Поиск - новости науки и техники

Загадки Вселенной. Лекция Валерия Рубакова

Какое будущее нас ждет? Давайте узнаем, что думают по этому поводу ученые. В Институте географии РАН стартовал цикл лекций, послушать которые может любой желающий. Достаточно зарегистрироваться на сайте института. Вход бесплатный. 12 известных физиков, филологов, астрономов, географов, философов раз в месяц рассказывают, как они видят будущее, в котором предстоит жить нам и нашим детям.


Первая лекция была посвящена загадкам Вселенной. Благодаря развитию теоретической космологии и, в первую очередь, получению высококачественных данных астрономических наблюдений, мы сегодня знаем очень многое о современном состоянии и о прошлом Вселенной. В то же время, имеется ряд фактов, свидетельствующих о том, что имеющихся знаний об элементарных частицах, фундаментальных взаимодействиях, формах материи недостаточно для описания наблюдаемого мира. В этом и заключаются так называемые «загадки Вселенной». О них и рассказывает академик РАН Валерий Рубаков – доктор физико-математических наук, один из ведущих мировых специалистов в области квантовой теории поля, физики элементарных частиц и космологии.

Текстовая версия лекция Валерия Рубакова:

Начну я с довольно длинного введения. Введение это призвано сказать, что с одной стороны мы сегодня продвинулись очень сильно в понимании того, как работает Вселенная, как она устроена, как она эволюционировала. Это надо сказать новая достаточно вещь, но новая в мерках человеческого, цивилизации.

Я помню, когда я входил в науку, это было конец 70-х, начало 80-х годов, конец 70-х скорее, значит, представление о космологии среди физиков было очень такое, точнее взгляд на космологию был несколько пренебрежительный, потому что в то время данных было мало, было много теоретических воззрений, которые ни на чем особенно не основывались и по отношению к другим физическим дисциплинам, это была такая довольно умозрительная наука, которую собственно и наукой-то по физическим меркам было трудно назвать, потому что экспериментальных наблюдательных данных было очень мало.

Сегодня ситуация другая. Сегодня имеется большой набор наблюдательных данных, о некоторых из них я буду коротенько говорить, но не буду вдаваться в детали, откуда, какие данные берутся. Сегодня имеется большой набор наблюдательных данных, которые позволяют количественно говорить о строении эволюции Вселенной, с одной стороны.

С другой стороны, эти, как всегда или как часто бывает, то, что мы выяснили про Вселенную, оказалось сильно, отчасти даже перпендикулярным тому, что мы знаем про мир элементарных частиц, про физику микромира, про физику элементарных частиц. И тут вот собственно часть по-крайней мере загадок космологии и находится, потому что две совершенно фундаментальные области физика микромира, физика элементарных частиц и космология – физика Вселенной, они плохо очень уживаются друг с другом и нам еще предстоит понять, что на самом деле за всем этим стоит.

Ну вот, в качестве введения я должен сказать, что, что мы сегодня знаем о Вселенной так, в общих чертах. Это следующее. Во-первых, мы знаем, что Вселенная видимая, Вселенная везде одинаковая. Я всё время буду подчеркивать, что речь идет о видимой части Вселенной. Чуть позже скажу, что она совсем даже не исчерпывает всю Вселенную. 

Значит, видимая Вселенная везде одинаковая, в масштабах порядка миллиарда световых лет или около того, разные области Вселенной выглядят совершенно одинаково. Это видно и из глубоких обзоров галактик. Сегодня у нас имеется карта Вселенная с расстояния, до расстояния масштаба десятков миллиардов до 20 миллиардов световых лет и речь идет о объектах, галактиках, счет которым идет на миллионы. И это еще не конец. Значит, эта карта будет уточняться, но вот то, что мы сегодня знаем, мы знаем, что Вселенная везде одна и та же.

Дальше, мы знаем, что Вселенная расширяется. Это закон Хаббла, это было известно еще с 20-х годов прошлого века, пространство растягивается. Вот тут намедни пришло сообщение о том, что Патриарх Кирилл тоже заинтересовался космологией, значит, но заинтересовался он очень по-дилетантски. И он, значит, объявил, что ученые думают, что Вселенная пошла расширяться из какой-то, из некоторой точки. Вот эта точка зрения, этот взгляд совершенно неправильный.

Вселенная не пошла расширяться не из какой точки. Понятие большой взрыв совершенно не соответствует представлению о взрыве, о том, что где-то чего-то взорвалось и пошло разлетаться в пустоту. Ничего подобного. 

Вселенная, по-крайней мере, та часть, которую мы видим, она везде одинаковая, поэтому она начала значит эволюционировать с одного и того же состояния, всюду, везде и всюду в огромном, огромном объеме, что на самом деле выглядит очень странно, но факт жизни такой, что Вселенная начала расширяться когда-то с очень больших плотностей энергий и температур, об этом мы поговорим и до сих пор она расширяется. Пространство растягивается. 

Надо представлять себе картинку такую, что у вас есть, ну, условно говоря, воздушный шарик, на поверхности которого мы способны только и жить и сигналы, свет может распространяться вдоль этого воздушного шарика, и он вот так вот растягивается. У вас нет никаких выделенных точек, а он растягивается, пространство расширяется. И лишние координаты, куда он растягивается, тоже нету. Значит, такая немножко отвлеченная картинка. 

Но смысл в том, что нет никаких выделенных точек в нашей Вселенной, это мы хорошо знаем и, тем не менее, пространство растягивается, расширяется. Это известно было давно по эффекту Доплера, по тому, что разбегающиеся галактики, убегающие галактики, значит, испускают свет, этот свет по мере расширения Вселенной, они далеко эти галактики, свет летит к нам конечное расстояние, стало быть, конечное время и за это время пространство успевает растянуться, длина волны света увеличится, свет становится более красным. В этом состоит эффект Доплера на космологическим языке. Это мы видим хорошо. Очень хорошо промеренный эффект. Туда идти? Хорошо.

Очень хорошо измеренный, измеренный эффект, который на самом деле много чего говорит, и на основе глубокого изучения которого было получено свидетельство о том, что во Вселенной есть темная энергия, об этом я еще поговорю.

Значит, дальше, следующее. Мы понимаем, что сегодня расширение пространства очень медленное. Мы с вами живем и этого не замечаем по вполне понятной причине. Расширение Вселенной настолько медленно, что мы успеваем к нему приноровиться, а если говорить точнее, то, все расстояния, ну, между удаленными объектами растянутся вдвое примерно за десяток миллиардов лет. Вот такой характерный, характерные времена расширения сегодня 10 миллиардов лет.

Значит, но это не означает, что так оно и было всегда. В прошлом Вселенная была гораздо более плотной, при расширении она стала более разреженной, вещество в ней, и темп расширения был гораздо выше, чем сегодня. И об этом мы тоже можем уверенно говорить.

Значит, еще одно свойство нашей Вселенной – Вселенная теплая. Смысл очень простой. Когда-то во Вселенной были очень высокие температуры, ну и при расширении они снижались, как все, любое расширяющееся вещество, температура его падает при расширении. Когда-то температуры были очень высокие, а горячие среды, горячие объекты, чайник испускают электромагнитные излучения. Ну, вот лампочки испускают видимый свет, чайник в инфракрасе. 

Значит и тогда во Вселенной в ранние времена происходило излучение света, ну, электромагнитное излучение точнее, который дошел до нас и сегодня этот свет имеет, это электромагнитное излучение имеет температуру 2,6 градусов Кельвина, 2,7 градусов Кельвина, прошу прощения, не очень высокая температура, но сам факт того, что есть вот такое вот реликтовое излучение означает, что во Вселенной когда-то реализовывались очень высокие температуры, когда-то Вселенная была очень горячая, вещество во Вселенной было очень горячим и это и есть собственно горячее, большое, теория горячего Большого взрыва отсюда проистекает.

Значит, важный момент в истории Вселенной, это момент, ну эпоха коротенькая, перехода из плазменного состояния в газообразное состояние. Значит, плазма замечательна тем, что в ней есть, были протоны свободные и свободные электроны, главное свободные электроны тогда были, а после перехода в газообразное состояние образовались атомы из протонов и электронов. Ну, там чуть-чуть было еще и гелия, но, в общем, картинка вот такая.

И почему это важно? Потому что плазма непрозрачная для фотонов, для электромагнитного излучения, из-за рассеяния на электронах, на свободных электронах. Значит, до перехода из плазменного в газообразное состояние вещество во Вселенной было непрозрачным, мутным, а после этого наоборот, газ стал прозрачным, мы с вами видим друг друга, всё-таки более менее прилично, а тогда плотность этого газа была очень, очень низкой, всего-навсего там 250, значит, атомов водорода в кубическом сантиметре было, вообще по нашим меркам почти ничего и фотоны отлично путешествовали с этого времени по Вселенной, не рассеиваясь ни на чем, и к нам прилетели.

И значит, сегодня мы имеем фотографическую картинку. Мы знаем, как была устроена Вселенная вот при такой вот высоченной температуре 3000 градусов Кельвина, мы имеем буквально карту Вселенной в это время, фотоснимок Вселенной в это время. Значит, температуре 3000 Кельвина соответствует возраст 380 тысяч лет, всего-навсего. Сегодня возраст Вселенной почти 14 миллиардов лет. 13,8 миллиардов лет. Юная Вселенная, горячая, мы имеем фотографию её в таком вот юном возрасте.

Вот эта фотография. Это самая лучшая фотография, с самым высоким разрешением снята. Значит, видно, что, что здесь изображено? Более яркие, более желтые значит области, это области повышенной температуры по отношению к средней, а более синие наоборот пониженная температура.

Хочу обратить внимание, что на самом-то деле эти вот неоднородности по температуре, эти флуктуации температуры при увеличении (?) составляют очень маленькую долю, порядка одной десятитысячной, даже меньше. Если сама температура это 2, 7 Кельвина, то речь идет о тысячных долях, там долях, тысячных долях Кельвина, милликельвинах. Значит, то Вселенная была сильно однороднее, чем сегодня. 

Сегодня у нас есть с вами галактики, скопление галактик, есть всякие другие структуры. Мы с вами, в конце концов, тоже неоднородности у Вселенной. Тогда ничего такого не было. Вселенная была однородная и были маленькие, маленькие по амплитуде неоднородности в этой Вселенной, но мы про них хорошо знаем и эта фотография, как любая фотография, она очень информативная. Конечно, её надо уметь расшифровывать, но если её расшифровать, то мы отсюда получим множество интереснейших средств (?).

Значит, ну теперь картинка такая. Если у меня Вселенная теплая, если мы пойдем назад во времени и будем изучать, что же происходило во Вселенной, то мы увидим с вами, что наивная экстраполяция приведет нас к моменту Большого взрыва, к моменту, когда температура бесконечна формально, когда плотность вещества бесконечна, темп расширения тоже бесконечный, значит, Вселенная расширяется с огромным темпом расширения и вот такая вот сингулярная, сингулярное начало, это было господствующей картинкой до, наверное, начала 80-х годов, когда люди поняли, что на самом деле с такой картинкой жить трудно и надо думать, что горячая Вселенная не была самой первой, а сегодня мы в этом уверены.

Значит еще одна, еще одно соображение такое, что я об этом, я может быть, если успею несколько слов скажу, значит, фактически мы уверены, что до такой горячей стадии, которую мы хорошо понимаем, которая описывается обычными законами физики, ну не всем они известны, может быть, в деталях, но по-крайней мере никаких особенных явлений, необыкновенных, мы здесь не ожидали бы, а эта стадия не была самой первой стадией.

Была гораздо более интересная, необычная стадия. Может быть, это была инфляционная стадия, я об этом пару слов скажу, может быть, это было что-то другое, но Вселенная началась не с горячей стадии, которая, не с горячего Большого взрыва. Вот это надо понимать и это удивительное дело, что пока мы еще не очень знаем, что это была эпоха, но была очень такая необычная эпоха, совершенно непохожая на современную или раннюю эпоху. 

Значит, еще одно свойство. Я хочу о нем упомянуть, хотя оно может быть для нас не очень существенно – наше пространство евклидово. Значит, все мы с вами в школе проходили, что сумма углов треугольника равна 180 градусам. Вообще говоря, в теории относительности пространство кривое может быть, искривленное, сумма углов треугольника не обязана равняться 180 градусам. Другими словами пространство не обязано являться евклидовым, трехмерное пространство наше, не обязано являться евклидовым.

Оказывается, это экспериментальный факт, который следует вот из изучения вот этой картинки, которую я вам показывал, фотографии, оказывается, что ничего подобного. Что на самом деле пространство наше трехмерное, представляет из себя евклидово пространство. Сумма углов треугольника 180 градусов, а не, значит аналог плоскости, а не, скажем, аналог сферы. На сфере сумма углов треугольника не равна 180 градусам. Так вот наше пространно, это трехмерное евклидово пространство, аналог плоскости.

Значит, количественно, что это значит? Это значит, что видимая часть Вселенной составляет не более одной сотой от её полного объема. Скорее всего, заметно меньше, скорее всего наша Вселенная гораздо-гораздо больше, чем то, что мы видим, но ограничение сегодня это такое же, что мы видим не больше одной сотой объема Вселенной. Вот Вселенная здоровенная, а мы видим маленькую, маленькую её часть, по объему не больше одной сотой, всего-навсего. Скорее всего, мы видим совсем-совсем малую часть Вселенной. Мы только-только видим самую такую, небольшой уголочек её.

Значит, теперь несколько слов о ранней Вселенной. Почему мы уверены, что мы понимаем, как она работала. Ну, во-первых, количественное описание вот этого перехода из плазменного в газообразное состояние и вот эти картинки, фотографии, о которой я вам говорил, позволяют нам с уверенностью говорить, что мы хорошо понимаем, как она эволюционировала, какие там шли физические процессы, какой был темп расширения при температуре 3 000 градусов и возрасте 380 тысяч лет.

Но это не самый ранний этап эволюции Вселенной, о котором нам доступны экспериментальные наблюдательные данные. Самый ранний этап, ну или почти самый ранний этап, это этап термоядерных реакций. Во Вселенной при очень высоких температурах, выше, чем температура в центре Солнца, шли термоядерные реакции, те самые реакции, которые греют Солнце, которые идут в термоядерной бомбе водородной, это реакция образования легких элементов.

Сначала при высоких температурах во Вселенной были протоны и нейтроны, а при понижении температуры начали образовываться легкие ядра – дейтерий, гелий 3, гелий 4, в основном, в конце концов, получился, и всё это происходило при температурах порядка миллиардов градусов. Значит, речь идет о миллиардах градусов во Вселенной. И, ну, эта, эти реакции описываются нормально ядерной физикой, мы о них хорошо знаем, значит, и можем предсказать, сколько же образовалось элементов, вот этих легких элементов – дейтерия, гелий 4 и померить с другой стороны.

Так вот выясняется, что есть трогательное согласие, есть трогательное согласие между теорией, вычислениями и значит измерениями обилия, измерение количества этих легких элементов, образовавшихся в ранней Вселенной. Всё это отлично сходится друг с другом. 

И что это означает? Это означает, что мы уверенно можем говорить, уверенно знаем, как Вселенная эволюционировала при температурах миллиарды градусов и временах жизни одной секунды. Что было время во Вселенной, когда она расширялась вдвое в пространстве за одну секунду. Не за 10 миллиардов лет, как сегодня, а за одну секунду. 

Представьте себе, значит, вот трудно себе представить ситуацию, когда вы за одну секунду, у вас всё растягивается в два раза. Было такое время во Вселенной, и мы уверенно можем говорить об этом, об этой эпохе. Это эпоха термоядерных реакций.

Значит, ну вот заключая с этим общим введением. Значит, сегодня нам известна Вселенная во всех деталях, ну или во многих деталях. Мы знаем про эпоху рекомбинаций или эпоху о переходе из плазменного в газообразное состояние, мы знаем эпоху образования первичных элементов, первичного нуклеосинтеза, всё это мы сегодня и теоретически и экспериментально проверили и вся эта картинка, весь этот пазл сходится. Но вот что было раньше еще, это вот вопрос, но я остановлюсь на других вопросах. Это отдельный вопрос, который, может быть, мне удастся о нем поговорить.

Но вот теперь собственно к загадкам. Тема была – Загадки Вселенной. Загадки, загадки такие. Загадки первого сорта, это загадки, связанные с составом. Значит, Вселенная оказывается, если посмотреть внимательно на все наблюдательные данные, которые нам известны про Вселенную, оказывается, что состав-то у нее очень необычный. 

Что всего-навсего около 5% составляет обычное вещество. Водород, гелий, ну и более тяжелые элементы, которые образовались попозже во Вселенной. Обычное вещество составляет 5%. Всё остальное, ну там немножечко нейтрино, о нем речи я сейчас вести не буду, хотя это интересная частица, интересная фракция, но остальное всё, это совершенно непонятно, что такое. И как шутили в свое время физики, значит, когда выясняется, что неизвестно что, то надо слово придумать, тогда становится легче.

Значит, вот придумали слово, причем оказывается, что требуются две фракции сегодня, разные, с разными свойствами и одна из них получила название темная материя, а другая фракция получила название темная энергия. И та и другая есть, и та и другая совершенно загадочные.

Ну вот значит на самом деле, если посмотреть на эту диаграммку, на этот слоеный пирог, то тут все фракции на самом деле представляют из себя загадки, в том числе обычное вещество.

Да ладно, кончайте. 85. Почему? 85-90. Нет, значит 0, 5 звезды, надо включать 4, 8. Это всё вместе. Звезды состоят из обычного вещества, правда? Что, не очевидно, да? Звезды из какого-то другого вещества состоят? Не из обычного, да? Из обычного, поэтому вот эти 0, 5 %, это всё вместе. 4, 8 – это вещество обычное, из него примерно одна десятая часть содержится в звездах, а всё остальное содержится в газе, в межгалактическом, межзвездном газе. Ну, тут тоже есть своя загадка на самом деле. Значит, поэтому в сумме. Это вы бросьте, я считать умею.

Значит, в сумме это, ну плюс, минус с точностью до того, что мы не очень знаем, сколько нейтрино, это 100%.

Теперь, значит, ну, здесь есть некое округление конечно. Значит обычное вещество тоже представляет из себя загадку. Почему? Потому что мы давно знаем, что наряду с частицами есть античастицы. Наряду с веществом может быть антивещество. Есть позитроны, антиэлектроны, есть антипротоны. В ЦЕРНе сейчас делают антивещество и вообще и в Протвино его делали в свое время, а сейчас в ЦЕРНе массовое производство антивещества имеется. Ну, массовое, десятками, сотнями антиатомов, но, тем не менее, это уже не штучное, а десятки, сотни.

Значит, антивещество. Антипротон с анти, электрон с позитроном образуют антиатом водорода. Пожалуйста, сколько угодно. Свойства, свойства у них практически те же самые у этих антиатомов, как и у обычных атомов. И это тоже экспериментальный факт. В ЦЕРНе измеряют сейчас свойства антивещества, выясняется, что ничего удивительного. Зачем они это делают, не понимаю, но, тем не менее, выясняется, что свойства антивещества такое, такие же, как и у вещества.

Так вот проблема в чем? Проблема в том, что во Вселенной, да ничего подобного, во Вселенной есть вещество, звезды, вот то вещество, о котором я говорил межзвездный газ, а антивещества нету. А, значит, и более того, можно уверенно говорить, что если бы антивещество было, то мы бы давно его уже зарегистрировали, потому что происходила бы аннигиляция вещества с антивеществом на поверхности раздела и мы бы это хорошо давным-давно заметили.

Антивещества во Вселенной нет, а вещество есть. И это удивительно. Почему это удивительно? Потому что, ну, вообще-то мы с вами знаем, что в природе есть некие законы сохранения. Есть очевидный закон сохранения, типа закон сохранения энергии, а есть не очень очевидный, и вот один из них, это закон сохранения барионного числа, так называемый. Значит, это жаргон, к сожалению, тут без жаргона не обойтись, но смысл простой.

Значит, протоны, нейтроны состоят из кварков. Это не элементарные частицы. Протоны и нейтроны, это частицы составные, состоят они из кварков и барионное число, это разница между числом кварков и антикварков. Значит у протона барионное число единица, у нейтрона тоже единица, а у антипротона наоборот минус единица. В протоне три кварка, антикварков нет. А в антипротоне наоборот три антикварка, кварков нет.

Значит, и закон барионного числа отлично работает. Это единственная причина, почему мы с вами не распались до сих пор. Всё, что в мире элементарных частицах может развалиться, распасться, всё разваливается. Все элементарные частицы, если им не запрещают законы сохранения, все они не стабильны, у всех есть конечное время жизни. 

И стабильных, не распадающихся элементарных частиц вообще раз, два и обчёлся. Это электрон, протон, ну и нейтрино. Всё. Все остальные элементарные частицы, а их еще много, я о них несколько слов скажу, их много и кварков других и значит, аналогов электрона, они все нестабильны.

Почему? Им ничего не запрещает распадаться. Раз не запрещает, значит разрешается. Они распадаются. Протону запрещает распадаться закон сохранения барионного числа. Это легчайшая частица, у которой есть барионное число – единица. Значит, поэтому распадаться ему просто некуда. 

Закон сохранения энергии запрещает распадаться на что-то более тяжелое, поскольку Е = mс 2 (квадрат), поэтому ни на что более тяжелое протон распадаться не может, а все остальные легкие частицы имеют нулевое барионное число. И факт жизни, опять-таки экспериментальный состоит в том, что время жизни протона колоссально. 10 в 33-ей лет. Ограничение сверху 10 в 33-ей лет, это экспериментальный факт.

10 в 33-ей лет. Понятно, что значит не надо ждать 10 в 33-ей лет, смотреть, ждать пока протон распадётся, надо собрать 10 в 33-ей протонов и подождать год, один да распадется, если у него время жизни 10 в 33-ей. Что и происходит.

Да, да. Сейчас ограничение находится на уровне 10 в 33-ей Не был наблюдён распад протона и ограничения, на его время жизни больше, чем 10 в 33-ей лет. Он живет дольше, чем… Может быть, он бесконечное время живет, может быть, но экспериментальное ограничение всегда число 10 в 33-ей лет, больше, чем 10 в 33-ей лет. 

И вот мы с вами в связи с этим, собственно говоря, тут и сидим, находимся, потому что, если бы не закон сохранения тетабарионного числа наши протоны отлично распались бы. Свободный нейтрон, кстати сказать, отлично распадается на протон и другие частицы. У него тоже барионное число единица, но он чуть-чуть тяжелее протона, он и распадается. 

Значит, ну теперь поехали в раннюю Вселенную. В ранней Вселенной температуры были колоссальны, и при высоких температурах, что такое температура? Это энергия сталкивающихся, энергия частиц в среде. И при высоких температурах столкновения частиц в среде могут рождать пары частица – античастица. Это на ускорителях происходит массово, огромное количество пар рождается, например, на Большом адронном коллайдере. Значит, процессы рождения пар частица-античастица хорошо изучены, их, это тривиальная вещь для физики элементарных частиц. 

Так вот при высоких температурах рождались пары кварки-антикварки, столкновение других частиц и кварков самих с собой, друг с дружкой. Рождались пары кварки-антикварки. Можно посчитать, сколько же таких пар было. И выясняется, что для того, чтобы иметь сегодня такую плотность вещества у Вселенной сколько, какая она есть, требуется, чтобы в ранней Вселенной была такая маленькая асимметрия, маленькая разница между числом частиц кварков и античастиц антикварков. По отношению к полной сумме, к полному числу этих пар эта величина должна составлять примерно одну миллиардную.

Тогда по мере расширения Вселенной кварки с антикварками аннигилируют, значит, энергии из частиц в среде не хватает для того, чтобы рождались новые  ди пары, температуры низкие, значит, кварки аннигилируют. И один вот этот не скомпенсировованный кварк, лишний, из миллиарда, остается свободным, но образует протоны, нейтроны, в конечном итоге нас с вами. Вот откуда мы взялись. Мы взялись из того, что во Вселенной был вот такой вот странный избыточек материи над антиматерией на уровне 10 в минус 9-ой, на уровне одна миллиардная. 

И совершенно невозможно представить себе, что такая асимметрия была в самом начале эволюции Вселенной и более того, те представления о начале развития Вселенной, которые сегодня существуют, они просто говорят о том, что эта разница должна быть просто равной нолю, изначально. И должна возникать таким образом в результате эволюции во Вселенной. 

Значит должна, должны происходить процессы, которые знают, что вещество чуть-чуть отличается от антивещества, и должны происходить такие процессы, которые рождают чуть-чуть больше материй, чем антиматерий на уровне 10 в минус 9-ой, на уровне одна миллиардная. 

Значит надо сказать, что вопрос этот поставлен был аж в 67-м году Андреем Дмитриевичем Сахаровым. Все знают, что он был так сказать общественным деятелем, но он на самом деле был и физиком тоже. Достаточно так сказать сильным, и в частности он занимался и вопросами космологии тоже, и вот этот вопрос он поставил в 67-м году, и ответа на него до сих пор нет, вот до сих пор остается загадкой. Мы до сих пор с уверенностью не можем сказать, откуда взялась, взялось вещество во Вселенной, почему у нас есть избыток его, был над антивеществом, и собственно каков источник нашего с вами существования. 

Загадка нерешенная. Есть множество, конечно теоретики народ изобретательный, конечно такого рода вопросы теоретики начинают размышлять, придумывать всякие модели и механизмы. Сегодня этих механизмов, ну я не скажу, что сотни, но десятки, на бумаге написанных, но ни один из них экспериментально не подтвержден. И сегодня мы с вами не знаем ответ на этот вопрос. Уверен, не можем сказать, как же получился избыток материи над антиматерией. 

Значит, вторая загадка. Вторая загадка более, наверное, простая в смысле возможности её разгадки. Это темная материя. Значит темная материя, вот эти 26%, впервые она обнаружилась не в космологическом контексте, а скорее в астрофизическом контексте. 

А именно, значит, астрономы стали измерять гравитационные силы в разных ситуациях, в скоплениях галактик и в галактиках. Например, в скоплениях галактик, и это был первый путь, первый способ обнаружения этой темной материи. В скоплениях галактик, например, это не единственный способ, есть много способов измерения гравитационных сил, иррационных потенциалов в скоплениях галактик гравитационное линзирование. 

Значит, вот у вас есть скопление, вот это желтенькое, которое здесь изображено, это разные галактики в скоплении. А сзади есть голубенькая галактика, которая дает из-за того, что свет искривляется, за счет того, что у вас есть масса, как всё, ну свет известно, что вблизи массивного тела искривляет свое движение. Значит, это скопление галактик работает как линза, и делает много изображений одной и той же галактики, которая находится сзади. Много изображений, потому что линза не идеальная, если взять плохую линзу, то вы увидите много-много изображений. 

Ну и дальше вы можете восстановить распределение массы, полной массы, которая создает гравитационные силы, полной массы в этом скоплении, и оценить эту массу. Выясняется, что этой массы больше примерно в 5 раз, чем массы обычного вещества, которую можете независимо измерить. 

Во-первых, во-вторых, она распределена гораздо более, эта масса распределена гораздо более равномерно. Вот она тут показана голубым и более ярким цветом, её распределение вот в этом самом скоплении. Это и есть темная материя. Значит, не обычное вещество, не вещество, которое светит, и не поглощающее значит свет, какое-то другое вещество, которое собирается в комки, конечно, в скопление галактик в данном случае, образует, значит, образует гравитационные силы, взаимодействует так же гравитационно, как наше известное нам вещество, но в остальном совершенно не похоже на него.

Значит, другая картинка, это измерение скоростей вращения в галактиках уже, то было скопление, большой объект, а эта галактика, меньший объект, объект меньшего размера, галактика. Здесь изображена совсем небольшая галактика, меньше нашей существенно.

Ну вот, вы можете измерять скорости обращения, скажем звезд, вокруг центра этой галактики, и на больших расстояниях. Там звезд мало, но всё-таки они есть, и они вращаются вокруг галактики. Измерение скорости обращения показывают типичные кривые вот такого сорта, что скорости у вас не падают с расстоянием до центра. 

Если бы всё вещество, вся масса была сосредоточена, вся масса была сосредоточена в центральной части, то мы бы ожидали кривую, которая показана вот здесь пунктиром, просто ньютоновская физика довольно простая. Значит, а то, что мы такой картины не наблюдаем, означает, что есть масса на периферии этой галактики и эта масса не светится, в отличие от обычного вещества, она не светится, это тоже темная материя, но уже в галактиках.

Значит все, картина такая, что все наши галактики погружены в большие гало темной материи. В нашей галактике тоже такое есть. Вот здесь, вблизи нас, темной материи, ну, не вблизи Земли конечно, Земля это особая точка, но вблизи Солнечной системы темной материи по массе примерно столько же, сколько обычного вещества. 

Значит, что это такое? Это неизвестные частицы. Вот я тут изобразил все элементарные частицы, которые есть в природе, которые мы знаем, не есть в природе, а которые мы знаем. Это вот наш, уп, наш знакомый электрон, известный товарищ, это легкие кварки u и d, из которых сделаны протоны и нейтроны. Вот мы с вами все сделаны всего-навсего из трех типов частиц, электрон, u и d кварки. Всё. И плюс еще конечно электромагнитное излучение фотон, ну и всякие другие частицы, похожие на фотон, обеспечивающие взаимодействие между разными, частицами разных типов. 

Значит, есть более тяжелые частицы, мюон, тау и их соответствующие нейтрино. Вот они, мюон и тау нестабильные частицы, им ничего не запрещает распадаться, они распадаются. Так же и более тяжелые кварки, вот их всего-навсего еще 4 штуки, они тоже нестабильны, тоже все распадаются. Всё. Есть еще бозон Хиггса, есть частицы, похожие на фотон и отвечающие за взаимодействие, вот всё, что мы с вами знаем. 

Значит, ни одна из этих частиц не годится на роль темной, частиц темной материи. Нам надо иметь частицы электрически нейтральные. Значит электроны, мюоны, тау и кварки не годятся сразу, они заряжены, электрически заряжены. 

Нейтрино очень легкие, они не удерживаются в комках и не удерживаются, скажем, в галактике, они вылетели бы из галактики давным-давно. Значит, ну, а вот все остальные, частицы, фотон тоже конечно не годится, он без массы, он тоже не удержится в галактике, он улетает из галактики, из, ну, вообще из любой гравитационной ямы. Сейчас, чего-то я тут.

На все остальные нестабильно распадаются. Нам надо иметь частицу стабильную, чтобы она дожила до наших дней и образовала темную материю. 

Значит темная материя неизвестная нам частица. Вот в физике элементарных частиц скандальная ситуация с тем, что уже в течение долгого времени, по-крайней мере с середины 80-х по начало 90-х годов ясно, что должна быть темная материя, что она должна быть сделана из новых, неизвестных науке частиц, элементарных, и до сих пор мы не знаем, что это такое за частица. Загадка. 

Значит, мы только общие слова можем сказать, что это должны быть новые, неизвестные нам, тяжелые, массивные частицы, чтобы они удерживались в галактиках, а не улетали из них, как свет. Значит, скорее всего, их много, скорее всего вот в этой комнате сейчас болтается, ну типа тысячи таких частиц на кубический метр, они сквозь нас просвистывают и мы их не замечаем, но они тут вот есть. Может быть их гораздо больше на самом деле, это зависит от их массы. Но, по-крайней мере, уж тысяча штук их точно вот в этой комнате на кубический метр имеется. Но поймать их никак не удается. 

Значит, эти частицы должны быть стабильные, это не хухры-мухры. Стабильность, это, наверное, не обязательно, но скорее всего означает, что есть новый закон сохранения, а законов сохранения в природе раз-два и обчёлся. Среди известных вот нам, закон сохранения барионного числа, о котором я говорил и закон сохранения электрического заряда. Всё, других законов сохранения нету.

Электронного числа, нет, он не сохраняется. Он, закон сохранения электронного числа слегка нарушается.

Импульсы, энергия, само собой, но я говорю про внутренний закон сохранения. Но есть еще закон сохранения импульса, энергии и вращательного момента, момента количества движения. Это, ну, такие известные законы сохранения, плюс электрический заряд, плюс барионное число, всё. Значит должен быть новый закон сохранения, новая симметрия фундаментальных взаимодействий, потому что каждому закону сохранения соответствует некая симметрия. Это очень всё увлекательно для теоретика.

Значит, правдоподобная гипотеза, необязательна. Значит, постольку, поскольку речь идет о гипотезах, можно говорить о более или менее правдоподобных гипотезах. Так вот правдоподобная гипотеза состоит в том, что эти частицы, это новые частицы с массой типа сотни или тысячи масс протона, где-то так, плюс, минус, …..(?) масс протона, слабенько взаимодействующие, но всё-таки взаимодействующие с обычным веществом. Слабенько настолько, что мы до сих пор их не смогли зарегистрировать. Но если масса вот такая, и если действительно они хоть чуть-чуть взаимодействуют с обычным веществом, помимо гравитации, гравитационного взаимодействия, то есть шанс, что мы их обнаружим.

Ну, это отдельный разговор. Давайте мы отдельно поговорим. Значит, я тут, значит, подробности рассказывать не собирался из-за недостатка времени. Значит, если это так, я хочу подчеркнуть, что, да, 100 масс протона, 1000 масс протона, это те области масс энергий, которые доступны для современных ускорителей. И поиски этих частиц темной материи ведутся самым разным способом.

Это конечно скандальная ситуация, что частица, известно, что она есть, но неизвестно, кто это такой. Значит, разными способами ведутся эти поиски. В частности, есть большие эксперименты в подземных лабораториях. Значит, это почему подземные, потому что, как надо искать частицы темной материи, если они вот здесь вот у нас болтаются. Надо ожидать, что всё-таки время от времени она сталкивается с ядром, с ядром обычного вещества. Отдает ему энергию, толкает его и эту энергию можно пытаться зарегистрировать. 

Идея такая, вы берете большой объем вещества и ждёте, пока в нем ни с того ни с сего появится выделение энергии, ни с того ни с сего начнет двигаться ядро. Но таких процессов много, эти процессы вот здесь на поверхности происходят ежесекундно в огромном количестве.

Например, из-за того, что у нас есть радиоактивность или из-за того, что на нас всё время валятся космические лучи. Это частицы достаточно высоких энергий, которые сюда проникают, и отделить редкие, чрезвычайно редкие процессы с участием частиц темной материи от таких обычных, обыденных процессов, скажем с радиоактивностью или космическими лучами, это сложная задача.

Поэтому нам приходится уходить глубоко под землю, чтобы космические лучи до вас не достали, все задержались Землей, надо искать очень чистые в изотопном отношении вещества, чтобы не было радиоактивности и тогда есть шанс зарегистрировать редкие, редкое явление, когда частица темной материи стукнется в ядро. Такие эксперименты идут, пока безрезультатно. 

00.40.50 – Значит, другая возможность, это поиск на Большом адронном коллайдере. Там целая программа есть по поиску частиц темной материи и их партнеров, которые могут с ними вместе рождаться, протонов столкновениях на Большом адронном коллайдере. 

Значит, на Большом адронном коллайдере есть действительно массы этих частиц, порядка сотен масс протона, достаточно энергии для того, чтобы эти частицы образовывать. Опять e=mc^2, так вот «e» хватает, чтобы образовать mc^2 для таких частиц. И поиск, поиск этих частиц в Большом адронном коллайдере, это отдельная страничка в программе исследования на Большом адронном коллайдере, опять безрезультатно. Ну, я приготовил несколько слайдов про Большой адронный коллайдер, но я их пролистну. 

Значит, еще один есть способ непрямой регистрации, на мой взгляд, очень так сказать перспективный, связанный с тем, что эти частицы могут накапливаться в центре Земли или в центре Солнца, там аннигилировать. Ну, подумаешь, проаннигилировали в центре Солнца, но они могут проаннигилировать с рождением нейтрино, высоких энергий. 

Нейтрино, частичка, которая пролетает сквозь Землю, сквозь Солнце без взаимодействия. Она просвистывает. Вот здесь вот, у нас на Земле, на каждый квадратный сантиметр в одну секунду падает, вы только вдумайтесь 10 миллиардов штук нейтрино, за одну секунду на квадратный сантиметр. Но они такие слабовзаимодействующие, что мы для них дырявые. Они сквозь эти дырки пролетают, и ничего нам с вами не делают, и, поди, их зарегистрируй. Оказывается, это нетривиальная задача, но возможная. И вот частицы высоких энергий нейтрино могут образоваться в центре Земли и в центре Солнца, и тогда их надо искать, ловить эти нейтрино. 

Для этого в частности, не только для этого, но и для этого тоже, значит, есть сегодня детекторы большого объема. Опять-таки глубоко под водой или под землей, или во льду Антарктиды, американский детектор, глубоко во льду Антарктиды, которые способны регистрировать нейтрино, приходящие из центра, упс, из центра Земли. 

Нейтрино прилетает снизу, иногда рождает частицу мюон, частицу, заряженную уже. Эта частица излучает, так называемое черенковское излучение, которое способно регистрировать такие большие, то, что называется нейтринные телескопы, потому что они много для чего предназначены. 

Нейтрино вообще очень интересная частица, и вот эти нейтринные телескопы, они сейчас создаются и созданы уже на Южном полюсе в Соединенных Штатах, э, американский, американо-европейский проект, и у нас на Байкале сейчас имеются уже пять таких вот башен, высотой, как вы видите с Останкинскую телебашню, которые глубоко, на глубине примерно километр расположены и регистрируют нейтрино высоких энергий. Значит, вот еще один способ измере, попытаться обнаружить, косвенно, аннигиляцию частиц темной материи. 

Ну и наконец, есть множество других кандидатов в частицу темной материи, совершенно не обязательно таких тяжелых. Я до сих пор говорил о тяжелых частицах темной материи, но вообще-то говоря не обязательно, что эти частицы настолько тяжелые, как я говорил, сотни масс протона, может быть они наоборот легкие, и тогда их надо искать совершенно другими методами.

Вот сейчас идет охота, гонка за этими частицами темной материи. Уверен, что это, обнаружение частиц темной материи …..(?) Нобелевскую премию без всяких вопросов. Вопрос в том, что это за частица, и удастся ли нам её в обозримом будущем обнаружить. 

В частности в Троицке, у нас вблизи, теперь уже в Москве, есть своя программа поиска частиц темной материи, которая называется словом стерильные нейтрино. Еще один тип нейтрино, легкие, стабильные и тоже подходящие на роль частиц темной материи.

Ничего пока позитивного сказать на эту тему я не могу. Загадка осталась. Есть гонка, есть разные методы поиска частиц темной материи, море теоретических гипотез, но пока мы до сих пор ничего про это не знаем. 00.45.21 – Значит, ну, и, заключая эту часть, я должен сказать, что природа темной материи, это конечно для физики микромира важная загадка. Но и я надеюсь всё-таки, будучи оптимистом, что решение этой загадки не заставит себя бесконечно долго ждать. Правда, лет 15 назад, я думал, что частицу темной материи найдут в течение 10 лет, и даже об этом говорил, заявлял, но выяснилось, что дудки, ничего подобного, природа оказалась не такой к нам благорасположенной. 

Наконец, третья загадка, связанная с составом, это темная энергия. Это вот эти самые почти 70% по полной энергии во Вселенной. Это вообще странная штука, потому что в отличие от обычной материи и темной материи, которая собирается в сгустки, испытывает те же гравитационные взаимодействия, как и известные нам ньютоновские силы, гравитационные, всё там в порядке в этом отношении с точки зрения гравитации, для темной энергии всё наоборот. 

Темная энергия ни в какие сгустки не собирается, она разлита везде одинаково. Её здесь по плотности столько же, сколько в центре галактики, столько же, сколько в межгалактическом пространстве, везде одинаково. Значит первое. 

Второе, как её обнаружили и зачем она нужна. Обнаружили её в связи с тем, что наша Вселенная расширяется с ускорением, темп расширения Вселенной не убывает, а растет. И это вообще противоречит, ну, даже здравому смыслу. Потому что, если у вас есть гравитационные силы притяжения, то, если у вас что-то такое расширяется, то вы бы ожидали, что темп расширения должен был бы убывать со временем. Гравитационные силы должны были бы останавливать это расширение. И так оно и есть. Действительно в общей теории относительности обычная материя и темная материя должны были приводить к замедленному расширению Вселенной. 

Но выясняется, и это одна, тоже Нобелевская премия была за это дело присуждена, оказывается, что Вселенная расширяется с ускорением. И вот для того, чтобы описать этот, этот феномен и была введена темная энергия, которая собственно и нужна для того, чтобы объяснить ускоренное расширение Вселенной. И так немножечко, в таком стиле лозунга, можно сказать, что темная энергия испытывает антигравитацию.

Ну в определенном смысле так оно и есть. Действительно темная энергия это антигравитирующая субстанция. Она заставляет Вселенную расширяться с ускорением, все неоднородности, какие в ней есть, могли бы быть, они все разглаживаются, потому что вместо того, чтобы испытывать притяжение, темная энергия  испытывает отталкивание и расталкивает все неоднородности, какие возникают в ней. 

Значит, это на самом деле ничему особенному не противоречит с точки зрения общей теории относительности к современной теории гравитации, но надо предположить совершенно необыкновенное свойство этой самой темной энергии. Надо думать, что её плотность, темной энергии, не меняется с течением времени, плотность. Вселенная расширяется, а плотность энергии не меняется.

Представьте себе, что у вас есть шар, он расширяется, плотность энергии не меняется, объем растет, энергия растет. Значит на лицо нарушение закона сохранения энергии. Значит, тоже ничему особенно не противоречит, темная энергия умеет такие штуки делать. И вообще во Вселенной к закону сохранения энергии отношение сложное. Ну, вот, тем не менее, такая возможность имеется и она, по-видимому, реализуется во Вселенной.

Про темную энергию много говорить не приходиться, потому что мы совершенно не понимаем, что это такое. Может быть, это и есть энергия вакуума. Вакуум может весить, никто не сказал, что его энергия равна нулю, плотность его энергии равна нулю, и он очень подходит на роль носителя темной энергии. Или это тоже самое, что Эйнштейн в свое время предложил ввести в уравнение общей теории относительности, так называемую космологическую постоянную. Изменить тривиальным образом значит уравнение общей теории относительности. Это то же самое, что сказать, что у вакуума есть не нулевая плотность энергии. Это есть некий, еще один параметр нашей значит фундаментальной физики.

Может быть это так, может быть это не так. И надо надеться, что это не так, иначе это было бы скучновато. Может быть, это новые поля какие-то, новые совершенно сущности, о которых мы пока очень плохо, совершенно не догадываемся, не понимаем, что это такое, а может быть надо изменять гравитацию, может быть старик Эйнштейн был не прав. Ну, так, скажем так, был прав, но не до конца. Крокодилы летают, но низенько (?).

Он, значит, написал свои уравнения общей теории относительности с помощью Гильберта, но может быть гравитация на очень больших расстояниях, космологических, не описывается, значит, общей теорией относительности. Может быть, гравитация другая и есть на эту тему, теоретики, они народ изобретательный. Значит, есть довольно много работ, которые так и называются «Модификация и гравитация на больших расстояниях». Трудно, и описать существующие данные удается с большим скрипом, но, тем не менее, такая возможность существует.

Ну, я вижу, что у меня время закончилось, поэтому еще одну загадку, а именно, ну давайте я одно слово скажу, загадка начала эволюции Вселенной. Значит, мы сегодня уверены, что горячая стадия эволюции Вселенной, о которой я всё время говорил здесь, это не первая стадия. 

И сам факт, что Вселенная такая большая, однородная, горячая и сам факт, что наше пространство евклидово, прямо указывает на то, что было время, была эпоха до горячей стадии, когда такая вот большая Вселенная с большой плотностью энергии и значит, образовалась, образовалась наша область, где пространство, почти евклидово, плотность энергии, когда была очень большой и, ну, я уж не буду говорить подробности, но те свойства первичных неоднородностей во Вселенной, вот тех, свойства той фотографии, которую я показывал в самом начале, гарантируют нам, что, да, такой взгляд правильный, что во Вселенной было время, когда Вселенная выглядела совершенно по-другому.

Я не буду говорить подробности, откуда мы всё это знаем и догадываемся, я хочу сказать, что имеется на эту тему проект ответа. Проект ответа называется «Теория инфляционной Вселенной». Тут я должен вспомнить фамилию Старобинского Алексея Александровича, нашего с вами хорошего знакомого. «Теория инфляционной Вселенной, раздувающейся Вселенной», которая говорит о том, что на самой ранней стадии эволюции была совершенно другая картинка расширения. Вселенная расширялась с гигантским ускорением, у нее была гигантская плотность энергии. Ситуация была похожа, качественно, на то, что мы имеем сегодня, Вселенная расширяется с ускорением, но темп этого ускорения был совершенно иной. Он был колоссальный.

И тогда действительно можно объяснить те факты, которые мы знаем про Вселенную и тот факт, что она, пространственно-плоская, что у нее пространство плоское. Это понятно, потому что если у вас есть быстрое расширение Вселенной до гигантских размеров, пространство становится плоским. Если у вас воздушный шарик, вы растянули до гигантских размеров, то его маленькая часть будет выглядеть как кусочек плоскости.

Значит, замечательно, что эта же теория инфляционная легко и непринужденно объясняет по-крайней мере общие черты тех неоднородностей, которые мы с вами видели на этой картинке, на фотографии и тех самых неоднородностей, из которых появились галактики, скопления галактик, мы с вами. Всё это объясняется в рамках этой теории.

Но, на сегодня я должен сказать, что это не теорема, инфляция. Может быть, всё было совсем по-другому. Может быть, Вселенная когда-то наоборот сжималась, остановилась в своем сжатии и пошла дальше расширяться. Такая картинка тоже имеет право на существование. И это вот то, что называется гипотеза отскока, тоже не исключенная возможность.

Замечательно вот что. Замечательно, что измерения, космологические измерения в обозримом будущем должны по идее дать возможность выяснить, что было до горячей стадии. Выяснить, с чего, собственно говоря, есть пошла эволюция нашей Вселенной.

Значит, это возможность обнаружения реликтовых гравитационных волн. Реликтовые гравитационные волны, это волны, предсказываемые теорией инфляции с колоссальными размерами, измеряемыми миллиардами световых лет. А, значит, период колебаний этих звуковых, этих гравитационных волн измеряется миллиардами лет. Тем не менее, такие чудные гравитационные волны предсказываются теорией инфляции, и их обнаружение однозначно, значит, свидетельствовало о том, что инфляция действительно правильная гипотеза.

Есть другие возможности. Тонкие …… (?) свойства неоднородности во Вселенной. Это тоже горячая сегодня история. Ну и когда что-то из этого будет обнаружено, это конечно будет большой прорыв в космологии.

Интересно, что самый, вообще потрясающее дело – самые, самые ранние стадии эволюции Вселенной. Гигантский темп расширения, гигантские плотности энергии у Вселенной. И мы ожидаем, что об этом мы будем знать, измеряя свойства нашей Вселенной на сверхбольших расстояниях, измеряемых десятками, сотнями миллионов, миллиардами световых лет.

Вот такое вот, удивительная связь глобальных свойств Вселенной и микроскопических свойств материй на самых ранних эволюциях Вселенной, это конечно очень увлекательная тема. И такое понимание, оно конечно для нас стало возможным, надо сказать, совсем недавно.

Ну, ладно, значит, вот я сегодня заканчиваю на том, что, как я говорил, начиная с одной секунды мы хорошо себе представляем, как эволюционировала Вселенная. Ну и вот эти загадки. Загадка темной материи, загадка асимметрии между материей и антиматерией, загадка начальных данных. Все эти загадки, мы рассчитываем, что рано или поздно нам удастся разгадать на основе новых экспериментальных наблюдательных данных и в физике элементарных частиц и в космологии.

Значит, ну, я рассчитываю, что сегодня мы находимся на очень интересном этапе эволюции развития науки, такой фундаментальной науки и в области физики элементарных частиц и в области космологии. И вполне возможно, через обозримое время мы, а может быть, если нам не удастся, наши, значит, дети или внуки будут совершенно по-другому себе представлять, как устроена Вселенная, как устроена наша природа. Ну, в этом смысле разговор, конечно, идет о будущем. Спасибо.

Нет комментариев