Открытие Вселенной - прошлое, настоящее, будущее

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 K-мезона на пару π-мезонов (K_L⁰ " π+π- или K_L⁰ " π⁰π⁰). Это явление обнаруженное в 1964 году, связано с нарушением СР-инвариантности, которая, как казалось ранее, должна выполняться во всех моделях[210]. 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 K_L⁰-распадов. Однако и этого достаточно, чтобы оценить исключительную важность открытия. Из-за нарушения СР-четности K_L⁰ с несколько большей вероятностью распадается с вылетом позитрона (K_L⁰ " e⁺ν_eπ^-, чем электрона (K_L⁰ " e^-ν_eπ⁺), и такая же ситуация имеет место в распадах с вылетом μ^±. 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.

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 μ- и τ-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[211].

Массивные реликтовые нейтрино с очень малыми скоростями (v ~ 300 м/с) и большой дебройлевской длиной волны (λ_ν~ ћ/m_νc ~10^-2 см) должны оказывать заметное силовое воздействие на пористые тела с размером пор ~ λ_ν. 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_ν ~ 3000 ГэВ.