А.Д. Чернин

Артур Давидович Чернін, д.ф.-м.н., проф., Гол.н.с. ГАІШ.

З чого зроблена Всесвіт? Аристотель, а за ним і інші мудреці класичної давнини, на це питання відповідали так: все в світі складається з чотирьох стихій - вогню, води, повітря і землі. Дивно, але в космології наших днів теж є рівно чотири стихії, або, як їх зараз називають, космічні енергії, з яких побудовано все на світі. Одна з нових стихій космології - космічний вакуум, відкритий зовсім недавно, в 1998-1999 рр. Він вносить найбільший вклад в енергію сучасному Всесвіті, як несподівано це не звучить. Справа в тому, що вакуум у фізиці - Не порожнечі, а особливе середовище, в яку занурені всі тіла природи. Космічний вакуум володіє певною енергією, і на неї дійсно доводиться приблизно 70% повної енергії світу. Дослідження реліктового випромінювання, спостереження далеких спалахів наднових зірок, вивчення темних гало галактик і скупчень явно вказують на це. Три інші енергії Всесвіту - темна речовина, яка вносить 25% (округлено), «звичайне» речовина, яке дає 4%, і випромінювання, внесок якого дуже малий - 0.01%.

Ці процентні частки відносяться до сучасного стану світу; в ході еволюції Всесвіту вони змінювалися через загальне космологічного розширення. Наприклад, в ранньому Всесвіті, при віці світу в кілька хвилин, починаючи з якого історія світу впевнено простежується сучасною наукою, частка вакууму була близька до нуля, частка ж випромінювання наближалася до 100%. Такий змінний рецепт космічної суміші здається занадто складним, випадковим, а то і дивним або навіть абсурдним. Але це тільки на перший погляд. Ми побачимо, що насправді за всім цим ховається проста і не залежить від часу закономірність. Закономірність ця являє собою особливого роду симетрію, яка - на відміну від знайомих всім геометричних симетрій - не стосується просторово-временн и х відносин. Симетрії негеометріческіх характеру називають внутрішніми симетрії. Простий приклад внутрішньої симетрії давно відомий у фізиці елементарних частинок: вона об'єднує протон і нейтрон, незважаючи на їх очевидні відмінності, в єдине ціле - дублет нуклонів. Внутрішня симетрія в космології об'єднує чотири космічні енергії і вказує на існування в природі не відомих раніше глибинних зв'язків.

чотири енергії

Почнемо з короткої зведення сучасних даних про чотирьох космічних стихіях. Скажемо відразу, що наші відомості здебільшого бідні й невизначені. Перш за все це стосується фізичної природи і мікроскопічної структури космічних енергій. У рамки сучасної фундаментальної фізики укладаються тільки звичайна речовина і випромінювання, на які припадає лише трохи більше 4% повної енергії Всесвіту. Звичайне речовина - це протони, нейтрони і електрони, з яких складаються Земля і все, що на ній, включаючи і нас самих, а також планети і зірки. Ця речовина прийнято називати баріонним (хоча електрони до баріонів, тобто важким частинкам, і не відносяться).

Але навіть і з баріонами далеко не все ясно. Головне питання: чому в світі є протони і нейтрони, але не спостерігаються в тих же кількостях антипротона і антинейтрони? Адже відповідно до одного з фундаментальних законів фізики, в природі повинно мати місце рівноправність між частинками і античастинками. Те ж стосується, зрозуміло, і до електронів: їх античастинки позитрони - велика рідкість в природних умовах. Можливий шлях до вирішення проблеми був намічений А.Д.Сахарову і В.А.Кузьміним більше 30 років тому; з тих пір багато чого в цьому напрямку було зроблено теоретиками різних країн, але повного і остаточного відповіді на питання до сих пір немає.

З випромінюванням справи йдуть набагато краще - воно безумовно є залишком, релікт колись щільного і дуже гарячого стану речовини на ранніх етапах еволюції Всесвіту. Це було вгадано Г.А.Гамова в 1940-1950-і роки і підтверджено подальшими прямими наглядовими відкриттями. Випромінювання - це фотони і нейтрино (а можливо, і Гравітон), які перебували в термодинамічній рівновазі з речовиною і теж були дуже гарячими в далекому минулому. Потім, в ході космологічного розширення, випромінювання охололи до спостережуваної зараз дуже низької температури - всього близько 3 К (фотони) або 2 К (нейтрино). При цьому самі фотони і нейтрино не зникли, і їх повне число збереглося до наших днів (про те, за яким обсягом вважати частки, - див. Нижче). Цих частинок досить багато - приблизно тисяча в кожному кубічному сантиметрі простору. Випромінювання майже ідеально рівномірно заповнює весь обсяг Всесвіту, тоді як баріони (і темна речовина) зібрані в згущення різного просторового масштабу, які і утворюють все спостережуване різноманіття космічних систем.

Число баріонів теж зберігається при розширенні світу, але їх «поштучно» набагато менше - всього одна частинка на кубічний метр простору. Ставлення числа фотонів до числа баріонів - величезна безрозмірне «баріонна число», рівне по порядку величини мільярду. Через нез'ясовані моменти антібаріонов (див. Вище) його фізична природа являє собою велику загадку космології і фундаментальної фізики.

Що стосується темної речовини, то воно цілком залишається поза рамками «стандартної моделі» фізики елементарних частинок - нинішня фундаментальна фізика нічого подібного не передбачає. Темна речовина дотепер вислизає від прямого фізичного експерименту, незважаючи на багаторічні зусилля в цьому напрямку. Але надійно встановлено, що його в природі принаймні в п'ять-шість разів більше за масою, ніж звичайної речовини. Темна речовина заповнює величезні обсяги навколо галактик, їх груп і скупчень. Воно не світиться і проявляє себе тільки своїм тяжінням. У космології зазвичай передбачається, що носіями темної речовини служать невідомі поки стабільні елементарні частинки досить великої маси, приблизно в тисячу разів перевищує масу протона. На відміну від протонів і нейтронів, ці частинки не відчувають «сильних» ядерних сил, але беруть участь, як і електрони, в електрослабкої взаємодії. Темні частки, будучи, як і фотони з баріонами, стабільними, зберігаються в ході космологічного розширення. Головна загадка тут - чому природа так любить ці частинки, що віддає їм зараз чверть всієї своєї енергії?

Але найважча проблема фундаментальної фізики і космології - природа і мікроскопічна структура космічного вакууму. Енергію вакууму прийнято називати темною енергією, і вона дійсно темна - не випромінює, не відображає і не поглинає світла, так що її неможливо побачити. Вона проявляє себе тільки тим, що створює ... антітяготеніе. З цього динамічному ефекту вона і була виявлена ​​на найбільших космологічних відстанях [ 1 , 2 ]. Той же ефект дозволив помітити її присутність і в нашому найближчому галактичному оточенні, на відстанях в 1-3 Мпк [ 3 , 4 ].
Століттями говорили: тяжіння - сила, що рухає світами. Тепер же доводиться визнати, що і розширенням Всесвіту як цілого, і рухом галактик поблизу нас керує не тяжіння, а антітяготеніе (докладніше про це див., Наприклад, в книзі [ 5 ]).

Антітяготеніе до недавнього часу не видавало себе ні в астрономічних спостереженнях, ні в фізичному експерименті. Але в теоретичній фізиці про нього говорять і сперечаються давно - з тих пір як в 1917 р Ейнштейн додав в рівняння загальної теорії відносності «космологічну постійну». Вона-то і описує антітяготеніе як силу взаємного відштовхування, діючу між усіма тілами природи. Цю силу створюють не самі тіла, а темна енергія вакууму, в яку тіла занурені. Щільність темної енергії прямо пов'язана з космологічної сталої, як вперше встановив Е.Б.Глінер ще в 1965 р [ 6 ]; тому щільність темної енергії вакууму постійна в просторі і незмінна в часі.

фрідмановскіх інтеграли

Кожній з чотирьох космічних енергій можна зіставити певну фізичну величину розмірності довжини, звану фрідмановскіх інтегралом. Вона була введена в космологію в знаменитій праці А.А.Фрідмана 1922 року, з якої, як відомо, і почалася сучасна теорія Всесвіту. У Фрідмана ця величина характеризувала звичайне (нерелятивістському) речовина і виражалася через повне число частинок цієї речовини в заданому розширюється обсязі. Число частинок речовини зберігається при космологічної розширенні, і разом з ним незмінним в часі виявляється і фрідмановскіх інтеграл. У точності за цим зразком ми можемо ввести фрідмановскіх інтеграл для баріонів, а також і ще два інтеграла - один для темної речовини, а інший для випромінювання. Це можливо, оскільки, як ми вже говорили, число баріонів, число темних частинок і число фотонів випромінювання зберігаються з часом. Що ж стосується вакууму, то ніяких частинок у нього немає. Але загальне правило складання фрідмановского інтеграла можна, як виявляється, легко поширити і на вакуум; тільки в цьому випадку в якості зберігається величини, через яку цей інтеграл виражається, буде служити щільність вакууму.

Для повної визначеності потрібно ще домовитися про те, в якому саме обсязі обчислюється повне число частинок в кожному з невакуумних інтегралів. Природніше всього в цій іпостасі взяти повний обсяг Всесвіту, доступний спостереженнями, - тоді ці три величини матимуть «істинно космологічний» сенс. Спостереженнями доступний сферичний обсяг з радіусом близько 10 млрд св. років. Цей радіус називають відстанню до обрію світу: такий шлях, який проходить світло за весь час існування Всесвіту, і далі цього відстані справді не заглянути. Так як сучасний вік світу складає по порядку величини 10 млрд років, світло встигає за цей час пройти відстань, рівну віком, помноженому на швидкість світла, - так і виходить 10 млрд св. років.

Можливо, останньою величиною належить і ще більш важлива роль в космології. Нещодавно паризький космолог (або космотополог, як він сам себе називає) Ж.-П.Люміне [ 7 ] Висунув цікаву ідею про те, що обсяг реальної Всесвіту не нескінченний, як найчастіше вважалося до цих пір, а кінцевий. Останнє, зрозуміло, ніяк не заважає йому необмежено розширюватися з часом. Причому в сучасну епоху радіус світу як раз (!) Близький до відстані до горизонту. Найважливіше полягає в тому, що це не просто умоглядна гіпотеза, яких чимало вже було в минулому: на користь такої можливості виразно свідчать недавні спостереження реліктового випромінювання (точніше, рівня його анізотропії) на найбільших кутових масштабах. Так вперше в історії космології було отримано реальне наглядове вказівку на кінцівку простору. Якщо ідея ЛЮМІНА підтвердиться в подальших дослідженнях, це стане одним із самих чудових відкриттів за всю історію науки.

Як би там не було, обчислюючи перші три фрідмановскіх інтеграла за обсягом з радіусом в 10 млрд світлових років, знайдемо, що по порядку величини їх чисельні значення близькі один до одного, а також і до четвертого (вакуумному) інтегралу. Якщо вимірювати значення фрідмановскіх інтегралів в мільярдах світлових років, то інтеграл для вакууму дорівнюватиме 10, для темної речовини - 3, для баріонів - 0.3, для випромінювання - 0.1.

Цей набір чотирьох чисел (злегка округлених) ніяк не схожий на процентні частки, якими описуються вклади чотирьох енергій в повну енергію світу (див. Вище). Тепер рецепт космічної суміші записаний не в частках повної енергії, а на мові фрідмановскіх інтегралів. Так як інтеграли не залежать від часу, ми маємо «вічний» рецепт, який залишається одним і тим же в усі часи, коли чотири енергії взагалі існують в природі. Ці чотири числа не надто малі і не дуже великі - вони порядку одиниці, як прийнято говорити про величинах в межах від 0.1 до 10. Так що в новому рецепті немає нічого особливого - він не здається ні складним, ні дивним; навпаки, він виглядає просто і природно. І навіть начебто не потребує будь-яких спеціальному поясненні.

Але дивно все ж, що відмінність чотирьох фрідмановскіх інтегралів так невелика. А в принципі вони ж могли б відрізнятися один від одного як завгодно сильно - на безліч і безліч порядків: ніяких обмежень на цей рахунок не випливає ні з яких фундаментальних принципів. Близькість інтегралів по порядку величини - це емпіричний факт, який прямо випливає з сукупності конкретних наглядових даних про щільності космічних енергій. Причому цих даних для нашої мети виявилося досить, так що все загадки і невизначеності, що відносяться до мікроскопічної структурі чотирьох енергій, цього анітрохи не завадили.

Чисельну близькість фрідмановскіх інтегралів навряд чи можна вважати простою арифметичною випадковістю. Швидше в цьому факті потрібно бачити вказівку на те, що космічна суміш - це аж ніяк не випадковий набір інгредієнтів; між чотирма енергіями безумовно є щось спільне. Це загальне проявляється на феноменологічному рівні в наближеному рівність інтегралів і означає наявність в природі особливого роду внутрішньої (негеометріческіх) симетрії, що об'єднує всі чотири космічні енергії.

По самому загальному визначенню симетрія «позначає той вид узгодженості окремих частин, яка об'єднує їх в єдине ціле». Так говорив про це Г.Вейль, один з найбільших математиків минулого століття, автор знаменитої книги про симетріях [ 8 ]. В даному випадку є чотири дуже різні за своєю фізичною суттю космічні енергії, але між ними існує певна узгодженість - наближене рівність фрідмановскіх інтегралів, - що і об'єднує їх в одне ціле, в квартет космічних енергій. (Симетрія баріонів і випромінювання була помічена незабаром після відкриття реліктового випромінювання [ 9 ], А симетрія всіх чотирьох енергій - після відкриття космічного вакууму [ 10 ].)

Хоча фрідмановскіх інтеграли були обчислені за сучасними значеннями космологічних величин, самі по собі вони константи, а це означає, що їх рівність, а з ним і внутрішня симетрія космічних енергій, - незмінне властивість еволюціонує Всесвіту. Можна також переконатися, що симетрія коваріантного: вона зберігає свій сенс в будь-якій системі відліку. Вона також стійка - в тому сенсі, що не сильно залежить від тонких деталей спостережних даних або помилок їх визначення.

Потрібно ще відзначити, що симетрія енергій є не суворої, а наближеною, слабо порушеною; і це теж одне з важливих її властивостей. Як зауважив Л.Б.Окунь [ 11 ], «Поняття симетрії нерозривно пов'язане з поданням про красу. При цьому справжня, вища краса вимагає невеликого порушення симетрії, що додає їй таємничий і звабливий елемент незавершеності ».

Проблеми і рішення

Виявлення внутрішньої симетрії привнесло порядок в космічну енергетику. У ній відбулося, як сказав би М. В. Ломоносов, «з'єднання речей далеченько». В результаті ми краще розуміємо тепер, з чого і як зроблено Всесвіт. Дійсно, нова симетрія дозволила побачити в новому світлі ряд класичних і зовсім свіжих космологічних проблем, які до сих пір не піддавалися рішенню і здавалися ніяк не пов'язаними один з одним.
Звернемося насамперед до вже згаданої вище проблеми великого баріонів числа: чому це число настільки неприродно велике? Баріонна число можна виразити через фрідмановскіх інтеграли для випромінювання і баріонів, і тоді відповідь на питання стане очевидним: це число таке велике тому, що фрідмановскіх інтеграли близькі один до одного і мають саме ті чисельні значення, які мають.

Відразу после Відкриття космічного вакууму вінікла проблема «збігі щільності»: чому Щільність вакууму и сучасна Щільність темної Речовини почти Рівні? Аджея одна з них не Залежить від часу, а Інша падає в ході космологічного Розширення. Власне, від цих двох щільності не так Вже й Далекі и две інші - сучасні щільності баріонів и випромінювання. Це ще одне питання, на який симетрія космічних енергій зобов'язана дати чітку відповідь, якщо вже вона об'єднує ці енергії. І симетрія свою відповідь дає. Чотири спостерігаються щільності близькі з двох причин: по-перше, їх близькість в принципі можлива через те, що чотири фрідмановскіх інтеграла наближено рівні, і по-друге, це сталося саме в нашу епоху, бо якраз в нашу епоху фрідмановскіх інтеграли близькі до радіусу (видимої) Всесвіту [ 12 ].

Процентний склад Всесвіту (по масі).

На останній обставині варто зупинитися. Дійсно, фрідмановскіх інтеграли не залежать від часу, вони константи. А радіус Всесвіту зростає з часом завдяки космологическому розширенню. Наприклад, при віці світу в кілька хвилин цей радіус був у мільярд разів менше, ніж зараз. І тільки до нинішньої епохи він виріс настільки, що наблизився до фрідмановскіх интегралам; він практично точно дорівнює зараз інтегралу для вакууму. Ясно, що з цієї причини сучасний стан Всесвіту потрібно вважати особливим, виділеним у всій історії світу. У чому ж особливість сучасної Всесвіту? З деякою точки зору ця виделенность очевидна. Дійсно, Всесвіт зараз не дуже молода, так що в ній вже заготовлено достатньо вуглецю і кисню, - а вони потрібні для зародження і розвитку життя. З іншого боку, вона все ще в квітучому віці, так що в ній є багато зірок, таких як Сонце, які здатні забезпечити життя необхідним світлом і теплом. Ці міркування сходять до так званого антропного принципу, згідно з яким спостерігається Всесвіт така, як вона є, тому що в ній є життя, розум і присутні спостерігачі - ми з вами [ 13 ].

Антропний принцип - це цілком здорове твердження про те, що всі властивості нашого Всесвіту (навіть ще не відкриті) повинні не суперечити існування в ній тих об'єктів, які нам вже відомі, в тому числі і людини. Зв'язок людини із Всесвітом ілюструє цей малюнок К.Фламмаріона.

До цього принципу можна взагалі-то ставитися по-різному, але одне в ньому безперечно: можливість нашого існування в світі дійсно обмежена низкою умов, про які тільки що сказано в найзагальнішому вигляді. Ці умови можна зовсім коротко підсумувати так: ми існуємо і притому саме зараз, оскільки в нашу епоху радіус світу близький до значення фрідмановскіх інтегралів. Так завдяки внутрішній симетрії Антропний принцип набуває нового більш певний фізичний сенс.

Чому спостерігається зараз тривимірне (супутнє) простір світу майже плоске? Це одна з класичних проблем космології, поставлена ​​ще 30-40 років тому. Як виявляється, за видимою картиною майже евклідова простору Всесвіту стоїть насправді баланс між тяжінням речовини і антітяготеніем темної енергії [ 14 ]. Цей баланс контролюється внутрішньої симетрією енергій, яка повністю виключає скільки-небудь істотні відхилення від евклідової простору в справжню епоху, а також в будь-який момент в минулому або майбутньому.

Такий не повний ще набір проблем, до яких ідея внутрішньої симетрії пропонує загальний підхід. Тим самим ряд різних питань зводиться до одного: а звідки взялася сама ця симетрія?

При кричущому нестачі знань про мікроскопічної структурі космічних енергій пошуки відповіді на це питання повинні представлятися справою безнадійною. І все ж деякі попередні судження про фізику внутрішньої симетрії можна - з усіма необхідними застереженнями - висловити вже зараз, не чекаючи подальшого прогресу фундаментальної теорії. Згідно нашої моделі [ 10 , 15 ], Внутрішня симетрія виникла еволюційним шляхом в дуже ранньому Всесвіті, коли температура в ній була настільки висока, що теплова енергія кожної частки наближалася до енергії спокою частинки темної речовини. Якщо маса темної частки дійсно близька до тисячі мас протона (див. Вище), то відповідна енергія дорівнює приблизно одному ергу, або одному тераелектронвольт. Такий енергії надається нерідко центральна роль як в космології, так і у фізиці елементарних частинок [ 11 ]. Можна очікувати, що ще в поточному десятилітті це припущення буде спростовано або підтверджено, коли подібні енергії стануть доступними в експериментах на Великому адронному колайдері в ЦЕРНі. Тоді, можливо, з'ясується і особливе розташування, яке природа живить до частинок темної речовини, віддаючи їм зараз левову частку своєї невакуумних енергії.

література

1. Riess AG, Filippenko AV, Challis P. et al. // Astronom. J. 1998. V.116. P.1009.

2. Perlmuter S., Aldering G., Goldhaber G. et al. // Astrophys. J. 1999. V.517. P.565.

3. Chernin AD, Teerikorpi P., Baryshev Yu.V. // Adv. Space Res. 2003. V.31. P.459; astro-ph // 0012021 (2000).

4. Chernin AD, Karachentsev ID, Valtonen VJ et al. // Astron. Astrophys. 2004. V.415. P.19.

5. Черепащук А.М., Чернин А.Д. Всесвіт, життя, чорні дірі. Фрязіно, 2003. С.315.

6. Глінер Е.Б. // ЖЕТФ. 1965. Т.49. С.542.

7. Luminet J. -P. et al. // Nature. 2003. V.425. P.593.

8. Вейль Г. Симетрія. М., 1972.

9. Chernin AD // Nature. 1968. V.220. P.250.

10. Чернін А.Д. // УФН. 2001. V.171. P.1153.

11. Окунь Л.Б. Фізика елементарних частинок. М., 1988. с.272.

12. Chernin AD // New Astron. 2002. V.7. P.113.

13. Розенталь І.Л. Елементарні частинки і структура Всесвіту. М., 1984.

14. Chernin AD. // New Astron. 2003. V.8. P.59.

15. Чернін А.Д. // astro-ph // 053358 (2005).