Знание-сила, 2001 № 04 (886) - [12]

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.

Второе подтверждение – микроволновый реликтовый фон. Аппаратура на спутнике СОВЕ (Cosmic Background Explorer) измерила его с высочайшей точностью: 2,728 градуса Кельвина плюс-минус две тысячных. Кроме того, распределение этого излучения по длинам волн очень точно соответствует спектру абсолютно черного тела, как и должно быть для газа горячих фотонов.

Третье – анизотропия этого самого излучения. Ее удалось обнаружить только в 1992 году с помощью сверхчуткого прибора – дифференциального радиометра, установленного на спутнике СОВЕ. Оказалось, что есть крошечные колебания в плотности вещества на самых ранних стадиях Вселенной, которые необходимы для возникновения галактик.

И наконец, четвертое – относительное содержание легких элементов в космосе. Оно показывает, что синтез гелия шел в первичном «котле» Вселенной, так его много.

Однако, несмотря на несомненные успехи, к Большому Взрыву есть немало вопросов. Главный – темное вещество. Лишь несколько процентов плотности Вселенной сосредоточено в светящемся веществе звезд. А по движению галактик и скоплений галактик астрономы чувствуют, что есть немало «темного вешества». Причем оно бывает двух типов: из обычных протонов и нейтронов и из неизвестных частиц.

Второй вопрос: откуда взялись первичные флуктуации плотности вещества, на которых потом «наросли» все космические структуры? Как это происходило? Этот вопрос тесно связан с предыдущим, поскольку именно в темном веществе сосредоточена основная масса Вселенной.

Третья проблема – отсутствие антиматерии. В первые мгновения жизни Вселенной, когда температура была очень велика, должно было рождаться одинаковое количество частиц и античастиц. Куда же делись все античастицы?

Еще одна проблема – однородность Вселенной на больших расстояниях (это показывает нам реликтовый фон). Обычно все сравнивается, когда разные части могут взаимодействовать, но далекие части Вселенной не могли этого сделать: слишком велики расстояния между ними. Даже свет не успел бы дойти от одной до другой за время жизни космоса.

Непонятно и само начало: почему произошел Большой Взрыв? Были ли другие подобные взрывы? Были ли у Вселенной другие измерения? Пришла пора думать над этими фундаментальными вопросами. Многие современные исследователи считают, что ответы на них лежат в самых первых мгновениях жизни Вселенной.

Восьмидесятые годы открыли возможность порассуждать об этих моментах: в физике элементарных частиц утвердилась Стандартная модель. В ее основе лежат кварки, лептоны и калибровочные бозоны – переносчики слабого взаимодействия. Взаимодействия между частицами слабеют при их сближении, поэтому в начальные моменты их можно рассматривать как газ частиц. Раньше десятитысячной доли секунды такое представление не работает, потому что там все переходит на кварковый уровень, а как устроены кварки, пока доподлинно не известно.

Физика элементарных частиц за последние годы обогатилась очень интересными идеями объединения всех взаимодействий в одно – это теории суперсимметрии, супергравитации и суперструн. Из них следуют предсказания для нарушения барионного числа, массы нейтрино, новых долгоживущих частиц, фазовых переходов – как раз то, что напрямую важно для космологии. Некоторые из этих предсказаний могут быть проверены в одном-единственном месте – ранней Вселенной. Поэтому-то некоторые теоретики микромира и переквалифицировались в космологов.

Результаты измерений средней плотности вещества во Вселенной. Нижняя полоса – по светящемуся веществу:

Средняя – по данным о содержании гелия и дейтерия. Верхняя – по движению галактик и их скоплений.

В золотые восьмидесятые годы в физическом сообществе царила эйфория всемогущества, и в этой атмосфере родилось немало интересных моделей, например инфляционный сценарий развития космоса, различные гипотезы о природе темного вещества, идея о рождении Вселенной из квантовых флуктуаций.

При инфляционном растягивании пространства неизбежно должны были возникнуть гравитационные волны, следы от которых (подобные реликтовому излучению) есть надежда отыскать сегодня. Это планируют делать на лазерных интерферометрах с большими базами. Эксперимент LIGO готовится в США, a VIRGO – в Европе. Из спектра гравитационных волн можно будет узнать, была-таки инфляция или нет.