01.10.2008. - Во Вселенной мы на особом положении

Во Вселенной мы на особом положении

30.09.08 18:09 | Александр Загнетко

Не прекращаются попытки спасти рассыпающуюся на глазах картину мироздания. Ученые выдвигают новые предположения о том, как объяснить загадочное поведение Вселенной.

Фото: russianlook.com

Пока Большой адронный коллайдер, который призван был дать ответы на некоторые из множества животрепещущих вопросов современной физики, простаивает после аварии, ученые выдвигают новые предположения о том, как объяснить загадочное поведение Вселенной.

Физики Оксфордского университета в только что опубликованной в журнале Physical Review Letters статье предлагают рассмотреть возможность того, что область Вселенной, в которой находится Земля, обладает особыми свойствами.

Их исследование бросает вызов так называемому коперниканскому принципу и призвано объяснить наблюдаемое ускоренное расширение Вселенной тем, что мы находимся в области, плотность вещества в которой существенно ниже, чем в среднем по Вселенной.

Принцип Коперника состоит в том, что на космологических масштабах Вселенная более или менее изотропна (однородна), то есть ее основные свойства примерно одинаковы повсюду.

При этом многие исследования этих свойств основаны в значительной мере на использовании найденных во многих галактиках «стандартных свечей» — сверхновых типа Ia, светимость которых отличается завидным постоянством и, таким образом, позволяет рассматривать их как «реперы» при определении расстояний до различных объектов.

В частности, исследование этих сверхновых позволило установить, что Вселенная расширяется с ускорением, что уже привело к пересмотру физической картины мира. Именно это открытие породило теорию темной энергии, ответственной за антигравитацию, расталкивающую пространство.

Тимоти Клифтон, Педро Фрейра и Кэте Лэнд считают, что при определенных параметрах предложенная ими гипотетическая «выделенная область» с низкой плотностью вещества позволяет объяснить наблюдаемые феномены без привлечения экзотической темной энергии.

Однако надо признать, что само предположение о том, что принцип Коперника следует отвергнуть, уже является крайне экстремистским по научным меркам.

Здесь следует вкратце перечислить некоторые проблемы, связанные с объяснением наблюдаемой физической картины мира, которые сначала привели нас на порог новой научной революции, а сегодня и вовсе грозят вызвать крах классической физики.

В тридцатых годах прошлого века выяснилось, что Вселенная не просто динамична, но и расширяется с ускорением. Кроме того, наблюдения показали, что ей присуща удивительная изотропность. Более подробную информацию о многочисленных парадоксах и удивительных явлениях, связанных с этими процессами, можно узнать на сайте «Астронет».

Теория Большого взрыва, предполагающая, что наша Вселенная родилась в результате взрыва космологической сингулярности — ничтожно малого образования, обладающего колоссальной энергией, — не смогла объяснить наблюдаемого ускоренного расширения. В итоге появилась гипотеза, предполагающая существование так называемой темной энергии — субстанции, «расталкивающей Вселенную». Изотропность Вселенной попыталась объяснить теория инфляции, которая утверждает, что Вселенная еще до Большого взрыва вела себя как элементарная частица, которой были присущи многие квантовые свойства. Более того, она унаследовала ряд этих свойств до сих пор. При этом «доначальное» расширение Вселенной, предшествовавшее Большому взрыву, происходило с гигантскими скоростями, во много порядков превышающими скорость дальнейшего расширения.

О терминологии

Некоторые пояснения, касающиеся теории инфляции, темной материи, темной энергии и способах расчета параметров Вселенной

Развернуть

О терминологии

Еще в 30?е годы XX века американский астроном Фриц Цвикки обратил внимание на то, что галактики в скоплениях движутся быстрее второй космической скорости. Скопления со столь стремительно передвигающимися членами попросту не могут существовать. Результат Цвикки означал, что всей видимой массы типичного скопления недостаточно, чтобы удержать входящие в него галактики от разлета.

Ученым хотелось бы предположить, что темное вещество состоит из привычных астрофизикам объектов, которые обладают массой, но при этом либо не излучают совсем, либо излучают настолько слабо, что в современные астрономические инструменты видны лишь на очень небольшом (в галактических масштабах) расстоянии. Таких объектов ученым известно множество: коричневые и белые карлики, нейтронные звезды, черные дыры, планеты, компактные газовые облака. Поскольку все они состоят или состояли в прошлом из обычных протонов и нейтронов, которые в физике обобщенно называются барионами, сформированное из этих объектов темное вещество называется барионным. Однако анализ показал, что их массы скорее всего недостаточно для объяснения наблюдаемых явлений.

Поэтому сейчас предпочтительной считается гипотеза о небарионном темном веществе, состоящем из особых, пока не известных элементарных частиц, которые обладают специфическим набором свойств, в частности, почти не взаимодействуют с «обычным» веществом и потому до сих пор избегают обнаружения. Одно время считалось, что темной материей могут оказаться нейтрино, однако результаты последних экспериментов и наблюдений на нейтринных телескопах доказывают, что масса нейтрино хотя и не равна нулю, но все-таки слишком мала, чтобы списать на нее все «пропавшее» вещество.

Скорее всего, речь идет о частицах нового типа. В нашем сравнительно холодном мире сама материя состоит из фермионов (например, протонов и нейтронов), а бозоны (например, фотоны) обеспечивают перенос взаимодействия между ними. Но при очень высокой температуре, по сравнению с которой меркнет даже температура в звездных недрах, разница между частицами материи и частицами-переносчиками стирается, и они начинают вести себя одинаково. Теория тождественности фермионов и бозонов при высоких температурах носит название теории суперсимметрии. Об энергиях, необходимых для ее экспериментальной проверки, физики пока могут только мечтать, но они уверены, что доказательства суперсимметрии осталось ждать несколько лет.

Теория суперсимметрии предсказывает, что в первые доли секунды после рождения Вселенной все ее кванты были идентичны, но затем Вселенная расширилась, остыла, и появились самые разнообразные частицы. Интересно, что наряду с протонами, нейтронами, электронами, фотонами, нейтрино и другими известными элементарными «кирпичиками» теория суперсимметрии предсказывает рождение целого зоопарка неизвестных частиц. При этом неизвестные частицы образуют пары с известными частицами: у каждого фермиона есть парный с ним бозон, и наоборот. Чтобы подчеркнуть суперсимметричность этого сообщества, такие пары называются суперпартнерами.

Все гипотетические частицы — суперпартнеры известных частиц — имеют общее свойство: они очень слабо взаимодействуют с обычным веществом, значительно превосходя в этом отношении даже всепроникающие нейтрино. На научном жаргоне их иногда называют вимпами, от английского сокращения WIMP — weakly interacting massive particles, то есть слабовзаимодействующие массивные частицы. Увидеть вимпы очень сложно, но их можно «почувствовать» — как и все, обладающее массой, они создают вокруг себя гравитационное поле.

Наиболее вероятным претендентом на роль темного вещества считается самая легкая суперсимметричная частица нейтралино, масса которой превышает массу протона в сотню раз. С ней и другими вимпами конкурирует другая невидимая частица — аксион, — существование которой предсказывается другой современной физической теорией — квантовой хромодинамикой.

Одно из предсказаний теории относительности состояло в том, что Вселенная не может существовать вечно. Если признать ее царством одной только гравитации, то есть притяжения, нужно согласиться и с тем, что со временем все вещество в статической Вселенной должно рано или поздно стянуться в одну точку. Эйнштейн ввел в свои уравнения так называемый лямбда-член — гипотетическое «всемирное отталкивание», которое должно было противодействовать всемирному тяготению. Однако в 1929 г. выяснилось, что Вселенная расширяется. Это означало, что взаимному притяжению галактик противостоит их разбегание, порожденное Большим взрывом, а необходимость во взаимном отталкивании как будто бы отпадает. Широко известно признание Эйнштейна, сделанное им советско-американскому астрофизику Георгию Гамову, что он считает изобретение лямбда-члена своим самым большим промахом. Но шло время, и эта ошибка перестала быть столь очевидной: как пишет тот же Гамов, космологическая постоянная «продолжает поднимать свою гадкую голову». Правда, теперь у нее появилось множество других имен — антигравитация, квинтэссенция, энергия вакуума и, конечно, темная энергия.

Открытие нестационарности Вселенной заставило ученых (и не только их) задуматься о том, чем закончится ее расширение. Дальнейшую судьбу нашего мира удобно характеризовать, сравнивая среднюю плотность вещества во Вселенной с неким критическим значением. Если плотность больше критической, силы гравитации рано или поздно остановят разлет галактик, и он сменится всеобщим сжатием, которое снова стянет Вселенную в точку. Если плотность меньше критической, расширение Вселенной будет продолжаться бесконечно.

На сегодняшний день наблюдаемые свойства Космоса наилучшим образом описываются так называемой инфляционной теорией, в разработке которой большую роль сыграли советские и российские физики. Согласно ей, в первые доли секунды своего существования Вселенная испытала катастрофическое «раздувание», в ходе которого ее размер увеличился в 1050 раз. Все неоднородности и искривления, которые наличествовали во Вселенной до этого, в процессе раздувания разгладились — именно поэтому так и вышло, что мы живем в таком однородном и плоском (в геометрическом смысле) мире.

Инфляционная теория среди прочего предсказывает, что средняя плотность вещества во Вселенной должна быть в точности равна критической. Собственно говоря, именно относительно критической плотности и рассчитано распространенное теперь соотношение между веществом, темной материей и темной энергией.

В физике можно считать, что все энергии отсчитываются от нулевой энергии — энергии вакуума, которая вовсе не обязана быть равной нулю. В этой изначальной энергии и может быть скрыта некоторая «плотность». Эту субстанцию и назвали темной энергией.

Чтобы избежать обвинений в голословном приписывании энергии пустоте, необходимо выяснить, какими свойствами должна обладать темная энергия, и попытаться обнаружить эти свойства в результатах астрономических наблюдений. И такие результаты были получены! В 1998 году группа американских астрономов под руководством Адама Риса сообщила — Вселенная не просто расширяется, она расширяется с ускорением. К этому выводу ученые пришли, наблюдая взрывы сверхновых в далеких галактиках.

Большинство способов измерения расстояния в астрономии основано на сравнении видимой яркости объекта с его истинным блеском, который, конечно, должен быть известен. Источники с известной истинной яркостью называют стандартными свечами. Сверхновые типа Ia, связанные, как полагают, с термоядерными взрывами на белых карликах, видны на очень больших расстояниях и отличаются завидным постоянством блеска, что делает их незаменимым инструментом для измерения космологических расстояний.

С другой стороны, в близких (по космологическим масштабам) окрестностях нашей галактики действует закон Хаббла — расстояние до галактики прямо пропорционально скорости ее движения по лучу зрения. Лучевую скорость легко определить по спектру — эффект Доплера сдвигает линии в красную часть спектра, если источник удаляется от нас, и в синюю часть — если источник приближается. Поскольку величина сдвига пропорциональна скорости, закон Хаббла позволяет по спектральным наблюдениям оценивать расстояние до далеких объектов — при условии, что далеко от Млечного Пути расширение Вселенной подчиняется тем же закономерностям, — или выявлять отклонения от этих закономерностей.

Именно к этому способу и прибегли Рис и его коллеги. По видимой яркости нескольких сверхновых они определили расстояние до них — оно оказалось весьма значительным, несколько миллиардов световых лет. Затем они определили скорость, с которой должны были бы удаляться от нас эти сверхновые, если бы расширение Вселенной несколько миллиардов лет назад происходило с той же скоростью, что и сейчас. Реальная скорость сверхновых оказалась существенно ниже значения, предсказанного законом Хаббла, — сейчас Вселенная расширяется быстрее, чем несколько миллиардов лет назад!

Ускорение означает, что помимо притяжения во Вселенной действительно существует и сила отталкивания, или попросту антигравитация, причем в настоящее время на космологических расстояниях она явно превосходит гравитацию. Учитывая сенсационность этого вывода, в результатах группы Риса многие ученые, включая и самих авторов этого открытия, пытались найти ошибку, но пока эти попытки успехом не увенчались. Приходится признать, что темная энергия действительно существует! Тем более что ее количество, вычисленное по наблюдениям сверхновых, совпало с тем, что было оценено по наблюдениям флуктуаций интенсивности реликтового излучения — порядка 70%.

Независимо от результатов группы Риса, Джордж Эфстатиу и его коллеги оценили, что вклад темной энергии в полную плотность Вселенной равен 65—85%.

Темна вода во облацех

Какая судьба ждет гипотезы о темной материи и энергии? Не появится ли через десяток лет более успешная физическая концепция, в которую впишутся и странности в движении галактик, и свойства реликтового излучения? Пока более или менее реальная альтернатива имеется только у гипотезы о темной материи. Это так называемая теория МОНД — Модифицированная Ньютоновская Динамика, разработанная в середине 1980?х годов израильским физиком М. Милгромом. Согласно этой теории, обычная запись закона всемирного тяготения — с обратной пропорциональностью квадрату расстояния — действует лишь до определенного предела. Если ускорение тела, вызываемое силой гравитации, оказывается меньше примерно 10—10 м/с2, в закон всемирного тяготения нужно вносить поправку, которая и объясняет странное движение звезд на окраинах спиральных галактик. К сожалению, у теории МОНД отсутствует релятивистское продолжение, поэтому она не способна объяснить явления, выходящие за рамки простых динамических задач.

В целом нужно признать, что темная материя и темная энергия, которые поначалу были лишь гипотетическими концепциями, введенными в теорию, чтобы примирить ее с наблюдениями, очень хорошо вписываются в современную картину мира. Немаловажно, что с их помощью ученым удалось связать между собой два полюса физики — космологию и физику элементарных частиц. Тем не менее прямое экспериментальное обнаружение двух этих сущностей остается делом будущего. Пока этого не произошло, будем готовы к любым неожиданным поворотам!

При подготовке этого комментария были использованы публикации Дмитрия Вибе

Скрыть

В то же время изучения скорости вращения различных гравитационно связанных систем ученые обнаружили, что наблюдаемой массы этих систем недостаточно, чтобы объяснить, почему они не «разлетаются». Другими словами, необходимо было найти некие объекты, не детектируемые современными методами, суммарный вклад которых в массу галактик и скоплений примерно в пять раз превышает вклад известных образований. Так появилось предположение о темной материи, тесно связанное с гипотезой суперсимметрии.

Суперсимметрия

О гипотезе суперсимметрии

Развернуть

Суперсимметрия

О гипотезе суперсимметрии

Суперсимме?трия — гипотетическая симметрия, связывающая бозоны и фермионы в природе. Абстрактное преобразование суперсимметрии связывает бозонное и фермионное квантовые поля, так что они могут превращаться друг в друга. Образно можно сказать, что преобразование суперсимметрии может переводить материю во взаимодействие (или в излучение), и наоборот.

Пока суперсимметрия является физической гипотезой, не подтвержденной экспериментально. Совершенно точно установлено, что наш мир не является суперсимметричным в смысле точной симметрии, так как в любой суперсимметричной модели фермионы и бозоны, связанные суперсимметричным преобразованием, должны обладать одинаковыми массой, зарядом и другими квантовыми числами (за исключением спина). Данное требование не выполняется для известных в природе частиц. Предполагается, тем не менее, что существует энергетический лимит, за пределами которого поля подчиняются суперсимметричным преобразованиям, а в рамках лимита — нет. В таком случае частицы-суперпартнеры обычных частиц оказываются очень тяжелыми по сравнению с обычными частицами. Поиск суперпартнеров обычных частиц — одна из основных задач современной физики высоких энергий. Ожидается, что Большой адронный коллайдер, полноценный запуск которого теперь следует ожидать не раньше 2009 года, сможет открыть и исследовать суперсимметричные частицы, если они существуют, или поставить под большое сомнение суперсимметричные теории, если такие частицы не будут обнаружены.

Скрыть

Многим исследователям эти гипотезы показались надуманными и некоторые из них до сих пор придерживаются мнения, что недостающая масса галактик может быть сосредоточена, например, в окружающем их «облаке» коричневых карликов.

Обнаружить такой объект крайне сложно, поскольку сам он практически не излучает энергии. Поэтому «увидеть» эту так и не вспыхнувшую «недозвезду» можно только по гравитационным возмущениям, которые она вызывает у других объектов, либо в случае ее прохождения между наблюдателем и каким-либо источником излучения.

В рамках этих гипотез помимо прочего предполагается, что для нашей планеты отнюдь не астероидная угроза является самой серьезной. Может статься, что такой коричневый карлик пройдет в окрестностях Солнца и, даже не сталкиваясь с ним, спровоцирует грандиозную катастрофу, спутав орбиты планет своим мощным гравитационным полем.

При этом если бы такой катаклизм произошел с планетной системой одной из звезд нашей галактики, мы бы его скорее всего не заметили.

Традиционно коричневыми карликами считают образования с массами от 13 до 75 масс Юпитера.

Однако пока что большинство специалистов склоняются к предположению о том, что темные материя и энергия все же существуют. Более того, для объяснения некоторых явлений и отвечая на вопросы о том, например, почему пресловутые WIMP’ы (гипотетические частицы темной материи) так и не обнаружены, физики-теоретики исходят из того, что на масштабах, характерных для квантовых систем, наш мир в действительности не четырехмерен, а может насчитывать еще несколько «скрытых» измерений.

В любом случае можно констатировать, что ближайшие 10—20 лет ознаменуются многочисленными открытиями и сотрясением самых основ физической теории.

http://www.akado.com/science/matterenergy/19038/2008/09/30/universe/