Возникает вопрос – если монополи так трудно найти, то сколько же их существует в действительности? Поначалу предполагали, что монополи должны быть так же распространены, как протоны, но тогда их легко было бы обнаружить. Более поздние оценки позволили снизить их число до примерно одного монополя на 1015 протонов, а в действительности их число может оказаться намного меньше. Сотрудник Чикагского университета Е. Н. Паркер указал, что если бы монополей было очень много, то их поле в результате взаимодействия уничтожило бы магнитное поле нашей Галактики. Поскольку этого не случилось, монополей, видимо, гораздо меньше, чем предполагается. Охота на монополь продолжается.
Мы уже упоминали о другой частице огромной массы, существовавшей в ранней Вселенной – X-частице. Так же как и монополь, её пока не удалось обнаружить из-за гигантской массы. Но с X-частицей возникает ещё одна трудность – частица эта калибровочная, и для объединения с другими калибровочными частицами она должна, при определённых условиях, иметь нулевую массу. Почему же сейчас X-частица столь массивна (если вообще существует)? Чтобы ответить на этот вопрос, посмотрим откуда взялась масса у W-частицы. В ранней Вселенной, когда температура превосходила определённое значение, W-частица и фотон не имели массы. Этот нижний предел температуры соответствовал энергии 100 ГэВ (1 ГэВ – гигаэлектрон-вольт, или 1000 миллионов электрон-вольт). При расширении Вселенная стала охлаждаться, её температура снизилась до этого предела, и W-частицы внезапно, в результате спонтанного нарушения симметрии, приобрели массу. Можно сказать, что они поглотили частицы Хиггса и потяжелели. При энергии ниже 10 ГэВ W-частицы имеют массу, а слабое и электромагнитное взаимодействия проявляются в виде самостоятельных сил. Как говорят, они «вымерзли» из единого поля. В качестве простой аналогии можно рассмотреть однородную смесь трёх жидкостей. Выше определённой температуры все они равномерно перемешаны, но по мере охлаждения этой жидкости каждый из компонентов смеси будет переходить в твёрдое состояние. Сначала вымерзнет одна жидкость, а две другие останутся в виде раствора, затем вымерзнет вторая, а в конце концов и третья. Примерно то же произошло с силами по мере охлаждения Вселенной. Важно, однако, отметить, что в отличие от жидкостей, в полях не происходило никаких физических изменений.
А теперь вернёмся к X-частице. С ней происходит то же самое, что и с W-частицей, но при гораздо большей температуре – 1015 ГэВ. Это температура, при которой электромагнитное и сильное взаимодействия слиты воедино. При более высокой температуре X-частица не имеет массы, а по мере её снижения в результате спонтанного нарушения симметрии масса появляется. В этот же момент «вымерзнет» сильное взаимодействие. Иными словами, так же как W-частицы поглощают частицы Хиггса и приобретают массу, X-частицы «проглатывают» так называемые супермассивные частицы Хиггса и тоже становятся весьма массивными. Это означает, что при температурах выше 1015 ГэВ было одно семейство частиц – комбинация лептонов и кварков, называемое лептокварками. Помимо того, была одна калибровочная частица с нулевой массой; фотоны, глюоны и W-частицы были неразличимы, они представляли собой одну и ту же частицу. Как видно, Вселенная тогда была устроена гораздо проще. Более того, все поля, за исключением гравитационного, были одинаковы – они просто являлись одним и тем же полем. На графике констант сильного и электрослабого взаимодействий видно, что с ростом энергии (и соответственно с ростом температуры) они сближаются, пока не сольются при 1015 ГэВ.
Слияние констант сильного и электрослабого взаимодействий при высоких энергиях
Допустим, что протон действительно распадается. Ну и что из этого вытекает? Самые важные следствия, несомненно, будут для космологии. Предположим, протон распадается на позитрон и ?0-мезон, который затем распадётся на фотоны, а позитрон, встретившись с электроном, аннигилирует, также превратившись в фотоны. Короче говоря, всё вещество во Вселенной за невообразимо долгое время превратится в излучение. В ней не останется ничего кроме излучения! Можно сказать, что Вселенная появилась в виде излучения (по крайней мере, так было в эпоху излучения) и закончит своё существование (если она открыта) тоже в виде излучения, без вещества. Странная судьба, что и говорить…
С точки зрения физика-экспериментатора, у теории великого объединения есть ещё одна неприятная особенность. Мы видели, что объединение двух взаимодействий в электрослабое происходит при энергии выше 100 ГэВ. Это максимально достижимое для современных ускорителей значение; следующая интересная энергия – 1015 ГэВ – вряд ли достижима на ускорителях. Это означает, что по мере повышения энергии ускорителей вряд ли можно ожидать чего-то интересного. Неутешительная перспектива!
Мы видели, как можно объединить электромагнитное и сильное взаимодействия в рамках одной теории, получившей название теории великого объединения. Но при этом вне поля зрения остаётся ещё одна сила – тяготение. Создание действительно единой теории требует включения в неё тяготения. Оказалось, что это очень трудно сделать, поскольку теория гравитации (общая теория относительности) – геометрическая, а не квантовая теория. Многие учёные пытаются придать общей теории относительности квантовую форму, но пока безуспешно.
Нетрудно представить себе как должен выглядеть квантовый вариант общей теории относительности: как и в других теориях поля, потребуется калибровочная частица-переносчик поля. Применительно к тяготению эта частица получила наименование «гравитон». Итак, при сближении двух масс между ними происходит обмен гравитонами. На самом деле, поскольку тяготение – дальнодействующая сила (теоретически она действует на бесконечно больших расстояниях), взаимный обмен гравитонами происходит между всеми объектами во Вселенной. Естественно, когда они находятся далеко друг от друга, количество переносимых гравитонов мало.
Метод, при помощи которого учёные стараются включить в рассмотрение тяготение, в последнее время привлекает довольно большое внимание; он носит название супергравитации. Супергравитация строится на основе теории групп, а симметрия, связанная с ней, обычно называется суперсимметрией. Чтобы лучше понять основную идею супергравитации, нужно вспомнить о природе частиц. Если абстрагироваться от конкретных параметров, то во Вселенной есть два фундаментальных типа частиц: частицы вещества (например, электроны или протоны) и частицы-переносчики взаимодействий, называемые также калибровочными частицами (например, фотоны и W-частицы). Они отличаются друг от друга спином – все калибровочные частицы (называемые бозонами) имеют целый спин, а все частицы вещества (называемые фермионами) имеют полуцелый спин (1/2, 3/2 и т.п.).
Супергравитация превращает фермионы в бозоны и наоборот. Как обладающий изоспином нуклон можно превратить либо в протон, либо в нейтрон, стоит только повернуть воображаемый регулятор, так же как суперчастицу в теории супергравитации – фермион со стрелкой, направленной вверх, можно, повернув стрелку вниз, превратить в бозон. Короче говоря, в этой теории фермионы и бозоны объединены; их можно точно так же превращать друг в друга, как в теории великого объединения кварки в лептоны. Итак, сделан последний шаг на пути к желанному объединению. В теории великого объединения ранняя Вселенная содержала два типа фундаментальных частиц: бозоны и фермионы. Теперь появляется возможность превращать их друг в друга. Это означает, что в самом-самом начале Вселенная была донельзя простой – возможно, в ней были частицы только одного типа. Так должно было быть при температурах выше 1019 ГэВ, примерно через 10-43 с после Большого взрыва. До этого момента все четыре силы были слиты воедино и существовал лишь один тип частиц.