Страница:
Поэтому, как следует из теории относительности [120; 377], микрообъекты, ускоряясь на релятивистских скоростях, сокращаются в линейных размерах, прибавляют в массе и тормозятся во времени. Последнее обусловлено тем, что физическое время представляет собой дистанцию между событиями. Подскакивая при ускорении в частоте, суперструны сокращают эту дистанцию между своими колебаниями и, следовательно, замедляют свое время (при скорости света – вообще останавливают). Указанные релятивистские эффекты сродни эффекту Доплера в макромире (т. е. зависимости частоты колебания и длины волны от скорости движения источника звука или света). Масса покоя и масса движения у безмассовых частиц зависят от частоты колебания суперструны, что объясняет физическую природу формулы E = mc2 : чем энергичнее колебания суперструн, тем значительнее их массы (что подробно разъяснялось выше). У частиц с массой покоя имеется нижний предел частот, ответственных за эту массу. У безмассовых частиц он не фиксирован – поэтому масса «плавает» и не расценивается как масса покоя.
Описанные физические эффекты объясняют конечность скорости света. Чем заметнее ускоряется микрообъект, тем труднее он сокращается в размерах и неохотнее растет в частоте колебаний (вследствие собственного внутреннего сопротивления). На его преодоление уходит все больше энергии разгона, и частица «зависает» на отметке скорости света.
Теория суперструн не может обойтись без понятия мировой поверхности, а оно органично объясняет происхождение виртуальных частиц. Представим себе, например, простыню или что-либо подобное. Допустим, на ней имеются складки. Если потянуть простыню за край, складки разгладятся, но возникнут в другом месте. Они поведут себя аналогично исчезающим и вспыхивающим на мировой поверхности виртуальным частицам (коротко живущим складкам-суперструнам). Разумеется, мировая поверхность – это не двумерная простыня, но принципы ее поведения аналогичны.
Природа основных взаимодействий микромира также вытекает из поведения суперструн. Для гравитации, электромагнетизма и сильного взаимодействия характерны притяжение и отталкивание. Эти эффекты обусловлены волновой природой суперструн-бозонов, которые подобно волне от судна на воде способны – в зависимости от фаз – как притягивать, так и отталкивать партнера по взаимодействию. Деформируя моду колебаний партнеров, частицы передают качества: цветовой заряд (особое свойство кварков, переносимое глюонами), электрический заряд (переносимый фотонами, Z– и W-бозонами), массу покоя (транслируемую хиггсами) и т. д. Обмениваясь частотами колебаний, частицы обмениваются энергией. Влияя на моды колебаний друг друга, частицы регулируют свои взаимопревращения и распады (например при слабых взаимодействиях).
Суперструны ответственны за происхождение таких фундаментальных свойств вещества, как твердость, непроницаемость, устойчивость, которые в античной философии (например у Нигидия Фигула) приписывались заботам «демиурга» – метафизического начала, поддерживающего формы всех вещей. Лопасти вентилятора или пропеллера в покое легко огибаются, однако в стремительном вращении превращаются в сплошной, непроницаемый диск. Колеблющиеся со световой скоростью суперструны так насыщенно заполняют объем с поперечником в планковскую длину, что делают его плотной, непроницаемой частицей, свойства твердости которой в скоплениях частиц передаются физическим телам макромира.
Можно констатировать, что необычайная философская продуктивность физической теории суперструн делает ее незаурядным мировоззренческим достижением.
1.2. Макромир
Описанные физические эффекты объясняют конечность скорости света. Чем заметнее ускоряется микрообъект, тем труднее он сокращается в размерах и неохотнее растет в частоте колебаний (вследствие собственного внутреннего сопротивления). На его преодоление уходит все больше энергии разгона, и частица «зависает» на отметке скорости света.
Теория суперструн не может обойтись без понятия мировой поверхности, а оно органично объясняет происхождение виртуальных частиц. Представим себе, например, простыню или что-либо подобное. Допустим, на ней имеются складки. Если потянуть простыню за край, складки разгладятся, но возникнут в другом месте. Они поведут себя аналогично исчезающим и вспыхивающим на мировой поверхности виртуальным частицам (коротко живущим складкам-суперструнам). Разумеется, мировая поверхность – это не двумерная простыня, но принципы ее поведения аналогичны.
Природа основных взаимодействий микромира также вытекает из поведения суперструн. Для гравитации, электромагнетизма и сильного взаимодействия характерны притяжение и отталкивание. Эти эффекты обусловлены волновой природой суперструн-бозонов, которые подобно волне от судна на воде способны – в зависимости от фаз – как притягивать, так и отталкивать партнера по взаимодействию. Деформируя моду колебаний партнеров, частицы передают качества: цветовой заряд (особое свойство кварков, переносимое глюонами), электрический заряд (переносимый фотонами, Z– и W-бозонами), массу покоя (транслируемую хиггсами) и т. д. Обмениваясь частотами колебаний, частицы обмениваются энергией. Влияя на моды колебаний друг друга, частицы регулируют свои взаимопревращения и распады (например при слабых взаимодействиях).
Суперструны ответственны за происхождение таких фундаментальных свойств вещества, как твердость, непроницаемость, устойчивость, которые в античной философии (например у Нигидия Фигула) приписывались заботам «демиурга» – метафизического начала, поддерживающего формы всех вещей. Лопасти вентилятора или пропеллера в покое легко огибаются, однако в стремительном вращении превращаются в сплошной, непроницаемый диск. Колеблющиеся со световой скоростью суперструны так насыщенно заполняют объем с поперечником в планковскую длину, что делают его плотной, непроницаемой частицей, свойства твердости которой в скоплениях частиц передаются физическим телам макромира.
Можно констатировать, что необычайная философская продуктивность физической теории суперструн делает ее незаурядным мировоззренческим достижением.
1.2. Макромир
Вселенная родилась в Большом Взрыве и с тех пор непрерывно расширяется. Скорость этого расширения называется постоянной Хаббла, обозначаемой символом Н0. Две трети обратной ей величины (1/H0) отвечают возрасту Вселенной при условии, что средняя плотность масс во Вселенной делает ее гравитационно замкнутой. При этом средняя плотность масс принимается за единицу (Ω = 1). Если средняя плотность масс меньше единицы (Ω < 1), Вселенная не замкнута и будет расширяться вечно. Если средняя плотность масс равна или больше единицы (Ω > 1), Вселенная замкнута, и ее расширение должно смениться сжатием (коллапсом). Эмпирические оценки средней плотности Вселенной разноречивы: Ω = 0,3–1,3 [255; 270; 609; 832]. Однако средняя плотность Вселенной, в принципе, не может быть «отрицательной», т. е. иметь Ω < 1 (так принято выражаться в астрофизике, хотя «омега» не может быть меньше «нуля» – она всего лишь меньше «единицы»).
Как отмечалось выше (см. разд. 1.1), Вселенная – это сплошная мировая поверхность, которая по квантово-механическим причинам не мыслится «тоньше» планковской длины. Допустим, Вселенная «попробует» расширяться вечно. Тогда, предельно растянувшись в расширении и достигнув «по толщине» планковской размерности, Вселенная непременно прекратит рост и под влиянием собственной внутренней гравитации обязательно начнет сжиматься. Поэтому ее вероятная средняя плотность больше или равна единице (Ω ≥ 1).
Между тем реальное положение вещей намного сложнее. Теоретическая оценка «омеги» – в том случае, когда она больше или равна единице, приложима лишь к изотропной модели Вселенной, т. е. ко Вселенной, повсеместно однородной. Однако современные астрофизические исследования недвусмысленно показывают, что Вселенная анизотропна, т. е. глубоко неоднородна. Она имеет центр и периферию (о чем речь пойдет ниже). В неоднородной же (анизотропной) Вселенной средняя плотность вещества, по-видимому, составляет приблизительно ΩUniv = ~ 0,245 (см. приложение 7). И все-таки данное обстоятельство не делает Вселенную открытой (вечно расширяющейся), поскольку в ее центральных областях местная плотность существенно превосходит критическую (т. е. Ωloc > 1). Это превращает Вселенную в образование, склонное к поэтапному схлопыванию на манер «гармошки», и пока периферические области Вселенной продолжают вяло расширяться, центральные области уже властно сжимаются и шаг за шагом втягивают в себя беспомощную периферию. Подобная современная картина мира куда сложнее традиционной, однако лучше отвечает новым фактам (см. далее).
Наблюдательные астрономические оценки постоянной Хаббла колеблются в пределах 39–105 ±11 км/с на мегапарсек (мегапарсек равен 3,26 млн световых лет) [151; 174; 186; 243; 269; 331; 336; 341; 355; 404; 420; 428; 435; 527; 531; 624; 748; 792]. Для определения возраста Вселенной такие данные непригодны, поскольку дают колоссальный разброс величин и не учитывают неоднородность Вселенной (споры по поводу оценки постоянной Хаббла даже получили хлесткое наименование «войны Хаббловой константы» [269] – участники ее были беспощадны друг к другу). Имеется, правда, и другая теоретическая возможность.
Представления о расширяющейся Вселенной, родившейся в Большом Взрыве, носят наименование моделей «горячей Вселенной». При расчетах моделей горячей Вселенной используется теоретическая величина постоянной Хаббла H0 = 50 км/с на мегапарсек [611; 673; 705], которой отвечает возраст Вселенной в 13,(3) млрд лет [336]. Эта оценка оптимальна, поскольку независимые от нее определения возраста нашего мира по старым белым карликам в Галактике [550; 792], по тяжелым радиоактивным элементам на звездах [233; 409; 717] и по шаровым скоплениям звезд [235; 404; 475; 792] предусматривают вселенский возраст от 10,3 до13 млрд лет. Поясним, что белые карлики – это крохотные, сверхплотные звезды класса светимости VII, некоторые из которых вдвое старше нашего Солнца. Добавим, что тяжелые радиоактивные элементы имеют тенденцию распадаться. По их остаткам можно определить возраст древних звезд, которые также вдвое старше Солнца. Напомним также, что шаровые скопления – это гало, своего рода шаровидные облака звезд вокруг галактик, и эти звезды населения II также вдвое старше Солнца, т. е. звезды населения I, распространенного не в гало, а в дисках галактик.
Как можно видеть, возраст Вселенной по белым карликам, тяжелым элементам и шаровым скоплениям (13 млрд лет) на 300 млн лет уступает возрасту Вселенной по теоретической постоянной Хаббла (13,(3) млрд лет). Это лишний раз свидетельствует в пользу оптимальности последней величины, ибо 300 млн лет как раз потребовались юной Вселенной для того, чтобы сформировать древнейшие галактики и звезды с будущими белыми карликами и шаровыми скоплениями. Ниже возраст первых сверхскоплений галактик оценен в 200 млн лет после Большого Взрыва, однако они древнее первых звезд, а потому результаты вполне удовлетворительны. Дело в том, что ранние сверхскопления будущих галактик поначалу формировались как крупномасштабные возмущения вселенского вещества ок. 200 млн лет после Большого Взрыва, и лишь затем, ок. 300 млн лет после Большого Взрыва, в них сложились конкретные галактики с древнейшими звездами.
На наш взгляд, существует еще один путь расчета возраста Вселенной. Со времен Большого Взрыва ее внешние границы расширялись со скоростью света. Поделив скорость света на местную скорость вселенского расширения и взяв 2/3 от результата, мы получим нынешний радиус Вселенной в мегапарсеках (и световых годах), а значит и время, затраченное на достижение этого радиуса. При H0 = 50 км/с на мегапарсек радиус Вселенной составляет 13,031 млрд светолет и отличается от предыдущей оценки на 302,4 млн световых лет. Это расхождение означает, что Земля расположена к краю Вселенной на 302,4 млн светолет ближе, нежели ее центр, который отстоит от нас на ту же дистанцию.
Поиск такого центра отталкивается от наблюдения, что Южное полушарие звездного неба ощутимо глубже Северного [546; 695]. Это означает, что на Севере звездной сферы к нам ближе край Вселенной, а на Юге – ее центр. В Южном полушарии звездного неба по направлению к сверхскоплению галактик Гидра-Кентавр на расстоянии ок. 300 млн светолет от нас лежит Великий Аттрактор. Этот объект соответствует 5,4 × 1016 солнечных масс, имеет поперечник в 0,6–6 млн светолет и вдвое превосходит среднюю плотность Вселенной [524; 134; 296; 372, с. 62; 473; 704; 785; 830]; cp. [254].
Сверхмассивный Великий Аттрактор притягивает окружающие скопления галактик, в том числе наше Местное Сверхскопление, которое вместе с соседними сверхскоплениями стремится к Великому Аттрактору («Великому Притяжателю») в составе сверхпотока Персей – Рыбы протяженностью в 423,8 млн светолет [808; 548; 514; 605]. Это означает, что гравитоны Великого Аттрактора успели охватить область Вселенной с диаметром ок. 1 млрд светолет, а стягивающая Вселенную деятельность Великого Аттрактора началась ок. 500 млн лет назад.
Великий Аттрактор отождествляется с рентгеновским галактическим скоплением Абелль 3627, обладающим массой в 5,1 × 1015 солнечных масс и поперечником в 1,956 млн светолет, укладывающимся в поперечник Великого Аттрактора. Абелль 3627 является источником самого яркого рентгеновского потока среди всех известных скоплений (0,1–2,4 кэВ). Его отделяют от нас 303,18 млн светолет [473; 830]. Сравнивая наше расстояние от центра Вселенной (302,375 млн светолет) с расстояниями от Великого Аттрактора (ок. 300 млн светолет) и Абелля 3627 (303,18 млн светолет), мы заключаем, что речь идет об одном и том же образовании, три ипостаси которого выявлены совершенно различными, независимыми методами.
Абелль 3627 в 10 раз уступает расчетной массе Великого Аттрактора, которая определялась гравиметрически (по силе тяжести, т. е. однозначно), в то время как масса Абелля 3627 оценивалась оптически (по внешнему виду, т. е. далеко не однозначно). Расхождение объясняется тем, что 0,9 реальной массы Абелля 3627 состоят из невидимого «темного вещества».
«Холодное темное вещество» не испускает ни тепла, ни света и взаимодействует с обычным «горячим светлым веществом» лишь гравитационно, сильно влияя на движение галактик и их скоплений, но оставаясь невидимым во всех областях спектра. Оно было открыто благодаря одному астрофизическому парадоксу. Наша и другие галактики вращаются столь интенсивно, что центробежная сила могла бы их разметать. Видимой «светлой» массы им совершенно недостаточно, чтобы сцементировать их силой тяжести. Значит, существует некая невидимая «темная» масса, которая восполняет недостачу вещества, необходимого для консолидации галактик силой тяжести. Гравитационные оценки свидетельствуют, что по массе «темное вещество» образует не менее 90% состава Вселенной [333; 431; 581; 617; 629; 664; 739; 760; 783; 785; 795]; cp. [176]. Состав «темного вещества» – проблематичен.
Барионное (кваркосодержащее) «темное вещество» заключено в тусклых холодных белых карликах – это 2% от «темного вещества» галактического гало [604], – а также в МАСНО (массивных, компактных объектах гало планетарных масс), выявляемых методом микролинзирования: в тот момент когда они затмевают внегалактические звезды (галактик Большое Магелланово Облако и М22), те ненадолго ярко вспыхивают, становясь видимыми по обе стороны от затмевающего МАСНО, привлекая наше внимание (МАСНО гравитационно стягивают лучи света от них, выполняя роль маленькой гравитационной линзы, откуда происходит название метода микролинзирования) [133; 376; 665; 666]; cp. [224]. Можно упомянуть еще гипотетические космические струны – сверхмассивные, протяженные объекты замкнутой, петлистой фактуры, сохранившиеся от первой секунды жизни Вселенной, когда они застыли как пограничные состояния ее фазовых переходов (наподобие прожилок на замерзшем стекле, только длиной в световые годы) [22; 132; 167].
В небарионном (бескварковом) «темном веществе» предполагаются аксионы (см. разд. 1.1) [332; 586; 705] и вимпзиллы [360; 376]. Вимпы представляют собой слабо взаимодействующие массивные частицы в 106 ГэВ (гигаэлектронвольт), а вимпзиллы (т. е. вимпы-годзиллы) – это слабо взаимодействующие сверхмассивные частицы в 1012 ГэВ, которые еще предстоит открыть. Сюда же относятся гравитино (см. разд. 1.1) [332; 371, с. 39] и хиггсино (см. разд. 1.1) [371, с. 39; 706]. Называют также нейтралино (суперпартнер фотона со спином 1/2, т. е. аналог фотино, в 10–1000 масс протона) [760] и само фотино в 100 масс протона (см. разд. 1.1) [332; 371, с. 39; 705; 706; 725]. Наконец, популярны снейтрино [371, с. 39], таунейтрино с массой в 17–17,2 кэВ или 15–10000 ГэВ [303; 343; 376; 513; 528; 530; 673; 706; 739] и электронное нейтрино с массой от менее 7 эВ до 30 эВ [740; 760] (см. разд. 1.1).
Перечисленные микрообъекты занесены в состав «темного вещества» как бы наудачу, в ожидании наблюдательных открытий [725]. Между тем обобщенный подход имеется в теории суперструн, где «темному веществу» соответствует «теневое вещество» Е8' из калибровочной группы Е8 × Е8', в которой группа Е8 описывает мир обычного, «светлого вещества» [9, с. 520; 122, с. 583; 472]. Напомним, что калибровочные группы служат математической основой для принятия «к производству» не произвольного набора объектов и их свойств, а их некой математически обоснованной матрицы вроде таблицы умножения. Поскольку вездесущим фоном нашего мира «светлого вещества» является известное реликтовое микроволновое излучение, наполняющее космос и состоящее из фотонов с температурой в 2,726 ± 0,01 К [705; 760], то фоном невидимого мира «темного вещества» могло бы оказаться фотино, и без того присутствующее среди кандидатов на эту грозную роль.
Причину сокрытости от нас «холодного темного вещества» можно понять. Допустим, оно действительно состоит из суперчастиц (в том числе фотино), для которых единодушно предполагается значительная индивидуальная масса. Тогда сопоставимое с числом «светлых» частиц количество «темных» суперчастиц должно быть в несколько раз массивнее, что объясняет тот факт, что оценочная масса «темного вещества» достигает 90–99% массы всей Вселенной, в то время как на долю «светлого вещества» приходится 1–10%.
Следует также отметить, что, помимо гравитонов, «темное вещество» не испускает иных излучений, в том числе электромагнитных, световых, откуда происходит его мрачное название. Причина может состоять в следующем. Суперчастицы очень массивны, и радиусы их взаимодействий крайне малы (см. разд. 1.1). В силу этого обстоятельства суперчастицы не в состоянии взаимодействовать со «светлым» веществом, образовывать с ним комбинации, склонные излучать фотоны (как свойственно всякому «светлому веществу»), обнаруживать себя оптически или же путем магнетизма, т. е. слабых и сильных взаимодействий. Поэтому, даже находясь рядом с нами, «темное вещество» останется неощутимым.
Таким образом, версия «темного вещества», состоящего из суперчастиц, представляется наиболее простой и убедительной, поскольку органично встраивается в современную научную картину физического мира. Другое дело, что природа «темного вещества» не облегчает задачу его эмпирического обнаружения, так как экспериментальное проникновение в мир суперчастиц с малыми радиусами взаимодействий требует больших энергий.
Зная отношение вселенской массы «светлого вещества» к массе «темного» (ок. 0,1–0,01), мы в состоянии предположить порядок масс отдельных суперчастиц (см. рис. 1). В принципе, их массы могут колебаться от 0,7–7,0 эВ у сэлектронного снейтрино до 1780–17800 ГэВ у истинного скварка. По-видимому, подобные объекты не в силах образовывать привычные нам формы вещества (нуклоны, атомы, молекулы), так как требуют очень высоких энергий для своего сближения, а в современной холодной Вселенной таких энергий нет. Если же они появятся, мощи сильного взаимодействия не хватит, чтобы удерживать суперчастицы в ансамблях, вследствие чего они и не сложились на заре горячей Вселенной. Из сказанного следует, что мир «темного вещества» чужд миру «светлого» в силу отсутствия организации, отчего «темный мир» представляется этаким холодным древним хаосом, о присутствии которого во Вселенной догадывались уже первобытные охотники.
Разделение громадного «темного» и крохотного «светлого» миров началось 13,(3) млрд лет назад, когда чередование событий измерялось мельчайшими планковскими квантами времени, меньше которых не существует единиц измерения времени по квантово-механическим причинам, – это 5,4 × 10–44 с. На заре нашего мира Вселенная пребывала в форме сингулярности (см. разд. 1.3). Затем она распалась на суперточки (см. разд. 1.1), которые превратились в трепещущие суперструны, что явилось первым проявлением термодинамики во Вселенной. Термодинамика – это наука о динамических состояниях макроскопических систем, и на заре времен начало им было положено хаотичным биением юных суперструн, рождающих закон неубывания энтропии (см. разд. 1. 4).
Отталкиваясь друг от друга, суперструны начали расходиться во все стороны, а новорожденная Вселенная стала расширяться и, соответственно, остывать. До момента 10–43 с после Большого Взрыва четыре основных физических взаимодействия (гравитационное, слабое, электромагнитное, сильное) проявлялись на одинаковых дистанциях и были неразличимы по эффектам (т. е. пребывали в состоянии Великого Объединения). Затем рост дистанций между суперструнами обособил гравитацию. По той же причине в момент 10–35 с после Большого Взрыва отделилось сильное взаимодействие, и Вселенная перестала склеиваться глюонами, переносчиками самого мощного – сильного – взаимодействия. В результате Вселенная взрывообразно вздулась. Эта стадия раздувания Вселенной (инфляция) заняла 10–35/10–34 – 10–32 с после Большого Взрыва, когда Вселенная выросла в 1050 раз [34; 67; 68; 373; 388; 389; 390; 512; 532]; cp. [448]. (Поясним при этом, что разделение фундаментальных физических взаимодействий по мере расширения и остывания Вселенной происходило потому, что для каждого из них характерны определенные дистанции проявления: в крохотной Вселенной они неразличимы, а в расширившейся заявляют о себе во весь голос.)
В эпоху 10–32 – 10–6 с после Большого Взрыва Вселенную наполнял кварк-электронный бульон. Через 1 с после Большого Взрыва состоялось разделение электромагнитного и слабого взаимодействий, и началось образование протонов. Спустя 100 тыс. лет после Большого Взрыва Вселенная все еще выглядела как смесь вещества и излучения (фермионов и бозонов). С возникновением нейтронов появились атомы (гелия, дейтерия, лития – 0,5 млн лет после Большого Взрыва [547]). Наступило разделение вещества и излучения – Вселенная стала прозрачной, как в настоящий момент. Из затравок, обусловленных колебаниями плотности вещества, зародились протосверхскопления, которые через 200 млн лет после Большого Взрыва [547] превратились в сверхскопления галактик. Разделенные колоссальными пустотами, они стали каркасом ячеистой крупномасштабной структуры Вселенной [41]. Обособление «темного» вещества от «светлого» произошло еще в ходе раздувания Вселенной, когда щупальца взаимодействий тяжелых суперчастиц перестали доставать до юрких, легких элементов «светлого» вещества.
Схема нынешней Вселенной видится следующим образом (рис. 2). В ее центре висит Великий Аттрактор (Абелль 3627), окруженный шестилучевым надсверхскоплением галактик, часть которого является агломератом Рыб – Кита (куда входят сверхскопления галактик Волосы Вероники, Гидра – Кентавр, Персей – Рыбы, Рыбы – Кит; поперечник этого образования достигает 1,2096 млрд светолет, масса 1017 – 1018 солнечных масс [759; 783]). Другая часть надсверхскопления связана с волокном Персей – Пегас протяженностью 912,8 млн светолет [177; 759]. Во все стороны от агломерата Рыб – Кита разбегаются пустоты того же поперечника, по десятку в каждом направлении. В их стыки вкраплены надсверхскопления галактик вроде нашего агломерата Рыб – Кита, только сильнее разреженные и менее массивные. Речь, разумеется, идет об идеализированной схеме – в реальности она причудливо искажена, разнообразится пустотами меньшего масштаба [411] и т. д.
Рис. 2. Принципиальная схема строения анизотропной Вселенной, имеющей расширяющуюся периферию и центр, совпадающий с древним эпицентром Большого Взрыва. Условно обозначены: + центр Вселенной, отвечающий Великому Аттрактору, или скоплению рентгеновских галактик Абелль 3627; его окружает ромбическая область агломерата Рыб – Кита, где находится × Галактика Млечный Путь с нашей Солнечной системой; поперечник агломерата Рыб – Кита достигает 1,2 млрд световых лет; О – пустоты, лишенные вещества, из которых в основном состоит Вселенная; вещество имеется лишь на границах пустот и в ромбических пазах между ними; поперечник одной пустой полости в среднем составляет 1,2 млрд светолет, что предполагает радиус Вселенной в 13,(3) млрд светолет; × Галактика Млечный Путь лежит на 303 млн светолет к «северу» от Абелля 3627; ∞ – окружающий Вселенную гипотетический Вечно Изменяющийся Мир, породивший ее 13,(3) млрд лет назад
Идея анизотропной Вселенной, располагающей конкретным центром, выглядит революционной лишь на первый взгляд. В действительности никакой другой Вселенная быть и не могла. В самом деле, общепризнанная космогония исходит из того, что Вселенная родилась в Большом Взрыве. Но всякий взрыв располагает эпицентром. Несомненно, он имелся и у Большого Взрыва. В таком случае расширение Вселенной происходило относительно этого эпицентра, который и является полноценным центром Вселенной. В сущности, мы всего лишь конкретизировали его местонахождение, отождествив таковое с небесными координатами Великого Аттрактора.
Представленная выше картина макромира позволяет единообразно разрешить самые острые парадоксы новейшей астрофизики. К ним относятся нарушения закона Хаббла удаленными квазарами и сверхновыми звездами, откуда в конечном счете следует, что либо Большого Взрыва никогда не было, а следовательно нет и закона Хаббла, либо Вселенная в десять раз древнее, чем полагают, и тогда львиная доля космогонии (астрофизической науки о происхождении Вселенной) подлежит забвению… Попробуем детально разобраться с этими бедами.
Закон Хаббла подразумевает, что в расширяющейся Вселенной скорость удаления галактик, например от нашего Млечного Пути, пропорциональна расстоянию этих галактик от нас. Так происходит не потому, что Млечный Путь занимает исключительное место во Вселенной, а потому, что Вселенная повсеместно как бы раздвигается. Из-за этого одновременно растут расстояния между всеми галактиками, эти расстояния в наших глазах складываются, и нам закономерно кажется, что ближайшая галактика удаляется со скоростью Х, вторая по удаленности – со скоростью 2Х, третья – 3Х и т. д. Изящество и простота закона Хаббла покорила астрофизическую науку.
Связанная с ним сложность всегда состояла в том, что никак не удавалось однозначно определить абсолютную скорость, с которой расширяется Вселенная. Мы точно знаем, какая из галактик удаляется от нас быстрее, но с какой именно скоростью – не знаем. Это происходит потому, что астрономам нелегко определить точные расстояния до других галактик. В результате всякое очередное определение какого-либо из этих расстояний тут же приводит к оглашению новой величины для скорости расширения Вселенной, т. е. для постоянной Хаббла, о разбросе величин которой говорилось выше.
Можно задаться вопросом: имеет ли это обстоятельство мировоззренческое значение? Ответ состоит в том, что, не зная постоянной Хаббла, мы не узнаем возраста Вселенной. Не зная возраста Вселенной, мы не поймем, как она строилась. Не понимая, как она строилась, мы не поймем, что ее ждет. Для космической цивилизации, в которую постепенно превращается цивилизация человеческая, такое положение вещей неприемлемо. Кроме того, нам интересно было бы узнать, как устроен небесный мир…
Как отмечалось выше (см. разд. 1.1), Вселенная – это сплошная мировая поверхность, которая по квантово-механическим причинам не мыслится «тоньше» планковской длины. Допустим, Вселенная «попробует» расширяться вечно. Тогда, предельно растянувшись в расширении и достигнув «по толщине» планковской размерности, Вселенная непременно прекратит рост и под влиянием собственной внутренней гравитации обязательно начнет сжиматься. Поэтому ее вероятная средняя плотность больше или равна единице (Ω ≥ 1).
Между тем реальное положение вещей намного сложнее. Теоретическая оценка «омеги» – в том случае, когда она больше или равна единице, приложима лишь к изотропной модели Вселенной, т. е. ко Вселенной, повсеместно однородной. Однако современные астрофизические исследования недвусмысленно показывают, что Вселенная анизотропна, т. е. глубоко неоднородна. Она имеет центр и периферию (о чем речь пойдет ниже). В неоднородной же (анизотропной) Вселенной средняя плотность вещества, по-видимому, составляет приблизительно ΩUniv = ~ 0,245 (см. приложение 7). И все-таки данное обстоятельство не делает Вселенную открытой (вечно расширяющейся), поскольку в ее центральных областях местная плотность существенно превосходит критическую (т. е. Ωloc > 1). Это превращает Вселенную в образование, склонное к поэтапному схлопыванию на манер «гармошки», и пока периферические области Вселенной продолжают вяло расширяться, центральные области уже властно сжимаются и шаг за шагом втягивают в себя беспомощную периферию. Подобная современная картина мира куда сложнее традиционной, однако лучше отвечает новым фактам (см. далее).
Наблюдательные астрономические оценки постоянной Хаббла колеблются в пределах 39–105 ±11 км/с на мегапарсек (мегапарсек равен 3,26 млн световых лет) [151; 174; 186; 243; 269; 331; 336; 341; 355; 404; 420; 428; 435; 527; 531; 624; 748; 792]. Для определения возраста Вселенной такие данные непригодны, поскольку дают колоссальный разброс величин и не учитывают неоднородность Вселенной (споры по поводу оценки постоянной Хаббла даже получили хлесткое наименование «войны Хаббловой константы» [269] – участники ее были беспощадны друг к другу). Имеется, правда, и другая теоретическая возможность.
Представления о расширяющейся Вселенной, родившейся в Большом Взрыве, носят наименование моделей «горячей Вселенной». При расчетах моделей горячей Вселенной используется теоретическая величина постоянной Хаббла H0 = 50 км/с на мегапарсек [611; 673; 705], которой отвечает возраст Вселенной в 13,(3) млрд лет [336]. Эта оценка оптимальна, поскольку независимые от нее определения возраста нашего мира по старым белым карликам в Галактике [550; 792], по тяжелым радиоактивным элементам на звездах [233; 409; 717] и по шаровым скоплениям звезд [235; 404; 475; 792] предусматривают вселенский возраст от 10,3 до13 млрд лет. Поясним, что белые карлики – это крохотные, сверхплотные звезды класса светимости VII, некоторые из которых вдвое старше нашего Солнца. Добавим, что тяжелые радиоактивные элементы имеют тенденцию распадаться. По их остаткам можно определить возраст древних звезд, которые также вдвое старше Солнца. Напомним также, что шаровые скопления – это гало, своего рода шаровидные облака звезд вокруг галактик, и эти звезды населения II также вдвое старше Солнца, т. е. звезды населения I, распространенного не в гало, а в дисках галактик.
Как можно видеть, возраст Вселенной по белым карликам, тяжелым элементам и шаровым скоплениям (13 млрд лет) на 300 млн лет уступает возрасту Вселенной по теоретической постоянной Хаббла (13,(3) млрд лет). Это лишний раз свидетельствует в пользу оптимальности последней величины, ибо 300 млн лет как раз потребовались юной Вселенной для того, чтобы сформировать древнейшие галактики и звезды с будущими белыми карликами и шаровыми скоплениями. Ниже возраст первых сверхскоплений галактик оценен в 200 млн лет после Большого Взрыва, однако они древнее первых звезд, а потому результаты вполне удовлетворительны. Дело в том, что ранние сверхскопления будущих галактик поначалу формировались как крупномасштабные возмущения вселенского вещества ок. 200 млн лет после Большого Взрыва, и лишь затем, ок. 300 млн лет после Большого Взрыва, в них сложились конкретные галактики с древнейшими звездами.
На наш взгляд, существует еще один путь расчета возраста Вселенной. Со времен Большого Взрыва ее внешние границы расширялись со скоростью света. Поделив скорость света на местную скорость вселенского расширения и взяв 2/3 от результата, мы получим нынешний радиус Вселенной в мегапарсеках (и световых годах), а значит и время, затраченное на достижение этого радиуса. При H0 = 50 км/с на мегапарсек радиус Вселенной составляет 13,031 млрд светолет и отличается от предыдущей оценки на 302,4 млн световых лет. Это расхождение означает, что Земля расположена к краю Вселенной на 302,4 млн светолет ближе, нежели ее центр, который отстоит от нас на ту же дистанцию.
Поиск такого центра отталкивается от наблюдения, что Южное полушарие звездного неба ощутимо глубже Северного [546; 695]. Это означает, что на Севере звездной сферы к нам ближе край Вселенной, а на Юге – ее центр. В Южном полушарии звездного неба по направлению к сверхскоплению галактик Гидра-Кентавр на расстоянии ок. 300 млн светолет от нас лежит Великий Аттрактор. Этот объект соответствует 5,4 × 1016 солнечных масс, имеет поперечник в 0,6–6 млн светолет и вдвое превосходит среднюю плотность Вселенной [524; 134; 296; 372, с. 62; 473; 704; 785; 830]; cp. [254].
Сверхмассивный Великий Аттрактор притягивает окружающие скопления галактик, в том числе наше Местное Сверхскопление, которое вместе с соседними сверхскоплениями стремится к Великому Аттрактору («Великому Притяжателю») в составе сверхпотока Персей – Рыбы протяженностью в 423,8 млн светолет [808; 548; 514; 605]. Это означает, что гравитоны Великого Аттрактора успели охватить область Вселенной с диаметром ок. 1 млрд светолет, а стягивающая Вселенную деятельность Великого Аттрактора началась ок. 500 млн лет назад.
Великий Аттрактор отождествляется с рентгеновским галактическим скоплением Абелль 3627, обладающим массой в 5,1 × 1015 солнечных масс и поперечником в 1,956 млн светолет, укладывающимся в поперечник Великого Аттрактора. Абелль 3627 является источником самого яркого рентгеновского потока среди всех известных скоплений (0,1–2,4 кэВ). Его отделяют от нас 303,18 млн светолет [473; 830]. Сравнивая наше расстояние от центра Вселенной (302,375 млн светолет) с расстояниями от Великого Аттрактора (ок. 300 млн светолет) и Абелля 3627 (303,18 млн светолет), мы заключаем, что речь идет об одном и том же образовании, три ипостаси которого выявлены совершенно различными, независимыми методами.
Абелль 3627 в 10 раз уступает расчетной массе Великого Аттрактора, которая определялась гравиметрически (по силе тяжести, т. е. однозначно), в то время как масса Абелля 3627 оценивалась оптически (по внешнему виду, т. е. далеко не однозначно). Расхождение объясняется тем, что 0,9 реальной массы Абелля 3627 состоят из невидимого «темного вещества».
«Холодное темное вещество» не испускает ни тепла, ни света и взаимодействует с обычным «горячим светлым веществом» лишь гравитационно, сильно влияя на движение галактик и их скоплений, но оставаясь невидимым во всех областях спектра. Оно было открыто благодаря одному астрофизическому парадоксу. Наша и другие галактики вращаются столь интенсивно, что центробежная сила могла бы их разметать. Видимой «светлой» массы им совершенно недостаточно, чтобы сцементировать их силой тяжести. Значит, существует некая невидимая «темная» масса, которая восполняет недостачу вещества, необходимого для консолидации галактик силой тяжести. Гравитационные оценки свидетельствуют, что по массе «темное вещество» образует не менее 90% состава Вселенной [333; 431; 581; 617; 629; 664; 739; 760; 783; 785; 795]; cp. [176]. Состав «темного вещества» – проблематичен.
Барионное (кваркосодержащее) «темное вещество» заключено в тусклых холодных белых карликах – это 2% от «темного вещества» галактического гало [604], – а также в МАСНО (массивных, компактных объектах гало планетарных масс), выявляемых методом микролинзирования: в тот момент когда они затмевают внегалактические звезды (галактик Большое Магелланово Облако и М22), те ненадолго ярко вспыхивают, становясь видимыми по обе стороны от затмевающего МАСНО, привлекая наше внимание (МАСНО гравитационно стягивают лучи света от них, выполняя роль маленькой гравитационной линзы, откуда происходит название метода микролинзирования) [133; 376; 665; 666]; cp. [224]. Можно упомянуть еще гипотетические космические струны – сверхмассивные, протяженные объекты замкнутой, петлистой фактуры, сохранившиеся от первой секунды жизни Вселенной, когда они застыли как пограничные состояния ее фазовых переходов (наподобие прожилок на замерзшем стекле, только длиной в световые годы) [22; 132; 167].
В небарионном (бескварковом) «темном веществе» предполагаются аксионы (см. разд. 1.1) [332; 586; 705] и вимпзиллы [360; 376]. Вимпы представляют собой слабо взаимодействующие массивные частицы в 106 ГэВ (гигаэлектронвольт), а вимпзиллы (т. е. вимпы-годзиллы) – это слабо взаимодействующие сверхмассивные частицы в 1012 ГэВ, которые еще предстоит открыть. Сюда же относятся гравитино (см. разд. 1.1) [332; 371, с. 39] и хиггсино (см. разд. 1.1) [371, с. 39; 706]. Называют также нейтралино (суперпартнер фотона со спином 1/2, т. е. аналог фотино, в 10–1000 масс протона) [760] и само фотино в 100 масс протона (см. разд. 1.1) [332; 371, с. 39; 705; 706; 725]. Наконец, популярны снейтрино [371, с. 39], таунейтрино с массой в 17–17,2 кэВ или 15–10000 ГэВ [303; 343; 376; 513; 528; 530; 673; 706; 739] и электронное нейтрино с массой от менее 7 эВ до 30 эВ [740; 760] (см. разд. 1.1).
Перечисленные микрообъекты занесены в состав «темного вещества» как бы наудачу, в ожидании наблюдательных открытий [725]. Между тем обобщенный подход имеется в теории суперструн, где «темному веществу» соответствует «теневое вещество» Е8' из калибровочной группы Е8 × Е8', в которой группа Е8 описывает мир обычного, «светлого вещества» [9, с. 520; 122, с. 583; 472]. Напомним, что калибровочные группы служат математической основой для принятия «к производству» не произвольного набора объектов и их свойств, а их некой математически обоснованной матрицы вроде таблицы умножения. Поскольку вездесущим фоном нашего мира «светлого вещества» является известное реликтовое микроволновое излучение, наполняющее космос и состоящее из фотонов с температурой в 2,726 ± 0,01 К [705; 760], то фоном невидимого мира «темного вещества» могло бы оказаться фотино, и без того присутствующее среди кандидатов на эту грозную роль.
Причину сокрытости от нас «холодного темного вещества» можно понять. Допустим, оно действительно состоит из суперчастиц (в том числе фотино), для которых единодушно предполагается значительная индивидуальная масса. Тогда сопоставимое с числом «светлых» частиц количество «темных» суперчастиц должно быть в несколько раз массивнее, что объясняет тот факт, что оценочная масса «темного вещества» достигает 90–99% массы всей Вселенной, в то время как на долю «светлого вещества» приходится 1–10%.
Следует также отметить, что, помимо гравитонов, «темное вещество» не испускает иных излучений, в том числе электромагнитных, световых, откуда происходит его мрачное название. Причина может состоять в следующем. Суперчастицы очень массивны, и радиусы их взаимодействий крайне малы (см. разд. 1.1). В силу этого обстоятельства суперчастицы не в состоянии взаимодействовать со «светлым» веществом, образовывать с ним комбинации, склонные излучать фотоны (как свойственно всякому «светлому веществу»), обнаруживать себя оптически или же путем магнетизма, т. е. слабых и сильных взаимодействий. Поэтому, даже находясь рядом с нами, «темное вещество» останется неощутимым.
Таким образом, версия «темного вещества», состоящего из суперчастиц, представляется наиболее простой и убедительной, поскольку органично встраивается в современную научную картину физического мира. Другое дело, что природа «темного вещества» не облегчает задачу его эмпирического обнаружения, так как экспериментальное проникновение в мир суперчастиц с малыми радиусами взаимодействий требует больших энергий.
Зная отношение вселенской массы «светлого вещества» к массе «темного» (ок. 0,1–0,01), мы в состоянии предположить порядок масс отдельных суперчастиц (см. рис. 1). В принципе, их массы могут колебаться от 0,7–7,0 эВ у сэлектронного снейтрино до 1780–17800 ГэВ у истинного скварка. По-видимому, подобные объекты не в силах образовывать привычные нам формы вещества (нуклоны, атомы, молекулы), так как требуют очень высоких энергий для своего сближения, а в современной холодной Вселенной таких энергий нет. Если же они появятся, мощи сильного взаимодействия не хватит, чтобы удерживать суперчастицы в ансамблях, вследствие чего они и не сложились на заре горячей Вселенной. Из сказанного следует, что мир «темного вещества» чужд миру «светлого» в силу отсутствия организации, отчего «темный мир» представляется этаким холодным древним хаосом, о присутствии которого во Вселенной догадывались уже первобытные охотники.
Разделение громадного «темного» и крохотного «светлого» миров началось 13,(3) млрд лет назад, когда чередование событий измерялось мельчайшими планковскими квантами времени, меньше которых не существует единиц измерения времени по квантово-механическим причинам, – это 5,4 × 10–44 с. На заре нашего мира Вселенная пребывала в форме сингулярности (см. разд. 1.3). Затем она распалась на суперточки (см. разд. 1.1), которые превратились в трепещущие суперструны, что явилось первым проявлением термодинамики во Вселенной. Термодинамика – это наука о динамических состояниях макроскопических систем, и на заре времен начало им было положено хаотичным биением юных суперструн, рождающих закон неубывания энтропии (см. разд. 1. 4).
Отталкиваясь друг от друга, суперструны начали расходиться во все стороны, а новорожденная Вселенная стала расширяться и, соответственно, остывать. До момента 10–43 с после Большого Взрыва четыре основных физических взаимодействия (гравитационное, слабое, электромагнитное, сильное) проявлялись на одинаковых дистанциях и были неразличимы по эффектам (т. е. пребывали в состоянии Великого Объединения). Затем рост дистанций между суперструнами обособил гравитацию. По той же причине в момент 10–35 с после Большого Взрыва отделилось сильное взаимодействие, и Вселенная перестала склеиваться глюонами, переносчиками самого мощного – сильного – взаимодействия. В результате Вселенная взрывообразно вздулась. Эта стадия раздувания Вселенной (инфляция) заняла 10–35/10–34 – 10–32 с после Большого Взрыва, когда Вселенная выросла в 1050 раз [34; 67; 68; 373; 388; 389; 390; 512; 532]; cp. [448]. (Поясним при этом, что разделение фундаментальных физических взаимодействий по мере расширения и остывания Вселенной происходило потому, что для каждого из них характерны определенные дистанции проявления: в крохотной Вселенной они неразличимы, а в расширившейся заявляют о себе во весь голос.)
В эпоху 10–32 – 10–6 с после Большого Взрыва Вселенную наполнял кварк-электронный бульон. Через 1 с после Большого Взрыва состоялось разделение электромагнитного и слабого взаимодействий, и началось образование протонов. Спустя 100 тыс. лет после Большого Взрыва Вселенная все еще выглядела как смесь вещества и излучения (фермионов и бозонов). С возникновением нейтронов появились атомы (гелия, дейтерия, лития – 0,5 млн лет после Большого Взрыва [547]). Наступило разделение вещества и излучения – Вселенная стала прозрачной, как в настоящий момент. Из затравок, обусловленных колебаниями плотности вещества, зародились протосверхскопления, которые через 200 млн лет после Большого Взрыва [547] превратились в сверхскопления галактик. Разделенные колоссальными пустотами, они стали каркасом ячеистой крупномасштабной структуры Вселенной [41]. Обособление «темного» вещества от «светлого» произошло еще в ходе раздувания Вселенной, когда щупальца взаимодействий тяжелых суперчастиц перестали доставать до юрких, легких элементов «светлого» вещества.
Схема нынешней Вселенной видится следующим образом (рис. 2). В ее центре висит Великий Аттрактор (Абелль 3627), окруженный шестилучевым надсверхскоплением галактик, часть которого является агломератом Рыб – Кита (куда входят сверхскопления галактик Волосы Вероники, Гидра – Кентавр, Персей – Рыбы, Рыбы – Кит; поперечник этого образования достигает 1,2096 млрд светолет, масса 1017 – 1018 солнечных масс [759; 783]). Другая часть надсверхскопления связана с волокном Персей – Пегас протяженностью 912,8 млн светолет [177; 759]. Во все стороны от агломерата Рыб – Кита разбегаются пустоты того же поперечника, по десятку в каждом направлении. В их стыки вкраплены надсверхскопления галактик вроде нашего агломерата Рыб – Кита, только сильнее разреженные и менее массивные. Речь, разумеется, идет об идеализированной схеме – в реальности она причудливо искажена, разнообразится пустотами меньшего масштаба [411] и т. д.
Идея анизотропной Вселенной, располагающей конкретным центром, выглядит революционной лишь на первый взгляд. В действительности никакой другой Вселенная быть и не могла. В самом деле, общепризнанная космогония исходит из того, что Вселенная родилась в Большом Взрыве. Но всякий взрыв располагает эпицентром. Несомненно, он имелся и у Большого Взрыва. В таком случае расширение Вселенной происходило относительно этого эпицентра, который и является полноценным центром Вселенной. В сущности, мы всего лишь конкретизировали его местонахождение, отождествив таковое с небесными координатами Великого Аттрактора.
Представленная выше картина макромира позволяет единообразно разрешить самые острые парадоксы новейшей астрофизики. К ним относятся нарушения закона Хаббла удаленными квазарами и сверхновыми звездами, откуда в конечном счете следует, что либо Большого Взрыва никогда не было, а следовательно нет и закона Хаббла, либо Вселенная в десять раз древнее, чем полагают, и тогда львиная доля космогонии (астрофизической науки о происхождении Вселенной) подлежит забвению… Попробуем детально разобраться с этими бедами.
Закон Хаббла подразумевает, что в расширяющейся Вселенной скорость удаления галактик, например от нашего Млечного Пути, пропорциональна расстоянию этих галактик от нас. Так происходит не потому, что Млечный Путь занимает исключительное место во Вселенной, а потому, что Вселенная повсеместно как бы раздвигается. Из-за этого одновременно растут расстояния между всеми галактиками, эти расстояния в наших глазах складываются, и нам закономерно кажется, что ближайшая галактика удаляется со скоростью Х, вторая по удаленности – со скоростью 2Х, третья – 3Х и т. д. Изящество и простота закона Хаббла покорила астрофизическую науку.
Связанная с ним сложность всегда состояла в том, что никак не удавалось однозначно определить абсолютную скорость, с которой расширяется Вселенная. Мы точно знаем, какая из галактик удаляется от нас быстрее, но с какой именно скоростью – не знаем. Это происходит потому, что астрономам нелегко определить точные расстояния до других галактик. В результате всякое очередное определение какого-либо из этих расстояний тут же приводит к оглашению новой величины для скорости расширения Вселенной, т. е. для постоянной Хаббла, о разбросе величин которой говорилось выше.
Можно задаться вопросом: имеет ли это обстоятельство мировоззренческое значение? Ответ состоит в том, что, не зная постоянной Хаббла, мы не узнаем возраста Вселенной. Не зная возраста Вселенной, мы не поймем, как она строилась. Не понимая, как она строилась, мы не поймем, что ее ждет. Для космической цивилизации, в которую постепенно превращается цивилизация человеческая, такое положение вещей неприемлемо. Кроме того, нам интересно было бы узнать, как устроен небесный мир…