному заряду их можно было ускорять электрическим полем в направлении покрытого фосфором экрана. При попадании электронов на экран возникали вспышки света. Вскоре стало ясно, что электроны исходили собственно изнутри атомов, и в 1911 году новозеландский физик Эрнест Резерфорд наконец показал, что атомы вещества имеют внутреннюю структуру: состоят из крохотного положительно заряженного ядра, вокруг которого обращаются несколько электронов. Резерфорд пришел к такому выводу, исследуя, как отклоняются, сталкиваясь с атомами, альфа-частицы – положительно заряженные частицы, испускаемые радиоактивными атомами.

Вначале считалось, что атомное ядро состоит из электронов и разного [для разных атомов] количества положительно заряженных частиц – протонов (от греческого слова, означающего «первый» – предполагалось, что протоны являются фундаментальными объектами, из которых состоит вещество). Но в 1932 году коллега Резерфорда по Кембриджу Джеймс Чедвик открыл, что атомные ядра содержат также и другие частицы почти с такой же массой, как и у протона, но без электрического заряда. Эти частицы получили название «нейтроны». За свое открытие Чедвик получил Нобелевскую премию и был избран главой колледжа Гонвилля и Киза в Кембридже (того самого колледжа, где я сейчас работаю). Впоследствии Чедвик ушел в отставку с этого поста из-за разногласий с научными сотрудниками. Когда группа молодых ученых, вернувшихся с войны, сместила многих старых профессоров с должностей, которые те занимали долгие годы, в колледже возникло ожесточенное противоборство. Это было еще до меня – меня приняли в колледж в 1965 году, уже на излете конфликта, когда из-за похожих разногласий был вынужден уйти в отставку другой глава колледжа и нобелевский лауреат сэр Невилл Мотт.

Еще 30 лет назад протоны и нейтроны считались «элементарными» частицами, но эксперименты по столкновению протонов и электронов на высоких скоростях показали, что в действительности они состоят из более мелких частиц. Физик из Калифорнийского технологического института Марри Гелл-Манн назвал их кварками и в 1969 году был удостоен Нобелевской премии за свои работы, посвященные этим частицам. Название это происходит из загадочной цитаты из романа Джеймса Джойса: «Три кварка для мастера Марка!». Вообще слово quark («кварк») следует произносить как quart («кворт»), но с «к», а не «т» на конце. Однако это слово обычно рифмуют с lark («ларк»).

Есть несколько видов кварков – всего шесть «ароматов», называемых нижний, верхний, странный, очарованный, прелестный и истинный. Первые три известны с 60-х годов XX века, очарованный был открыт только в 1974 году, прелестный – в 1977 году, а истинный – в 1995 году. Кварки каждого аромата бывают трех «цветов» – красного, зеленого и синего. (Следует отметить, что эти термины – всего лишь условные обозначения: кварки намного меньше длины волны видимого света и поэтому не имеют цвета в общепринятом смысле. Просто современные физики отличаются более творческим подходом к выбору названий для частиц и явлений и не ограничиваются словами греческого языка!) Протоны и нейтроны состоят из трех кварков, по одному каждого цвета. Протон состоит из двух верхних и одного нижнего кварка, а нейтрон – из двух нижних и одного верхнего. Из других кварков (странных, очарованных, прелестных и истинных) тоже можно составлять частицы, которые, правда, оказываются намного более массивными и быстро распадаются на протоны и нейтроны.

Теперь мы знаем, что ни атомы, ни протоны, ни нейтроны не являются неделимыми. Так что возникает вопрос: что же такое по-настоящему элементарные частицы, из которых, как из кирпичиков, состоит все? Длина волны света намного больше размера атома, и поэтому нельзя надеяться, что мы сможем «рассмотреть» части атомов привычным нам способом. Придется использовать нечто с куда меньшей длиной волны. Как мы выяснили в предыдущей главе, квантовая механика учит, что частицы в действительности представляют собой волны и что чем выше энергия частицы, тем короче длина соответствующей волны. Так что качество ответа на наш вопрос зависит от того, насколько энергичные частицы имеются в нашем распоряжении. Ведь от этого зависит, насколько мелкие длины и размеры мы сможем «разглядеть». Энергии частиц обычно измеряются в единицах под названием «электрон-вольт». (В своих экспериментах с электронами Томсон использовал для ускорения этих частиц электрическое поле. Энергия, приобретаемая электроном в поле с разностью потенциалов в один вольт, – это то, что принимается за 1 электрон-вольт.) В ХIX веке, когда из всех энергий частиц люди умели использовать только небольшую долю – на уровне нескольких электрон-вольт, – которую обеспечивали химические реакции вроде горения, атомы считались мельчайшими частицами вещества. В эксперименте Резерфорда энергии альфа-частиц достигали нескольких миллионов электрон-вольт. Потом мы научились с помощью электромагнитных полей разгонять частицы до энергий сначала в миллионы, а потом и миллиарды электрон-вольт. И теперь мы знаем, что считавшиеся 30 лет назад «элементарными» частицы на самом деле состоят из более мелких составляющих. Но не окажется ли так, что по мере продвижения в область еще более высоких энергий в составе этих частиц удастся разглядеть еще более мелкие? Это, разумеется, возможно, но некоторые теоретические соображения позволяют считать, что мы уже подошли вплотную к пониманию фундаментальных структурных элементов природы или даже достигли его.

С точки зрения рассмотренного в предыдущей главе корпускулярно-волнового дуализма все во Вселенной, включая свет и тяготение, можно описать при помощи частиц. У этих частиц есть свойство, называемое спином. Его можно представить себе, сравнив частицы с маленькими волчками, вращающимися вокруг своей оси. Однако такое сравнение может оказаться не очень удачным, потому что согласно квантовой механике у частиц нет четко определенной оси. В действительности спин свидетельствует о том, как частица выглядит с разных сторон. Частица с нулевым спином похожа на точку: она выглядит одинаково, независимо от того, с какой стороны на нее смотреть (рис. 5.1i). Частица со спином 1 напоминает стрелку: она выглядит по-разному с разных направлений (рис. 5.1ii). Чтобы снова увидеть ее такой же, частицу надо повернуть на 360 градусов. Частица со спином 2 похожа на двустороннюю стрелку (рис. 5.1iii): она будет выглядеть так же, если повернуть ее на 180 градусов. Аналогично частицы с бо́льшими спинами выглядят так же, если повернуть их на меньшую долю полного оборота. Все это выглядит довольно просто, но у некоторых частиц есть замечательное свойство: они не выглядят такими же, если сделают полный круг, – их надо повернуть на два оборота! Про такие частицы говорят, что их спин равен ¹/₂.

Рис. 5.1

Все известные элементарные частицы во Вселенной можно подразделить на две группы: частицы со спином ¹/₂, из которых состоит вещество во Вселенной, и частицы со спином 0, 1 или 2, которые, как мы увидим, порождают силы, действующие между частицами вещества. Частицы вещества подчиняются так называемому принципу запрета Паули. Этот принцип был открыт в 1925 году австрийским физиком Вольфгангом Паули, в 1945 году получившим Нобелевскую премию за это достижение. Он был типичным физиком-теоретиком: о нем говорили, что одно его присутствие в городе плохо влияло на ход экспериментов! Принцип запрета Паули гласит, что две одинаковые частицы не могут пребывать в одном и том же состоянии, то есть в пределах, определяемых принципом неопределенности, они не могут одновременно находиться в одном и том же положении и иметь при этом одинаковые скорости. Принцип запрета имеет чрезвычайно важное значение, поскольку объясняет, почему частицы вещества не коллапсируют в сверхплотное состояние под действием сил, создаваемых частицами со спином 0, 1 или 2: когда частицы вещества оказываются очень близко друг к другу (то есть имеют очень близкие положения), они должны иметь очень разные скорости и, следовательно, не могут долго находиться в одном и том же положении. Если бы в мире не действовал принцип запрета, кварки бы не образовали отдельные друг от друга протоны и нейтроны, а последние вместе с электронами не могли бы образовывать отдельные друг от друга атомы. Они бы элементарно сколлапсировали, образовав более или менее однородный и густой «суп».

Верное понимание электрона и других частиц со спином ¹/₂ пришло только в 1928 году – с теорией, предложенной Полем Дираком, который впоследствии был избран на должность Лукасовского профессора математики в Кембридже (эту должность в свое время занимал Ньютон, а сейчас ее занимаю я). Это была первая теория, совместимая как с квантовой механикой, так и со специальной теорией относительности. Она дает математическое объяснение электрону со спином ¹/₂, то есть толкует, почему электрон не выглядит тождественно, если повернуть его на один полный оборот, и почему нужно повернуть его на целых два оборота. Теория Дирака также предсказывала, что у электрона должна быть частица-двойник – антиэлектрон, или позитрон. Открытие позитрона в 1932 году подтвердило теорию Дирака и принесло ему Нобелевскую премию по физике 1933 года. Теперь мы знаем, что у каждой частицы есть своя античастица, и при взаимодействии они могут аннигилировать (взаимно уничтожиться). (Античастицами «переносчиков» взаимодействий являются сами эти частицы.) Из античастиц могут состоять целые антимиры и антилюди. Но если вы встретите свою «антисущность», ни в коем случае не пытайтесь пожать друг другу руки! Вы оба исчезнете в сильной вспышке света. Вопрос о том, почему вокруг нас намного больше частиц, чем античастиц, чрезвычайно важен, и я вернусь к нему позже в этой главе.

В квантовой механике считается, что взаимодействия между частицами вещества переносятся частицами с целым спином – 0, 1 или 2. Это означает, что частица вещества, например электрон или кварк, испускает частицу-носитель взаимодействия. Из-за возникающей отдачи скорость частицы вещества меняется. Частица-носитель силы после этого сталкивается с другой частицей вещества и поглощается ею, изменяя тем самым ее скорость, как если бы между двумя частицами вещества действовала сила. Важным свойством частиц-носителей взаимодействия является то, что они не подчиняются принципу запрета. Это значит, что отсутствует предел количеству участвующих в обмене частиц, и поэтому они могут порождать сильное взаимодействие. Однако если частицы-носители взаимодействия имеют большую массу, их будет трудно порождать и трудно обмениваться ими на больших расстояниях. Из-за этого переносимые таким частицами силы окажутся весьма короткодействующими. С другой стороны, если частицы-носители не имеют массы покоя, то соответствующие силы могут быть дальнодействующими. Частицы-носители взаимодействия, которыми обмениваются частицы вещества, называют виртуальными – в отличие от «реальных» их невозможно непосредственно зарегистрировать с помощью детектора частиц. Но мы знаем, что они существуют, поскольку их влияние можно измерить: такие частицы порождают взаимодействия между частицами вещества. При некоторых условиях частицы со спином 0, 1 или 2 существуют и как реальные частицы и могут быть обнаружены непосредственно. В этом случае с точки зрения классической физики они для нас выглядят как волны – например, волны света или гравитационные волны. Иногда они испускаются, когда взаимодействуют частицы вещества, обмениваясь виртуальными частицами-носителями взаимодействия. (Например, сила электрического отталкивания двух электронов является результатом обмена виртуальными фотонами, которые в принципе невозможно непосредственно обнаружить. Но в случае, когда один электрон пролетает мимо другого, возможно излучение реальных фотонов, которые мы воспринимаем как волны света.)

Частицы-носители взаимодействий можно подразделить на четыре категории в зависимости от интенсивности взаимодействия, которое они переносят, и от вида частиц, с которыми они взаимодействуют. Это деление условное и приводится только для удобства построения частных теорий; при этом оно может не отражать объективной реальности. Большинство физиков надеются, что когда-нибудь удастся построить единую теорию, которая объяснит все виды сил как разные аспекты единой силы. И многие считают это главной задачей современной физики. В последнее время предпринимались успешные попытки объединения трех из четырех видов взаимодействий, и я расскажу о них в этой главе. А вопрос об интеграции четвертого вида взаимодействия – гравитационного – отложим на потом.

Первым делом поговорим о силе тяготения. Это универсальная сила – в том смысле, что любая частица «ощущает» ее воздействие, а восприимчивость к ней зависит от массы или энергии частицы. Тяготение, или гравитация, – самая слабая из всех сил, причем она значительно слабее остальных. Она настолько слаба, что мы бы вообще не замечали ее, если бы не две особенности: во-первых, это дальнодействующая сила, а во-вторых, она всегда работает как сила притяжения. Это значит, что очень слабые гравитационные силы, действующие между частицами в составе двух больших тел, таких, например, как Земля и Солнце, складываются, в результате чего возникает весьма внушительная сила. Остальные три типа сил – либо короткодействующие, либо бывают иногда притягивающими, а иногда отталкивающими, стремясь компенсировать друг друга. При квантовомеханическом взгляде на гравитационное поле, взаимодействие между двумя частицами вещества осуществляется с помощью частиц со спином 2, называемых гравитонами. Эти частицы не имеют собственной массы, и поэтому переносимая ими сила является дальнодействующей. Гравитационное взаимодействие между Солнцем и Землей рассматривается как результат обмена гравитонами между частицами, составляющими эти два тела. Хотя участвуют в обмене виртуальные частицы, они порождают измеримый эффект, заставляя Землю обращаться вокруг Солнца! Реальные гравитоны образуют то, что классические физики назвали бы гравитационными волнами. Они чрезвычайно слабы – их так трудно обнаружить, что никому до сих пор это не удалось.

Обратимся теперь к электромагнитной силе, которая действует на электрически заряженные частицы, такие как электроны и кварки, но не действует на нейтральные частицы вроде гравитонов. Она куда сильнее гравитации: сила электромагнитного взаимодействия двух электронов примерно в миллион миллионов миллионов миллионов миллионов миллионов миллионов (единица с сорока двумя нулями) раз больше силы гравитационного взаимодействия этих частиц. Но электрические заряды бывают двух видов – положительные и отрицательные. При этом два положительных – так же, как и два отрицательных – заряда отталкиваются, а положительный и отрицательный заряды притягиваются друг к другу. В крупном теле вроде Земли или Солнца количество положительных зарядов примерно равно количеству отрицательных; в результате силы отталкивания и притяжения между отдельными частицами взаимно почти уравновешиваются и суммарная электромагнитная сила оказывается очень малой. Но на малых – атомных и молекулярных – масштабах электромагнитные силы преобладают. Сила электромагнитного притяжения между отрицательно заряженными электронами и положительно заряженными протонами атомного ядра удерживает электроны на орбитах вокруг атомного ядра, совсем как сила гравитационного притяжения удерживает Землю на орбите вокруг Солнца. Сила электромагнитного притяжения представляется как результат обмена большим количеством не имеющих массы частиц со спином 1 – фотонов. Как и в предыдущем случае, участвующие во взаимодействии фотоны являются виртуальными частицами. Но переход электрона с одной допустимой орбиты на другую, расположенную ближе к ядру, сопровождается выделением энергии и излучением реального фотона, который можно наблюдать человеческим глазом как видимый свет – если длина его волны попадает в соответствующий диапазон, – или зарегистрировать другим фотодетектором, например фотопленкой. Точно так же при столкновении реального фотона с атомом электрон, движущийся по расположенной вблизи ядра орбите, может оказаться выбитым на более далекую орбиту. Электрон использует энергию фотона, и поэтому сам фотон поглощается.

Третья категория сил называется слабым ядерным взаимодействием, которое отвечает за радиоактивный распад атомных ядер и действует на все частицы вещества со спином ¹/₂, но не действует на частицы со спином 0, 1 или 2, такие как фотоны и гравитоны. Механизм слабого ядерного взаимодействия оставался не в полной мере понятным до 1967 года, когда Абдус Салам из Имперского колледжа Лондона и Стивен Вайнберг из Гарвардского университета разработали теорию, объединившую слабое и электромагнитное взаимодействия – как за сто лет до того Максвелл объединил электричество и магнетизм. Салам и Вайнберг предположили, что кроме фотонов имеются еще и другие частицы со спином 1 – так называемые массивные векторные бозоны, – которые служат носителями слабого взаимодействия. Эти частицы обозначаются как W⁺ (W-плюс), W^- (W-минус) и Z⁰ (Z-ноль), каждая имеет массу около 100 ГэВ (ГэВ – гигаэлектронвольт, или одна тысяча миллионов электрон-вольт). Теория Вайнберга – Салама обладает свойством спонтанного нарушения симметрии. Это значит, что целый ряд частиц, которые кажутся совершенно разными при низких энергиях, фактически являются одним и тем же видом частиц, но находятся в разных состояниях. При высоких энергиях все эти частицы ведут себя одинаково. Это можно сравнить с поведением шарика при игре в рулетку. При высоких энергиях (пока колесо рулетки крутится быстро) шарик ведет себя однообразно – просто катится по кругу. Но по мере замедления колеса энергия шарика уменьшается, и в какой-то момент он попадает в одно из тридцати семи углублений на колесе. Другими словами, при низких энергиях шарик может пребывать в одном из 37 различных состояний. Если по какой-то причине мы наблюдаем шарик только при низких энергиях, то создается впечатление, что мы имеем дело с 37 типами шариков!

В теории Вайнберга – Салама, при энергиях куда выше 100 ГэВ, три новые частицы и фотон ведут себя одинаково. Но при более низких энергиях, с которыми мы имеем дело в обычных ситуациях, симметрия между частицами нарушается. W⁺-, W^-– и Z⁰-частицы приобретают большие массы, и соответствующие им силы становятся очень короткодействующими. Когда Салам и Вайнберг предложили свою теорию, мало кто поверил им, а мощность ускорителей частиц на тот момент была недостаточной и не позволяла достичь энергий в 100 ГэВ, необходимых для порождения реальных бозонов W⁺, W^- и Z⁰. Однако в последующие десять лет оказалось, что другие предсказания теории на низких энергиях настолько хорошо согласуются с экспериментальными данными, что в 1979 году Саламу, Вайнбергу и Шелдону Глэшоу, еще одному ученому из Гарвардского университета, создавшему аналогичную общую теоретическую основу для электромагнитного и слабого ядерного взаимодействий, была присуждена Нобелевская премия по физике. Нобелевскому комитету не пришлось краснеть за возможную ошибку, и это стало окончательно ясно в 1983 году. Тогда в Европейском центре ядерных исследований (фр. Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire (CERN); рус. ЦЕРН) были открыты три массивных партнера фотона с правильно предсказанными массами и другими свойствами. Карло Руббиа, руководитель совершившей открытие группы из нескольких сотен физиков, в 1984 году был удостоен Нобелевской премии – совместно с Симоном ван дер Меером, инженером ЦЕРНа, разработавшим систему хранения антивещества, использованную в экспериментах. (В наше время добиться признания в экспериментальной физике очень нелегко, для этого нужно быть лучшим из лучших!)

Четвертый тип взаимодействия – сильное ядерное взаимодействие. Благодаря ему внутри протонов и нейтронов удерживаются кварки, а протоны и нейтроны – внутри атомного ядра. Носителем этого взаимодействия считается частица со спином 1 под названием глюон, которая взаимодействует только с такими же частицами и с кварками. Сильное ядерное взаимодействие обладает удивительным свойством – так называемым конфайнментом. Это означает, что удерживаемые вместе частицы всегда имеют нулевой суммарный цветовой заряд. Невозможно получить отдельный кварк, потому что у него был бы какой-либо определенный цвет (красный, зеленый или синий). Вместо этого красный кварк должен объединяться с зеленым и синим посредством «струны» из глюонов (красный + зеленый + синий = белый). Такого рода триплет образует протон или нейтрон. Другая возможная комбинация – это пара, состоящая из кварка и антикварка (красный + антикрасный / зеленый + антизеленый / синий + антисиний = белый). Из таких комбинаций состоят частицы, называемые мезонами, которые неустойчивы, потому что кварк и антикварк могут взаимно аннигилироваться, в результате чего образуются электроны и другие частицы. Аналогично конфайнмент не допускает существования отдельного глюона, потому что глюоны также имеют цветовой заряд. Вместо этого приходится иметь дело с комбинациями глюонов с суммарным белым цветовым зарядом. Такая комбинация образует неустойчивую частицу, получившую название глюоний.

Конфайнмент делает невозможным наблюдение изолированных кварков и глюонов, и потому может создаться впечатление, что представления о кварках и глюонах как о частицах относятся, скорее, к области метафизики. Но у сильного взаимодействия есть еще одно свойство – так называемая асимптотическая свобода, – благодаря которому понятия кварков и глюонов обретают определенные очертания. При обычных энергиях сильное ядерное взаимодействие действительно сильно и надежно удерживает кварки вместе. Но эксперименты на больших ускорителях частиц свидетельствуют, что при высоких энергиях сильное взаимодействие заметно ослабевает, отчего кварки и глюоны начинают вести себя почти как свободные частицы. На рисунке 5.2 приводится фотография столкновения протона высокой энергии и антипротона. На волне успеха после объединения электромагнитного и слабого ядерного взаимодействий был предпринят ряд попыток объединить эти две силы с сильным ядерным взаимодействием, чтобы создать так называемую теорию великого объединения (англ. Grand Unified Theory; GUT). Название несколько претенциозное: созданные теории не такие уж великие и объединяют отнюдь не всё, поскольку не распространяются на силу тяготения. К тому же они неполны, поскольку содержат ряд параметров, численные значения которых нельзя предсказать в рамках этих теорий: их следует подбирать так, чтобы они не противоречили экспериментальным данным. Однако это все же шаг на пути к полной, всеобъемлющей теории. Основная идея такой теории сводится к следующему. Как мы отмечали выше, сильное ядерное взаимодействие становится слабее при высоких энергиях. При некоторой – очень высокой – энергии, называемой энергией великого объединения, три рассматриваемых типа взаимодействий сравняются по интенсивности и смогут рассматриваться как разные аспекты единой силы. Теории великого объединения также предсказывают, что при этой энергии разные частицы вещества со спином ¹/₂ – такие, как кварки и электроны, – тоже станут, в сущности, одним видом частиц, то есть объединение произойдет и на этом уровне.

Рис. 5.2. Столкновение протона и антипротона в условиях высоких энергий с образованием пары почти свободных кварков

Величина энергии великого объединения пока точно не определена, но скорее всего, составляет не менее тысячи миллионов миллионов ГэВ. Современные ускорители способны обеспечить столкновения частиц с энергиями порядка сотен ГэВ. Планируется построить ускорители, в которых эта величина поднимется до нескольких тысяч ГэВ. Устройство с мощностью, достаточной для ускорения частиц до энергии великого объединения, должно быть размером с Солнечную систему, и вряд ли на него выделят средства в нынешних экономических условиях. Так что проверить теории великого объединения в лабораторных условиях не удастся. Но, как и в случае с единой теорией электрослабого взаимодействия, у теорий великого объединения есть следствия, которые проявляются на низких энергиях и потому могут быть проверены.

Любопытнее других предсказание того, что протоны, составляющие значительную часть массы обычного вещества, могут самопроизвольно распадаться на более легкие частицы, такие как антиэлектроны. Причина состоит в том, что при энергии великого объединения между кварком и антиэлектроном нет существенных различий. Как правило, три кварка в составе протона не обладают энергией, достаточной для превращения в антиэлектроны, но иногда – хотя и очень редко – один из кварков может приобрести достаточную для такого превращения энергию. Эту вероятность обеспечивает принцип неопределенности, согласно которому энергия кварков в протоне не может быть зафиксирована на каком бы то ни было точном значении. В этом случае протон распадается. Ситуация, в которой кварк обретает достаточно высокую энергию, настолько неординарна, что ждать такого события придется миллион миллионов миллионов миллионов миллионов лет (единица с тридцатью нулями). С момента Большого взрыва – а он случился около десяти миллиардов (единица с десятью нулями) лет назад – прошло куда меньше времени. Потому нам кажется, что возможность спонтанного распада протона нельзя проверить экспериментально. Впрочем, шансы обнаружить его можно увеличить, наблюдая большое количество вещества, содержащее очень много протонов. (Например, если в течение года наблюдать протоны в количестве, выражаемом единицей с тридцатью одним нулем, то, согласно простейшей теории великого объединения, можно рассчитывать на регистрацию более одного распада протона.)

Физики поставили ряд экспериментов, но ни один из них не дал никаких определенных свидетельств распада протона или нейтрона. В одном из исследований использовалось 8000 тонн воды: он проводился в соляной шахте в штате Огайо, принадлежащей компании Morton Salt (чтобы не спутать с распадом протона другие явления, вызванные космическими лучами). Поскольку в ходе эксперимента не наблюдалось ни одного спонтанного распада протона, можно заключить, что среднее время его жизни должно превышать десять миллионов миллионов миллионов миллионов миллионов лет (единица с тридцать одним нулем). Это больше, чем время жизни, которое предсказывает самая простая из теорий великого объединения. Хотя некоторые более изощренные теории отводят протону еще более длинную жизнь. Для проверки этих теорий потребуются более чувствительные эксперименты с бо́льшим количеством вещества.

Зафиксировать спонтанный распад протона – чрезвычайно трудная задача, но вместе с тем не исключено, что самим нашим существованием мы обязаны обратному процессу – рождению протонов, или, попросту говоря, кварков, на исходной стадии, когда кварков было не больше, чем антикварков. Именно так естественно было бы представить зарождение Вселенной. Вещество на Земле состоит в основном из протонов и нейтронов, которые, в свою очередь, сложены из кварков. Не существует антипротонов и антинейтронов, составленных из антикварков, за исключением тех немногих, что физики получают в больших ускорителях. Данные исследований космических лучей свидетельствуют, что то же верно и для всего вещества в нашей Галактике – там нет ни антипротонов, ни антинейтронов, за исключением небольшого количества пар частица-античастица, возникающих при столкновениях частиц с высокой энергией. Если бы в нашей Галактике были большие области, заполненные антивеществом, то на их границе с областями обычного вещества – там, где многие частицы сталкиваются с античастицами и взаимно аннигилируют, – наблюдалось бы мощное излучение.

У нас также нет прямых свидетельств того, состоит ли вещество других галактик из протонов и нейтронов или антипротонов и антинейтронов. Однако это должно быть что-то одно: в одной галактике не могут одновременно присутствовать вещество и антивещество, потому что в этом случае мы также должны были бы наблюдать интенсивное излучение, вызванное аннигиляцией. Поэтому мы исходим из того, что все галактики состоят из кварков, а не антикварков. Представляется неправдоподобным, чтобы часть галактик состояла из вещества, а часть – из антивещества.

Почему кварков намного больше, чем антикварков? Почему их количества не одинаковы? Тот факт, что мера вещества не равна мере антивещества, безусловно, пошло нам на пользу: если бы кварков и антикварков было поровну, почти все они взаимно аннигилировали бы еще в ранней Вселенной. А значит, она оказалась бы заполнена излучением и практически не содержала бы вещества. Не было бы ни галактик, ни звезд, ни планет, на которых могли бы возникнуть жизнь и человек. К счастью, теории великого объединения в состоянии объяснить, почему во Вселенной сейчас больше кварков, чем антикварков, даже если в начале одни не доминировали над другими. Как мы уже знаем, теории великого объединения допускают возможность превращения кварков в антиэлектроны при высоких энергиях. Эти теории также предусматривают обратные процессы, в результате которых антикварки преобразуются в электроны, а электроны и антиэлектроны – в антикварки и кварки. На самых ранних этапах существования Вселенной температура – а стало быть, и энергия частиц – была достаточно высока для таких превращений. Но почему в результате кварков оказалось больше, чем антикварков? Причина в том, что физические законы не совсем одинаковы для частиц и античастиц.

До 1956 года считалось, что законы природы обеспечивают сохранение каждой из трех симметрий, называемых C, P и T. Симметрия C означает, что законы одинаковы для частиц и античастиц. Симметрия P – что законы одинаковы для любой конкретной ситуации и ее зеркального отражения (зеркальное отражение вращающейся вправо частицы – это вращающаяся влево частица). Симметрия T – что если изменить направление движения всех частиц и античастиц на противоположное, то система станет двигаться назад к тем состояниям, в которых пребывала в прошлом. Иными словами, законы природы одинаковы для прямого и обратного направления времени. В 1956 году два американских физика, Чжэндао Ли и Чжэньнин Янг, выдвинули гипотезу о том, что при слабом взаимодействии симметрия P может нарушаться. То есть под влиянием слабого взаимодействия эволюция Вселенной может отличаться от эволюции ее зеркального отражения. В том же году коллега ученых Цзяньсюн Ву доказала правильность этого предсказания. Она выстроила ядра радиоактивных атомов в магнитном поле так, чтобы все они вращались в одном направлении, и показала, что число электронов, испускаемых в двух направлениях, неодинаково. В следующем году Ли и Янг получили за свою теорию Нобелевскую премию. Оказалось, что при слабом взаимодействии также не сохраняется симметрия C. То есть из-за слабого взаимодействия вселенная, состоящая из античастиц, должна вести себя не так, как наша Вселенная. Тем не менее казалось, что при слабом взаимодействии сохраняется комбинированная симметрия CP. То есть вселенная должна эволюционировать так же, как и ее зеркальное отражение, при условии, что все частицы будут заменены соответствующими им античастицами. Однако в 1964 году двое других американских ученых, Джеймс Уотсон Кронин и Вал Логсден Фитч, обнаружили, что при распаде частиц под названием К-мезоны нарушается даже CP-симметрия. Кронин и Фитч были удостоены Нобелевской премии по физике в 1980 году. (За доказательства того, что наша Вселенная не так проста, как кажется, вручили уже столько премий!)

Существует математическое доказательство того, что в любой теории, совместимой с квантовой механикой и теорией относительности, должна всегда соблюдаться комбинированная симметрия CPT. Другими словами, вселенная должна вести себя в точности так же, если все частицы заменить на античастицы, зеркально отразить ее и обратить направление времени. Но Кронин и Фитч показали, что если заменить во вселенной все частицы на античастицы и зеркально отразить, не обратив при этом направление времени, то поведение полученной вселенной будет отличаться от поведения исходной. Таким образом, при обращении направления времени должны измениться законы физики: они не подчиняются требованию сохранения T-симметрии.

Само собой разумеется, в ранней Вселенной T-симметрия не сохраняется: с течением времени Вселенная расширяется, а если бы время повернуло вспять, то Вселенная сжималась бы. Поскольку существуют силы, не подчиняющиеся требованию сохранения T-симметрии, то, следовательно, в ходе расширения Вселенной число антиэлектронов, превращающихся в кварки под влиянием этих сил, может превысить число электронов, преобразующихся в антикварки. Тогда по мере дальнейшего расширения и охлаждения Вселенной антикварки могли аннигилировать с кварками, но поскольку кварки преобладали, небольшой их избыток должен был сохраниться. Именно из них состоит вещество, которое мы наблюдаем в настоящее время и из которого состоим сами. Таким образом, само наше существование может рассматриваться как подтверждение – пусть только качественное – теорий великого объединения. Впрочем, оценки столь приблизительны, что невозможно предсказать количество оставшихся после аннигиляции кварков; неясно даже, остались ли в большинстве кварки или антикварки. (Правда, если бы во Вселенной преобладали антикварки, мы бы попросту называли их кварками, а кварки – антикварками.)

Теории великого объединения не принимают во внимание гравитационное взаимодействие. Это не так важно, поскольку, когда мы имеем дело с элементарными частицами и атомами, его влиянием, как правило, можно пренебречь – настолько оно слабое. Впрочем, тот факт, что тяготение – дальнодействующая сила и к тому же всегда притягивающая, означает, что ее влияние суммируется. Потому при достаточно большом количестве частиц вещества гравитационные эффекты могут оказаться сильнее проявлений всех остальных сил. По этой причине именно гравитация определяет эволюцию Вселенной. В случае объектов размером со звезду гравитационная сила притяжения может даже превзойти все другие силы и привести звезду к коллапсу. В 1970-х годах я занимался исследованием черных дыр, которые теоретически возникают в результате коллапса звезд и мощных гравитационных полей в их окрестностях. Именно эти изыскания заставили меня рассуждать о возможном характере взаимного влияния квантовой механики и общей теории относительности. Но это лишь первое приближение к квантовой теории гравитации, которую еще предстоит открыть.