Открытие Вселенной - прошлое, настоящее, будущее

Потупа Александр

Должно быть, мы достаточно углубились в сферу мысленных конструкций, не имеющих под собой пока ни одного экспериментального факта. Однако в данной ситуации путешествие по многообразным и скользким путям воображения кое-чем оправдано. На горизонте маячит принципиально новая ветвь астрофизики, тесно переплетенная с грядущими исследованиями поведения вещества в совершенно необычных условиях. Мы ощупываем этот горизонт лучами своих весьма несовершенных аналогий, но даже в столь примитивном освещении вырисовывается нечто крайне привлекательное.

Открытие реликтовых структур типа микрозвезд или каких-то явных следов их существования в ранней Вселенной стало бы одним из мощнейших революционизирующих толчков в истории естествознания. Мало того, что само по себе оно дало бы новую сферу исследований, оно послужило бы и важнейшей опорной точкой для броска в планковскую область, в зону Первовзрыва.

Возможность сшить два мира — звезд и элементарных частиц — кажется чем-то

сказочным, однако тот, кто посчитает эту идею пределом фантастики, разочаруется очень скоро — уже в следующем разделе мы столкнемся с не менее эффектными гипотезами.

Антропогенный принцип

Хорошая физическая теория должна, исходя из очень небольшого круга фундаментальных положений, выводить конкретные предсказания, в частности, объяснять численные значения наблюдаемых характеристик окружающего мира. Речь идет о массах, временах жизни, светимостях, частотах и т. д.

С большинством таких задач современная физика справляется довольно успешно. Например, мы знаем, что характерная частота переходов в атоме водорода, полностью нормирующая его спектр, легко выражается через постоянную Планка, заряд и массу электрона — это так называемая постоянная Ридберга (R = m_ee⁴/2 ћ²). Характерная масса звезды типа Солнца с точностью до несущественного числового множителя оценивается комбинацией трех мировых констант и массы протона (M~ (ћc/G)^3/2 m_p^{– 2} ~ (m_P³/m_p²)), то есть удобно выражается через планковскую массу. Нечто похожее имеет место и в других случаях — все в порядке, если наблюдаемые параметры объектов и процессов выражены через некий минимальный набор констант.

В этот набор сейчас включены и величины, которым, может быть, там не место. Многие физики убеждены, что более общая теория даст методы расчета спектра масс элементарных частиц, и массы электрона и протона будут выражены через какие-то более фундаментальные вещи, например, через планковскую массу. Не исключено, что найдутся в такой общей теории и идеи, позволяющие вычислять заряд электрона и другие константы взаимодействия. Было бы, конечно, здорово свести все и вся к комбинациями трех мировых констант ћ, с, G или, что то же самое, к планковским единицам. Но пока приходится опираться на достигнутое, и реалистический минимальный набор, наряду с фундаментальной тройкой, включает массы и константы взаимодействия элементарных частиц.

Общая теория имеет шанс еще долго пробыть предметом веры, но в связи с ее предполагаемым появлением есть и несколько пессимистические точки зрения. Честно говоря, в области известных ныне элементарных частиц не видно параметра с размерностью массы, который позволил бы объяснить весь спектр наблюдаемых масс. И не так-то легко поверить в существование одного параметра, который (подобно константе Ридберга в атомной физике) даст единую нормировку массового спектра в огромном интервале от нейтрино до самых тяжелых адронных резонансов. Что же касается стратегии дальнего прицела, например, использования планковской массы, то по нынешнему физико-математическому кругозору кажется маловероятным, чтобы какая-то теория уверенно вычисляла потрясающе малые безразмерные константы отношения масс обычных элементарных частиц к массе планкеона (скажем, для протона m_р/m_Р = 10^–19!).

Если даже предположить, что программа такого рода будет выполнена, и все известные массы частиц и константы связи выстроятся из фундаментальной тройки, то останется и такой вопрос: как объяснить тройку, или, по-другому, откуда берется планковский набор {l_P, t_P, m_P}?

Подходя к делу прагматично, можно вообще не считать актуальной проблемой получение спектра масс элементарных частиц и тем более установление природы планковского набора. В конце концов, современный уровень физики просто не позволяет заглянуть достаточно глубоко — в свое время и набор частот в атомных спектрах представлялся загадкой…

Есть и иной путь — поискать какую-то совсем оригинальную схему объяснения, не исключая даже сильных отклонений от существующей физической традиции. Под традицией понимается своеобразная атомистическая идеология, сложившаяся в первые десятилетия нашего века под впечатлением грандиозных успехов атомной и молекулярной физики. Есть определенный структурный уровень материи — окружающее нас вещество. Его свойства во всех фазах (газовой, жидкой и твердой) хорошо объясняются моделью атомно-молекулярного строения. Но сами параметры атомов и молекул — массы, размеры, характерные частоты — до поры входили в теорию просто как необъяснимые константы. Квантовая теория превосходно объяснила эти параметры на более глубоком структурном уровне, создав модели строения атомов и молекул. На сегодняшний день атомно-молекулярная картина целиком выводима из свойств элементарных частиц, то есть основана на еще более глубоком структурном уровне материи. Ну, и так далее — прорвемся мы когда-нибудь к следующему уровню и на этой основе построим полную теорию элементарных частиц, и их массы, конечно же, исчезнут из минимального набора констант…

Вполне вероятно, что так и будет, но есть ли уверенность, что материя достроена по строго матрешечному принципу?

Оригинальная точка зрения, не разделяющая эту уверенность, стала развиваться в 60-е годы. Речь идет о так называемом методе бутстрэпа, или самозашнуровки [130] . Этот подход выставил в качестве схемы объяснения такую идею: все параметры минимального набора образуют единственную самосогласованную систему в том смысле, что любой из них имеет наблюдаемое значение, поскольку все остальные имеют тоже наблюдаемые значения. Иными словами, масса протона составляет 1,67.10^–24 г потому, что масса электрона 9,11.10^–28 г, масса Солнца 1,99.10³³ г, а скорость света 3.10¹⁰ см/с и т. д. И если немного изменить массу протона (или Солнца или? — мезона), «поедут» все остальные фундаментальные константы и параметры, теоретические оценки во всех областях разойдутся с наблюдениями.

130

По-английски бутстрэп — шнуровка обуви (bootstrap)

Разумеется, здесь приведена экстремистская формулировка бутстрэпа как принципа организации Вселенной. Из нее следует, что мы живем — в лучшем или не в лучшем, — но в единственно возможном мире. Решить проблему в такой формулировке трудно, если вообще возможно.

То, что масса обычных звезд зависит от массы протона, — следствие обычной астрофизической модели, не требующее чего-то в духе бутстрэпа. Связь между величинами масс протона и электрона вообще не ясна. В теории адронов бутстрэп продемонстрировал ряд наглядных связей между массами, но распространить эти идеи на лептоны (в частности, на электрон) не удалось.

Если бы дело ограничилось явным вычислением связей такого рода или гипотезами о возможных связях, то, по сути, бутстрэп следовало бы считать принципом взаимосогласованности различных срезов действительности.

Но у него есть и особая, так сказать, зона применения. Увидеть ее проще всего, обратив внимание на так называемые «магические соотношения». Одно из них мы упоминали в предыдущем разделе — радиус наблюдаемого участка Вселенной того же порядка, что и радиус гравитационного атома, образованного парой обычных элементарных частиц (R ~ c/H ~ ћ ²/Gm³ [131] ). Современная теория элементарных частиц и теория гравитации это соотношение не выводят, возможно, потому, что они не объединены. Вот здесь-то бутстрэп и пытается сыграть роль заместителя единой теории. Можно, например, показать, что возраст типичной звезды на главной последовательности диаграммы Герцшпрунга-Рэссела по порядку величины близок к t ~ ћ ²/Gm_p³c ~ t_P (m_P/m_p)³, то есть рассмотренное «магическое соотношение» как бы отражает экспериментально наблюдаемый факт обилия звезд главной последовательности в нашу эпоху. Появляется своеобразная зарубка на оси времени (t ~ 10¹⁷–10¹⁸ с), соответствующая космологической эпохе обилия обычных звезд. Это нечто вроде зарубок, соответствующих эпохам адронного синтеза (t ~ 10^{– 5} c) или атомного синтеза (t ~ 10⁵–10⁶ лет). Но есть и интересная разница — ведь в «магическое соотношение» входят параметры нашей эпохи, в частности, наблюдаемое значение функции Хаббла. Требуя, чтобы возраст наблюдаемой Вселенной был того же порядка, что и возраст звезд главной последовательности (хотя бы столь большим, чтобы эти звезды могли достаточно далеко зайти в своей эволюции), мы вроде бы объясняем «магическое соотношение» — только какой ценой? По существу, мы навязываем Вселенной наличие звезд типа Солнца, а тем самым — косвенно — и собственное существование.

131

Для численной оценки лучше всего подходит? — мезон, но взять протон (m_p/m ~ 7) — тоже не ошибка. Ведь такую величину, как возраст Вселенной (~ 1/H) или ее радиус, мы оцениваем очень грубо — по порядку величины.