Независимый бостонский альманах

ПРИПОДНИМЕМ ЗАНАВЕС ЗА КРАЕШЕК... “ТЕМНОЙ МАТЕРИИ

03-07-2006

Валентин Иванов При чтении научно-популярной литературы по физике невольно создается впечатление, что последнее десятилетие характеризуется необычайным всплеском интереса к двум загадочным объектам, которые сулят решения некоторых фундаментальных проблем – бозону Хиггса и темной материи. О роли бозона Хиггса в построении Единой Теории Поля мы уже упоминали в публикации “Круги на воде, или зачем человечеству ускорители”, какая-то ясность в прояснении проблем, связанных с его существованием и свойствами ожидается в ближайшие годы. Теперь же многократно выраженное нетерпение читателей заставляет нас обратиться к освещению проблемы темной материи.

При изложении свойств темной материи нам встретится много новых, малопонятных и даже отчасти мистических объектов и их свойств, поэтому нам никак не обойтись без краткого экскурса в природу обычной материи и эволюции взглядов на эту природу. При описании йети (снежного человека) “очевидцы” в первую очередь обращают внимание на отличия во внешнем облике и повадках этого существа от обычных людей, также поступим и мы.

Вопрос о том, из чего состоит окружающий нас мир начал волновать человечество с тех самых пор, как оно стало осознавать себя. Конечно, в таком любопытстве есть доля практического интереса (зная из чего” можно потом будет как-то употребить это знание пользы для), но чем далее человек продвигался в изучении этого вопроса, тем более этот вопрос захватывал его сам по себе, безотносительно каких-либо практических применений – потому что интересно. Все, что можно было ощущать непосредственно увидеть, понюхать, лизнуть, пощупать, услышать – человек назвал материей. Из того факта, что контакты с материей приносят самые разнообразные ощущения, был сделан несложный вывод, что существуют различные элементы материи. Сложнее было решить вопрос о том, конечно ли множество таких неповторимых элементов, а если конечно, то сколько неповторимых элементов существует в природе. Уже на этом этапе познания мнения разделились. Большинство считало, что элементы природы непрерывным образом заполняют все мыслимое пространство, и назвало эти элементы стихиями. Другие же считали элементы дискретными комочками, между которыми пустота, которая и составляет собственно пространство для перемещения этих комочков. Наиболее популярная непрерывная модель включала 4 основные стихии – земля, вода, огонь и воздух – различные пропорции смешивания которых и поставляют нам разнообразие веществ окружающего нас мира. Из дискретных моделей самые плодотворные зерна истины дало учение Левкиппа и Демокрита об атомах, как о мельчайших и неделимых (истинно элементарных) частицах материи.

Мы опустим более подробное описание эволюции взглядов на материю, отослав читателя к публикации “”Ландшафт Вселенной” между знанием и мечтой”, и приведем лишь финальную картину этой эволюции, выразившуюся в планетарной модели атома, построенной Резерфордом. Согласно этой модели, атом состоит из маленького и относительно тяжелого ядра и вращающихся вокруг него легких электронов. Единственное существенное отличие моделей атома и Солнечной системы, кроме огромной разницы в размерах, состоит в том, что планетам не дает разлететься в стороны сила притяжения (гравитация), действующая со стороны Солнца, а электроны удерживает электромагнитная сила притяжения их ядром атома. В том и в другом случае зависимость силы от расстояния между объектами одна и та же – обратно пропорциональная квадрату расстояния между ними, но любые известные массы всегда только притягиваются друг у другу, в то время как электрические силы могут быть как притягивающими, так и отталкивающими. По этой причине ядру приписали положительный заряд, а электронам – отрицательный. Наличие ядра у атомов обнаружил Резерфорд, изучая рассеяние пучков высокоэнергетичных электронов атомами. Потом было показано, что ядро состоит из положительно заряженных частиц – протонов, число которых в точности равно числу электронов, а заряд электрона с обратным знаком в точности равен заряду протона, поэтому атом электрически нейтрален. Разновидностей атомов, отличающихся зарядом ядра оказалось не очень много чуть больше ста.

Многообразие же веществ окружающего мира обеспечивается тем, что наиболе удаленные от ядра электроны могут образовывать устойчивые связи с электронами других атомов, объединяя их в молекулы. Изучением таких связей занимается наука химия.

В резерфордовской модели атома после обнаружения протонов гнездился парадокс – секрет устойчивости, неделимости атома. Дело в том, что протоны ядра должны отталкиваться друг от друга с силой, намного превосходящей силу притяжения ими электронов, поскольку они расположены друг к другу гораздо ближе, чем к электронам. Открытие Чедвиком нейтронов – частиц с массами близкими к массе протона, но не имеющих электрического заряда – заставило предположить, что именно нейтроны играют роль “ядерного клея”, обеспечивающего стабильность ядер атомов. При этом пришлось ввести новое фундаментальное взаимодействие, которое было названо “сильным”. Это взаимодействие так долго и успешно пряталось от пытливых исследователей, потому что оно является короткодействующим, оно быстро убывает на расстояниях, превышающих размеры атомного ядра. Когда размеры ядер тяжелых элементов достигают радиуса действия сильного взаимодействия, ядра становятся нестабильными – вот почему мы имеем сравнительно небольшое число атомов различного вида.

Последний из известных доныне видов фундаментальных сил – слабое взаимодействие. Оно играет роль фокусника, обеспечивающего превращение одних элементарных частиц в другие. Впервые оно было введено для объяснения реакции бета-распада. Дело в том, что свободный нейтрон является сравнительно долгоживущей, но нестабильной частицей, которая превращается в протон – стабильную частицу с положительным зарядом. Закон сохранения полного заряда требует одновременного появления и частицы с отрицательным зарядом. Такой частицей оказывается электрон, однако скрупулезный подсчет энергии родившихся частиц показывает, что часть энергии уносится невидимым воришкой, который должен быть электрически нейтральным и обладать незначительной по сравнению с протоном и электроном массой. Этот воришка был, таким образом, открыт “на кончике пера” и получил название “нейтрино”. Как оказалось позднее, нейтрино настолько неуловимо, что оно способно пронизать объем Солнечной системы, испытав при этом, возможно, единственное столкновение.

Самое неприятное для теоретиков время наступило, когда экспериментаторы разработали совершенную технику для детектирования частиц, и открытия новых частиц посыпались как горох из решета. Все новые частицы оказались короткоживущими, и потому, в каком-то смысле – эфемерными. Непонятно было их назначение и методы классификации. Известное спокойствие наступило лишь при создании так называемой Стандартной модели, в которой все частицы делятся на частицы материи (легкий - электрон и тяжелые – адроны: протоны и нейтроны) и переносчики взаимодействий:

    • Фотон – электромагнитное взаимодействие;

 

    • Гравитон (пока не открытая частица) – гравитационная сила;

 

    • 8 глюонов – сильное взаимодействие;

 

    • Нейтральный Z0 и заряженные W± бозоны – слабое взаимодействие.

 

Частицы материи называют также называют фермионами – эти индивидуалисты подчинаются статистике Ферми-Дирака, запрещающей любым двум частицам находиться в одном и том же состоянии (Принцип запрета Паули: каждому – отдельная спальня! Никакой нетрадиционной ориентации – “облико морале”!), они имеют полуцелый спин – аналог паспорта для элементарных частиц. Переносчики взаимодействий – весьма компанейские ребята (элементарные “цыгане”), они имеют целочисленное значение спина.

Фундаментальные фермионы состоят из лептонов – частиц, не участвующих в сильных взаимодействиях (электрон e-, мюон μ- и тау-мезон τ-) и трех типов нейтрино (электронное νе, мюонное νμ, тау-нейтрино ντ). Адроны состоят из более мелких фрагментов – кварков. Всего кварков – 6, и они сгруппированы попарно (up-down), (charm-strange), (top-beauty), и каждая пара характеризуется своим “цветом”. Подобно тому, как смешиванием трех основных цветов – красного, синего и зеленого – можно получить любой желаемый цвет, комбинации из 3-х кварков составляют адроны, а бинарные комбинации – мезоны. На основе аналогии с цветовой гаммой физика взаимодействия кварков была названа квантовой хромодинамикой. Кварки имеют дробные заряды, равные 1/3 и 2/3 заряда электрона. Таким образом, природой реализуются только такие их комбинации, которые в сумме дают целочисленное значение заряда образуемой кварками частицы. В итоге мы перечислили все известные нам частицы материи, входящие в Стандартную модель, но...

Еще до создания квантовой хромодинамики Поль Дирак указал, что написанное им квантовое уравнение динамики электрона допускает решения для аналогичных частиц с положительным зарядом. Некоторое время это безумное предположение носило характер оригинальной шутки, парадокса. Физики пытались найти те принципы, которые запрещали бы существование таких “уродов” в мире элементарных частиц. К счастью, все их попытки не увенчались успехом, и вскоре был экспериментально обнаружен позитрон, а затем и остальные частицы, зеркально отраженные по знаку заряда по отношению к обычным частицам. Они были названы античастицами и составляли в совокупности антиматерию. Теперь легко видеть, что Стандартная модель была бы не полна без античастиц, поскольку дробность заряда кварков не позволяет составить из них бинарные комбинации с целочисленным зарядом. Отсюда ясно, что мезоны являются комбинациями кварк-антикварк. Все попытки раздолбать адроны, чтобы получить кварк в чистом виде, имели один и тот же финал: выделялось нужное количество “глюонного клея”, цементировавшего пары кварк-антикварк.

Мечтателей давно привлекала идея путешествия во времени. Что же касается физики, на путешествие вперед наложен запрет теорией относительности, согласно которой максимально достижимая скорость передачи материи и информации есть скорость света, являющаяся мировой константой. Наделенные воображением физики тут же придумали гипотетические частицы, распространяющиеся со сверхсветовой скоростью – тахионы. С путешествием в прошлое тоже были некие логические сложности, связанные с нарушением принципа причинности наблюдаемых явлений. С появлением античастиц эти ограничения исчезли. С точки зрения наблюдателей нашего мира, античастицы – это частицы, путешествующие из будущего в прошлое. Прямая передача материи и информации путем “пересадки” с симметричной заменой частиц на античастицы и обратной трансформацией по прибытии в момент назначения затруднена лишь тем, что мостиком между нашим миром и антимиром является “истинно нейтральная” безмассовая частица – фотон, а само превращение – аннигиляция – носит характер взрыва, в котором вещество массой m полностью превращается в энергию излучения E в соответствии с формулой Эйнштейна E=mc2. Эта формула описывает и обратную реакцию. Она означает, что для рождения любой частицы с массой m необходимо затратить энергию, равную mc2. Теперь пофантазируем. Поскольку все электроны, равно как и остальные частицы, абсолютно тождественны между собой, самой ценной частью неповторимого “Я” является не косная материя, а лишь полная информация об устройстве этого “Я”. Если мы сможем сохранить эту информацию при преобразовании вешества в антивещество и обратно, то проблема путешествия во времени станет реальностью. С электроном, конечно, проще, у него лишь несколько битов информации: заряд, масса, спин и еще какая-то сопливая мелочь, а у человека битов много, и каждый бит кодирует неповторимость Вашей личности. “Приблизительная” передача какой-то пары важных битов может превратить гениального скрипача в дауна на том конце линии, так что проблемы пока остаются.

Для завершения картины следует лишь упомянуть, что заветная мечта физиков о создании теории Великого Объединения всех фундаментальных взаимодействий не могла быть реализована в рамках Стандартной Модели, что привело к появлению ее расширений. Одно из таких расширений – теория суперсимметрии (SUSY). В рамках этой теории каждой обычной частице сопоставляется ее суперпартнер, причем партнером фермиону является супер-бозон и наоборот. Вот теперь в классовом мире фермионов и бозонов наступает подлинное равенство. Вы спросите: “Почему же ни один из этих суперпартнеров до сих пор не обнаружен”? Ответ прост: “Их массы слишком велики, чтобы их можно было легко обнаружить”. Однако, в теории массы основных суперпартнеров вычислены достаточно точно, и есть основания полагать, что правота или ложность этой теории будет установлена в ближайшее десятилетие. Особая роль в утверждении новых теорий отводится гипотетической частице, которая получила название бозона Хиггса. Предсказанная масса бозона оказывается равной примерно 0.5 ТеВ = 0.5*1012 еВ. Для сравнения скажем, что масса покоя электрона в энергетических единицах равна 0.5*106 еВ, то есть в миллион раз меньше. Одним из наиболее перспективных ускорителей, нацеленных на эти исследования является Large Hadron Collider, который планируют запустить в ЦЕРНе в 2008-2010 гг. Стоимость этого ускорителя составляет примерно 12 млрд. долларов. Ходят упорные слухи, что если ожидаемых открытий не будет сделано, физика высоких энергий как наука будет закрыта, ибо супердорогостоящему любопытству ученых пора положить предел, поскольку 2/3 населения планеты прозябает в нищете и голодает.

Другое важное расширение Стандартной Модели называется Суперструнами. Представьте себе одномерные колебания, но только очень маленьких пространственных размеров, порядка 10-36 м. Наиболее привычный образ такого колебания дает нам гитарная струна или струна рояля. Педантичный физик возразит вам, что совершенное одномерное колебание, спектр которого содержит только одну частоту, должно быть бесконечным во времени. Чтобы получить колебание конечных размеров, нужно в концах струны наложить сингулярные граничные условия – полюса. Этими полюсами Суперструны взаимодействуют друг с другом, образуя различные топологические комбинации, которые и дают многообразие элементарных частиц. На этом мы пока поставим точку, потому что придумать более зримые образы столь необычных объектов совсем не просто. Теория Суперструн сулит решение многих проблем современной физики. Подождем результатов.

События последних десятилетий характеризуются еще одним важным моментом. В течение столетий в физике имелось четкое разделение труда. Астрономы смотрели “вверх” - наружу, изучая движение огромных удаленных объектов, в то время как фундаментальные свойства материи считались обусловленными ее строением из молекул, атомов и из более мелких фрагментов, обнаруженных сравнительно недавно. Поэтому исследователи фундаментальных законов материи смотрели “внутрь”, в различного рода “мелкоскопы”. Суть такого разделения объясняется тем, что из четырех фундаментальных взаимодействий только гравитация и электромагнитные силы являются дальнодействующими, влияющими на поведение макрообъектов, в то время как сильное и слабое взаимодействия существенны лишь на очень малых расстояниях, соизмеримых с размерами элементарных частиц. На расстояниях порядка километра, можно смело пренебрегать всеми силами, кроме вездесущей гравитации, а при рассмотрении поведения элементарных частиц гравитационная сила пренебрежимо мала по сравнению с остальными. Методы исследований в этих областях также радикально различались. Астрономы работали только “на прием”, наблюдая свои объекты невозмущающими методами, а физики высоких энергий – наоборот, старались расколошматить свои объекты на как можно более мелкие части, чтобы затем по “обломкам” попытаться восстановить свойства бывшего объекта. И только в последние десятилетия наметились тенденции объединения усилий астрофизиков и ускорительщиков. Примером этому может служить образование Института космологии и астрофизики Kavli под крышей Стенфордского ускорительного центра SLAC год назад. В Фермилабе также имеется отдел астрофизики, аналогичные тенденции наблюдаются и в европейских центрах. Астрофизики значительно увеличили поток данных и точность своих прогнозов, поместив в космос свои радиотелескопы и приступив к запуску дальних космических зондов. Ускорительщики обнаружили, что элементарные частицы в космосе разгоняются до таких энергий, которые принципиально недостижимы в земных условиях. Самые мощные ускорители уже давно построены природой, они даны нам “даром”. Единственное существенное неудобство состоит в том, что они довольно далеко от нас, и поэтому мы способны работать с ними пока только “на прием”.

Наиболее ранние обнаруженные мной книги по проблеме темной материи были написаны в 1989 году – всего лишь четверть века назад, однако возникновение самой проблемы восходит к 1933 году, когда шведский астрофизик из Калтеха Фриц Цвикки (Fritz Zwicky), наблюдая звездное скопление галактик Coma, сделал оценку массы этого скопления на основе видимых характеристик его движения и обнаружил, что полная масса скопления, соответствующая наблюдаемому движению должна быть примерно в 400 раз больше наблюдаемой массы. Внимательный читатель тут же поставит сразу 2 вопроса: 1) Как измеряются параметры сильно удаленных объектов? 2) Какая точность измерений астрономических параметров была в 30-е годы прошлого века?

На 1-й вопрос ответ достаточно длинен. Возможно измерение параметров только для излучающих удаленных объектов, коими являются звезды. Скорость перемещения излучающих объектов измеряется очень точно с использованием эффекта Допплера. Точно таким же образом ГИБДД или дорожная полиция измеряют скорость движения автомашин на дорогах. Если известна частота излучения объекта, и частота эта стабильна, то при удалении источника сигнала от приемника частота будет уменьшаться пропорционально отношению скорости объекта к скорости распространения сигнала (“красное смещение”), а в случае движения навстречу частота будет в той же пропорции увеличиваться. Частота излучения светящегося тела связана с переходами электронов атома с одной орбиты на другую. Естественно предположить, что атомы нашей солнечной системы и далекой галактики одинаковы. Спектры излучения и поглощения всех известных атомов измерены и затабулированы с невероятной точностью и аккуратностью, поэтому измерение скорости перемещения звезд и звездных скоплений не представляет особой сложности. Их свечение имеет своим источником протекающие в их недрах реакции ядерного синтеза. Для возникновения такой реакции необходимы достаточно высокие давления и температуры, а это возможно лишь для очень массивных объектов высокой плотности. По мере “выгорания” звезда теряет часть своей массы в виде излучения, превращаясь из “голубого гиганта” в “красный карлик”. Таким образом, шкала яркостей свечения звезд прямо связана с их массой. Для калибровки этой шкалы мы под боком имеем объект – Солнце – параметры которого измерены достаточно точно. Точность же измерений массы удаленных объектов в 30-е годы была примерно 50%, поэтому даже для такой низкой точности разница в 400 раз оставалась слишком огромной. В наше время эти измерения производятся с точностью не хуже чем 20%.

Обнаруженный Zwicky эффект был назван “эффектом дефицита массы”. Разумеется, это название имело лишь форму догадки, никакой гипотезы темной материи в те годы выдвинуто не было, поскольку наблюдение такого странного феномена носило единичный характер. Только через 40 лет Вера Рубин из Института Карнеги в Вашингтоне обнаружила аномально высокую скорость вращения спиральных галактик. Она предложила объяснение этого эффекта тем, что либо Ньютоновский закон всемирного тяготения не работает для таких объектов, либо спиральные галактики более чем наполовину должны быть заполнены невидимой массой, которая не притягивает, а отталкивает обычную наблюдаемую материю. Эти наблюдения и выводы встретили такой скептицизм со строны коллег, что ее PhD была подвергнута открытому осмеянию, а публикации были отвергнуты научными журналами.

Последние исследования, проведенные в январе 2006 года дали интересную информацию о распределениее темной материи в различных уголках Вселенной. Оказалось, что в нашей галактике Млечный Путь (Milky Way) содержание темной материи примерно в 10 раз превышает количество обычного вещества, в то время как в Virgo Cluster темной материи в тысячу раз больше обычной. Эти данные способны значительно прояснить механизм формирования и эволюции Вселенной. Наиболее популярная модель, предложенная в прошлом веке советским ученым Фридманом, предполагала, что по мере расширения Вселенной, галактики, наиболее удалившиеся от центра, постоянно испытывая притяжение со стороны центральных масс Вселенной, должны монотонно снижать скорость разбегания. Измеренная впоследствие с помощью радиотелескопов динамика скорости разбегания галактик, поставила астрофизиков в тупик, поскольку скорость разбегания не только не снижалась, она постоянно увеличивалась. Это могло быть объяснено только наличием отталкивающих обычную материю сил со стороны каких-то массивных не обнаруживаемых телескопами объектов. Именно тогда зародилось и сформировалось представление о темной материи. Современные же оценки показывают, что в нашей Вселенной лишь 4.4% обычного вещества, 23% темной материи, а остальное составляет так называемая темная энергия (ее еще называют энергией физического вакуума).

Пожалуй, самый интригующий вопрос: из чего состоит темная материя? Воспользуемся для начала принципом отсечения лишнего. Из известного в настоящее время набора элементарных частиц следует отсечь заряженные частицы, поскольку они взаимодействуют электромагнитным образом и могут легко обнаруживаться по элетромагнитному излучению, а также нестабильные частицы, - переносчики взаимодействий. К сожалению, применение этого принципа оставило нам единственную из известных частиц – нейтрино, которую, действительно, обнаружить совсем не просто из-за ее ничтожной массы и, вследствие этого, весьма слабого взаимодействия с элементами обычной материи. Экспериментальные данные о массе нейтрино появились только в 2001 году. Поскольку одни только нейтрино не способны объяснить наблюдаемые эффекты, связанные с темной материей, далее начинается область предположений и догадок. Сложившаяся к настоящему времени классификация претендентов на компоненты темной материи включает барионную и не-барионную составляющие. Последняя, в свою очередь, состоит из трех компонент:

    • “Горячая” (Hot Dark Matter – HDM): аксионы, нейтрино;

 

    • “Теплая” (Warm Dark Matter – WDM): гравитино, фотино;

 

    • “Холодная” (Cold Dark Matter – CDM): нейтралино.

 

Эти названия отражают деление частиц материи на легкие, движущиеся с околосветовой скоростью, тяжелые слабовзаимодействующие нерелятивистские частицы WIMPs (Weakly Interacted Massive Particles) и промежуточные. Астрономы полагают, что массивные скопления “холодных” WIMPs послужили “затравкой”, которая привела к формированию галактик.

Настоящие ученые отличаются от обыкновенных фантазеров тем, что они не удовлетворяются построением умозрительных моделей и написанием сложных уравнений, а настойчиво пытаются продумать эесперименты, которые позволили бы проверить их гипотезы, измерить параметры этих моделей. Опишем некоторые из предложенных экспериментов.

Когда интенсивный поток WIMPs пролетает через кристалл германия или кремния, частицы будут время от времени попадать в узлы кристаллической решетки, вызывая переходы электронов внешних оболочек ядер. Поместив кристалл в электрическое поле, можно измерять поток зарядов – метод, известный, как ионизационное обнаружение. Кристалл весом 900 грамм может испытать от 1 до 1000 взаимодействий с WIMPs в сутки. Главная сложность эксперимента состоит в том, чтобы экранировать область взаимодействия от влияния многочисленных источников помех, главная из которых - ливни космических частиц обычной материи (большей частью высокоэнергетичные мюоны), обрушивающиеся на поверхность земли. По этой причине эксперименты планируется проводить в глубоких подземных шахтах.

Еще более таинственной субстанцией является темная энергия. Фактически ее существование проявляется пока лишь в модификации ньютоновского закона Всемирного тяготения. Ей приписывают свойства среды с отрицательным давлением, по-видимому, пытаясь избежать широко используемого научными фантастами термина “антигравитация”, хотя смысл этого эффекта именно такой. Хорошо известная из курса школьной физики формула Ньютона для притяжения двух тел где - массы тел, а r – расстояние между ними, в принципе, допускает, чтобы масса одного из тел была отрицательной, тогда сила притяжения для обычных масс превращается в силу отталкивания между обычной и “странной” массами. Но ведь строгость формулы Ньютона проверена вплоть до расстояния в сотни микрон, и на обычных расстояниях никаких эффектов отрицательных масс не было обнаружено. В то же время наблюдаемые эффекты со странностью динамики скоростей разбегания галактик являются результатами расчетов и оценок, а не прямыми измерениями. Однако ничем иным, кроме отталкивающего влияния темной энергии с отрицательным давлением, в настоящее время эти странности объяснены быть не могут.

Мы живем с Вами в уникальное время, дорогой читатель. Ответы на самые загадочные проблемы окружающего мира обещают быть полученными в самое ближайшее время, хотя ответы эти могут оказаться и отрицательными. Для фундаментальной науки знак ответа не имеет особого значения.

Батавия, 18 Августа 2006 г.

Комментарии

Добавить изображение



Добавить статью
в гостевую книгу

Будем рады, если вы добавите запись в нашу гостевую книгу. Будьте добры, заполните эту форму. Необходимой является информация о вашем имени и комментарии, все остальное – по желанию… Спасибо!

Если у вас проблемы с кириллическими фонтами, вы можете воспользоваться автоматическим декодером AUTOMATIC CYRILLIC CONVERTER.

Для ввода специальных символов вы можете воспользоваться вот этой таблицей. (Латинские буквы с диакритическими знаками вводить нельзя!)

Ваше имя:

URL:

Штат:

E-mail:

Город:

Страна:

Комментарии:

Сколько бдет 5+25=?