Знание-сила, 2009 № 08 (986)

Темная энергия — вообще необыкновенная субстанция. В отличие от обычного вещества и темной материи, она испытывает антигравитацию. Из-за этого темная энергия не собирается в галактики или скопления галактик; насколько сейчас известно, она разлита во Вселенной однородно. Из-за этого же темная энергия заставляет Вселенную расширяться с ускорением — галактики все быстрее и быстрее удаляются друг от друга вместо того, чтобы из-за гравитационного притяжения замедлять свой бег. Темная энергия, будь ее побольше во Вселенной, могла бы сыграть для нас фатальную роль: из-за быстрого расширения пространства звезды и галактики не успели бы образоваться, и наша Вселенная была бы совершенно однородной, темной и безжизненной. То, что темной энергии сравнительно мало — еще одна большая удача. Существование темной энергии было опять-таки установлено после выхода книги Джона Хоргана в свет.

Можно ли отнести эти открытия к открытиям первого ранга по классификации Джона Хоргана? Ответ на этот вопрос зависит от того, что считать «самыми фундаментальными открытиями». С одной стороны, и темная материя, и темная энергия вписываются (пока?) в общую теорию относительности и квантовую теорию, и в этом смысле «Основы физики остались нетронутыми». Мне, однако, более существенным представляется тот факт, что эти открытия, без сомнения, принципиально расширили общее представление о мире, встав в один ряд с открытием феномена расширения Вселенной и открытием реликтового излучения (его Джон Хорган почему-то среди великих открытий не числит, хотя именно оно доказало справедливость представления о горячей начальной стадии эволюции Вселенной, эпохе горячего Большого взрыва).

Можно ли ожидать открытий подобного масштаба в обозримом будущем? На этот счет многие (хотя и не все) физики разделяют оптимистическую точку зрения. Имеются серьезные основания ожидать, что представления о мире элементарных частиц будут кардинально расширены в результате экспериментов на Большом адронном коллайдере, который вводится в строй в ЦЕРНе, а затем на Международном электрон-позитронном коллайдере. Гипотез на эту тему множество, и большинство из них предсказывает существование новых семейств элементарных частиц и новых типов взаимодействий, принципиально отличающихся от всех тех, что мы изучали до сих пор. Вполне возможно, что среди новых частиц на Большом адронном коллайдере будут рождаться и частицы темной материи. Есть и более экзотические гипотезы. Например, в экспериментах на Большом адронном коллайдере могут начать проявляться новые измерения пространства, дополнительные к трем известным и не обнаруживаемые при меньших энергиях.

Суперколлайдер

Есть обоснованная надежда и на то, что летающие вокруг нас и сквозь нас частицы темной материи будут зарегистрированы в подземных лабораториях. Другая возможность состоит в том, что темная материя проявится через продукты своей аннигиляции, которые будут обнаружены детекторами под водой, подо льдом или в космосе. Эксперименты в этих направлениях идут давно и пока не дали однозначно положительного результата; предсказать, когда будет обнаружен сигнал от темной материи, трудно — мы пока слишком мало знаем о взаимодействиях частиц темной материи между собой и с обычным веществом. Однако экспериментальные методы развиваются, и с определенной долей уверенности можно сказать, что успех рано или поздно придет.

Прямое обнаружение частиц темной материи и изучение их свойств, скорее всего, приведет к прорыву в космологии. Например, согласно одной из наиболее правдоподобных и популярных гипотез, темная материя образовалась во Вселенной через 10 микросекунд после Большого Взрыва. Если эта гипотеза подтвердится, то мы сможем с уверенностью судить, какова была Вселенная в это время и как она тогда расширялась. Разумеется, здесь возможны и сюрпризы: экстраполяция с временного масштаба 1 секунды после Большого Взрыва (эпоха, о которой сегодня имеются экспериментальные данные) на масштаб 10 микросекунд может оказаться совсем не безобидным делом. Тем интереснее окажется ситуация в космологии ранней Вселенной!

Изучение темной энергии тоже, возможно, приведет к новым открытиям «первого ранга». При имеющейся точности наблюдения темная энергия выглядит как однородная в пространстве и постоянная во времени величина — мировая константа, космологический A-член, введенный в теорию, а затем отброшенный Эйнштейном. Теоретики, однако, обсуждают и другие возможности. Темная энергия может быть энергией новых сверхлегких и сверхслабых полей, тогда она зависит от времени и, вообще говоря, неоднородна в пространстве. Другой вариант: существующая теория гравитации — общая теория относительности — может перестать быть справедливой на космологических расстояниях и временах. Если в природе реализуется какая-нибудь из этих возможностей, то это проявится в первую очередь в особенностях ускоренного расширения Вселенной и будет обнаружено в астрономических наблюдениях на инструментах новых поколений.