Астронет: С. А. Павлюченко/Astronet Связь кварков с космосом: двенадцать научных вопросов для нового века http://variable-stars.ru/db/msg/1225518

Связь кварков с космосом: двенадцать научных вопросов для нового века

Пояснительная записка к отчету Исполнительного Комитета по физике Вселенной

(Перевод Сергея Павлюченко)
Оригинальный отчет: титульная страница, оглавление, пояснительная записка.

Сейчас мы находимся на, в какой-то мере, специальном моменте понимания Вселенной и физических законов, которые ею управляют. Более чем когда-либо прежде, открытия в астрономии и астрофизике помогают раздвинуть границы наших знаний в области физики элементарных частиц, а открытия в области физики высоких энергий, в свою очередь, помогают нам в понимании Вселенной. Комитет по физике Вселенной (ниже просто Комитет) был созван под действием осознания этой глубокой связи, существующей между кварками и Космосом для более глубокого ее понимания.

ВОПРОСЫ

Обе науки - физика и астрономия - в последние два десятилетия демонстрируют ошеломляющий прогресс в своем познании. Открытия, сделанные физиками - в понимании того, как "работает" материя, пространство и время на самых тонких уровнях - с одной стороны и астрономами - в понимании Вселенной, как в целом, так и как совокупности своих компонентов - заставляют ученых из двух этих областей знаний объединить усилия для разгадывания тайн Вселенной. Вопросы, стоящие перед учеными, касаются двух, в какой-то степени противоположных, случаев - случая очень больших масштабов (в астрономии) и случая очень малых (для физики элементарных частиц). Эти вопросы очень сложны и запутаны, как в формулировании, так и в ответе, и только совместные усилия астрономов и физиков могут пролить свет на тайны мироздания.

Несмотря на то, что сами по себе вопросы представляют собой саму ясность и простоту, ответы на них бросают вызов человеческой находчивости и изобретательности. В качестве основы для этой книги Комитетом были выбраны 11 прямых вопросов, ответы на которые и обсуждения которых заключают в себе большую часть выводов и открытий, сделанных как физиками, так и астрономами за последнюю пару десятилетий. Понятно, что эта книга не может покрыть всего - такой задачи и не ставилось - вместо этого, делается упор на то, чтобы показать, как происходит взаимодействие между физикой элементарных частиц и астрономией для получения ответов на наши вопросы. Кроме того, из всего многообразия вопросов были выбраны те из них, ответы на которые реально можно получить в ближайшие десятилетия, или, по крайней мере, приблизиться к пониманию их сути в указанные временные рамки. Среди перечисленных ниже вопросов - одни из самых глубоких по своей сути, которые человек когда-либо задавал себе о нашей Вселенной. И тот факт, что эти вопросы встали остро перед наукой именно сейчас (или, по крайней мере, встанут в ближайшее время), только подстегивает интерес к ним и показывает, на пороге каких открытий мы сейчас с вами находимся. Итак, упомянутые выше 11 вопросов:

Что представляет собой темная материя?

Астрономы давно заметили, что объекты во Вселенной - начиная от карликовых галактик, в миллионы раз меньше нашего Млечного Пути и заканчивая крупнейшими скоплениями (галактик), состоят не только из обычного видимого вещества, но также в немалой степени и из некоего другого, не дающего света и отличающегося от привычного нам. Считается, что эта материя состоит из одного или нескольких видов неизвестных (будем надеяться, пока неизвестных) нам элементарных частиц, и огромные облака этих частиц, находящихся в галактиках и их скоплениях, создают дополнительное гравитационное притяжение, которое ответственно не только за формирование галактик, но и за формирование всей крупномасштабной структуры Вселенной. В то же самое время, эти же самые частицы, будучи повсюду в галактике, вполне могут (невольно) участвовать в экспериментах в физике высоких энергий, проводимых в лабораториях на Земле и, таким образом, быть "опознанными".

Какова природа темной энергии?

Анализ наблюдений за последние лет десять, в частности, сверхновых первого типа, позволяет сделать вывод, что наша Вселенная ускоряется в своем расширении вместо того, чтобы замедляться, как казалось последние десятилетия. В какой-то степени, это противоречит здравому смыслу - гравитация притягивает объекты друг к другу. Поэтому для объяснения этого феномена пришлось ввести новую форму энергии, названной темной энергией, которая и приводит к отталкиванию и чья природа определяет судьбу нашей Вселенной.

Каково было начало Вселенной?

Есть косвенные данные, показывающие, что в самые ранние этапы своего развития Вселенная прошла через стадию взрывоподобного расширения, называемой инфляцией, которая привела к тому, что даже самые масштабные объекты во Вселенной имели свои истоки в квантовой пене на субатомных масштабах. Причина, приведшая к этой инфляции, остается загадкой (прим. перев. - тут авторы, на мой взгляд, несколько переоценивают свои возможности. У нас нет возможности, да и вряд ли она появится в ближайшие десятилетия, узнать, что точно происходило на самых ранних этапах развития Вселенной. Есть лишь косвенные свидетельства, которые можно интерпретировать в рамках инфляционной теории, но никто не мешает использовать и другие теории - пока их предсказание не противоречат наблюдениям. Так что рассуждения о начале Вселенной пока могут носить лишь спекулятивный характер).

Закончена ли теория гравитации Эйнштейна?

Черные дыры можно встретить почти повсеместно во Вселенной (прим. перев. - если они, конечно, существуют), что позволяет довольно тщательно исследовать их гравитационные поля. Эффекты сильных гравитационных полей в ранней Вселенной, безусловно, имеют наблюдаемые последствия. Теория Эйнштейна должна работать в таких ситуациях так же, как она работает в Солнечной Системе. Законченная теория гравитации должна включать в себя квантовые эффекты - теория Эйнштейна их не рассматривает - или объяснять, почему они не важны.

Каковы массы нейтрино и как они повлияли на эволюцию Вселенной?

Согласно современным космологическим представлениям, нейтрино должны быть обильно представлены во Вселенной. Физиками были обнаружены свидетельства того, что нейтрино имеют небольшую массу (или, по крайней мере, существуют сорта нейтрино с ненулевой массой), из чего следует, вклад космических нейтрино в общую плотность Вселенной сравнима со вкладом от звезд (прим. перев. - вообще говоря, спорное и модельно-зависимое утверждение). Определение масс нейтрино может приоткрыть завесу тайны над тем, как объединены силы природы, как создавались элементы периодической таблицы, а, может быть, и тем, как вообще произошла вся материя.

Как устроены "космические ускорители" и какие именно частицы они ускоряют?

Физики обнаружили огромное число самых разнообразных высокоэнергетических явлений во Вселенной, среди которых - пучки частиц с неожиданно высокой энергией, но неизвестным источником. Энергетика этих космических лучей на многие порядки превосходит энергии частиц, которые мы можем реально получать на земных ускорителях.

Стабильны ли протоны?

Материя, из которой мы состоим, представляет собой все то, что осталось после аннигиляции вещества и антивещества, произошедшей в ранней Вселенной при несколько неравных долях. Наличие этого крошечного дисбаланса может быть связано с гипотетической нестабильностью протонов - простейшей формы материи (прим. перев. тут авторы опять несколько неточны в формулировке - лептоны, такие, как электрон, безусловно, проще по структуре, нежели адроны, так что протоны (лучше сказать, нуклоны) только лишь одни их наилегчайших "тяжелых" частиц) - и того, что некое небольшое "предпочтение" в формировании материи надо антиматерией уже в какой-то степени "встроено" в законы физики.

Каковы новые состояния материи при очень высоких плотностях и давлении?

Теория о том, как протоны и нейтроны образуют атомные ядра химических элементов уже давно и хорошо разработана. При более высоких (чем привычные нам) давлениях, протоны и нейтроны могут переходить в состояние, когда они представляют собой уже не единичные частицы, но некий "суп", состоящий из кварков и глюонов, которое можно как-то "попробовать", используя современные ускорители на тяжелых ионах. Плотности, превосходящие ядерные, существуют, например, в нейтронных звездах, и, используя косвенные методы, можно узнать, каковы свойства вещества при таких давлениях. Но еще большие плотности достигались на ранних этапах эволюции Вселенной.

Есть ли дополнительные пространственно-временные измерения?

В попытках расширить теорию Эйнштейна и понять квантовую природу гравитации, физики, работающие в области элементарных частиц, предположили существование дополнительных (к уже существующим) пространственно-временных измерений. Их существование могло бы повлиять на рождение и эволюцию Вселенной, рождение фундаментальных частиц, а также изменить гравитационное взаимодействие на малых масштабах.

Как появились элементы от железа до урана?

Понимание учеными происхождение элементов вплоть до железа в звездах и сверхновых вполне закончено. Однако, некоторые важные детали, касающиеся происхождения элементов от железа до урана все еще остаются загадкой.

Нужна ли новая теория для описания поведения вещества и излучения при высоких энергиях?

Вещество и излучение в лабораторных условиях достаточно хорошо изучены и вполне подчиняются законам квантовой механики, электродинамики и их объединения в квантовую электродинамику. Однако, во Вселенной немало мест и событий, таких, как, например, нейтронные звезды или источники гамма-всплесков, в которых условия намного превосходят те, которые мы когда-либо вообще сможем воспроизвести на Земле, проверяя наши базовые теории.

---

В каждом из вопросов прослеживается взаимосвязь между открытием физических законов, управляющих Вселенной, и пониманием физики процессов, происходивших при рождении и эволюции как Вселенной как целого, так и объектов, ее составляющих. Каждый из вопросов куда как шире, чем просто сумма его "астрономической" и "физической" составляющих, которая, в свою очередь, шире любой из них, взятой по отдельности. Поэтому рассмотрение вопроса с точки зрения, которая включает обе дисциплины - как астрономию, так и физику - делает эти вопросы еще более насущными и важными.

По своей совокупности, ответы на вопросы призваны "проверить на прочность" своего рода "связанную" модель Вселенной, которая связывает физику на самых микроскопических масштабах со свойствами Вселенной как целого и ее отдельных компонент в самых больших, астрономических, рамках. Эта конструкция целиком и полностью основана на экстраполировании законов физики, проверенных в земных лабораториях и в экспериментах, проводимых в Солнечной Системе, на самые экзотические астрономические объекты и даже на первые моменты жизни Вселенной! Смело? Безусловно! А вот верно ли? Можем ли мы так переносить действие законов из области их применения? Будет ли получившаяся теория согласованной? А последовательной? Проводя наблюдения и эксперименты мы можем получить некие свойства Вселенной, черных дыр, элементарных частиц (прим. перев. по большей части, правда, косвенные, которые уже можно интерпретировать по-разному), которые помогут нам либо отвергнуть нашу теорию, либо признать ее краеугольным камнем нашего научного взгляда на Природу.

Однако, поставленные задачи далеки от повседневных, и для их разрешения потребуются методы, превосходящие по отдельности как методы астрономии, так и методы физики, но объединяющие их, телескопы и ускорители, наземные и космические инструменты. Кроме того, нужна и новая стратегия решения. Препятствия, возникающие при решении поставленных задач, носят как научный, так и организационный характер - получившаяся "дисциплина" лежит как на пересечении двух - астрономии и физики - так и попадает под юрисдикцию сразу трех американских финансовых организаций - Министерства по Энергетике (Department of Energy, DOE), Национального Агентства по Аэронавтике и Исследованию Космического Пространства (National Aeronautics and Space Administration, NASA) и Национального Научного Фонда (National Science Foundation, NSF). Комитет считает, что если такой междисциплинарный подход при финансовой поддержке заявленных фондов начнет свою работу, то, вполне возможно, что получится сделать открытия, которые выведут нас на новую ступень понимания Вселенной и законов, которые ей управляют.

Второй важной задачей, которая была поставлена перед Комитетом, была разработка рекомендованного плана действий для NASA, NSF и DOE. Он представлен в Главе 7. Во-первых, Комитет пересмотрел уже действующие проекты в астрономии и физике (а также те, которые должны начаться в скором будущем) на предмет отыскания тех из них, которые отвечают изложенным выше задачам. Кроме того, Комитет занят поиском новых инициатив, которые помогли бы ответить на поставленные 11 вопросов. Резюмируя, стратегия, разработанная Комитетом, может быть изложена в форме семи представленных ниже рекомендаций.

В рамках этих рекомендаций Комитет обсуждает шесть будущих проектов, которые, по его мнению, важны для реализации программы по нахождению ответов на предложенные выше 11 вопросов. Три из них - Large Synoptic Survey Telescope (LSST), Laser Interferometer Space Antenna (LISA) и Constellation-X Observatory - уже ранее рассматривались на Национальном Исследовательском Консилиуме (National Research Council, NRC) в 2001г. и, за их способность ответить на довольно важные для астрономии вопросы (по крайней мере, теоретическую способность) были предложены в качестве приоритетных программ на ближайшее десятилетие. Комитет принял решение принять участие в финансировании этих программ, поскольку, результаты работы упомянутых трех экспериментов, в случае удачного выполнения возложенных на них миссий, несомненно, приблизят нас к ответам на наши вопросы. Оставшиеся три эксперимента - космический телескоп с широким полем зрения, глубокая подземная лаборатория и эксперимент по изучению поляризации реликтового излучения - принципиально новые инициативы, которые не были ранее рекомендованы в докладах NRC. Комитет надеется, что эти новые проекты будут завершены, или, по крайней мере, будут начаты работы по их осуществлению в те же временные рамки, что и обсужденные выше астрономические проекты, то есть в течение ближайших 10 лет.

Следование инициативам, означенные в рекомендациях Комитета, поможет осуществлению многих довольно специфичных научных замыслов, направленных на углубленное понимание Вселенной и законов, которые ею правят, но не за счет трех упомянутых выше финансовых институтов. Дело в том, что нельзя просто так урезать финансирование уже существующих программ в физике и астрономии, чтобы из вырученных средств финансировать новые программы - многие из них, пусть и косвенно, но все же тоже помогают нам в поиске ответов на наши вопросы. Так что для осуществления наших, поистине великих замыслов, нам понадобятся дополнительные источники финансирования. Замыслы настолько грандиозны, что некоторые проекты уже привлекли международных партнеров, и, будем надеяться, оставшиеся поступят так же.

РЕКОМЕНДАЦИИ

Ниже приведены семь рекомендаций Комитета для исследований и координации исследований, необходимых для получения ответов на 11 вопросов.

- Измерение поляризации реликтового излучения с целью обнаружения свидетельств того, что в истории нашей Вселенной был инфляционный период. Комитет рекомендует NASA, DOE и NSF предпринять меры, которые бы позволили провести соответствующие эксперименты.

Согласно инфляционной модели, вся структура, которую мы можем наблюдать во Вселенной - галактики, их скопления и сверхскопления, войды (void) и великие стены - все это было образовано из субатомных квантовых флуктуаций, которые были "перенесены" на астрофизические масштабы в течение периода очень быстрого, взрывоподобного расширения Вселенной - инфляции. Сами по себе же квантовые флуктуации приводят к образованию своеобразного "моря" гравитационных волн, которое уже может быть обнаружено по своему поляризующему действию на реликтовое излучение.

- Определение свойств темной энергии. Комитет оказывает финансовую поддержку проекту LSST (Large Synoptic Survey Telescope), который имеет (по мнению Комитета) все шансы на то, чтобы пролить свет на природу темной энергии. В дальнейшем Комитет рекомендует NASA и DOE совместно сконструировать и запустить космический телескоп с широким полем зрения для дальнейшего изучения истории расширения Вселенной с целью более глубокого понимания природы темной энергии.

Из последовательного изучения данных о далеких сверхновых было обнаружено, что наша Вселенная расширяется ускоренно вместо того, чтобы, замедляться, и это требовало объяснений. Объяснение было найдено - две трети всей энергии и материи нашей Вселенной занимает некая новая неизвестная форма энергии. В силу того, что она распределена равномерно по Вселенной, единственный метод, позволяющий "увидеть" эту темную энергию, это как раз изучение истории расширения Вселенной. Последний из докладов NRC рекомендовал поддержку строительства LSST для изучения быстропеременных событий во Вселенной, кроме того, этот телескоп более чем сможет оказать помощь и в уточнении истории расширения Вселенной. Для полной прорисовки этой истории просто необходим орбитальный телескоп с широким полем зрения (такой, как SNAP - Supernova Acceleration Probe) для того, чтобы обнаружить и точно измерить световой поток от далекой сверхновой.

- Определение масс нейтрино, качественного состава темной материи и время жизни протона. Комитет рекомендует DOE и NSF совместно разработать план создания и финансовые возможности для осуществления эксперимента нового поколения для достижения поставленных целей. В дальнейшем Комитет рекомендует построить подземную лабораторию со всей необходимой инфраструктурой и на достаточной глубине для того, чтобы проводить указанные выше эксперименты.

Масса нейтрино, новые стабильные формы материи, нестабильность протона - все это предсказания целого семейства теорий, которые объединяют все силы природы. Чтобы ответить на три этих вопроса, нужна лаборатория, которая достаточно хорошо защищена от частиц космических лучей, которые постоянно бомбардируют поверхность Земли.

- Использовать космическое пространство для тестирования законов физики. Комитет принял решение финансово поддержать проекты Constellation-X и LISA, которые, как ожидается, помогут нам в исследовании черных дыр и тестировании теории Эйнштейна на качественно новом уровне. В далекой перспективе Комитет рекомендует ведомствам, имеющим отношение к данным миссиям, продолжить работу в этом направлении и разработать новую программу, позволяющую построить новые инструменты, которые позволили бы детектировать гравитационный волны от ранней Вселенной.

Во Вселенной немало экзотических, с точки зрения землянина, мест, экзотических по физическим условиям, которые там царят, что позволяет использовать их как своеобразные "лаборатории". Последний из докладов NRC рекомендовал запуск проектов LISA и Constellation-X как наиболее перспективные из предложенных для астрономических открытий. По замыслу разработчиков, эти миссии должны быть в состоянии протестировать выполняемость теории Эйнштейна в условиях сильных гравитационных полей - у горизонтов событий черных дыр и вблизи поверхностей нейтронных звезд. Именно поэтому Комитет добавляет и свою рекомендацию к реализации этих программ.

- Обнаружение источников гамма-лучей сверхвысоких энергий, нейтрино и космических лучей. Комитет полностью поддерживает уже существующий достаточно широкий подход к изучению вышеупомянутых феноменов и рекомендует США обеспечить своевременное завершение строительства и функционирование инструмента Southern Auger array.

Частицы самых высоких энергий, которые мы только можем наблюдать, получаются при использовании природных "ускорителей", во множестве существующих во Вселенной, и наблюдаем мы эти частицы в форме гамма-квантов высоких энергий, нейтрино и космических лучей. Полное понимание процесса генерации и ускорения этих частиц может пролить свет на то, как объединены силы природы. Инструмент, известный как Southern Auger array в Аргентине, как считается, способен разрешить проблему космических лучей сверхвысоких энергий.

- Выявление физических принципов, которым подчиняются астрофизические среды, находящиеся в экстремальных состояниях, через изучение физики сверхвысоких плотностей. Комитет рекомендует ведомствам скооперироваться для объединения различных научных групп, занимающихся данным вопросом с целью стимулирования этой быстроразвивающейся отрасли физики.

Уникальное лабораторное оборудование, такое, как сверхмощные лазеры, современные ускорители, плазменные установки могут быть использованы как для изучения физики в экстремальных условиях (при высоких плотностях, температурах, давлениях, ...), так и для симуляции физических условий, необходимых для понимания некоторых из наиболее интересных объектов и явлений во Вселенной, включая гамма-всплески. Область физики высоких плотностей сейчас еще только зарождается, так что для того, чтобы полностью раскрыть свой потенциал, необходимо привлечение и совместная работа со специалистами из астрофизики, лазерной физики, магнитного конфайнмента и исследований пучков частиц, численных методов и атомной физики.

- Осознать то, какие научные возможности открываются перед нами при работе на стыке физики и астрономии. Комитет рекомендует создать межведомственную инициативную группу по физике Вселенной при участии NASA, DOE и NSF. В задачи инициативной группы войдет поддержка совместных мероприятий по планированию и осуществлению межведомственных проектов.

Научные задачи, поставленные Комитетом, не только выходят за рамки каждой из наук астрономии и физики, но также входят в сферы интересов DOE, NASA и NSF. Ни одно ведомство не может заниматься всей наукой. Уникальные возможности, предоставляемые каждым из ведомств, вместе с сотрудничеством и координацией между ними - все это будет необходимо для осуществления поставленных задач.

Комитет по физике Вселенной считает, что, в свете последних открытий и технологических достижений, настала пора для того, чтобы еще глубже понять нашу Вселенную - ее происхождение и судьбу - а также законы, которые ею управляют. Эти 11 вопросов передают всю грандиозность возможностей, лежащих перед нами. Комитет считает, что выполнение вышеописанных семи рекомендаций сильно улучшит наше понимание Вселенной и, возможно, даже нашего места в ней.