Физический вакуум и космическая анти-гравитация<< 9. Совпадение наблюдаемых плотностей | Оглавление | 11. Первые три пикосекунды >>
10. Происхождение видов
От эмпирического анализа новейших наблюдательных данных на языке фридмановских интегралов перейдем к вопросу о физической природе приближенного равенства этих интегралов, выражающего внутреннюю симметрию в космологии. Вытекает ли эта симметрия из известных фундаментальных физических законов? Отражает ли она некие более глубокие закономерности в природе?
В поисках ответа на эти вопросы, необходимо обратиться к физике ранней Вселенной, к процессам, которые, как полагают [6-10], могли привести к генерации наблюдаемых форм космической энергии, к `происхождению видов' в космологии, как иногда говорят. В дополнение к тому, что уже было сказано об этом в п.2, приведем здесь очень краткую сводку современных сведений о происхождении и физической природе четырех основных компонент космической среды.
Среди всех ингредиентов космической среды только реликтовое
излучение можно считать простым и полностью понятным по своему
физическому происхождению. Это электромагнитные волны, или
фотоны, которые находились в термодинамическом равновесии с
горячей космической плазмой, а при температуре
и
возрасте мира 
млн лет, когда плазма охладилась из-за
общего расширения и в ней произошла рекомбинация, излучение
перестало взаимодействовать с веществом. С тех пор этот газ
фотонов продолжает участвовать в космологическом расширении,
оставаясь практически идеально однородным, изотропным и
термодинамически равновесным. Его современная температура
измерена исключительно точно, по космологическим меркам:
К. В каждом кубическом сантиметре Вселенной
содержится приблизительно
реликтовых
фотонов.
Вместе с реликтовым
излучением в состав релятивистской компоненты космической среды входят
безмассовые и/или легкие нейтрино и антинейтрино (в равном числе).
Их почти столько же по полному числу частиц и античастиц, сколько и
релятивистских фотонов - приблизительно 300 в кубическом сантиметре. Полный
вклад нейтрино в плотность релятивистской компоненты немного меньше вклада
реликтового излучания.
Нейтрино и антинейтрино тоже вначале находились в термодинамическом
равновесии с космической плазмой, но из-за малого сечения взаимодействия
с электронами, они отделились от плазмы гораздо раньше, чем
фотоны; это произошло при температуре
МэВ
и возрасте мира сек. Нейтрино слабо взаимодействуют друг с другом,
и потому нейтрино и антинейтрино не аннигилировали и смогли сохраниться
до сих пор как еще один реликт горячего начального состояния мира.
Их современная температура около 2 К.
Гораздо меньше известно о других возможных релятивистских частицах и полях
космологической природы. Среди них наверняка должны присутствовать
первичные гравитоны [49]; их существование предсказывает также инфляционная
модель.
Не исключено, что гравитонов и возможных других частиц, о которых сейчас
известно мало или ничего, может оказаться заметно больше, чем реликтовых
фотонов; относительный вклад нейтрино, гравитонов и др. учитывается
множителем 
(не слишком определенным) в форуле (5).
То `обычное' вещество Вселенной, из которого состоят Земля (и все, что на ней), другие планеты и звезды, - это барионы (протоны, нейтроны) и электроны в числе, равном числу протонов. Что же касается соответствуюших античастиц, т.е. антибарионов (антипротонов, антинейтронов), позитронов, то они присутствуют в ничтожных количествах и обязаны вторичным процессам рождения частиц и античастиц при столкновениях частиц высоких энергий, например, в космических лучах или на мощных ускорителях.
Численную меру такого рода зарядовой асимметрии
можно определить, зная современные значения плотности барионов и реликтового
излучения.
Дело в том, что в горячей ранней Вселенной, при высоких
температурах, превышающих массу покоя барионов, барионы и антибарионы
(а точнее, составляющие их кварки и антикварки) должны были иметься в почти
равных количествах, причем концентрация (число частиц в единице объема) тех и
других должна была почти точно совпадать с концентрацией реликтовых фотонов.
Позднее, после того как произошла аннигиляция барионов и антибарионов, избыток
частиц над античастицами уцелел и дал современное наблюдаемое значение
плотости барионов. Так как с тех пор число реликтовых фотонов не менялось
(практически) в сопутствующем объеме, то современное отношение концентрации
барионов к концентрации реликтовых фотонов дает отношение исходного
избыточного числа барионов к их исходному полному числу. При современной
плотности барионов
г/см
, их
концентрация составляет в среднем
в кубическом сантметре.
Так получается
величина
, которая называется космическим
барионным числом и служит мерой как современной, так и изначальной зарядовой
асимметрии мира по отношению к барионам и антибарионам. Именно это малое
безразмерное космическое число обеспечило
выживание обычного вещества в ранней эволюционирующей Вселенной и его
существование в сегодняшнем мире.
Принципиально допустимы две возможности истолкования такого подавляющего избытка частиц над античастицами. Можно принять, что этот избыток существовал в природе с самого начала, т.е. что Вселенная родилась уже резко асимметричной по отношению к частицам и античастицам. Эта точка зрения активно обсуждалась в начале 1960-х годов, причем иногда предполагалось, что первичное превышение числа частиц над числом античастиц могло бы быть одной из фундаментальных констант природы, имеющей тот же статус, что и, скажем, постоянная Планка.
Другой подход к проблеме зарядовой асимметрии мира предполагает, что величина
, характеризующая эту асимметрию, не столь фундаментальна по своей
природе и в действительности должна `выводиться' из более общих законов
физики. В этом случае
предполагается, что Вселенная с самого начала могла быть строго симметричной
относительно барионов и антибарионов, а избыток барионов над антибарионами
возник в ранней Вселенной эволюционным путем. Такая точка зрения была
впервые высказана более 30 лет назад в работах
[55,56].
Возникновение барионного заряда Вселенной, или, как говорят, космический
бариогенез, требует, согласно [55], выполнения ряда условий, главное
из которых - нестабильность протона. Необходимо также
нарушение C- и CP-инвариантности
(т.е. симметрии между частицами С и комбинированной симметрии С вместе с
зеркальной симметрией Р).
Кроме того, требуется нестационарность мира, быстрое космологическое
расширение, чтобы процессы взаимодействия первичных
частиц космической среды протекали в термодинамически неравновестных
условиях.
Если последнее условие казалось естественным для
ранней Вселенной, то первое из них - нестабильность
протона - представляло собой чрезвычайно смелую по тем временам гипотезу.
Но именно эта гипотеза и сделала, как позже выяснилось, эволюционный подход
к проблеме перспективным и плодотворным.
К концу 1970-х годов стало известно, что распад протона представляет собой
одно из следствий идеи Большого Обьединения, предполагающей единую
природу сильного, слабого и электромагнитного взаимодействий (как известно,
мечта Эйнштейна состояла в том, чтобы построить единую теорию всех четырех
фундаментальных взаимодействий, включая гравитацию). В предыдущем параграфе
уже упоминалось характерное время распада протона; оно очень велико, не
меньше
лет. Что же касается нарушения
С и СР инвариантности, то это явление непосредственно наблюдается в распадах
и анти- мезонов. Так что соединение новейших идей и
экспериментальных фактов физики
элементарных частиц с космологией определенно указывает на реальную возможность
выполнения всех трех необходимых условий бариогенеза в ранней Вселенной.
В конкретных вариантах космологического бариогенеза, которые обсуждались в
последние два десятилетия, изучалась возможность протекания этого процесса
в очень раннюю эпоху, когда температура космического вещества была близка к
характерной энергии Большого Объединения
ГэВ
, а
возраст мира
сек. Другой вариант - бариогенез
при гораздо более низких температурах,
соответствующих характерной энергии электрослабых процессов,
ГэВ
, когда возраст мира составлял
сек (см. недавние обзоры
[57-59]).
Процитируем в этом месте книгу [9]: `Сценарий бариогенеза представляет собой
один из больших успехов (great triumphs) соединения физики частиц с
космологией ...'. К этому остается только добавить, что `вывод'
космического барионного числа
из фундаментальной теории все
еще остается нерешенной задачей. Успешно показано, что это в принципе
возможно, что само число лежит в естественных для теории пределах величин;
но получить его удается пока только в рамках специальных моделей, а не
непосредственно из первых принципов физики. Но может быть, это число и не
настолько
в действительности принципиально, что оно обязательно должно иметь это
и только это значение в той единственной Вселенной, которая
нам известна?
Скажем теперь о темном веществе. До сих пор совершенно не известна,
как уже говорилось в п.2, природа его носителей, и спектр
обсуждаемых возможностей простирается от гипотетических элементарных
частиц до звезд-карликов или массивных черных дыр. Это настолько
очевидный и вопиющий пробел в фактических знаниях о Вселенной,
что к этому уже, кажется, ничего особенно и не добавишь.
Но скажем все же и нечто позитивное на эту тему. В духе идей, родственных
картине бариогенеза, можно предположить, что природа скрытого вещества
связана так или иначе с неравновесными процессами в космической среде
на ранних этапах расширения Вселенной. В только что процитированной книге [9],
а также и в книгах [6,8],
подробно излагается, например, кинетика закалки частиц и
античастиц в космической среде. Пусть сечение аннигиляции есть 
,
концентрация частиц 
и их средняя скорость 
. Тогда характерное время
аннигиляции есть
 |
(24) |
(его, конечно, не стоит путать с временем в решении де
Ситтера, которое обозначено выше той же буквой) могло быть сначала мало по
сравнению с космологическим возрастом 
, а потом из-за изменения со
временем величин, от которых оно зависит, это время могло стать больше
космологического возраста. Тогда аннигиляция частиц и античастиц прекратится,
и они смогут сохраниться во Вселенной.
Именно это произошло с нейтрино и
антинейтрино (см. выше); но на роль темного вещества нейтрино не годятся
из-за их слишкой малой массы. Однако то же самое могло бы произойти и с
достаточно массивными частицами скрытой массы, - если только
предположить, что носителями темного вещества
являются именно элементарные частицы вместе с античастицами. Такие частицы
не должны излучать
электромагнитные волны и вообще взаимодействовать с электромагнитным
излучением. Подобно нейтрино, они могли бы участвовать лишь в слабом
(и конечно гравитационном) взаимодействии. При подходящем значении массы
этих частиц они могли бы обеспечить наблюдаемое значение плотности темного
вещества. Одна из такого рода моделей обсуждается в недавней работе [61],
где делается предположение о том, что закалка частиц темного вещества
произошла в эпоху, когда температура была близка к характерной энергии
электрослабых проценссов 
ТэВ. В работе [61]
подчеркивается ключевая роль электрослабых процессов как в физике
элементарных частиц, так и в космологии ранней Вселенной
(см. об этом также упомянутые выше обзоры
[57,60]).
Наконец, скажем (хотя и не так подробно, как эта тема в
действительности заслуживала бы) о том, что известно о природе
космического вакуума и,
прежде всего, о происхождении его наблюдаемой плотности.
Малое, но ненулевое значение плотности вакуума всегда
рассматривалось как принципиальная трудность фундаментальной
физической теории
[3,4,
60].
В выражении через планковскую массу,
обнаруженная в астрономических наблюдениях плотность вакуума есть
 |
(25) |
Речь идет не только о вакууме в космологии, но и о вакууме микромира - как уже упоминалось, это один и тот же физический обьект. На заре релятивистской квантовой теории, когда впервые возник вопрос о природе моря Дирака, о бесконечности его энергии, Гамов говорил, что дираковский вакуум должен обнаружить себя через гравитацию [8]. На семинарах и особенно в коридорах теоретического отдела Ленинградского Физико-технического института в 60-70 гг. (прошлого века) это была одна из неизменных тем оживленных обсуждений, часто со ссылками на Гамова, некогда участника семинаров в тех же стенах. Бесконечна ли плотность вакуума? Но тогда должна быть бесконечно большой кривизна пространства. Если радиус кривизны пространства не меньше расстояния до горизонта, то отсюда вытекает верхний предел плотности вакуума. И шутили вслед за Я.И. Померанчуком: вакуум не пуст, он полон глубокого физического содержания...
Тем временем за океаном
вопрос о численном значении плотности вакуума получил название
`проблемы естественности в теоретической физике' [4].
Считалось, что для такой базовой величины как плотность вакуума
нужно ожидать какого-то весьма сильно выделенного значения, и
обсуждаемых вариантов
было два - либо нуль, либо планковская плотность
.
Но при огромной планковской плотности кривизна пространства была бы
невообразимо
большой; это недопустимо. А если плотность вакуума есть нуль, это никогда не
удастся строго доказать экспериментально...
Действительная плотность, измеренная благодаря гравитационому эффекту вакуума (что и имел в виду Гамов, хотя об анти-гравитации и ускоряющемся расширении он, кажется, не говорил), теперь известна. Она вполне согласуется с соображениями о верхнем пределе, который вытекает из ограничения снизу на радиус кривизны пространства. А в духе прежних аргументов естественности она должна представляться неестественно малой по сравнению с планковской плотностью - на сто двадцать три порядка величины меньше. И бесконечно большой по сравнению с нулем.
С какими еще фундаментальными величинами можно было бы
сравнивать плотность вакуума? Если взять не планковскую массу, а массу,
соответствующую Большому Объединению,
,
получим плотность
;
эта величина на сто порядков превышает наблюдаемое значение плотности вакуума.
Если, далее,
принять для тех же целей энергетический масштаб электрослабых взаимодействий,
, плотность будет
; разрыв попрежнему очень велик. Из фундаментальных
энергетических масштабов остается еще масштаб кварк-адронных процессов
; но и он дает недопустимо высокую плотность:
.
Подходящего энергетического масштаба в физике микромира, кажется, не видно.
Но обратимся к принципиальной стороне вопроса. Откуда вообще берется энергия
вакуума? Согласно одному из базовых результатов квантовой механики,
вытекающему из принципа неопределенности Гайзенберга,
наинизшая энергия квантового осциллятора не равна нулю, она составляет
величину 
. Из этих `нулевых колебаний', как их называют, и
складывется ненулевая энергия наинизшего энергетического состояния
квантовых полей. Таков принципиальный ответ на вопрос [8]. Но реально
подсчитать
соответствующую суммарную плотность энергии, связанную с нулевыми
колебаниями, квантовая теория поля не
позволяет. Если рассмотреть ансамбль квантовых осцилляторов в качестве
модели физических полей и суммировать
энергию нулевых колебаний по всем возможным
частотам вплоть до бесконечности, то результатом и будет бесконечная
энергия и бесконечная плотность энергии вакуума.
Чтобы избежать таких
расходимостей, прибегают к ограничению диапазона частот сверху на
некотором значении частоты, которое принимается за предельное.
Можно, например, считать, что предельной частоте отвечает планковская
энергия 
, так что
. Аргументом в пользу
подобного выбора предельной частоты служит тот несомненный факт, что
для энергий, превышающих планковскую, стандартные представления физики,
в том числе и само понятие частоты, теряют обычный смысл.
Но получающаяся при таком подходе плотность вакуума, как
можно видеть (хотя бы из соображений размерности), равна по порядку величины
четвертой степени частоты, и следовательно, она будет иметь значение
,
которое, как мы видели, на сто с лишним порядков величины отличается от
реального.
Зная уже из космологии действительное значение плотности вакуума,
нужно выбрать предельную частоту, а с ней и соответствующий
энергетический масштаб 
, на уровне
 |
(26) |
на 12 порядков величины ниже энергии кварк-адронных процессов
,
а это означает, что за физику космического вакуума ответственны процессы
не при сверхвысоких, а наоборот, при сверхнизких энергиях.
Предельной частоте (26) отвечает длина волны
,
которая составляет приблизительно 1 мм. Эта длина очень велика по сравнению
с характерными пространственными
масштабами микромира
см и очень мала по
сравнению с фридмановскими космическими интегралами
см, но как ни странно, очень близка к нашим привычным человеческим
меркам.
Важнее, однако, то обстоятельство, что характерная длина волны лежит в пределах масштабов, для которых экспериментально проверены законы гравитации. В этом смысле теория наблюдаемого космического вакуума не требует экстраполяции известных законов физики в область масштабов, где эти эти законы остаются непроверенными (ср. с тем, что сказано выше о модели инфляции).
Чтобы найти какой-то сопоставимый масштаб для частоты (26) (а с ней и для
характерной длины 
), обратимся к
физике ранней Вселенной. Темп космологического расширения
(имеющий ту же размерность, что и частота) дается
стандартой формулой
, где под плотностью надо
понимать плотность релятивистской энергии, которая доминирует во Вселенной
в первый миллион лет ее расширения:
. Тогда
ГэВ (здесь учтено уже не раз использованное
соотношение между гравитационной постоянной и планковской массой в
`микрофизической' системе единиц; 
- температура среды). Темп расширения
сравнивается с характерной
предельной частотой при возрасте мира 
секунд (пикосекунды) и
температуре
ГэВ.
Но последняя величина близка к энергетической шкале слабого взаимодействия
. А отсюда вытекает, что предельная частота 
численно
близка к значению комбинации
.
(Если бы мы захотели прибегнуть к экстраполяции законов тяготения до
планковских массштабов, то могли бы сказать, что
вакуумный энергетический масштаб представляет собой гравитационную
потенциальную энергию двух масс величины , разделенных расстоянием,
равным планковской длине. Вряд ли, однако, такое сравнение может быть
реально полезным.)
При указанной величине плотность энергии вакуума
 |
(27) |
Интересно, что в уже упомянутой работе [61] выражение (27) было получено из
сложной теоретико-полевой модели (правда, не без
довольно произвольных и весьма сильных дополнительных
предположений). Но если в соотношении (27) и вправду
есть что-то от сути дела, то природа вакуума должна быть как-то связана
с физикой электрослабых процессов в ранней Вселенной при возрасте
мира
сек. В эту эпоху текущий горизонт событий
близок к характерной длине волны
мм.
Возможно, именно в эпоху, когда космическая температура упала до
энергии электрослабых процессов, и произошел последний
по времени скачек в состоянии исходного вакуума (фазовый переход),
определивший современное значение плотности вакуума. Но и независимо
от конкретных соображений такого рода можно полагать,
что в первые пикосекунды космологического расширения сложилась вся
дальнейшая судьба Вселенной [3].
Подчеркнем еще раз, что соотношение (27), хотя оно и выглядит как будто привлекательно, не может, конечно, считаться ни строго доказанным, ни тем более окончательным. Несомненно, что далеко не исчерпаны еще и возможности других известных подходов к проблеме. Существует, например, точка зрения, согласно которой вакуум фермионов и вакуум бозонов имеют разные знаки энергии, так что суммарное значение плотности вакуума могло бы быть нулевым, если имеется строгая симметрия между фермионными и бозонными состояниями (называемая суперсимметрией). А если эта симметрия не точна, то результатом должно быть малое, но конечное значение плотности вакуума (см.[8]). К сокращению плотности вакуума с планковского значения до реального могло бы привести существование скалярного поля, имитирующего вакуумное уравнение состояния с отрицательной энергией [62]. Правда, и эта идея не приводит, как полагают, к последовательному и прямому решению проблемы. Причины трудностей и неудач на этом пути обсуждаются в [4,60]. Поиски новых подходов продолжаются, и из совсем свежих работ отметим модель [63] с тремя вкладами в плотность вакуума: от нулевых колебаний, от пространственной кривизны (низкие энергии) и от конденсата нейтральных бозонов (высокие энергии). Усилия получить разумную плотность вакуума активно развиваются в новейшей теории мембран (см. [64] и имеющиеся там ссылки).
<< 9. Совпадение наблюдаемых плотностей | Оглавление | 11. Первые три пикосекунды >>
|
Публикации с ключевыми словами:
Космология - космомикрофизика - вакуум - Расширение Вселенной - квантовая гравитация - антигравитация - лямбда-член - Общая теория относительности
Публикации со словами: Космология - космомикрофизика - вакуум - Расширение Вселенной - квантовая гравитация - антигравитация - лямбда-член - Общая теория относительности | |
См. также:
Все публикации на ту же тему >> | |
