Достучаться до небес. Научный взгляд на устройство Вселенной

Рэндалл Лиза

РИС. 77. Вселенная в разное время своего существования расширялась по–разному. В инфляционной фазе она расширялась экспоненциально. После окончания инфляции началось расширение, соответствующее традиционной теории Большого взрыва. Теперь темная энергия заставляет скорость расширения вновь увеличиваться

ДАЛЬНЕЙШИЕ ЗАГАДКИ

Темная энергия и скрытая масса говорят о том, что мы не так уж преуспели в разгадке эволюции Вселенной, несмотря на невероятное совпадение космологической теории и ее прогнозов с экспериментальными данными. Большую часть Вселенной составляет нечто такое, о сущности и составе чего мы не можем ничего сказать. Лет через 20, может быть, наше сегодняшнее

невежество будет вызывать лишь улыбку.

И это не единственная загадка, связанная с энергией Вселенной. Величина темной энергии, в частности, на самом деле представляет собой всего лишь «хвост» куда более значительной загадки: почему энергия, которая пронизывает всю Вселенную, так мала? Если бы ее суммарная величина была больше, она гораздо раньше по ходу эволюции Вселенной взяла бы верх над веществом и излучением, и структура Вселенной (и, естественно, жизнь в ней) не успела бы сформироваться. Кроме того, никто не знает, откуда раньше взялась огромная плотность той же энергии, запустившая и питавшая инфляционные процессы. Но самая крупная проблема, связанная с энергией Вселенной, — это проблема космологической постоянной.

Если исходить из квантовой механики, объем темной энергии должен был бы составлять куда большую величину и в инфляционный период, и сегодня. Квантовая механика учит нас, что вакуум — состояние, в котором нет постоянных частиц — на самом деле заполнен эфемерными частицами, которые то возникают, то исчезают вновь. Эти короткоживущие частицы могут обладать любой энергией — иногда настолько большой, что гравитационными эффектами от присутствия такой частицы уже нельзя пренебречь. Высокоэнергетические частицы придают вакууму необычайно большую энергию — намного большую, чем позволяет долгая эволюция Вселенной. Чтобы Вселенная выглядела именно так, как сейчас, объем энергии вакуума должен быть фантастически — на 120 порядков (!) — меньше, чем можно было бы ожидать исходя из законов квантовой механики.

Существует и еще один вопрос, связанный с этой задачей. Случайно ли мы живем именно в такое время, когда плотности энергии, связанной с веществом, скрытой массой и темной энергией, сравнимы между собой? Конечно, сейчас темная энергия преобладает над веществом, но менее чем втрое. Имея в виду, что все три вида энергии имеют принципиально разное происхождение и любой из них мог бы взять верх над остальными, тот факт, что их плотности близки, представляется чрезвычайно загадочным. Странность такого совпадения особенно заметна потому, что так дело обстоит только в наше время (грубо говоря). Ранее во Вселенной темная энергия играла заметно меньшую роль в общем балансе, а материя — большую. Спустя какое-то время энергия будет играть намного более серьезную роль. Только сегодня все три компонента — обычное вещество, скрытая масса и темная энергия — сравнимы между собой.

Вопросы о том, почему плотность энергии настолько мала и почему разные источники энергии вносят сегодня почти равный вклад в общий баланс, не получили пока никакого ответа. Более того, некоторые физики считают, что настоящего ответа на них не существует. Они уверены, что мы живем во Вселенной с таким маловероятным объемом энергии вакуума просто потому, что любой больший объем не позволил бы во Вселенной сформироваться галактикам и другим структурам, а соответственно, и нам тоже. Нас бы не существовало, и некому было бы задавать вопросы об объеме энергии в какой-то иной вселенной с иной величиной космологической постоянной. Эти физики считают, что вселенных множество и в каждой из них свой объем темной энергии. Но из всего множества вселенных только в тех, где могли возникнуть структуры, мог зародиться разум. Объем энергии в нашей Вселенной до смешного мал, но мы могли возникнуть и существовать только в таком мире. Это все тот же антропный принцип, который мы обсуждали в главе 18, и я уже тогда сказала, что меня он не убеждает. Тем не менее ни я и никто другой не может предложить лучшего ответа. Объяснение малой плотности темной энергии — возможно, самая главная на сегодняшний день загадка физики элементарных частиц и космологии.

Помимо загадок, связанных с энергией, у нас есть и космологическая загадка, связанная с веществом. Почему во Вселенной вообще имеется материя? Согласно нашим уравнениям вещество и антивещество равноправны. Сталкиваясь друг с другом, они аннигилируют и исчезают. По идее, после остывания Вселенной не должно было остаться ни вещества, ни антивещества.

Если скрытая масса не очень охотно вступает во взаимодействие и потому никуда не исчезает, то обычное вещество достаточно активно участвует в сильном взаимодействии. Без экзотических дополнений к Стандартной модели почти все наше обычное вещество к моменту остывания Вселенной до нынешней температуры

должно было бы исчезнуть. Единственная причина, по которой вещество могло сохраниться, — это явное преобладание вещества над антивеществом. Но простейшие версии наших теорий не предусматривают ни преобладания, ни какого бы то ни было преимущества. Необходимо установить причины, по которым протоны, существуя, не могут отыскать вокруг антипротоны, с которыми можно было бы аннигилировать. Где-то в систему должна быть встроена асимметрия между веществом и антивеществом.

Да, количество оставшегося вещества в несколько раз меньше, чем скрытой массы, но все же именно на видимое вещество приходится заметная доля массы Вселенной, не говоря уже о том, что оно есть источник всего, что мы все знаем и любим. Как и когда возникла асимметрия между веществом и антивеществом — еще один серьезный вопрос, с которым специалистам по физике элементарных частиц и космологам очень хотелось бы разобраться.

Вопрос о том, что представляет собой скрытая масса, тоже, естественно, сохраняет принципиальную важность. Возможно, когда-нибудь мы обнаружим, что фундаментальная модель связывает плотность скрытой массы с плотностью обычного вещества, на что, вероятно, намекают недавние исследования. Во всяком случае, мы надеемся, что вскоре эксперименты помогут нам больше узнать о скрытой массе. Об этих-то экспериментах мы сейчас и поговорим.

ГЛАВА 21. ГОСТИ С ТЕМНОЙ СТОРОНЫ

Когда главный инженер проекта БАКа Лин Эванс в январе 2010 г. выступал на калифорнийской конференции по БАКу и скрытой массе, завершил он свое выступление шутливой провокацией. Посетовав, что последние пару десятков лет «вы, теоретики, вслепую блуждали в темноте», он заявил: «Теперь я понимаю, зачем потратил 15 лет на строительство БАКа». Говоря все это, Лин, естественно, имел в виду дикую нехватку достоверных данных о высокоэнергетических процессах, от которой в предыдущие годы страдали все физики без исключения. При этом в его словах можно было усмотреть и намек на то, что сделанные на БАКе открытия, возможно, прольют свет на темную материю.

Между физикой элементарных частиц и космологией существует множество связей, но одно из самых интересных предположений гласит, что скрытая масса — это таинственное вещество — может возникать на энергиях, доступных для БАКа. Интересно, что если существуют стабильные частицы с массой масштаба слабого взаимодействия, то количество энергии в таких частицах (родились они во времена молодости Вселенной и дожили до наших дней) примерно соответствовало бы тому, что ученые ожидают от скрытой массы. Результаты вычислений количества скрытой массы, оставшейся от изначально горячей — но остывающей — Вселенной, показывают, что дело, возможно, обстоит именно так. Это означает, что не только сама скрытая масса может обнаружиться у нас прямо под носом, но и указания на ее природу тоже находятся где-то совсем рядом. Если скрытая масса в самом деле состоит из частиц с массой масштаба слабого взаимодействия, то не исключено, что БАК не только позволит нам ответить на вопросы о физике этой частицы, но и даст указания на то, что находится в огромной Вселенной и как все началось; без этих вопросов космология немыслима.

РИС. 78. Поиск скрытой массы идет в трех направлениях. Подземные детекторы пытаются непосредственно засечь столкновения частиц темной материи с ядрами–мишенями. Возможно, на БАКе удастся получить частицы скрытой массы, которые оставят след в его экспериментальных установках. А спутники и телескопы, может быть, засекут в космосе свидетельства аннигиляции частиц скрытой массы с образованием видимого вещества

Но эксперименты на БАКе — не единственный способ поиска скрытой массы. Факт состоит в том, что физика в настоящее время вступила в потенциально очень интересную эру новых данных, причем не только в области физики элементарных частиц, но и в области астрономии и космологии. В этой главе объясняется, как именно в ближайшее десятилетие будет идти поиск скрытой массы; речь пойдет о трех направлениях поиска. Сначала предстоит выяснить, почему самыми вероятными кандидатами на роль скрытой массы являются частицы с массой масштаба слабого взаимодействия; после этого надо подумать, как получить на БАКе эти частицы и опознать их, если эта гипотеза верна. Затем мы рассмотрим, как приборы, специально разработанные для поиска частиц темной материи, пытаются отследить их прибытие на Землю и зарегистрировать их слабые, но потенциально различимые взаимодействия. Наконец, мы рассмотрим способы, при помощи которых телескопы и детекторы на земле и в космосе ищут в небе следы аннигиляции частиц темной материи. Все три способа поиска скрытой массы показаны на рис. 78.