Загадки Вселенной

В мае издательство «Троицкий вариант / Тровант» выпускает книгу «Рубаков и физика Вселенной». Изначально предполагалось, что это будет книга, посвященная памяти академика Валерия Рубакова, а ее основным содержанием станут воспоминания друзей и коллег из Института ядерных исследований РАН. Однако затем планы расширились: решено было сделать книгу не столько мемориальной, сколько просветительской и рассказать не только об ученом, но и о той науке, которой он посвятил свою жизнь. Для этой цели в издание включены интервью с коллегами о наиболее ярких задачах, над которыми работал Валерий, а также его лекции — благо он сам был замечательным просветителем. Публикуем расшифровку одной из его публичных лекций, представленных в будущей книге. Она была прочитана в культурно-просветительском центре «Архэ» 8 июля 2019 года.

Я должен извиниться перед моими коллегами, особенно физиками, потому что аудитория здесь достаточно смешанная. Перед нефизиками тоже извиняюсь. Какие-то вещи будут, я надеюсь, понятны всем, какие-то будут понятны физикам и непонятны всем остальным, а какие-то, может быть, вообще никому не будут понятны. Ну, посмотрим. Поэтому я сначала выступаю с таким дисклеймером. Собственно, тема обозначена: загадки Вселенной. И начну я с довольно длинного введения.

В этом введении я хочу сказать, что, с одной стороны, мы сегодня продвинулись очень сильно в понимании того, как работает Вселенная, как она устроена, как она эволюционировала. Это, надо отметить, достаточно новая вещь, новая по меркам человеческой цивилизации. Помню, когда я входил в науку — а это было конец 1970-х — начало 1980-х годов (конец 1970-х скорее), — взгляд на космологию был несколько пренебрежительный, потому что в то время данных было мало, зато было много теоретических воззрений, которые ни на чем не основывались. И по отношению к другим физическим дисциплинам это была такая довольно умозрительная наука, которую, собственно, и наукой-то по физическим меркам было трудно назвать, потому что экспериментальных наблюдательных данных было очень мало.

Сегодня ситуация другая. Теперь имеется большой набор данных. О некоторых из них я буду коротенько говорить, но не буду вдаваться в детали, откуда какие данные берутся. Эти данные позволяют количественно говорить о строении и эволюции Вселенной. Это с одной стороны. С другой — то, что мы выяснили про Вселенную, оказалось отчасти перпендикулярным тому, что мы знаем про мир элементарных частиц, про физику микромира, про физику элементарных частиц. И тут вот, собственно, часть загадок космологии и находится, потому что две совершенно фундаментальные области — физика микромира, физика элементарных частиц и космология, физика Вселенной — плохо «сшиваются» друг с другом, и нам еще предстоит понять, что на самом деле за всем этим стоит.

В качестве введения я должен рассказать, что мы сегодня знаем о Вселенной в общих чертах. Во-первых, мы знаем, что видимая Вселенная везде одинакова. (Я всё время буду подчеркивать, что речь идет о видимой части Вселенной. Чуть позже скажу, что этим вовсе не исчерпывается вся Вселенная.) Видимо, Вселенная везде одинакова в масштабах порядка миллиарда световых лет или около того. Разные области Вселенной выглядят совершенно одинаково. Это видно из глубоких обзоров галактик. Сегодня у нас имеется карта Вселенной до расстояний масштаба десятков миллиардов, двадцати миллиардов световых лет. И речь идет о объектах, галактиках, счет которым идет на миллиарды. И это еще не конец. Эта карта будет уточняться. Но сегодня мы знаем, что Вселенная везде одна и та же.

Далее мы знаем, что Вселенная расширяется. Это закон Хаббла, это было известно еще с 1920-х годов. Пространство растягивается. Вот тут намедни пришло сообщение о том, что патриарх Кирилл тоже заинтересовался космологией. Но заинтересовался он очень по-дилетантски. Он объявил, что, по мнению ученых, Вселенная пошла расширяться из некоторой точки. Этот взгляд совершенно неправильный. Вселенная не пошла расширяться из какой-либо точки. Понятие «Большой взрыв» совершенно не соответствует представлению о взрыве, о том, что где-то что-то взорвалось и пошло разлетаться в пустоту. Ничего подобного. Вселенная — по крайней мере та часть, которую мы видим, — везде одинакова, поэтому она начала эволюционировать из одного и того же состояния везде и всюду в огромном-огромном объеме. Что-то на самом деле выглядит очень странно, но факт жизни такой, что Вселенная начала расширяться когда-то с очень больших плотностей энергии и температур — об этом мы поговорим, — и до сих пор она расширяется. Пространство растягивается.

Надо представлять себе картинку, что у вас есть, условно говоря, воздушный шарик, на поверхности которого мы только и способны жить, и световые сигналы могут распространяться вдоль поверхности этого воздушного шарика. Вот он так равномерно растягивается — у вас нет никаких выделенных точек, а он растягивается, пространство расширяется. И лишней координаты, куда он растягивается, тоже нет. Такая немножко отвлеченная картинка, но смысл в том, что нет никаких выделенных точек в нашей Вселенной, это мы хорошо знаем, и тем не менее пространство растягивается и расширяется. Это известно было давно по эффекту Доплера. Убегающие галактики испускают свет, и длина этой световой волны, пока свет летит от далеких галактик, успевает растянуться вместе с растягивающимся пространством. Свет становится более красным. В этом состоит эффект Доплера на космологическом языке ¹.

Это очень хорошо измеренный эффект, который на самом деле много о чем говорит и на основе глубокого изучения которого было получено свидетельство о том, что во Вселенной есть темная энергия — об этом я еще поговорю. Мы понимаем, что сегодня расширение пространства идет очень медленно. Мы с вами живем и этого не замечаем по вполне понятной причине. Расширение Вселенной настолько медленно, что мы успеваем к нему приноровиться. А если говорить точнее, то все расстояния между удаленными объектами растянутся вдвое примерно за десяток миллиардов лет. Вот такой характерный масштаб времени расширения сегодня — 10 млрд лет. Но это не означает, что так оно и было всегда. В прошлом Вселенная была гораздо более плотной, а при расширении вещество в ней становилось более разреженным. И темп расширения был гораздо выше, чем сегодня. Об этом мы тоже можем уверенно говорить.

Еще одно свойство нашей Вселенной: она теплая. Смысл этого очень простой. Когда-то у Вселенной были очень высокие температуры. Ну и при расширении температура снижалась, как охлаждается любое расширяющееся вещество. Температуры были очень высокие, а горячие среды, горячие объекты испускают электромагнитное излучение. Вот лампочки испускают видимый свет, чайник — инфракрасное излучение. И тогда во Вселенной в ранние времена происходило излучение света, точнее, электромагнитного излучения, которое дошло до нас. И сегодня это электромагнитное излучение имеет температуру 2,7 К. Это не очень высокая температура, но сам факт того, что есть такое вот реликтовое излучение, означает, что во Вселенной когда-то реализовывались очень высокие температуры, вещество во Вселенной было очень горячим, и в этом, собственно, теория горячего Большого взрыва и заключается.

В истории Вселенной был важный момент: переход из плазменного в газообразное состояние. Плазма замечательна тем, что в ней были протоны и, главное, свободные электроны. А после перехода в газообразное состояние образовались атомы из протонов и электронов. Чуть-чуть было еще и гелия. Почему это важно? Потому что плазма непрозрачна для электромагнитного излучения из-за рассеяния на свободных электронах. До перехода из плазменного в газообразное состояние вещество Вселенной было непрозрачным, мутным. А после перехода, наоборот, газ стал прозрачным. мы с вами прекрасно видим друг друга, а тогда плотность этого газа была очень-очень низкой, всего-навсего 250 атомов водорода в кубическом сантиметре — вообще по нашим меркам почти ничего, — и фотоны отлично путешествовали с этого времени по Вселенной, не рассеиваясь ни на чем, и к нам прилетели. И сегодня мы имеем фотографическую картинку ранней Вселенной. Мы знаем, как она была устроена при такой высоченной температуре, 3000 К, мы имеем буквально карту Вселенной того времени. Температуре 3000 К соответствует возраст 380 тыс. лет всего-навсего. Сегодня возраст Вселенной — 13,8 млрд лет.

Вот это самая лучшая фотография юной горячей Вселенной. Что здесь изображено? Более яркие, более желтые области — это области с повышенной температурой по отношению к средней, а более синие, наоборот, — с пониженной температурой. Хочу обратить внимание, что на самом-то деле эти неоднородности по температуре, эти флуктуации температуры по величине составляют очень маленькую долю — порядка одной десятитысячной, даже меньше. Если сама температура — это 2,7 К, то речь идет о тысячных долях кельвина, милликельвинах. Вселенная была сильно однороднее, чем сегодня. Сегодня у нас есть с вами галактики, скопления галактик, есть всякие другие структуры. Мы с вами, в конце концов, тоже неоднородности Вселенной. А тогда ничего такого не было, Вселенная была однородна, и в ней были маленькие-маленькие по амплитуде неоднородности. Но мы про них многое знаем, и эта фотография на самом деле очень информативна. Конечно, ее надо уметь расшифровывать, но если это сделать, то мы получим множество интереснейших фактов.

Если Вселенная теплая, если мы пойдем назад во времени и будем изучать, что же происходило во Вселенной, то мы увидим с вами, что наивная экстраполяция приведет нас к моменту Большого взрыва, к моменту, когда температура формально бесконечна, когда плотность вещества бесконечна, темп расширения тоже бесконечный. Вселенная расширяется с огромным темпом. И такое вот сингулярное начало было господствующей картинкой, наверное, до начала 1980-х годов, когда люди поняли, что на самом деле с этим жить трудно. И пришлось предположить, что горячая Вселенная не была самой первой. Сегодня мы в этом уверены.

Фактически, мы уверены, что до горячей стадии, которую мы хорошо понимаем (хотя и не всё знаем про нее в деталях) и которая описывается обычными законами физики, была гораздо более интересная и необычная стадия. Может быть, это была инфляционная стадия — я об этом пару слов скажу, — может быть, это было что-то другое, но Вселенная в любом случае началась не с горячей стадии, не с горячего Большого взрыва. Вот это надо понимать: удивительно, что пока мы еще не очень знаем, что это была за эпоха, но знаем, что она была — очень необычная, совершенно не похожая на современную или раннюю эпоху.

Еще одно свойство — я хочу о нем упомянуть, хотя оно, может быть, для нас не очень существенно: наше пространство не обязательно евклидово. Все мы с вами в школе проходили, что сумма углов треугольника равна 180°. Вообще говоря, в теории относительности пространство кривое, может быть, искривленное. Сумма углов треугольника не обязана равняться 180°, наше трехмерное пространство не обязано быть евклидовым. Оказывается, это вопрос эксперимента, ответить на него можно, изучая карту реликтового излучения, что показана на предыдущем рисунке.

Однако выясняется, что наше трехмерное пространство все-таки евклидово, сумма углов треугольника действительно 180°, т. е. оно — аналог плоскости, а не, скажем, аналог сферы. Это значит, что видимая часть Вселенной составляет не более одной сотой от ее полного объема. Скорее всего, заметно меньше. Скорее всего, наша Вселенная гораздо-гораздо больше, чем то, что мы видим. Вселенная огромна, а мы видим маленькую-маленькую ее часть.

Теперь несколько слов о ранней Вселенной. Почему мы так уверены, что понимаем происходившее там? Ну, во-первых, количественное описание перехода из плазменного в газообразное состояние позволяет нам с уверенностью говорить об ее эволюции, о том, какие там шли физические процессы, какой был темп расширения при температуре 3000° и возрасте 380 тыс. лет. Но это не самый ранний этап эволюции Вселенной, о котором нам доступны наблюдательные данные. Самый ранний этап — ну, или почти самый ранний — это этап термоядерных реакций. Во Вселенной при очень высоких температурах — выше, чем температуры в центре Солнца, — шли термоядерные реакции. Те самые реакции, которые греют Солнце, которые идут в термоядерных бомбах. Это реакции образования легких элементов.

Сначала при высоких температурах у Вселенной были протоны и нейтроны, а при понижении температуры начали образовываться легкие ядра. В конце концов получились дейтерий, гелий-3, гелий-4, в основном. И это происходило при температурах порядка миллиардов градусов во всей Вселенной. Эти реакции описываются нормальной ядерной физикой, мы о них хорошо знаем. И можем предсказать, какие образовывались элементы — вот эти легкие — дейтерий, гелий-4… И, с другой стороны, можем оценить их количество. Так вот, выясняется, что есть весьма трогательное согласие. Есть трогательное согласие между теоретическими вычислениями и измерениями количества этих легких элементов, образовавшихся в ранней Вселенной. Всё это отлично сходится друг с другом. И что это означает? Это означает, что мы уверенно можем говорить, уверенно знаем, как Вселенная эволюционировала при температурах в миллиарды градусов и временах жизни порядка одной секунды.

Было во Вселенной время, когда пространство расширялось вдвое за одну секунду. Не за 10 млрд лет, как сегодня, а за одну секунду. Это не просто, но представьте себе ситуацию, когда за одну секунду у вас всё растягивается в два раза. Такое время во Вселенной было, и мы уверенно можем говорить об этой эпохе — эпохе термоядерных реакций.

Заканчивая с этим общим введением, я скажу, что сегодня нам история Вселенной известна в очень и очень многих деталях. Мы знаем про эпоху рекомбинации, или эпоху перехода из плазменного состояния к газообразному. Мы знаем про эпоху образования первичных элементов, первичного нуклеосинтеза. Всё это мы сегодня и теоретически, и экспериментально проверили. И вся эта картинка, весь этот пазл сходится. А что было раньше — это отдельный вопрос, о котором, может быть, мне тоже удастся рассказать.

Ну, вот теперь, собственно, к загадкам, ведь наша тема — «Загадки Вселенной». Среди них есть загадки первого сорта, связанные с составом Вселенной. Если посмотреть внимательно на все наблюдательные данные, которые собраны про Вселенную, оказывается, что состав у нее сам по себе очень необычный. Обычное вещество составляет всего-навсего около 5%. Это водород, гелий, ну и более тяжелые элементы, которые образовались позднее. Есть еще немножечко нейтрино, о которых я сейчас не буду говорить, хотя это интересная частица, интересная фракция. А вот всё остальное — это совершенно непонятно, что такое. И, как шутили в свое время физики, когда выясняется, что то или сё неизвестно, то надо слово придумать — тогда становится легче. Вот придумали слова, причем оказывается, что требуются сразу две фракции с разными свойствами — и одна из них получила название «темная материя», а другая — «темная энергия». И та есть, и другая есть, но и та, и другая совершенно загадочны.

Если посмотреть на эту диаграмму, на этот «слоеный пирог», то тут все фракции на самом-то деле представляются загадочными, включая обычное вещество. Почему? Потому что мы давно знаем, что наряду с частицами есть античастицы, наряду с веществом может быть антивещество. Есть позитроны — антиэлектроны, есть антипротоны. В ЦЕРНе сейчас делают антивещество — массовое производство антивещества происходит десятками, сотнями антиатомов. Антипротон с позитроном образуют антиатом водорода — пожалуйста, сколько угодно. Свойства у этих антиатомов практически те же самые, что и у обычных атомов. И это тоже экспериментальный факт.

Итак, в ЦЕРНе сейчас изучают свойства антивещества, и нет ничего удивительного в том, что его свойства такие же, как и у обычного вещества. В чем же проблема? Проблема в том, что во Вселенной в целом картина совершенно другая: есть вещество, звезды, межзвездный газ, всё, о чем я говорил, а вот антивещества нет. Более того, можно с уверенностью говорить, что если бы антивещество было, то мы бы давно его уже зарегистрировали, потому что происходила бы его аннигиляция с обычным веществом на поверхности раздела, мы бы это давным-давно заметили. Так что антивещества во Вселенной нет, а вещество есть, и это удивительно.

Почему это удивительно? Потому что мы с вами знаем: в природе есть некие законы сохранения. Есть очевидные, типа закона сохранения энергии, а есть не очень очевидные. И вот один из них — это так называемый закон сохранения барионного числа. Это жаргон — к сожалению, тут без жаргона не обойтись, — но смысл простой. Протоны и нейтроны состоят из кварков — это не элементарные, а составные частицы. Барионное число — это разница между числом кварков и антикварков. У протона барионное число единица, у нейтрона тоже единица, а у антипротона, наоборот, минус единица. В протоне три кварка, антикварков нет. А в антипротоне, наоборот, три антикварка, кварков нет. Закон барионного числа отлично работает.

Это единственная причина, почему мы с вами не распались до сих пор. В мире элементарных частиц всё может развалиться, распасться, все они нестабильны, если им не запрещают распадаться законы сохранения, у всех почти ограниченное время жизни. Стабильных, не распадающихся элементарных частиц раз-два и обчелся: электрон, протон, ну и нейтрино. Все остальные частицы нестабильны — и их еще много, я о них несколько слов скажу: другие кварки, тяжелые аналоги электрона… Почему нестабильны? Им ничего не запрещает распадаться. Раз нет запрета — значит, распадаются. А протону запрещает распадаться закон сохранения барионного числа — это легчайшая частица, у которой есть барионное число, единица. Поэтому распадаться ему просто некуда. Закон сохранения энергии запрещает распадаться на что-то более тяжелое, поскольку Е = mc², поэтому ни на что более тяжелое протон распадаться не может, все остальные легкие частицы имеют нулевое барионное число. И опять-таки экспериментальный факт состоит в том, что время жизни протона как минимум колоссально — больше 10³³ лет. Понятно, что не надо ждать 10³³ лет, пока один протон распадется. Надо собрать 10³³ протонов и подождать год. Может быть, протон живет и бесконечное время, но уж точно больше этой экспериментально установленной величины. Мы с вами благодаря этому, собственно, тут и сидим — потому что если бы не закон сохранения этого барионного числа, то наши протоны отлично распадались бы. Свободный нейтрон, кстати сказать, отлично распадается на протон и другие частицы. У него тоже барионное число единица, но он чуть-чуть тяжелее протона и потому распадается.

Теперь отправимся в раннюю Вселенную. В ранней Вселенной температуры были колоссальные. Что такое температура? Это энергия движения частиц в среде. И при высоких температурах столкновения частиц в среде могут рождать пары частиц и античастиц. Это на ускорителях происходит массово. Огромное количество пар рождается, например, на Большом адронном коллайдере. Значит, процессы рождения пар частиц и античастиц хорошо изучены, это тривиальная вещь для физики элементарных частиц. Так вот, при высоких температурах рождались пары — кварки и антикварки. В столкновениях других частиц и кварков друг с другом рождались пары кварков и антикварков, и можно посчитать, сколько таких пар было. Выясняется, что для того, чтобы иметь сегодня такую плотность вещества во Вселенной, какая она есть, требуется, чтобы в ранней Вселенной была небольшая асимметрия — разница между числом частиц (кварков) и античастиц (антикварков). По отношению к полной сумме — полному числу этих пар — эта величина должна составлять примерно одну миллиардную.

Дело в том, что по мере расширения Вселенной кварки с антикварками аннигилируют, причем в охладившейся среде энергии частиц уже не хватает, чтобы подобные пары рождались вновь. Из миллиарда остается лишь один нескомпенсированный, лишний кварк. Потом именно такие кварки и образует протоны, нейтроны, а в конечном итоге и нас с вами. Вот откуда мы взялись. Мы взялись из того, что во Вселенной был такой вот странный избыточек материи над антиматерией на уровне 10^–9.

Совершенно невозможно представить себе, что такая асимметрия была в самом начале, более того, те представления о начале развития Вселенной, которые существуют на сегодняшний день, просто требуют, чтобы разница была изначально равна нулю, и лишь со временем перекос должен каким-то образом возникать в результате эволюции Вселенной. Должны быть какие-то процессы, которые «знают», что вещество чуть-чуть отличается от антивещества, и за счет таких процессов должно рождаться чуть-чуть больше материи, чем антиматерии — на уровне одной частицы на миллиард.

Надо сказать, что сам этот вопрос был поставлен аж в 1967 году Андреем Дмитриевичем Сахаровым. Все знают, что он был общественным деятелем, но на самом деле он был и достаточно сильным физиком. В частности, занимался вопросами космологии. И вот этот вопрос он задал в 1967 году, а ответа на него до сих пор нет. Мы до сих пор не можем с уверенностью сказать, откуда взялось вещество Вселенной, почему у нас наблюдается его избыток над антивеществом и, собственно, каков источник нашего с вами существования. Загадка не решена.

Есть, конечно, множество попыток объяснения: теоретики — народ изобретательный, их работа — придумывать всякие модели и механизмы. Сегодня этих механизмов, не скажу, что сотни, но десятки описаны на бумаге. Однако ни один из них экспериментально не подтвержден. Сегодня мы с вами не знаем ответа на этот вопрос и не можем уверенно сказать, как же получился избыток материи над антиматерией.

Теперь, вторая загадка. Она, наверное, проще в смысле возможности ее разгадки. Это темная материя, вот эти 26%, и впервые она обнаружилась не в космологическом, а скорее в астрофизическом контексте. Именно астрономы стали изучать гравитационные взаимодействия в разных ситуациях — в скоплениях галактик и в галактиках. И при наблюдении скоплений галактик открылся первый способ обнаружения этой скрытой темной материи. И это не единственный путь — есть много других способов измерения гравитационных сил, гравитационных потенциалов в скоплениях галактик, например гравитационное линзирование.

Вот у нас на снимке есть разные галактики в скоплении желтоватого цвета, а вытянутые фрагменты голубенькой галактики (она позади) искажены из-за того, что приходящий от нее свет искривляется за счет массы более близкого скопления. Как известно, вблизи массивного тела движение света искривляется. В результате скопление галактик работает как линза и дает много изображений одной и той же галактики, которая находится сзади. Много изображений, потому что линза не идеальна (если взять плохую линзу, то вы увидите много-много изображений). Можно восстановить распределение полной гравитирующей массы, и выясняется, что ее больше примерно в пять раз, чем массы обычного вещества, которое можно независимо измерить. И добавочная масса распределена по скоплению гораздо более равномерно, чем обычное вещество.

На картинке, размещенной на стр.1, в другом скоплении распределение полной массы показано голубым цветом. Это и есть темная материя. Не обычное вещество, не вещество, которое светит или поглощает свет, — какое-то другое вещество, которое собирается в скоплении галактик и в данном случае вызывает гравитационные взаимодействия так же, как и известное нам вещество, но в остальном оно совершенно не похоже на него.

Есть и другая картинка (вверху), где показано измерение скоростей вращения в галактике. То было скопление, большой объект, а это объект меньшего размера — галактика. Здесь изображена совсем небольшая галактика, существенно меньше нашей. Вы можете измерять скорость обращения звезд вокруг центра этой галактики вплоть до больших расстояний. Там звезд мало, но все-таки они есть, и они вращаются вокруг галактики. Измерения скорости обращения показывают типичные кривые вот такого сорта. Получается, что скорости у вас не падают с расстоянием до центра. Если бы всё вещество, вся масса была сосредоточена в центральной части галактики, то мы бы ожидали кривую, которая показана пунктиром — ньютоновская физика довольно простая. А то, что мы такой картины не наблюдаем, означает, что на периферии этой галактики есть дополнительная масса, и эта масса, в отличие от обычного вещества, не светится. Это тоже темная материя, но уже в галактике. Картина получается такая, что все галактики, включая нашу, погружены в большие гало темной материи. Что это такое? Это неизвестные частицы.

На рисунке справа — все элементарные частицы, которые мы знаем. Здесь наш знакомый электрон, легкие кварки u и d, из которых сделаны протоны и нейтроны. Мы с вами все сделаны всего-навсего из трех типов частиц — электрон, u и d кварки. Всё. Плюс еще, конечно, электромагнитное излучение — фотон, — ну и всякие другие частицы, похожие на фотон, обеспечивающие взаимодействие между частицами разных типов. Есть более тяжелые частицы — мюон, тау-лептон и их соответствующие нейтрино. Мюон и тау-лептон нестабильны, им ничего не запрещает распадаться. Также, как и более тяжелым кваркам, их еще четыре штуки всего-навсего, они тоже нестабильны, тоже все распадаются. Всё. Есть еще бозон Хиггса, есть частицы, похожие на фотон и отвечающие за взаимодействия. Вот всё, что мы с вами знаем. Ни одна из этих частиц не годится на роль частиц темной материи.

Для объяснения темной материи надо иметь частицы электрически нейтральные — значит, электроны, мюоны, тау-лептоны и кварки не годятся сразу, они электрически заряжены. Нейтрино очень легки, они не удерживаются в комках — не удерживаются, скажем, в галактике, вылетели бы из галактики давным-давно. Фотон, конечно, тоже не годится, это безмассовая частица, он тоже не удержится в галактике, вылетает вообще почти из любой гравитационной ямы. Все остальные частицы распадаются, а нам надо иметь стабильную, чтобы она дожила до наших дней и образовала темную материю. Таким образом, темную материю составляют неизвестные нам частицы.

В физике элементарных частиц сложилась скандальная ситуация в связи с тем, что уже в течение долгого времени — по крайней мере, с середины 1980-х — начала 1990-х годов — ясно, что должна быть темная материя, что она должна быть сделана из новых, неизвестных науке элементарных частиц, но до сих пор мы не знаем, что это за частицы. Загадка! Мы только общие слова можем сказать, что должны быть новые, неизвестные нам тяжелые массивные частицы, чтобы они удерживались в галактиках, а не улетали из них подобно свету. Значит, скорее всего, их много. Скорее всего, вот в этой комнате сейчас болтаются тысячи таких частиц на кубический метр. Они сквозь нас просвистывают, и мы их не замечаем, но они тут есть. Может быть, их гораздо больше. На самом деле это зависит от их массы. Но по крайней мере уж тысячи штук их точно в этой комнате на кубический метр имеется. Однако поймать их никак не удается.

Эти частицы должны быть стабильны, что не так просто. Стабильность, скорее всего, означает, что существует новый закон сохранения. Законов сохранения в природе раз-два и обчелся. Среди известных нам есть закон сохранения барионного числа, о котором я уже говорил, закон сохранения электрического заряда… Всё. Других законов сохранения нет. Закона сохранения лептонного числа нет, оно слегка нарушается. Само собой, есть законы сохранения импульса, энергии, вращательного момента, но я говорю про внутренние законы сохранения. Значит, должен быть новый закон сохранения, новая симметрия фундаментальных взаимодействий. Потому что каждому закону сохранения соответствует некая симметрия.

Это всё очень всё увлекательно для теоретика. Правдоподобная гипотеза состоит в том, что эти новые частицы с массой типа сотни или тысячи масс протона слабенько, но все-таки взаимодействуют с обычным веществом. Слабенько настолько, что мы до сих пор их не смогли зарегистрировать. Но если их масса такая, если действительно они хоть чуть-чуть взаимодействуют с обычным веществом помимо гравитационного взаимодействия, то есть шанс, что мы их обнаружим. Это отдельный разговор.

Если их масса порядка ста или тысячи масс протона, то это уже те области энергий, которые доступны современным ускорителям. И, конечно, это скандальная ситуация: существование частиц очевидно, но неизвестно, что это такое. Поиски ведутся разными способами, в частности, есть большие эксперименты в подземных лабораториях. Почему в подземных? А как надо искать частицы темной материи, если они вот здесь у нас болтаются? Надо ожидать, что все-таки время от времени они сталкиваются с ядрами обычного вещества, отдает им энергию, толкает их, и эту энергию можно пытаться зарегистрировать. Идея такая: вы берете большой объем вещества и ждете, пока в нем ни с того ни с сего появится выделение энергии, ни с того ни с сего начнет двигаться ядро. Но таких процессов много. Эти процессы здесь на поверхности происходят ежесекундно в огромном количестве. Например, из-за того, что у нас есть радиоактивность. Или из-за того, что на нас всё время валятся космические лучи — частицы достаточно высоких энергий, которые проникают сквозь атмосферу. При этом отделить редкие, чрезвычайно редкие процессы с участием частиц темной материи от таких обыденных процессов, скажем, с радиоактивностью или космическими лучами, — это сложная задача. Поэтому приходится уходить глубоко под землю, чтобы космические лучи не достали до установки, чтобы все задержались землей. Надо искать очень чистые в изотопном отношении вещества, чтобы не было радиоактивности, и тогда есть шанс зарегистрировать редкие явления, когда частица в темной материи стукнется в ядро. Такие эксперименты идут, пока безрезультатно.

Другая возможность — это поиск на Большом адронном коллайдере. Там есть целая программа по поиску частиц темной материи и их партнеров, которые могут с ними вместе рождаться в столкновениях на Большом адронном коллайдере. Масса этих частиц — порядка сотен масс протонов, используемой энергии достаточно для того, чтобы эти частицы образовывать. Опять работает формула Е = mc², при этом Е хватает, чтобы образовать mc² для таких частиц. И поиск этих частиц на Большом адронном коллайдере — это отдельная страничка в программе исследований. Но опять же пока безрезультатно.

Есть еще один способ непрямой регистрации, на мой взгляд, очень перспективный, связанный с тем, что эти частицы могут накапливаться в центре Земли или в центре Солнца и там аннигилировать. Ну, подумаешь, проаннигилировали в центре Солнца! Но они могут проаннигилировать с рождением нейтрино высоких энергий. Нейтрино вообще очень интересная частица, которая пролетает сквозь Землю, сквозь Солнце без взаимодействия. Она просвистывает вот здесь вот, у нас на Земле на каждый квадратный сантиметр в одну секунду падает — вы только вдумайтесь! — более 10 млрд штук нейтрино. За одну секунду на квадратный сантиметр! Но они так слабо взаимодействуют с веществом, что мы для них «дырявые». Как их зарегистрировать? Оказывается, это нетривиальная задача, но это возможно. И вот нейтрино высоких энергий могут образоваться в центре Земли, в центре Солнца, и тогда их надо искать, ловить эти нейтрино. Для этого, в частности, — не только для этого, но и для этого тоже — строятся детекторы большого объема, опять-таки глубоко под водой или под землей, или глубоко во льду Антарктиды (где расположен американский детектор IceCube, способный регистрировать нейтрино, приходящие из центра Земли). Нейтрино прилетает снизу, иногда при столкновениях рождает заряженную частицу мюон. Эта частица испускает так называемое черенковское излучение, которое способны регистрировать фотодетекторы таких больших нейтринных телескопов.

И вот эти нейтринные телескопы построены уже в разных местах для многих целей — есть на Южном полюсе американо-европейский проект, также уже работает и наращивает свои модули нейтринный телескоп у нас на Байкале. На рисунке показана схема этого телескопа. Сейчас в нем имеется уже пять кластеров детекторов — башен высотой, как вы видите, с Останкинскую телебашню, которые расположены на километровых глубинах и регистрируют нейтрино высоких энергии ².

Ну и, наконец, есть множество других кандидатов в частицы темной материи. Совершенно не обязательно таких тяжелых. Я до сих пор говорил о тяжелых частицах темной материи, но, вообще-то говоря, не обязательно, чтобы эти частицы были настолько тяжелыми, как я говорил, — сотни масс протона. Они могут быть достаточно легкими, и тогда их надо искать совершенно другими методами. Сейчас идет охота, гонка за этими частицами темной материи.

Уверен, что обнаружение частиц темной материи — это Нобелевская премия без всяких вопросов. Вопрос в том, что это за частицы, и удастся ли нам их в обозримом будущем обнаружить. В частности, в Троицке есть своя программа поиска частиц темной материи, которые именуются «стерильные нейтрино» — это еще один (гипотетический) тип нейтрино. Эти частицы легкие, стабильные и тоже подходят на роль темной материи. Ничего пока позитивного сказать на эту тему я не могу. Загадка осталась, есть гонка, есть разные методы поиска частиц темной материи, море теоретических гипотез, но мы до сих пор ничего про это не знаем. В заключение этой части я должен сказать, что природа темной материи — это, конечно, для физики микромира важная загадка, но, будучи оптимистом, я надеюсь, что ее решение не заставит себя бесконечно долго ждать. Правда, лет пятнадцать назад я думал, что частицы темной материи найдут в течение десяти лет, и даже об этом говорил, публично заявлял, но выяснилось, что, дудки, — ничего подобного. Природа оказалась не такой благорасположенной к нам.

Наконец, третья загадка, связанная с составом Вселенной, — это темная энергия. Она составляет те самые почти 70%. Это еще более странная штука, ведь в отличие от частиц обычной и темной материи, которые собираются в сгустки и испытывают как минимум гравитационные взаимодействия, для темной энергии всё наоборот. Темная энергия ни в какие сгустки не собирается, она «разлита» везде одинаково, и по плотности ее здесь столько же, сколько в центре Галактики, столько же, сколько в межгалактическом пространстве, — везде одинаково. Это, первое.

Второе: как же ее обнаружили и зачем она нужна? Обнаружили ее благодаря тому, что наша Вселенная расширяется с ускорением. Темп расширения Вселенной не убывает, а, наоборот, растет. И это, на первый взгляд, вообще противоречит даже здравому смыслу. Потому что если у вас есть силы притяжения и нечто такое расширяется, то вы бы ожидали, что темп расширения со временем должен был бы убывать. Гравитационные силы должны были бы постепенно останавливать это расширение. И так оно и есть. Действительно, в общей теории относительности обычная материя и темная материя должны были бы приводить к замедленному расширению Вселенной. Но, оказывается, что Вселенная все же расширяется с ускорением (за открытие этого факта тоже была присуждена Нобелевская премия). И вот для того, чтобы описать этот феномен, и была введена темная энергия, которая, собственно, и нужна для того, чтобы объяснить ускоренное расширение Вселенной.

Говорят, что темная энергия — это что-то вроде антигравитации. И действительно, темная энергия — это антигравитирующая субстанция. Она заставляет Вселенную расширяться с ускорением, и все неоднородности, какие в ней есть, постепенно разглаживаются, потому что темная энергия все расталкивает. Это на самом деле с точки зрения общей теории относительности, современной теории гравитации, ничему особо не противоречит. Но надо предположить совершенно необыкновенные свойства этой самой темной энергии. Скажем, что плотность темной энергии не меняется с течением времени. Вселенная расширяется, а плотность темной энергии не меняется… Представьте себе, что у вас есть шар, он расширяется, плотность энергии не меняется, объем растет, энергия растет. Значит, налицо нарушение законов сохранения энергии. Но темная энергия умеет такие штуки делать ³.

Вообще, у Вселенной с законом сохранения энергии отношения сложные. Про темную энергию много говорить не приходится, потому что мы совершенно не понимаем, что это такое. Может быть, это и есть энергия вакуума. Вакуум может иметь вес, никто не сказал, что плотность его энергии равна нулю. И он очень подходит на роль носителя темной энергии. Или это то же самое, что Эйнштейн в свое время предложил ввести в уравнение общей теории относительности как дополнительный член. Это то, что называется лямбда-членом, или космологической постоянной. То есть он предложил изменить тривиальным образом свое уравнение общей теории относительности. Это то же самое, что сказать, что у вакуума есть ненулевая плотность энергии, еще один параметр нашей фундаментальной физики.

Может быть, это и так, а может, и нет. Надо надеяться, что нет, иначе было бы скучновато. А может быть, это новые поля какие-то, совершенно новые сущности, о которых мы пока еще не догадываемся, не понимаем, что это такое.

А может быть, надо изменить гравитацию? Может быть, старик Эйнштейн был не прав? Точнее, был прав, но не до конца. Он написал свое уравнение общей теории относительности с помощью Гильберта. Но, может быть, гравитация на очень больших, космологических расстояниях не описывается общий теорией относительности? Может быть, гравитация другая, и на эту тему теоретики много чего придумали, они народ изобретательный. Есть довольно много работ по модификации гравитации на больших расстояниях. Описать существующие данные удается с большим скрипом, но, тем не менее, такая возможность существует.

Напоследок еще одна загадка: начало эволюции Вселенной. Мы сегодня уверены, что горячая стадия, о которой я всё время говорил здесь, — это не первая стадия. Сам факт, что Вселенная такая большая, однородная, горячая, не тривиален. И то, что наше пространство евклидово, прямо говорит о том, что была еще эпоха до горячей стадии, когда образовалась такая большая Вселенная с большой плотностью энергии, где пространство почти евклидово. Плотность энергии тогда была очень большой, я уж не буду делиться подробностями, но те свойства первичных неоднородностей Вселенной на снимке «Планка», что я показывал в самом начале, гарантируют нам, что да, такой взгляд правильный, что у Вселенной было время, когда она выглядела совершенно по-другому.

Я опускаю подробности, откуда мы всё это знаем. Хочу лишь сказать, что на эту тему имеется некий проект ответа. Проект ответа называется «Теория инфляционной Вселенной». Тут я должен вспомнить нашего с вами хорошего знакомого, Алексея Александровича Старобинского. Его теория инфляционной Вселенной, раздувающейся Вселенной, говорит о том, что на самой ранней стадии эволюции была совершенно другая картина расширения. Вселенная расширялась с гигантским ускорением, у нее была гигантская плотность энергии. Ситуация качественно была похожа на то, что мы имеем сегодня, когда Вселенная тоже расширяется с ускорением. Но темп того ускорения был совершенно иной. Он был колоссальным. И тогда действительно можно объяснить те факты, которые мы знаем про Вселенную, и тот факт, что она пространственно-плоская, понятен, потому что если у вас есть быстрое расширение Вселенной до гигантских размеров, то пространство становится плоским. Если у вас воздушный шарик, и вы растянули его до гигантских размеров, то его маленькая часть будет выглядеть как кусочек плоскости.

Замечательно, что эта же инфляционная теория легко и непринужденно объясняет, по крайней мере, общие черты тех неоднородностей, которые мы с вами видели на этой картинке «Планка», и тех самых неоднородностей, из которых появились галактики, скопления галактик. Всё это объясняется в рамках этой теории. Но на сегодня я должен сказать, что теорию инфляции нельзя назвать доказанной теоремой. Может быть, всё было совсем по-другому, может быть, Вселенная когда-то, наоборот, сжималась, остановилась в своем сжатии и пошла дальше расширяться. Такая картинка тоже имеет право на существование. И это вот то, что называется гипотеза отскока, — тоже не исключенная возможность.

Замечательно же вот что: космологические измерения в обозримом будущем должны, по идее, дать возможность выяснить, что было до горячей стадии и, собственно говоря, «откуда есть пошла» эволюция нашей Вселенной. И это возможность обнаружения реликтовых гравитационных волн. Реликтовые гравитационные волны — это волны, предсказываемые теорией инфляции, волны с колоссальными размерами, измеряемыми миллиардами световых лет. А период колебаний этих гравитационных волн измеряется миллиардами лет. Тем не менее такие чу́дные гравитационные волны предсказываются теорией инфляции, и их обнаружение однозначно свидетельствовало бы о том, что инфляция — действительно правильная гипотеза.

Есть другие возможности, тонкие корреляционные свойства неоднородностей во Вселенной. Сегодня это тоже горячая история. Ну и когда что-то из этого будет обнаружено, это, конечно, будет большой прорыв в космологии. Потрясающее дело! С одной стороны, самые-самые ранние стадии эволюции Вселенной, гигантский темп расширения, гигантские плотности энергии во Вселенной. С другой — мы ожидаем, что будем знать о них, измеряя свойства нашей Вселенной на сверхбольших расстояниях в десятки, сотни, миллионы, миллиарды световых лет. Такая удивительная связь глобальных свойств Вселенной и микроскопических свойств материи на самых ранних стадиях эволюции Вселенной — это, конечно, очень увлекательная тема, и такое понимание для нас стало возможным совсем недавно.

Заканчиваю на том, что, как я говорил, начиная с одной секунды, мы хорошо себе представляем, как эволюционировала Вселенная. Ну и остаются вот эти загадки: загадка темной материи, загадка асимметрии между материей и антиматерией, загадка начальных данных. Мы рассчитываем, что рано или поздно нам удастся разгадать все эти загадки на основе новых наблюдательных данных и в физике элементарных частиц, и в космологии. Я думаю, что сегодня мы находимся на очень интересном этапе эволюции развития фундаментальной науки. И вполне возможно, что через обозримое время мы или, если нам не удастся, то наши дети или внуки будут совершенно по-другому себе представлять, как устроена Вселенная, как устроена наша природа.

Расшифровку лекции подготовили для публикации Борис Штерн и Максим Борисов

¹ Строго говоря, красное смещение при очень больших расстояниях существенно отличается от привычного эффекта Доплера, что подчеркивал сам Валерий Рубаков. — Прим. ред.

² В 2026 году работают уже восемь кластеров. — Прим. ред.

³ В принципе, плотность темной энергии может медленно уменьшаться, что не противоречит наблюдениям. В данных обзора DESI (Dark Energy Spectroscopic Instrument) за 2025 год содержится намек на такую возможность.