Не исключено, что гравитоны дадут неплохое начальное приближение для перехода к решению общей задачи о структуре пространства-времени в очень малых областях, вплоть до планковской. Квантование метрического поля при сохранении обычного смысла координат - операция не совсем последовательная. Но эта непоследовательность проявляется только вблизи планковской области, когда взаимодействие между гравитонами заведомо не мало, и они начинают интенсивно размножаться. В результате представления классической геометрии теряют смысл в очень малых объемах*.
* Научно это выражается так: метрика испытывает большие квантовые флуктуации (случайные отклонения от средних значений), и нельзя обычным образом определить расстояние между парой точек.
Не понятен пока механизм гравитационного взаимодействия элементарных частиц. Хотелось бы верить, что в какой-то степени его можно будет описать моделью обмена гравитонами.
По имеющимся оценкам, особо актуальной эта проблема должна стать лишь при фантастически высоких энергиях сталкивающихся частиц Е = mРс2 - порядка 2 миллиардов Джоулей. В этом плане далекое будущее физики высоких энергий тоже упирается в проблему планковской области. Все дороги ведут в Рим!
МЕЧТЫ О КОСМИЧЕСКОМ МИКРОНАСЕЛЕНИИ
Рассматривая картину ранних космологических стадий, трудно избежать одного древнейшего предрассудка. Речь идет о более или менее длительном периоде начального Хаоса, из которого постепенно и в довольно поздние сроки формируются структуры. Конечно, сейчас ученые не мыслят его в виде какого-то клубящегося античного океана - разыгрывается модель крайне горячего газа элементарных частиц, однако идея бесструктурности объектов ранней Вселенной играет важную роль. Вроде бы все верно, какие структуры могут образовываться в среде, чья температура измеряется миллиардами миллиардов градусов? Любая из них разрушится в самом зародыше...
И все-таки проблема не так проста, как может показаться на первый взгляд.
Общепринятые ныне представления сводятся к тому, что лептоны, фотоны и кварки - частицы точечные, и первый структурный уровень эволюции соответствует синтезу адронов из кварков при t ~ 10-5 с. Адроны действительно сложные образования, их нетривиальная структура подтверждена прямыми экспериментами. Не исключено, что в соударениях при куда более высоких энергиях нам удастся установить сложное строение каких-то других частиц - выяснится, например, что кварки и (или) лептоны можно описать набором более простых структурных единиц. В этом случае придется выделять особую эпоху кваркового и (или) лептонного синтеза, но ничего сверхнеожиданного такое выделение не внесет. Осознав, что в истории Вселенной были эпохи без наблюдаемых звезд и галактик, без привычных атомов и молекул и даже без адронов, нетрудно будет привыкнуть и к докварковой эре.
После адронов появляются следующие структурные уровни - простейшие атомные ядра, а много позже - атомы и молекулы. Если представление об адронах как составных системах не слишком наглядно, то теперь уже можно довольно уверенно говорить о "чем-то, состоящем из того-то и того-то" (ядро гелия-4 - из 2 протонов и 2 нейтронов, атом водорода - из протона и электрона и т. п.). Ну, а потом создаются условия для синтеза более сложных веществ, и решающую роль в этом добром деле играет гравитация, конденсирующая материю в достаточно компактные объемы. Картина дальнейшей эволюции во многом уже прояснена, и мы обсудим ее, рассказывая о космогонической фазе.
Теперь же нас интересует нечто, относящееся к совсем ранней Вселенной. Вопрос в следующем - каковы собственно локальные проявления гравитации до эпохи адронного синтеза? Не приводит ли гравитационная конденсация к образованию каких-то реликтовых структур, неизвестного нам типа, возможно целых эволюционных ветвей материи, просто не замеченных пока современным экспериментом и не разработанных как следует теорией?
Кое-что на эту тему уже обсуждалось, например, гипотеза Зельдовича-Новикова о формировании реликтовых черных дыр очень малого размера и колоссальной плотности. Согласно теории Хокинга, некоторые из этих дыр могли бы проявиться как раз в современную эпоху, демонстрируя завершающую стадию своего испарения.
Задачу можно ставить и несколько шире - почему только дыры? Не способна ли гравитация сконденсировать в очень ранней Вселенной и чуть менее массивные равновесные объекты типа звезд, не входящих в режим коллапса?
Начнем опять-таки с эпохи адронного синтеза. Очень вероятно, что подавляющее большинство кварков стягиваются при t ~ 10-5 с в отдельные адроны. Но не может ли вести гравитационная конденсация кваркового вещества в объеме порядка 3 км (R ~ ct ~ (3.105 км/с)х10-5 с ~ 3 км) к образованию реликтовых кварковых звезд примерно такого же размера? Вообще, не формируются ли на этой стадии - пусть с очень небольшой вероятностью кварковые структуры, сильно отличные от известных ныне адронов?
Суть дела в том, что современный эксперимент по столкновениям адронов при высоких энергиях имеет дело с очень малыми количествами кваркового вещества, причем уже организованного в адронную форму. В результате соударений рождаются снова адроны. Но условия реакций здесь совсем иные, чем в ранней Вселенной. Область взаимодействия окружена вакуумом, а не веществом сверхъядерной плотности. Возможно, в связи с этим и резко подавлены каналы образования чего-то отличного от известных адронов, и более крупные кварковые структуры просто не могут проявиться при современных энергиях и объемах участвующего в реакциях кваркового вещества.
Проблема кварковых звезд и макроскопических капель кварковой жидкости уже обсуждается современной теорией, хотя перспективы прямого эксперимента в этой области сопряжены с огромными трудностями. Однако впереди маячит нечто очень важное: новая картина ранней Вселенной, гораздо менее унылая, чем однородный горячий бульон точечных частиц. Не ухватились ли мы лишь за сравнительно поздние ветви космогонической эволюции, упуская из вида значительное многообразие ее самых ранних форм?
Перейдем теперь к эпохе, когда могли формироваться гипотетические мини-дыры массой порядка 1015 г, способные и сегодня завершать свое испарение. Предположим, что наряду с ними при t ~10-23 c конденсируются какие-то немного менее массивные объекты колоссальной плотности ( ~ 1052 г/см3 и радиусом R ~ 10-13 см, способные пережить самые горячие времена и сохраниться в нынешней Вселенной.
И сразу же возникает один очень интересный аспект микрозвезд гравитационные атомы.
Уже давно теоретики обратили внимание на одну серьезную несправедливость - кулоновские электрические силы легко связывают, скажем, электрон и протон в атом,* тогда как гравитационным силам это как бы не удается. Дело, конечно, в их исключительной слабости. Элементарным частицам невозможно образовать сколь-нибудь устойчивую атомную систему за счет потенциала тяготения. Наглядно это выражается в том, что, скажем, размер гравитационного атома из пары ?-мезонов достигает радиуса наблюдаемой Вселенной (h2/Gm?3 ~ c/H ~ RВсел ,
где Н - современное значение функции Хаббла ). Поэтому, вероятней всего, строить такие атомы без учета качественно новых типов звезд и элементарных частиц не имеет смысла.
*Размер такого атома определяется величиной rB = h2/e2me ? 10-8 см, именуемой Боровским радиусом, е - электрический заряд электрона и протона, me - масса электрона. Размер гравитационного атома дается аналогичной формулой, где е2 заменяется ньютоновским выражением Gm1m2.
Оказывается, что микрозвезды массой 1015 г как раз и могут связываться с электроном в водородоподобную систему, причем удается вычислить тонкие различия в спектре такого атома и обычного водорода, где роль ядра играет протон. Не исключено, что лишь по этим спектральным различиям и следует искать новые атомы. Благодаря недавнему обнаружению очень малой массы покоя у электронного нейтрино можно построить модель, в которой гравитационный атом с орбитальным нейтрино достигает практически макроскопических размеров (rB ~ 10-4 см).
