Знание-сила, 2009 № 08 (986) - Хоружик

в физике элементарных частиц и космологии — близких мне областях — были сделаны потрясающие открытия. В результате астрономических наблюдений было установлено, что вклад обычного вещества в плотность современной Вселенной составляет всего 4,5 процента, а другие известные элементарные частицы — нейтрино — добавляют к нему не более одного процента. Носителем остальных 95 процентов энергии во Вселенной является «неизвестно что». Более того, это «неизвестно что» делится на две фракции — темную материю и темную энергию.

Темная материя состоит, по-видимому, из неизвестных элементарных частиц. Про них мы знаем только, что они имеют ненулевую массу, не распадаются, по крайне мере за время жизни Вселенной (около 14 миллиардов лет), не несут электрического заряда, не испытывают сильных (ядерных) взаимодействий, но притягиваются гравитационно так же, как обычное вещество. Именно по гравитационному воздействию на обычные частицы темная материя и была обнаружена. Мы не знаем ни массы частиц темной материи, ни того, насколько интенсивно они взаимодействуют с нашим веществом, и, что самое главное, не знаем, к какому семейству частиц они относятся. Можно только предположить, что за отсутствием распадов этих частиц стоит какой-то неизвестный закон сохранения, наподобие закона сохранения электрического заряда, запрещающего распадаться электрону.

Существование темной материи в нашей Вселенной — это большая удача. Именно темная материя сыграла главную роль в формировании структур во Вселенной. Не будь ее, не было бы ни галактик, ни звезд, ни нас с Вами, дорогой читатель. И это тоже стало окончательно ясно уже после выхода в свет книги Джона Хоргана.

Темная энергия — вообще необыкновенная субстанция. В отличие от обычного вещества и темной материи, она испытывает антигравитацию. Из-за этого темная энергия не собирается в галактики или скопления галактик; насколько сейчас известно, она разлита во Вселенной однородно. Из-за этого же темная энергия заставляет Вселенную расширяться с ускорением — галактики все быстрее и быстрее удаляются друг от друга вместо того, чтобы из-за гравитационного притяжения замедлять свой бег. Темная энергия, будь ее побольше во Вселенной, могла бы сыграть для нас фатальную роль: из-за быстрого расширения пространства звезды и галактики не успели бы образоваться, и наша Вселенная была бы совершенно однородной, темной и безжизненной. То, что темной энергии сравнительно мало — еще одна большая удача. Существование темной энергии было опять-таки установлено после выхода книги Джона Хоргана в свет.

Можно ли отнести эти открытия к открытиям первого ранга по классификации Джона Хоргана? Ответ на этот вопрос зависит от того, что считать «самыми фундаментальными открытиями». С одной стороны, и темная материя, и темная энергия вписываются (пока?) в общую теорию относительности и квантовую теорию, и в этом смысле «Основы физики остались нетронутыми». Мне, однако, более существенным представляется тот факт, что эти открытия, без сомнения, принципиально расширили общее представление о мире, встав в один ряд с открытием феномена расширения Вселенной и открытием реликтового излучения (его Джон Хорган почему-то среди великих открытий не числит, хотя именно оно доказало справедливость представления о горячей начальной стадии эволюции Вселенной, эпохе горячего Большого взрыва).

Можно ли ожидать открытий подобного масштаба в обозримом будущем? На этот счет многие (хотя и не все) физики разделяют оптимистическую точку зрения. Имеются серьезные основания ожидать, что представления о мире элементарных частиц будут кардинально расширены в результате экспериментов на Большом адронном коллайдере, который вводится в строй в ЦЕРНе, а затем на Международном электрон-позитронном коллайдере. Гипотез на эту тему множество, и большинство из них предсказывает существование новых семейств элементарных частиц и новых типов взаимодействий, принципиально отличающихся от всех тех, что мы изучали до сих пор. Вполне возможно, что среди новых частиц на Большом адронном коллайдере будут рождаться и частицы темной материи. Есть и более экзотические гипотезы. Например, в экспериментах на Большом адронном коллайдере могут начать проявляться новые измерения пространства, дополнительные к трем известным и не обнаруживаемые при меньших энергиях.

Суперколлайдер

Есть обоснованная надежда и на то, что летающие вокруг нас и сквозь нас частицы темной материи будут зарегистрированы в подземных лабораториях. Другая возможность состоит в том, что темная материя проявится через продукты своей аннигиляции, которые будут обнаружены детекторами под водой, подо льдом или в космосе. Эксперименты в этих направлениях идут давно и пока не дали однозначно положительного результата; предсказать, когда будет обнаружен сигнал от темной материи, трудно — мы пока слишком мало знаем о взаимодействиях частиц темной материи между собой и с обычным веществом. Однако экспериментальные методы развиваются, и с определенной долей уверенности можно сказать, что успех рано или поздно придет.

Прямое обнаружение частиц темной материи и изучение их свойств, скорее всего, приведет к прорыву в космологии. Например, согласно одной из наиболее правдоподобных и популярных гипотез, темная материя образовалась во Вселенной через 10 микросекунд после Большого Взрыва. Если эта гипотеза подтвердится, то мы сможем с уверенностью судить, какова была Вселенная в это время и как она тогда расширялась. Разумеется, здесь возможны и сюрпризы: экстраполяция с временного масштаба 1 секунды после Большого Взрыва (эпоха, о которой сегодня имеются экспериментальные данные) на масштаб 10 микросекунд может оказаться совсем не безобидным делом. Тем интереснее окажется ситуация в космологии ранней Вселенной!

Изучение темной энергии тоже, возможно, приведет к новым открытиям «первого ранга». При имеющейся точности наблюдения темная энергия выглядит как однородная в пространстве и постоянная во времени величина — мировая константа, космологический A-член, введенный в теорию, а затем отброшенный Эйнштейном. Теоретики, однако, обсуждают и другие возможности. Темная энергия может быть энергией новых сверхлегких и сверхслабых полей, тогда она зависит от времени и, вообще говоря, неоднородна в пространстве. Другой вариант: существующая теория гравитации — общая теория относительности — может перестать быть справедливой на космологических расстояниях и временах. Если в природе реализуется какая-нибудь из этих возможностей, то это проявится в первую очередь в особенностях ускоренного расширения Вселенной и будет обнаружено в астрономических наблюдениях на инструментах новых поколений.

Несколько слов о предсказаниях инфляционной теории, описывающей гипотетическую (пока?) стадию эволюции Вселенной перед стадией горячего Большого Взрыва. Высказывания на эту тему Дэвида Шрамма и Ховарда Джорджи являются по меньшей мере спорными. Простые, а потому наиболее правдоподобные инфляционные модели в действительности приводят к характерным предсказаниям, которые в будущем вполне могут найти экспериментальное подтверждение. Среди этих предсказаний — существование реликтовых гравитационных волн во всех диапазонах частот, с периодами вплоть до времени жизни Вселенной. Есть и более тонкие предсказания, относящиеся к свойствам тех неоднородностей материи, из которых впоследствии