Открытие Вселенной - прошлое, настоящее, будущее

На сегодняшний день известно, что такие элементарные частицы, как фотоны и нейтроны, ведут себя в поле крупных космических тел вполне удовлетворительно, то есть отклоняются в соответствии с предсказаниями классической теории тяготения. Астрофизические модели дают хорошие косвенные свидетельства того, что поведение других частиц тоже не противоречит выводам классической теории.

По сути же, современная теория гравитации относится к макроскопическим телам, системам огромного числа элементарных частиц (в типичной звезде порядка N ~ (mP/mp)3 ~ 7,8.1056 нуклонов). С ньютоновских времен и до первых десятилетий 20 века тяготение рассматривалось как одна из фундаментальных сил природы, и ее особая роль по сравнению, скажем, с кулоновской силой сводилась к простому различию: первая действует между всеми массивными телами, а вторая только между электрически заряженными.

Развитие эйнштейновской теории относительности продемонстрировало глубокую эквивалентность между массой и энергией, стало ясно, что гравитация - универсальное явление, в гравитационных взаимодействиях должны участвовать все виды материи, обладающие энергией и импульсом. В 1916 году Альберт Эйнштейн сформулировал изумительно красивую гипотезу о том, что ввиду универсальности гравитации имеет смысл рассматривать движение материи не в особом силовом поле, а в неевклидовом пространстве-времени, геометрические свойства которого целиком определяются состоянием свободно движущейся материи.

В обычном евклидовом пространстве свободная частица всегда движется по прямой с постоянной скоростью или покоится. В случае более сложной геометрии свободному движению (или, как говорят, движению по геодезической) могут соответствовать очень сложные траектории. Тяготеющий центр может искривлять пространство, обеспечивая, например, эллиптическое движение частицы, и при достаточно больших расстояниях (r " 2GM/c2) и малых скоростях (v " c) картина будет соответствовать движению планеты в поле ньютоновского силового центра.

Эйнштейновская теория гравитации (часто называемая общей теорией относительности) получила хорошие экспериментальные подтверждения и составила основу современной космологии и релятивистской астрофизики. Но она соответствует усредненному описанию вещества, и ее экстраполяции на уровень квантовомеханических систем отнюдь не проста. К сожалению, нашему эксперименту пока не доступны объекты, которые могли бы сыграть роль мостика между классической и квантовой гравитацией - нечто вроде атома водорода в электродинамике. Тем более трудно пока обсуждать микроскопическую модель гравитационного взаимодействия - будет ли она соответствовать современному квантовополевому идеалу (обмен гравитонами и т. п.) или потребует чего-то необычного.

На фоне всех этих развитых теорий, имеющих широкий круг экспериментальных подтверждений, существует явление, которое, по-видимому, должно объясняться особым типом сверхслабого взаимодействия. Речь идет о необычном распаде так называемого долгоживущего нейтрального K-мезона на пару ?-мезонов (KL0 ( ?+?- или KL0 ( ?0?0). Это явление обнаруженное в 1964 году, связано с нарушением СР-инвариантности, которая, как казалось ранее, должна выполняться во всех моделях*. Регистрируемый эффект находится на уровне не более одной тысячной от обычных эффектов слабых взаимодействий, откуда и берется название гипотетических новых сил. Пока исследованы они очень ограниченно, экспериментально не обнаружено ни одного случая их проявления в процессах, отличных от KL0-распадов. Однако и этого достаточно, чтобы оценить исключительную важность открытия. Из-за нарушения СР-четности KL0 с несколько большей вероятностью распадается с вылетом позитрона (KL0 ( e+?e?
– , чем электрона (KL0 ( e-?e?+), и такая же ситуация имеет место в распадах с вылетом ?+-. Это фиксирует абсолютную разницу между частицами и античастицами - античастицы уже не выступают зеркальными двойниками частиц. Возможно, проблема сверхслабых взаимодействий тесно связана с загадкой зарядовой асимметрии наблюдаемого участка Вселенной, где вещество резко преобладает над антивеществом.

* С - это операция перехода к зарядам противоположного знака, Р операция зеркального отражения, Т - операция обращения хода времени. Согласно так называемой СРТ-теореме, всякая нормальная теория поля должна оставлять неизменными наблюдаемые величины при одновременном применении всех трех операций. Однако долгое время думали, что эти операции сохраняют наблюдаемые неизменными (инвариантными) и по отдельности. Потом выяснилось, что в слабых взаимодействиях Р-четность не сохраняется, но оставалась надежда на соблюдение СР-четности (комбинированной С- и Р-операций). Теперь идеи такого рода принадлежат истории науки.

В физике частиц и их взаимодействий очень важную роль играет вакуум элементарных частиц (или физический вакуум, по-латыни vacuum - пустота). Это особое состояние материи, в котором отсутствуют реальные частицы и энергия минимальна. Однако с точки зрения квантовой теории, в вакууме непрерывно рождаются и очень быстро гибнут виртуальные частицы - в соответствии с соотношениями неопределенностей. В этом смысле физический вакуум обладает сложной структурой и оказывает наблюдаемое влияние на процессы взаимодействия реальных элементарных частиц. Внешние поля (в частности, гравитационное) могут сообщить вакууму достаточную энергию, и в результате начнется процесс рождения реальных частиц, например, электрон-позитронных пар. Такого типа процессы должны играть особенно большую роль на ранних космологических стадиях и в окрестностях черных дыр.

3. НАДЕЖДЫ

Есть круг проблем, к решению которых физика элементарных частиц подошла вплотную, и ожидаемые результаты должны по-новому осветить принципиальные моменты современной картины строения и эволюции Вселенной.

Многие надежды связываются с недавними достижениями в нейтринных исследованиях. Окончательное подтверждение ненулевой массы покоя электронного нейтрино и измерение масс его ?- и ?-аналогов скорее всего приведет к тому, что Вселенная станет для нас преимущественно нейтринным объектом - самые трудноуловимые частицы дадут основной вклад в среднюю плотность материи, а следовательно, и в распределении гравитационных полей в самых больших масштабах. Массивные нейтрино уже сейчас решительно вмешиваются в модели формирования крупных структур - галактик и галактических скоплений*.

*Видимо, массивные нейтрино играют важнейшую роль в весьма экзотической современной модели ячеисто-сетчатого строения Вселенной. Согласно этой модели, первичные возмущения однородного фона приводят к развитию единообразных распределений, которые, сливаясь и пересекаясь, образуют гигантские ячейки с относительно тонкими стенками, в которых и образуются галактики. Во внутренних темных областях ячеек (по-видимому, в неплохом соответствии с наблюдательными данными) плотность вещества значительно ниже средней, а химический состав практически не отличается от первичной водородно-гелиевой смеси, и процесс звездообразования вообще не идет или очень сильно подавлен.

Массивные реликтовые нейтрино с очень малыми скоростями (v ~ 300 м/с) и большой дебройлевской длиной волны (??~ h/m?c ~10-2 см) должны оказывать заметное силовое воздействие на пористые тела с размером пор ~ ??. Этот так называемый нейтринный ветер может оказаться крайне серьезным фактором в картине движения космической пыли и более крупных тел.

Многого можно ожидать и от исследования сверхгорячих нейтрино. При современных энергиях нейтринных пучков сечение их взаимодействия с нуклонами линейно растет с энергией (до 250 ГэВ). В соответствии с теорией электрослабого взаимодействия, этот рост должен заметно замедлиться в районе E? ~ 3000 ГэВ.

На той или иной стадии реализации находятся и другие проекты, работы на ускорителях, которые позволят экспериментально в деталях проверить электрослабую теорию, и поискать новые экзотические частицы, лежащие в рамках ее предсказаний (так называемые хиггсовские бозоны) и не связанные с ней (например, новые резонансы, соответствующие tt-кварковой паре, подобно тому, как cc соответствует J/?
– мезону, а bb - ?-мезону).

Разумеется, при всей своей важности поиск новых частиц не составляет единственной цели. Очень большие надежды возлагаются на прояснение картины сильных взаимодействий. Разгоняя протоны, мы фактически разгоняем кварковые пучки (но, конечно, на каждый кварк приходится лишь какая-то доля энергии, скажем, 1/3 или того меньше). Можно полагать, что характер межкварковых взаимодействий с ростом энергии станет понятней. Важная задача - выявить закономерности синтеза адронов из горячего кварк-глюонного вещества, образующегося в области взаимодействия.