ЧЁРНЫЕ ДЫРЫ,
ИНФЛЯЦИЯ И АНТИВЕЩЕСТВО,
ИЛИ
О КОСМОЛОГИИ С ЛЮБОВЬЮ!
В ближайшее время на мегагрант Правительства РФ в НГУ будет создана новая лаборатория — космологии и физики элементарных частиц. После лекции в НГУ наш корреспондент Елизавета Садыкова пообщалась с астрофизиком, доктором физико-математических наук, профессором Александром Дмитриевичем Долговым, представляющим Московский институт теоретической и экспериментальной физики и Университет города Феррара (где Коперник защищал свою докторскую диссертацию), а также итальянский Общенациональный институт ядерной физики, который в ближайшее время и поможет родиться новому направлению в стенах НГУ.
По словам декана ФФ А. Е. Бондаря, это будет обычная лаборатория, и делается она по аналогии с уже существующими в НГУ. Правда, аналогов учебным курсам, которые должны появиться на базе этой лаборатории, до сих пор на физфаке НГУ не существовало. Астрофизика и космология не фигурировали в программе общей и специальной подготовки студентов, этот недостаток необходимо было восполнить. Астрофизика — активно развивающаяся наука, студенты ФФ НГУ должны иметь хотя бы общие представления о ней, даже если у них другая специализация. Хотелось бы, чтобы это стало не эпизодом во время существования гранта, а постоянной базой подготовки специалистов. До тех пор, пока не вырастут свои специалисты, основная нагрузка ляжет на плечи коллег Александра Дмитриевича из Москвы.
 |
|
— В школе я увлекался математикой, и в 8-м классе на Московской математической олимпиаде при университете занял первое место, получив 3-ю премию (первую и вторую никому не давали). В выпускных классах я с треском провалился на олимпиаде при МФТИ, после чего заинтересовался физикой и понял, что наука интересная, и, в итоге, посвятил ей жизнь.
Поступил в Физико-технический институт, оказался в группе акустиков, и моя первая студенческая научная работа была посвящена слуху тараканов. От пчеловодов поступила просьба выяснить, слышат ли пчёлы и можно ли посредством музыки повысить их медоносность. Поскольку дело было зимой, пчёл не нашлось, пришлось экспериментировать с тараканами. Они лежали в ящиках под названием «Подопытные животные лаборатории академика Н. Н. Андреева», это был классик акустики. Беднягам вонзали в грудь микроэлектроды, но, на самом деле, у них очень трудно отыскать нервные узлы, поэтому получалось, что слышали среди них только два из пятидесяти. Потом в лаборатории случилась авария, тараканы разбежались (это были не прусаки, а большие чёрные тараканы!), после чего я понял, что лучше мне всё-таки стать теоретиком. В итоге я перёвелся в группу в ИТЭФ (Институт теоретической экспериментальной физики), которая набиралась годом раньше.
Я занялся элементарными частицами, и Я. Б. Зельдович предложил мне написать совместный обзор «Элементарные частицы и космология». Надо сказать, что это был человек-легенда — трижды Герой Соцтруда, начальник теоротдела по изготовлению первой атомной бомбы, один из создателей «Катюши», разработчик теории горения. В его существование верили не все — многие наши зарубежные коллеги считали, что Зельдович — псевдоним, за которым скрывается группа физиков, как математики за именем Николя Бурбаки. Я ответил, что ничего не знаю о космологии, на что он парировал: «Лучший способ изучить науку — написать обзор». Тогда я сказал, что если он будет внимательно следить за тем, чтобы я не написал какую-нибудь ахинею, то я готов. Нужно отдать Якову Борисовичу должное — он принял в этом деле активное участие и в итоге у нас получился совершенно классический научный обзор, и я стал заниматься космологией.
Космология и астрофизика — интереснейшие области науки. Они включают в себя всю физику, и мне, например, до сих пор приходится учиться. Постоянно узнаю что-то новое и вспоминаю давно изученное.
— Александр Дмитриевич, а нельзя ли сказать, что вы работаете в большой степени с фантазиями? Ведь невозможно «пощупать» ваши объекты изучения. Тёмная материя — это же не тараканы?
— Моя жена, совершеннейший атеист, говорит, что ей легче поверить в Бога, чем в то, что мы говорим о Вселенной. Но это — не фантазии. Физика построена так: пишем уравнение, вычисляем эффекты, которые, возможно, удастся пронаблюдать, какие-то величины, а затем — практика. Сделали соленоид — просчитали, какое у него может быть магнитное поле. Принесли магнитометр, измерили — результаты не совпали. Значит, либо неправильно посчитали, либо неправильная теория. А теория строится обычно с помощью очень плохо определённого принципа красоты. В свое время была предложена теория объединения электромагнитных слабых взаимодействий, которая тогда казалась уродливой. А сейчас начинаешь понимать принципы симметрии, которые в ней заложены, и она уже не кажется такой страшилой. Так иногда бывает.
Есть определенные уравнения, например, уравнение общей теории относительности, которые описывают, как расширяется Вселенная. И никто бы в это не поверил, если бы не было чётких предсказаний теории, которые совпадают с картиной на небе. Это очень жёсткая конструкция, её нельзя испортить — немедленно возникнет противоречие с тем, что астрономы видят в телескоп.
Например, в лекции я упомянул об инфляции — это момент, когда наша Вселенная из микроскопического квантового состояния разрослась до своего сегодняшнего вида. Инфляция, в частности, предсказывает спектр возмущений плотности энергии. Если бы материя во Вселенной была распределена совершенно однородно, нас бы с вами попросту не было. Был бы однородный и неинтересный мир. А для того, чтобы образовывались галактики, нужна малая рябь на этом ровном распределении. И существенным является то, как зависит спектр возмущения от длины его волны. Фурье-преобразование, например, помогает анализировать возмущения плотности. И потом можно сравнивать полученные результаты с видимой реальностью. Звезду не пощупаешь, но я могу её увидеть.
Кстати, посредине нашей галактики находится чёрная дыра в несколько миллиардов масс солнца. По вращающимся вокруг этого объекта звездам, по тому, как распределены их скорости и расстояния, можно судить, что в этом месте сосредоточена колоссальная масса и ничем иным, как черной дырой, этот объект быть не может.
— Астрофизика — это же достаточно молодая наука?
— Из физики — самая старая. Люди всегда смотрели на небо, ориентировались по звёздам. Современная космология родилась уже после того, как Эйнштейн сформулировал общую теорию относительности (до этого была специальная). Это достаточно необычная теория, в своё время она была революционной — теория гравитации, учитывающая, что гравитационные взаимодействия мгновенно не передаются. Присутствие любой материи, массы, приводит к тому, что пространство становится кривым, и все тела движутся по самым коротким путям, так называемым геодезическим. В принципе, это геометрическая теория, с неё и началась современная космология. В теории Ньютона, где гравитационное взаимодействие приписывается только массе, жизнь была бы невозможной. В общей теории относительности источником гравитации является ещё и давление. В космологии оно играет важную роль, не учитывать которую нельзя. Оно изначально было отрицательным и привело к расширению мира. За счёт этого из маленького объектика разрослась наша огромная Вселенная.
— Теории часто оказываются неверными?
— Конечно, когда есть новое явление, его всячески пытаются осмыслить. Когда человек что-то предполагает, он, как правило, хочет, чтобы было согласие с экспериментом. Теория Эйнштейна в каком-то смысле доказала, что теория гравитации Ньютона неправильная, но, на самом деле, общая теория относительности — это расширение приближённого подхода, который был развит Ньютоном по мере того, как знания о гравитации увеличивались. Кстати, в отличие от многих других теорий, основным мотивом теории относительности стала общая идея красоты подхода, а не критические экспериментальные наблюдения.
Но есть некие теории-модели в физике элементарных частиц, их такое множество, что, можно сказать, верных, соответствующих природе из них одна или две. Причем каждая из этих теорий внутренне замкнута, логически совершенна, описывает, как правило, все наблюдаемые явления, предсказывает новые, не наблюдавшиеся ранее. И задача эксперимента — проверить, соответствует ли каждая теория природе или нет. И если окажется, что нет, трудно утверждать, что она неправильная. Ведь как некая игра мысли она может быть замкнутой, разумной и самосогласованной (в математическом смысле).
— Если говорить о современных тенденциях в астрофизике, теория Большого взрыва — она верная?
— Альтернативы нет. Сегодня это называется стандартная модель космологии. Она — ядро современных представлений, тщательно проверена с точки зрения наблюдений. Но, поскольку это всё-таки модель, мы не можем быть уверены, что все детали и подробности этого процесса мы правильно понимаем и представляем сегодня. И можно даже точно сказать, что она — неполная.
— Все галактики так образуются? А, может быть, и вселенные?
— Действительно, есть представления, что наша Вселенная — не одна, а их может быть много, причем все они с разными физическими законами. Совершенно разные массы электронов, взаимодействия и т.д. В суперструнных теориях существует целый ландшафт состояний с различными физическими законами. Кстати, в современной космологии есть так называемый антропный принцип, который я не люблю. Согласно ему, имеет место удивительная приспособленность Вселенной к существованию в ней человека. Она выражается в наличии очень тонкой подгонки фундаментальных физических констант, при которой даже малые отклонения от их стандартных значений привели бы к такому изменению свойств Вселенной, при котором возникновение в ней человека было бы принципиально невозможно.
Наша Вселенная — именно такая, потому что в ней есть условия для существования наблюдателя. В других вселенных, где жизни нет, может вообще всё быть устроено по-другому. Но раз уж здесь есть мы с вами, значит, условия для жизни подходящие. Поэтому Вселенная такая, а не иная. Лет 30 назад была предложена так называемая инфляционная теория, которая говорит о том, что наша Вселенная из минимального квантового состояния разрослась до нынешних размеров. Зная, что это экспоненциальное расширение было, мы можем что-то сказать о спектре возмущений. А до этого учёные говорили, что многое не понимают, но если есть антропный принцип, значит должны быть возмущения. Этот антропный принцип в последнее время постоянно обсуждается. Но он всё же немного смахивает на религию и экспериментальной проверке не поддается.
— А вот вы на лекции сказали, что Вселенная расширяется с ускорением, как будто кто-то в определенный момент ей «дал пинка»...
— Многие неверно представляют себе термин «взрыв». Вселенная — не бомба, там не было такой разницы в давлении, которая нужна для взрыва. Это был совсем другой процесс. Давление было всюду постоянное, более того, чтобы случилось это самое расширение, оно должно было быть всюду отрицательным. Отрицательное давление приводит к антигравитации. Многие не понимали, откуда взялся этот самый «пинок», потому что не думали о существовании антигравитации. Если допустить, например, существование скалярного поля, где очень легко сделать отрицательное давление, возможно, это и было тем самым «пинком», который позволил Вселенной сильно расшириться.
Под скалярным полем в современной теоретической физике понимается фундаментальное поле скаляра пространства Минковского (лоренц-инвариантное поле) или поле, инвариантное относительно общекоординатных преобразований.
Экспериментально не открыто ни одно фундаментальное скалярное поле. Однако такие поля играют немалую роль в теоретических построениях (существуют важные гипотетические скалярные поля, например, поле Хиггса). Также их наличие (наряду с векторными и тензорными полями, понимаемыми в том же смысле и наблюдаемыми реально) необходимо для полноты классификации фундаментальных полей.
Потом долгое время мир был тёмным и, в результате, скалярное поле «взорвалось» (это и был момент Большого взрыва), причем «рвануло» везде и одновременно. Но это, ещё раз повторюсь, не было взрывом чего-то в пустоту, в этом случае Вселенная была бы сильно неоднородна, а она — одинакова.
— А что произойдет после того, как она совсем расширится?
— До открытия невидимой энергии предполагалось, что она обязательно схлопнется (если была инфляция). До открытия же инфляции считалось, что Вселенная может расширяться вечно. Инфляция приближает её очень близко к границе между вечно расширяющейся и схлопывающейся Вселенной, эти отклонения колеблются то в одну, то в другую сторону. Расширяясь без невидимой материи, мы наверняка пришли бы в состояние сжатия. А с ней мы будем расширяться вечно, если материя сама, конечно, не изменится со временем.
— Тёмная энергия, тёмная материя, антивещество... Как они соотносятся между собой?
— Тёмная энергия заполняет на 0,7 % нашу Вселенную, приводит к расширению, к антигравитационному режиму. Тёмная материя — это материя, состоящая из каких-то неизвестных элементарных частиц. Антивещество — частицы с отрицательным зарядом (например, протон-антипротонные пары), их получали на ускорителях, например, в ИЯФ, причём уже давно. А ещё раньше мы научились получать антиэлектроны — позитроны, которые используем для физических экспериментов. Антиматерия — вещь для нас вполне обыденная. Загадкой является вопрос, почему во Вселенной мы наблюдаем только материю и почти не наблюдаем антиматерию.
— А антиматерия уже как-то используется в промышленности и т.д.?
— Вообще, первым человеком, который произнес слово «антивещество», был английский физик сэр Артур Шустер, живший в XIX веке. Он предположил, что вещество и антивещество, встречаясь, должны аннигилировать друг друга. Причем формула
E = MC2 не была известна, и как он об этом догадался — загадка. А английский физик Поль Адриен Морис Дирак (1902–1984), один из создателей квантовой физики, предположил, что должен быть антиэлектрон — позитрон. И допустил, что во Вселенной может быть равное количество вещества и антивещества, есть даже звезды, состоящие из антивещества. Было бы интересно их обнаружить.
С космическим антивеществом всё непросто. Стандартная точка зрения такова: в космических лучах есть антипротоны, они образовались при столкновении обычной материи, но в космосе. Сейчас на спутниках установили несколько детекторов, которые ищут настоящую антиматерию (антиядра), которая была там изначально. А на ускорителях самой антиматерии получается настолько мало, что использование её в народном хозяйстве крайне затруднительно. Но методы её получения и удержания для физических экспериментов развили целое направление в технике — это высоковаттная техника, сильные магнитные поля, что сколь угодно широко применяется в народном хозяйстве, медицине и так далее. Пучки ионов, протонов, которые необходимы, в том числе, для рождения антиматерии, сами по себе используются для лечения больных с онкологическими заболеваниями. Научный интерес к изучению антиматерии породил новые технологии, методы, которые находят применение в практической жизни. Тем наука и ценна — она ставит перед нами задачи, которые сами по себе в обыденной жизни не возникают, создает цель, движение к которой дает новые возможности.
А вот бомба из антивещества из нашумевшего романа Д. Брауна «Ангелы и демоны» — бред. Такую бомбу сделать невозможно.
стр. 7
|
