ВСЕЛЕННАЯ: МИР АДРОНОВ
Вопрос: 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 предпринята сотрудником Ереванского физического института Р.М.Мурадяном.
Хотя с тех пор, как Мурадян проводил свои исследования, прошло уже довольно значительное время, тем не менее они заслуживают того, чтобы остановться на них и рассказать поподробнее, поскольку, с одной стороны, они представляют интерес открывая новую малоисследованную сторону взаимосвязи микро и мега, а с другой, никто после Мурадяна этими вопросами всеръёз не занимался.
Ещё в 1960-е г.г. в терии 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, звёзды, галактики - вращаются. Собственное вращение - это такое же врождённое их свойство, как и наличие некоторой массы.
В этом отношении космические объекты, о кторых идёт 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 определённых допущениях может быть применена и к адронам, следует, что в зависимости от числа измерений частицы ( то есть от того, является ли она плоской или объёмной ) её спин с увеличением массы может возрастать либо как некоторая величина в степени 3/2 - в плоском случае, либо в степени 4/3 - в объёмном случае.
Р.Мурадян решил проследить, как связаны с массами моменты количества движения космических объектов: астероидов, планет, звёзд, 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 звёзд 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 определённую аналогию между строением всего семейства элементарных частиц и структурой атома водорода, обладающего бесконечным числом энергитических уровней.
Если подобное предположение справедливо, то это значит, что при определённых 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 основных 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 в минус 8 до 10 в минус 23 секунды. Особо короткоживущие адроны получили название резонансов.
Одной из самых интригующих проблем современной астрофизики является так называемая космогоническая проблема, то есть проблема происхождения звёзд, 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 звёзд в современной астрофизике существуют две противоположные концепции. Согласно одной из них, наиболее распространённой, классической концепции, космические объекты, в том числе звёзды и галактики, формируются путём сгущения, конденсации диффузной материи - газа и пыли.
Другая концепция, развитая В.А.Амбарцумяном и его школой и получившая название Бюраканской, наоборот, исходит из того, что эволюция космических объектов идёт от более плотных состояний к менее плотным и что, в частности, зародышами звёзд и галактик являются гипотетические сверхплотные объекты весьма малых размеров, взрывной распад которых и ведёт к образованию различных небесных тел.
Длительное время между сторонниками обоих направлений ведётся острая дикуссия, и отдавать кому-либо из них предпочтение пока ещё 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 сверхтяжёлого суперадрона с массой 10 в 56 г. Это и был тот первоатом, тот сверхплотный сгусток материи, который дал начало нашей Вселенной. Его распад на более мелкие адроны привёл к образованию протоскоплений галактик, а последующие распады на адроны с ещё меньшими массами - к образованию галактик. Соедующим этапом был распад на адроны с массами, меньшими 10 в 34 г. Дальнейшие распады, по мысли Мурадяна, должны были привести к образованию диффузного облака, внутри которого в результате конденсации вещества сначала возникли сгущения - протозвёзды, а затем процесс образования звёзд протекал в соответствии с обычной классической схемой.
Однако за то время, которое отделяет от работ Мурадяна, была создана 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 тяжёлые химические элементы могут возникать не только за счёт взрывов сверхновых звёзд, как принято считать в классической астрофизике, но и в результате деления ещё более тяжёлых частиц. Это обстоятельство весьма существенно, так как классическая теория происхождения тяжёлых элементов встречается с рядом серъёзных трудностей.
Таким образом, если в обычной классической астрофизике эволюционный процесс идёт от объектов более разреженных к менее разреженным и от беспорядка к порядку, то в модели Мурадяна на весьма значительном интервале существования Метагалактики эволюция, наоборот, идёт 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. Исходным объектом для образования Метагалактики является сверхтяжёлый суперадрон. Спины подобных частиц связаны с их массами законом 3/2. Иными словами, суперадроны - двумерные, плоские образования. По мнению Мурадяна, 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 10 в 33 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 - эти объекты типа нейтронных звёзд, однако обладающие намного большими, колоссальными моментами. Их распад и приводит к образованию диффузных облаков, из которых в дальнейшем и могут формироваться звёзды.
Как известно, одним из самых важных и существенных критериев справедливости той или иной теоретической модели является её способность предвидеть, то есть предсказывать ещё неизвестные явления. Если гипотеза Мурадяна все же верна и Метагалктика 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 её 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 всё более удалённые космические объекты. А, как известно, чем дальше расположен тот или иной космический объект, тем в более глубоком прошлом мы его наблюдаем. Единственный в своём роде случай, когда люди, можно сказать, непосредственно, могут увидеть события давным-давно минувших времён. А это означает, что вопрос о соответствии тех или иных космогонических моделей реальной действительности в принципе может быть решён наблюдательным путём.
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 ещё раз свидетельствуют о том, что между явлениями, происходящими в мире элементарных частиц, и процессами космического порядка существуюет глубокая внутренняясвязь, пока что полностью ещё не понятая. Не исключена возможность, что сильные и гравитационные взаимодействия связаны друг с другом нетривиальным образом.