Брайан Грин. Ткань космоса: Пространство, время и структура реальности
Шрифт:
Фактически, данные могут сузить поле предположений еще дальше. Хотя квантовые флуктуации, растянутые инфляционным расширением, обеспечивают убедительное объяснение наблюдаемым вариациям температуры, эта модель имеет соперника. Циклическая космологическая модель Стейнхардта и Турока, описанная в Главе 13, предлагает альтернативный взгляд. Когда две 3-браны циклической модели медленно направляются друг к другу, квантовые флуктуации будут подвергать воздействию различные части бран в слабо различающихся степенях. Когда браны в конце концов сталкиваются, грубо триллионом лет позже, различные области на бранах будут контактировать в слабо отличающиеся моменты, до некоторой степени как два куска шершавой наждачной бумаги, схлопнувшиеся друг с другом. Мельчайшие отклонения от совершенно однородного столкновения дадут мельчайшие отклонения от совершенно однородной эволюции на каждой бране. Поскольку одна из этих бран предполагается нашим трехмерным пространством, отклонения от однородности являются отклонениями, которые мы должны быть в состоянии обнаружить. Стейнхардт, Турок и их соратники доказывали, что неоднородности генерируют отклонения температуры такой же формы, как это появляется из инфляционной схемы, а потому
Однако, более уточненные данные, которые будут собраны в течение следующих десяти лет, могут найти различие между двумя подходами. В инфляционной схеме не только квантовые флуктуации поля инфлатона растягиваются взрывом экспоненциального расширения, но и мельчайшая квантовая рябь в пространственной ткани также генерируется при интенсивном внешнем растягивании. Поскольку рябь в пространстве является ничем иным, как гравитационными волнами (как в нашей недавней дискуссии про LIGO), инфляционная схема предсказывает, что гравитационные волны производились в ранние моменты вселенной. [8] Их часто называют изначальные гравитационные волны, чтобы отличить их от волн, которые генерируются более недавними интенсивными астрофизическими событиями. В циклической модели, в отличие от этого, отклонения от совершенной однородности строятся медленно, в течение почти непостижимого промежутка времени, пока браны тратят триллион лет, медленно направляясь к их следующему шлепку. Отсутствие резких и энергичных изменений в геометрии бран и в геометрии пространства означает, что пространственная рябь не генерируется, так что циклическая модель предсказывает отсутствие изначальных гравитационных волн. Таким образом, если изначальные гравитационные волны удастся обнаружить, это будет еще одним триумфом инфляционной схемы и определенно исключит циклический подход.
8. Это верно для простейших инфляционных моделей. Исследователи нашли, что более усложненные реализации инфляции могут подавлять производство гравитационных волн.
Маловероятно, что LIGO будет достаточно чувствительным, чтобы обнаружить предсказанные инфляцией гравитационные волны, но возможно, что они будут наблюдаться косвенно или с помощью Plank, или с помощью другого спутникового эксперимента, названного экспериментом по Поляризации Космического Микроволнового Фона (Cosmic Microwave Background Polarization – CMBPol), который сейчас планируется. Plank и CMBPol, в особенности, не будут сфокусированы исключительно на температурных вариациях микроволнового фонового излучения, но также будут измерять поляризацию, направления среднего спина обнаруженных микроволновых фотонов. Через цепочку аргументов, слишком запутанных, чтобы их раскрывать здесь, это приводит к тому, что гравитационные волны от Взрыва должны оставить особый отпечаток на поляризации микроволнового фонового излучения, возможно отпечаток достаточно большой, чтобы быть измеренным.
Так что в течение десятилетия мы можем быстро получить ответ на вопрос, был ли Взрыв на самом деле шлепком, и является ли вселенная, о которой мы осведомлены, на самом деле 3-браной. В золотую эру космологии некоторые из самых диких идей могут быть на самом деле проверяемы.
Темная материя, темная энергия и будущее вселенной
В Главе 10 мы ознакомились со строгим теоретическим и экспериментальным доказательством, установившим, что не более чем 5 процентов массы вселенной происходит от составляющих, найденных в привычной материи, – протонов и нейтронов (электроны оцениваются менее, чем в 0,05 процента от массы обычной материи), – тогда как 25 процентов происходит от темной материи и 70 процентов от темной энергии. Но здесь все еще есть существенная неопределенность относительно идентификации всей этой темной мешанины. Естественная гипотеза заключается в том, что темная материя также составлена протонами и нейтронами, теми, которые как-то избежали совместного слипания в форме эмитирующих свет звезд. Но другие теоретические рассмотрения делают эту гипотезу очень маловероятной. Через детальные наблюдения астрономы имеют ясное знание о среднем относительном распространении легких элементов – водорода, гелия, дейтерия и лития, – которые рассеяны по всему космосу. До высокой степени точности соответствие их распространения теоретическим расчетам процессов приводит к уверенности, что эти ядра были синтезированы в течение первых нескольких минут вселенной. Это согласие является одним из величайших успехов современной теоретической космологии. Однако, эти расчеты предполагают, что объем темной материи не составлен из протонов и нейтронов; если на космологических масштабах протоны и нейтроны были бы доминирующими составляющими, существующий космический рецепт был бы отброшен и расчеты выдали бы результаты, которые исключаются наблюдениями.
Итак, если не протоны и нейтроны, то что составляет темную материю?
До сегодняшнего дня никто не знает, но нет недостатка в предположениях. Имена кандидатов пробегают диапазон от аксионов до зино, и любой, нашедший ответ, несомненно, будет оплачивать визит в Стокгольм. То, что никто еще не обнаружил частиц темной материи, устанавливает существенные ограничения на любое предположение. Причина в том, что темная материя не только расположена в удаленном пространстве; она распределена по всей вселенной, так что должна также доносится до нас здесь, на Земле. В соответствии со многими предположениями прямо сейчас миллиарды частиц темной материи простреливают ваше тело каждую секунду, так что жизнеспособными кандидатами являются только такие частицы, которые могли бы проникать через объемную материю не оставляя существенных следов.
Нейтрино являются одной из возможностей. Расчеты оценивают их реликтовое распространение со времен их производства в Большом взрыве в примерно 55 миллионов на кубический метр пространства, так что, если окажется, что один из трех видов нейтрино весит около одной сотой от миллионной (10–8) доли массы
протона, они смогут заместить темную материю. Хотя недавние эксперименты дали сторогое доказательство, что нейтрино имеют массу, в соответствии с сегодняшними данными они слишком легкие, чтобы выполнить роль темной материи; они не дотягивают до нужной отметки на фактор более чем сто.Другое перспективное предложение привлекает суперсимметричные частицы, особенно фотино, зино и хиггсино (партнеров фотона, Z-частицы и Хиггса). Это наиболее сдержанные суперсимметричные частицы, – они могут невежливо проходить через всю Землю без малейшего влияния на их движение, – а потому могут легко избежать детектирования. [9] Из расчетов, как много таких частиц могло бы быть произведено в Большом взрыве и сохраниться до сегодняшнего дня, физики оценивают, что они должны иметь массу порядка от 100 до 1 000 масс протона, чтобы заместить темную материю. Это интригующее число, поскольку различные изыскания моделей суперсимметричных частиц, точно так же, как теории суперструн, приходят к тому же диапазону масс для этих частиц без какой-либо связи с темной материей и космологией. Это должно быть загадочное и полностью необъяснимое совпадение, если, конечно, темная материя на самом деле состоит из суперсимметричных частиц. Так что поиски суперсимметричных частиц на сегодняшних и приходящих к ним на смену ускорителях могут также выглядеть как поиски самых вероятных кандидатов на темную материю.
9. Жизнеспособный кандидат на темную материю должен быть стабильной или очень долгоживущей частицей – которая не распадается на другие частицы. Ожидается, что это верно для легчайших из суперсимметричных партнеров частиц, а потому более точное утверждение, что легчайшие из зино, хиггсино или фотино являются подходящими кандидатами на темную материю.
Более прямые поиски частиц темной материи, текущих сквозь Землю, также будут на полном ходу через некоторое время, хотя это экстремально трудные эксперименты. Из миллиона или около того частиц темной материи, которые должны проходить через область размером с квартал города каждую секунду, не более одной частицы в день должно оставить какое-либо доказательство в специально разработанном оборудовании, которое многие экспериментаторы выстроили, чтобы обнаружить их. На сегодняшний день подтвержденных обнаружений частиц темной материи не достигнуто. [10] Поскольку приз все еще очень высоко в воздухе, исследователи продвигаются вперед со все большей интенсивностью. Имеется некоторая возможность, что в течение нескольких следующих лет задача идентификации темной материи будет решена.
10. Не так давно объединенная итальяно-китайская исследовательская группа, известная как Эксперимент по Темной Материи (Dark Matter Experiment – DAMA), отработавшая в Лаборатории Гран Сассо в Италии, сделала воодушевляющее сообщение, что они достигли первого прямого детектирования темной материи. До сегодняшнего дня, однако, ни одна другая группа не смогла проверить их утверждение. Фактически, другой эксперимент, Криогенный Поиск Темной Материи (Cryogenic Dark Matter Search – CDMS), базирующийся в Стэнфорде и объединяющий исследователей из США и России, накопил данные, которые, как многие уверены, отбросят результаты DAMA с высокой степенью достоверности. В дополнение к этим поискам темной материи идут и многие другие. Чтобы прочитать о некоторых из них, посмотрите здесь:
Окончательное подтверждение, что темная материя существует, и прямое определение ее состава будет большим достижением. Впервые в истории мы сможем узнать нечто, что является одновременно полностью фундаментальным и необычайно неуловимым: строение значительной части материального содержимого вселенной.
Тем не менее, как мы говорили в Главе 10, недавние данные строго указывают, что даже при идентификации темной материи все еще имеется существенный кусок требуемых ухищрений в объяснении эксперимента: наблюдения сверхновых, которые дают доказательство расталкивающей космологической константы, составляющей до 70 процентов полной энергии во вселенной. Как самое захватывающее и неожиданное открытие последнего десятилетия, доказательство космологической константы – энергии, которая наполняет пространство, – требует убедительного завершающего подтверждения. Большое число подходов планируется или уже осуществляется.
Эксперименты по микроволновому фону и здесь играют важную роль. Размер пятен на Рис. 14.4 – где, еще раз, каждое пятно есть область однородной температуры, – освещает общую форму пространственной ткани. Если пространство имеет форму вроде сферы, как на Рис 8.6а, раздувание вовне будет приводить к тому, что пятна будут несколько больше, чем они есть на Рис.14.4b; если пространство имеет форму вроде седла, как на Рис.8.6с, сжатие вовнутрь будет приводит пятна к небольшому уменьшению; и если пространство плоское, как на Рис. 8.6b, размер пятен будет промежуточным. Точные измерения, начатые COBE и с тех пор улучшенные WMAP, жестко подтверждают предположение, что пространство плоское. Эта вещь не только является теоретическим ожиданием, следующим из инфляционных моделей, но оно также абсолютно согласуется с результатами исследования сверхновых. Как мы видели, пространственно плоская вселенная требует полной плотности массы/энергии, равной критической плотности. С обычной и темной материей, дающими вклад около 30 процентов, и темной энергией, дающей вклад около 70 процентов, все впечатляюще сходится вместе.
Более прямое подтверждение результатов по сверхновым является целью Зонда Сверхновых/Ускорения (SuperNova/Acceleration Probe – SNAP). Предложенный учеными из Лоуренсовской Лаборатории в Беркли, SNAP должен быть спутниковым орбитальным телескопом со способностью измерять в двадцать раз больше сверхновых, изучаемых путем наблюдений с земной поверхности. SNAP не только должен быть в состоянии подтвердить более ранние результаты, что 70 процентов вселенной есть темная энергия, но он также должен более точно определить природу темной энергии.