Знание-сила, 2001 №04

В свое время средневековые схоласты гадали, сколько ангелов может пуститься в пляс на острие иглы. Перефразируя их гипотезы, лауреат Нобелевской премии по физике Леон Ледерман сказал, что «Бог скрывается на острие протонового луча». Разница лишь в том, что ученые средних веков удовлетворяли свою потребность в гипотетических исчислениях почти бесплатно; в наше же время поиск исходного принципа мироздания поглотает миллионы долларов, а проку – что в перечне ангелов, что в череде кварков и иже с ними – никакого нет и не предвидится.

Подобные сомнения одолевают даже одного из открывателей top- кварка Ханса Грассмана. Пытаясь разрубить сей гордиев узел современной науки, он как-то сказал, что все ускорители надо попросту закрыть. Иначе теоретическая физика превратится в алхимию наших дней.

Эта странная конструкция, установленная близ лаборатории Ферми, символизирует стремление физиков к идеальной симметрии.

Александр Семенов

Астрофизика элементарных частиц

Заголовок этой статьи не совсем точно передает название той отрасли науки, о которой пойдет рассказ. На английском языке он звучит как «AstroparticLe physic», то есть «астрочастичная физика». Решив, что буквальный перевод не слишком благозвучен, я слегка причесал его на свой вкус.

Долгие годы у физики элементарных частиц и астрофизики было не много общего, разве что дороговизна исследований. Физики микромира строили огромные ускорители и открыли целый зоопарк частиц, а потом придумали Стандартную модель, чтобы объяснить все намеренное. Астрофизики атаковали небо при помощи спутников и телескопов, чтобы познакомиться с не менее выразительным паноптикумом экзотических созданий: квазаров, пульсаров, черных дыр и галактических ядер. Но в наши дни эти отрасли знания слились в едином порыве, чтобы узнать, как был устроен мир в первые свои мгновения. На свет появилась астрофизика элементарных частиц.

У этой науки три главных вопроса. Как возникла существующая структура объектов во Вселенной? Какова природа темного вещества? Что лежит за пределами Стандартной модели элементарных частиц? И все эти три проблемы оказываются тесно увязанными друг с другом. Темное вещество играет очень важную роль в образовании структур Вселенной, а состоит оно (предположительно) из неизвестных пока науке частиц.

Крупнейший оптический телескоп имени Кека

Космология – основа астрофизики, поэтому мы и начнем наш разговор с нее. Раньше в статьях о космологии часто цитировали ироническую фразу известнейшего нашего теоретика Льва Ландау: «Космологи часто ошибаются, но никогда не сомневаются». Я собираюсь поколебать это утверждение. Астрофизика частиц все прочнее опирается на экспериментальную базу, теория все крепче стоит на ногах и получает мошный импульс для развития.

Сорок лет назад космология была областью науки для ограниченного круга экспертов. Двумя основными проблемами тогда были постоянная Хаббла, определяющая расширение Вселенной, и параметр замедления. Современная эра началась в 1964 году, когда американские астрономы Арно Пензиас и Роберт Вильсон из лаборатории Белла обнаружили реликтовое микроволновое излучение. Хоть и датируется модель Большого Взрыва 1929 годом, когда Эдвин Хаббл обнаружил разбегание галактик, лишь открытие «эха Большого Взрыва» превратило космологию в науку.

В семидесятые годы спектр микроволнового фона был тщательно промерен на разных д линах волн, и научное сообщество убедилось, что ничем иным, кроме расширяющегося газа фотонов, это излучение быть не может. Тогда же было точно измерено относительное содержание дейтерия и других легких элементов в веществе Вселенной, и оно было как раз таким, как предсказывает теория Большого Взрыва.

Каковы же основные ее положения?

1. В начале Вселенной была плазма из элементарных частиц, кварков, лептонов, фотонов и, может, чего-то еще, нам пока не известного. Вселенная расширялась и остывала. Первые триста тысяч лет энергия была так высока, что постоянно происходило превращение излучения в вещество и обратно.

2. Кварки стали объединяться в частицы через десятитысячную долю секунды после взрыва. Ядра дейтерия, гелия и лития возникли в первые десять – сто секунд, а вот образования атомов пришлось ждать сотни тысяч лет. Тогда температура газа фотонов упала настолько, что они уже не могли больше разбивать атомы. С тех пор вещество и излучение стали расширяться независимо.

3. После отделения вещества от излучения на небольших флуктуациях плотности вещества стали нарастать будущие зародыши галактик, галактических кластеров и других структур.

У стандартной космологии есть четыре главных экспериментальных подтверждения. Первое – разбегание галактик, обнаруженное Хабблом. Он заметил, что свет от удаленных галактик, приходящий на Землю, смешен в сторону длинных волн, и сделал вывод, что происходит это из-за эффекта Доплера. Смещение это измерено у десятка тысяч галактик – все согласуется с Большим Взрывом.