Материалы портала «Научная Россия»

Энергия – дело темное?

Что знает о темной материи и темной энергии современная наука? Об этом нам рассказал один из ведущих мировых специалистов в области квантовой теории поля, физики элементарных частиц и космологии, академик РАН Валерий Рубаков.

Одна из самых увлекательных тем в сегодняшней космологии – вопрос о темной материи и темной энергии, особенно о последней. Что знает об этих загадочных сущностях современная наука, нам рассказал один из ведущих мировых специалистов в области квантовой теории поля, физики элементарных частиц и космологии, доктор физико-математических наук, академик РАН Валерий Анатольевич Рубаков. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Валерий Анатольевич, темой вашей кандидатской диссертации была отнюдь не темная энергия, о которой в начале 1980-х гг. еще никто не слышал. Она звучала так: «Структура вакуума в калибровочных моделях квантовой теории поля». Что сегодня, спустя три десятилетия,мы знаем о вакууме?

– Вакуум - довольно сложная сущность. В обыденном представлении это пустая, неинтересная, не имеющая никаких особенных свойств вещь. На самом деле все гораздо хитрее, и то, как устроен вакуум, фактически определяет то, как устроена природа вообще: какие есть в ней частицы, какие у них массы, какие электрические заряды; какие силы есть в природе, как взаимодействуют частицы. Надо сказать, что и тогда, в 1981 г., о вакууме уже было известно довольно много. Мы знали, что вакуум - непростая система. Это представление развивалось, и сейчас становится все более понятно, что разных вакуумов в теории может быть очень много. Когда-то раньше мы думали, что вакуум один-единственный. Теоретически. И это - то главное, что с тех пор изменилось.

Справка

Валерий Анатольевич Рубаков

Российский физик-теоретик, участвовал в становлении современной инфляционной теории, одним из первых осознав, что, изучая Вселенную сегодня и поняв историю ее развития, можно узнать новое о физике частиц высоких энергий, пока недоступных прямому экспериментальному наблюдению.

Родился в Москве. Окончил физический факультет МГУ (1978). C 1981 г. работает в Институте ядерных исследований РАН (главный научный сотрудник отдела теоретической физики). Заместитель директора ИЯИ РАН (1987-1994). Профессор, заведующий кафедрой физики частиц и космологии физического факультета МГУ. Академик РАН (1997). Заслуженный профессор Московского университета (1999).

Область научных интересов: калибровочные теории элементарных частиц, проявления свойств вакуума в физике частиц и космологии, несохранение барионного и лептонного чисел в экстремальных условиях, теории космологических фазовых переходов, инфляционной Вселенной и альтернатив инфляции, топологические переходы и их связь с проблемой темной энергии.

Награжден золотой медалью с премией для молодых ученых Академии наук СССР (1985, совместно с Н.В. Красниковым и В.Ф. Токаревым). Лауреат премии им. А.А. Фридмана (РАН, 1999, совместно с В.А. Кузьминым), премии им. И.Я. Померанчука (2003), премии им. М.А. Маркова (2005, совместно с М.Е. Шапошниковым), премии им. Б.М. Понтекорво (2008), премии им. Й.Х.Д. Йенсена Хайдельбергского университета (2009), премии им. Юлиуса Весса Технологического института Карлсруэ (2010), премии им. М.В. Ломоносова за научную деятельность I степени (2012, совместно с М.В. Сажиным).

Если взять примитивное представление, что вакуум есть пустота, то разве может пустота быть разной?

– Это не просто пустота, даже совсем не пустота. Вакуум - это низшее по энергии состояние материи, а точнее квантовых полей. Энергетически – самое выгодное. Раньше думали, что оно всего одно. Действительно, если у вас есть «теория всего на свете», то низшее по энергии состояние для нее, казалось бы, единственное. Создав такую теорию и выяснив, каков в ней вакуум, мы в конце концов смогли бы предсказать все. Сегодня выясняется, что вакуумов в одной и той же «теории всего» (а на эту роль претендует, и небезосновательно, теория суперструн) очень много. В каком именно мы живем, в каком находится наша часть Вселенной, очень интересный вопрос, который можно сформулировать и так: почему мы оказались в том или ином вакууме?

Здесь может работать знаменитый антропный принцип: наш вакуум именно такой не потому, что только он возможен, а потому, что в нем можем существовать мы?

– Я предпочитаю не торопиться привлекать антропный принцип. Для теоретика это беда. Приняв этот принцип, вы начинаете говорить: «Нет, ребята, я отказываюсь объяснять, почему тот или иной параметр именно таков, потому что антропный принцип мне это объясняет». Хотелось бы все-таки найти физическое объяснение. Хотя, возможно, антропный принцип действительно работает, нравится нам это или нет. 

Вакуумный армагеддон

Часто приходится слышать страшилку про идеальный вакуум: что какой-то физический процесс или явление может вызвать в локальном масштабе переход физического вакуума на более низкий, а значит, на энергетически более выгодный уровень, и это должно запустить цепную реакцию перехода, подобную эффекту домино. В этом случае Вселенная полностью изменится. Меняются все константы, законы. Это будет новый мир, в котором мы с высокой степенью вероятности существовать не сможем. То есть это будет тот самый конец света, о котором время от времени все вспоминают. Насколько это реально?

– Такое пока не исключено. Другое дело, что временной масштаб здесь гигантский. Раз мы уже прожили 14 млрд лет в этом вакууме, значит, это состояние достаточно стабильно, значит, еще столько же лет мы наверняка проживем. Но нельзя исключить, что действительно есть более низкое по энергии состояние - настоящий вакуум, что мы живем в вакууме чуть более высокой энергии и когда-нибудь перейдем в более низкое состояние. Такое пока ничему не противоречит, хотя предпосылок, указаний, что так оно и будет, тоже нет. Сегодня этот вопрос открыт.

Но то, что за 14 млрд лет не смогла сделать природа, может совершить сам человек. У нас есть мегаустановки наподобие Большого адронного коллайдера, на которых достигаются колоссальные энергии и вершатся великие открытия. Что если одна из таких установок случайно «пробьет» наш вакуум и заставит его «приспуститься»?

– Можно не беспокоиться, такого не произойдет. Это мы знаем экспериментально. Земля, любые космические тела (планеты, звезды) все время облучаются интенсивным космическим излучением, происходят соударения с частицами, летящими из космоса с почти световыми скоростями. Энергии этих столкновений на несколько порядков выше, чем те, что достигнуты в CERN. Космические лучи сверхвысоких энергий безостановочно бомбардируют нашу планету, ее атмосферу.

Столкновений, подобных тем, что сейчас происходят на Большом адронном коллайдере, по подсчетам ученых, за 14 млрд лет уже произошло в 50 млн раз больше, чем всех столкновений, которые когда-нибудь в будущем произойдут на БАК: т.е. 50 млн «больших адронных коллайдеров» уже отработали весь свой срок и на них ничего такого не произошло. Отсюда есть уверенность, что ничего такого не произойдет и на этом коллайдере.

Все, что могло произойти, уже произошло.

– Именно. На самом деле не произошло ничего. По крайней мере переходов между разными вакуумами не было. Переход из вакуума в вакуум - это взрывной процесс, распространяющийся от эпицентра со скоростью света, сопровождающийся гигантским выделением энергии. Ничего подобного во Вселенной не было. Это мы тоже достаточно хорошо знаем. Поэтому страшилок бояться не надо.

  Темные силы светлого мира

В начале ХХI в. произошла действительно революция в науке, когда мы узнали, что наши материя и энергия - это далеко не все содержание  Вселенной и даже не большая его часть, что есть еще таинственная темная материя и совершенно непонятная темная энергия. Вы до того времени уже довольно долго занимались космологией. Чувствовалась ли в теории и эксперименте нехватка этих компонентов?

С темной материей было несколько проще, чем с темной энергией. Это история очень давняя — с 30-х гг. ХХ в. Американский астроном Фриц Цвикки еще в то время заметил, что движение галактик в скоплениях происходит так, как будто бы масса внутри этих скоплений была гораздо больше, чем то, что мы видим в телескопы. Массу светящегося вещества можно было посчитать по количеству звезд в этих скоплениях, и в результате оказывалось, что массы не хватает для того, чтобы движение было именно таким, какое оно есть. Это наблюдение развивалось дальше, и уже к концу 1980-х гг., а может и раньше, стало совершенно ясно, что нам не хватает вещества и в скоплениях галактик, и в самих галактиках. Сильно не хватает массы. Тогда еще можно было спорить, существовали различные теории, предположения, но к началу 1990-х гг. уже стало очевидным, что это вещество - необычное. Эта масса, эта материя - не такая, какая нас окружает. Протоны, нейтроны и т.д. - барионная материя, обычное, нормальное вещество; но нам уже было понятно, что масса, которую мы ищем, в основном не барионного типа. Это какая-то материя, которая умеет притягивать гравитационно, как обычное вещество, но прочие взаимодействия с нашим обычным веществом у нее очень слабые. Когда ее существование было доказано, особого ажиотажа не было.

А темная энергия – история действительно неожиданная. У физиков были подозрения, что с балансом энергий нашей Вселенной что-то не так. Был примерно известен темп расширения Вселенной, а он прямо связан с тем, сколько есть энергии, какова ее плотность во Вселенной. И было видно, что темп этот великоват. Значит, полной энергии в среднем во Вселенной должно было быть больше, чем можно было посчитать.

Так была еще темная материя...

– Энергии должно было быть больше, даже учитывая темную материю. Тогда существовали две школы. Представители первой полагали, что все дело в неизвестной темной энергии, а последователи второй старались доказать, что дело в кривизне пространства.

Какая связь между дефицитом энергии и кривизной пространства?

– Дело не в дефиците, а в темпе расширения Вселенной: если пространство искривлено, то он другой.

Эти две точки зрения существовали параллельно. Наконец к исходу прошлого века было установлено ускоренное расширение Вселенной. За это открытие в 2011 г. была вручена Нобелевская премия. Ускоренное расширение Вселенной подтверждало наличие темной энергии. Что это такое - вопрос непростой и на данный момент непонятный. Может быть, это как раз и есть энергия вакуума, а может - что-то совсем другое.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Мы можем исследовать темную энергию?

– Пока мы можем делать это косвенно, измеряя темп расширения Вселенной: какой он сегодня, какой он был вчера или позавчера. Это делается астрономическими методами.

Ученые уже больше десятилетия проявляют пристальный интерес к темной энергии. Что мы можем о ней сказать сейчас?

Сегодня она выглядит очень похоже на плотность энергии вакуума. Вакуум всегда один и тот же. Вселенная растянулась, а вакуум у нас в комнате остался тем же самым, мы этого не заметили. Значит, плотность его энергии постоянна во времени. Так же ведет себя и темная энергия, хотя, как и любой экспериментальный результат, это утверждение справедливо в пределах точности наблюдений.

Позвольте, но это противоречит закону сохранения энергии. Если Вселенная все время расширяется, а плотность этой темной энергии со временем не меняется, значит ее количество постоянно растет.

Закона сохранения энергии в космологии нет. Вселенная растягивается, а плотность энергии постоянна. Объем увеличивается — и энергия в этом объеме увеличивается.

Откуда она берется?

Ниоткуда, нет закона сохранения энергии. Есть некое его обобщение, но простого закона о том, что энергия постоянна, нет. Она постоянно растет. Энергия вакуума постоянна - это главная характеристика. Если есть зависимость плотности темной энергии от времени, то это точно не вакуум, а какое-то новое поле или что-то подобное.

Но сегодня пока все данные говорят о том, что плотность энергии держится постоянной, поэтому темная энергия выглядит как энергия вакуума. Если так, то это довольно скучно, потому что это просто еще одно число, константа, которая характеризует нашу физику. Конечно, было бы гораздо интереснее, если бы это была новая сущность - какое-то новое поле, которое как-то себя ведет, эволюционирует, живет своей жизнью. Пока этого нет. Правда, точности измерений пока не очень высокие, поэтому все еще может измениться. Есть предложения, как можно заметно более точно измерить темп расширения, а стало быть, и то, как ведет себя темная энергия.

Как это собираются сделать?

– Во Вселенной есть светящиеся яркие объекты, которые с определенной степенью точности можно считать стандартными «свечами». Мы знаем абсолютную яркость такой «свечки», сколько она выделяет энергии за единицу времени. Независимо от того, где она находится, она светит одинаково. Мы ее видим в зависимости от расстояния более или менее яркой. Одновременно мы можем узнать, с какой скоростью относительно нас этот объект движется. Условно говоря, можно измерить, как быстро он от нас удаляется из-за расширения Вселенной. Тем самым можно измерить одновременно и расстояние, на котором находится этот объект, и его скорость относительно нас. Расстояние связано с тем, сколько времени прошло, свет движется с конечной скоростью. Соответственно, вы можете измерять темп расширения Вселенной в разные времена - более ранние, менее ранние. Так это открытие и было сделано. В качестве стандартных свеч использовались сверхновые первого типа а (Ia). Считается, что они все почти одинаковы, что это стандартные «свечки».

Используя эти сверхновые, сегодня можно сделать более точные измерения. Прогресс идет, и то, что делается на телескопах на Земле, уже можно осуществлять и на спутниках в космосе. А там совершенно другие точности. Есть проекты космического телескопа специально для этой цели: измерить, как расширялась Вселенная, используя стандартные «свечки».

Как, по-вашему, мы сможем когда-то ощутить в экспериментах или воссоздать темную энергию и темную материю?

С темной материей проще, потому что это обычные частицы. Конечно, это не известные нам, а новые частицы, нейтральные по отношению к электромагнитным взаимодействиям, поэтому они не светят и не поглощают свет. Именно поэтому состоящая из них материя - «темная», т.е. невидимая. Можно надеяться на то, что эти частицы будут рождаться на ускорителях. У них, наверное, есть какие-то партнеры. По сути, должен быть целый набор новых частиц, новый сектор, где есть частицы темной материи. Этот сектор, надо надеяться, можно будет изучать на ускорителях. Летающие вокруг нас частицы темной материи можно пытаться регистрировать, и люди это делают, можно фиксировать их взаимодействие с ядром. В этом случае они с ним сталкиваются, и ядро отлетает. Можно зарегистрировать, что в детекторе произошел процесс, при котором вдруг ядро начало двигаться.

«Здравствуйте, мы встретились».

Именно. Такой поиск сейчас и происходит. Это тончайшие эксперименты, т.к. энергии выделяется мало. У нас же буквально море процессов подобного типа. Есть космические лучи, которые постоянно обстреливают нашу материю, есть постоянная радиоактивность. Когда у вас что-то из этого происходит, ядро отскакивает, выделяется энергия, таких процессов даже в этой комнате огромное количество. В таких условиях «поймать» именно темную материю нереально, поэтому нужно уходить глубоко под землю, где нет космических лучей, использовать сверхчистые материалы, очень тонкие детекторы, которые умеют измерять крайне слабые выделения энергии. Это кропотливая работа.

Как нейтрино ловили.

Это даже сложнее, чем ловить нейтрино. Нейтрино сейчас научились ловить, хотя они тоже очень слабо и редко взаимодействуют. А с темной материей - еще более трудное и тонкое дело.

Значит, можно ждать того, что темную материю мы поймаем?

– Все ждут. Уже в течение многих лет проходят все более масштабные эксперименты. Пока этим частицам удается от нас ускользнуть. Хотя, возможно, мы просто не туда смотрим. Может быть, они обладают совсем другими свойствами.

 

Понять и спастись

Многих людей вводит в заблуждение схожесть названий: темная материя и темная энергия.

Это совершенно разные вещи. Темная материя - это обычные в гравитационном плане частицы. Они собираются в сгустки, они есть в галактиках, есть в скоплениях галактик. Они очень важны с точки зрения формирования скоплений галактик и самих галактик. Для нас с вами темная материя важна, потому что процесс формирования галактик именно так и происходил: сначала скучивалась темная материя, а потом она притягивала на себя обычное вещество, образовывались галактики. Темная материя в гравитационном отношении очень похожа на обычное вещество.

Темная энергия ни в какие сгустки не собирается, в галактиках ее столько же, сколько между галактиками, сколько вдалеке от всех скоплений. Она всюду разлита равномерно. Гравитационно она устроена по-другому. Если темная материя притягивает, обладает гравитацией, то темной энергии в определенном смысле присуща антигравитация. Она заставляет Вселенную расширяться ускоренно.

– Со временем это ускорение увеличивается?

Не беспредельно. Условно говоря, через 50 млрд лет, когда обычное вещество уже будет совсем разрежено, во Вселенной останется в основном темная энергия и это ускорение станет постоянным.

Что тогда будет с нашей материей? Останутся ли звезды, планеты или это уже будет конец света, когда все разлетится и разорвется?

Разорвется вряд ли, хотя такое тоже нельзя исключить. Сценарии так называемого Большого разрыва обсуждаются. Отдаленное будущее нашей Вселенной зависит от свойств темной энергии. Именно она скоро станет главной. Сейчас она доминирует во Вселенной на 70%, а когда-нибудь будет и на все 99%. Дальше уже все будет определяться тем, как она себя ведет. Если ее плотность упадет до нуля, то Вселенная перестанет расширяться и начнет сжиматься. Произойдет обратный процесс коллапса Вселенной с разогревом и т.д. Если она постоянна, как плотность энергии вакуума, то Вселенная будет бесконечно расширяться с постоянным темпом расширения.

И мы дойдем до «холодной смерти»?

Да, постепенно все галактики разлетятся, будут затухать звезды, и... Посмотрим. Если плотность темной энергии растет, она может в далеком будущем расти неограниченно, тогда возможно ускоренное расширение. В конечном итоге может быть такой большой разрыв, когда все во Вселенной начнет разлетаться с бесконечной скоростью. Тогда и атомы развалятся, и ядра, и все на свете. Электроны улетят от атомов, протоны – от нейтронов. Но это будет не скоро. К тому времени человечество должно придумать, как изменить законы природы и сделать свою жизнь более комфортной.

– Быть может, создать новую Вселенную?

Создать новую Вселенную или научиться влиять на законы природы. Через 20 млрд лет, возможно, человечество к этому придет. Если доживет, конечно.

Антигравитация уже сама по себе интересна. Ведь человек всегда мечтал изобрести ковер-самолет. Может ли быть такое, что мы научимся управлять этой темной энергией?

Сегодня такой возможности не видно. Вам для этого нужно собрать такую энергию в сгусток, но пока непонятно, как это сделать. Однако никогда не говори «никогда». Мы сейчас слишком мало знаем про темную энергию, чтобы решать, как мы ею можем (и можем ли в принципе) манипулировать, собирать ее, аккумулировать, использовать, генерировать.Сегодня кажется, что это безнадежно. Но надо сказать, что про многие вещи люди так думали. Когда Генрих Рудольф Герц обнаружил радиоволны, он был уверен (и говорил об этом в открытую), что это такая игрушка, которая никогда не будет использоваться. А сегодня кругом сплошные радиоволны.

Космологическое хулиганство

Вы помните свои ощущения, когда точно стало известно, что существует темная энергия?

Когда появились данные о том, что Вселенная расширяется ускоренно, что есть темная энергия, это было некомфортно. И до сих пор так остается.

Почему?

– Плотность энергии - это число. Есть числа той же размерности в физике фундаментальных взаимодействий, т.е. характерные для этих взаимодействий плотности энергии. Слабые взаимодействия, сильные взаимодействия, гравитационные - они все характеризуются некоторой размерной величиной, которая имеет ту же самую размерность - плотность энергии. Если думать, что существует какая-то плотность темной энергии, то нужно сравнивать эти два значения - то, что вы можете построить из величин, характеризующих фундаментальные взаимодействия, и реальную плотность энергии во Вселенной. Оказывается, что в лучшем случае, если брать самые низкоэнергетические фундаментальные взаимодействия и плотность темной энергии, то различие составляет 44 порядка, т.е. число с 44 нулями после запятой. Реальная плотность энергии на 44 порядка меньше, чем то, что вы предсказали бы, если бы ничего не знали про расширяющуюся Вселенную и про доминирование темной энергии. Если бы меня посадили в башню из слоновой кости и сказали: «Ты знаешь только то, как устроены фундаментальные взаимодействия, и не знаешь ничего про реальную Вселенную; какой плотности темной энергии ты ожидаешь?», я назвал бы цифру - и ошибся бы на 44 порядка.

Это заставляет чувствовать себя крайне неуютно. И не видно, как и чем можно было бы объяснить такую фантастическую разницу в числах. Поэтому до того, как темная энергия и ускоренное расширение стали реальностью, мне лично казалось, что по каким-то глубоким и непонятным причинам эта плотность темной энергии или плотность энергии вакуума должна быть точно равна нулю. Она настолько маленькая, что есть какие-то глубинные причины, по которым она должна быть точно равной нулю. Когда оказалось, что она нулю не равна, а это какое-то такое мизерное с точки зрения фундаментальной физики число, это было дискомфортно. Я никак не мог к этому привыкнуть. Но деваться некуда.

Сейчас уже привыкли?

– До сих пор не очень, и не только я. Не должно быть так в природе, что у вас два числа одной и той же размерности, одной и той же природы различаются на 44 порядка. Как это так, кто такое придумал?

Поймем ли мы когда-нибудь сущность темной энергии, и если поймем, то в какой приблизительно временной промежуток?

Я думаю, что речь идет о временных промежутках масштабов десятилетия или двух. Если это энергия вакуума, то плотность энергии должна быть константой, постоянной во времени величиной. Если это что-то другое, то есть зависимость от времени. Если рассмотреть модели, которые пытаются объяснить темную энергию не энергией вакуума, а чем-то другим, какими-то новыми полями, то становится очевидно, что естественным образом плотность этих полей и их энергии не очень сильно зависит от времени. Но за последние 7 млрд лет она должна была бы измениться. Какие-то модели дают 10%, какие-то 20%, какие-то - 7%, 5%. Когда ответ будет известен с процентной точностью (а речь идет о десятке, может быть, двух десятках лет), тогда будет понятно, какая из моделей ближе к истине. Безусловно, останутся различные возможности, появятся новые вопросы, но уже станет более или менее ясно, что на самом деле происходит, что это - новое поле или энергия вакуума. Я думаю, что через 20 лет темная энергия немного посветлеет. Однако давать прогнозы - всегда трудное дело.

Беседовал Валерий Чумаков

Источник "В мире науки"

валерий рубаков темная материя темная энергия

Назад

Социальные сети

Комментарии

  • Александр, 26 октября 2014 г. 13:53:41

    Неужели такую галиматью может нести ученый?
    В природе нет никакого вакуума. В природе все - материя. Темная и светлая. А энергия - это только способность(свойство) материи, любой и темной, и светлой, совершать работу. И что это за плотность способности совершать работу (энергии), о которой говорится в интервью?
    У этого с позволения сказать ученого, совершенно средневековые представления, не только об энергии, но и о природе.
    https://yadi.sk/i/MCSNYY9wcD7Sz

Авторизуйтесь, чтобы оставить комментарий