Вселенная, в которой мы живем

     Каждый из нас, глядя в бесконечные просторы звездного неба, когда-нибудь задаётся вопросом: что же находится там, в необозримых просторах Вселенной?  Есть ли у нее конец, и если есть, то что за ним? Была ли Вселенная всегда и будет ли существовать вечно? Аесли нет, то что было "до" и что будет "после"?

      Существует множество гипотез и мнений на этот счет, каждая уважающая себя религия имеет собственную теорию происхождения Вселенной, однако любой человек, знакомый с астрономией захочет ознакомится с научным подходом к этим и другим вопросам.

     Оказывается,  современная наука способна дать нам почти бесспорные ответы на извечные вопросы об устройстве бытия.
     Данный раздел рассказывает о структуре Вселенной, ее эволюции, объектах, расположенных в ней, о ее рождении и смерти.
     Однако не следует расчитывать получить на такие сложные вопросы простые ответы. Поэтому, прежде чем перейти к малодоступным для понимания материалам новейших астрофизических исследований мы расскажем вам об основах того, как устроен наш мир. Если вас интересует какая-либо конкретная тема, вы можете сразу перейти к ней через гиперссылку.

СТРУКТУРА ВСЕЛЕННОЙ

     Как известно, наша планета Земля является третьей планетой Солнечной системы. Отсюда кажется, что космическое пространство сплошь усеяно звездами.
     Однако, если вы отправитесь в далекое космическое путешествие, то спустя долгое время звезды останутся позади. Вы обнаружите, что звезды, которые вы покинули, образуют огромное скопление правильной формы. Вокруг него расположены другие скопления, именуемые галактиками. Из галактик и пространства между ними и состоит Вселенная.

     Солнечная система расположена на краю галактики Млечный Путь. На сегодняшний день количество наблюдаемых галактик оценивается более чем в 100 млрд. Как уже было сказано, каждая галактика состоит из звезд, некоторые из которых  образуют свои звездные системы, "населенные" планетами, астероидами, каметами и другими объектами. Большинство таких семей включают в себя две и более звезд, вращающихся вокруг самой большой из них или общего гравитационного центра. В таком случае говорят о двойных/тройных/четверных и т.д. до 9 звездах.
     Бывает, что таких связанных гравитацией звезд десять и более - тогда говорят о звездном скоплении. Таким образом, Солнечная система скорее исключение из правила, нежели среднестатистическая звездная система. Звезды сильно различаются по размерам, светимости, спектральным классам, но подробнее они будут рассмотрены в разделе ОБЪЕКТЫ ВСЕЛЕННОЙ наряду с черными дырами, квазарами, коричневыми карликами и так называемой темной массой и темной энергией.

     Наша галактика довольна велика. Она состоит из 250-300 млрд. звездных систем. Обычно галактики включают всего несколько десятков миллиардов звезд. Карликовые галактики включают несколько миллиардов, а то и сотен миллионов звезд.

     Также как у планет и звезд, у галактик бывают спутники, причем это вполне распространенное явление. Например у Млечного пути их 14, у Туманности Андромеды - 18, не имеют галактик-спутников только карликовые галактики, которые чаще всего сами вращаются вокруг более массивного соседа. Наиболее известные спутники нашей галактики - это Магеллановы облака. Малое Магелланово облако состоит из 1,5 млрд. звезд, т.е. почти в 200 раз меньше нашей галактики.

     Кроме звезд, в галактиках располагаются туманности - будущие или бывшие звезды, а также черные дыры и даже свободные группы планет! Галактики поистине огромны. Диаметр Млечного пути - 100000 световых лет. В то время как диаметр облака Оорта - внешней границы Солнечной системы - всего около 70000 астрономических единиц. Хотя самые далекие астероиды, "подхваченные" Солнцем вращаются и того ближе: до 3000 а.е. Здесь следует сделать небольшое пояснение: астрономической единицей называется расстояние, равное среднему радиусу орбиты Земли, т. е. 149 597 870,66 км. 

     А.е. используется для измерения расстояний между планетами и т.п., для больших жепространственных измерений требуются и более крупные единицы измерения.

     В качестве такой единицы традиционно используется световой год. Он равен расстоянию, которое свет проходит в вакууме, не испытывая влияния гравитационных полей, за один юлианский год. Св. год равен 9 460 730 472 580 820 метрам (примерно 9,5 петаметров) или 63 241,1 астрономических единиц. В световых годах измеряются расстояния между звездами, звездными скоплениями. Своеобразным аналогом св. года служит парсек. Парсек (параллакс-секунда) - это единица измерения, равная 3,2616 световых лет или 206 265 а.е. что равно  30,8568 триллионов километров. Парсек обозначает расстояние до объекта, годичный тригонометрический параллакс которого равен одной угловой секунде. То есть, это такое расстояние, с которого средний радиус земной орбиты, перпендикулярный лучу зрения, виден под углом в одну угловую секунду (1″). Также используются килопарсек (Кпк), равный 1000 пк и мегапарсек (Мпк). В них измеряются размеры галактик и расстояния между ними. Наиболее мощные телескопы могут "заглянуть" немного далее 3 Гпк.

     Однако, вернемся к галактикам. Бытует мнение, что галактики образуют созвездия, или что созвездия, образуются из взаимосвязанных звезд. Это неверно! Созвездие - это один из 88 участков неба, на которые разделена небесная сфера, как мы её видим с Земли. Созвездия созданы искусственно для удобства наблюдений и не входят в структуру Вселенной. Поэтому, в созвездии могут быть и звезды и галактики и далекие квазары. Все эти объекты находяться на огромных расстояниях друг от друга и никак не связаны между собой. Однако, здесь необходимо учитывать, что все звезды и туманности, видимые даже в самые сильные телескопы находяться в нашей галактике. Другие галактики мы можем увидить в лучшем случае в виде спирали.

     Но как же галактики взаимодействуют друг с другом? Оказывается системы галактик (со спутниками) как и звездные системы тоже образуют свои суперсистемы - скопления галактик, называемые кластерами. Кластеры - это поистине огромные образования. Порой они достигают нескольких миллионов световых лет в поперечнике. Наш кластер называется Местная группа. В нее входит чуть более 50 галактик, в том числе Млечный путь и Туманность Андромеды со своими спутниками. Последняя является самой большой галактикой в кластере: в 2,5 раза больше нашей (Млечный путь на 2 месте). В кластерах галактики вращаются вокруг наиболее массивной или вокруг общего гравитационного центра, если таковых несколько. Гравитационный центр Местной группы находится соответственно между нашей галактикой и Туманностью Андромеды.

 Как вы успели заметить, все системы во Вселенной вращаются и, надо признать, происходит это с огромной скоростью! В частности, наша Земля вращается вокруг Солнца со скоростью 30 км/с, в то время как Солнце летит вокруг центра Млечного пути со скоростью 225 км/ч, галактика движется вокруг центра кластера со скоростью 620 км/ч, а Местная группа несется со скоростью 400 км/с, но вот куда же она несется?

Оказывается, скопления галактик образуют сверхскопления. Наше сверхскопление называется сверхскоплением Девы, вокруг центра которого и движется наш кластер. Размеры сверхскоплений и расстояния между ними измеряются мегапарсеками. Сверхскопление Девы насчитывает около 100 кластеров, насчитывающих до 30000 галактик. Но и это не предел - сверхскопления объединяются в листы. Хотя и на несколько других принципах: Вселенная на этом уровне почти однародна, что исключает дальнейшую иерархиезацию. Сверхскопление Девы входит в лист Великая Стена, и движется в его составе со скоростью 9000 км/с. Листы настолько непостижимо огромные объекты, что ни один из них не был охвачен целиком. Поэтому об их размерах и структуре можно судить только теоретически. Собственно, известны только соседние к нам листы: Стена скульптора и Лист Рыб-Кита, т.е. всего 3.

     Структура листов, по-видимому, невероятно сложна и связана она со строением Вселенной в целом. Каждый лист в действительности представляет собой некое трехмерное кольцо, описаное вокруг четырехмерного шара. Поясним на примере: если представить эту модель на глобусе. то каждый меридиан - это лист, а глобус - Вселенная, только плоские меридианы - объемны, а Вселенная - четырехмерна. Таким образом, сверхскопления галактик движутся вокруг Вселенной в рамках своего листа, представляющего из себя гравитационный канал, возникающий благодаря опять же массе сверхскоплений, его образующих. Хотя случаются и гравитационные аномалии, такие как Великий Аттрактор, собирающие сверхскопления в неожиданных местах. Это объясняется неоднородностью распределения массы во Вселенной.

     Однако, вернемся к форме Вселенной. Согласно общей теории относительности, она представляет собой отнюдь не шар, а элемент искривлённого пространства-времени, ограниченный светоподобной гиперповерхностью. Поясним: человек во Вселенной, равно как и все наблюдаемые нами в ней объекты, ведет себя также, как вело бы себя двухмерное существо на поверхности глобуса. Т.е., в какую бы сторону мы не полетели, мы вернемся в исходную точку. При этом, мы даже не заметим закругления, как не заметило бы их 2-х мерное существо, ползя по глобусу, ведь искривление происходит в 3 измерении, а у него его просто нет, так как нет высоты. Точно также и у нас нет 4 измерения, зато оно есть у Вселенной, однако при всем желании нам не дано попасть в ее центр, также как и за ее пределы. По аналогии с плоским существом, которое никогда не сможет отклеится от глобуса, не имея высоты или проникнуть внитрь него, хотя бы потому, что для преодоления хотя бы 1мм такого пространства, ему придется пройти вверх бесконечность плоскостей, наслоенных друг на друга, которые его и образуют. Поэтому и человек заперт в своей Вселенной, более того только на ее трехмерной гиперповерхности, представляющей смехотворную долю от основной Вселенной. Кроме того, хочется отметить, что вселенная - это даже не гипершар (четырехмерный шар, как в вышеописанном примере), а некая фигура, искривленная по форме эйнштейновского светового конуса, причем искривленная в четвертом измерении! Именно к таким результатам приводит нас подробный анализ движения и скорости разлетающихся галактик. Если представить, что 3-х мерные галактики - это точки на воздушном шарике, а шарик - это 4-х мерная Вселенная, то разлетание галактик происходит аналогично, как будет происходить разлетание точек на на надуваемом шарике. Именно наличием 4 измерения и объясняется разлетание ВСЕХ галактик от нас (кроме нашего сверхскопления, естественно), в то время как мы явно не лежим в центре Вселенной!

     Однако интерес представляет не только форма Вселенной, но и ее размеры. Если использовать содвижущееся расстояние, то есть относить расстояния до наблюдаемых объектов к нынешнему возрасту вселенной, то расстояние до края наблюдаемой Вселенной оценивается более чем в 78 миллиардов световых лет (около 24 гигапарсек) во всех направлениях. Откуда взята эта цифра? Возраст Вселенной примерно 13,7 млрд. лет. Свет, прилетающий к нам от самых дальних галактик, шёл поэтому явно дольше 13-ти миллиардов лет. Итак, можно было бы резюмировать, что радиус Вселенной - 13,7 млрд. световых лет, а диаметр - вдвое больше, т.е., 27,4 миллиарда.
      Но Вселенная расширяется с того самого времени, когда, по мнению теоретиков, всё внезапно вылетело из бесконечно плотной точки Большим взрывом.
Пространство, проходимое светом в ранней Вселенной, выросло благодаря расширению Вселенной. Подумайте об этом, как об интересной вещи.
     Нужно наглядное объяснение? Вообразите Вселенную всего лишь через миллион лет после рождения. Пучок света за один год пролетел бы путь в один световой год. В то время Вселенная была в тысячу раз меньше, чем сегодня, так что этот световой год сегодня растянулся до тысячи световых лет.
     Все подсчёты с учетом постоянной Хаббла приводят к итогу в 78 миллиардов световых лет. Свет не летел так далеко, но от исходной точки фотона, который спустя 13,7 миллиардов лет полёта наблюдается нами, до нас стало 78 миллиардов световых лет. Это - радиус Вселенной, а взятый дважды - 156 миллиардов световых лет - диаметр. Они вычислены исходя из взгляда в прошлое на 90% всего пройденного пути, поэтому могут быть чуть больше. Проблема в том, что забавные вещи случаются в ОТО так, что они как бы нарушают СТО (нет материальной скорости выше световой и т.п.).
     Давайте вернёмся к тому открытию Хаббла, что далёкие галактики явно убегают от нас, и чем больше удаления - тем быстрее они убегают. Соотношение этих показателей известно как постоянная Хаббла.
     Парадоксальное следствие из открытия Хаббла таково, что галактики, удалившиеся от нас за критическое расстояние, будут убегать от нас быстрее, чем свет. Это критическое расстояние называется радиусом Хаббла и иногда называется горизонтом по аналогии с горизонтом событий вокруг чёрной дыры.
     В условиях СТО закон Хаббла - несомненно парадокс. Но в ОТО мы интерпретируем мнимый спад как следствие расширения пространства (аналогия со сморщеной изюминой внутри фруктового кекса). Галактики не движутся сквозь пространство (во всяком случае, не быстро) но само пространство так разрастается, что они разбегаются. Ни СТО, ни ОТО не ограничивают мнимых скоростей скоростью света. Никакого сверхсветого сигнала не пройдёт через этот механизм, и парадокса уже нет.
     Правда, данные УМАП по РИ содержат твёрдое доказательство того, что в очень молодой Вселенной  было время, когда расширение ускорилось настолько, что даже свет не мог опередить разбегание двух точек, и тогда существовал реальный горизонт событий, как и вокруг чёрной дыры. И в самом деле, флуктуации, которые мы отметили в РИ, похоже возникли в результате события, который очень похож на причину возникновения радиации Хокинга от чёрных дыр.

     Теперь вернемся к тому факту, что Вселенная, с некоторыми оговорками - гипершар. Если представить, что это так, а мы находимся на гиперповерхности Вселенной, то гиперобъём всей Вселенной можно вычислить по формуле: ½ * π² * r ⁴ , взятой из многомерной геометрии. Итак, гиперобъём Вселенной равен ½ * 9,86958 * 78000000000⁴  = 1,82661 * 10⁴⁴ гиперкубических световых лет  или световых лет в четвертой степени.

ТЕОРИЯ СУПЕРСИЛЫ

     Для понимания процессов, происходящих во Вселенной, для того, чтобы изучать процесс ее рождения и развития нобходимо четко осознавать прцессы происходящие не только на макроуровне, но и на микроуровне. Этим занимается наука космомикрофизика.
      В названии «космомикрофизика» сошлись, казалось бы, два совершенно несовместимых понятия. С одной стороны, со словом «микро» связан микромир. Это мир молекул, атомов, атомных ядер, элементарных частиц. В нем действуют законы квантовой, неклассической, механики, и расстояния между частицами измеряются миллиардными долями метра и еще меньше. С другой стороны, слово «космо» подразумевает космические объекты – звезды, созвездия, галактики, наконец, всю Вселенную. Эти объекты управляются законами классической механики, и речь уже идет о гигантских расстояниях космического порядка. Так почему же они оказались объединенными в одном названии? Чтобы это понять, кратко рассмотрим главные достижения фундаментальной физики в решении двух указанных выше проблем.

      Начнем с первой – поиск простейших составляющих вещества. Слово «простейший» подразумевает отсутствие внутренней структуры. Сейчас установлено, что таковыми являются 6 лептонов (электрон, мю-мезон, тау-лептон и 3 типа нейтрино – электронное, мюонное и тау-лептонное) и 6 типов кварков. Лептоны были известны давно. Электрон был открыт еще в 1897 г., мю-мезон – в 1937 г. и лишь тау-лептон, который оказался совсем не легким – его вес почти в 2 раза превышает вес протона, в 1975 г. (лептон от слова «легкий»). Предположение о существовании кварков было высказано только в 1963 г. (М.Гелл-Манн и Г.Цвейг). Сейчас нет сомнения, что все сильно взаимодействующие элементарные частицы (так называемые адроны, их множество) состоят из кварков. Однако, чтобы это доказать, потребовалось около двух десятилетий интенсивных исследований, как теоретических, так и экспериментальных. Например, протоны и нейтроны, основа вещества (из них состоит атомное ядро), содержат по 3 кварка, пи-мезоны – по два, и т.д. С помощью кварков удалось упорядочить обширный мир адронов, построив для элементарных частиц аналог таблицы химических элементов Д.Менделеева, и описать все их свойства. За разработку идеи о кварках М.Гелл-Манну была присуждена в 1969 г. Нобелевская премия по физике.
     Открытие кварков можно считать одним из главных достижений физики XX века. Но это же открытие привело к проблеме – почему кварки оказались не наблюдаемыми? Действительно, увидеть кварк в свободном состоянии и измерить его характеристики не удалось, несмотря на все усилия экспериментаторов. Все доказательства существования кварков косвенные. Теоретики предположили, что это есть следствие особого способа взаимодействия кварков друг с другом. Если для всех известных типов взаимодействий с ростом расстояния между частицами силы убывают (пример – сила взаимодействия двух заряженных частиц), то для кварков сила взаимодействия неограниченно растет. Поэтому и не удается вырвать кварк из состава элементарной частицы и получить его в свободном состоянии. Есть и другие необычные свойства кварков, например, у них дробные электрические заряды. Этого у элементарных частиц никогда раньше не наблюдалось.


      Необычное поведение силы взаимодействия кварков друг с другом надо было объяснять, опираясь на известные законы физики. Именно в этом и есть суть подхода физиков к решению проблем: мало сделать предположение о неограниченном росте притяжения кварков друг к другу с увеличением расстояния между ними, надо ответить и на вопрос, а почему так? И здесь мы переходим ко второй проблеме. Она относится уже к физике фундаментальных взаимодействий, – построению и выявлению свойств универсальной силы, действующей между простейшими составляющими вещества, т.е. суперсилы.
Вся история физики свидетельствует о попытках унифицировать известные силы, действующие в природе. Идея универсальности законов природы обсуждалась уже в XI веке в трудах среднеазиатского ученого Аль-Бируни. Первые практические шаги сделал Ньютон (XVII век), унифицировав тяготение. Он доказал, что сила, заставляющая на Земле падать предметы, и сила, удерживающая Землю на солнечной орбите, едины. Следующий этап унификации через полтора века после Ньютона осуществили Ампер и Фарадей. Они связали явление магнетизма с движением электрических зарядов, после чего электрическая и магнитная силы стали единой силой – электромагнитной. Этот этап в XIX веке завершил Максвелл, записав свои знаменитые уравнения и построив теорию электромагнетизма. Она стала основой единого описания физических явлений, обусловленных электромагнитным взаимодействием. Из его теории вытекала возможность существования и электромагнитных волн, которые тогда еще не были известны.
     В начале XX века казалось, что двух сил – электромагнитной и гравитационной, достаточно для объяснения всего, что мы на тот момент знали о природе. Тогда же Эйнштейн попытался их также унифицировать как проявление единой силы и обобщить уравнение Максвелла включением в них еще и гравитации. На это он потратил 35 лет жизни, но решить эту задачу так и не смог. К тому же в 30-х годах XX века пришлось ввести два новых типа взаимодействия – сильное и слабое. Первое потребовалось, чтобы объяснить свойства атомных ядер и элементарных частиц, для этого только электромагнитного взаимодействия оказалось недостаточно. Второе – чтобы описать нестабильность подавляющего числа элементарных частиц. Как выяснилось, многие из них «живут» лишь ограниченное время и распадаются с появлением других частиц. Примером может быть нейтрон в свободном состоянии, который в среднем за 15 мин. распадается на три частицы – протон, электрон и антинейтрино. Все это означает, что схема построения единой силы должна включать также сильную и слабую компоненты. И такая задача в конце XX века была решена!
     При построении суперсилы исходят из современного представления о том, как осуществляется взаимодействие элементарных частиц. Считается, что когда две элементарные частицы взаимодействуют, то они обмениваются третьей частицей – переносчиком взаимодействия. При этом одна частица испускает переносчика данного типа взаимодействия (он может быть и не один!), другая его поглощает. Переносчик обладает своими физическими характеристиками, поэтому в процессе взаимодействия от одной частицы к другой переносятся не только энергия и импульс, но и другие физические характеристики, например, электрический заряд. В результате изменяются начальные характеристики исходных частиц, а это и означает, что произошел акт их взаимодействия. Впервые такая схема была разработана в квантовой электродинамике для электромагнитного взаимодействия (в этой науке изучается взаимодействие электронов и фотонов). В этом случае его переносчиком является фотон, квант электромагнитного поля, частица, не имеющая массы покоя и заряда. Однако до построения суперсилы точный вид сильного взаимодействия кварков, структура слабого взаимодействия, а также их переносчики, известны не были.
Не вдаваясь в подробности, просто назовем два исходных принципа, которые позволили продвинуться в решении задачи о суперсиле. Первый, который и раньше использовался в теоретических построениях, – это релятивизм. Многие слышали про теорию относительности Эйнштейна. Принцип требует, чтобы новая теория разрабатывалась в соответствии с ней. И второй, новый, – это принцип локальной калибровочной симметрии. Согласно ему в природе есть скрытые, ненаблюдаемые простым глазом, калибровочные симметрии. Пример из теории электричества: в электрическом поле заряд из одной точки в другую можно переносить по любому пути, однако работа по его переносу будет одна и та же. Она будет определяться только разностью электрических потенциалов этих двух точек. Последнее и означает, что абсолютная величина электрического потенциала в данной точке электрического поля (его «калибровка») никакой роли не играет. При совершении работы важна только разность потенциалов двух точек, а не конкретные значения этих потенциалов в каждой отдельной точке, лишь бы у них была общая точка отсчета.

     За каждый тип калибровочной симметрии отвечает тот или иной тип взаимодействия. Угадал симметрию – получил вид соответствующей силы. Именно этот принцип позволил осуществить прорыв в получении суперсилы, включающей в себя все силы, известные в мире элементарных частиц, – электромагнитную, слабую и сильную.
     Чтобы подчеркнуть мощь указанных принципов, помечтаем. Если бы они, скажем, были известны ученым в начале XVIII века, то все известные свойства электромагнитного взаимодействия могли бы быть тогда же получены теоретически. Это означает, что не потребовался бы почти трехвековой период экспериментального изучения законов электромагнетизма, знание которых составило основу технического прогресса в XX веке. Иными словами, этот технический прогресс мог бы быть осуществлен на два-три века раньше и вывел бы нашу цивилизацию уже тогда на современный уровень.

     Рассмотрим теперь основные этапы построения суперсилы. На первом этапе были объединены электромагнитное и слабое взаимодействие в единую силу – электрослабую (С.Вайнберг, А.Салам и Ш.Глэшоу, 1967 г.). Была получена структура электрослабого поля и определены переносчики этого взаимодействия. Оказалось, что это уже известный фотон и еще три новые массивные частицы (каждая почти в 100 раз тяжелее протона). Когда лептоны взаимодействуют, обмениваясь тяжелыми переносчиками, они меняют свою индивидуальность. Например, вместо электрона может появиться мю-мезон и наоборот и т.д. Тоже происходит и с кварками.- один тип кварка заменяется на другой.
     В 1973 г. в подтверждение предсказаний этой теории был осуществлен очень сложный эксперимент и зафиксировано рассеяние нейтрино на электроне. Такое явление было возможно только при участии одного из новых массивных переносчиков. Позже в 1983 г. в эксперименте напрямую были получены все массивные переносчики электрослабой силы и измерены их характеристики. Они оказались в хорошем согласии с предсказанными теоретически. Кроме того, что очень важно для теории, попутно замена электромагнитной силы на электрослабую позволила устранить в квантовой электродинамике серьезные трудности, имевшие принципиальный характер. Раньше в этой теории при расчете некоторых величин получались бесконечные значения, в новой, модифицированной теории их не осталось.
     Все эти успехи означали, что новые принципы работают! В 1979 г. указанным выше ученым-первооткрывателям была присуждена Нобелевская премия. Впоследствии Нобелевские премии были присуждены еще трем группам ученых, внесшим заметный вклад в развитие нового подхода. Это были в 1984 г. К.Руббиа и С.Ван дер Меер (за решающий вклад в экспериментальный проект по открытию переносчиков электрослабого взаимодействия), в 1999 г. Г.Хофт и М.Вельтман (за объяснение квантовой структуры электрослабого взаимодействия) и совсем недавно в 2008 г. И.Намбу, М.Кобаяши и Т.Маскава (за работы по нарушению симметрии электрослабого взаимодействия). Такое наивысшее признание научных заслуг свидетельствует об исключительной важности сделанного прорыва в наших представлениях о фундаментальных силах, действующих в природе.
     Эти же принципы доказали свою действенность и при построении теории сильного взаимодействия кварков. Как уже говорилось, необходимо было объяснить его необычные свойства, в частности, неограниченный рост силы взаимодействия с увеличением расстояния между двумя кварками. Усилиями многих ученых эта проблема была решена. Оказалось, что в сильном взаимодействии участвуют 8 переносчиков, названных глюонами (от английского слова «глю» - «клей»; подразумевается, что глюоны «склеивают» кварки друг с другом). И структура сильного взаимодействия оказалось гораздо сложнее, чем, скажем, электромагнитного. В последнем переносчиком взаимодействия является фотон, а в сильном переносчиков восемь. При этом существенно, что глюоны сильно взаимодействуют не только с кварками, но и друг с другом (у фотонов этого практически нет). Именно данное обстоятельство и объясняет рост силы взаимодействия кварков с увеличением расстояния.

     Была развита новая теория – квантовая хромодинамика, аналог квантовой электродинамики, но только для сильно взаимодействующих частиц – адронов. Она оказалась успешной в объяснении свойств элементарных частиц и реакций с их участием. За разработку этой теории Д.Гросс, Д.Политцер и Ф.Вильчек стали в 2004 г. Нобелевскими лауреатами. Квантовая хромодинамика оказалась успешной и в объяснении свойств ядерного взаимодействия (исторически так в ядерной физике было принято называть сильное взаимодействие нуклонов – протонов и нейтронов). Так, в 2007 г. впервые было показано, как 6 кварков по мере их удаления друг от друга разделяются на две группы по 3 кварка и из взаимодействия кварков формируется взаимодействие уже двух нуклонов (в каждом по 3 кварка). Это означает, что из первопринципов удается вывести потенциал ядерного взаимодействия, действующего между нуклонами в атомном ядре. Такая задача безуспешно решалась в течение многих десятилетий, только сейчас оказалось возможным ее решить.
     Успехи теорий электрослабого и сильного взаимодействий стимулировали дальнейшие поиски теперь уже единой силы – суперсилы. Необходимо было угадать соответствующую калибровочную симметрию. Она была найдена и объединила уже известные по отдельности калибровочные симметрии электрослабого и сильного взаимодействий. На ее основе была построена Теория Великого Объединения (сокращенно – ТВО). Приведем главные результаты.
Переносчиков суперсилы оказалось 24. Среди них 12 уже известных (4 переносчика электрослабого взаимодействия и 8 глюонов) и 12 новых с дробными электрическими зарядами. Эти новые частицы оказались чрезвычайно массивными – их масса в 10¹⁴ раз (единица с четырнадцатью нулями!) превышает массу протона. Благодаря обмену такими переносчиками суперсилы теперь уже кварк может превратиться в лептон и наоборот. С обычными силами такой процесс был категорически невозможен, только суперсила оказалась способной его осуществить. Однако, чтобы его стимулировать, частицы должны сблизиться друг с другом на фантастически малое расстояние – 10^-30 м (размер пылинки в сравнении с размером Солнечной системы!). Чтобы частицы оказались на таком расстоянии, их нужно столкнуть с очень большой, даже гигантской, энергией. Для сравнения: ее величина в десять миллиардов раз (10¹⁰) должна превышать энергию, запланированную в эксперименте по столкновению протонов в самом мощном ускорителе на Земле – Большом Адроном Коллайдере.
     Нет надежды, что такие гигантские по величине энергии будут когда-либо достигнуты в земных условиях. Как же тогда увидеть действие суперсилы? Тут на помощь может прийти наша Вселенная. Энергии указанного масштаба величины были, когда она взрывалась (об этом у нас… Продолжение »