Гравитоны — частицы гравитационного излучения, сжигающие вещество
Общая теория относительности Эйнштейна описывает гравитацию как деформацию пространства, в отличие от представлений Ньютона, рассматривающего гравитацию как силу взаимодействия объектов в протяжённом пустом пространстве. В понимании Эйнштейна пространство — это не протяжённая пустота, а жёсткая среда, в сотни тысяч раз прочнее стали, и более упругая, чем резина. Большие массы искривляют пространство и тела, совершают своё движение по градиенту кривизны. Мера жёсткости пространства определяется величиной обратной гравитационной постоянной равной 6,67∙10-8 Дн∙см2∙г-2. Обратная величина гравитационной постоянной приблизительно равна 0,15∙108 с той же размерностью. Следовательно, нужна чудовищная сила или энергия, чтобы вызвать минимальную деформацию пространства.
Квантовая теория исходит из того, что гравитация представлена частицами-переносчиками данного взаимодействия, которые получили название гравитонов. Гравитон является гипотетической безмассовой частицей-переносчиком гравитационного излучения. Так как поля тяготения обладают энергией, соответствующей определённой массе, то все объекты излучают гравитоны и теряют массу. По сути, всё вещество аннигилируется в пламени гравитационного излучения, «сгорая», т. е. теряя массу, которая уносится гравитонным излучением.
Располагая значениями масс элементарных частиц, можно установить период полураспада вещества в нашей Вселенной. Существуют оценки массы гравитона, точнее её верхнего предела, определяемые как 10-62 г. Большинство физиков отмечает, как наиболее соответствующую теоретическим оценкам, величину в 10-64 г. Поскольку масса протона равна приблизительно 2∙10-27, то его период полураспада составит десятки миллиардов лет [41].
Если оценить размеры гравитона, то он крайне мал по сравнению с протоном, соответственно, приблизительно 2∙10-27 см и 1,5∙10-13 см. Из наблюдений GW170817, представляющей первый зарегистрированный волновой гравитационный всплеск, произошедший от слияния двух нейтронных звёзд, была получена нижняя оценка времени существования гравитона в 4,5∙108 лет. Скорость распространения гравитационных волн, а, судя по всему, и гравитационного взаимодействия, как и утверждалось в теории относительности, соответствовала скорости света.
И всё же существуют серьёзные концептуальные трудности, связанные с объединением теории относительности и квантовой теории поля. Дело в том, что из-за соотношения неопределённости Гейзенберга на уровне планковских масштабов, составляющих 10-33 см, флюктуации энергии достигают огромных величин, а энергии соответствуют массам, которые вызывают чудовищные деформации пространства. Поэтому на микромасштабах пространство оказывается буквально вспученным. Некоторые учёные используют аллегорию пены, характеризующую состояние пространства-времени. В этих условиях математический аппарат квантовой механики не работает, поскольку он описывает эффекты квантовых явлений лишь в плоском неискривлённом пространстве.
Даже простые оценки гравитационного взаимодействия, исходя из принципа неопределённости, дают нам странные совпадения в пространственно-временных характеристиках нашей Вселенной. Если из соотношения неопределённости вычислить положение гравитона в пространстве, а по сути, его радиус действия, то он окажется равным приблизительно 1028 см, что почти в точности соответствует размерам нашей Вселенной в настоящее время. Временная неопределённость гравитона, исходя из принципа неопределённости Гейзенберга, составляет 1017 сек., что опять же почти точно соответствует времени существования нашей Вселенной. Возможно, это такие критические параметры нашего мира, совпадающие с оценками, произведёнными другими методами.
В настоящее время надежды возлагаются на теорию суперструн, рассматривающую частицы как спектр колебаний микрообъектов, напоминающих струны музыкальных инструментов, совершающих колебания в девяти- или одиннадцатимерном пространстве и взаимодействующих с ним. При этом трёхмерное пространство соответствует макромиру, на уровне микромира оно имеет как минимум шесть дополнительных измерений и представляет своего рода свёрнутый топологический конструкт. Исходя из девятимерной теории суперструн, гравитоны можно обнаружить при энергиях не менее 100 ТэВ, которые в принципе достижимы на современных ускорителях. Исследование и обнаружение тёмной материи, проявляющей себя в основном в гравитационном взаимодействии, позволит лучше понять природу гравитации, что будет способствовать разработке новых технических средств для преодоления межзвёздного пространства.
Магнитные монополи — загадочные частицы, пожирающие материю
В свете последних данных теоретической физики, магнитные монополи могут вызывать распад протонов и нейтронов, образующих ядра атомов, из которых состоит вещество во Вселенной. Достаточно получить пучок таких частиц, и, в принципе, можно уничтожить вообще все атомы нашего мира. При этом сами монополи остаются интактными и действуют как катализаторы в химических реакциях, по сути, обладая бесконечной стабильностью или вечным существованием. Не исключено, что на их основе будет изобретено и супероружие, так как, создав генератор в виде импульсной монопольной пушки или лазера, не составит труда уничтожить абсолютно любого противника. Однако, что произойдёт с тем, кто применит такое оружие, ведь в этом случае он и сам будет уничтожен? Современная физика даёт ключ к управлению и защите от воздействий магнитных монополей.
Для понимания такого рода физических процессов необходимо вернуться к истории этой проблемы. Принцип симметрии является краеугольным камнем в здании физики. На нарушение этого положения в электромагнитных взаимодействиях впервые в 40-х годах прошлого века обратил внимание знаменитый физик-теоретик Поль Дирак. Он предположил, что наряду с квантами электричества должны существовать и кванты магнитных явлений. Данная частица по аналогии с электроном и позитроном обладала бы магнитным зарядом, и этот заряд был бы либо «северным», либо «южным». Вот эти гипотетические частицы и получили название магнитных монополей.
С точки зрения физики, магнетизм является производным от электричества и возникает в результате движения электрических зарядов. Исходя из принципа симметрии, должны существовать «магнитные» частицы, служившие источником магнитных полей, которые при движении создавали бы электрические поля по аналогии, как движение электрических частиц порождает поля магнитные. При этом монополи должны были индуцировать электромагнитное излучение, и, наоборот, высокоэнергетичные фотоны подобно тому как они могут порождать электроны и позитроны, вызывали бы рождение пары магнитных монополей.
Математический анализ, выполненный Дираком, позволил получить конкретные физические величины, касающиеся соотношения электрического и магнитного зарядов. Оказалось, что магнитный заряд в 68,5 раза больше электрического. Соответственно, сила взаимодействия магнитных зарядов в 4692 раза превышает силу взаимодействия электрических зарядов. Из чего следует, что монополи имеют огромную массу, которая превосходит все известные частицы [42].
Эти оценки позволяют предположить некоторые свойства монополей, одно из которых касается их возникновения и уничтожения. Из законов сохранения вытекало, что рождённый монополь не может сам по себе исчезнуть, если только не столкнётся с другим монополем противоположного магнитного заряда. Такое столкновение должно привести к их аннигиляции, которая по аналогии происходит при столкновении электрона со своей античастицей позитроном. Предполагалось, что монополи, как и другие частицы, рождаются парами, но для их обнаружения требуются огромные ускорители энергии, которых долгое время не существовало.
С возникновением теории Великого объединения, единообразно описывающей виды физических взаимодействий, вновь возрос интерес к проблеме существования монополей. В работах Г. Хоофта и А. Полякова было показано, что в рамках этой теории должны существовать магнитные монополи, которые рассматривались как топологические дефекты Хиггсова поля. В моделях Великого объединения монополи представляют собой слоистую структуру, в которой зафиксированы ранние фазы возникновения нашей Вселенной. Предсказываемые в рамках этих концепций монополи получили название GUT — монополей (Grand Unification Theory), где во внутренних частях собственно и существует суперполе, объединяющее виды физических взаимодействий, которые в нашем мире расщепляются на электромагнитное, слабое и сильное ядерное. Температура, при которой эти взаимодействия становятся неразличимыми, т. е. проявляют единую природу, составляет 1027 К. И когда-то на ранних фазах возникновения нашей Вселенной это суперсимметричное состояние физических взаимодействий действительно наблюдалось [43].
Ядро GUT-монополя, где сохранилось это состояние, оказывается крайне опасной для протона. И хотя оно очень мало по сравнению с этой частицей, тем не менее вызывает распад протона на позитрон и π-мезон. При этом сам монополь не расходуется как катализатор химических реакций, а продолжая взаимодействие с другими протонами и нейтронами, интенсивно уничтожает их. При распаде протона выделяется энергия, соизмеримая с распадом пяти атомов урана. Если монополи действительно существуют, и откроются возможности управления подобным процессом, это станет огромным потенциальным источником энергии для человечества в будущем. В рамках теории Великого объединения предполагается, что монополи в 1016 раз массивнее протона, и потребуются огромные энергии для их экспериментального получения. Тем не менее такие энергии существовали на ранних фазах развития Вселенной, следовательно, монополи могли возникать, и, в принципе, их должно было быть много. Возможно, инфляция, стремительное расширение, своего рода раздувание пространства, и последующее в связи с этим охлаждение материи каким-то образом резко уменьшило их количество. В настоящее время предложено много методов по обнаружению монополей, в том числе и в космических лучах, которые исследуются в подземных лабораториях. К надёжным свидетельствам их наличия эти работы не привели. И всё же надежда остаётся, ведь если нет запрета на их существование в теоретической физике, то такие объекты должны быть.
