Внутренняя симметрия Вселенной (стр. 1 из 3)

Артур Давидович Чернин, д.ф.-м.н., проф., гл.н.с. ГАИШ.

Из чего сделана Вселенная? Аристотель, а за ним и другие мудрецы классической древности, на этот вопрос отвечали так: все в мире состоит из четырех стихий - огня, воды, воздуха и земли. Удивительно, но в космологии наших дней тоже есть ровно четыре стихии, или, как их сейчас называют, космические энергии, из которых построено все на свете. Одна из новых стихий космологии - космический вакуум, открытый совсем недавно, в 1998-1999 гг. Он вносит наибольший вклад в энергию современной Вселенной, сколь неожиданно это ни звучит. Дело в том, что вакуум в физике - не пустота, а особая среда, в которую погружены все тела природы. Космический вакуум обладает определенной энергией, и на нее действительно приходится приблизительно 70% полной энергии мира. Исследования реликтового излучения, наблюдения далеких вспышек сверхновых звезд, изучение темных гало галактик и скоплений явно указывают на это. Три другие энергии Вселенной - темное вещество, которое вносит 25% (округленно), «обычное» вещество, которое дает 4%, и излучение, вклад которого весьма мал - 0.01%.

Спиральная галактика Мессье 83 и подобные ей звездно-газовые системы демонстрируют сложность и разнообразие поведения барионного вещества во Вселенной. Но не оно - главное действующее лицо нашего мира. Основную роль в динамике Вселенной играют ее невидимые компоненты: темное вещество и темная энергия, о структуре и свойствах которых мы пока знаем очень мало.

Эти процентные доли относятся к современному состоянию мира; в ходе эволюции Вселенной они изменялись из-за общего космологического расширения. Например, в ранней Вселенной, при возрасте мира в несколько минут, начиная с которого история мира уверенно прослеживается современной наукой, доля вакуума была близка к нулю, доля же излучения приближалась к 100%. Такой переменный рецепт космической смеси кажется слишком сложным, случайным, а то и странным или даже абсурдным. Но это только на первый взгляд. Мы увидим, что на самом деле за всем этим скрывается простая и не зависящая от времени закономерность. Закономерность эта представляет собой особого рода симметрию, которая - в отличие от знакомых всем геометрических симметрий - не касается пространственно-временных отношений. Симметрии негеометрического характера называют внутренними симметриями. Простой пример внутренней симметрии давно известен в физике элементарных частиц: она объединяет протон и нейтрон, несмотря на их очевидные различия, в единое целое - дублет нуклонов. Внутренняя симметрия в космологии объединяет четыре космические энергии и указывает на существование в природе не известных ранее глубинных связей.

Четыре энергии

Начнем с краткой сводки современных данных о четырех космических стихиях. Скажем сразу, что наши сведения по большей части скудны и неопределенны. Прежде всего это касается физической природы и микроскопической структуры космических энергий. В рамки современной фундаментальной физики укладываются только обычное вещество и излучение, на которые приходится всего чуть больше 4% полной энергии Вселенной. Обычное вещество - это протоны, нейтроны и электроны, из которых состоят Земля и все, что на ней, включая и нас самих, а также планеты и звезды. Это вещество принято называть барионным (хотя электроны к барионам, т.е. тяжелым частицам, и не относятся).

Но даже и с барионами далеко не все ясно. Главный вопрос: почему в мире имеются протоны и нейтроны, но не наблюдаются в тех же количествах антипротоны и антинейтроны? Ведь согласно одному из фундаментальных законов физики, в природе должно иметь место равноправие между частицами и античастицами. То же относится, разумеется, и к электронам: их античастицы позитроны - большая редкость в естественных условиях. Возможный путь к решению проблемы был намечен А.Д.Сахаровым и В.А.Кузьминым более 30 лет назад; с тех пор многое в этом направлении было сделано теоретиками разных стран, но полного и окончательного ответа на вопрос до сих пор нет.

С излучением дела обстоят намного лучше - оно определенно представляет собой остаток, реликт некогда плотного и очень горячего состояния вещества на ранних этапах эволюции Вселенной. Это было угадано Г.А.Гамовым в 1940-1950-е годы и подтверждено дальнейшими прямыми наблюдательными открытиями. Излучение - это фотоны и нейтрино (а возможно, и гравитоны), которые находились в термодинамическом равновесии с веществом и тоже были очень горячими в далеком прошлом. Затем, в ходе космологического расширения, излучение охладилось до наблюдаемой сейчас очень низкой температуры - всего около 3 К (фотоны) или 2 К (нейтрино). При этом сами фотоны и нейтрино не исчезли, и их полное число сохранилось до наших дней (о том, по какому объему считать частицы, - см. ниже). Этих частиц довольно много - приблизительно тысяча в каждом кубическом сантиметре пространства. Излучение почти идеально равномерно заполняет весь объем Вселенной, тогда как барионы (и темное вещество) собраны в сгущения разного пространственного масштаба, которые и образуют все наблюдаемое многообразие космических систем.

Число барионов тоже сохраняется при расширении мира, но их «поштучно» гораздо меньше - всего одна частица на кубический метр пространства. Отношение числа фотонов к числу барионов - огромное безразмерное «барионное число», равное по порядку величины миллиарду. Из-за неясности с антибарионами (см. выше) его физическая природа представляет собой большую загадку космологии и фундаментальной физики.

Что касается темного вещества, то оно целиком остается вне рамок «стандартной модели» физики элементарных частиц - нынешняя фундаментальная физика ничего подобного не предусматривает. Темное вещество до сих пор ускользает от прямого физического эксперимента, несмотря на многолетние усилия в этом направлении. Но надежно установлено, что его в природе по крайней мере в пять-шесть раз больше по массе, чем обычного вещества. Темное вещество заполняет огромные объемы вокруг галактик, их групп и скоплений. Оно не светится и проявляет себя только своим тяготением. В космологии обычно предполагается, что носителями темного вещества служат неизвестные пока стабильные элементарные частицы довольно большой массы, приблизительно в тысячу раз превышающей массу протона. В отличие от протонов и нейтронов, эти частицы не чувствуют «сильных» ядерных сил, но участвуют, как и электроны, в электрослабом взаимодействии. Темные частицы, будучи, как и фотоны с барионами, стабильными, сохраняются в ходе космологического расширения. Главная загадка здесь - почему природа так любит эти частицы, что отдает им сейчас четверть всей своей энергии?

Распределение галактик (желтые точки) в тонком слое Вселенной, «просканированном» с помощью двух обзоров красных смещений галактик - обзора Гарвард-Смитсоновского астрофизического центра (CfA) и Слоановского цифрового обзора неба (SDSS). Наша Галактика находится в вершине клиновидных карт, расстояние от нее указано в миллионах световых лет. Как видим, в масштабе миллиарда световых лет распределение вещества во Вселенной еще весьма неоднородно: видны скопления и сверхскопления галактик, объединенные в несколько «великих стен», протянувшихся по прямому восхождению (которое указано в часах дуги).

Но самая трудная проблема фундаментальной физики и космологии - природа и микроскопическая структура космического вакуума. Энергию вакуума принято называть темной энергией, и она действительно темна - не излучает, не отражает и не поглощает света, так что ее невозможно увидеть. Она проявляет себя только тем, что создает… антитяготение. По этому динамическому эффекту она и была обнаружена на самых больших космологических расстояниях [1, 2]. Тот же эффект позволил заметить ее присутствие и в нашем ближайшем галактическом окружении, на расстояниях в 1-3 Мпк [3, 4].

Веками говорили: тяготение - сила, что движет мирами. Теперь же приходится признать, что и расширением Вселенной как целого, и движением галактик вблизи нас управляет не тяготение, а антитяготение (подробнее об этом см., например, в книге [5]).

Антитяготение до недавнего времени не выдавало себя ни в астрономических наблюдениях, ни в физическом эксперименте. Но в теоретической физике о нем говорят и спорят давно - с тех пор как в 1917 г. Эйнштейн добавил в уравнения общей теории относительности «космологическую постоянную». Она-то и описывает антитяготение как силу взаимного отталкивания, действующую между всеми телами природы. Эту силу создают не сами тела, а темная энергия вакуума, в которую тела погружены. Плотность темной энергии прямо связана с космологической постоянной, как впервые установил Э.Б.Глинер еще в 1965 г. [6]; поэтому плотность темной энергии вакуума постоянна в пространстве и неизменна во времени.

Фридмановские интегралы

Каждой из четырех космических энергий можно сопоставить определенную физическую величину размерности длины, называемую фридмановским интегралом. Она была введена в космологию в знаменитой работе А.А.Фридмана 1922 года, с которой, как известно, и началась современная теория расширяющейся Вселенной. У Фридмана эта величина характеризовала обычное (нерелятивистское) вещество и выражалась через полное число частиц этого вещества в заданном расширяющемся объеме. Число частиц вещества сохраняется при космологическом расширении, и вместе с ним неизменным во времени оказывается и фридмановский интеграл. В точности по этому образцу мы можем ввести фридмановский интеграл для барионов, а также и еще два интеграла - один для темного вещества, а другой для излучения. Это возможно, поскольку, как мы уже говорили, число барионов, число темных частиц и число фотонов излучения сохраняются со временем. Что же касается вакуума, то никаких частиц у него нет. Но общее правило составления фридмановского интеграла можно, как оказывается, легко распространить и на вакуум; только в этом случае в качестве сохраняющейся величины, через которую этот интеграл выражается, будет служить плотность вакуума.