«Вселенная – колыбель человечества»

Астрофизик Александр Иванчик считает, что космос гораздо лучше относится к нам, чем мы сами к себе

Что представляет собой наша Вселенная? Сегодня на этот вопрос, волновавший человечество с незапамятных времён, астрофизики уже нашли некоторые ответы. Но разгадать одну из главных тайн Вселенной – тайну тёмной энергии – учёным ещё предстоит.

Если эта проблема так сложна для исследователей, то для тех, кто не связан с наукой и, в частности, с космосом, она вообще закрыта? Александр ИВАНЧИК, старший научный сотрудник Физико-технического института им. Иоффе и заместитель заведующего кафедрой космических исследований Санкт-Петербургского государственного университета, так не считает. И он объяснил это, прочитав недавно на телеканале «Культура» две лекции на тему «Космология. Новые горизонты».

– Александр, давайте начнём с «новых горизонтов». Что говорят последние открытия – наша Вселенная плоская и открытая?

– Чтобы понять будущее нашего мира, нашей Вселенной, надо изучить её прошлое. Реликтовое (космическое электромагнитное) излучение сформировалось около 14 миллиардов лет назад, в первые мгновения рождения Вселенной. И пока оно распространялось по бескрайним просторам космоса, оно «чувствовало» геометрию Вселенной. Поэтому реликтовое излучение несёт нам информацию не только о самых ранних стадиях Вселенной, но и о том, как она расширялась в прошлом и расширяется сейчас, как формировалась её крупномасштабная структура. Последние исследования реликтового излучения позволили выявить набор космологических параметров, описывающих Вселенную с точностью около одного процента. При этом удалось определить пространственную кривизну нашей Вселенной, и эта кривизна оказалась близкой нулю. Другими словами, пространственная геометрия Вселенной плоская. Двухмерная аналогия – плоский лист бумаги.

– И этот лист может быть вложен в многомерный объём, как считается в теории струнного строения Вселенной?

– Модная сегодня теория суперструн предполагает, что количество измерений во Вселенной должно быть больше, чем известные нам три пространственных и одно временное. Причём дополнительные измерения могут быть как очень компактными (настолько маленькими, что мы можем их и не замечать), так и протяжёнными. Наша Вселенная может представлять собой трёхмерную брану (физический объект, меньший по мерности, чем окружающее пространство), вложенную в мир большего числа измерений.

Даже будучи плоской, наша Вселенная может иметь нетривиальную геометрию. Например, по одному из измерений она может быть свёрнута в цилиндр. Но мы этого не видим, потому что окружность этого цилиндра огромна, а размер видимой нами области ограничен. Мы – как древние, которые считали Землю плоской, потому что не могли увидеть, что она круглая. Пока мы видим очень большую часть Вселенной, которая представляется нам как бесконечное плоское трёхмерное пространство.

– В этом пространстве звёзды, галактики и их скопления, но все они составляют только 4 процента вещества Вселенной. А всё остальное – загадочная тёмная материя и тёмная энергия?

– Астрофизики обнаружили тёмную материю и тёмную энергию по их гравитационным проявлениям. Тёмная материя по массе приблизительно в пять раз превосходит всё обычное вещество, именно она создаёт гравитационные ямы, в которые падает стандартная материя, формируя при этом звёзды, галактики и их скопления. Скорости галактик в скоплениях настолько большие, что собственной гравитацией они не смогли бы удержаться вместе. Сами галактики не всегда могут удерживать звёзды, поэтому необходима дополнительная гравитирующая материя, формирующая и удерживающая эти структуры. Наиболее вероятно, что тёмная материя состоит из массивных слабовзаимодействующих частиц, существование которых предсказывается учёными, но находится за рамками стандартной модели физики элементарных частиц. Их поиски ведутся на ускорителях, но пока природа тёмной материи остаётся интригующей загадкой. Тёмная энергия ведёт себя совершенно другим образом. Она однородно распределена по Вселенной и создаёт силы отталкивания, а не притяжения – выступает в роли антигравитации.

– …И эта загадочная тёмная энергия «разгоняет» нашу Вселенную?

– Наша Вселенная расширяется с момента Большого взрыва. Так брошенный камень летит некоторое время вверх, несмотря на земное притяжение. Движение против сил гравитации всегда идёт с замедлением, и Вселенная должна была расширяться с замедлением, однако последние исследования доказали, что она расширяется с ускорением. Как это объяснить? Возможно, как раз антигравитирующая тёмная энергия и увеличивает эту скорость. Другим объяснением этого явления могло бы быть наличие дополнительных измерений. По современным оценкам, скорость расширения Вселенной в нашу эпоху составляет 70 км/cек. на мегапарсек. Например, две галактики на расстоянии около трёх миллионов световых лет (это соответствует одному мегапарсеку) удаляются друг от друга со скоростью 70 км/сек.

– Сейчас появилась ещё одна теория: наша Вселенная – это голографическая проекция…

– Да, физики активно развивают эту теорию. В конце 1970-х Стивен Хокинг выдвинул гипотезу о потере информации в чёрных дырах. Иначе говоря, объект попал в чёрную дыру, и тут же информация о нём бесследно потеряна. Правда, это противоречит представлениям современной физики, где фундаментальные законы обратимы во времени, поэтому существует закон сохранения информации. Гипотеза Хокинга выявила серьёзную проблему, которая получила объяснение в теории суперструн и теории голографической Вселенной.

– В ходе экспериментов на Большом адронном коллайдере обнаружили бозон Хиггса. Что это даёт космологам?

– Стандартная модель физики частиц предсказывает существование фундаментальных частиц, из которых состоят все «кирпичики» строения материи, такие как электроны, кварки, фотоны. В ускорительных и других физических экспериментах были обнаружены и исследованы все фундаментальные частицы, кроме одной – бозона Хиггса. Это одна из самых тяжёлых элементарных частиц, поэтому для её рождения требуются огромные энергии. Пока физики объявили только, что открыли частицу, похожую на бозон Хиггса.

Однако ценность коллайдера возросла бы в разы, если бы там удалось найти суперсимметричные частицы, которые могли бы стать кандидатами на роль тёмной материи. Это позволило бы нам выйти за рамки стандартной модели. При этом космология и астрофизика говорят нам, что такая необходимость есть.

– Разве только ускорительные эксперименты позволяют изучать глубинную структуру материи Вселенной?

– Во Вселенной есть ещё одно интересное явление: космические лучи – частицы высоких и сверхвысоких энергий. Это в основном протоны, которые были разогнаны до огромных энергий во вспышках на Солнце, при взрывах звёзд, в окрестностях серхмассивных чёрных дыр, находящихся в центрах активных ядер галактик. Со всех сторон поток таких частиц идёт на Землю, и мы их регистрируем. Они имеют энергии, в миллиарды раз большие, чем энергии, достигаемые в ускорителях. Когда они попадают в атмосферу и разбивают ядра азота, кислорода, рождается широкий атмосферный ливень, состоящий в основном из электронов и мезонов. Если бы удалось исследовать продукты первичного столкновения, это был бы прорыв в физике элементарных частиц. Но такие события редки, а забросить чувствительный детектор весом в несколько десятков тонн в нужное место атмосферы просто невозможно.

– Насколько космические лучи опасны для Земли?

– Они оказывают небольшое влияние на атмосферу Земли, на радиационный фон, но последствия их вторжения не опасны. Гибельные последствия для живых существ могло бы иметь только направленное излучение от гамма-вспышки – взрыва сверхновой звезды, находящейся в пределах нашей Галактики. Такие лучи могли бы вызвать сильный радиационный скачок. Но в данный момент вероятность такого события ничтожно мала.

Сегодня модно пугать космосом. Однако, как показало падение метеорита в Челябинской области, при котором никто не погиб, космос представляет для нас гораздо меньшую опасность, чем мы сами. У человечества есть другие способы вредить себе и уничтожить себя, например с помощью ядерного оружия или небрежного отношения к среде своего обитания. Гибель людей в войнах, локальных конфликтах, даже в автокатастрофах по числу жертв во много раз превышает реальные и гипотетические угрозы космоса. Вселенная – колыбель человечества – гораздо лучше относится к нам, чем мы сами к себе.