Фрэнк Вильчек - Основы реальности

На сегодня считается, что темная энергия составляет около 70% массы Вселенной. Никто не знает, почему несколько различных, гораздо более крупных вкладов от разных источников — и положительных, и отрицательных — вместе приводят именно к такому результату. Это большая космическая загадка.

Космологическая «Стандартная модель»

Понимая, что темная материя и темная энергия в настоящее время составляют (гипотетически) б о льшую часть массы Вселенной, мы можем ожидать, что и в ранней ее истории они играли значительную роль. Но чтобы «прокрутить фильм в обратном направлении» и проверить это предположение, нужно познакомиться с ними ближе.

Вернувшись к Большому взрыву, мы получим шанс узнать о свойствах темной стороны Вселенной. И если здесь мы сделаем какие-то ошибочные предположения, наша модель Большого взрыва не сможет привести к созданию наблюдаемой Вселенной.

Учитывая, сколь мало мы знаем, кажется нереальным вообще предположить, как темная материя и темная энергия могли вести себя в первые моменты после Большого взрыва. К счастью, оказалось, что нам и не нужно знать много. Хватит и некоторых простых догадок.

Во-первых, мы предполагаем, что темная материя состоит из неких частиц, которые слабо взаимодействуют как друг с другом, так и с обычной материей. Вначале темная материя находилась в равновесии с остальной частью космического огненного шара, но почти сразу отделилась, превратившись в долгоживущее послесвечение того типа, который мы обсуждали в главе 6. Тонкий момент, из-за которого более ранние предположения о темной материи провалились, заключается в том, что, отделившись, ее частицы должны были двигаться намного медленнее скорости света [134]. Поскольку (по предположению) гравитация — единственная значимая сила и она одинаково действует на любую материю, это все, что нам нужно знать. Мы можем вычислить, как движется темная материя, отделившаяся от прочей, и как она влияет на Вселенную. Это так называемая модель холодной темной материи.

Во-вторых, мы принимаем идею Эйнштейна о том, что темная энергия представляет собой универсальную плотность самого пространства и связана с универсальным отрицательным давлением.

Теперь мы можем проследить эволюцию контрастов плотности в реликтовом излучении, возникшем через 380 000 лет после Большого взрыва, — и сделать это вплоть до настоящего времени. Добавление темной материи заставляет нестабильность развиваться быстрее; при включении ее в расчеты модельная Вселенная эволюционирует и становится похожей на нашу. Таким образом, темная сторона Вселенной позволяет нам подтвердить прогнозы, полученные в рамках космологической модели Большого взрыва: начав с зародышевых контрастов плотности и учтя гравитационную нестабильность, мы можем воссоздать структуру Вселенной, наблюдаемую сегодня.

Подростком я иногда сопровождал маму в походах в супермаркет. Во время одного из них я заметил стиральный порошок Axion и подумал, что это хорошее название для элементарной частицы. Слово было коротким, запоминающимся и хорошо сочеталось с названиями «протон», «нейтрон», «электрон» и «пион». Мелькнула мысль, что если у меня когда-либо появится шанс назвать частицу, то я назову ее «аксион». В 1978 году шанс появился. Я понял, что идея Печчеи — Куинн о введении нового квантового поля имела важное следствие, которое они не заметили [135].

Как мы обсуждали ранее, квантовым полям соответствуют частицы — их кванты. И именно этому полю соответствовала необычайно интересная частица. У нее была интригующая техническая особенность — устранение проблемы с аксиальным током. Звезды сошлись, и аксионы вошли в мир — по крайней мере, в мир физической литературы. Между прочим, с этим названием никогда бы не согласились редакторы Physical Review Letters и, возможно, создатели моющего средства Axion, если бы я еще до публикации сболтнул лишнего о том, что в действительности вдохновило меня на такое название. Так что я просто сослался на аксиальный ток.

По следам аксионов

Аксионы обладают свойствами, необходимыми для того, чтобы образовать космологическую темную материю. Они очень слабо взаимодействуют друг с другом и с прочими частицами. Аксионы образовались при высокой температуре, а позже высвободились из космического огненного шара. Их долгоживущее послесвечение заполняет Вселенную. Расчетная плотность фона аксионов согласуется с наблюдаемой плотностью темной материи, а в момент образования они были почти неподвижны. Таким образом, они удовлетворяют требованиям космологической теории «холодной темной материи».

Красивая версия, но правдивая ли? Да, аксионы слабо взаимодействуют с материей, но теория говорит нам, что они с ней все-таки взаимодействуют, и рассказывает, каким образом. Чтобы обнаружить фоновое аксионное излучение, нам потребуется разработать новые чувствительные детекторы. Сотни физиков, как теоретиков, так и экспериментаторов, работают сегодня над этой задачей. Если есть в мире справедливость и если нам улыбнется удача, мы вскоре добьемся успеха, достойного встать в ряд с открытиями Нептуна, космического микроволнового излучения, частицы Хиггса, гравитационных волн и экзопланет. Часто разгадки научных тайн несут огромную ценность.

Как тайны перестают быть тайнами

Упомянутый нами Вал Фитч, один из первооткрывателей нарушения Т-инвариантности, был мудрым человеком с тонким чувством юмора. Когда в начале карьеры я профессорствовал на физическом факультете Принстонского университета, он был там деканом. Рассказывая ему о возникших у меня идеях насчет аксионов и темной материи [136], я рассуждал о нарушении Т-симметрии, как если бы это был факт из древней истории. В то время я не знал ничего иного. В какой-то момент он мягко улыбнулся и сказал: «Вчерашняя сенсация сегодня становится нормой».

Такова судьба всех успешно разгаданных научных загадок. Я пережил это и сам, работая над проблемой асимптотической свободы и теорией КХД (квантовой хромодинамики). В первые годы после нашего прорыва было много шума и сомнений, всех волновал вопрос, действительно ли тайна сильных взаимодействий раскрыта. На крупных международных конференциях доклады по теме «Проверка теории КХД», где сообщалось об использовании теории для предсказаний и ее экспериментальной проверке, были гвоздем программы. Но по мере того, как сомнения исчезали, постепенно утихал и ажиотаж. Сегодня работы такого сорта, но гораздо более сложные, считаются ординарными. Это называется фоновыми вычислениями. Вчерашняя сенсация — это сегодняшняя норма и завтрашняя история.