#ЗНАТЬ. Загадки Вселенной

Стенограмма лекции одного из ведущих мировых специалистов в области квантовой теории поля, физики элементарных частиц и космологии Валерия Рубакова, прочитанной 29 ноября 2014 года в рамках Фестиваля публичных лекций #ЗНАТЬ – совместного проекта информационно-аналитического канала «Полит.ру» и Департамента науки, промышленной политики и предпринимательства г. Москвы.

Борис Долгин:

– Добрый вечер, уважаемые коллеги. Мы начинаем очередную лекцию нашего Фестиваля публичных лекций #ЗНАТЬ – совместного проекта информационно-аналитического канала «Полит.ру» и Департамента науки, промышленной политики и предпринимательства правительства Москвы. У нас была лекция историко-демографическая, была лекция историко-географическая, а сейчас физическая. Лекцию «Загадки Вселенной» прочтет Валерий Анатольевич Рубаков, академик РАН, главный научный сотрудник института ядерных исследований РАН, завкафедрой физики частиц и космологии физического факультета МГУ.

Валерий Рубаков:

– Добрый вечер, я очень рад вас всех здесь видеть. Лекция посвящена загадкам Вселенной. Тема такая, а один из основных, как сейчас говорят, «месседжей» этой лекции – что мы сегодня довольно много знаем про Вселенную, и про современную и про сравнительно раннюю. И то, что мы о ней знаем, сильно не вписывается в ту картину микромира, которая сейчас нам известна. Требуются выходы за те представления о микромире, которые сейчас есть, которые установлены экспериментально.

Прежде всего я должен рассказать, что мы знаем о Вселенной. Конечно, в детали вдаваться не могу, но что мы знаем? Мы знаем, что та часть Вселенной, которую мы видим – а только о ней можно говорить – везде одинакова. Конечно, здесь есть и галактики, и скопления галактик – сравнительно плотные образования, и пустоты. Но если посмотреть на большие области, то они выглядят одинаково, нет никаких специально выделенных мест во Вселенной. Те астрономические обзоры галактик, которые делаются, охватывают глубину примерно до 20 млрд световых лет. Мы имеем карту Вселенной примерно до таких расстояний. Конечно, она очень информативна.

Следующее свойство Вселенной, которое давно и хорошо известно, это то, что она расширяется. Пространство во все стороны так растягивается, и из-за этого удаленные галактики разбегаются от нас. Чем дальше галактика, тем она быстрее убегает. Синим показаны близкие галактики, их скорости условно стрелочкой показаны поменьше, далекие галактики – красные, не случайно красные, потому что свет от них красней. Их скорости, соответственно, больше. Чем дальше галактика, тем она быстрее от нас убегает. Это можно интерпретировать на небольших расстояниях как эффект Доплера: известно, что если от вас удаляется источник света, то свет от него приходит к нам покрасневшим. С меньшей частотой и большей длиной волны.

Расширение Вселенной сегодня медленное, расстояние между удаленными галактиками увеличится примерно вдвое за 10 млрд лет, то есть темп расширения «неторопливый» такой, но в прошлом Вселенная расширялась гораздо быстрее. И, соответственно, если сегодня у Вселенной есть какая-то плотность вещества, то по мере расширения она будет уменьшаться, а если мы пойдем назад во времени или попадем в прошлое, то увидим, что  вещество во Вселенной было гораздо более плотным и темп расширения был гораздо выше.

Что еще мы знаем? Мы знаем, что Вселенная теплая. Что это значит? Это проявляется сегодня в том, что она заполнена тепловым электромагнитным излучением. Как все горячие тела, вещество во Вселенной излучает. Сегодня это электромагнитное излучение практически не взаимодействует с веществом, а когда-то это было не так. Когда у вас стоит горячий чайник, он излучает в инфракрасном диапазоне. А лампочки излучают, соответственно, более короткие волны – видимый свет. Сегодня температура этого излучения 2,7 К, не очень высокая, ниже, чем температура жидкого гелия, но замечательно, что это излучение – тепловое. Это хорошо известно по спектру этого излучения. И, опять-таки, когда Вселенная расширяется, длина волны фотона «краснеет». Это означает, что температура убывает и, соответственно, в прошлом Вселенная была гораздо более горячей, чем она есть сегодня.

Был во Вселенной момент, важный с точки зрения реликтового теплового излучения, когда произошел переход из плазменного в газообразное состояние. Мы все с вами знаем, что если вещество очень сильно нагреть, а речь идет в основном о водороде, о газе, то это было плазменное состояние, электроны от протонов были оторваны, они болтались сами по себе, и такое плазменное состояние непрозрачно для фотонов, для электромагнитного излучения. А когда произошел переход в газообразное состояние, вот тут-то это электромагнитное излучение перестало взаимодействовать с нейтральными атомами водорода в основном, и вот это и есть то самое тепловое излучение. Сегодня температура 2,7 К. А это произошло, когда Вселенной было «всего-навсего» примерно 380 000 лет от роду. А сегодня наша Вселенная имеет возраст 13,8 млрд лет. Была такая эпоха, когда Вселенная была «юная», горячая, эти фотоны оторвались и с тех пор к нам летят. Это означает, что сегодня мы имеем буквально фотоснимок Вселенной, когда ей было совсем мало лет. Эта фотография перед вами, она мало что говорит, но мы к ней еще вернемся, на самом деле она содержит в себе много информации. Что здесь изображено? Здесь показано изображение отклонения температуры от средней. Сама температура – 2,7 К, а отклонение от средней температуры составляет 0,0001 или 0,00001, в этом диапазоне. Более желтые области – это области более теплые, на уровне 0,0001, а более холодные изображены синим. Вселенная тогда была совсем однородна, видите, что все неоднородности составляли 0,0001 величины, отклонения от средней температуры и плотности были такого масштаба, и видно, что были неоднородности всяких угловых размеров, как мы сейчас видим. А самые маленькие точечки здесь впоследствии станут скоплениями галактик, у них все-таки довольно большие размеры. Вот такая была Вселенная 380 000 лет от роду.

Если мы наивно продолжим теперь эволюцию назад во времени, по известным законам общей теории относительности и известным законам термодинамики или статистической физики, то мы получим довольно неприятную ситуацию, а именно: что температура формально была бесконечно большой, плотность вещества была бесконечно большой и темп расширения был тоже бесконечно большим. Так называемый «Большой взрыв», момент начала эволюции Вселенной, раньше которого ничего не было. Хотя понятно, что надо еще раздумывать, что же это такое было, но, если формально двигаться назад во времени и использовать известные законы физики, то мы придем к моменту «Большого взрыва».

 

Есть уверенность, что эта «горячая стадия», когда вещество было очень горячим и Вселенная из-за этого очень быстро расширялась, не была первой. Предшествующая ей стадия обязательно была, и это – одна из загадок, какая же она на самом деле была. Что это была за стадия, предшествующая «Большому взрыву».

Что мы еще знаем? Еще одна замечательная вещь: что наше трехмерное пространство, в котором мы с вами живем, евклидово. Мы с вами изучаем в школе геометрию Евклида, знаем, что сумма углов треугольника равна 180^о. Но в теории относительности пространство может быть искривлено. Представьте себе, что у вас имеется шарик – сфера, и если рисовать треугольник на этом воздушном шарике, сумма углов треугольника не будет равна 180^о, а будет больше. Мы знаем, и это экспериментальный факт, что наше пространство – евклидово, что сумма углов треугольника равна 180^о. Причем здесь речь идет о треугольниках со сторонами, длина которых сравнима с размером наблюдаемой части Вселенной. И это означает на самом деле, что наша Вселенная довольно большая, опять-таки это – экспериментальный факт. Если бы Вселенная была похожа на такую вот сферу, она имела бы конечный объем, была бы замкнутой, то в ней сумма углов треугольника не была бы равна 180^о. В пределах экспериментальной точности равенство есть, и это означает, что экспериментальная точность всегда конечна. Если пересчитать экспериментальные погрешности, которые здесь есть, то это выглядит так: видимая часть Вселенной мала по сравнению с полным объемом Вселенной и составляет не больше, чем 1/100 доли. То есть мы видим не всю Вселенную, а 1/100 часть, а может быть, и гораздо меньше, чем эта часть. То есть Вселенная реально большая. Теперь, если использовать уравнение общей теории относительности, то скорость расширения измеряется, мы ее знаем. У Вселенной есть разные формы энергии, но полная плотность энергии нам известна, она определяет современный темп расширения, и сегодня, в современную эпоху, эта плотность, если ее выражать в энергии покоя протона mc², то она приблизительно соответствует пяти протонам на м³. Вселенная разреженная, энергии в ней маловато. Конечно, в среднем по Вселенной. Но мы будем говорить о том, что протонов на самом деле  гораздо меньше. Это просто энергетическая характеристика нашей современной Вселенной: 5mc² = м³.

Я уже говорил, что в ранней Вселенной были разные эпохи, есть несколько интересных эпох. Одна из них – это переход из плазменного в газообразное состояние, который произошел, когда температура была почти 3000, наша Вселенная была в тысячу сто раз теплее, чем сейчас. Это эпоха, про которую мы много знаем, потому что у нас есть фотографии Вселенной в это время.

Еще одна интересная эпоха – гораздо более ранняя, эпоха, соответствующая температурам приблизительно миллиард градусов. От десяти миллиардов до примерно миллиарда градусов. Чем она интересна? Чем вообще интересные космологические эпохи? Тем, что они оставляют какие-то следы. Мы можем про них что-то узнать, проводя измерения в нашей видимой, современной Вселенной. Так вот, эта эпоха замечательна тем, что в ней происходили термоядерные реакции. Примерно такие, которые происходят на Солнце, из-за чего оно горячее. И во Вселенной тоже они происходили. Дело не в том, что они что-то там грели, температура тогда была достаточно высокой сама по себе, но замечательно то, что эти термоядерные реакции приводили к образованию легких элементов – дейтерия, гелия-3 и гелия-4, (наиболее сильно связанное ядро из легких ядер) и еще некоторых других.

Если вы знаете, как расширялась Вселенная, то можно вычислить, сколько таких легких элементов образуется. Вы можете измерить, найти такие области, где состав вещества совпадает с составом первичной плазмы, и измерить, сколько же на самом деле имеется таких элементов. Имеется трогательное согласие между наблюдениями этих первичных элементов и вычислениями, а все это происходило довольно рано в истории Вселенной, начиная примерно с первой секунды после Большого взрыва до первых трех-четырех минут. Поэтому то, что мы правильно вычислили и померили – и у нас ответы совпали, – означает, что мы понимаем, как была устроена Вселенная, когда ей было одна секунда от роду. Как она расширялась, каков был состав вещества и так далее. И этот метод, и методы, основанные на изучении свойств реликтового излучения, позволяют определить плотность обычного вещества. «Обычное вещество» – то, которое состоит из обычных частиц – протонов, ядер, электронов. Количество обычного вещества сегодня составляет примерно ¼ протона на кубометр. И, соответственно, его плотность энергии = ¼ мс² протона на кубометр. Вспоминаем, что полная плотность составляет 5 мс² протона на кубометр. Это значит, что плотность энергии обычного вещества во Вселенной по отношению к полной плотности энергии составляет примерно 5%.

Суммируя: у нас была эпоха нуклеосинтеза, одна секунда после Большого взрыва, начало ее; была эпоха образования реликтового излучения – отщепления его, и современную эпоху мы достаточно хорошо знаем благодаря глубоким обзорам галактик и другим методам. Все это вместе привело к удивительному факту: как я уже сказал, во Вселенной всего 5% составляет обычное вещество, в том числе совсем немного яркого светящегося вещества в звездах – примерно 1/10, есть вклад нейтрино в плотность энергии, но тоже маленький. Мы знаем, что в кубическом сантиметре примерно 100 штук нейтрино, масса их маленькая, поэтому их вклад в полную плотность энергии оценивается примерно в 1%. Но есть еще две фракции, которые являются одними из загадок Вселенной. Это темная материя – 26% по плотности энергии, и темная энергия – остальные 69%.

Так вот, все, что здесь нарисовано, за исключением, может быть, нейтрино, про которое тоже есть свои вопросы, это все загадки. Темная материя – загадка, темная энергия – загадка, и обычное вещество – тоже загадка. В чем дело? Почему обычное вещество – тоже загадка? Загадка связана с тем, что среди элементарных частиц есть частицы, есть античастицы. Они умеют аннигилировать, превращаясь, например, в фотоны электромагнитного излучения. Так вот, во Вселенной обычное вещество есть,  мы с вами – это вещество. Антивещества, слава богу, нет, нам аннигилировать не с кем. Это очень хорошо. Это проблема, которую называют проблемой «барионной ассиметрии» или ассиметрией между веществом и антивеществом. Вещество есть, антивещества нет. На первый взгляд – ну, нету и нету. На самом деле проблема есть. Разность числа частиц и античастиц есть величина постоянная. Она не меняется со временем – есть такой закон сохранения при нынешнем понимании этой ситуации, и есть прекрасное тому подтверждение. Вообще, элементарные частицы стабильными бывают не просто так, их всего ничего. В мире элементарных частиц характерное явление – это распады. Все частицы умеют распадаться. Кроме совсем небольшого количества протонов, электронов и, с оговорками – нейтрино, ну, фотонов. Так вот, протон не распадается просто потому, что ему мешает распасться закон сохранения барионного числа. Протон – это легчайшая частица, у которой это число не равно нулю. Ему не во что распадаться, иначе пришлось бы изменять это самое барионное число. Здесь полная аналогия с законом сохранения электрического заряда. Почему электрон стабилен? Он стабилен по одной простой причине: есть закон сохранения электрического заряда, у электрона есть электрический заряд, электрон – самая легкая из частиц, несущих электрический заряд. Поэтому электрон не распадается, ему не на что распадаться, более легких заряженных частиц нет. Закон сохранения энергии вместе с законом сохранения электрического заряда запрещают такой распад. Точно так же и для протона. Ситуация ровно такая же. И мы знаем, что время жизни протона – колоссальное. Есть только ограничение: никто никогда не видел распада протона, хотя активно искали, и время жизни протона колоссальное – 10³³ лет.

Теперь, если мы пойдем назад во времени, к очень высоким температурам, где уже речь идет уже не о миллиарде, а о триллионе кельвинов, в это время энергия частиц в среде очень высокая. Понятно, что чем выше температура, тем выше энергия частиц. Там происходили столкновения, в них рождались пары – кварки и антикварки, так же, как есть аннигиляция, так же есть и парное рождение. Там было полно кварк-антикварковых пар. То количество барионов обычного вещества, которое сегодня имеется, соответствует тому, что примерно на миллиард кварков и антикварков был один лишний кварк. Кварки с антикварками проаннигилировали, а этот лишний кварк остался, дожил до нашего времени и сделал все вокруг нас, в том числе и нас с вами.  Вот такая асимметрия – это удивительно, откуда она взялась, что это за число такое. Думается, что она возникла в результате эволюции космологической, вопрос – каким образом это происходило. Как так оказалось, что вещества получилось чуть больше, чем антивещества? Вот на такую одну миллиардную. Это и есть загадка. Я не обещал, что расскажу отгадку, я и не могу. Есть много гипотез сегодня, но однозначного подтверждения какой-либо из гипотез пока нет.

Что надо? Чтобы известные законы сохранения нарушались. Барионное число, о котором я вам говорил, и по определенным причинам есть еще почти сохраняющиеся числа – это лептонные числа. Число электронов и электронных нейтрино минус число позитронов и соответствующих им антинейтрино. Это лептонное число тоже сохраняется с высокой точностью, и свидетельством тому является то, что известная тоже элементарная частица меон распадается на электрон и антинейтрино электронное. Слева – ноль, электронное число электрона, и справа ноль. Электрон несет плюс, антинейтрино несет минус. Вот такое лептонное число сохраняется в природе, и свидетельством тому, что такой распад – меон рождает электронный фотон – запрещен законом сохранения электронного числа, слева – ноль, справа – единица. И экспериментально вероятность такого распада меньше 10^-11. Экспериментаторы, конечно, ищут, не останавливаются, но сегодня есть такое ограничение. Итак, надо, чтобы эти сохраняющиеся числа на самом деле не сохранялись, иначе вы из симметричной по отношению материя-антиматерия среды не  получите асимметричную, у вас как было барионное число нулевым, так оно и останется нулевым. А во-вторых, нужно, чтобы было различие между материей-антиматерией, частицами-античастицами во фундаментальных взаимодействиях между ними.

 

Что наблюдается? Есть в природе отличия частиц от античастиц. Они живут немного по разным законам. Ведут себя немного по-разному. Но этого различия недостаточно для того, чтобы объяснить асимметрию между материей и антиматерией. Одна из возможностей связана совсем с другой физикой. Вообще удивительно, что разные области фундаментальной физики, возможно, очень тесно связаны друг с другом. Космология, возможно, тесно связана совсем с другой областью физики, а именно – с физикой нейтрино. Известно, что прямо в вакууме, в пустоте один тип нейтрино превращается в другие типы. И это как раз означает, что лептонные числа не сохраняются. Электронные нейтрино превращаются в другой тип нейтрино – меонные, и это означает, что это электронное число не сохраняется. Для электронного нейтрино – единица, а для меонного – ноль. Нарушение на самом деле законов сохранения. Была целая эпопея по обнаружению этого эффекта, который, кстати сказать, берет свое начало с работ Бруно Максимовича Пантекорво. Он первым предсказал возможность такого явления. И действительно, оно наблюдается в природе. Это экспериментальный факт. На самом деле  эти самые лептонные числа нарушаются, поэтому в принципе есть возможность этим воспользоваться для объяснения асимметрии между веществом и антивеществом. Сам факт, что один тип нейтрино превращается в другой, уже как бы подсказывает, где надо искать источник между веществом и антивеществом. В будущем нам предстоит много чего узнать про нейтрино, и этот сценарий, основанный на нарушении лептонных чисел в нейтринной физике – есть такие сценарии, называются «лепто-генезис» – может получить дополнительное подтверждение в будущем, когда мы будем изучать более аккуратно свойства нейтрино. В частности, интересно было бы найти различия в свойствах нейтрино и антинейтрино, вещества и антивещества. Нейтрино – это вещество, антинейтрино – антивещество.

Вторая загадка – темной материи. Она составляет 26% по энергии сегодня, и ее видно самым разным образом. О том, что темная материя должна существовать, еще в 30-х годах прошлого века говорил Цвикки, его тогда не очень воспринимали, но сейчас это уже установленный факт. Есть темное вещество, темная материя. Как ее видят в астрофизических условиях? Ее видят по гравитационным силам, которые она создает. По-видимому, это какие-то частицы, которые собираются в кучи, в данном случае – скопления галактик, примерно так же, как обычное вещество, и измерять гравитационные силы в скоплениях галактик можно разными способами, один из красивых способов – гравитационное линзирование. Если у вас есть сгусток вещества, то свет, проходя около этого сгустка, отклоняется, это классический тест общей теории относительности – отклонение луча света Солнцем. Свет отклоняется, и скопление галактик действует как гравитационная линза. Линза не идеальная, вот эти несколько изображений – эти голубые штришки, и, наблюдая эту картину, можно восстановить распределение темной материи, которая здесь показана светлым. Показать темную материю на черном получилось бы невозможным. Темную материю показывают светлым цветом, и чем ярче, тем плотнее эта темная материя. Вот видно, что она распределена достаточно равномерно, несколько более равномерно, чем обычное вещество, но важно, что ее много. Изучая это явление линзирования, вы можете узнать, сколько же вам недостает вещества, массы, и оказывается, что только по этим наблюдениям темной материи должно быть примерно 30% по массе, что и подтверждается всей совокупностью космологических данных – 26%.

Это замечательное явление, которое, наверное, многие из вас видели – картинка прямо говорит о том, что темная материя – это настоящая сущность. Что здесь изображено? Здесь изображены столкнувшиеся скопления. Одно скопление и второе уже пролетели друг через друга, причем, уникальная, конечно, ситуация, когда галактические скопления сталкиваются почти лоб в лоб, пролетая друг через друга. Вот здесь изображены линии постоянного гравитационного потенциала, который показывает, где расположена масса. Масса расположена вот здесь. И это та же самая картинка, основная масса расположена вот здесь и здесь. Здесь – у одного скопления, а здесь – у другого. И там же расположены, кстати сказать, в основном, галактики. У этого скопления галактика расположена тут, а у этого – в основном здесь. Все хорошо. Но в скоплениях галактик основную массу составляют не сами галактики, а горячий газ. Газ светит в рентгеновском диапазоне, и эти пятна – это свет от горячего газа, снятый рентгеновскими спутниками. И видно, что горячий газ оказался позади. Вот это скопление улетело, а газ оказался сзади. Почему? Понятно, почему. Темные материи не взаимодействуют между собой, они просвистывают друг сквозь друга, не замечая друг друга. Так же и галактики, они фактически точки. Они друг с другом тоже не сталкиваются, пролетают друг мимо друга. Они оказались там же, где и темная материя, а газ трется и, соответственно, тормозится. Вот такая картинка, которая говорит вам о том, как можно было попытаться такого рода картинки объяснять. Можно было попытаться тем, что, на самом деле, у нас нет никаких законов Ньютона на сверхгалактических расстояниях, они не работают. И были попытки сказать: «давайте изменим закон Ньютона, будем думать, что материи столько же, сколько обычного вещества, а гравитационные силы не описываются законом гравитации Ньютона». Так вот, эта картинка показывает, что ничего подобного. Если бы гравитационную силу создавала бы основная масса горячего газа, то тут же были наиболее сильные гравитационные поля. А они сильны вот здесь. Так что картинка говорит о том, что – да, есть такая субстанция, темная материя, которая создает вокруг себя гравитационное поле. Надо сказать, что темная материя есть везде. В том числе и в галактиках. Если бы темной материи не было, то скорости, которые здесь изображены, в зависимости от расстояния падали бы. Они росли бы в яркой области, где расположено обычное вещество, а потом падали бы. На самом деле, измеренные скорости по допплеровскому сдвигу ведут себя по-другому. Для этой конкретной галактики они даже немного растут. Это означает, что в этой темной области, где практически нет светящегося вещества, есть темная материя. Есть масса, и она определенным образом распределена, и «хвост» от нее тянется далеко. Все галактики, и наша в том числе, погружены в гало темной материи, размер которого заметно больше, чем размер видимого диска нашей галактики. Разгадки этого пока нет, и сегодня мы можем только сказать, что темная материя – это неизвестные частицы. Они должны быть электрически нейтральны, иначе электромагнитно мы бы это увидели давно. Это неизвестные тяжелые частицы, нейтральных и стабильных, не распадающихся частиц среди известных частиц нет, есть нейтрино, но они слишком легкие, они не годятся. Должны быть не известные тяжелые частицы. Есть разные гипотезы о том, что такое это может быть. И такая популярная гипотеза, что их масса в сотню раз больше, чем масса протона, и они должны быть стабильны, они не должны распадаться. А я уже говорил, что стабильность – это не просто так в физике элементарных частиц, она означает, что у вас должен быть закон сохранения, который запрещает вашим частицам распадаться. Скорее всего (хотя и не обязательно), но очень может быть, что мы имеем дело с новыми законами сохранения. Их не так много в природе, как вы понимаете. Поэтому сам факт, что есть такие не распадающиеся тяжелые частицы, говорит нам о том, что в природе должен быть новый закон сохранения. Если их масса в сотню раз больше, чем масса протона, если они все-таки взаимодействуют с нашим веществом, то их можно будет открыть. Поиски ведутся очень давно, например, таким образом: они летают прямо здесь, в нашей комнате, этих частиц темной материи примерно 1000 или десять тысяч штук на кубометр. И сквозь нас они все летят. А мы не такие уж плотные и упругие, мы разреженные. Представьте себе, что у вас есть атомное ядро, на каком-то гигантском расстоянии от него болтается электрон, где-то дальше – еще одно ядро, а между ними – пустота. Мы с вами пустые только благодаря тому, что электромагнитное взаимодействие дальнодействующее, мы с вами этого не замечаем и думаем, что все кругом – упругое и чем-то заполненное. Ничего подобного, мы совершенно пустые, и через эту пустоту, сквозь нас эти частицы темной материи все время пролетают. Можно пытаться их зарегистрировать, потому что они, наверное, хоть изредка, но взаимодействуют с веществом. Вы можете поставить детектор, ждать, пока эта частица темной материи все-таки попадет в ядро, провзаимодействует с ним, ядро отскочит, и вдруг ни с того ни с сего в вашем детекторе вдруг появится энергия. Вы можете это дело пытаться зарегистрировать, такой поиск идет, но пока безрезультатно. Это очень сложное дело, очень редкое событие и все это надо делать в чистых, в частности от радиоактивности, условиях. Другая возможность в том, что эти частицы могут рождаться в столкновениях обычных частиц. Вместе со своими партнерами – скорее всего, это не одна новая частица, а целый зоопарк. И этот зоопарк новых частиц можно надеяться обнаружить на столкновениях обычных частиц на Большом адронном коллайдере (БАК). Он начинает работать на полную энергию в следующем году, уже поработал на половинной энергии. На нем новые частицы могут образовываться, в конечном итоге, могут образовываться частицы темной материи, можно пытаться их образовывать, можно пытаться сигналы такого рода искать на БАКе. Опять – пока не видно этих сигналов, но, может быть, они появятся.

 

Наконец, можно пытаться искать эти частицы темной материи не прямым образом. Мы знаем, что они должны аннигилировать друг с другом, а их продукты аннигиляции в конечном итоге могут содержать нейтрино высоких энергий. И такие нейтрино можно искать. Они могут собираться в центре Земли и Солнца – опять-таки, не обязательно, в зависимости от того, какого рода гипотезы вы здесь применяете, но в целом ряде моделей они должны собираться в центре Земли и Солнца, там они аннигилируют, раз их плотность большая, и вы можете пытаться искать нейтрино высоких энергий. Например, у нас на Байкале стоит сейчас установка, которая, собственно, эти нейтрино способна регистрировать под землей. На Байкале потому, что нам надо избавиться от космических частиц, которые сыпятся сверху на нас. Это редкие события, а их надо искать в условиях низкого фона.

Еще один путь – это путь поиска продуктов аннигиляции в космосе. Трудный путь поиска позитронов антипротонов как продуктов аннигиляции этих частиц темной материи в космическом пространстве. В центре галактики, например. Трудный путь, но и этот путь ученые сейчас проходят, используя космические аппараты. В частности, на МКС работает достаточно хороший детектор, который пытается найти этот самый позитрон антипротонов в космических лучах. Они видны там, но вопрос – откуда они взялись? Имеют ли они отношение к темной материи или они берутся независимо от взаимодействия частиц в космосе?

Про темную материю мне сказать больше нечего, если не вдаваться в конкретику разных гипотез, но я хотел бы сказать, что есть еще одна загадка, которая совсем далека от своего разрешения даже теоретически. Мы с вами обсуждали, что плотность массы обычного вещества с точностью до фактора «пятерки» совпадает с плотностью темной материи. И это тоже загадка, потому что механизмы образования асимметрии между веществом и антивеществом и генерации частиц темной материи сильно различаются и должны были бы, в принципе, давать совершенно разные числа. Но оказалось так, что эти плотности близки друг к другу, в пределах одного порядка величины совпадают, и это есть загадка. Это может оказаться в конечном итоге и совпадением, в космологии и физике частиц бывает немало всяких совпадений, но такой есть вопрос, и на него ответа – даже теоретического – совсем не существует.

Загадка номер три – темная энергия. Это совсем другая субстанция. Темная материя – это частицы, они собираются в сгустки, они есть в скоплениях галактик, а вот темная энергия не собирается в сгустки, она равномерно разлита во всей Вселенной. Плотность темной энергии во всех местах Вселенной – будь то галактика или пустота – везде одинакова. Основное ее свойство – она заставляет Вселенную расширяться с ускорением. Это сильно противоречит обычному представлению о том, что когда у вас есть силы гравитационного притяжения, то нечто разлетающееся будут замедлять свой разлет из-за того, что гравитационное притяжение будет потихоньку замедлять движение ваших разлетающихся частиц. Так вот, факт, что Вселенная сегодня расширяется с ускорением. Это было удивительное открытие, далеко не все ожидали такого. Но это факт. А это означает, что темная энергия – совсем другая субстанция по сравнению с обычными частицами, она испытывает антигравитацию. Ничего такого страшного в этом нет, в рамках общей теории относительности это не запрещено, это согласуется с уравнением Эйнштейна, но вот такая странная субстанция. И более того – ее плотность со временем не меняется. Вот Вселенная расширяется – плотность обычного вещества падает. Из-за того, что расстояние между частицами становится больше. А вот плотность темной энергии не меняется или почти не меняется с течением времени. С расширением Вселенной плотность энергии остается постоянной.

Сейчас вы начнете задавать заковыристые вопросы: «А как же закон сохранения энергии?» Да, вроде объем растет, плотность остается постоянной, значит, полная энергия растет. Ответ такой: в космологическом контексте о законе сохранения энергии надо забыть. Нет такого интеграла движения, как говорят, нет такого закона сохранения энергии, энергия может расти или убывать по мере расширения Вселенной.

Что такое на самом деле «темная энергия»? Это загадка. Про нее сегодня мы знаем довольно мало. Мы знаем, что она обеспечивает ускоренное расширение Вселенной, испытывает антигравитацию, плотность ее если и меняется со временем, то слабо, а больше не знаем о ней ничего. Знаем число плотности энергии – 70% примерно от полной плотности энергии, и все. Вообще скандальная ситуация, потому что не так просто создать среду, в которой плотность энергии не менялась бы в процессе расширения пространства. На эту тему есть разные гипотезы. Возможно, это энергия вакуума, он может весить, и плотность его энергии может быть отличной от нуля, и сегодня то, что известно про темную энергию, согласуется с такой возможностью. Другое – что есть новые поля, совсем новые, очень слабо взаимодействующие. Мы с вами привыкли к электромагнитному полю, но оно достаточно сильно взаимодействующее. А это должны быть какие-то совсем легкие и слабо взаимодействующие поля. Может быть, дело в том, что гравитация меняется на больших расстояниях, и может оказаться, что никакой темной энергии и нету, а законы расширения Вселенной на сверхбольших расстояниях и сверхбольших временах космологических не такие, как на сравнительно небольших расстояниях. Это тоже исключить нельзя, и сейчас идет – пока теоретическая – работа в этих всех направлениях, попытка понять, как бы все это могло происходить.

 

Последняя загадка, о которой я мало что успеваю рассказать, это вот что. Мы с вами знаем сегодня, что «горячая стадия» Вселенной была не первой. Есть глобальные вопросы, на которые надо иметь ответы. Вселенная большая, однородная – почему она такая? Почему она была такая горячая? Почему наше пространство евклидово? Это все глобальные вопросы. Кажется, что они слишком глобальные, но нет, они конкретизируемые, а совсем конкретный вопрос – это вопрос о происхождении неоднородностей во Вселенной, тех неоднородностей, из которых образовались галактики, скопления галактик. Ну, и те неоднородности, которые видны на карте реликтового излучения – это все одно и то же. Эти неоднородности, которые для нас с вами существенны, мы с вами – одна из таких неоднородностей, должны были как-то образоваться. И здесь важны представления о причинности. Представим: был большой взрыв. Сразу, начиная с него, с сингулярности, началась «горячая стадия». Она сколько-то времени продолжалась до, скажем, рекомбинации, до того времени, когда произошло отщепление фотонов, за это время свет успевает пролететь конечное расстояние, которое называется горизонтом. Разные области друг о друге ничего знать не знают, размеры горизонта друг о друге ничего знать не могут, потому что все сигналы распространяются со скоростью света или медленнее. Для того, чтобы вам попасть из этой точки вот сюда, надо двигаться быстрее скорости света. У вас есть такие причинно-несвязные области, которые ничего друг о друге не знают. А мы с вами находимся вот здесь, мы смотрим в прошлое, и видим вот эту самую карту, которую я показывал, и угловой размер этого самого горизонта, который мы видим на небе, составляет примерно 2^о. Если мы будем смотреть в разных направлениях на небесной сфере, то, смотря в одну строну, мы видим одну часть Вселенной, смотря в другую – другую часть Вселенной, и они друг с другом никогда не «разговаривают». В момент, когда отщепилось реликтовое излучение, они не успели между собой «поговорить». Что это значит? Что если у вас происходит генерация этих неоднородностей, то эти неоднородности должны быть с угловым размером меньше размера горизонта, меньше 2^о. Потому что они образуются с размером меньшим, чем размер причинно-связной области, каков бы ни был механизм генерации, вы не можете их сделать больше, чем размер светового конуса, чем размер причинно-связной области. Это место и это место между собой «не разговаривают». У вас не может быть неоднородностей вот с таким большим размером.

Невооруженным глазом видно, что на этой карте есть неоднородности большего размера. Например, вот этот размер гораздо больше, чем 2^о. И, тем не менее, здесь есть «холодное пятно». Вот этот размер тоже гораздо больше, чем 2^о, тут есть «горячее пятно». Таких пятен много, больших размеров. Спрашивается: как такие гигантские неоднородности могли образоваться? В теории «горячего большого взрыва» они образоваться не могут никак. Потому что вот эта область ничего не знает про эту область, оказывается, что у них общая температура немного меньше, чем средняя. Надо, чтобы у вас была другая стадия. Она в каком-то смысле очень длительная. А в каком смысле? В том, что размер горизонта к концу этой стадии должен быть гигантским, заметно больше, чем наблюдаемый в области Вселенной. Эта стадия обязательно должна существовать, и вопрос в том, что это была за стадия. Проект ответа – это теория инфляционной Вселенной, раздувающейся Вселенной, когда у вас динамика устроена так, что происходит расширение Вселенной с гигантским ускорением, и области Вселенной очень маленького размера растягиваются до размеров гораздо больших, чем размер видимой части Вселенной за совсем короткие времена. За малые, малые доли секунды. Тогда понятно, что из-за этого растяжения у вас и размер причинно-связной области будет такой гигантский. Не исключены альтернативы. Альтернатива может быть такая, например: что у вас Вселенная начиналась с состояния, похожего на наше, только она не расширялась, а сжималась. Потом по каким-то причинам произошла остановка этого коллапса, и разлет, который мы сейчас испытываем. Есть другие возможности – разгоняющаяся Вселенная, например, появилась сравнительно новая картинка, что Вселенная начинается с пустого и практически не эволюционирующего состояния, и потихоньку плотность энергии в ней нарастает, темп расширения растет, плотность энергии еще нарастает, темп расширения – еще, и вот она выходит на стадию быстрого расширения, и в какой-то момент начинается «горячая стадия».

Замечательно, что в инфляционной теории естественным образом имеется механизм генерации этих самых возмущений, о которых идет речь. Нас с вами, галактик, скоплений галактик. Что это за механизм? Механизм замечательный. Что за источник неоднородностей? Вакуумные флуктуации. Известно, что вакуум – не совсем уж «пустая пустота», там есть всякие флуктуации полей, и мы с вами знаем, что в электродинамике они приводят к наблюдаемым эффектам: лэмбовский сдвиг, например. Аномальный магнитный момент электронов – хорошо вычисленные, проверенные и измеренные эффекты, с высочайшей степенью точности. Вакуум живет, дышит и влияет на свойства вещества. Так вот, вакуумные флуктуации из-за быстрого расширения в эволюционную эпоху усиливаются, перестают быть маленькими по амплитуде, становятся большими по амплитуде, нарастают и в конечном итоге превращаются в неоднородность и плотность. Так что мы с вами в такой картинке – это, как говорится, потомки вакуумных флуктуаций. А наш дальний родственник – это лэмбовский сдвиг. Вся эта картина согласуется с наблюдаемыми данными. Вопрос «Можно ли выяснить, что же происходило в «горячей стадии»?», была ли это инфляционная теория или нет? Сегодня ответ на него неизвестен, но есть вполне обоснованная надежда на то, что нам это удастся выяснить. Методами наблюдательной космологии нам, возможно, удастся выяснить, с чего же стартовала Вселенная в первые кратчайшие доли секунды. А может быть, и не кратчайшие. Для этого нам детально нужно изучить более детально свойство неоднородностей разными методами. И методами исследования реликтового излучения, и методами исследования распределения галактик эти свойства могут быть обнаружены. В частности, реликтовые гравитационные волны. Речь идет о гравитационных волнах с гигантской длиной волны. Миллиарды световых лет, сотни миллионов. Они предсказываются. Так же, как вакуумные флуктуации всего на свете, усиливаются во время инфляции, вакуумные флуктуации гравитационного поля самого по себе тоже усиливаются. Это особенности инфляции. Она умеет такое делать.

 

А что такое усиленные вакуумные флуктуации гравитационного поля? Это гравитационные волны. Эти гравитационные волны предсказываются инфляционными теориями, и если бы их можно было обнаружить, то это означало бы, что инфляция – действительно правильное представление, была бы теорема, что была такая инфляция. Может быть, некоторые из вас знают, что весной этого года было заявлено, что такие гравитационные волны обнаружены. Экспериментом BISSEP-2 на Южном полюсе, но сегодня ситуация гораздо более пессимистическая – похоже, что обнаружены не гравитационные волны, а особенность излучения галактики. Нужно искать эти гравитационные волны и изучать корреляционные свойства неоднородности, тонкие особенности неоднородности распределения, например, галактик. Ну, и я надеюсь, что в обозримой перспективе мы узнаем, что же предшествовало стадии «горячего большого взрыва», «горячей стадии» эволюции Вселенной, а тем самым будем кое-что знать и о физике сверхмалых расстояний, сверхбольших энергий, потому что все это происходило на очень ранних стадиях эволюции Вселенной, которым соответствуют очень высокие энергии. Вообще, это замечательно, конечно, что вы изучаете Вселенную, свойства вещества, распределение галактик, реликтовое излучение во Вселенной, и начинаете узнавать что-то о самых ранних стадиях ее эволюции и о физике на сверхмалых расстояниях.

Все эти неизвестности я попытался нарисовать на этой картинке: должна быть эпоха генерации асимметрии между веществом и антивеществом; должна быть эпоха генерации темной материи – это все вопросы, как это все происходило. Должна быть эпоха, которая предшествовала «горячему большому взрыву», это эпоха, возможно, инфляционная, и все это нам предстоит узнать. Есть достаточно серьезные основания думать, что это все не за горами, что постепенно мы будем эти загадки Вселенной разгадывать. Мы понимаем сегодня, что наши представления о фундаментальных законах, о частицах, физики микромира далеко не полны, об этом нам говорит космология. И впереди, я уверен, нас ожидают интересные, может, и неожиданные, открытия. Спасибо.

Борис Долгин: – Спасибо большое, Валерий Анатольевич. Сейчас начнутся вопросы, а пока мой маленький вопрос: где лично ваши интересы в тех загадках, о которых вы говорили? Что наиболее близко вашим занятиям?

Валерий Рубаков:

– Совсем в данный момент область, которую интересно знать – теория инфляции, она очень хорошо разработана сегодня. Но всегда интересно знать и понимать, можно ли придумать какие-то альтернативы, которые были бы работающими, давать правильные ответы на то, что мы знаем, и не были бы уж совсем уродскими. Все-таки критерий изящности тоже должен быть. Буквально сегодня меня интересует построение всяких альтернативных вариантов инфляции, это оказывается не невозможным, и есть интересные предсказания, интересные возможности, которые дают интересные проверяемые предсказания. Хотя я в свое время занимался и вопросами барионной симметрии, и связанными с темной материей.

Вопрос из зала:

– Уважаемый Валерий Анатольевич, два взгляда на познание Вселенной – религиозный и научный, на форуме был вопрос: был ли Эйнштейн верующим? И – религиозный подход тоже объясняет загадки Вселенной.

Валерий Рубаков:

– Мне кажется, что наука и религия – вещи перпендикулярные. До формулировок загадок Вселенной, о которых я говорил, никакое религиозное познание никогда не добиралось. Все вопросы научные. Другое дело, что люди могут быть религиозными, это совершенно разные ипостаси. Я знаю физиков, которые являются религиозными, ничего такого удивительно в этом не вижу. Но никаких гипотез о существовании господа бога во всей этой картине не требуется.

Борис Долгин:

– Все-таки базовый научный принцип – оставлять бога за пределами лаборатории.

Вопрос из зала:

– Инфляционная теория вроде не отрицает, что процесс создания Вселенных не останавливается.

Валерий Рубаков:

– Точно.

Вопрос из зала:

– А как ограничена энергия первичного поля? Оно же не может быть бесконечно?

Валерий Рубаков:

– Еще раз: закона сохранения энергии в космологии нет. Поэтому представления о том, что энергические соображения могут что-то ограничивать – неверные. В инфляции есть возможность – правда, она плохо проверяемая – того, что где-то во Вселенной инфляция затянулась (Вселенная раздулась, стала огромной), где-то она до сих пор продолжается. У нас она уже кончилась. И есть разные области Вселенной, в которых стадии разные. Там, где инфляция продолжается, там пространство еще больше растягивается. Как бы рождаются все новые и новые области Вселенной – то, о чем вы говорите. Это вполне соответствует инфляционной теории, не противоречит ничему, закона сохранения энергии нет, поэтому, как говорится, все хорошо. Умозрительно – все эти области гигантские, наша видимая часть Вселенной маленькая по сравнению с областью нашей однородности, и из-за этого узнать, что там происходит, не то, что невозможно, но совершенно не видно, как. Поэтому это достаточно умозрительно, все происходит за нашим горизонтом.

 

Вопрос из зала:

–Первый вопрос: почему именно такая интерпретация – темная энергия, темная материя – получила распространение, хотя она до сих пор не имеет экспериментального подтверждения? И второй вопрос: то, что скорость вращения галактики не соответствует наблюдаемой материи – оно наблюдается со всеми галактиками или в разных частях по-разному?

Валерий Рубаков:

– То, что темная материя и темная энергия не обнаружены – это не совсем так. Они обнаружены по своим гравитационным эффектам. Темная материя притягивает вещество, а темная энергия, наоборот, заставляет Вселенную расширяться с ускорением. В этом смысле деваться некуда, гравитационные эффекты такие существуют. Явления гравитационного характера надо описывать, и для этого, собственно, и вводят темную энергию и темную материю, без них – никуда. Кстати сказать, темная материя – так, к слову – для нас тоже очень существенна, не надо думать, что для нас важно только обычное вещество. Дело в том, что именно сгустки темной материи обеспечивают гравитационные «ямы», в которые «сваливается» обычное вещество и образует галактики. Механизм формирования галактик устроен так: сначала собираются сгустки темной материи, ее много по массе по сравнению с обычным веществом; «натягивает» на себя обычное вещество и в результате в этом месте образуется галактика. Сейчас этот механизм принят и работает хорошо, поэтому темная материя для нас существенна. Не было бы ее, не получилось бы галактики, в конце концов. Не было возможности обычному веществу собраться в галактики, звезды и т.д. Так что темная материя, как говорится, полезная штука. Теперь – есть ли она в других галактиках? Да! Практически во всех галактиках есть темная материя, а есть галактики, в которых темной материи очень много, 90-95%. По разным причинам вещество там не собралось или выдулось в процессе звездообразования – речь идет о карликовых галактиках. Но материя эта есть практически везде.

Вопрос из зала:

– Спасибо за лекцию! Вопрос такой: чем отличается темная материя от антиматерии?

Валерий Рубаков:

- Антиматерия – это те же частицы, что и у нас, только «анти». Есть электрон, заряженный отрицательно, есть позитрон, заряженный положительно. Когда они собираются друг с другом, они аннигилируют и дают фотоны. Это более-менее обычные частицы, только с противоположными зарядами и способные к аннигиляции с нашими частицами. Это все известно, обнаружено давно и измерено. Темная материя – совсем новые частицы, совершенно не похожие на наши. Они электрически нейтральные, массивные и неизвестно какие. Основных их свойств не известно. Но известно, что это – не частицы нашего вещества.

Давайте, я покажу, какие частицы нашего вещества есть в природе. Это электроны, нейтрино, кварки, из которых сделаны протоны, соответствующие им античастицы – позитроны, антинейтрино, антипротоны. Еще есть всяки глюоны, W- и Z-частицы и бозон Хиггса, который не так давно был открыт. Вот это было открыто, известно. Среди них кандидата на роль частицы темной материи нет.

Вопрос из зала:

– Скажите, пожалуйста, какими экспериментами можно измерить сумму углов треугольника на огромных расстояниях, сравнимых с…

Валерий Рубаков:

– Эксперименты в первую очередь связаны с наблюдением реликтового излучения. Есть особенности в угловом спектре реликтового излучения, связанные с тем, что у вас есть характерный размер в 2^о. Но эти два градуса если наше пространство плоское. Если сумма углов треугольника равна 180^о, то определенный отрезок вы видите под определенным углом, если вы знаете расстояние до него, да? То, что у вас есть горизонт, а точнее- надо осуждать звуковой горизонт. Во время эпохи рекомбинации у него есть вполне определенный размер. Есть стандартная линейка во время эпохи рекомбинации. Под каким углом она видна – зависит от геометрии. Если у вас сумма углов треугольника не равна 180^о, то эта стандартная линейка будет видна не под углом в два градуса, условно говоря, если говорить о горизонте, а под углом в полтора градуса, или, наоборот, в два с половиной, если у вас неевклидова геометрия. Зная эту стандартную линейку и зная ее угловой размер, реально измеренный, вы видите, что все соответствует евклидовому пространству.

Вопрос:

- Скажите, пожалуйста. Вы несколько раз упомянули цифру 20 млрд световых лет, как расстояние до границы видимой Вселенной.

Валерий Рубаков:

- Нет. На самом деле, правильный ответ – 45.

Вопрос:

- Хорошо. Я просто хотел понять, как это согласуется с возрастом Вселенной 14 млрд лет?

Валерий Рубаков:

- А это связано вот с чем. Это, конечно, немного больше, чем с(t), где с – скорость света, а t – возраст Вселенной, но это связано с тем, что Вселенная расширяется. Пространство расширяется. У вас не только свет летит, но и расстояние увеличивается. Поэтому размер видимой части Вселенной больше, чем с(t). Из-за того, что пространство Вселенной растягивается, вы видите больше.

Выкрик:

- А как его смогли увидеть тогда?

Валерий Рубаков:

- Кого – свет? А пожалуйста – реликтовое излучение. Это оно и есть. Оно в прошлом было излучено, но вот расстояние до того места, где было излучено реликтовое излучение, сегодня составляет 45 млрд световых лет.

Вопрос:

- дилетантский вопрос: в черной дыре есть внутри твердое тело? Если есть, то чем оно отличается от других погасших звезд?

Валерий Рубаков:

- Нет. В черной дыре нет никакого твердого тела, там есть сингулярность. На сегодняшнем уровне знания есть самый центр, точечка черной дыры, в которой сосредоточена вся масса. Это не твердое тело внутри, это точка. На сегодняшнем уровне понимания. Конечно, это, наверное, не правильное понимание, сингулярность в природе вряд ли существует, но размер той области, где сосредоточена масса, безумно маленький. Это не размер кирпича, это размер безумной доли сантиметра. Соответственно, безумная плотность.

Вопрос:

- Вопрос такой: обычное вещество иногда сбивается в черные дыры. Хотя взаимодействует там сильно-слабо, электромагнитно. Темная материя не взаимодействует ни сильно, ни слабо, никак. Почему бы ей тоже не сбиться в черную дыру?

Валерий Рубаков:

- частицы темной материи двигаются. И из-за движения они не собираются совсем в точку. Некоторый коллапс происходит, некоторое собирание в кучи, в галактики, в скопления – происходит, но из-за того, что у вас есть движение, они болтаются вокруг общего центра, а не собираются в самом центре. Так же как наше вещество в галактике – почему мы не собрались в черную дыру? Мы крутимся вокруг центра галактики. Так же, как мы болтаемся вокруг Солнца, также Солнце болтается вокруг центра галактики, из-за этого оно не попадает в центр. Может быть, какая-то часть темной материи оказывается в черной дыре, центральные черные дыры есть почти во всех галактиках, может быть, туда попала и темная материя тоже. Но вообще их происхождение пока – спорный вопрос. Как эти черные дыры образовались и как это все произошло? Вопрос не очень ясный.

Вопрос:

- Большое спасибо за лекцию. Вопрос абсолютного гуманитария: как это – БЕСКОНЕЧНОСТЬ?

Б.З.:

- Я бы переформулировал вопрос: «Вы работаете с категорией бесконечности?».

Валерий Рубаков:

- Вы знаете, не очень эта категория нужна, надо сказать. Та область Вселенной, которую мы способны изучать, конечна. Временные промежутки, которые более-менее интересуют, они тоже конечны. Но вообще-то, в этой картинке, когда у вас есть много областей Вселенной, она все время расширяется и раздувается – такая инфляционная теория, доведенная до «ад максимум», что называется – в ней, действительно, «раздувающихся» областей бесконечно много показывается. Я этим персонально не занимаюсь, но люди обсуждают всякие вопросы типа: «Вероятность того, что видимая часть Вселенной вот такая?», «Вероятность того, что инфляция еще не прекратилась?». Такие вопросы чрезвычайно трудные, и они, как раз, связаны со всеми бесконечностями.

 

Вопрос:

- Тут есть вопрос, который я не очень понимаю, у кого можно спрашивать. Известны вам попытки вывести жизнь из вакуума флуктуации? Все развитие биологии в этом вопросе у нас не продвинуто. Возникает подозрение, что вопрос может быть физический.

Валерий Рубаков:

- Боюсь вам ответить на вопрос. Думаю, что происхождение жизни как таковой вряд ли связано с какими-нибудь свойствами вакуума или вакуумных флуктуаций. Думаю, что. Единственно, что мы – дети вакуумных флуктуаций, но не то, чтобы это произошло вчера, а все произошло на инфляционной стадии. В общем, я не берусь совсем уж компетентно отвечать на этот вопрос, потому что происхождением жизни никогда не занимался. Но думаю, что физика на сверхмалых расстояниях – вакуум и т.д. – к происхождению жизни не имеет отношения. Но это – совсем дилетантский ответ.

Вопрос:

- Маленький вопрос: если Вселенная расширяется, то потом она в итоге будет сжиматься? Или бесконечно расширяться?

Валерий Рубаков:

- Это хороший вопрос. Ответ – не знаю. Дело  в том, что это зависит от свойств темной энергии. Если плотность темной энергии постоянна во времени, то Вселенная будет расширяться вечно. Если плотность энергии слегка растет – то тоже. Если она начнет расти быстро когда-нибудь, что не исключено, то Вселенную ожидает т.н. «большой разрыв». Когда плотность энергии будет нарастать-нарастать, и, соответственно, темп расширения будет нарастать до такой степени, что в конечном итоге все разлетится в пух и прах. Электроны улетят от ядер, ядра тоже развалятся, потому что пространство будет с огромной скоростью расширяться. Такое тоже исключить нельзя, хотя это достаточно экзотическая возможность.

Б.З.:

- А вы какое английское слово использовали бы для разрыва?

Валерий Рубаков:

- «big grip». Теперь – если плотность темной энергии, наоборот, уменьшается, и дойдет до нуля, и станет чуть-чуть отрицательной, что тоже не исключено, то начнется коллапс, сжатие Вселенной, и опять она войдет в стадию горячую, плотную и т.д. Про темную энергию мы пока знаем недостаточно, чтобы между этими возможностями сделать различия. И вообще, не известно, будем ли мы когда-нибудь знать про нее достаточно много, чтобы с уверенностью говорить о будущем нашей Вселенной. Но я вас должен успокоить: если что-то такое произойдет – сжатие или большой разрыв или что-то в таком духе – то это будет не скоро. У нас в запасе есть еще миллиардов 20 лет, за это время мы поймем, как это все происходит, и наши потомки заставят Вселенную вести себя по-человечески.

Вопрос:

- большое спасибо за эффектную лекцию. Летом выступал специалист по теории струн Белавин. И он тоже рассматривал карту реликтового излучения и уверял нас, что мы живем «на шарике», т.е. Вселенная замкнута. Мне кажется, вы придерживаетесь противоположной концепции?

Валерий Рубаков:

- Нет, этого отнюдь не следует по данным по реликтовому излучению. Но я с ним поговорю.

Смех в зале.

Вопрос:

- Просто, если Вселенная евклидова, значит, есть ее границы?

Валерий Рубаков:

- Нет, она может быть бесконечной, в принципе. Во всяком случае, ее размер гораздо больше, чем видимая ее часть.

Вопрос:

- Изначально она была же крошечной и расширялась по законам ускорения.

Валерий Рубаков:

- Понимаете, о Вселенной трудно говорить, какая она была – крошечная или не крошечная. Это зависит от той картинки, которую вы имеете в голове. Но, если например, работала инфляционная теория, то, говорить о каких-то размерах – длинах, временах…вообще, эти понятия на сверхмалых расстояниях, на Планковских масштабах – и наверное, у них и таких понятий-то нет. Надо описывать в других терминах, никто не знает, в каких. А инфляционная теория говорит о том, что в какой-то момент появилась ситуация, когда у вас образовалась маленького размера область, где Вселенная стала уже описываться классическими законами, и эта область растянулась. Да, она была очень маленькая, но инфляция растянула ее до гигантских размеров. Поэтому – что происходит сильно за нашим горизонтом, сказать трудно. Может быть, там еще «пена» существует, про которую мы мало, что можем сказать.

Вопрос:

- И второй вопрос: как-то вы легко отказываетесь от закона сохранения энергии, странно.

Валерий Рубаков:

- Ну, как говорится, что делать. Простой пример. Мы знаем с вами, что  фотоны краснеют. Летит фотон. Свободно по Вселенной, электромагнитное излучение. Оно краснеет из-за растяжения Вселенной. Фотон свою энергию теряет, у него энергия уменьшается. Более красный фотон имеет меньшую энергию. Куда она девается? Никуда. Нету закона сохранения энергии. Так что сам факт красного смещения давным-давно обнаруженный в 20-х годах прошлого века, прямо говорит вам  о том, что нет закона сохранения энергии.

Б.З.

- Иными словами: закон сохранения энергии может оказаться закономерностью, которая работает для каких-то конкретных условий, но не нужен как универсальный?

Валерий Рубаков:

- В космологии его просто нет. В ситуации, когда у вас пространство асимптотически плоское, и есть Солнце или черная дыра – какая-то центральная область, чем-то заполненная, какой-то массой, в этой ситуации закон сохранения энергии можно сформулировать: эта масса никуда не девается, она может перейти из одной формы в другую, но масса остается постоянной. Соответственно, mc² энергия остается постоянной. А в космологическом контексте, когда у вас вся Вселенная тянется, такого нет.

 

Вопрос:

- Могли бы вы кратко и популярно рассказать о бозоне Хиггса?

Валерий Рубаков:

- Вы знаете, это – тема отдельной лекции. Я бы с удовольствием это сделал…

Б.З.

- На самом деле, смотрите материалы лекции Л.Данилова, которая уже была, и чуть-чуть материалы лекции Валерия Анатольевича, которая у нас уже была на эту тему, просто нет смысла повторяться.

Вопрос:

- Спасибо большое за лекцию, было очень интересно. У меня вопрос о небесных телах, которые находятся во Вселенной – метеоры, астероиды, планеты, те же звезды – как они образуются? Есть ли вероятность образования каких-то новых планет и рождения звезд?

Валерий Рубаков:

- Вы знаете, это не ко мне. Через неделю будет лекция Льва Матвеевича Зеленого, и ему задайте этот вопрос. Он в этом деле понимает, я – нет.

Вопрос:

- Тогда еще один вопрос. Я читала, что «Большой взрыв» сопоставим с ядерным взрывом?

Валерий Рубаков:

- Нет, не правильно. Совсем другого масштаба явление. Ядерный взрыв (по сравнению с «Большим взрывом»?) – это так, чепуха. Надо понимать так, что «Большой взрыв» - это не то, что у вас в каком-то месте произошел, правда, взрыв, и все начало лететь в разные стороны. Надо себе представлять так, что у вас есть какая-то область пространства, которая начала растягиваться. Не то, чтобы у вас вещество разлетается куда-то наружу.

Вопрос (продолжение):

- Но при ядерном взрыве тоже идет облако, большая зона покрытия…

Валерий Рубаков:

- Это пространство тянется. При ядерном взрыве с пространством ничего не происходит. Вещество начинает разлетаться в разные стороны, а здесь (при «Большом взрыве») у вас тянется пространство. Две большие разницы. Скажем, в инфляционной картинке у вас есть маленькая область пространства, которая растягивается до гигантских размеров. Это не то, что из этой области у вас что-то вылетает.

Вопрос (продолжение):

- Как воздушный шарик, когда надувается?

Валерий Рубаков:

- Да, это примерно та самая история. У вас есть маленький воздушный шарик, который растягивается до гигантских размеров.

Вопрос:

- У меня вопрос про гравитон. Как он входит в стандартную модель?

Валерий Рубаков:

- Гравитон в стандартную модель не входит. Гравитация – вещь универсальная, она не зависит от того, как именно устроен мир элементарных частиц, поэтому гравитон – это свойство гравитационных взаимодействий, а они прямо в стандартную модель не входят. Но есть в природе известные силы, которые описываются стандартной моделью – сильные, слабые, электромагнитные, есть еще антигравитационные, и переносчиком или частицей, которая связана с гравитационными взаимодействиями, как раз гравитон и служит.

Вопрос (продолжение):

- Но экспериментально он имеет какие-то косвенные, может быть…

Валерий Рубаков:

- Гравитационные волны – да. Прежде всего, мы знаем, что гравитационные волны излучаются, так же, как есть у вас электромагнитное излучение и частица фотон. Это более-менее одно и то же. Только электромагнитное излучение достаточно легко организовать, как Герц в свое время, а отдельные фотоны – гораздо труднее. Так же дело обстоит и с гравитационными волнами. Гравитационные волны, грубо говоря, типа опыта Герца, можно излучать, правда, не мы с вами можем излучать. А Вращающиеся друг вокруг друга черные дыры или нейтронные звезды излучают гравитационные волны, и этот эффект, кстати сказать, обнаружен. Нейтронные звезды – пульсары, вращаясь друг вокруг друга, приближаются, излучая гравитационные волны. Эффект обнаружен, как предсказывают в общей теории относительности, он по формуле Эйнштейна с очень приличной точностью. Гравитационные волны излучаются, на очереди стоит задача их прямо явно зарегистрировать, надо думать, что это в течение нескольких лет произойдет. Гравитационные волны от таких источников типа вращающихся вокруг друг друга черных дыр. А гравитон как таковой, как отдельную частицу, по-видимому, обнаружить не удастся никогда. Связано это с тем, что очень уж он слабо взаимодействует. Фотоны мы научились генерировать, образовывать поштучно, а гравитон, наверное, никогда не научимся.

Вопрос:

- Здравствуйте. Пожалуйста, объясните нам, гуманитариям: если никто не знает толком, что такое темная энергия, темная материя, то как ученые определили, что темная энергия составляет 69% от всей энергии, темная материя – 26% и т.д.?

Валерий Рубаков:

- По темпу расширения. Дело в том, что есть формула, я не писал ее здесь, которая вытекает из общей теории относительности, связывающая темп расширения с плотностью энергии. А темная материя и темная энергия имеют разную зависимость от времени. У темной энергии она почти постоянна, а темная материя падает с увеличением объема как 1/объем (единица на объем). Так же, как обычные частицы, их плотность темной материи убывает. Поэтому они оказывают разное влияние на темп расширения в разные времена. Темная энергия сегодня доминирует. «Вчера» доминировала темная материя, ее плотность была больше. Это один из наиболее понятных путей, но по измерению темпа расширения в разные времена, а сегодня мы это умеем делать, вы можете определить состав Вселенной, сколько в ней темной материи, сколько темной энергии. Про обычное вещество я говорил, как его меряют.

 

Вопрос (продолжение):

- А есть вероятность, что данные ошибочны?

Валерий Рубаков:

- Погрешности всегда есть. Но те числа, которые я приводил, я бы сказал, что точности приблизительные для темной энергии, что-нибудь в районе 3%. Разные команды авторов дают немного разные числа, но я бы консервативно сказал, что 69+/- 3%. Про темную материю – 26%+/- 3%.

Вопрос:

- Владимир Анатольевич, а можете ли объяснить вкратце космологическую концепцию Дрода/ Дроза?

Валерий Рубаков:

- НЕТ!

Смех.

Вопрос:

- Философский вопрос. Я как-то спросил у друга: а что, если Вселенная в лице нас пытается познать себя? Он мне ответил: у нас на кафедре эту дурь из тебя очень быстро бы выбили.

Валерий Рубаков:

- Какая кафедра?

Вопрос (продолжение):

- Нижегородский политех, физико-математическая.

Валерий Рубаков:

- Правильно.

Смех.

Вопрос (продолжение):

- Сейчас очень много и в культуре и в, общем-то, науке попыток очеловечить окружающий мир. Это и антропные принципы, и сейчас есть в культуре эти истории. Как вы считаете, не имеет ли это деструктивный эффект на прогресс цивилизации?

Валерий Рубаков:

- С антропным принципом – аккуратнее, можно отдельно о нем поговорить. Это не попытка «очеловечить», это попытка немножечко с другой стороны, с другим взглядом подойти фактически к эксперименту. Экспериментальный факт – что мы существуем. Не при всех условиях мы можем существовать. Мы с вами живем на Земле, а не в произвольном месте в пространстве. В произвольном месте температура 2 градуса Кельвина, нам это не очень подходит. Мы живем на Земле, где относительно сносные условия для существования. Правда, чем дальше, тем хуже становятся, но, тем не менее… Атропный принцип переносит это на бОльшие масштабы. И говорит о том, что мы можем существовать только там, где есть подходящие условия: правильные физические константы, правильная, скажем, плотность темной энергии, и т.д. И это не есть что-то такое, что «очеловечивает». Это просто использование того экспериментального факта «на всю катушку», который связан с нашим с вами существованием. Ну, а про «очеловечивание Вселенной» - эту дурь на кафедре физики да и философской надо бы…

Б.З.:

- Только я бы поправил: эта тенденция не последнего времени. Попытка найти «духов», отвечающих за те или иные вещи, или очеловечить что-то в природе – она достаточно давняя. Я бы сказал, что сейчас ее меньше, чем раньше, а не больше.

Вопрос (продолжение):

- Речь идет не совсем о «духах», хотя бы о том, что человек в принципе не может не очеловечивать.

Валерий Рубаков:

- Почему это? Неужели вы думаете, что я очеловечиваю эти нейтрино и меоны? Конечно, нет.

Вопрос:

- Может ли такое быть, что есть некое мега-пространство, и там эти «Большие взрывы», расширение этих «воздушных шариков», их несколько, они между собой как-то взаимодействуют, пересекаются… Какие-то исследования идут?

Валерий Рубаков:

- Я не очень понимаю, что такое «мега-пространство», но, в принципе, можно обсуждать ситуацию, когда у вас есть либо разные части Вселенной, либо совсем разные Вселенные, которые между собой как-то взаимодействуют. Люди обсуждают такие «мостики» между ними. Но это довольно спекулятивная штука. Обсуждать можно, и всякие модели можно пытаться строить, но, во-первых, не видно никаких экспериментальных указаний к тому, а, во-вторых, теоретические конструкции, которые при этом придумываются, они внутренне противоречивые. Там есть свои трудности, которые преодолеть пока не очень удается. Но такое можно обсуждать, и люди время от времени обсуждают такие возможности. Например, возможность того, что от нашей Вселенной может «отпочковаться» какая-то новая маленькая Вселенная, опять раздуться и т.д.

Вопрос:

- У меня вопрос по поводу закона сохранения энергии, которого в космологических масштабах нет. Известно, что закон сохранения энергии тесно связан со временем. И есть еще один закон, который связан со временем: это увеличение энтропии с течением времени. Насколько содержательно обсуждать взаимоотношения этих двух законов, в свете того, что такого закона сохранения энергии в космологии нет?

Валерий Рубаков:

- Закона сохранения энергии нет именно по той причине, что в разные времена пространства имеют разные размеры, разные масштабы. Именно из-за того, что Вселенная неодинакова в разные моменты времени, и нет закона сохранения энергии. В конечном итоге. Если бы Вселенная была статической, не расширялась, тогда был бы закон сохранения энергии, связанный с независимостью физической ситуации в разные моменты времени или физических законов. Теперь что касается закона сохранения энтропии или роста энтропии, то этот закон как раз во Вселенной работает. Энтропия при адиабатическом расширении, при медленном расширении (а Вселенная расширяется медленно), сохраняется, этим при вычислениях пользуются вовсю, а рост энтропии в ней тоже возможен, обсуждают всякие процессы с генерацией энтропии, такое возможно. Поэтому второе начало термодинамики как раз работает.

Б.З.

- А исходя из концепции Вселенной как открытой системы или закрытой системы?

Валерий Рубаков:

- Все-таки, это достаточно локальная вещь. Когда мы говорим об энтропии, мы говорим о некоторой области Вселенной, не очень большой, какой-то конечной. Вот в этой области энтропия сохраняется или растет. А Вселенная однородна, поэтому все равно, в какой области.

Вопрос (продолжение):

- Валерий Анатольевич, можно уточнить? В связи с тем, что вы сказали сейчас про изменения пространства во времени, что оно расширяется, насколько я понимаю, применение теоремы Ньютора к этой ситуации некорректно?

Валерий Рубаков:

- Правильно. Поэтому нет закона сохранения энергии.

Вопрос:

- Добрый вечер. Я хотел бы спросить: если мы находися внутри расширяющегося пространства, каким образом нам удалось оценить его размер, находясь внутри него?

Валерий Рубаков:

- Нет, речь идет не о размерах всего пространства, а о размерах видимой части Вселенной. Никакого противоречия я не вижу: вот мы сидим тут, а расстояние до Солнца можем измерить.

Вопрос (продолжение):

- Разумеется, можем. Но вы говорили, что размер увеличивается, Вселенная расширяется. Причем, расширяется быстрее скорости света за счет как раз расширения пространства. Но как мы, находясь в рамках пространства, можем оценить его расширение, если мы расширяемся вместе с ним, вместе с его «рамками»?

Валерий Рубаков:

- Нет, мы с вами никуда, слава Богу, не расширяемся, сидим тут и не распухаем. Когда я говорю о современной видимой части Вселенной, я имею в виду следующее. Что, конечно, свет, который был излучен 14 млрд лет назад, был излучен давно. И с тех пор пространство растянулось. Я говорю о том, что современное расстояние до источника этого света составляет 45 млрд световых лет. Современное расстояние до источника. Вполне определенная вещь. Вот он был испущен откуда-то отсюда, полетел к нам, пространство за это время растянулось, источник уехал, и современное расстояние – 45 млрд лет.

Вопрос:

- Валерий Анатольевич, ваше отношение к теории параллельных Вселенных?

Валерий Рубаков:

- Это что значит? Многомировая интерпретация, вы про это говорите?

Вопрос (продолжение):

- Да.

Валерий Рубаков:

- Вы знаете, какое-то пустое дело, мне кажется, что-то тут не то. Не нравится мне. Звучит как тавтология в некотором смысле. Мало, что помогает вычислить, ничего не помогает вычислить, никаких предсказаний не дает, какое-то рукомахание.

Вопрос:

- Скажите, пожалуйста, как отличить какие-то аномалии в поведении пространства типа расширения или аномальных температур от изменения физических констант?

Валерий Рубаков:

- Нет, но расширение Вселенной – это не изменение физических констант, конечно. Наоборот – физические константы можно измерять, независимо ни от какого расширения. На очень больших расстояниях можно изучать, другими словами – пытаться найти временную зависимость физических констант. Типа массы электрона, электрического заряда электрона. Они постоянные или нет? В теории они постоянные. Это можно делать, независимо ни от какого расширения, и на эту тему есть довольно сильные ограничения. Пока не обнаруживается зависимости физических констант от времени. Они в прошлом были такие же, как сегодня. Ну, в пределах экспериментальных ошибок, которые, на самом деле, маленькие. Даже на очень больших расстояниях вся физика такая же, как у нас.

Б.З.:

- Спасибо большое. На этом, к сожалению, мы вынуждены заканчивать.