Сергей Парновский - Как работает Вселенная: Введение в современную космологию

Даже если в момент образования Вселенной в ней не было ни частиц, ни античастиц, они вскоре появились в процессах образования пар частица – античастица при столкновении фотонов. Частицы и античастицы заполняли Вселенную. Они взаимодействовали друг с другом, образуя новые частицы. Но за счет нарушения четности число частиц и античастиц могло слегка отличаться. Предположим, что частиц было на одну миллиардную долю больше, чем античастиц. При расширении и остывании Вселенной практически все античастицы проаннигилировали с частицами, а из оставшейся одной миллиардной части образовалась вся материя, которую мы можем наблюдать.

Андрей Сахаров выдвинул гипотезу о том, что обсуждаемая асимметрия могла возникнуть из-за сочетания трех факторов: нарушения СР-симметрии, несохранения барионного заряда (т. е. барион может распадаться на лептоны [69] Лептон — это легкая элементарная частица, которая не участвует в сильном взаимодействии. Наиболее известные лептоны — это электрон и различные сорта нейтрино. ), а также расширения Вселенной, которое препятствует установлению теплового равновесия.

Существуют и другие возможные объяснения. Согласно одному из них, предполагается, что существует одинаковое количество материи и антиматерии, но они почему-то разнесены в пространстве. Однако оно не подкреплено какими-либо эмпирическими данными.

За века своего существования физика нарисовала картину мира. Тела состоят из молекул, те – из атомов, атомы имеют компактное ядро, окруженное электронным облаком. Ядро, в свою очередь, состоит из протонов и нейтронов, скрепленных вместе мезонами. Но за два последних десятилетия неожиданно выяснилось, что 95 % того, чем заполнена Вселенная, не состоит ни из молекул, ни из атомов, ни из нуклонов. Иными словами, все это время физики изучали лишь 5 % нашей Вселенной. Предвещающий революцию «залп Авроры» произошел внезапно, и не все физики поняли его важность. Если 30 лет на вопрос: «Чего во Вселенной больше всего?» правильным ответом считалось: «Водорода», то сейчас правильным ответом считается: «Темной энергии и темной материи». Само по себе изменение ответа несущественно – в физике не раз бывали подобные ситуации. Гораздо хуже то, что на вопрос: «Что такое водород?» мы можем долго и уверенно отвечать с демонстрацией опытов. На вопросы же «Что такое темная энергия?» и «Что такое темная материя?», положив руку на сердце, мы должны ответить: «Не знаем». Фактически все, что мы о них знаем, – это сам факт их существования (да и то некоторые в нем сомневаются) и кое-какие свойства этих загадочных сущностей.

Физика уже сталкивалась с новым полем деятельности, с новыми явлениями, которые надо было исследовать и объяснить. Но каждый раз эти явления лежали «внутри физики» и для их исследования использовали стандартный подход, приносивший успех в течение столетий. Проводили опыты, выдвигали гипотезы, строили теории, основанные на математическом аппарате, сравнивали их с результатами опытов и, наконец, вырабатывали новые парадигмы. Вызов, брошенный физике сейчас, не вписывается в привычную схему. Дело в том, что о существовании темной энергии мы знаем только из космологии, а о существовании темной материи – из астрономии и космологии. Совершенно непонятно, каким образом можно ставить опыты по изучению темной энергии.

С темной материей ситуация несколько иная. Во многих лабораториях ведутся эксперименты по поиску темной материи. Однако существует возможность, что темная материя принципиально не может быть обнаружена в таких экспериментах. В этом случае физики будут вынуждены полагаться исключительно на инструментарий и методы астрономии, а также результаты астрономических наблюдений. Будет невозможно проведение эксперимента. Вдобавок даже с наблюдениями есть проблемы. Мы можем наблюдать множество галактик, но всего одну Вселенную. Для астрономических данных мы имеем повторяемость и репрезентативность, возможность применения статистических методов. Но не в космологии.

Можно провести такую аналогию. Каждый раз, когда физики обнаруживали на своем пути забор, скрывающий неизвестное, они находили способы его проломить, перелезть через него или в крайнем случае проковырять в нем дырочку. Возможно, забор, возникший на этот раз, окажется куда выше и прочнее, и узнать что-то о том, что находится за ним, физикам удастся разве что по наблюдениям отклонений полета птиц, пролетающих в вышине. Конечно, ситуация может оказаться не столь печальной, если частицы темной материи удастся зафиксировать в наземных, точнее подземных, экспериментах.

Вернемся к космологии. Наука не стоит на месте, и сейчас под термином «стандартная космологическая модель» мы понимаем уже другую теорию. Она сочетает отдельные элементы теории Гамова и неизвестные в те времена новые понятия, такие как «темная энергия» и «темная материя». Современная стандартная космологическая модель называется еще ΛCDM-моделью. Как мы уже говорили в разделе 2.8, буква Λ (лямбда) обозначает космологическую постоянную, а CDM – это сокращение от английских слов «cold dark matter» – «холодная темная материя». Из этой главы вы узнаете, почему материя темная и холодная, хотя, забегая вперед, можно сказать, что она холодная в том смысле, что скорости составляющих ее частиц существенно меньше скорости света.

Перейдем от философии к сухим фактам. По данным нескольких независимых источников (они будут описаны дальше в этой главе), мы получаем следующее процентное распределение плотности содержимого Вселенной. Больше всего во Вселенной темной энергии – 69,11 ± 0,62 %, затем идет темная материя – 25,89 ± 0,57 %, затем – обычная барионная материя – 4,86 ± 0,10 %. На долю излучения и нейтрино остается менее 0,1 %. Это соотношение показано на рис. 4.1.

Кроме того, полная плотность нашей Вселенной близка к критической плотности, равной 9,31×10–27 кг/м3, что соответствует плотности энергии 1 эрг на 100 м3. Отклонение полной плотности от критической составляет по результатам пяти лет наблюдения WMAP, дополненным другими данными. Заметим, что такое маленькое значение убедительно свидетельствует в пользу теории инфляции. Таким образом, умножив критическую плотность на процент темной материи во Вселенной, можно получить ее среднюю массовую плотность. Аналогично можно рассчитать среднюю плотность обычной материи и темной энергии.