В. А. Рубаков,
Институт ядерных исследований РАН, Москва, Россия

1. Введение

Естествознание сейчас находится в начале нового, необычайно интересного этапа своего развития. Он замечателен прежде всего тем, что наука о микромире - физика элементарных частиц - и наука о Вселенной - космология - становятся единой наукой о фундаментальных свойствах окружающего нас мира. Различными методами они отвечают на одни и те же вопросы: какой материей наполнена Вселенная сегодня? Какова была её эволюция в прошлом? Какие процессы, происходившие между элементарными частицами в ранней Вселенной, привели в конечном итоге к её современному состоянию? Если сравнительно недавно обсуждение такого рода вопросов останавливалось на уровне гипотез, то сегодня имеются многочисленные экспериментальные и наблюдательные данные, позволяющие получать количественные (!) ответы на эти вопросы. Это - еще одна особенность нынешнего этапа: космология за последние 10-15 лет стала точной наукой. Уже сегодня данные наблюдательной космологии имеют высокую точность; еще больше информации о современной и ранней Вселенной будет получено в ближайшие годы.

Полученные в последнее время космологические данные требуют кардинального дополнения современных представлений о структуре материи и о фундаментальных взаимодействиях элементарных частиц. Сегодня мы знаем всё или почти всё о тех <кирпичиках>, их которых состоит обычное вещество - атомы, атомные ядра, входящие в состав ядер протоны и нейтроны, - и о том, как взаимодействуют между собой эти <кирпичики> на расстояниях вплоть до 1/1000 размера атомного ядра (рис. 1). Это знание получено в результате многолетних экспериментальных исследований, в основном на ускорителях, и теоретического осмысления этих экспериментов. Космологические же данные свидетельствуют о существовании новых типов частиц, ещё не открытых в земных условиях и составляющих <темную материю> во Вселенной. Скорее всего, речь идет о целом пласте новых явлений в физике микромира, и вполне возможно, что этот пласт явлений будет открыт в земных лабораториях в недалеком будущем.



Рис. 1. Известные элементарные частицы. Протоны и нейтроны, образующие атомные ядра, сами состоят из кварков, которые сегодня считаются элементарными. В природе существуют также электроны и их более тяжелые короткоживущие аналоги - мюоны (μ) и тау-лептоны (τ). Кроме этого, в природе имеются нейтрино трех типов, v_е, v_μ и v_τ. Нейтрино не имеют электрического заряда и чрезвычайно слабо взаимодействуют с веществом: в качестве иллюстрации, они пронизывают Землю или Солнце практически свободно. На рисунке не показаны фотоны и другие частицы, ответственные за взаимодействия, - глюоны, W⁺- и Z-бозоны.

Еще более удивительным результатом наблюдательной космологии стало указание на существование совершенно новой формы материи - <темной энергии>.

Каковы свойства темной материи и темной энергии? Какие космологические данные свидетельствуют об их существовании? О чем оно говорит с точки зрения физики микромира? Каковы перспективы изучения темной материи и темной энергии в земных условиях? Этим вопросам и посвящена предлагаемая Вашему вниманию лекция.

_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _

Многое из того что могло бы случиться - не случилось ... наверное к лучшему.

Темная энергия - гораздо более странная субстанция, чем темная материя. Начать с того, что она не собирается в сгустки, а равномерно <разлита> во Вселенной. В галактиках и скоплениях галактик её столько же, сколько вне их. Самое необычное то, что темная энергия в определенном смысле испытывает антигравитацию. Мы уже говорили, что современными астрономическими методами можно не только измерить нынешний темп расширения Вселенной, но и определить, как он изменялся со временем. Так вот, астрономические наблюдения⁶ свидетельствуют о том, что сегодня (и в недалеком прошлом) Вселенная расширяется с ускорением: темп расширения растет со временем. В этом смысле и можно говорить об антигравитации: обычное гравитационное притяжение замедляло бы разбегание галактик, а в нашей Вселенной, получается, всё наоборот.

Такая картина, вообще говоря, не противоречит общей теории относительности, однако для этого темная энергия должна обладать специальным свойством - отрицательным давлением. Это резко отличает её от обычных форм материи. Не будет преувеличением сказать, что природа темной энергии - это главная загадка фундаментальной физики XXI века.

Один из кандидатов на роль темной энергии - вакуум. Плотность энергиии вакуума не изменяется при расширении Вселенной, а это и означает отрицательное давление вакуума⁷. Другой кандидат - новое сверхслабое поле, пронизывающее всю Вселенную; для него употребляют термин <квинтэссенция>. Есть и другие кандидаты, но в любом случае темная энергия представляет собой что-то совершенно необычное.

Другой путь объяснения ускоренного расширения Вселенной состоит в том, чтобы предположить, что сами законы гравитации видоизменяются на космологических расстояниях и космологических временах. Такая гипотеза далеко не безобидна: попытки обобщения общей теории относительности в этом направлении сталкиваются с серьезными трудностями.

По-видимому, если такое обобщение вообще возможно, то оно будет связано с представлением о существовании дополнительных размерностей пространства, помимо тех трех измерений, которые мы воспринимаем в повседневном опыте.

К сожалению, сейчас не видно путей прямого экспериментального исследования темной энергии в земных условиях. Это, конечно, не означает, что в будущем не может появиться новых блестящих идей в этом направлении, но сегодня надежды на прояснение природы темной энергии (или, более широко, причины ускоренного расширения Вселенной) связаны исключительно с астрономическими наблюдениями и с получением новых, более точных космологических данных. Нам предстоит узнать в деталях, как именно расширялась Вселенная на относительно позднем этапе её эволюции, и это, надо надеяться, позволит сделать выбор между различными гипотезами.

__________________________________________

⁶ Речь идет о наблюдениях сверхновых типа 1а
⁷ Изменение энергии при изменении объема определяется давлением, ΔЕ = -pΔV. При расширении Вселенной энергия вакуума растет вместе с объемом (плотность энергии постоянна), что возможно, только если давление вакуума отрицательно. Отметим, что противоположные знаки давления и энергии вакуума прямо следуют из Лоренц-инвариантности.

_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _

Многое из того что могло бы случиться - не случилось ... наверное к лучшему.