Лекция № (последняя) настоящее

Лекция № (последняя)
Материя. Частицы. Фундаментальные взаимодействия.
Незавершённость современной физики
Материя. Вещество и поле
Вещество и поле – формы существования материи, известные в
настоящее время. В классической физике вещество и поле
противопоставляются друг другу: например, вещество дискретно, поле –
непрерывно. В квантовой физике нет непроходимой пропасти или чёткого
разграничения между ними:
1) частицы взаимодействуют посредством полей;
2) частицы обладают волновыми свойствами, а поля – квантуются, то
есть в природе имеет место корпускулярно-волновой дуализм;
3) частицы и поля могут превращаться друг в друга, например, при
аннигиляции позитрона и электрона (1), или при рождении электроннопозитронной пары из фотона – кванта электромагнитного поля (2):
;
(1)
.
(2)
Поля квантуются, а квантом поля является частица. Частицы вещества
имеют полуцелый спин, а кванты поля – целый.
Частицы и античастицы. Физический вакуум
Поль Дирак получил релятивистское уравнение квантовой механики.
Оно имеет два корня для полной энергии частицы:
.
Для частицы с массой m разрешены значения энергии:
,
запрещены
.
По этой теории существуют частицы с отрицательной массой и
энергией:
,
.
Схема уровней энергии показана на рис.1.
Возникает вопрос: почему частицы с
,
не сваливаются в
область с
,
? Не сваливаются потому, что все уровни с
заняты: работает запрет Паули. А если состояние с
оказывается
свободным, это – «дырка», вакантное место, отсутствие частицы. Отсутствие
частицы с отрицательной массой означает присутствие частицы с
положительной массой. Отсутствие частицы (электрона) с отрицательным
зарядом эквивалентно присутствию частицы с положительным зарядом.
Имеем:
,
, а это – позитрон
, античастица по отношению к
электрону.
1
Рис.1
Процесс (1) аннигиляции электронно-позитронной пары – это переход 1
(рис.1) электрона на свободное место в области энергий
с испусканием
фотонов. Процесс (2) рождения электронно-позитронной пары за счёт
энергии фотона изображён стрелкой 2 на рис.1.
В теории Дирака не всё ясно. Например, непонятно, как быть с
частицами с целым спином? Ведь на них не распространяется запрет Паули.
Ещё одна трудность теории Дирака состоит в том, что физический вакуум
должен иметь бесконечно большой заряд, так как в нём полно частиц с
массой
.
По Дираку, в вакууме непрерывно рождаются и исчезают виртуальные
частицы (например, пары электрон-позитрон). Принцип неопределённостей
это разрешает, если время жизни τ таких частиц удовлетворяет условию:
,
.
То есть, вакуум не является пустым пространством, где ничего не
происходит.
При наличии сильного внешнего поля виртуальные частицы могут стать
реальными (2); поле расходует энергию на «растаскивание» частиц с
2
противоположным зарядом в разные стороны. Закон сохранения энергии
выполняется.
Экспериментальные подтверждения теории Дирака:
Обнаружена поляризация вакуума, приводящая к сдвигу в
энергетических уровнях атома водорода (Лэмбовский сдвиг). Суть: заряд,
внесённый в вакуум, частично экранируется виртуальными частицами,
потому что заряд притягивает к себе виртуальные частицы с
противоположным зарядом и отталкивает одноимённо заряженные; в
результате эффективный заряд частицы оказывается меньше.
Теория Дирака предсказала существование многих частиц до их
экспериментального открытия.
Античастицы есть у многих частиц. Но некоторые – истинно
нейтральные (совпадают со своими античастицами), например, нейтральный
пион π0.
Характеристики частиц
К фундаментальным характеристикам частиц относятся:
масса m;
заряд q;
среднее время жизни τ;
спин s;
лептонный заряд L;
барионный заряд B;
странность S;
очарование С;
красота b;
изотопический спин (изоспин) T;
спиральность (положительная «+» или отрицательная «–»).
Спиральность частицы положительна «+», если её импульс и момент
импульса направлены одинаково:
(например, антинейтрино ), и
отрицательна «–», если антипараллельно:
(нейтрино ν).
Изоспин T приписывается частицам, которые можно объединить в
группу (мультиплет) и считать различными состояниями одной и той же
частицы.
Примеры:
1. Пион π0, π–, π+. Число частиц в этом мультиплете равно трём
(триплет). Число частиц в мультиплете определяется величиной изоспина;
оно равно в общем случае (2Т+1). Таким образом, изоспин для пиона Т=1:
(2Т+1)=2.1+1=3. Соответственно, возможны три проекции изоспина и три
частицы: для π0 проекция изоспина ТZ=0; для π– проекция ТZ=–1; для π+
проекция ТZ=+1.
3
2. Нуклон. Мультиплет состоит из двух частиц (дублет): протона p и
нейтрона n. Изоспин равен
. Возможны 2 проекции:
(n) и
(p).
Изоспин приписывается только адронам (частицам, участвующим в
сильном взаимодействии).
Между
характеристиками
частиц
существует
соотношение:
электрический заряд (отнесённый к элементарному е) равен:
.
Фундаментальные взаимодействия. Законы сохранения и симметрия
Существует 4 вида фундаментальных взаимодействий (табл.1). Они
характеризуются:
1. константой взаимодействия К (определяет вероятность процессов,
обусловленных данным взаимодействием);
2. радиусом действия r (для электромагнитного и гравитационного сила
взаимодействия
, и радиус действия
);
3. временем жизни τ частиц, распадающихся в результате
взаимодействия.
Все фундаментальные взаимодействия носят обменный характер.
Элементарный акт взаимодействия – испускание и поглощение
взаимодействующими
частицами
другой
частицы-переносчика
взаимодействия.
Таблица 1. Фундаментальные взаимодействия
Взаимодействие
Сильное
S
Электромагнитное
E
Слабое
W
Гравитационное
G
К
1
10
-2
10
-10
10
-38
r, м
10-15
∞
10
-18
∞
τ, с
Переносчик
Законы
сохранения
Глюон
g
Фотон
γ
Выполняются все
законы сохранения
10-23
10
-20
10
-13
?
Бозоны
W+, W–, Z0
Гравитон
G
Не сохраняется
изотопический спин
T
Не сохраняется
изоспин T,
странность S,
чётность
?
При любых взаимодействиях сохраняются:
1) энергия E;
2) импульс ;
4
3) момент импульса
4) заряд q.
Не замечено нарушения законов сохранения:
1) барионного заряда B,
2) лептонного заряда L,
3) очарования С,
4) красоты b.
Любые законы сохранения вытекают из существования каких-либо
элементов симметрии. Так, закон сохранения энергии E связан с
однородностью времени; закон сохранения импульса – с однородностью
пространства; закон сохранения момента импульса
– с изотропностью
пространства. Из принципа неразличимости тождественных частиц вытекает
существование фермионов и бозонов. Из инвариантности относительно
зеркального отражения – сохранение чётности. Однако чётность не
сохраняется при слабом взаимодействии. Существует закон инвариантности
при замене частиц на античастицы (зарядовое сопряжение); – он также
нарушается при слабом взаимодействии. Но если одновременно заменить:
– правое на левое,
– частицы на античастицы,
– обратить время: заменить t на (– t),
то все процессы будут протекать одинаково (СРТ-симметрия).
Нарушение симметрии имеет место и в живой природе: молекулы 19-ти
из 20-ти аминокислот, из которых состоят белки, могут существовать в двух
зеркально-симметричных модификациях; но в состав живых организмов
входят только «левые» аминокислоты. Если даже искусственно
синтезировать белки из «правых» аминокислот, они не будут усваиваться
организмом – «правые» аминокислоты не вступают в биохимические
реакции.
Классификация элементарных частиц. Лептоны. Адроны
Лептоны – частицы с полуцелым спином, не участвующие в сильном
взаимодействии. Участвуют в слабом, электромагнитном (если обладают
электрическим зарядом) и в гравитационном.
Лептонный заряд лептонов L=+1 (для частиц) или
L=–1 (для
античастиц); барионный заряд B=0; изоспин T не приписывается.
Класс лептонов состоит из 6 частиц (12 с античастицами): электрон e–,
мюон μ, таон τ и соответствующие нейтрино; νe, νμ, ντ (табл.2).
Возможны ли осцилляции нейтрино (взаимное превращение одних
видов нейтрино в другие, например, νμ→ντ), пока неясно.
Адроны – частицы, участвующие в сильном взаимодействии (и в других
тоже). Класс адронов большой. В него входят мезоны и барионы. Мезоны
состоят из двух кварков или антикварков (см. табл.2), имеют спин, равный
5
нулю. Барионный и лептонный заряды также равны нулю. Пример мезона –
пион π0, π–, π+. Барионы имеют полуцелый спин; состоят из трёх кварков
(или антикварков), барионный заряд равен В=+1 (у частиц) или В=–1 (у
античастиц).Барионы, в свою очередь, делятся на нуклоны и гипероны
(сверхтяжёлые частицы). Пример гиперона: Ω– – омега-минус-гиперон. Он
состоит из трёх кварков s (табл.2) с одинаковыми проекциями спинов,
поэтому спин Ω––гиперона равен
, странность S=–3, электрический
заряд q=±1. Изоспин T=0. Масса
.
Адроны
Мезоны
Состоят из 2-х кварков
s=0
L=0
B=0
Барионы
Состоят из 3-х кварков
s – полуцелый
L=0
B=±1
Нуклоны
p протон
антипротон
n нейтрон
антинейтрон
Гипероны
Кварки
Класс лептонов состоит из шести частиц (12 вместе с античастицами).
Класс адронов – большой (несколько сотен частиц). Многие частицы
превращаются друг в друга. В 1964 г. Гелл-Манн и Цвейг предположили, что
адроны состоят из ещё более фундаментальных частиц – кварков. Для
построения всех открытых в настоящее время адронов потребовалось 6
кварков (12 вместе с антикварками).
Примеры:
Протон состоит из двух кварков u и одного d: p = (uud);
нейтрон n = (udd);
6
омега-минус-гиперон Ω– = (sss);
пион π0 = (
);
±
π =(
).
Любой кварк или антикварк может находиться в одном из трёх
состояний (соответствующее квантовое число назвали цветом): R (красный),
G (жёлтый), B (синий). Соответствующие антикварки имеют дополнительные
цвета , , (зелёный, фиолетовый, оранжевый). Получилась симметрия: 12
кварков и 12 лептонов (вместе с античастицами).
Таблица 2. Кварки и лептоны
Поколения
Кварки
Верхние
Нижние
Лептоны
1
2
3
u
(up)
d
(down)
c
(charmed)
s
(strange)
t
(true)
b
(beauty)
нейтрино
Мюонное
нейтрино
Таонное
нейтрино
νe
νμ
ντ
электрон
мюон
таон
нейтральные Электронное
заряженные
e
–
μ
Заряд
q
(в единицах
элементарного
q/e)
+2/3
–1/3
0
–1
τ
Мезоны построены из 2-х кварков или антикварков с дополнительными
цветами, например, R и
, или G и . В результате получается белый
(нейтральный) цвет. Барионы построены из 3-х кварков или антикварков,
имеющих цвета R, G и B или , , , тогда суммарный цвет – тоже белый.
Вообще, могут существовать только «белые» частицы. В свободном виде
кварки существовать не могут. По теории асимптотической свободы, внутри
частицы кварки свободны, но с увеличением расстояния до кварка силы
растут бесконечно. Кварки удерживаются внутри частицы: ещё одно
название теории – теория конфайнмента (пленения). Кварки внутри частиц
взаимодействуют посредством обмена глюонами (сильное взаимодействие).
На основании гипотезы о кварках предсказали, а затем открыли
существование новых частиц. Подтверждение гипотезы получили и в опытах
по рассеянию быстрых электронов на протонах: в опытах получили, что в
протонах есть три рассеивающих центра с зарядами
и .
На ускорителе в Чикаго получены, но пока не подтверждены, опыты, на
основе которых высказано предположение, что кварк имеет внутреннюю
структуру.
7
Итак, сейчас считается, что существуют 17 «кирпичиков», из чего всё
состоит:
– кварки (6 без античастиц);
– лептоны (6);
– переносчики взаимодействий (5): векторные бозоны W±, Z0, фотон
γ, глюон g, гравитон G (пока не открыт).
Иерархия форм материи





Кварки способны только к двойным и тройным объединениям; в
результате получаются адроны.
Протоны и нейтроны состоят из трёх кварков.
Протоны, нейтроны и электроны образуют атомы, способные к
объединению и образованию новых структур – молекул.
Атомы и молекулы образуют макроскопические тела, свойства которых
не сводятся к свойствам атомов.
Следующая, высшая форма материи – живые организмы – имеют
совершенно новые качества; им свойственны:
избирательный обмен веществ,
саморегуляция,
эволюция,
размножение.
Незавершённость современной физики
Физика и другие естественные науки никогда не могут быть завершены:
относительная истина сколь угодно приближается к абсолютной, но не может
с ней совпасть. Пример тому – развитие физики на рубеже 19 и 20 веков. В
конце 19 века физики думали, что уже знают об окружающем мире всё (или
почти всё): здание классической физики было построено; оставались
нерешёнными лишь две «небольших» проблемы: тепловое излучение и
проблема эфира. Однако попытки решить эти «мелке» проблемы привело
сначала к кризису классической физики («ультрафиолетовая катастрофа»), а
затем к мощному прорыву вперёд, к новым знаниям: были созданы квантовая
механика и теория относительности.
В настоящее время существуют следующие нерешённые проблемы:
1) Не удалось достаточно хорошо объединить общую теорию
относительности и квантовую теорию. Квантовая теория гравитации не
завершена, хотя создано несколько вариантов этой теории (теория
супергравитации или теория суперструн). Выводы теории: наше
пространство 10-ти мерно; 6 измерений компактифицированы и
простираются на расстояния ~10-35 м. Теория суперструн первоначально была
создана для сильного взаимодействия, но там оказалась не нужна, а в теории
супергравитации математический аппарат её пригодился. Суперструна –
8
объект, имеющий ненулевую протяжённость только в одном измерении.
Гравитон – суперструна с минимальным возбуждением.
2) Не решён вопрос об элементарности кварков и лептонов. Нет
подтверждения гипотезы о внутреннем строении кварков.
3) Ещё одну проблему можно назвать «Великое объединение», или о
единых теориях материи. Описать с единой точки зрения гравитационное и
электромагнитное взаимодействия пытался ещё Эйнштейн, но безуспешно.
На вопрос: зачем объединять? – можно ответить, что основанием для
объединения является общность механизма всех взаимодействий. Все
фундаментальные взаимодействия носят обменный характер, и это –
основание к построению единой теории.
Единая теория электромагнитного и слабого взаимодействия была
создана в конце 70-х годов. Переносчики слабого взаимодействия – бозоны
W± и Z0. Теорией были предсказаны их массы, затем их экспериментально
обнаружили в 1983 г. На ускорителе в Женеве. Таким образом, теория
электрослабых взаимодействий получила экспериментальное подтверждение.
На очереди – «большое объединение» – объединение сильного и
электрослабого взаимодействия. Энергия для экспериментальной проверки
теории большого объединения требуется недостижимая на современных
ускорителях. Будет ли достигнута требуемая энергия на Большом Адронном
Коллайдере – непонятно пока. Косвенная проверка состоит в обнаружении
нестабильности протона. По этой теории, протон не является стабильной
частицей, и время его жизни τ>1033 лет. Это время гораздо больше возраста
нашей Вселенной. Однако в очень большой массе вещества несколько
протонов могут распадаться за не слишком большое время наблюдения.
Такие попытки обнаружить нестабильность протона пока не удались.
4) Решение проблем физики элементарных частиц оказалось тесно
связано с космологическими проблемами, а именно, с вопросами об
эволюции Вселенной.
По красному смещению излучения далёких галактик (Хаббл, 1929 г.)
установлено, что Вселенная расширяется. Дальнейшая её эволюция зависит
от средней плотности вещества во Вселенной. Если плотность меньше или
равна критической, расширение будет происходить бесконечно (кривизна
пространства отрицательна или нулевая). Если плотность больше
критической, то кривизна пространства положительна, и расширение
сменится сжатием. Плотность зависит от суммарной массы всех частиц и
очень близка к критической, причём пока точно не установлено, больше или
меньше критической. Это зависит, например, от массы нейтрино, пока также
точно не измеренной: известно лишь, что масса нейтрино
.
А.Д.Сахаров разрабатывал теорию пульсирующей Вселенной, где циклы
сжатия и расширения сменяют друг друга. При этом из закона неубывания
энтропии следовало, что в каждом последующем цикле максимальный
радиус Вселенной должен расти, как и полное число бозонов. При этом
9
максимальное число циклов в прошлом было конечным. Возникает вопрос: а
что было до начала первого цикла? Цитата:
«Можно встать на ту точку зрения, что начало расширения первого
цикла (или в случае единственного цикла) – это Момент Сотворения Мира, и
поэтому вопрос о том, что было до этого, лежит за пределами научного
исследования. Однако, быть может, так же – или, по-моему, больше –
правомерен и плодотворен подход, допускающий неограниченное научное
исследование материального мира и пространства-времени. При этом, повидимому, нет места Акту Творения, но основная религиозная концепция
божественного смысла Бытия не затрагивается наукой, лежит за её
пределами.»
Одна из возможных моделей – многолистная Вселенная. В момент
начала первого цикла происходит обращение времени (рис.2). То есть, до
этого момента происходит то же самое, но в обратном порядке. В этот
момент меняют направление все процессы. Если есть обитатели в обеих
Вселенных, то они уверены, что время течёт от прошлого к будущему.
Заметим, что обращение времени заложено в уравнениях классической и
квантовой механики. Несимметрия двух направлений времени при
симметрии уравнений движения вызывала некоторое недоумение. Поворот
«стрелы времени» восстанавливает симметрию двух направлений времени,
присущую уравнениям движения; при этом никаких парадоксов не
возникает, так как при обращении времени обращаются все процессы.
S
t
t
Рис.2
В последнее время в космологии стали широко применяться термины
«темная энергия», «темная материя», а также упоминается, что, по
данным наблюдений, эти две субстанции обеспечивают 95% полной
плотности Вселенной. Термин «темная энергия» появился в конце прошлого
века для обозначения физической среды, заполняющей всю Вселенную. В
отличие от различных видов вещества и излучения, от которых можно (хотя
бы теоретически) полностью очистить или экранировать некоторый объем,
темная энергия в современной Вселенной неразрывно связана с каждым
кубическим сантиметром пространства. С некоторой натяжкой можно
сказать, что само пространство обладает массой и участвует в
10
гравитационном взаимодействии. «Темная энергия» с обычным веществом
взаимодействует только через гравитацию. Слово же «энергия»
противопоставляет эту среду структурированной, то есть состоящей из
частиц, материи, подчеркивая, что она не участвует в процессе
гравитационного скучивания, ведущего к образованию галактик и их
скоплений. Иными словами, плотность темной энергии, в отличие от
обычного и темного вещества, одинакова во всех точках пространства.
Если материя структурирована, ее называют веществом, а если нет, как,
например, поле, то – энергией. Вещество, в свою очередь, делят на обычное
и темное, ориентируясь на то, взаимодействует ли оно с электромагнитным
излучением. Правда, по сложившейся в космологии традиции темное
вещество принято называть «темной материей».
Расчеты, основанные на наблюдательных данных, показывают, что его
доля составляет сегодня около 30% (из которых лишь 5% приходится на
обычное вещество, состоящее из атомов). А значит, остальные 70% – это
материя, не входящая ни в какие структуры, то есть темная энергия.
С излучением и обычным веществом, состоящим из атомов, мы
постоянно имеем дело в повседневной жизни. Гораздо меньше мы знаем о
темной материи. Тем не менее, достаточно надежно установлено, что ее
физическим носителем являются некие слабовзаимодействующие частицы.
Известны даже некоторые свойства этих частиц, например, что у них есть
масса, а движутся они много медленнее света. Однако они никогда еще не
регистрировались искусственными детекторами.
Вопрос о природе темной энергии еще туманнее. Поэтому, как часто
бывает в науке, отвечать на него лучше, описывая предысторию вопроса. Она
начинается в памятном для нашей страны 1917 году, когда создатель общей
теории относительности Альберт Эйнштейн, публикуя решение задачи об
эволюции Вселенной, ввел в научный оборот понятие космологической
постоянной. В своих уравнениях, описывающих свойства гравитации, он
обозначил ее греческой буквой «лямбда» (Λ). Так она получила свое второе
название – лямбда-член. Назначение космологической постоянной состояло в
том, чтобы сделать Вселенную стационарной, то есть неизменной и вечной.
Без лямбда-члена уравнения общей теории относительности предсказывали,
что Вселенная должна быть неустойчивой, как воздушный шарик, из
которого вдруг исчез весь воздух. Всерьез изучать такую неустойчивую
Вселенную Эйнштейн не стал, а ограничился тем, что восстановил
равновесие введением космологической постоянной.
Однако позднее, в 1922–1924 годах, наш выдающийся соотечественник
Александр Фридман показал, что в судьбе Вселенной космологическая
постоянная не может играть роль «стабилизатора», и рискнул рассмотреть
неустойчивые модели Вселенной. В результате ему удалось найти еще не
известные к тому времени нестационарные решения уравнений Эйнштейна, в
которых Вселенная как целое сжималась или расширялась.
11
В те годы космология была сугубо умозрительной наукой, пытавшейся
чисто теоретически применить физические уравнения к Вселенной как
целому. Поэтому решения Фридмана поначалу были восприняты – в том
числе и самим Эйнштейном – как математическое упражнение. Вспомнили о
нем после открытия разбегания галактик в 1929 году. Фридмановские
решения прекрасно подошли для описания наблюдений и стали важнейшей и
широко используемой космологической моделью. А Эйнштейн позднее
назвал космологическую постоянную своей «самой большой научной
ошибкой».
Постепенно наблюдательная база космологии становилась все более
мощной, а исследователи учились не только задавать вопросы природе, но и
получать на них ответы. И вместе с новыми результатами росло и число
аргументов в пользу реального существования «самой большой научной
ошибки» Эйнштейна. В полный голос об этом заговорили в 1998 году после
наблюдения далеких сверхновых звезд, которые указывали, что расширение
Вселенной ускоряется. Это означало, что во Вселенной действует некая
расталкивающая сила, а значит, и соответствующая ей энергия, похожая по
своим проявлениям на эффект от лямбда-члена в уравнениях Эйнштейна. По
сути, лямбда-член представляет собой математическое описание
простейшего частного случая темной энергии.
Напомним, что согласно наблюдениям космологическое расширение
подчиняется закону Хаббла: чем больше расстояние между двумя
галактиками, тем быстрее они удаляются друг от друга, причем скорость,
определяемая по красному смещению в спектрах галактик, прямо
пропорциональна расстоянию. Но до недавнего времени закон Хаббла был
непосредственно проверен лишь на относительно небольших расстояниях —
тех, что удавалось более или менее точно измерить. О том, как расширялась
Вселенная в далеком прошлом, то есть на больших расстояниях, можно было
судить только по косвенным наблюдательным данным. Заняться прямой
проверкой закона Хаббла на больших расстояниях удалось лишь в конце XX
века, когда появился способ определять расстояния до далеких галактик по
вспыхивающим в них сверхновым звездам.
Если собрать данные по многим таким сверхновым и сравнить
расстояния до них с красными смещениями галактик, в которых случались
вспышки, то можно определить, как менялся в прошлом темп расширения
Вселенной, и подобрать соответствующую космологическую модель, в
частности подходящую величину лямбда-члена (плотности темной энергии).
Краткая история времен
По современным представлениям, рождение Вселенной должно
описываться в терминах еще не созданной квантовой теории гравитации.
Понятие «возраст Вселенной» имеет смысл для моментов времени не раньше
10-43 секунд. На меньших масштабах уже нельзя говорить о привычном нам
линейном течении времени. Топологические свойства пространства тоже
становятся нестабильными. По-видимому, в малых масштабах пространство12
время заполнено микроскопическими «кротовыми норами» — своего рода
тоннелями, соединяющими разнесенные области Вселенной. Впрочем, о
расстояниях или порядке следования событий говорить тоже невозможно. В
научной
литературе
такое
состояние
пространства-времени
с
флуктуирующей топологией называют квантовой пеной. По неизвестным
пока причинам, возможно, из-за квантовой флуктуации, в пространстве
Вселенной возникает физическое поле, которое в возрасте около 10-35 секунд
заставляет Вселенную расширяться с колоссальным ускорением. Этот
процесс называют инфляцией, а вызывающее его поле – инфлатоном. В
отличие от экономики, где инфляция является неизбежным злом, с которым
нужно бороться, в космологии инфляция, то есть экспоненциально быстрое
увеличение Вселенной, – это благо. Именно ей мы обязаны тем, что
Вселенная обрела большой размер и плоскую геометрию. В конце этой
короткой эпохи ускоренного расширения запасенная в инфлатоне энергия
порождает известную нам материю: разогретую до огромной температуры
смесь излучения и массивных частиц, а также едва заметную на их фоне
темную энергию. Можно сказать, что это и есть Большой взрыв. Большая
часть энергии в это время приходится на излучение. Однако расширение
Вселенной продолжается (хотя теперь уже и без ускорения) и оно по-разному
отражается на основных типах материи. Ничтожная плотность темной
энергии со временем не меняется, плотность вещества падает обратно
пропорционально объему Вселенной, а плотность излучения снижается еще
быстрее. В итоге спустя 300 тысяч лет доминирующей формой материи во
Вселенной становится вещество, большую часть которого составляет темная
материя. С этого момента рост возмущений плотности вещества, едва
тлевший на стадии доминирования излучения, становится достаточно
быстрым, чтобы привести к образованию галактик, звезд и столь
необходимых человечеству планет. Движущей силой этого процесса является
гравитационная неустойчивость, приводящая к скучиванию вещества. Едва
заметные неоднородности оставались еще с момента распада инфлатона, но
пока во Вселенной доминировало излучение, оно мешало развитию
неустойчивости.
Теперь основную роль начинает играть темная материя. Под действием
собственной гравитации области повышенной плотности останавливаются в
своем расширении и начинают сжиматься, в результате чего из темной
материи образуются гравитационносвязанные системы, называемые гало. В
гравитационном поле Вселенной образуются «ямы», в которые устремляется
обычное вещество. Накапливаясь внутри гало, оно формирует галактики и их
скопления. Этот процесс образования структур начался более 10 миллиардов
лет назад и шел по нарастающей, пока не наступил последний перелом в
эволюции Вселенной. Через 7 миллиардов лет (это примерно половина
нынешнего возраста Вселенной) плотность вещества, которая продолжала
снижаться из-за космологического расширения, стала меньше плотности
темной энергии. Тем самым завершилась эпоха доминирования вещества, и
13
теперь темная энергия контролирует эволюцию Вселенной. Какова бы ни
была ее физическая природа, проявляется она в том, что космологическое
расширение вновь, как в эпоху инфляции, начинает ускоряться, только на
этот раз очень медленно. Но даже этого достаточно, чтобы затормозить
формирование структур, а в будущем оно должно вовсе прекратиться: любые
недостаточно плотные образования будут рассеиваться ускоряющимся
расширением Вселенной. Временное «окно», в котором работает
гравитационная неустойчивость и возникают галактики, захлопнется уже
через десяток миллиардов лет. Дальнейшая эволюция Вселенной зависит от
природы темной энергии. Если это космологическая постоянная, то
ускоренное расширение Вселенной будет продолжаться вечно. Если же
темная энергия – это сверхслабое скалярное поле, то после того как оно
достигнет состояния равновесия, расширение Вселенной станет замедляться,
а возможно сменится сжатием. Пока физическая природа темной энергии
неизвестна, все это не более чем умозрительные гипотезы. Таким образом, с
определенностью сказать можно только одно: ускоренное расширение
Вселенной будет продолжаться еще несколько десятков миллиардов лет. За
это время наш космический дом – галактика Млечный Путь – сольется со
своей соседкой – Туманностью Андромеды (и большинством галактикспутников меньшей массы, входящих в состав Местной Группы). Все прочие
галактики улетят на большие расстояния, так что многие из них нельзя будет
увидеть даже в самый мощный телескоп. Что касается реликтового
излучения, которое приносит нам так много важнейшей информации о
структуре Вселенной, то его температура упадет почти до нуля, и этот
источник информации будет потерян.
Отрицательное давление и гравитационное отталкивание
Описывая темную энергию, космологи считают, что ее главное свойство
– отрицательное давление. Оно приводит к появлению отталкивающих
гравитационных сил, о которых неспециалисты иногда говорят как об
антигравитации.
Темная энергия — важнейшее свидетельство существования явлений,
которые не описываются современной физикой. Поэтому детальное изучение
ее свойств – важнейшая задача наблюдательной космологии. Чтобы выяснить
физическую природу темной энергии, необходимо в первую очередь
максимально точно исследовать, как менялся в прошлом режим расширения
Вселенной. Можно пытаться прямо измерить зависимость темпа расширения
от расстояния. Однако из-за отсутствия в астрономии надежных методов
определения внегалактических расстояний достичь на этом пути
необходимой точности практически невозможно. Но есть другие, более
перспективные способы измерения темной энергии, которые являются
логическим развитием структурного аргумента в пользу ее существования.
Мы живем в мире, динамика расширения которого управляется неизвестной
нам формой материи. А единственно достоверное знание о ней, помимо
факта ее существования, – это уравнение состояния вакуумоподобного типа,
14
та самая своеобразная связь между плотностью энергии и давлением. Пока
нам неизвестно, меняется ли характер этой связи со временем, и если да, то
как. А значит, все рассуждения о будущем Вселенной, по сути, являются
спекулятивными, основанными в значительной мере на эстетических
воззрениях их авторов. Но мы вступили в эру точной космологии,
основанной на высокотехнологичных инструментах для наблюдения и
развитых статистических методах обработки данных. Если астрономия будет
и дальше развиваться такими же темпами, как сегодня, загадка темной
энергии будет разгадана уже нынешним поколением исследователей.
15