Частицы и Вселенная

Драма идей в познании природы

Теоретическая физика связывает между собой свойства микромира, проявляющиеся на самых малых расстояниях, и свойства Вселенной - самого большого объекта исследования.

В микромире мы имеем дело с расстояниями от 10^-33 сантиметра (планковская длина) до 10^-13 сантиметра (размер ядра, размер протона) и 10^-8 сантиметра (размер атома). Во Вселенной наиболее далекие объекты находятся от нас на расстоянии порядка 20·10⁹ световых лет, что равно 6·10⁹ мегапарсеков и равно 2·10²⁸ сантиметров. Размеры отдельных галактик порядка 10²³ сантиметров, астрономическая единица - так называется расстояние от Солнца до Земли - равна 1,5·10¹³ сантиметров, диаметр Солнца 1,5·10¹¹ сантиметров.

Итак - совершенно несравнимые масштабы, тем не менее есть тесная связь между теорией частиц и космологией. И в последние годы, когда теория элементарных частиц вышла в своих предсказаниях далеко за пределы возможностей лабораторного опыта, эта связь приобретает особое значение.

Напомним некоторые основные положения современной космологии. Вселенная расширяется. Это означает, что в прошлом ее средняя плотность была больше. Вселенная наполнена однородным и изотропным электромагнитным излучением с температурой 3 градуса по шкале Кельвина. Это очень низкая температура. Но в расширяющейся Вселенной такое излучение - остывший след горячих и плотных стадий расширения. И незыблем вывод современной космологии о том, что в прошлом Вселенной существовал период, когда вещество представляло собой горячую плазму, находившуюся в тепловом равновесии с излучением. Этот вывод составляет "жесткую сердцевину", проверенную в астрофизических наблюдениях.

Обращаясь вспять по времени, космология заглядывает в такие периоды эволюции Вселенной, когда при высокой плотности энергии вещества и излучения оказывались возможными любые маловероятные процессы превращения элементарных частиц, открывались каналы рождения самых тяжелых частиц. Процессы, недоступные исследованию в лабораторных установках, но уверенно предсказываемые для частиц сверхвысоких энергий, обретают реальность в далеком прошлом Вселенной, стоящем перед мысленным взором современной космологии. Космология может проводить мысленные эксперименты, анализировать, к каким следствиям для современной Вселенной приведет осуществление в ее далеком прошлом того или иного физического процесса, предсказываемого теорией и недоступного лабораторному опыту. Это превращает Вселенную в уникальную лабораторию элементарных частиц.

Ниже мы отнюдь не ставим своей целью подробно и последовательно рассказать о современной космологии. Такой теме посвящают отдельные монографии, больше всей нашей книги по объему. Мы выделим четыре вопроса. Все они в той или иной мере связаны с физикой, недоступной лабораторным исследованиям.

Их короткие названия: 1) скрытая масса; 2) асимметрия вещества и антивещества; 3) скалярное поле и инфляция; 4) космологическая постоянная. Содержание этих вопросов будет расшифрована в ходе их обсуждения.

Первый и самый простой вопрос (не имеющий тем не менее простого ответа): чем заполнена Вселенная?

Мы знаем, что в каждом кубическом сантиметре Вселенной в среднем находятся 500 фотонов. Прослеживая эволюцию Вселенной от далекого прошлого, мы убеждаемся в том, что имеется примерно равное число (суммарное) нейтрино и антинейтрино всех сортов. Средняя концентрация обычного вещества - протонов (свободных и в виде атомов водорода, и входящих в другие ядра) и нейтронов (в составе ядер) - около 10^-7 см^-3, то есть одна штука в 10 метрах кубических.

Средняя плотность вещества при этом составляет около 10^-30-10^-31 грамм на сантиметр кубический. Между тем, есть много аргументов, основанных на динамике галактик, скоплений галактик и других, которые указывают на гораздо более высокую общую плотность вещества.

Каков возможный выход из этого противоречия? Один вариант состоит в предположении, что масса нейтрино в действительности не точно равна нулю. Число нейтрино в единице объема так велико, что достаточно предположить m=m_e/20000 (в энергетических единицах - 25 электронвольт), чтобы получить новую общую плотность.

При бета-распаде образуются нейтрино с энергией в сотни тысяч и миллионы электронвольт. Поэтому малая собственная масса ("масса покоя") не изменит спектр бета-распада. Только при распаде трития можно в принципе наблюдать малое изменение спектра. Группа московских физиков утверждает, что такое изменение спектра наблюдается. Для окончательного суждения нужно подождать подтверждения другими экспериментальными группами.

Однако в настоящее время кажется весьма вероятным, что набор элементарных частиц отнюдь не ограничивается теми частицами, существование которых доказано на опыте. Возможно, что есть совсем иной класс частиц, практически не взаимодействующих с известными нам частицами. Точнее, эти новые частицы не взаимодействуют ни электромагнитно, ни сильно, ни слабо. Однако они имеют определенную энергию и поэтому взаимодействуют с нашим миром гравитационно. Мы уже говорили о слабости гравитационного взаимодействия на уровне элементарных частиц. Поэтому открыть и исследовать эти частицы в лаборатории будет необычайно трудно.

Тем не менее, не исключено - а, скорее, даже вероятно - что именно эти неизвестные нам частицы составляют 80 или 90 процентов общей массы в каждом достаточно большом объеме, произвольно выбранном во Вселенной. При образовании галактик и звезд большая плотность достигается благодаря тому, что нагретый газ отдает энергию излучением. Неизвестные частицы или вовсе не излучают, или излучают другие, неизвестные нам подобия фотонов. Поэтому в составе звезд нельзя ожидать сколько-нибудь заметного количества неизвестных частиц - они пролетают сквозь звезду без столкновений и без торможения.

Обратимся теперь ко второму вопросу.

Я.Б.Зельдович, М.Ю.Хлопов, 1988 год