Удивительная космология - Лев Шильник

Коротко подытожим сказанное. Рождение классического пространства-времени из квантовой пены было следствием случайной квантовой флуктуации, а возраст Вселенной составлял тогда примерно 10-43 секунд. Диаметр Вселенной в ту пору был чуть больше 10-33 сантиметров, а плотность этого микроскопического сгустка достигала чудовищной величины – 1093 г/см2 (так называемая планковская плотность, максимально возможная в природе). Температура тоже была под стать – около 1032 градусов Кельвина. В ходе инфляции, продолжительность которой составляла несколько планковских времен (10-43—10-37 секунд), температура менялась в очень широких пределах, быстро падая до нуля. Стремительное раздувание выгладило пространство и сделало его практически однородным по всем направлениям. Эпоха инфляции – это в основном холодная стадия; элементарных частиц еще нет, а материя представлена скалярным инфлатонным полем.

Когда инфлатонное поле достигло минимума потенциальной энергии, произошло рождение вещества в виде горячей плазмы из кварков, глюонов, электронов и их античастиц. Вселенная вновь разогрелась до весьма высоких температур порядка 1026—1029 градусов Кельвина. Экспоненциальное раздувание сменилось обычным неторопливым расширением по закону Хаббла, что воспринимается нами как Большой взрыв. Ранняя Вселенная представляла собой своего рода горячий кварковый суп: высокая температура препятствовала их объединению, а потому каждый кварк жил самостоятельной жизнью. По мере падения температуры они начали объединяться в нуклоны, так как существование кварков в виде свободных частиц при относительно низких температурах невозможно. Когда Вселенная остыла примерно до 1011—1012 градусов Кельвина (ее возраст в ту пору составлял 10-4 секунд), свободных кварков в природе не осталось – все они объединились в протоны и нейтроны. Этот процесс принято называть бариосинтезом, или кварк-адронным фазовым переходом. К этому времени пространство юной Вселенной превратилось в густую кашу из протонов, нейтронов, электронов, нейтрино и фотонов, а также их античастиц. Однако вот что любопытно: если частиц и античастиц по окончании инфляции было поровну, то они неминуемо должны были бы взаимно уничтожиться в процессе аннигиляции, и тогда строительного материала, необходимого для образования звезд, галактик да и нас с вами, элементарно не хватило бы. Другими словами, почему произошло нарушение симметрии между частицами и античастицами?

Итак, законы природы одинаковы для частиц и античастиц, а потому неплохо бы разобраться, каким образом возник барионный избыток. На всякий случай заметим, что окончательного ответа на этот вопрос нет, имеется несколько версий, более или менее убедительных, и каждая из них требует привлечения сложного математического аппарата. Поэтому ограничимся упрощенной моделью, которая, однако, помогает понять суть дела.

Введем гипотетическое поле, одинаково взаимодействующее как с частицами, так и с античастицами, и обозначим его греческой буквой 9. Изобразим его графически, в виде параболы. Энергия поля будет максимальной на ее ветвях и минимальной в области дна, в точке, лежащей на оси абсцисс. Для наглядности можно представить себе яму или какой-нибудь сосуд, скажем, пиалу или расширяющийся кверху фужер с округлым дном. Поместим на внутреннюю стенку пиалы шарик и примем, что его энергия тем больше, чем выше он расположен. Скатываясь ко дну пиалы, шарик теряет энергию.

Теперь вспомним, что в момент рождения нашей Вселенной плотность энергии была весьма велика. В дальнейшем она все время падала, стремясь к нулю, а энергия поля переходила в энергию рождающихся частиц. В нашей модели античастиц должно быть немного меньше. Но как этого добиться? Предположим, что частицы рождаются при движении поля по левой части параболы, а античастицы – по правой. Картина продолжает оставаться вполне симметричной: ни частицы, ни их близнецы-антиподы не имеют ровным счетом никаких преимуществ, поскольку квантовая флуктуация – зародыш нашей Вселенной – с равной вероятностью может возникнуть как на левой, так и на правой ветви. А теперь посмотрим, что произойдет дальше.

Об этом хорошо и просто рассказывает С. Г. Рубин:

Момент истины наступает именно при рождении нашей Вселенной. Если мы живем во Вселенной, случайно родившейся на левой ветви, то происходило следующее. Поле начинает двигаться вниз и порождать частицы. Затем оно «проскакивает» положение минимума и забирается на правую ветвь параболы, но часть его энергии уже отдана частицам, и оно поднимется ниже начального значения. Поэтому, когда начинается движение обратно к минимуму потенциальной энергии, поле порождает античастицы в меньшем количестве. Эти затухающие колебания продолжаются довольно долго, и суммарное количество частиц, конечно, не будет совпадать с количеством античастиц – просто потому, что своим рождением на левой ветви потенциала Вселенная нарушила симметрию теории. Это именно то, чего мы и добивались! Кстати, если бы Вселенная случайно родилась на правой ветви, то у нас доминировали бы античастицы. Мы состояли бы из античастиц, но, конечно, называли бы их «частицами».

И тьма пришла

Предыдущая глава почти целиком была посвящена далекому прошлому нашей Вселенной. Картина вырисовывается странная, нелепая и немного пугающая: огромный мир, населенный бесчисленным множеством звезд и галактик, возник буквально из ничего, практически из пустоты, из какой-то ничтожной квантовой флуктуации. Однако и в современном состоянии Вселенной тоже хватает странностей, и первое место среди них по праву принадлежит загадке скрытой массы, которую называют также темной материей, и темной энергии (не путать со скрытой массой).

Наблюдения двух последних десятилетий показали, что на долю обычного видимого вещества – протонов, нейтронов, электронов и фотонов – приходится не более 4 % гравитационной массы-энергии Вселенной (то есть массы-энергии, создающей гравитационное поле). Остальные 96 % – это некая загадочная субстанция, которая не излучает и не поглощает света, а ее присутствие можно обнаружить только лишь по создаваемому ею гравитационному полю. Она никак не взаимодействует с обычной материей, так что эпитет «темная» следует признать не совсем удачным: с таким же успехом ее можно было назвать «прозрачной» или «невидимой». Другими словами, величественный хоровод небесных светил, который испокон веков изучали дотошные астрономы, на поверку оказался ничтожной надводной частью айсберга, покоящейся на незримой темной глыбе неведомо чего. О физической природе этого бесплотного, но весьма увесистого призрака современная наука не может сказать ничего определенного. Более того, совсем недавно выяснилось, что темная изнанка нашего мира неоднородна и распадается, в свою очередь, на две компоненты, весьма различные по своим свойствам: темную материю (она же – скрытая масса), составляющую примерно 25 % суммарной массы-энергии, и темную энергию (71 %). Однако обо всем по порядку.

Первый звоночек, свидетельствующий о том, что не все ладно в датском королевстве, прозвенел еще в 1933 году, когда американский астроном швейцарского происхождения Фриц Цвикки задумал измерить полную массу группы галактик по их светимости. Он поступил просто: подсчитал количество звезд в каждой галактике и умножил это число на среднюю массу звезды. Казалось бы, надежный и проверенный метод. Однако другой подход, основанный на законе всемирного тяготения и оценке скоростей звезд, дал несопоставимо большую величину массы. Цвикки подметил крайне любопытные аномалии в движении отдельных галактик внутри скопления. Любая случайно взятая галактика двигалась таким образом, словно общая масса скопления значительно превосходила сумму масс входящих в него галактик. Поскольку сей изрядный «довесок» невидим и может быть обнаружен только по характеру гравитационных возмущений, Цвикки предложил назвать его темной материей.

В то время научная общественность отреагировала на предложение Цвикки довольно вяло, и только 40 лет спустя о скрытой массе заговорили вновь. В 70-х годах прошлого века аномалии, подобные тем, какие обнаружил американский астроном, были выявлены в спиральных галактиках. Как известно, спиральные галактики в отличие от галактик другого типа (эллиптических и неправильных) вращаются, однако это вращение не имеет ничего общего с вращением детского волчка или юлы. Галактика не является сплошным твердым телом, а состоит из десятков миллиардов звезд, каждая из которых движется сама по себе, описывая замкнутую кривую вокруг галактического центра. Отсюда следует, что в соответствии с законами небесной механики скорость звезды по мере ее удаления от центра должна падать. Во всяком случае, планеты Солнечной системы ведут себя именно так: чем дальше планета отстоит от Солнца, тем ниже ее орбитальная скорость.