Космомикрофизика

Так, сохранение электрического заряда оказывалось не простым следствием сохранения неуничтожимых электрически заряженных частиц, а нетривиальным правилом, определяющим строгий локальный баланс уничтожения и рождения заряженных частиц. Менялось и представление о заряде как мере электромагнитного взаимодействия от неотъемлемой характеристики вечной и неизменной частицы к характеристике закона превращения, при котором уничтожение начальной и рождение конечной заряженных частиц сопровождались рождением или уничтожением электромагнитного кванта (рис. 1).

Эта смена представлений содержала богатейший простор для обобщений. Точно так же можно было описать и законы ядерных превращений сильного' и слабого взаимодействий. В таких превращениях уничтожение и рождение частиц сопровождаются рождением и поглощением квантов поля сильного или слабого взаимодействий.

Логический шаг к единообразному описанию всех фундаментальных взаимодействий мог бы быть сделан еще: в 30-е годы, но для его осуществления потребовалось целое пятидесятилетие. Трудность извилистого пути к единообразной картине всех взаимодействий была связана с необходимостью совместить сходство описания с различием в наблюдаемых свойствах этих взаимодействий. Нужно было объяснить, почему слабое взаимодействие происходит только на малых расстояниям, превращение каких именно частиц вызывает процессы сильного взаимодействия и с какими зарядами взаимодействуют кванты его поля.

Ответы на эти и другие вопросы составили современную теорию электромагнитного, слабого и сильного взаимодействий, основанную на симметрии превращении частиц и объясняющую наблюдаемые различия их свойств нарушением этой симметрии. Расширяя симметрию, можно было перейти от единообразия описания разных взаимодействий к их фундаментальному единству. Но такой шаг, поначалу оправданный и близким экспериментальным подтверждением в поисках распада протона, и жесткой, соответствующей экспериментальным данным, связью зарядов слабого и электромагнитного взаимодействий, означал скачок теории к области сверхвысоких энергий, недоступной прямому экспериментальному изучению.

С этим шагом теория теряла непосредственную опору в экспериментальной физике высоких энергий. От привычной прямой экспериментальной проверки своих предсказаний теория должна была перейти к анализу сочетания косвенных проявлений своих фундаментальных построений. Миру физики высоких энергий, обретавшему свое основание в собственных экспериментальных возможностях, открылись для широкого поиска все допустимые косвенные способы исследования гипотетических явлений, прямое экспериментальное изучение которых не представляется возможным. В контексте этой ситуации взаимосвязь физики микромира с космологией приобретает особое значение, становится необходимой опорой развития теории микромира.

Эта взаимосвязь вырастает в необходимую основу развития и современной космологии. Первоначально развитие теории расширяющейся Вселенной проходило относительно самостоятельно. Открытие в 1965 г. теплового фона электромагнитного излучения подтвердило выдвинутую Г. Гамовым так называемую горячую модель расширяющейся Вселенной. Современная температура излучения (~3 К) мала, мала и его плотность энергии в сравнении с плотностью энергии покоя атомов, но, обращая в прошлое известный закон расширения, мы приходим к картине не только плотного, но и горячего состояния вещества с доминирующей плотностью энергии излучения.

Простые оценки показывают, что вещество и излучение находились в ранней Вселенной в термодинамическом равновесии. Соединение закона расширения Вселенной с законами термодинамики позволяло получить логически замкнутую картину космологической эволюции вещества и излучения, в которую элементарные частицы, открываемые физикой высоких энергий, вносили лишь малые количественные поправки. Эта картина превращения радиационно-доминированной горячей плазмы в современную неоднородную структуру вещества, пронизываемую однородным фоновым излучением, качественно подтверждается данными астрономических наблюдений.

Качественно внутренне самосогласованная, эта картина требовала, однако, определенных начальных условий, задаваемых при очень высоких температурах и плотностях на очень ранних стадиях расширения Вселенной, наблюдательная информация о которых отсутствует. И для обоснования этих начальных условий космология должна была обратиться к таким предсказаниям теории элементарных частиц, которые оказывались недоступны лабораторной проверке.

На основе именно этих, не проверенных в лабораториях, представлений физики микромира современной космологии удалось обосновать причины расширения и замечательную однородность наблюдаемой части Вселенной, создать теорию инфляционной Вселенной, объяснить ее барионную асимметрию и природу малых начальных неоднородностей, развитие которых привело к образованию современной крупномасштабной структуры Вселенной, количественно согласовать формирование этой структуры с наблюдаемой изотропией реликтового излучения.