Научный взгляд на устройство вселенной
жүктеу/скачать 8,11 Mb. Pdf көрінісі
|
knocking on
| реликтовая плотность
— количество запасенной энер- гии, уцелевшей до наших дней согласно предсказанию наших космологических моделей — должна совпасть с измеренной ве- личиной. Удивительно, но если взять стабильную частицу с мас- сой, соответствующей диапазону слабых энергий, которых будет исследовать БАК (согласно все той же формуле E = mc 2 ), причем такую, которая взаимодействует с другими частицами того же диа- пазона энергий, то ее реликтовая плотность по приблизительной оценке будет примерно соответствовать характеристикам темно- го вещества. Не исключено, таким образом, что БАК не только поможет ученым глубже заглянуть в тайны физики элементарных частиц, но и позволит понять, что происходит сегодня там, во Вселенной, и как это все начиналось. Эти вопросы относятся скорее к сфере космологии — науки, которая изучает эволюцию Вселенной. Об истории Вселенной, как и об элементарных частицах и их взаимодействиях, мы знаем на удивление много. Но и здесь, как и в физике элементарных частиц, остается немало очень серьезных вопросов. Вот главные среди них. Что такое темное ве- 162 МАСШТАБИРОВАНИЕ ВЕЩЕСТВА щество (скрытая масса)? Что представляет собой еще более зага- дочная сущность, получившая название темной энергии? Что было причиной экспоненциального расширения ранней Вселенной, из- вестного как космологическая инфляция? Сегодня великолепное время для наблюдений, которые, воз- можно, смогут подсказать нам ответы на эти вопросы. На переднем плане науки, на стыке между физикой элементарных частиц и кос- мологией, активно идут исследования скрытой массы, или тем- ного вещества. Считается, что темное вещество взаимодействует с обычным веществом — таким, из которого мы можем изготовить детекторы — чрезвычайно слабо, причем настолько слабо, что мы до сих пор не видели никаких свидетельств существования темно- го вещества, кроме его гравитационного воздействия. В основе нынешних поисков, таким образом, лежит приня- тое на веру утверждение о том, что темное вещество, несмотря на практически полную невидимость, все же взаимодействует слабо (но не невозможно слабо) с известным нам веществом. Считая так, мы не просто принимаем желаемое за действитель- ное. Мы опираемся на уже упоминавшиеся расчеты, которые по- казывают, что стабильные частицы с энергией взаимодействия, лежащей в диапазоне, который очень скоро будет исследовать БАК, имели бы подходящую плотность, чтобы быть темным веще- ством. Так что, хотя до сих пор нам не удалось определить состав темного вещества, мы очень надеемся сделать это в ближайшем будущем. Однако в большинстве своем космологические эксперименты проходят не на ускорителях. Решением космологических проблем мы обязаны в основном другим экспериментам, направленным вовне и проводимым как на Земле, так и в космосе. К примеру, астрофизики отправили в космос спутники, кото- рые теперь наблюдают за Вселенной оттуда, где им не мешают физические и химические процессы, протекающие на поверхно- сти Земли и над ней, а также пыль. В то же время земные теле- скопы и эксперименты, проводимые на поверхности планеты, позволяют получать информацию в среде, которую ученые могут непосредственно контролировать в большей степени. Все эти экс- НА КРАЮ ВСЕЛЕННОЙ 163 перименты — и земные, и космические — призваны пролить свет на многие вопросы, связанные с рождением Вселенной. Мы надеемся, что достаточно мощный сигнал в каком-ни- будь из этих экспериментов (подробнее мы поговорим о них в главе 21) позволит нам разгадать загадки темного вещества. Возможно, эти эксперименты расскажут нам о природе темного вещества, осветят проблемы, связанные с его взаимодействием и массой. А пока теоретики продумывают всевозможные модели темного вещества и рассуждают о том, как можно при помощи имеющихся у нас средств и методов определить, что оно собой представляет. ТЕМНАЯ ЭНЕРГИЯ Но обычного вещества и темного вещества, даже вместе взятых, недостаточно, чтобы объяснить суммарную энергию Вселенной. Все вещество — и темное, и обычное — составляет здесь всего лишь около 27%. Субстанция, представляющая оставшиеся 73% энергии и еще более загадочная, чем темное вещество, получила название темной энергии. Открытие темной энергии стало самым крупным событием в физике конца XX в. Конечно, мы многого еще не знаем об эво- люции Вселенной, но у нас имеется весьма успешная теория, ос- нованная на представлениях о так называемом Большом взрыве и дополнительном периоде экспоненциального расширения Все- ленной, известного как космологическая инфляция. Эта теория согласуется с широким спектром самых разных на- блюдательных данных, включая данные о микроволновом косми- ческом излучении — фоновом излучении, оставшемся со времен Большого взрыва. Первоначально Вселенная представляла собой горячий плотный огненный шар. За 13,75 млрд лет своего суще- ствования она успела сильно разредиться и остыть, и температура реликтового излучения на сегодня составляет всего лишь 2,7 K — всего на пару градусов выше абсолютного нуля. Кроме того, в пользу теории Большого взрыва и расширения Вселенной сви- детельствуют подробные подсчеты количества ядер, которые были 164 МАСШТАБИРОВАНИЕ ВЕЩЕСТВА «изготовлены» на ранних стадиях эволюции Вселенной, и данные о скорости ее расширения. Фундаментальные уравнения, которыми мы пользуемся при описании эволюции Вселенной, — это уравнения, полученные Эйнштейном в начале XX в. Они говорят о том, как получить харак- теристики гравитационного поля на основании данных о распре- делении вещества и энергии. Эти уравнения можно использовать для описания гравитационного поля между Землей и Солнцем, но с тем же успехом они справедливы и по отношению к Вселен- ной в целом. В любом случае, чтобы вычислить что-то на основа- нии этих уравнений, необходимо знать все о веществе и энергии вокруг нас. Тот факт, что измеренные параметры Вселенной требуют при- сутствия новой неизвестной формы энергии, стал для ученых на- стоящим шоком. Эта неизвестная энергия не переносится ни ча- стицами, ни какой бы то ни было другой формой вещества, и не со- бирается в сгустки, подобно традиционному веществу. Она также не становится более разреженной по мере расширения Вселенной, а сохраняет постоянную плотность. Благодаря этой таинственной энергии, равномерно пронизывающей всю Вселенную даже там, где в ней совсем нет вещества, расширение Вселенной постепенно ускоряется. Эйнштейн первоначально предложил учесть существование такой формы энергии в виде константы, которую он назвал жүктеу/скачать 8,11 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|