Книга за прос­транството и времето след лекциите, които изнесох в Харвард през 1982 г. За ранната Вселена вече има значителен брой книги

Успехите на научните теории и особено на Нютоновата теория за гравитацията накарали френския учен маркиз Дьо Лаплас в началото на XIX в. да покаже, че Вселената е напълно детерминистична. Лаплас предположил, че трябва да същест­вува система от научни закони, които позволяват да предвидим всичко, което ще се случи във Вселената, ако знаем с точност състоянието на Вселената в даден момент. Ако например знаем положенията и скоростите на Слънцето и планетите в даден момент, можем да използваме законите на Нютон и да опре­делим състоянието на Слънчевата система във всеки друг момент. В този случай детерминизмът изглежда твърде очеви­ден, но Лаплас не спрял дотук, а допуснал, че всичко, включи­телно и поведението на човека, се управлява от подобни закони.

Доктрината за научен детерминизъм срещнала упоритата съпротива на мнозина, според които тя посяга на свободата на Бог да се намесва в света, но е останала като стандартно допускане в науката чак до началото на нашето столетие. Един от първите признаци, че това схващане трябва да се изостави, дойде от изчисленията на английските учени лорд Рейли и сър Джеймс Джийнс. Те предположиха, че едно горещо тяло или обект, като например една звезда, трябва да излъчва безкрайна енергия. Според законите, в които тогава вярвахме, едно горе­що тяло трябва да освобождава електромагнитни вълни (нап­ример радиовълни, видима светлина или рентгенови лъчи) равномерно по всички честоти. Едно горещо тяло например трябва да излъчва едно и също количество енергия във вълни с честоти между един и два млрд. вълни в секунда, както и при честоти между два и три млрд. вълни в секунда. А щом броят вълни в секунда е неограничен, това значи, че общото количес­тво излъчена енергия ще е безкрайно.

За да избегне този явно нелеп резултат, немският учен Макс Планк предположил през 1900г., че светлинните, рентге­новите и другите вълни не могат да се излъчват произволно, а само на определени порции, които той нарича кванти. Освен това всеки квант притежава определено количество енергия, което е толкова по-голямо, колкото по-висока е честотата на вълните, така че при достатъчно висока честота излъчването на един-единствен квант би изисквало повече енергия от налична­та. Така излъчването при високи честоти ще намалява, откъде­то следва, че излъчената от тялото енергия ще бъде крайна.

Квантовата хипотеза обясни наблюдаваната степен на излъчване от горещи тела много добре, но нейните последици за детерминизма не бяха осъзнати до 1926г., когато друг немски учен, Вернер Хайзенберг, формулира своя знаменит принцип на неопределеността. За да предскажем бъдещото положение и скоростта на една частица, трябва да можем точно да измерим сегашното й положение и скорост. Най-простият начин да направим това е да осветим частицата. Някои от светлинните вълни ще се разсеят от частицата и така ще определят нейното положение. Но ние няма да сме в състояние да определим положението на частицата по-точно, отколкото е разстоянието между гребените на светлинните вълни, така че ще трябва да използваме светлина с малка дължина на вълната, за да измерим по-точно положението на частицата. Според квантовата хипотеза на Планк обаче не можем да използваме произволно малко количество светлина; то трябва да е поне един квант. Но този квант ще наруши състоянието на частицата и ще промени скоростта й по непредсказуем начин. Освен това, колкото по-точно измерваме положението, толкова по-къса трябва да е дължината на светлинната вълна, а следователно толкова по-висока трябва да е енергията на единичния квант. А тогава скоростта на частицата ще се промени в по-голяма степен. С други думи, колкото по-точно се опитваме да изме­рим положението на частицата, толкова по-неточно ще можем да измерим нейната скорост и обратно. Хайзенберг показа, че неопределеността в положението на частицата, умножена по неопределеността в нейната скорост и по масата на частицата никога не може да бъде величина, по-малка от една определена стойност, известна като Планкова константа. Нещо повече, това ограничение не зависи от начина, по който се опитваме да измерим положението или скоростта на частицата, нито от вида частица: принципът на неопределеността на Хайзенберг е фундаментално, неизбежно свойство на света.

Принципът на неопределеността има съществени следст­вия за начина, по който гледаме на света. И след повече от петдесет години те още не са напълно оценени от много философи и продължават да са обект на много противоречия. Принципът на неопределеността беляза края на мечтата на Лаплас за една научна теория, един модел на Вселената, които да са напълно детерминистични: човек, разбира се, не може да предвиди бъдещи събития точно, ако не е в състояние дори точно да измери сегашното състояние на Вселената! И все пак можем да си представим, че съществува система от закони, напълно определяща събитията за някое свръхестествено съ­щество, което може да наблюдава сегашното състояние на Вселената, без да го нарушава. Но такива модели на Вселената не са особено интересни за нас, простосмъртните. Май е по-добре да използваме принципа на пестеливостта, известен като бръснача на Окам, и да отрежем всички свойства на теорията, които не могат да се наблюдават. Този подход накара Хайзенберг, Ервин Шрьодингер и Пол Дирак през двадесетте години да преформулират механиката в една нова теория, наречена квантова механика, основана върху принципа на неопределеността. В тази теория частиците вече нямат отделни, добре дефинирани положения и скорости, които да могат да се наблюдават. Вместо това те имат квантово състояние, което е комбинация от положение и скорост.

Обикновено квантовата механика не предсказва един-единствен конкретен резултат от едно наблюдение, а множест­во различни възможни изходи и ни казва колко вероятен е всеки от тях. Или с други думи, ако проведем едно и също измерване върху голям брой подобни системи, всички с еднакво изходно състояние, ще установим, че измерването ще даде А в определен случай, Б в друг случай и т. н. Човек може да предвиди приблизителния брой пъти, когато резултатът ще бъде А или Б, но не може да предскаже конкретния резултат от едно отделно измерване. Поради това квантовата механика въвежда един неизбежен елемент на непредсказуемост или случайност в науката. Айнщайн се противопостави много енергично на това независимо от важната си роля в развитието на тези идеи. За своя принос към квантовата теория Айнщайн получи Нобелова Награда. И въпреки това той никога не прие, че Вселената се управлява от случайността: неговото отношение е синтезирано в известното му твърдение: „Бог не играе на зарове." Повечето от останалите учени обаче бяха готови да приемат квантовата механика, защото тя отлично се съгласуваше с експеримента. Всъщност това беше една изключително сполучлива теория и е залегнала в основите на почти цялата съвременна наука и технология. Тя управлява поведението на транзисторите и интегралните схеми, тези съществени компоненти на електрон­ни устройства като телевизионните системи и компютрите, а освен това е основа на съвременната химия и биология. Един­ствените области от физиката, в които квантовата механика все още не е намерила подходящо място, са гравитацията и едро-мащабната структура на Вселената.

Макар светлината да се състои от вълни, квантовата хипотеза на Планк ни казва, че понякога тя има поведението на частици: може да се излъчва или поглъща само на порции или кванти. Същевременно принципът на неопределеността на Хайзенберг налага поведението на частиците в някои отноше­ния да е като това на вълни: те нямат определено положение, а са „размити" с определено вероятностно разпределение. Теорията на квантовата механика се основава върху съвсем нова математика, която вече не описва реалния свят с помощта на частици и вълни; единствено наблюденията върху този свят могат да се опишат по този начин. И така в квантовата механика се явява дуализъм между вълни и частици: в някои случаи е целесъобразно да мислим за частиците като за вълни, а в други е по-добре да мислим за вълните като за частици. Едно важно следствие от това е, че не сме в състояние да наблюдаваме така наречената интерференция между две групи вълни или частици. С други думи, гребените на една група вълни могат да съвпадат с падините на другата група. Тогава двете групи вълни се унищожават взаимно, а не се сумират в по-голяма вълна, както можем да очакваме (фиг. 4.1). Познат пример за интерференцията на светлината са цветовете, които често се наблюдават в сапунени мехури. Бялата светлина се състои от вълни с всички възможни дължини на вълната или цветове. За определени дължини гребените на вълните, отра­зени от едната'страна на сапунения филм, съвпадат с падините, отразени от другата страна. Цветовете, отговарящи на тези дължини на вълната, липсват в отразената светлина и поради това тя изглежда оцветена.

Забележителното в случая е, че ако заменим източника на светлина с източник на частици, например електрони с опреде­лена скорост (което означава, че съответните вълни са с опре­делена дължина), ще получим пак същия тип ивици. Още по-странно е, че ако имаме само един процеп, няма изобщо да получим ивици, а просто равномерно разпределение на елект­роните върху екрана. Поради това можем да приемем, че с отварянето на още един процеп просто се увеличава броят електрони, достигащи всяка точка от екрана, а в резултат на интерференция той фактически намалява на някои места. Ако пускаме електроните един по един към процепите, можем да очакваме всеки електрон да премине през единия или другия процеп, така че поведението му да е точно такова, каквото би било, ако имаше само един процеп — да се получи равномерно разпределение върху екрана. В действителност обаче дори когато пускаме електроните един по един, ивиците пак се наблюдават. Излиза, че всеки електрон минава и през двата процепа едновременно!

Явлението интерференция между частици бе от решаващо . значение за изясняване на строежа на атома — този основен градивен елемент в химията и биологията, градивната тухличка за самите нас и за всичко около нас.

В началото на нашия век се смяташе, че подобно на планетите, които обикалят около Слънцето, електроните (час­тици с отрицателен електричен заряд) в атома обикалят около едно централно ядро, което носи положителен електричен заряд. Предполагаше се, че привличането между положителния и отрицателния заряд задържа електроните по техните орбити, също както гравитационното привличане между Слънцето и планетите задържа планетите по техните орбити. Трудното тук е, че според законите на механиката и електричеството, пред­хождащи квантовата механика, електроните биха губили енер­гия и биха се движили по спирала, докато се сблъскат с ядрото. Това значи, че атомът, а фактически цялата материя, бързо биха колапсирали до състояние с много висока плътност. Едно частно решение на този проблем бе намерено от датския учен Нилс Бор през 1913г. Според него електроните не могат да се движат по орбити на всякакво разстояние от ядрото, а само на определени характерни разстояния. Ако предположим, че на всяко от тези разстояния могат да се движат по орбита само един или два електрона, това би решило проблема за свиването на атома, тъй като електроните няма да могат при движението си по спирала да проникнат по-навътре и ще запълнят орбитите с най-малки разстояния и енергии.

Този модел обясни съвсем задоволително строежа на най-простия атом — водородния, който има само един елект­рон, обикалящ около ядрото. Но не стана ясно как да го приложим към по-сложни атоми. Освен това идеята за ограни­чен брой разрешени орбити изглеждаше твърде произволна. Новата теория квантова механика реши този проблем. Тя разкри, че електронът, обикалящ около ядрото, може да се разглежда като вълна, чиято дължина зависи от неговата скорост. За някои орбити дължината ще отговаря на цяло (а не дробно) число дължини на вълната на електрона. За тези орбити гребенът на вълната ще бъде на едно и също място при всяка обиколка, така че вълните ще се сумират: тези орбити ще отговарят на разрешените орбити на Бор. При орбитите, дължините на които не са цяло число дължини на вълната, всеки гребен в крайна сметка ще се унищожи от падина при движението на електроните; тези орбити не са разрешени.

Един изискан начин да се онагледи дуализмът вълна/час­тица е така нареченото сумиране по траектории, въведено от американския учен Ричард Файнман. При този подход не се предполага частицата да има една единствена история или път в пространство-времето, както е според класическата неквантова теория, а се предполага да минава от А в Б по всички възможни пътища. С всеки от тези пътища са свързани две числа: едното представлява размера на вълната, а другото представлява положението в цикъла (т. е. дали е в гребен или в падина). Вероятността за минаване от А в Б се намира, като се сумират вълните по всички пътища. Въобще, ако сравним множество от съседни пътища, фазите или положенията в цикъла значително ще се различават. Това значи, че вълните, свързани с тези пътища, почти точно ще се унищожават помеж­ду си. За някои множества по съседни пътища обаче фазите няма да се менят значително за различните пътища. Вълните за тези пътища няма да се унищожават. Такива пътища отго­варят на разрешените орбити на Бор.

С тези представи, изразени в конкретен математически вид, можем сравнително просто да изчислим разрешените орбити в по-сложни атоми, а дори и в молекули, които са изградени от известен брой атоми, свързани заедно чрез елек­трони, обикалящи около повече от едно ядро. Понеже строе­жът на молекулите и техните взаимодействия са в основата на цялата химия и биология, квантовата механика ни позволява по принцип да предскажем почти всичко, което виждаме около себе си, в границите, наложени от принципа на неопределеност-та. (На практика обаче изчисленията за системи с повече от няколко електрона са толкова сложни, че не можем да ги осъществим.)

Едромащабният строеж на Вселената, изглежда, се управ­лява от общата теория на относителността на Айнщайн. Това е една класическа теория, т. е. тя не взима предвид принципа на неопределеността от квантовата механика, както би трябва­ло, за да се съгласува с другите теории. Причината това да не води до каквото и да е несъгласие с наблюденията е, че всички гравитационни полета, с които обикновено се сблъскваме, са твърде слаби. Но теоремите за сингулярност, които вече разг­ледахме, показват, че гравитационните полета стават много силни поне в два случая: черните дупки и Големия взрив. В такива силни полета ефектите на квантовата механика са съ­ществени. И така в известен смисъл класическата обща теория на относителността предсказва точки с безкрайна плътност, предсказва собствения си провал, също както класическата (т. е. неквантовата) механика предсказва провала си с предполо­жението, че атомите трябва да колапсират до безкрайна плът­ност. Досега нямаме завършена стройна теория, която да обединява общата теория на относителността и квантовата механика, но знаем някои от свойствата, които тя трябва да притежава. Следствията, които биха имали върху черните дупки и Големия взрив, ще бъдат описани в следващите глави. За момента обаче ще се обърнем към съвременните опити да се обобщят нашите представи за останалите природни сили в една-единствена, единна квантова теория.

Според Аристотел цялата материя във Вселената се състои от четири основни елемента: земя, въздух, огън и вода. Върху тези елементи действат две сили: гравитацията, тенденцията на .земята и водата да потъват, и левитацията, тенденцията на въздуха и огъня да се издигат. Това разделение на съдържани­ето на Вселената на материя и сили се използва и днес.

Според Аристотел материята е непрекъсната, т. е. можем да делим един къс материя на все по-малки и по-малки парчен­ца безкрай и пак няма да стигнем до зрънце материя, което да не може да се дели по-нататък. Някои гърци обаче, например Демокрит, твърдели, че на материята е присъща зърнистостта и че всичко е изградено от голям брой различни по вид атоми. (Гръцката дума атом означава неделим.) Векове наред спорът продължил без някакво реално доказателство за едната или другата страна, докато през 1803г. английският химик и физик Джон Далтон отбелязал факта, че химичните съединения вина­ги се свързват в определени пропорции, което може да се обясни с групирането на атоми и образуването на т. нар. молекули. Но спорът между двете философски школи не бил окончателно решен в полза на атомистите чак до началото на нашия век.

Едно от съществените физически доказателства бе дадено от Айнщайн. В своя труд, написан през 1905г., няколко седмици преди знаменития труд за специалната теория на относител­ността, Айнщайн отбелязва, че т. нар. Брауново движение — неправилното, случайно движение на прашинките, суспендира­ни в течност — може да се обясни като сблъскване на атомите на течността с частиците на праха.

По това време вече съществували подозрения, че атомите въпреки всичко не са неделими. Няколко години по-рано изс­ледователят от Тринити Колидж в Кеймбридж Дж. Дж. Томсън демонстрирал съществуването на материална частица, наречена електрон, чиято маса е под 1/1000 от масата на най-лекия атом. Той използвал система, подобна на съвремен­ния кинескоп: нагорещена до червено метална жичка освобож­дава електроните, а понеже те са заредени отрицателно, може да се използва електрично поле, което да ги ускорява към екран с фосфорно покритие. Когато се ударят в екрана, се генерират светлинни проблясъци. Скоро се установило, че тези електрони би трябвало да идват от самите атоми и през 1911г. английският физик Ърнист Ръдърфорд най-сетне показал, че атомите на веществото наистина имат вътрешен строеж: те са изградени от съвсем мъничко, положително заредено ядро, около което обикалят електрони. Той стигнал до това заключение, като анализирал начина, по който алфа-частиците, които са поло­жително заредени и се освобождават от радиоактивни атоми, се отклоняват при сблъскването си с атоми.

Първоначално се смятало, че атомното ядро е изградено от електрони и различен брой положително заредени частици, наречени протони от гръцкото „първи", защото се приемало, че това са фундаменталните градивни елементи на материята. През 1932г. обаче един колега на Ръдърфорд от Кеймбридж, Джеймс Чадуик, открил, че ядрото съдържа друга частица, наречена неутрон, който има почти еднаква маса с протона, но е без електричен заряд. За това откритие Чадуик получил Нобелова награда и бил избран за магистър в Гонвил енд Киз Колидж — Кеймбридж (колежът, в който сега съм сътрудник). Впоследствие той се отказал от степента магистър поради разногласия със сътрудниците. В колежа се водели ожесточени спорове от времето, когато завърнали се от войната млади сътрудници гласували вот на недоверие на много от старите сътрудници, които отдавна били в колежа. Това е било преди моето време; аз постъпих в колежа през 1965г. и хванах края на ожесточенията, когато подобни несъгласия заставиха друг магистър, Нобелов лауреат — сър Нейвил Мот, да напусне.

Допреди двадесетина години се смяташе, че протоните и неутроните са „елементарни" частици, но експериментите, в които протони се сблъскваха с други протони или с електрони при високи скорости, показаха, че фактически те се състоят от по-малки частици. Тези частици бяха наречени кварки от физика Мюрай Гел-Ман (Калифорнийски технологичен инсти­тут), който получи Нобелова награда за 1969г. за работата си върху тях. Названието идва от неточен цитат на фразата „Три кварка за Мъстър Марк!" на Джеймс Джойс. Предполага се думата кварк да се произнася като кварт, накрая с к вместо т, но обикновено се свързва с ларк (чучулига).

Съществуват няколко разновидности на кварка: вероятно има поне шест „аромата", като всеки „аромат" се явява в три цвята — червен, зелен и син. (Трябва да отбележим, че това са просто названия: кварките са много по-малки от дължината на видимата светлина, така че нямат цвят в обикновения смисъл.) Изглежда, просто съвременните физици проявяват повече въ­ображение и при наименоването на нови частици и явления вече не се ограничават с гръцкия! Един протон или неутрон се състои от три кварка, по един от всеки цвят.

Вече знаем, че нито атомите, нито протоните и неутроните в тях са неделими. Сега въпросът е: какво представляват истинските елементарни частици, тези основни градивни тух­лички, от които е направено всичко? След като дължината на светлинната вълна е много по-голяма от размерите на един атом, ние не можем да се надяваме да „видим" частите на един атом по обикновен начин. Налага се да използваме нещо с много по-малка дължина на вълната. Както видяхме в послед­ната глава, квантовата механика ни казва, че всички частици са всъщност вълни и че колкото по-голяма е енергията на една частица, толкова по-къса е дължината на съответната вълна.

И така най-добрият възможен отговор на нашия въпрос зависи от това, колко голяма е енергията на частицата, с която разполагаме, защото това определя колко малка е скалата на дължините, която ще използваме. Тези енергии на частиците обикновено се измерват в единици, наречени електронволтове (еУ). (При експериментите на Томсън с електрони видяхме, че той използва електрично поле, за да ги ускори. Енергията, която придобива един електрон от електрично поле един волт е известна като електронволт.) През XIX в., когато единстве­ните енергии на частици, които хората знаеха как да използват, бяха малките енергии от порядъка на няколко електронволта, получени в резултат на химични реакции като горенето напри­мер, се смяташе, че атомите са най-малките градивни частици. При експеримента на Ръдърфорд алфа-частиците притежаваха енергия от милион електронволтове. Неотдавна се научихме как да използваме електромагнитни полета за придаване енергия на частиците първоначално от милиони, а по-късно от милиарди електронволтове. Така разбрахме, че частици, които сме смятали преди двадесетина години за „елементарни", са фактически съставени от по-малки частици. А може би, стигай­ки до още по-високи енергии, ще установим, че от своя страна и те са съставени от още по-малки частици? Това, разбира се, е възможно, но ние разполагаме с теоретични основания да вярваме, че сме стигнали или сме твърде близо до познаването на крайните градивни тухлички на природата.

Като използваме дуализма вълна/частица, разгледан в последната глава, можем да опишем всички във Вселената, включително светлината и гравитацията, с помощта на части­ци. Те притежават едно свойство, наречено спин. Един възмо­жен начин да си представим спина е да мислим за частиците като за пумпалчета, които се въртят около една ос. Това обаче би ни заблудило, тъй като квантовата механика ни казва, че частиците нямат добре дефинирана ос. Това, което спинът действително ни казва, е как изглежда частицата от различни посоки. Частица със спин 0 е като точица: тя изглежда еднаква от всички посоки (фиг. 5.1-1). А частица със спин 1 е като стрелкичка: тя изглежда различно от различни посоки (фиг. 5.1-2). Частицата изглежда една и съща само ако я завъртим на пълен оборот (360°). Частица със спин 2 е като двупосочна стрелка (фиг. 5.1-3): тя изглежда по същия начин, ако я завър­тим на половин оборот (180°). Подобно частиците с по-голям спин изглеждат по същия начин, ако ги завъртим на по-малки части от един пълен оборот. Всичко това сякаш е много просто, но забележителен факт е, че има частици, които не изглеждат по същия начин, ако ги завъртим само на един пълен оборот: с тях трябва да направим два пълни оборота! За такива частици казваме, че имат спин 1/2.

Всички познати частици във Вселената могат да се разде­лят на две групи: частици със спин 1/2, които съставляват веществото във Вселената, и частици със спин 0, 1 и 2, които, както ще видим, пораждат взаимодействия между материални­те частици.

Материалните частици се подчиняват на т. нар. принцип за забраната на Паули. Той е открит през 1925г. от австрийския физик Волфганг Паули, за което му бе присъдена Нобелова награда за 1945г. Паули е прототипът на физика-теоретик: говори се, че дори самото му присъствие в някой град е достатъчно да провали експериментите! Според принципа за забраната на Паули две еднакви частици не могат да същест­вуват в едно и също състояние, т. е. те не могат едновременно да заемат едно и също място и да имат една и съща скорост в границите, наложени от принципа на неопределеността. Прин­ципът за забраната има решаващо значение, тъй като той обяснява защо материалните частици не колапсират до състо­яние на твърде голяма плътност под влияние на силите, пораж­дани от частиците със спин 0, 1 и 2: ако положенията на материалните частици са много близки, техните скорости тряб­ва да се различават, което значи, че те няма дълго да се задържат на едно и също място. Ако светът бе създаден без принципа на Паули, кварките не биха образували отделни, добре дефинирани протони и неутрони. Нито пък те биха образували заедно с електроните отделни, добре дефинирани атоми. Те щяха да колапсират и да се получи една приблизи­телно еднородна, гъста „супа".

Изясняването на представата за електрона и останалите частици със спин 1/2 стана едва през 1928г., когато Пол Дирак, който впоследствие бе избран за Лукасова професура по мате­матика в Кеймбридж (същата професура, заемана някога от Нютон, а сега и от мен), предложи една теория. Теорията на Дирак беше първата, която е в съгласие както с квантовата механика, така и със специалната теория на относителността. Тя обясни по математически път защо електронът има спин 1/2, т. е. защо не изглежда по един и същ начин, когато го завъртим на един пълен оборот, а трябва да го завъртим на два пълни оборота. Освен това тя предсказа, че електронът трябва да има партньор: антиелектрон или позитрон. Откриването на позитрона през 1932г. потвърди теорията на Дирак и му донесе Нобелова награда за физика за 1933г. Ние вече знаем, че всяка частица има своя античастица, с която може да анихилира. (В случая с частици, пренасящи взаимодействие, античастиците са същите като самите частици.) Възможно е да съществуват цели антисветове и антихора от античастици. Но ако срещнете своя анти-аз, не му подавайте ръка! И двамата ще изчезнете в огромно огнено кълбо!

Въпросът, защо частиците са толкова повече от античас­тиците около нас, е изключително важен и аз ще се върна на него по-нататък в тази глава.

В квантовата механика силите или взаимодействията меж­ду материалните частици се носят от частиците с цял спин — 0, 1 или 2. Всъщност материалната частица — например електрон или кварк — излъчва частица, пренасяща взаимодейс­твие. Отскокът в резултат на това излъчване променя скоростта на материалната частица. Тогава частицата, пренасяща взаи­модействие, се сблъсква с друга материална частица и бива погълната. Това сблъскване променя скоростта на втората частица, също както ако между двете материални частици действаше сила.

Съществено свойство на частиците, пренасящи взаимо­действие, е, че те не се подчиняват на принципа за забраната на Паули. Това значи, че техният брой, който може да бъде обменян, не е ограничен и поради това те могат да породят силно взаимодействие. Ако обаче частиците, пренасящи взаи­модействие, имат голяма маса, това ще затрудни образуването и обмена им на голямо разстояние. Поради това взаимодейс­твията, които те носят, ще са само с малък обсег. От друга страна, ако частиците, пренасящи взаимодействие, нямат соб­ствена маса, взаимодействията ще бъдат с голям обсег. Части­ците, носещи взаимодействие, обменяни между материални частици, се наричат виртуални, тъй като за разлика от „реал­ните" те не могат да бъдат непосредствено регистрирани с Детектор на частици. Но ние знаем, че те съществуват, защото имат измеряем ефект: те пораждат взаимодействия между материалните частици.

Частиците със спин 0,1 или 2 понякога съществуват и като реални частици и могат да бъдат директно регистрирани с детектор. Тогава те се явяват във вид на нещо, което класикът-физик би нарекъл вълна — например като светлините или гравитационните вълни. Понякога те се излъчват при взаимо­действието между материални частици, при обмен на виртуални частици, пренасящи взаимодействие. (Например електрическата сила на отблъскване между два електрона се дължи на обмен на виртуални фотони, които никога не могат да бъдат непосредс­твено регистрирани с детектор; но когато един електрон пре­лита край друг, могат да се освободят реални фотони, които регистрираме като светлинни вълни.)

Частиците, пренасящи взаимодействие, могат да се групи­рат в четири категории в зависимост от големината на взаимо­действието, което носят, и частиците, с които взаимодействат. Трябва да отбележим, че това деление на четири групи е изкуствено: то е удобно при разработването на частни теории, но може и да не отговаря на нещо по-сериозно. В крайна сметка повечето физици се надяват да открият една единна теория, която да обясни четирите сили като различни прояви на една-единствена сила. Всъщност мнозина биха казали, че това е главна цел на физиката днес. Наскоро бяха направени успешни опити да се обединят три от четирите групи взаимодействия и аз ще ги опиша в тази глава. Въпросът за обединяването на останалата категория — гравитацията — ще оставим за по-нататък.

Първата категория е гравитационната сила. Тази сила е универсална, т. е. всяка частица изпитва силата на гравитация в зависимост от своята маса или енергия. Гравитацията е най-слабата от четирите сили; тя е толкова слаба, че ако не притежаваше две характерни свойства, изобщо не бихме я забелязали: тя може да действа на големи разстояния и е винаги притегляща. Това означава, че твърде малките гравитационни сили между отделните частици в две големи тела като Земята и Слънцето могат да се сумират и да породят една значителна сила. Другите три сили са или с малък обсег, или в някои случаи — сили на привличане, а в други на отблъскване, така че проявяват тенденция да се унищожават. При разглеждане на гравитационното поле от гледище на квантовата механика взаимодействието между две материални частици се представя

чрез частица със спин 2, наречен гравитон. Гравитонът няма собствена маса и поради това носи взаимодействие с голям обсег. Гравитационната сила между Слънцето и Земята се обяснява с обмен на гравитони между частиците, от които са изградени тези две тела. Макар обменяните частици да са виртуални, ефектът им без съмнение е измерим: те заставят Земята да се върти около Слънцето! Реалните гравитони обра­зуват това, което класикът-физик би нарекъл гравитационни вълни. Те са толкова слаби и така трудни за регистриране, че никога не са били наблюдавани.

Следващата категорията е електромагнитната сила, която взаимодейства с електрически заредените частици, каквито са електроните и кварките, но не и с незаредените, каквито са гравитоните. Тя е много по-голяма от гравитационната: елек­тромагнитната сила между два електрона е почти 10⁴² пъти по-голяма от гравитационната. Съществуват обаче два вида електричен заряд — положителен и отрицателен. Силата между два положителни заряда е на отблъскване, каквато е и между два отрицателни заряда, докато силата между един положите­лен и един отрицателен заряд е на привличане. Едно толкова голямо тяло като Земята или Слънцето съдържа почти равен брой положителни и отрицателни заряди. Поради това силите на привличане и на отблъскване между отделните частици почти се унищожават и остатъчната електромагнитна сила е малка. Но при малките мащаби на атома и молекулата преоб­ладават електромагнитните сили. Електромагнитното привли­чане между отрицателно заредените електрони и положително заредените протони в ядрото карат електроните да обикалят по орбити около ядрото на атома, също както гравитационно­то привличане заставя Земята да обикаля около Слънцето. Електромагнитното привличане се обяснява с обмена на голям брой виртуални безмасови частици със спин 1, наречени фото­ни. И в този случай фотоните, които се обменят, са виртуални частици. Но когато един електрон премине от една разрешена орбита към друга, по-близка до ядрото, се освобождава енер­гия и се излъчва реален фотон, който, ако е със съответната Дължина на вълната, може да се наблюдава като видима за човешкото око светлина или да се регистрира от фотонен приемник, какъвто е например фотографският филм. По-същия начин, когато един реален фотон се сблъска с атом, той може Да придвижи един електрон от орбита, по-близка до ядрото, на друга, по-отдалечена. Това изразходва енергията на фотона, така че той се поглъща.

Третата категория се нарича слабо ядрено взаимодейст­вие, на което се дължи радиоактивността и което действа върху всички материални частици със спин 1/2, но не и върху частици със спин 0, 1 или 2 като фотоните и гравитоните. Слабото ядрено взаимодействие не бе съвсем ясно до 1967г., когато Абдус Салам от Импириъл Колидж в Лондон и Стивън Уайнбърг от Харвард предложиха свои теории, които обединяват това взаимодействие с електромагнитната сила, също както Максуел бе обединил електричеството и магнетизма стотина години по-рано. Те предположиха, че освен фотона има три други частици със спин 1, познати общо като тежки векторни бозони, носители на слабото взаимодействие. Те се наричат W⁺, W"и Z° и всеки от тях е с маса приблизително 100 GeV (1 GeV = 10⁹ еV). Теорията на Уайнбърг — Салам показва едно свойство, известно като спонтанно нарушаване на симетрията. Това значи, че ако при ниски енергии възприемаме няколко частици като напълно различни една от друга, в действителност те са един и същи тип, но в различни състояния. При високи енергии тези частици се отнасят като подобни. Ефектът е подобен на поведението на топчето за рулетка върху диска на рулетката. При високи енергии (когато завъртим диска бързо) топчето се държи само по един и същ начин — то продължава да се върти. Но когато движението на диска се забави, енерги­ята на топчето намалява и накрая то пада в един от тридесет и седемте процепа на диска. С други думи, при ниски енергии има 37 различни състояния, в които топчето може да бъде. Ако по някакъв начин можем да наблюдаваме топчето само при ниски енергии, бихме сметнали, че има 37 различни вида топчета!

В теорията на Уайнбърг — Салам при енергии, много по-високи от 100 GeV, трите нови частици и фотонът биха имали подобно поведение. Но при по-ниски енергии на части­ците, което е по-честият случай, тази симетрия между частиците ще се наруши. W⁺, W' и Z° ще придобият големи маси, с което взаимодействията, които носят, ще станат с много малък обсег. По времето, когато Салам и Уайнбърг предложиха своята теория, малцина им повярваха, а ускорителите на частици не бяха достатъчно мощни, та да развият енергии от 100 ОеУ, необходими за получаването на реални W⁺, W' и Z° частици. През следващите десетина години обаче останалите предсказания на теорията за ниските енергии така добре се съгласуваха с експеримента, че през 1979г. Салам и Уайнбърг получиха Нобелова награда за физика заедно с Шелдън Глашоу, също от Харвард, който бе предложил подобни обединени теории за електомагнитното и слабото ядрено взаимодействие. На Нобе­ловата комисия бе спестено неудобството да е допуснала грешка, когато през 1983г. в ЦЕРН (Европейския център за ядрени изследвания) бяха открити трите тежки партньора на фотона с точно предсказани маси и други свойства. Карло Рубиа, който ръководеше колектива от неколкостотин физици, автори на това откритие, получи Нобелова награда за 1984г. заедно със Симон ван дер Меер — инженер от ЦЕРН, който бе автор на използваната система за натрупване на антиматерията. (Днес е много трудно да бъдеш забелязан в експериментал­ната физика, ако вече не си по върховете!)

Четвъртата категория е силното ядрено взаимодействие, което задържа кварките в протона и неутрона, а протоните и неутроните — в ядрото на атома. Смята се, че носител на това взаимодействие е друга частица със спин 1, наречен глуон, който взаимодейства само със себе си и с кварките. Силното ядрено взаимодействие има едно любопитно свойство, нарече­но затваряне (конфайнмънт): то винаги свързва частиците в комбинации, които нямат цвят. Не може да има един-единствен кварк, защото той би бил с цвят (червен, зелен или син). В замяна един червен кварк трябва да се присъедини към един зелен и един син кварк чрез „струна" от глуони (червен + син + зелен = бял). Такъв триплет представлява протон или неутрон. Друга възможност е да се образува двойка, съставена от кварк и антикварк (червен + античервен, или зелен + антизелен, или син + антисин = бял). Такива комбинации изграждат частиците, известни като мезони, които са нестабил­ни, понеже кваркът и антикваркът могат да анихилират, при което се получават електрони и други частици. По същия начин затварянето предотвратява съществуването на самостоятелен глуон, тъй като глуоните също имат цвят. Вместо това има колекция от глуони, чиито цветове се сумират до бял. Тази колекция образува една нестабилна частица, наречена глуонна топка.

Фактът, че свойството затваряне не позволява да се наб­людава отделен кварк или глуон, сякаш създава представата за кварките и глуоните като метафизични частици. Съществува обаче едно друго свойство на силното ядрено взаимодействие, Високоенергетично сблъскване между протон и антипротон, при което се получават няколко почти свободни кварка наречено асимптотична свобода, с което концепцията за кварки и глуони се дефинира точно. При нормални енергии силното ядрено взаимодействие е наистина силно и свързва здраво кварките помежду им. Но експериментите с големи ускорители на частици показват, че при високи енергии силното взаимо­действие значително намалява и поведението на кварките и глуоните става почти като на свободни частици. На фиг. 5.2 е показана фотография на сблъскване между високоенергетичен протон и антипротон. Получават се няколко почти свободни кварка и се дава начало на „струя" от трекове.

Успешното обединяване на електромагнитното и слабото ядрено взаимодействие доведе до множество опити да се съче­таят тези две взаимодействия със силното ядрено взаимодейс­твие в т. нар. теория на Великото обединение. Названието е малко пресилено: получените теории не са нито толкова велики, нито напълно обединени, тъй като не включват гравитацията. Те не са и в действителност завършени теории, защото съдър­жат някои параметри, чиито стойности не могат да се предска­жат от теорията, а трябва така да се подберат, че да се съгласуват с експеримента. Въпреки всичко те са вероятно стъпка към една завършена, напълно обединена теория.

Основната идея на теорията на Великото обединение е следната: както споменахме по-горе, силното ядрено взаимо­действие отслабва при високи енергии. От друга страна, елек­тромагнитното и слабото взаимодействие, които не са асимптотично свободни, стават силни при високи енергии. При някаква много висока енергия, наречена енергия на Великото обединение, тези три взаимодействия биха имали една и съща сила и би се оказало, че са просто различни прояви на едно-единствено взаимодействие. Теориите на Великото обединение предсказват също, че при тази енергия различните материални частици със спин 1/2, като кварки и електрони, биха били също почти едни и същи, с което би се постигнало още едно обеди­нение.

Стойността на енергията на Великото обединение не е много добре известна, но вероятно би трябвало да е поне 10¹⁵ GeV. Сегашното поколение ускорители на частици позволява сблъскването на частици с енергия от порядъка на 100 GeV, а се проектират машини, които ще достигнат до няколко хиляди GeV. Но една машина, достатъчно мощна да ускори частици до енергиите на Велико обединение, ще трябва да е с размерите на Слънчевата система и би било невероятно да се финансира при сегашния икономически климат. Поради това е невъзмож­но теориите на Великото обединение да се проверят непосред­ствено в лабораторията. Но както и при теорията, обединяваща електромагнитното и слабото взаимодействие, и в този случай има нискоенергетични следствия от теорията, които могат да бъдат проверени.

Най-интересното от тях е предсказването, че протоните, от които е изградена повечето от масата на обикновената материя, могат спонтанно да се разпадат на по-леки частици, каквито са антиелектроните. Причината това да е възможно е, че при енергията на Велико обединение няма съществена раз­лика между антикварк и антиелектрон. Трите кварка в протона обикновено нямат достатъчно енергия, за да се превърнат в антиелектрони, но много често един от тях може да придобие Достатъчно енергия, за да направи прехода, тъй като според принципа на неопределеността енергията на кварките в протона не може точно да се фиксира. Тогава протонът би се разпаднал. Вероятността един кварк да придобие достатъчна енергия е толкова малка, че ще се наложи да чакаме поне 10³⁰ години. Това е време, много по-дълго от времето, изминало след големия взрив, което е едва 10¹⁰ години. Човек би си помислил, че възможността за спонтанно протонно разпадане не би могла да се провери експериментално. Но шансовете ни да открием разпадането ще нараснат, ако наблюдаваме голямо количество вещество, съдържащо голям брой протони. (Ако например наблюдаваме 10³¹ протони в продължение на една година, според най-простата теория на Великото обединение можем да очакваме да видим разпадането на повече от един протон.)

Проведени са няколко такива експеримента, но никой от тях не доведе до определено доказателство за разпадане на протон или неутрон. При един от експериментите бяха изпол­звани 8000 тона вода и той бе проведен в солната мина „Мортън" в Охайо (за да се избегне настъпването на други събития, причинени от космическите лъчи, които погрешно да сметнем за разпадане на протон). Тъй като никакво спонтанно разпадане на протони не бе наблюдавано по време на експери­мента, може да се пресметне, че вероятният живот на протона трябва да е по-дълъг от 10³¹ години. Това е по-продължително от времето, предсказано по най-простата от теориите на Вели­кото обединение, но има по-съвършени теории, предсказващи по-дълъг живот. За да ги проверим, ще са необходими още по-чувствителни експерименти с още по-голямо количество вещество.

Макар че наблюдаването на спонтанно разпадане на про­тона е много трудно, не е изключено самото ни съществуване да е следствие от обратния процес — образуване на протони, или по-просто — на кварки от едно начално състояние, при което кварките не са повече от антикварките, а това е естестве­ният начин да си представим началото на Вселената. Матери­ята на Земята е изградена главно от протони и неутрони, които от своя страна са съставени от кварки. Антипротони и антинеутрони, изградени от антикварки, няма освен няколкото, получе­ни от физиците в големите ускорители на частици. Космическите лъчи са доказателство, че същото се отнася за цялата материя в нашата Галактика: няма антипротони, нито антинеутрони, с изключение на малкия брой, получени като двойка частица/античастица при високоенергетични сблъсквания. Ако в нашата Галактика съществуваха големи области от антиматерия, бих­ме могли да очакваме, че ще наблюдаваме големи количества лъчения от границите между областите от материя и антима­терия, където много частици биха се сблъскали със своите античастици и биха анихилирали с освобождаване на високо-енергетично излъчване.

Ние не разполагаме с директно доказателство дали мате­рията в другите галактики е изградена от протони и неутрони, или от антипротони и антинеутрони, но вероятно е или едното, или другото: не може да има смес от двете в една галактика, защото в такъв случай пак бихме наблюдавали силно лъчение от анихилации. Ето защо се предполага всички галактики да са съставени от кварки, а не от антикварки; представата някои галактики да са от материя, а други от антиматерия изглежда неправдоподобна.

А защо кварките са много повече от антикварките? Защо не са поравно? Несъмнено имаме късмет, че броят им не е равен, защото иначе почти всички кварки и антикварки биха анихили-рали още в ранната Вселена и биха оставили Вселена, изпъл­нена с лъчение, но едва ли с някакво вещество. Тогава вероятно нямаше да има галактики, звезди или планети, на които да се развие човешки живот. За щастие теориите на Великото обеди­нение може би ни дават обяснение защо Вселената сега съдържа повече кварки, отколкото антикварки, даже и в началото броят им да е бил равен. Както видяхме, теориите на Великото обединение позволяват при високи енергии кварките да се превръщат в антикварки. Освен това те позволяват и обратните процеси — превръщане на антикварки в електрони и на елект­рони и антиелектрони в антикварки и кварки. Някога, в съвсем ранната Вселена, тя е била толкова гореща, че енергиите на частиците вероятно са били достатъчно високи за настъпването на тези превръщания. Но защо това е довело до повече кварки, отколкото антикварки? Причината е, че физичните закони не са съвсем същите за частиците и античастиците.

До 1956г. се смяташе, че физичните закони се подчиняват на всяка от трите отделни симетрии, наречени С, Р и Т.

Симетрията С означава, че законите са едни и същи за частици и античастици. Симетрията Р означава, че законите са едни и същи за всяка ситуация и нейното огледално изображе­ние (огледалното изображение на една частица с дясно въртене ^е това на частица с ляво въртене). Симетрията Т означава, че ако обърнем посоката на движение на всички частици и анти­частици, системата трябва да се върне в предишни състояния: с други думи, законите са еднакви както напред, така и назад във времето.

През 1956г. двама американски физици — Дзун-Дао Ли и Чженин Янг, предположиха, че слабото взаимодействие фак­тически не се подчинява на Р симетрията. С други думи, слабото взаимодействие би принудило Вселената да се развива различно от начина, но който би се развило нейното огледално , изображение. Същата година тяхната колежка Цзин Сян Ву! доказа, че предсказанието им е правилно. Тя направи това, като ориентира ядрата на радиоактивни атоми в магнитно поле така, че всички те да се въртят в една и съща посока, и показа, че в една посока се освобождават повече електрони, отколкото в друга. Следващата година Ли и Янг получиха Нобелова награда за своята идея. Освен това беше установено, че слабото взаимодействие не се подчинява на Р симетрията, т. е. поведе­нието на вселена, съставена от античастици, ще бъде различно от това на нашата Вселена. Въпреки това, изглежда, слабото взаимодействие спазва комбинираната СР симетрия, т. е. Все­лената би се развивала по същия начин, както огледалното си изображение, дори ако всяка частица бъде заместена от своята античастица! През 1964г. обаче други двама американци — Дж. У. Кронин и Вал Фич, откриха, че СР симетрията не се спазва дори при разпадането на определени частици, наречени К-ме-зони.

Накрая през 1980г. Кронин и Фич получиха Нобелова награда за труда си. (Много са наградите, раздадени за посоч­ването на факта, че Вселената не е така проста, както си я представяме!)

Има една математическа теорема, която твърди, че всяка теория, която се подчинява на квантовата механика и на относи­телността, трябва винаги да съблюдава и комбинираната СРТ симетрия. С други думи, поведението на Вселената би трябвало да е едно и също, дори да заменим частиците с античастици, да вземем огледално изображение и да обърнем посоката на време­то. Но Кронин и Фич показаха, че ако заменим частиците с античастици и вземем огледално изображение, а не обърнем посоката на времето, поведението на Вселената не е същото. Ето защо, ако обърнем посоката на времето, физичните закони трябва да се променят; те не спазват Т симетрията.

Ранната Вселена положително не се е подчинявала на Т симетрия: с хода на времето напред Вселената се разширява; ако тече назад, Вселената би трябвало да се свива. А след като има сили, които не спазват Т симетрията, следва, че с разши­рението на Вселената тези сили могат да предизвикат превръ­щането на повече антиелектрони в кварки, отколкото на електрони в антикварки. След това, когато Вселената се разши­рява и изстива, антикварките ще анихилират с кварките, но тъй като ще има повече кварки, отколкото антикварки, ще остане малък излишък от кварки. Именно те съставят материята, която виждаме днес и от която ние самите сме направени. Така самото ни съществуване може да се разглежда като потвърж­дение на теориите на Великото обединение, макар и само в качествено отношение; неопределеностите са такива, че не само не можем да предскажем броя на кварките, които ще останат след анихилацията, а дори това, дали ще са кварки или антик­варки. (Ако излишъкът е от антикварки обаче, просто ще трябва да наречем антикварките кварки, а кварките антиквар­ки.)

Теориите на Великото обединение не включват гравита­ционното взаимодействие. Това няма особено значение, тъй като гравитацията е толкова слаба, че когато става дума за елементарни частици или атоми, обикновено можем да пренеб­регнем нейните ефекти. Но фактът, че тя е едновременно с голям обсег и винаги привличаща, означава, че всички нейни ефекти се сумират. Поради това за достатъчно голям брой материални частици гравитационните сили могат да надделеят над останалите. Именно това е причината гравитацията да определя еволюцията на Вселената. Дори за обекти с размерите на звезда гравитационното привличане може да надделее над всички останали сили и да накара звездата да колапсира. Моята работа през 70-те години бе съсредоточена върху черните дупки, които могат да се получават от такъв звезден колапс, и върху силните гравитационни полета около тях. Именно те подсказаха за първи път как теориите на квантовата механика и общата теория на относителността могат да си оказват взаимно влияние — една бегла представа за предстоящата квантова теория на гравитацията.