Свобода слова.
Дорого.
Поддержи The New Times.

#Наука

#Политика

Вселенная отводит веществу всего лишь 5% состава, а 95%, как говорят физики, «неизвестно что»

02.04.2007 | Аствацатурян Марина | № 08 от 2 апреля 2007 года

Мы с вами, а также звезды, планеты и прочие тела созданы из вещества, которому Вселенная отводит всего лишь 5% своего состава, а 95%, как говорят физики, «неизвестно что». Это «неизвестно что» состоит из темной материи (20—25%) и темной энергии (75—70%). Больше о них почти ничего неизвестно, хотя космология (наука, изучающая структуру и эволюцию Вселенной) развивается настолько стремительно, что на протяжении одного поколения исследователей она уже превратилась из теоретической в точную науку. У космологов есть надежда познать истинную природу основных составляющих мироздания.

Главный научный сотрудник Института ядерных исследований РАН, академик
Валерий Рубаков — Марине Аствацатурян

Чем отличается темная материя от темной энергии?
Хотя и темная материя, и темная энергия — неизвестно, что такое, свойства у них совершенно разные. Темная материя в процессе эволюции Вселенной собиралась в сгустки, на которые натекало обычное вещество, а темная энергия распределена равномерно. И никакой такой связи между ними, по-видимому, нет.

В существовании этих темных субстанций уже никто не сомневается?
Да, из многих наблюдений видно, что они есть. Темная материя дает о себе знать непосредственно гравитационными эффектами. Например, вы можете измерять, как вращаются удаленные звезды вокруг галактики, и в зависимости от того, какая масса у этой галактики, как она распределена, вы будете получать разные скорости. Вот эти скорости на самом деле говорят о том, что масса галактики не сосредоточена в том месте, где есть светящееся, то есть обычное вещество, — она размазана по гораздо большему объему. И она гораздо больше, чем масса видимого вещества в галактике. Таким образом, темная материя, собравшаяся прямо в галактиках, через гравитацию влияет на вращение звезд вокруг этой галактики. Что касается темной энергии, то она в определенном смысле испытывает антигравитацию. Сегодня Вселенная расширяется во всех направлениях, и расширяется с ускорением, и это ускоренное расширение обеспечивает темная энергия. Что сильно противоречит человеческому взгляду на гравитацию — ведь если вы распихиваете вещество, если оно разлетается, то гравитация должна замедлять этот процесс. А изза существования темной энергии все происходит наоборот, она как бы расталкивает вещество. И это наблюдательный факт. В 1998 году были опубликованы первые две статьи, представляющие наблюдения сверхновых в далеких галактиках двумя командами астрономов, которые обнаружили, что эти взрывающиеся объекты удаляются от нас с ускорением. И это подтверждало предположения о темной энергии как о движущей силе расширяющейся Вселенной. Многим не верилось, что такое на самом деле происходит. Темная энергия очень маленькая, мы ее не ощущаем. Ее можно найти только при помощи точных космологических измерений.

Маленькая-маленькая, однако же все раздвигает…
Да, раздвигает, но медленно. Ускорение расширения Вселенной совсем слабенькое, и она удвоится в своем размере только за 15 миллиардов лет.

Вернемся на время к темной материи: на нее списывают «недостачу» массы Вселенной, то есть все то, что не укладывается в расчеты обычного протонно-нейтронного вещества, и она ощущается косвенно, по гравитационному воздействию на космических расстояниях. Какими свойствами обладает темная материя?
Гравитационно взаимодействуя так же, как обычное вещество — то, из чего мы с вами состоим, темная материя подчиняется закону Ньютона. А больше ничего о ней неизвестно. Дальше идут догадки и гипотезы, подразумевающие те или иные новые частицы, которые явно гораздо тяжелее, чем обычный протон, может быть, в сотни раз, но это все предположения. Вообще характерная черта нынешней космологии в том, что она неотделима от физики частиц. Иными словами, две прежде разные области — наука о микромире, физика элементарных частиц, и наука о Вселенной, космология, — становятся единой наукой о фундаментальных свойствах окружающего нас мира. Вот я сейчас преподаю студентам, специализирующимся в физике элементарных частиц, космологию, и без этого нельзя — такое время наступило. И темная материя — один из объектов изучения физики частиц, потому что если это новая частица, то это обязательно новый закон. Ведь ясно, что частицы темной материи не должны распадаться на другие, более легкие частицы, иначе они бы распались за время существования Вселенной. Следовательно, в природе действует новый, не открытый пока закон сохранения, запрещающий этим частицам распадаться. А закон сохранения на дороге не валяется — их у нас раз-два и обчелся! То есть за всеми этими исследованиями стоит новая физика элементарных частиц с новыми законами. А происхождение этих частиц наверняка относится к очень ранней эпохе — они дают информацию о том, как была устроена Вселенная спустя миллиардные доли секунды после Большого взрыва, хотя точные числа зависят от гипотез, от оценок.

Каким образом?
Объяснить это можно. Наверное, эти частицы тяжелые, — «наверное», поскольку это все гипотезы… А раз тяжелые, то рождались в ранней Вселенной. Потому что ранняя Вселенная была настолько горячая, с настолько энергичными частицами, что их столкновение допускало образование тяжелых частиц темной материи. Ведь чем больше энергия столкновения, тем больше масса рождаемых частиц. E=mc2 , и больше ничего! Если у вас есть большая энергия столкновения, должны рождаться тяжелые частицы. Это, наверное, происходило в ранней Вселенной, то есть энергии сталкивающихся частиц в этой безумно горячей среде было достаточно, чтобы рождались такие тяжелые частицы. Дальше эта Вселенная остывала, тяжелые частицы аннигилировали друг с другом, но кое-что дожило до нашего времени. А вот сколько их осталось и сколько дожило до нашего времени, зависит от их свойств: от того, как они аннигилируют, какая у них масса. Зная свойства этих частиц, можно на основании предположений о расширении Вселенной в соответствии с законами общей теории относительности сделать вычисления, касающиеся стадии их образования, когда температуры во Вселенной были гигантские.

Гигантские температуры — это сколько нулей?
Если вы хотите в градусах мерить — это 15 нулей! Это был горячий-горячий суп, градусы Кельвина с 15 нулями! А начиналась наша Вселенная с температур с 28 нулями. Она расширялась и остывала, и в какой-то момент пошел процесс так называемого замораживания тяжелых частиц темной материи, когда они перестали аннигилировать и дожили до нашего времени. Если мы измерим их свойства в лаборатории, рассчитаем на основе этих свойств и общей теории относительности, как они там эволюционировали в этой Вселенной, и получим правильный ответ, соответствующий тому, сколько их образовалось, то найдем мостик и узнаем, как была устроена Вселенная через миллиардные доли секунды после Большого взрыва. Мы скажем: да, она развивалась согласно общей теории относительности, да, в ней была горячая космическая плазма — был такой момент. А если нет, тогда надо будет что-то необычное придумывать, и это будет очень интересно.

А как была устроена Вселенная, что об этом известно?
В прошлом Вселенная была горячей, плотной и быстро расширяющейся. Есть два этапа эволюции Вселенной, о которых сегодня имеются надежные наблюдательные данные. Один из них, относительно недавний, — это этап перехода вещества во Вселенной из состояния плазмы в газообразное состояние. Это произошло при температуре 3 тысячи градусов, а возраст Вселенной к тому моменту составлял всего 300 тысяч лет (сейчас он составляет 14 миллиардов лет). До этого электроны и протоны двигались отдельно друг от друга, вещество было плазмой. При температуре 3 тысячи градусов произошло объединение электронов и протонов в атомы водорода, и Вселенная оказалась заполненной этим газом. Другой этап эволюции Вселенной соответствует более ранним временам, от 1 до 200 секунд с момента Большого взрыва, когда температура Вселенной достигала миллиардов градусов. В это время во Вселенной происходили термоядерные реакции, аналогичные реакциям, протекающим в центре Солнца или в термоядерной бомбе. В результате этих реакций часть протонов связалась с нейтронами, и образовались самые легкие ядра — дейтерия, гелия и лития1. Вот этот период мы сегодня себе хорошо представляем. А что было до первой секунды — это одни гипотезы. Но когда будут обнаружены частицы темной материи, станет ясно, как они взаимодействуют между собой, с веществом, это нас продвинет еще на девять порядков вглубь истории Вселенной до уже упомянутых миллиардных долей секунды от Большого взрыва.

То есть чем тяжелее частица, тем глубже мы уходим в историю Вселенной… Можно ли ожидать открытия таких частиц, проясняющих темную материю, в связи с запуском в CERN (Европейский центр ядерных исследований под Женевой) нового ускорителя?
Можно-можно, есть надежды, что частицы темной материи будут там открыты.

И загадочные бозоны Хиггса, которые ответственны за массы элементарных частиц?
От них никуда не деться, по некоторым данным, похоже, что бозон Хиггса обязательно должен быть. И в CERN для его обнаружения будут соответствующие условия2.

Какой из космологических вопросов привлекает Ваше внимание в наибольшей степени?
Здесь два вопроса. Один — чисто теоретический, где речь идет об экзотике, в частности о возможности возрастания плотности темной энергии с расширением Вселенной.

Это как если вытягивать кусок теста для лапши, а он при этом по мере вытягивания будет становиться толще и плотнее?
Ну да, вы тащите лапшу, а теста становится все больше… Ответ на этот вопрос применительно к плотности темной энергии — положительный. И это неожиданно, но факт, он и меня самого немножко удивил, когда получился. Это чисто теоретическая, расчетная вещь: придумать модель, пусть игрушечную модель, как мы называем, где бы такое происходило, и чтобы она была и самосогласованной теоретически, и не противоречила существующим экспериментальным, наблюдательным данным. А второй вопрос: можно ли эту теорию проверить экспериментально? На него тоже ответ положительный. Можно! Но для этого требуется повышать точность наблюдений, в первую очередь за сверхновыми звездами, которые дают нам представление о том, как Вселенная расширяется. Расширяется она с ускорением, а как менялось это ускорение последние 7—10 миллиардов лет?

Как быстро совершенствуются приборы, как быстро возрастает точность этих наблюдений?
Совершенствуется замечательно. Если отойти чуть-чуть назад, но тоже в не безумно дальние времена, в 1982 год, когда мы с коллегами, в частности с Михаилом Сажиным, написали статью про анизотропию реликтового излучения, как она была генерирована во время Большого взрыва, то тогда нам казалось, что это невозможно обнаружить. Относительная точность измерения анизотропии реликтового излучения тогда была одна тысячная градуса. И нам казалось, что дальше не перешагнуть. Сейчас вы видите температурную карту небесной сферы, фотографию ранней Вселенной — чудеса! Прошло каких-то 25 лет! Все это потрясающе!

Учитывая данные, которые четко свидетельствуют о расширении Вселенной, считаете ли Вы теорию пульсирующей, то есть то сжимающейся, то расширяющейся Вселенной, маргинальной?
Не то чтобы маргинальной, люди обсуждают такую возможность, что Вселенная действительно пульсирует. Но пока никаких наблюдательных, экспериментальных данных, указывающих на это, нет. Вообще по общей теории относительности это невозможно без какой-нибудь экзотики. По теории относительности, если Вселенная начала сжиматься, то она сжимается до нуля. Но это классическое представление. А вообще возможность такая есть, что она сжимается, а потом опять расширяется, и это обсуждают, в частности, и в связи с темной энергией. Однако пока все идет в сторону расширения, и ближайшие миллиардов двадцать лет нам беспокоиться не о чем, мы будем расширяться — это точно. А дальше — если задавать себе вопрос, что Вселенную ждет еще через 30 — 50 миллиардов лет, то ответ зависит от того, что такое темная энергия. Можно без преувеличения сказать, что природа темной энергии — это главная загадка фундаментальной физики XXI века. Если это постоянная величина, если это энергия вакуума (а она постоянная), то Вселенная так и будет расширяться с ускорением и вечно так будет растягиваться. Так что предсказать будущее, может, и можно будет, но для этого нужно узнать, что такое темная энергия и как она будет себя вести. Есть некая неопределенность в нашем отдаленном будущем… Но я думаю, что мы раньше себя чем-то изживем, очень уж мы такие деликатные, уязвимые объекты.

Космология — наука о строении и эволюции Вселенной как единого целого, опирается на астрокосмические наблюдения и общие законы физики. Современная космология началась в первые десятилетия ХХ века. 

Большой взрыв — элемент теории расширяющейся Вселенной, исходная точка ее эволюции. В момент Большого взрыва вещество во Вселенной было настолько плотным, а гравитационное взаимодействие настолько сильным, что известные законы физики были неприменимы. Считается, что Большой взрыв произошел 14 —15 миллиардов лет назад.

LHC, Large Hadron Collider, большой адронный коллайдер, — это ускоритель элементарных частиц, который строится под Женевой в CERN (Европейской организации ядерных исследований), самой большой в мире лаборатории ядерной физики. После окончания строительства в 2007 году это будет самый мощный инструмент из когда-либо построенных для исследования взаимодействия элементарных частиц.

Бозоны Хиггса — гипотетические, единственные на сей день предсказанные, но не выявленные экспериментально массивные элементарные частицы, которым придается ключевая роль в объяснении массы других элементарных частиц. Название получили по имени британского физика Питера Хиггса, высказавшего в 1964 году теоретическую возможность их существования. 

____________________________
1 Дейтерий — разновидность водорода с ядром из одного протона и одного нейтрона. Гелий и литий — второй и третий элементы таблицы Менделеева.
2 В частности, беспрецедентно высокая энергия столкновения пучков элементарных частиц.

 

 


×
Мы используем cookie-файлы, для сбора статистики. Отключение cookie-файлов может привести к неполадкам в работе сайта.
Продолжая пользоваться сайтом без изменения настроек, вы даете согласие на использование ваших cookie-файлов.