Завершил лекционный день 29 ноября на Фестивале публичных лекций #ЗНАТЬ физик Валерий Рубаков.
Третьи выступлением в этот день стала лекция «Загадки Вселенной». Ее прочитал академик РАН, главный научный сотрудник Института ядерных исследований РАН Валерий Анатольевич Рубаков. Он рассказал о существующих в современной физике представлениях о строении мира и концепциях эволюции Вселенной и показал, что имеющихся на настоящий момент данных об элементарных частицах, фундаментальных взаимодействиях и формах материи недостаточно, чтобы объяснить наблюдаемые факты.
Валерий Рыбаков подробно остановился на четырех серьезных загадках, над решением которых работают сейчас физики. Первая загадка сводится к вопросу «Откуда взялось вещество?» (так называемая проблема барионной асимметрии). Несомненно, что во Вселенной вещество преобладает над антивеществом. Галактики, звезды, планеты, Земля и каждый из нас – зримые примеры этого. Однако, если во время Большого взрыва образовалось равное количество материи и антиматерии, то они бы давно аннигилировали, и вещества не осталось бы вовсе. Следовательно, в какой-то момент нарушался закон сохранения барионного числа, и кварков образовывалось немного больше, чем антикварков. Из этого избытка кварков (а расчеты показывают, что на 1 млрд. рождающихся пар кварк-антикварк появлялся 1 избыточный кварк) и образовалось всё вещество Вселенной. Физики уже довольно давно открыли нарушение комбинированной четности (CP-нарушение). В 1964 году Джеймс Кронин и Вэл Фитч обнаружили это нарушение при распаде нейтральных К0-мезонов. К0-мезон распадается на два пи-мезона с испусканием позитронов чаще, чем с испусканием электронов. Разница в частоте составляет лишь 0,3%, но это явно указывает на нарушение СР-симметрии. А. Д. Сахаров в 1968 году предположил, что именно это нарушение СР-симметрии сделало возможным существование нашего мира. В 2000-х годах СР-нарушение было обнаружено в экспериментах BaBar и Belle. Однако, по словам Валерия Рубакова, одного лишь СР-нарушения недостаточно для создания необходимого избытка материи. Он рассказал о другом явлении, которое может объяснить барионную асимметрию – нейтринной осцилляции. Оно заключается во взаимопревращении разных типов нейтрино: электронного, мюонного, тау-нейтрино.
Вторая и третья загадки связаны соответственно с темной материей и темной энергией. Сейчас уже понятно, что лишь примерно 4% состава Вселенной – это известные по Стандартной модели кварки, лептоны и переносчики взаимодействий – бозоны. Все остальное приходится на темную материю (примерно 26%) и темную энергию (почти 70%). Мы не можем наблюдать их непосредственно, но нам доступны вызванные ими эффекты. Среди таких проявлений – эффект гравитационной линзы, когда массивное тело искривляет проходящее мимо него электромагнитное излучение, также как оптическая линза искривляет луч света. Благодаря этому эффекту мы обнаруживаем скопления темной материи. К выводу о существовании темной энергии ученые пришли, когда отметили, что Вселенная не просто расширяется, а это расширение ускоряется со временем. Темная энергия очень равномерно распределена и имеет низкую плотность (около 10−29 г/см³), поэтому ее не удается обнаружить экспериментально. Однако для судьбы Вселенной темная энергия очень важна. От того, будет ли она возрастать или уменьшаться, зависит, продолжится ли расширение Вселенной бесконечно или же оно сменится сжатием.
Наконец, четвертая загадка связана с тем, что было до горячей стадии эволюции Вселенной. Из стандартной теории Большого взрыва («модель горячей Вселенной») следовала высокая однородность начального состояния. А значит, реликтовое излучение должно быть изотропным, не иметь неоднородностей углового размера больше 2°. Но, как показывают наблюдения, такие неоднородности есть. Для их объяснения была создана инфляционная теория, согласно которой на очень ранних этапах после Большого взрыва Вселенная расширялась экспоненциально, с очень большой скоростью. И лишь затем, когда это расширение завершилось, начались стадии эволюции, предусмотренные моделью «горячей» Вселенной: образование барионов, эпоха нуклеосинтеза и так далее. Подтвердить инфляционную теорию могло бы обнаружение реликтовых гравитационных волн. Сейчас их усиленно ищут. В марте этого года ученые сообщили, что в эксперименте BICEP-2 такие волны были найдены, но, как говорит Валерий Рубаков, скорее всего сообщение об успехе было преждевременным и BICEP-2 обнаружил не гравитационные волны, а неизвестные ранее особенности излучения галактик.
Ранее Валерий Рубаков прочитал в проекте Публичные лекции Полит.ру лекцию на тему: «Открытие бозона Хиггса на Большом адронном коллайдере». Также теме нынешней лекции посвящены другие наши публикации:
Сто лет развития космологии: 1915 – 2014
«РадиоАстрон» и тайны Вселенной
Вселенная: неизменная, расширяющаяся, ускоряющаяся
