Основы реальности. 10 фундаментальных принципов устройства Вселенной - [65]
Несоответствие бывало совсем немаленьким; чтобы его интерпретировать, требовалась примерно в шесть раз большая масса, чем могла обеспечивать обычная материя.
Проблему темной материи могла бы решить элементарная частица с нужными свойствами — если бы оказалась источником загадочной гравитации. Наблюдаемые данные в целом согласуются с этим предположением, но информации недостаточно, чтобы точно вычислить важнейшие свойства частицы, такие как масса и спин.
Вот адрес веб-сайта Particle Data Group: http://pdg.lbl.gov. На нем задокументированы (с датами получения и всеми техническими деталями) эмпирические свидетельства, на которых основывается наше фундаментальное понимание космологии, материи и ее взаимодействий. Это настоящий храм науки, возведенный усилиями нескольких поколений ученых разных континентов во славу физической реальности.
Сильное взаимодействие между кварками и глюонами снижается не только при малых расстояниях во времени и пространстве, но и при больших изменениях энергии и импульса. И то и другое — две стороны асимптотической свободы. Используя уравнения квантовой механики, одно можно вывести из другого.
Большие изменения энергии и импульса редки, но приводят к поразительному явлению, которое стало главной характерной чертой взаимодействий частиц сверхвысоких энергий. Речь о возникновении струй. Струи раскрывают суть КХД: демонстрируют нам кварки, глюоны и их основные взаимодействия в удивительно естественной и осязаемой форме.
Давайте посмотрим, что происходит, когда на кварк внутри протона внезапно действует внешняя сила — например, налетающий электрон. Кварк, вырванный из обычного окружения, получает большую энергию и импульс и вылетает из протона. Однако изолированный кварк существовать не может. Его некомпенсированный цветной заряд нарушает равновесие полей цветных глюонов, и поэтому кварк начинает излучать глюоны, теряя энергию и импульс. Эти вторичные глюоны также будут излучать либо другие глюоны, либо кварки и антикварки. Таким образом, первоначальный резкий удар порождает каскад кварков, антикварков и глюонов, которые затем сбиваются в протоны, нейтроны и другие адроны. Как всегда, кварки, антикварки и глюоны не живут как отдельные частицы и могут существовать только в коллективе.
Звучит сложно, и так оно и есть. Но теория асимптотической свободы вносит в хаос структуру: учит нас, что, поскольку излучение, связанное с передачей больших энергий и импульса, возникает редко, все частицы каскада стремятся двигаться в одном направлении. В результате мы наблюдаем множество треков частиц в узком конусе. Мы говорим, что они образуют струю. Поскольку энергия и импульс в целом сохраняются, полная энергия и импульс всех частиц внутри нашей струи будут равны энергии и импульсу исходного кварка.
Это явление — прекрасный подарок физикам. Струи содержат информацию об энергии и импульсе частиц, которые их инициировали, а потому служат «аватарами» этих частиц. Таким образом, кварки и глюоны становятся вполне осязаемыми объектами, хотя сами по себе, изолированно, не существуют. Мы можем предсказать поведение кварков и глюонов через предсказания для струй. Таким образом мы точно и в деталях проверяем основные законы КХД — все утверждения о кварках и глюонах. Струи также позволяют нам разобраться в других процессах, известных или гипотетических, где участвуют кварки и глюоны.
Обычно экспериментаторы докладывают о том, сколько кварков и глюонов образовалось в изучаемых ими реакциях, как они распределены по энергии, углу и так далее. На самом деле они наблюдают не кварки и глюоны, а соответствующие струи, но после тысяч успешных проверок распознавание и идентификация частиц стали обычным делом. Кварки и глюоны вошли в мир как странные гипотетические фантомы — частицы, которые, согласно теории конфайнмента, не могут существовать изолированно. С помощью замечательных идей ученых они стали осязаемой реальностью — не просто частицами, а струями.
Общая теория относительности предсказывает удивительную взаимосвязь между средней кривизной пространства, средней плотностью вещества внутри него и скоростью расширения Вселенной. Если общая плотность материи равна некоторой критической отметке, то пространство будет плоским; если плотность больше, оно будет иметь положительную кривизну, подобно сфере, а если меньше — то отрицательную, подобно седлу.
В настоящее время критическая плотность составляет около 10>–29 граммов на кубический сантиметр, что эквивалентно массе шести атомов водорода на кубический метр. Хотя эта плотность намного ниже, чем самый сверхвысокий вакуум, полученный в земных лабораториях, похоже, она близка к средней плотности Вселенной в целом.
Астрономы могут измерять форму пространства геометрически, используя сложные методы, упомянутые в главе 1. Они также могут измерять плотность, суммируя вклады обычной материи, темной материи и темной энергии. Они обнаружили, что пространство почти плоское, а его плотность почти равна критической. Это согласуется с предсказанием общей теории относительности. Можно надеяться, что загадки темной материи и темной энергии удастся понять в рамках общей теории относительности. И конечно, они
