Продолжение. Начало см. в №195 от 20 октября 2009 г.

Часть II. Большой Взрыв и эволюция ранней Вселенной

Вакуум рвется в клочья –
Рождается наша Вселенная!
Устала инфляция очень
Тащить ее тело бренное.
В огненном супе варка,
Силы единой действо.
Ей что лептоны, что кварки,
Надо сварить их вместе.
Атомы, ядра, звезды …
Успешен их синтез был.
Когда человек был создан,
И мир уже поостыл.
Ясно сейчас – суперсила
Была в ответе за все.
Она и людей породила.
Горенье! В нем сила ее!
И.Романов

В настоящее время ученые, занимающиеся космологией (это наука о Вселенной), не сомневаются, что наша Вселенная возникла в процессе гигантской катастрофы – Большого Взрыва. Ранее считали, что это случилось 20 миллиардов лет назад, сейчас по уточненным данным эта цифра – 13,7 миллиардов лет. Большой Взрыв произошел не в каком-то конкретном месте Вселенной, а сразу везде. В то время еще не было ни звезд, ни галактик, ни даже атомов и атомных ядер. Вселенная была очень малых размеров и представляла собой горячий, плотный и быстро расширяющийся сгусток материи. И все, что тогда в нем происходило, как считают, в течение первых трех минут, определило дальнейшую эволюцию и современную структуру Вселенной.
Представление о Большом Взрыве и расширяющейся Вселенной возникло сравнительно недавно. Еще в начале 20-го века, не говоря уже о более раннем времени, в науке господствовала идея о статичности, вечной неизменности Вселенной как целого. Идея неизменности во времени Вселенной казалась сама собой разумеющейся. Хотя в отдельных ее частях могли происходить сложные процессы, мысль об ее эволюции как целого представлялась нелепой. В основе этой идеи был факт видимой неизменяемости астрономических тел и систем – Солнца, планет, наблюдаемых звезд и звездных скоплений. Еще Аристотель называл Вселенную вечной и неизменяемой. А.Эйнштейн тоже находился в плену этой идеи. Создав общую теорию тяготения и получив уравнение, применимое для всей Вселенной, он стал искать его статическое, т.е. не зависящее от времени, решение. Иными словами, он на научной основе построил модель не меняющейся во времени Вселенной, отвергнув ее эволюцию как целого. Однако, как оказалось, полученное им уравнение статических решений не имело! И А.Эйнштейн совершил, как он признал впоследствии, фатальную для ученого ошибку. Чтобы получить именно статическое решение, он изменил само уравнение, введя в него дополнительный и мало обоснованный член.
Современный этап космологии начался с работ российского ученого А.Фридмана, выполненных в 1922-1924 гг. На основе теории тяготения А.Эйнштейна он разработал математическую теорию движения вещества во всей Вселенной и доказал, что это вещество не может находиться в покое. Иными словами, Вселенная обязана меняться во времени, она должна либо расширяться, либо сжиматься. Соответственно будет изменяться и средняя плотность вещества во Вселенной. Статическая модель для Вселенной оказалась невозможной!

Вскоре астрономические наблюдения подтвердили теоретически обоснованную новую модель Вселенной – не статической, а развивающейся во времени. В 1929 г. астроном Э.Хаббл установил, что во Вселенной галактики разбегаются друг от друга, т.е. Вселенная расширяется. Скорость удаления любой галактики, а их множество, оказалась пропорциональной расстоянию от точки наблюдения (закон Хаббла). Интересно, что этот закон не зависит от самого положения точки наблюдения – она может быть и на Земле, как у Э.Хаббла, и на любой звезде или галактике. Получается, что нет единого центра, от которого разбегаются галактики, каждая удаляется от всех остальных. Как это может быть? Поясним.
Вообразим пока еще спущенный резиновый шарик, на поверхности которого мелом нанесено множество точек. Будем его надувать. Шарик приобретет сферическую форму и станет расширяться все сильнее и сильнее. Точки на его поверхности будут удаляться друг от друга, и это независимо от того, какую конкретно точку мы возьмем за начало отсчета расстояний. Удаляться от выбранной точки будут все другие во всех направлениях. Примерно так можно представлять себе и расширяющуюся Вселенную – это некий раздувающийся «пузырь», на поверхности которого находятся удаляющиеся друг от друга галактики. Как следствие, средняя плотность видимого вещества во Вселенной будет уменьшаться.

Из теории А.Фридмана и из наблюдений Э.Хаббла следовало, что в далеком прошлом Вселенная не была похожа на нынешнюю. Был период, когда не было ни отдельных небесных тел, ни созвездий, ни галактик. Все вещество Вселенной было почти однородным, очень плотным, и оно стремительно расширялось. Гораздо позже в результате действия известных физических законов из него возникли звезды, из них созвездия и галактики, скопления галактик, после чего картина расширяющейся Вселенной приобрела современный вид. С конца сороковых годов такой сценарий для нестационарной Вселенной стал господствующим. Задачей астрофизиков стало объяснение процессов, протекавших во Вселенной на различных этапах ее расширения.
Одной из теорий, сделавших успешные предсказания о ходе этих процессов, стала Теория горячей Вселенной Г.Гамова (1946-1948 гг.), впоследствии Нобелевского лауреата. В ней все должно было начаться с взрыва, получившего название Большого. В результате его возникло сильно нагретое вещество большой плотности (отсюда и название – «Теория горячей Вселенной»). Дошедшие до нашего времени химические элементы, из которых состоят все наблюдаемые тела, включая и Землю, как бы «сварились» из нуклонов еще в ранней Вселенной на основе известных ядерных реакций. Теория холодной Вселенной этого объяснить не могла – ядерные реакции требуют очень высоких температур.

Теория горячей Вселенной, эволюция которой началась с Большого Взрыва, сделала два предсказания, которые можно было проверить наблюдениями. Во-первых, вещество, из которого образовывались первые звезды и галактики, должно было состоять на три четверти из водорода и на четверть из гелия. Примесь других, более тяжелых элементов, могла быть незначительной. Во-вторых, в момент Большого Взрыва температура была очень высокой. Это означает, что высокой была и концентрация тепловых фотонов, т.е. первичного электромагнитного излучения.
Из физики известно, что энергия электромагнитного излучения определяется температурой среды. С уменьшением температуры в процессе расширения Вселенной количество тепловых фотонов останется тем же, но их энергия сильно уменьшится. По Гамову, сейчас Вселенная должна быть заполнена тем же тепловым излучением (оно получило название реликтового), но теперь его энергия соответствует примерно -270° по Цельсию (на 3 градуса выше абсолютного нуля температуры). Оба этих предсказания блистательно подтвердились! Преобладание водорода в составе вещества звезд было установлено давно, а реликтовое излучение было открыто гораздо позже – в 1965 г. А.Пензиасом и Р.Вильсоном. За это открытие они в 1978 г. стали Нобелевскими лауреатами.

Современный этап в развитии космологии связан с интенсивными исследованиями фазы Большого Взрыва, возникновения и эволюции ранней Вселенной, когда имели место гигантская плотность вещества и исключительно высокие температуры. Естественно, делаются попытки получить ответ на вопрос, что было до Большого Взрыва и в чем его причина. Все вместе, да и по отдельности тоже, представляет собой очень сложную задачу, пытаться решать которую можно только на базе самых последних достижений теоретической физики. В первую очередь, это физика элементарных частиц и теория фундаментальных взаимодействий. Теория суперсилы и суперсимметричной силы, о которой мы рассказывали выше, в приложении к космологии, а это космомикрофизика, во многом позволяет понять, как все происходило, и объяснить почти все наблюдаемые закономерности. Ниже с позиций ксмомикрофизики мы рассмотрим более подробно различные этапы эволюции Вселенной, начиная с Большого Взрыва. Обсудим также и вопрос о том, что было до Большого Взрыва и что к нему привело.

НАЧАЛЬНЫЕ ЭТАПЫ ЭВОЛЮЦИИ ВСЕЛЕННОЙ

Пока оставим в стороне вопрос, почему случился Большой Взрыв. Скажем только, что это есть следствие физических процессов, которые инициировались и управлялись самой универсальной из всех сил – суперсимметричной. Напомним, что в ней слились воедино все известные виды взаимодействий. Она действовала до 10^-43 сек (напомним, что 10^--43 сек – это так называемое планковское время) и вызвала «на свет» нашу Вселенную. Этот этап называли Эрой Планка. Здесь и ниже у нас будут возникать временные точки (типа 10^--43 сек), фиксирующие начало и конец этапов эволюции Вселенной. Мы уже отмечали, что для мира вокруг нас и нашего сознания это невообразимо малые величины, их не с чем сравнить. Остается принимать их как данное, не очень фиксируя свое внимание на самих численных величинах. Но будем помнить, что для процессов, протекавших в тот период, эти цифры вполне «нормальны».
Проиллюстрируем это примером из микромира. Среди элементарных частиц есть такие, время жизни которых порядка 10^--12 сек. Много это или мало? Для нас невообразимо мало. А для микромира? Сравним это время со средним временем протекания ядерных процессов – это величина, меньшая 10^-20 сек. Отношение указанных времен дает цифру 10⁸, т.е. время жизни элементарной частицы в сто миллионов раз больше характерного времени для процессов в ядерной физике. Эта частица для таких процессов практически стабильна! Можно перевести это утверждение на макроскопический «язык». В нашем макромире цифра 10⁸ получится, если, например, поделить время существования Вселенной (14 миллиардов лет) на среднее время жизни человека (польстим ему, пусть это будет 140 лет). Понятно, что наша жизнь – это просто миг в сравнении с возрастом Вселенной, для нашего восприятия Вселенная стабильна.

Вернемся к теме. Начнем с момента (около 10^--43 сек), когда в очень маленький объем (его радиус примерно в миллиард раз меньше радиуса протона) «выплеснулась» громадная энергия 10⁶⁸ Дж. Для сравнения: если эту энергию по формуле А.Эйнштейна E=mc² пересчитать в соответствующую массу m, то ее величина будет эквивалентна массе 10 миллиардов галактик, причем каждая состоит из 200-300 миллиардов звезд.
Выделение энергии сопровождалось бурным расширением начального объема. Такой процесс носит название инфляции (термин взят из экономической науки). Это не обычное расширение, скажем, газа, известное из физики. При обычном расширении давление внутри объема газа уменьшается, соответственно уменьшается и энергия газа в единице его объема. Инфляция же происходит как бы с отрицательным давлением, имеет место космическое отталкивание невероятной силы. В этой фазе энергия единицы объема не убывает, а растет, и величина полной энергии в конце периода инфляции достигает указанного значения. И все это есть результат действия суперсимметричной силы! Ниже мы еще вернемся к этому этапу.
Когда на «всемирных часах» было планковское время – 10^-43 сек, период инфляции завершился. Вся накопленная энергия высвободилась в одном гигантском всплеске, породив вещество и тепловое излучение. Это и был Большой Взрыв! С этого момента началось уже обычное расширение с положительным давлением, и энергия единицы объема стала уменьшаться. Начался новый этап эволюции – Эра ТВО (вспомним, аббревиатура «ТВО» – это «Теория Великого Объединения»), продолжавшийся до 10^-36 сек. Возникло вещество – возникла и сила гравитации, которая является силой притяжения. В этот период физическими процессами стала управлять уже менее симметричная сила – суперсила. Гравитация выделилась из суперсимметричной силы, после чего она превратилась просто в суперсилу.

Рассмотрим теперь, что происходило во Вселенной во временном интервале от 10^-43 сек до 10^-36 сек. Это Эра ТВО, время «господства» суперсилы. На этом этапе эволюции Вселенная была заполнена «космическим супом» из чрезвычайно массивных частиц. Их масса во много миллиардов раз была больше массы протона. Температура этого «супа» в начале Эры ТВО была около 10³² градусов (различия в шкалах температур (Цельсия, Кельвина и пр.) при таких гигантских их величинах практически не играют роли).
Изначально число частиц и соответствующих им античастиц было одинаково. В этом утверждении физика опирается на известный экспериментальный факт: «рождение» частицы всегда происходит в паре с ее античастицей. Например, высокоэнергетический фотон может «родить» пару электрон-позитрон, при столкновениях протонов могут также рождаться протон-антипротон, нейтрон-антинейтрон и пр., но никогда не появляются, например, только два протона или только протон и нейтрон. Следовательно, вначале «космический суп» был смесью вещества и антивещества в равных пропорциях. Это важное утверждение, поскольку сейчас эта пропорция нарушилась: имеет место барионная асимметрия Вселенной. Так в ней называют преобладание вещества над антивеществом, последнего практически вообще нет. Эта закономерность установлена в астрономических наблюдениях. Почему она возникла?
Из-за действия суперсилы массивные частицы не были стабильными (вспомним поиски распада протона: его, всегда считавшегося стабильным, именно суперсила заставила распадаться). Расчеты показывают, что при распаде частицы должно образовываться много дочерних частиц, которые на 2/3 представляют собой вещество и лишь на 1/3 антивещество. И, наоборот, при распаде соответствующей античастицы должно получаться 2/3 антивещества и 1/3 вещества. Но! И это важно! Сама же суперсила эту симметрию чуть-чуть нарушает в пользу вещества: на миллиард симметричных распадов все же приходится одна лишняя частица вещества (соотношение 10⁹ к 1). К концу Эры ТВО из-за охлаждения «космического супа» (Вселенная расширяется!) распады частиц и античастиц затрудняются. Тем не менее, пропорция, по-прежнему, сохраняется: на каждый миллиард пар частица-античастица приходится одна лишняя частица вещества. Исходное соотношение вещества и антивещества 50 на 50 оказывается чуть-чуть нарушенным в пользу вещества.

К 10^-36 сек температура «космического супа» составляет уже 10²⁸ градусов, и происходит переход к следующему этапу – Эре лептонов. Он начинается с аннигиляции вещества и антивещества. Аннигиляция приводит к появлению большого количества фотонов (например, известный факт – аннигиляция электрона и позитрона «рождает» два фотона), а это и есть электромагнитное излучение. Кроме этого, остается и накопившееся за Эру ТВО избыточное вещество, ему аннигилировать не с чем. Одновременно из-за охлаждения среды суперсила понижает, как это было ранее с суперсимметричной силой, уровень своей симметрии, распадаясь на электрослабое и сильное взаимодействия.
Итак, физические процессы, управляемые суперсилой, на данном этапе эволюции Вселенной привели к накоплению вещества (в смысле – не антивещества, оно исчезло) и заполнению космического пространства электромагнитным излучением. При этом сохраняется та же пропорция – на миллиард фотонов будет приходиться одна единица вещества (10⁹ к 1). Возникшее в результате аннигиляции электромагнитное излучение будет сохраняться и в дальнейшем. Именно оно было открыто в 1965 г. и названо реликтовым (о нем уже говорилось выше). Отмеченная пропорция тоже осталась и сейчас дает количество фотонов, приходящихся на один протон, составляющего основу современного вещества.
Это же соотношение объясняет и температуру реликтового излучения. Она получается не 30 или 0,3 градуса в шкале Кельвина, а около 3 градусов (-270° по Цельсию), как и наблюдается. Таким образом, космомикрофизика с процессами на этом этапе эволюции Вселенной напрямую связывает и объясняет две наблюдающиеся закономерности: преобладание вещества над антивеществом во Вселенной и наличие реликтового излучения, заполняющего космос. В том числе объясняется количественно и температура этого излучения.

Рассмотрим теперь, что происходило в Эру лептонов – от 10^-36 сек до 10^-10 сек. На этом этапе температура снижалась от начальных 10²⁸ градусов до конечных 10¹⁵ градусов. Частицы вещества уже не могли обмениваться очень тяжелыми переносчиками суперсилы (для этого температура стала слишком низкой). Это означало, что сильно взаимодействующие частицы (аналоги кварков) уже не могли превращаться в лептоны и наоборот, как это было в Эру ТВО. Поэтому произошло расслоение вещества на квазикварки и квазилептоны. «Квази», т.е. «почти», потому, что они еще не стали теми кварками и лептонами, которые нам известны сейчас.

Теперь на первый план вышла электрослабая сила, бывшая ранее просто одной из составляющих суперсилы. Именно она не давала кваркам и лептонам приобрести известную нам индивидуальность (напомню, сейчас мы знаем шесть типов кварков и столько же лептонов, не считая их античастиц). Благодаря обмену переносчиками электрослабой силы одни кварки постоянно превращались в другие и наоборот. То же самое происходило и с лептонами – они также все время взаимопревращались, например, электроны превращались в мю-мезоны или тау-лептоны и наоборот.
Переносчики электрослабого взаимодействия довольно тяжелые, их масса примерно в 100 раз больше массы протона. По мере охлаждения Вселенной из-за ее расширения взаимообмен переносчиками все более затруднялся. И когда температура понизилась до 10¹⁵ градусов, совершился очередной, как принято говорить, фазовый переход (этот термин из термодинамики, примерами фазовых переходов могут быть превращения воды в лед или пар). Обмен переносчиками электрослабой силы практически стал невозможен, а потому кварки и лептоны приобрели свою индивидуальность. Они стали теми кварками и лептонами, которые мы знаем в настоящее время. Начался следующий этап эволюции Вселенной.

На этапе от 10^-10 сек до 10^-4 сек из возникшей кварк-глюонной плазмы (напомню, глюоны – переносчики сильного взаимодействия) к концу этапа стали возникать первые адроны – протоны, нейтроны, пи-мезоны и др. Поэтому этап назвали Эрой адронов. Вначале температура была слишком высока, чтобы глюоны могли «склеить» кварки в устойчивые образования (адроны). Но, примерно к 10^-6 сек, она снизилась до 10¹³ градусов, и стали возникать первые адроны. К концу эры во Вселенной уже возникло вещество из адронов и лептонов, а также она была заполнена электромагнитным излучением. Итогом физических процессов этого этапа был очередной фазовый переход – появились адроны, а электрослабая сила распалась на слабую и электромагнитную. С этого момента во Вселенной действовали уже хорошо известные нам четыре взаимодействия – гравитационное, слабое, электромагнитное и сильное. Чтобы они вновь стали объединяться, надо было бы пройти весь путь в обратном направлении – Вселенную сжимать и нагревать. Кстати, ученые обсуждали, а не начнется ли со временем такой обратный процесс, итогом которого будет Большой Хлопок (начиналось с Большого Взрыва)? Он мог бы случиться, когда расширение закончится, и гравитация вновь начнет стягивать вещество Вселенной в одну точку. В свете последних данных, кажется, этого не должно быть.
По сути дела, поле приложения космомикрофизики на этом этапе заканчивается, потому что все дальнейшие процессы более или менее исследованы. Просто перечислим их: дозвездный синтез из адронов гелия, образование первых звезд, синтез атомных ядер в них, присоединение к атомным ядрам электронов и возникновение атомов, объединение атомов в молекулы и т.д. Они осуществляются на разных временных этапах, которые становятся все более протяженными, по мере остывания и уменьшения плотности вещества во Вселенной. Всеми этими процессами теперь, как считают, управляют известные физические законы, а соответствующие этапы эволюции изучаются в астрофизике. Мы же опять вернемся к Большому Взрыву и рассмотрим, что современная наука говорит о причинах Большого Взрыва и что было до него.

ЧТО БЫЛО ДО БОЛЬШОГО ВЗРЫВА?

Черная Королева покачала головой:
«Вы, конечно, можете называть это
чушью, но я-то встречала чушь такую,
что в сравнении с ней эта кажется
толковым словарем».
Л. Кэрролл, «Алиса в Зазеркалье»

Большой Взрыв и Теория горячей Вселенной поставили ряд вопросов. Почему начальная Вселенная в виде огненного сгустка была такой горячей и плотной? Почему она расширялась, хотя гравитация, а это сила притяжения, этому препятствует? И, наконец, что же было до Большого Взрыва? Ответ на все эти вопросы, который пока не окончательный, пытается дать теория инфляции. В конце прошлого века ее начала развивать группа ученых во главе с Аланом Гутом из Массачусетского технологического института в США. Еще эти же вопросы обсуждаются и в теории суперструн (об этом был разговор в главе I). Поговорим о теории инфляции.
Основу теории инфляции составляет понятие квантового вакуума. В обычной жизни под вакуумом понимают просто абсолютно пустое пространство. Однако в физике квантовый вакуум – это не пустое пространство, а физический объект, обладающий энергией и давлением. Как и всякая квантовая система, он может находиться в различных энергетических состояниях, которые тоже имеют свои названия. Например, состояние с наименьшей энергией – это основное состояние, состояния с более высокими энергиями – возбужденные. Мы живем в очень низкоэнергетическом вакууме. Долгое время считалось, что это и есть его основное состояние с энергией, равной нулю. Сейчас, после недавнего открытия так называемой темной энергии (о ней и еще о темной материи мы поговорим отдельно), считают, что энергия вакуума уже слегка отлична от нулевой.

Представление о физическом вакууме не как о пустом пространстве имеет экспериментальные основания. Физика элементарных частиц считает, что физический вакуум заполнен полями – электромагнитным, сильным и др., это полевая форма материи. При определенных условиях из физического вакуума «рождаются» частицы. Так, при столкновении протонов в сильном поле «рождаются» пи-мезоны, пары «протон-антипротон» и пр. В сильном электромагнитном поле как бы самопроизвольно «рождаются» пары «электрон-позитрон», мю-мезоны и др. Такие процессы наблюдаются при столкновениях очень тяжелых ионов, когда суммарное электрическое поле двух сблизившихся тяжелых ионов становится экстремально большим. Еще пример из астрофизики. Так, астрономические наблюдения показывают, что очень сильное гравитационное поле около черных дыр (это коллапсировавшие массивные звезды) буквально «кишит» парами «частица-античастица» различного сорта. Все они тоже «рождаются» из физического вакуума.
В теории инфляции возбужденные состояния квантового вакуума называют «ложными». Особенностями «ложного» вакуума являются его очень высокая энергия и отрицательное давление в нем, которое называют натяжением. Что это такое, можно понять так. Возьмем кусок резины и будем его растягивать. Появится натяжение – сила, направленная не вовне, как с положительным давлением, а внутрь, и эта сила заставляет резину сжиматься. Иначе. Если можно было бы заполнить космическим веществом с отрицательным давлением сосуд, то, в отличие от обычного газа, эта среда не давила бы на стенки сосуда, а стремилась бы их втянуть вовнутрь. Это опять проявление особых свойств суперсимметричной силы, которая управляет процессами в квантовом вакууме.
Самое странное свойство «ложного» вакуума, которое опять-таки есть проявление свойств суперсимметричной силы, – это отталкивающая гравитация в нем. По теории гравитации А.Эйнштейна гравитационная сила возникает не только из-за массы (т.е. при наличии энергии, так как это эквивалентные величины по А.Эйнштейну), но и из-за давления. Положительное давление вызывает притяжение, отрицательное – отталкивание. В «ложном» вакууме отталкивающее действие давления превышает притяжение, обусловленное энергией (т.е. эквивалентной ей массой). В суммарном итоге будет отталкивание, тем более сильное, чем больше энергия «ложного» вакуума.

«Ложный» вакуум неустойчив, он быстро распадается с переходом в основное состояние, т.е. возвращается к состоянию «нашего» низкоэнергетического вакуума. Избыток энергии тогда пойдет на создание «файерболла» – огненного шара. Он и будет начальной фазой в «рождении» Вселенной. Этот процесс опять-таки из-за действия отрицательного давления будет сопровождаться бурной инфляцией, расширением, что описывалась в предыдущем разделе. Таким образом, согласно теории инфляции распад «ложного» вакуума и есть Большой Взрыв. После него Вселенная уже будет развиваться под действием суперсилы и в соответствии со стандартной космологией так, как это было описано в предыдущем разделе.
Алан Гут не изобретал «ложный» вакуум со столь необычными свойствами, какие ему были приписаны. До него все это было уже известно в космомикрофизике и являлось следствием свойств суперсимметричной силы. А.Гут только предположил, что в самом начале истории Вселенной пространство находилось в состоянии «ложного» вакуума. Это сразу объяснило казавшиеся загадочными особенности начального состояния. Действительно, высокая температура возникает из-за высокой энергии «ложного» вакуума. Бурное расширение связано с отталкивающей гравитацией, которая заставляет «ложный» вакуум расширяться, а потом возникший огненный сгусток продолжает расширяться уже по инерции.
Объясняется и наблюдаемая однородность Вселенной. Поясним эту закономерность, мы ее раньше не отмечали среди других. На первый взгляд кажется, что это не так, ведь, во Вселенной есть звезды, созвездия, галактики, зрительно разбросанные по небу неравномерно. Но в действительности оказывается следующее. Если взять какое-либо направление от Земли, то в среднем распределение вещества вдоль этого направления будет таким же, как и вдоль любого другого. Эту закономерность и отмечают как свойство однородности Вселенной. По теории инфляции такая однородность обусловлена строго постоянной плотностью энергии «ложного» вакуума. Впрочем, она не исключает малых неоднородностей, обусловленных квантовыми флуктуациями (случайными, самопроизвольными отклонениями от равномерного исходного распределения энергии). Впоследствии именно из этих флуктуаций энергии впоследствии возникали флуктуации в равномерном распределении плотности вещества во Вселенной, и образовывались звезды и галактики. Изучение тонкой структуры спектра реликтового излучения, несущего в себе отпечаток таких флуктуаций, очень хорошо подтверждает сделанное утверждение. Кстати, именно за эти исследования Д.Мэтер и Д.Смут стали в 2006 г. Нобелевскими лауреатами.

Все вышесказанное не снимает естественного вопроса, почему квантовый вакуум оказался в «ложном» состоянии? Когда Вселенная уже существует, ее эволюция описывается физическими законами. Но почему появилась Вселенная, как следует описать ее начало? В конце концов, откуда все же взялась громадная исходная энергия, породившая вещество и излучение Вселенной? Теория инфляции отвечает и на этот вопрос.
Вселенная спонтанно, т.е. случайно, взялась из ничего! Идея «сотворения» мира из ничего раньше целиком находилась в компетенции религии. Как известно, в христианской вере принимается, что Бог сотворил мир из Ничего. Но в науке возможность самопроизвольного возникновения вещества и энергии в физических процессах считалась абсурдной. И это еще недавно, во второй половине XX века! Вроде бы ничто не может появиться из ничего! Однако достижения космомикрофизики позволили взглянуть на эту проблему по-другому.
Материя обладает положительной энергией. Из закона ее сохранения следует, чтобы в любом начальном состоянии энергия была ровно такой же. Из математики следует, что замкнутая вселенная с материей и гравитацией, обусловленной этой же материей, обладает нулевой энергией. Энергия материи положительна, но энергия гравитации – отрицательна, так как это притяжение. Можно строго математически доказать, что в замкнутой вселенной, а наша Вселенная как раз такая, вклады положительной и отрицательной частей в полную энергию в точности компенсируют друг друга. В итоге полная энергия замкнутой вселенной в точности равна нулю!

Когда в конце процесса инфляции энергия превратилась в вещество и излучение (помните «космический суп» в Эру ТВО?), одновременно возникло и гравитационное притяжение, в точности скомпенсировавшее положительную энергию образовавшихся масс и излучения во Вселенной. Следствием такой полной компенсации является уникальность целого ряда характеристик Вселенной. Только один пример.
Оказывается, что начальная скорость расширения Вселенной очень близка к критическому значению, при котором Вселенная способна преодолеть собственную гравитацию и вечно расширяться. Если бы эта скорость была чуть меньше, то уже произошел бы коллапс Вселенной, если бы чуть больше – космическое вещество давно бы полностью рассеялось. Возникает вопрос, что означает в данном случае слово «чуть». Оказывается, это потрясающе малая величина. Предположим, что к моменту времени в 1 сек с начала Эры ТВО, когда картина расширения уже сложилась, в численной величине реальной скорости расширения мы увеличили или уменьшили на единицу только восемнадцатый знак после запятой. Иначе: добавили или отняли от этой величины цифру 0,00…01 с 17 нулями после запятой. Все, тонкий баланс был бы полностью разрушен. Это означает, что сила взрыва Вселенной с невероятной точностью соответствует ее гравитационному взаимодействию, т.е. это был не какой-то случайный взрыв, а взрыв совершенно определенной силы.
Если все сохраняющиеся величины в замкнутой вселенной равны нулю, то ничто не будет препятствовать ее спонтанному (случайному) появлению из ничего. Любой процесс, который в квантовой механике не запрещен строгими законами сохранения, с некоторой вероятностью будет осуществляться. Следовательно, замкнутые вселенные, подобно нашей Вселенной, должны появляться из ничего (для наглядности можно провести не совсем точную аналогию с появлением пузырьков в бокале шампанского). Они могут быть разного размера и заполняться разными типами вакуумов. Из теории инфляции следует, что у самых вероятных вселенных будут минимальные размеры и наивысшая энергия вакуума. Стоит такой вселенной появиться, как сразу же под влиянием высокой энергии вакуума начнется ее расширение.

Отметим еще один момент. Аналогия с пузырьками шампанского не совсем правильна потому, что эти пузырьки появляются в жидкости. У вселенной же никакого окружающего пространства нет. Все имеющееся пространство – это и есть зародившаяся замкнутая вселенная. Пока ее не было, не было ни пространства, ни времени. По А.Эйнштейну, пространство и время связаны воедино в сущность, которая называется «пространство-время». Время начнет свой отсчет только после появления вселенной! Для нашей Вселенной отсчет времени начался с Эры ТВО.
И все же, что заставило Вселенную появиться из ничего? Удивительно, но факт – причины нет, да она и не требуется! Возьмем, например, нейтрон или радиоактивное атомное ядро. Квантовая механика определяет вероятность распада нейтрона и говорит – его время жизни 15 мин. Также есть определенное время жизни и у радиоактивных атомных ядер. Но это не значит, что тот же нейтрон распадется ровно через 15 мин, этот процесс может случиться и через 1 сек, и через год. Если спросить, почему так, то ответ будет: нет никакой причины, процесс совершенно случаен! Так и с Вселенной – не требуется никакой причины для ее квантового рождения из квантового вакуума. Таковы законы квантовой механики.
И еще. Распад квантового вакуума – вероятностный процесс. В разных его областях он должен происходить в разное время. Получается, что «наш» Большой Взрыв не является уникальным. Множество таких «взрывов» уже случалось, их несчетное число будет происходить и в будущем. Такой нескончаемый процесс в теории инфляции называется вечной инфляцией. Попробуем по А.Виленкину, а он один из ведущих космологов и автор концепции вечной инфляции, представить, как выглядела бы инфлюирующая вселенная со стороны.
Пространство было бы заполнено ложным вакуумом и очень быстро расширялось во всех направлениях. Распад ложного вакуума в чем-то похож на закипание воды. То там, то здесь спонтанно возникают пузыри низкоэнергетического вакуума. Едва зародившись, они начинают расширяться. Но пространство между ними расширяется еще быстрее, образуя место для новых пузырей. Мы живем в одном из них и видим только его малую часть. Таким образом, по этой концепции мир состоит из бесчисленного множества расширяющихся вселенных-пузырей, чем-то в совокупности напоминающих мыльную пену на поверхности воды. К сожалению, контакт между ними, по-видимому, не возможен.
Прежде чем переходить к чтению следующего раздела, предлагаю вернуться к стихотворному эпиграфу к части II и сложить предложение из первых букв его строк. Кто прав?
Отвлечемся на анекдот. Умер Эйнштейн и явился перед Богом. Спрашивает: «Господь! Ну, скажи теперь, как же выглядит уравнение Вселенной?». Бог подходит к доске, начинает долго писать сложные формулы, потом говорит: «Все! Вот оно!» Эйнштейн смотрит, смотрит и потом говорит: «Боже! Ну, вот тут же ошибка!». Бог смущенно: «Да знаю я!».
Да, не простую задачу взялись решать ученые! А тут еще Вселенная подбрасывает новые загадки.

ТЕМНАЯ МАТЕРИЯ И ТЕМНАЯ ЭНЕРГИЯ

Природа бросила очередной вызов человеку – требуется исследовать новые, ранее неизвестные, формы материи и понять, что это такое. Речь идет о темной материи и темной энергии. Сейчас учеными уточнен состав Вселенной. По новым данным, она на 22 процента состоит из темной материи, на 74 – из темной энергии, и только 4 процента приходится на обычное вещество. Под ним понимают оптически яркие звезды (их доля лишь 10 процентов наблюдаемого вещества), межзвездная пыль и газы, молекулярные облака, остатки звездной эволюции (сюда входят и черные дыры), планеты и, наконец, малоактивные звезды.
Темная материя сродни обычному веществу в том смысле, что она также способна собираться в сгустки и участвует в гравитационном взаимодействии. Сгустки темной материи могут быть значительными, например, размером с галактику или даже быть скоплением галактик. Астрономы сейчас уже научились «видеть» темную материю на фоне обычного вещества. Но и без этого его присутствия требовала слишком малая плотность обычного вещества во Вселенной. При наблюдаемой плотности вещества расширение Вселенной должно было бы идти быстрее, чем в действительности. Темная материя заметно увеличивает массу Вселенной
и действие гравитации.

Спецификой черной материи является то, что она не участвует в электромагнитном взаимодействии, поэтому не излучает свет. Не участвует она и в ядерном синтезе. Обычное вещество, как правило, наблюдается по спектрам объектов из него, измеряемым в различных диапазонах частот – инфракрасном, оптическом, рентгеновском, а также по гамма-излучению. Испускание этих видов излучения объектами из обычного вещества как раз обусловлено процессами в них, вызванных электромагнитным взаимодействием. Для определения наличия темной материи в межгалактическом пространстве и в составе галактик были разработаны специальные методы. В них измеряются гравитационные поля в галактиках и их скоплениях. Кстати, в результате таких измерений определили, что в галактике Млечный путь, в которую входит наше Солнце, темного вещества примерно в 10 раз больше видимого.
Что представляют собой частицы темной материи? Ясно, что эти частицы не должны распадаться на другие, более легкие, иначе они распались бы за время существования Вселенной. Этот факт говорит о том, что в природе, по-видимому, действует новый, пока не открытый, закон сохранения, запрещающий этим частицам распадаться. Далее, частицы темной материи очень слабо взаимодействуют с частицами обычного вещества, иначе их бы давно обнаружили в земных экспериментах. Предполагается, что частицы темной материи довольно массивны, они в сто или даже в тысячу раз тяжелее протона. И, наконец, скорее всего эти частицы интенсивно рождались и аннигилировали (уничтожались) в очень ранней Вселенной – на границе Эр ТВО и лептонов при температурах порядка 10¹⁵ градусов, и часть их дожила до наших дней. Если это так, их современное количество во Вселенной получается как раз такое, какое необходимо.
Пока мы не понимаем природу частиц, из которых состоит темное вещество. Это затрудняет их открытие в земных условиях. Тем не менее, сейчас активно прорабатываются возможные способы их обнаружения, уже есть несколько направлений экспериментальных исследований. Если масса частиц темной материи действительно превышает массу протона не больше, чем в тысячу раз, то они смогут рождаться в столкновениях обычных частиц, разогнанных до больших скоростей. Пока ускорителей с требуемой энергией столкновения частиц нет, но такая энергия будет у Большого Адронного Коллайдера. Когда он заработает, можно надеяться на обнаружение частиц темного вещества.

В начале 1998 г. было сделано еще одно сенсационное открытие. Оказалось, что последние 5 млрд. лет расширение Вселенной не замедлялось, как всегда считалось, а ускорялось. Это установили, изучив с помощью самых современных приборов спектры излучения звезд, взорвавшихся 5-10 млрд. лет назад. Было сделано предположение, что отталкивание во Вселенной, которое сейчас оказалось сильнее гравитационного притяжения, связано с темной энергией.
Темная энергия кажется намного более странной субстанцией, чем темная материя (пока так думают, имея в виду сказанное выше о темной материи). Она не собирается в сгустки, как темная материя, а равномерно «разлита» по Вселенной. В галактиках и их скоплениях ее столько же, сколько и в межгалактическом пространстве. Необычно в темной энергии и то, что она испытывает антигравитацию. Астрономические методы позволяют сейчас не только измерить нынешний темп расширения Вселенной, но и сказать, как он менялся во времени. И они свидетельствуют: сегодня (и в недалеком прошлом) темп расширения Вселенной растет со временем. Получается, что темная энергия обладает специфическим свойством – отрицательным давлением. О давлении такого рода мы уже говорили, обсуждая период инфляции при рождении Вселенной.
Указанное свойство резко отличает темную энергию от других ее форм. Возможно, что темная энергия – это тот квантовый вакуум, с которого все и началось, остаток того отрицательного давления, которое во время инфляции все разрывало в клочья. Вначале возникшая сила притяжения (гравитация) была сильнее, и Вселенная с замедлением расширялась. Со временем средняя плотность вещества во Вселенной сильно уменьшилась, и вновь стала преобладать сила отталкивания. Началось наблюдаемое сейчас ускорение расширения. Получается, что А.Эйнштейн в свое время был и прав, и неправ. Прав, когда в уравнении теории тяготения искусственно ввел отталкивающий член, и неправ, когда потом его зачеркнул, – этого требовали полученные доказательства нестационарности Вселенной (об этом мы писали в начале раздела).
Все это только гипотезы. Возможно, сами законы гравитации как-то меняются, когда расстояния и времена имеют космологические масштабы. Эта идея, если она правильная, потребует серьезного изменения общей теории тяготения А.Эйнштейна, составляющей основу многих теоретических построений.
Мы не будем больше обсуждать вопрос о темной энергии, здесь гораздо больше неопределенности, чем в вопросе о темной материи. Скажем только без преувеличения, что природа темной энергии, впрочем, и темной материи, – это на данный момент главная загадка фундаментальной физики XXI века и вызов ей.

БОЛЬШОЙ АДРОННЫЙ КОЛЛАЙДЕР

В прошлом году в Швейцарии под Женевой в Европейском совете ядерных исследований (сокращенно ЦЕРН) было завершено строительство самого мощного в мире ускорителя частиц – Большого Адронного Коллайдера (БАК). Однако при пробных попытках вывести его на плановый режим работы случилась авария, и скоро после ремонта планируется новый запуск.
Перед первыми пробными запусками об якобы опасности БАК было много предупреждений, против его запуска проводились даже демонстрации и пикеты, но все это делали не специалисты. Говорилось и о возможности вселенской катастрофы: возникнет черная дыра, которая сначала поглотит Землю и затем Солнце вместе с планетами. На эту тему по телевидению демонстрировали небольшой ролик-кинофильм – как черная дыра поглощает Землю.
Народ сочинил и несколько анекдотов на этот счет. Например, в одном говорится, что у физиков существует традиция – один раз в каждые 14 млрд. лет запускать Большой Адронный Коллайдер. Здесь дается намек на Большой Взрыв, который как раз и случился 14 млрд. лет назад. Сюжет другого анекдота менее катастрофичен, так как касается не всей Вселенной, а отдельных звезд: на небе астрономы не так уж редко наблюдают взрывы сверхновых звезд – это на планете около какой-то звезды в очередной раз физики запустили Большой Адронный Коллайдер. Так ли все катастрофично в действительности? И вообще, зачем нужен этот БАК, в строительстве которого участвовало много стран, да и стоило оно очень дорого? Попробуем ответить на эти вопросы.

В настоящее время в разных странах мира проводятся научные исследования на нескольких мощных ускорителях частиц – коллайдерах (от английского слова to collide – сталкиваться, соударяться). Среди них самый мощный – это Тэватрон в Национальной ускорительной лаборатории им. Э.Ферми (США). На нем эксперименты делаются на встречных пучках протонов. Эти адроны, с одной стороны, самые массивные стабильные частицы и их относительно легко получать, а с другой – они заряжены, их сравнительно легко разгонять до больших скоростей. Так вот, на БАК также планируется выполнять эксперименты на встречных пучках протонов, только энергия их столкновения будет в 15 раз больше, чем на Тэватроне.
В фундаментальных исследованиях структуры вещества и сил, действующих в природе, одних только теоретических построений недостаточно. Дело не только в том, что, скажем, в той же космомикрофизике есть разные теоретические схемы. Каждая из них дает свои предсказания, и часто не ясно, кто же прав (вспомните, например, теорию суперсимметричной силы и теорию суперструн, о которых речь шла ранее). Дело еще и в том, что, как сказал А.Эйнштейн, «чисто логически нельзя получить никакого знания о реальном мире. Всякое знание реальности начинается с опыта и кончается им»! Поэтому требуются эксперименты. Получаемые из них научные знания нередко ценны и сами по себе, не только в приложении к тем или иным теориям, поскольку открывают нам новые тайны природы. Именно для этих целей и используются в физике элементарных частиц и фундаментальных взаимодействий ускорители. Чем мощнее ускоритель, тем больше надежда продвинуться в наших фундаментальных знаниях об окружающем нас мире, а теперь даже и о всей Вселенной. Приведем примеры.
Мы перечисляли свойства электрослабой силы, начального продукта объединения фундаментальных взаимодействий. В ранней эволюции Вселенной, особенно в Эру лептонов, эта сила управляла многими физическими процессами в космическом веществе. Знаем ли мы, что у нас верные сведения об этом этапе? Да, и в этом помогли нам уже ранее работавшие ускорители. Их энергий было достаточно для проверки теоретических представлений на этот счет. В частности, в экспериментах были получены переносчики электрослабой силы, зафиксировано рассеяние нейтрино на электроне, которое возможно только при ее участии, проверены многие другие свойства и самой силы, и ее переносчиков.

Для Эры лептонов в эволюции Вселенной пока есть только теоретические представления о том, что в космическом веществе происходит с кварками и глюонами, переносчиками сильного взаимодействия. Сейчас начались исследования и в этом направлении. Так, в 2003 г. в Брукхейвенской национальной лаборатории (США) на релятивистском коллайдере тяжелых ионов в столкновении впервые была получена кварк-глюонная плазма, нагретая до нескольких триллионов градусов. В отличие от вещества, любая разновидность которого при гораздо меньших температурах переходит в ионизированный газ, частицы этой протоматерии вели себя не обычно – они оставались связанными. Это только начало, работы продолжаются, они будут проводиться и на БАК.
На БАК запланирована обширная программа научных исследований в области физики элементарных частиц и фундаментальных взаимодействий, в том числе имеющих отношение к космомикрофизике. Помимо изучения свойств кварк-глюонной плазмы, здесь и поиск самого тяжелого из шести кварков – топ-кварка, и проверка некоторых следствий теории суперсмметрии, в частности поиск так называемых тяжелых суперсимметричных партнеров уже известных частиц, изучение механизма действия электрослабой силы, в частности поиск частицы Хиггса, и многое другое.
Особо следует сказать о частице Хиггса. Эта частица была введена в теоретическую схему искусственно, чтобы объяснить большое различие в массах переносчиков электрослабой силы. Напомним, что это фотон, который вообще не имеет массы покоя, и еще три очень массивных переносчика, каждый из которых почти в 100 раз тяжелее протона. По симметричной теории переносчики электрослабой силы должны были бы быть безмассовыми, как фотон. По теории частица Хиггса массивна (по оценкам она в 300-500 раз тяжелее протона), с фотоном не взаимодействует, т.е. в электромагнитном взаимодействии не участвует, но зато «прилипает» к трем остальным переносчикам, делая их массивными. Это и наблюдается в эксперименте. Все хорошо, но такая нужная для теории частица Хиггса пока нигде не наблюдалась. Возможно из-за ее массивности, ускорители пока не имели достаточной для ее наблюдения энергии. Теперь надежда на БАК с его значительно большей энергией столкновения протонов.
Не исключено, что в какой-то мере открытие частицы Хиггса поможет продвинуться в выяснении природы темной материи. Как упоминалось, частица Хиггса массивна и не участвует в электромагнитном взаимодействии. Оба этих признака характерны для темной материи, может быть, она одна из ее простейших элементов. Возможно, есть и другие, поэтому среди задач экспериментов на БАК будет также поиск частиц темной материи.

В начале этого раздела говорилось, что с пуском БАК было много опасений, образно говоря, «разбудить зверя», т.е. получить какие-то неконтролируемые катастрофические последствия экспериментов в новой области энергий. Однако эта область энергий не такая уж особенная. В ней действуют хорошо известные физические законы. До энергий, где могли бы проявиться совершенно новые свойства суперсилы и, тем более, суперсимметричной силы, невообразимо далеко. Для этого надо построить ускоритель, в котором энергия столкновения частиц должна быть в десять миллиардов раз больше, чем в БАК. В земных условиях это не достижимо.
Остается возможность возникновения при столкновении протонов черной дыры. Это главная «страшилка» противников работы БАК. В ответ можно сказать следующее. Во-первых, столкновение частиц вблизи Земли и на ее поверхности с энергиями, гораздо большими, чем у БАК, происходят постоянно – Земля непрерывно облучается космическими лучами. Частицы, пришедшие из космоса и разогнанные космическими полями до субсветовых скоростей, все время сталкиваются с частицами атмосферы Земли, а некоторые доходят и до ее поверхности. И пока никаких черных дыр зафиксировано не было. Во-вторых, даже если это случиться при работе БАК, что с исчезающе малой вероятностью теоретически возможно, это будет черная микродыра. Такая дыра должна тут же и испариться. Это следует из теории черных дыр одного из самых известных и авторитетных космологов Стивена Хокинга. По этой теории, в космосе даже массивные черные дыры не существуют вечно, а со временем испаряются, не говоря уже о микроскопической черной дыре с очень малой массой. Следовательно, опасения, что черная дыра поглотит Землю, беспочвенны. Кстати, говорят, что сам С.Хокинг скептически отнесся к возможности узнать из экспериментов на БАК что-то новое для науки. Говорят, что он то ли в шутку, то ли всерьез, предложил пари: «Ставлю один доллар на то, что никакой частицы Хиггса они там не найдут». Посмотрим, кто будет прав – физики, планирующие эксперименты, или С.Хокинг.
В планировании и проведении будущих экспериментов на БАК участвует большая интернациональная группа ученых. В ее состав входят и российские физики из Дубны, МГУ и ряда других научных центров. Опять по этому поводу есть анекдот: когда в прошлом году начали эксперимент на БАК, группа российских физиков приняла в нем участие и специально сломала коллайдер; так им пока удалось предотвратить возникновение черной дыры и вселенскую катастрофу – гибель Земли. Будем надеяться, что в конце этого года новый запуск БАК пройдет успешно, ничего не случится катастрофического, как и считает наука, и все запланированное осуществится.

В заключение еще раз напомним, что все рассказанное не является окончательной картиной возникновения и эволюции Вселенной. О чем-то можно утверждать, что это проверено наблюдениями и, по-видимому, близко реальности, что-то еще прорабатывается теоретически. Трудностей еще много, для некоторых из них даже не всегда понятно, в каком направлении следует двигаться к правильному решению. Можно сказать, что пока до окончательного варианта Теории Всего Сущего еще далеко, хотя и есть успехи на этом пути.
Закончим так. Говорят, что однажды известный физик, лауреат Нобелевской премии 1925 г., Джеймс Франк рассказал: «Приснился мне на днях мой покойный друг-математик, я его спрашиваю: «Как у вас на том свете? Наверное, все физические законы известны?». А он отвечает: «Здесь дают право выбора: можешь знать либо все, либо то же, что и на Земле. Я выбрал второе, а то уж очень скучно было бы». Нам, физикам, пока не скучно!
______________________________
© Копытин Игорь Васильевич