Зачем Вселенной темная материя и темная энергия и чем они отличаются
М. Баченина:
- Сегодня мы начинаем «Время науки» на «КП». Я с удовольствием представляю человека, с которым буду вести эту программу в эфире радиостанции «Комсомольская правда». Научный руководитель Национального центра физики и математики, академик Российской академии наук Александр Михайлович Сергеев.
А. Сергеев:
- Мы постараемся каждый раз приглашать сюда очень интересных ученых.
М. Баченина:
- Сегодня у нас в гостях именно такой человек. Это директор Научно-исследовательского института ядерной физики имени Д. В. Скобельцына МГУ имени Ломоносова, член-корреспондент Российской академии наук Эдуард Эрнстович Боос.
Э. Боос:
- Надеюсь, что наша встреча будет плодотворной.
М. Баченина:
- Я сегодня замахнулась на темную материю и темную энергию. Я хотела бы начать с истоков. Как ученые узнали о том, что там что-то есть? Взяли и решили, что это будет черная материя, черная энергия.
А. Сергеев:
- Ученые привыкли работать с конкретными экспериментальными фактами. Если таких фактов нет, теорий может быть множество, но это неинтересно. А в случае и темной материи, и темной энергии есть очень важное экспериментальное доказательство того, что есть и то, и другое, но мы до сих пор не понимаем, что это такое. Оно есть, а потрогать его мы пока не можем. Как ученые пришли к выводу о том, что есть темная материя, темная энергия?
Э. Боос:
- Если бы мы совсем не могли ничего потрогать, то мы бы и ничего не смогли сказать. Тем не менее, нам удалось как-то потрогать. А потрогать нам это удалось с помощью одной из сил, существующих в природе, а именно - гравитационного взаимодействия. Как мы знаем, в природе существует четыре типа сил. И одно из них самое слабенькое - это гравитационное взаимодействие, благодаря которому тела притягиваются друг к другу. Мы ходим по земле, никуда не деваемся и так далее. И, казалось бы, все мы смотрим в небо, видим огромное количество звезд. Аппаратура позволяет видеть значительно большее количество звезд. Казалось бы, вот оно. Причем тут какая-то темная материя? Причем тут какая-то темная энергия?
А. Сергеев:
-Все видно, все светлое.
Э. Боос:
- Началось с 1933 года, когда американо-швейцарский физик-астроном Цвикки, рассматривая скопление галактик, вдруг обнаружил, что в одном из скоплений галактик семь или девять галактик движутся с какими-то такими огромными скоростями, которые невозможно было бы объяснить, если учесть хорошо известную гравитационную силу, которая подчиняется законам Ньютона. Сила со стороны видимой материи. И этого не хватало в несколько раз, чтобы понять, что же это такое?
М. Баченина:
- Он в телескоп это увидел?
Э. Боос:
- Конечно. Появилась еще не такая, конечно, техника уникальная, как сейчас. Первым он увидел это. Через три года американский астроном фактически в другом скоплении галактик увидел тот же самый эффект. Это стало очень серьезной проблемой. До этого встречались планеты. Планеты тоже темные, в отличие от звезд, они не светят. Первые гипотезы именно в том и состояли, что, может быть, это просто какой-то газ, чего мы не ощущаем, а оно есть.
А. Сергеев:
- Мария, представьте себе, что мы с вами исследуем движение планет в Солнечной системе. Великие законы Кеплера, открытие Тихо Браге и так далее. И вдруг мы с вами видим, что видимые объекты - солнце, планеты, которые связаны гравитационными силами, двигаются по совсем другим законам. Они двигаются быстрее, чем они должны двигаться. То же самое астрономы увидели, но не в отношении Солнечной системы, а в отношении скопления галактик.
Э. Боос:
- И не поняли, что это они вдруг так себя ведут. Затем, когда более точная аппаратура появилась, то уже в разных галактиках стали измерять так называемые угловые скорости. Галактика крутится, и все звезды в этой галактике крутятся, и можно померить угловые скорости. И в целом ряде таких галактик, первая, по-моему, была галактика Андромеда, где эти вещи были обнаружены. Вера Рубин и коллеги обнаружили, что угловые скорости. Опять же, нельзя понять, что же удерживают тогда эти звезды внутри этих вращающихся спиралевидных галактик. Почему они не разлетаются? Центробежная сила. Но надо, чтобы что-то держало, чтобы оно не улетело. Опять стало чего-то не хватать, причем очень сильно не хватать. Такой гипотезой, которая родилась в то время и стала получать все больше и больше подтверждений из самых разных данных, все больше и больше стала получать свидетельств, что чего-то такого не хватает, и это не может быть, как говорят, барионной материей, составленной из протонов, нейтронов, ядер. Причем это не только звезды, это и межгалактический газ, который тоже из этих вещей состоит. Но этого всего не хватало. Не хватало существенно.
Родилась очень красивая модель. Она получила название «Стандартная космологическая модель», куда такой ингредиент, как темная материя, надо было обязательно включить, чтобы понять, чтобы все сложилось гармонично. Мы добавили что-то такое невидимое, назвали «темная материя». Темная, потому что она не светит ни в каких диапазонах. Нет ее. Но гравитационные взаимодействия есть. И гравитационные взаимодействия позволяют нам нащупать, что это что-то такое. Что это такое - мы не знаем.
А. Сергеев:
- Наверное, надо сказать, что этой темной материи много. И это не просто добавок, что что-то не сходилось, 5-10 процентов. Оказалось, что ее по массе примерно раз в пять больше, чем видимой материи.
М. Баченина:
- А что нам мешает? У нас космонавты выходят в космос. Зачерпнул ведерком, запаял, привез на Землю. Пожалуйста, изучайте. В чем проблема?
Э. Боос:
- Это было бы замечательно - так сделать. К сожалению, мы не знаем, что это такое. Мы не знаем, что именно надо зачерпывать. Но что бы это ни было,оно взаимодействует только гравитационным образом. И это настолько слабое взаимодействие, что ничего не получится зачерпнуть.
А. Сергеев:
- Это означает, что эти частицы, которые дают массу, они практически не взаимодействуют ни с чем, в том числе с этими ведерками. Мы будем черпать, а они через эти ведерки пролетают. И не черпаются.
Э. Боос:
- Так просто не черпаются. Чтобы, как вы говорите, зачерпнуть, нужно специальные ведерки создать, специальные устройства создать, через которые не будут пролетать. Но то, что будет пролетать, мы можем в принципе как-то понять. Пока мы этого не смогли сделать, хотя огромное количество экспериментов ставится. Люди поняли, что это нужно. С другой стороны, мы видим, что пространство, мы смотрим во все стороны, с помощью всей аппаратуры, оно очень однородно и изотропно. Куда бы мы ни посмотрели, все выглядит одинаково. Причем такой космологический принцип - один из важнейших принципов, состоит в том, что нет никакой выделенной точки в этом. Мы сидим, смотрим отсюда, но если кто-то будет смотреть оттуда, он увидит то же самое.
Великий ученый Хаббл, измеряя скорости, с какими разлетаются далекие галактики, увидел, что эти скорости разлета пропорциональны расстоянию до них. Как измерить расстояние – это отдельный вопрос. Очень-очень сложный. Но он сумел найти этот закон, что скорость, с которой от нас они удаляются, пропорциональна расстоянию до них. Константа пропорциональности получила название постоянной Хаббла. Вселенная просто расширяется.
М. Баченина:
- Получается, что за расширение отвечает эта темная материя. Она расталкивает?
Э. Боос:
- Нет, за расширение не отвечает темная материя. Темная материя, скорее бы, отвечала за то, чтобы не давать расширяться.
М. Баченина:
- Что-то есть еще расталкивающее. Вообще, тема нашей сегодняшней передачи – это темная материя, темная энергия.
Э. Боос:
- Прежде чем углубимся в эту тему, хотелось бы заметить, что в основе этой модели, которая называется Lambda-Cold Dark Matter. Лямбда – это некая константа, которую в свое время Эйнштейн добавил в свои уравнения, а мы считаем, что уравнения Эйнштейна, общая теория относительности – это та база, на которой должно быть это основано. Потому что они получены из таких общих принципов, против которых трудно поспорить.
А. Сергеев:
- Здесь очень интересный момент есть. Когда ученые видят что-то, не укладывающееся в представления, то, конечно, можно предложить существование этого эфемерного объекта - темной материи. А можно поступить по-другому. Можно сказать: ребята, а правильны ли те уравнения, которыми мы описываем? Может быть, великие уравнения Эйнштейна, общая теория относительности, вообще наше представление о гравитации - не верно. Мы считаем, наш обыденный опыт, мы ходим по Земле, планеты крутятся вокруг Солнца, все нормально. Но, может быть, на больших масштабах что-то есть такое вообще, что мы неправильно понимаем гравитацию. Может, и не надо вводить темную материю, а надо посмотреть уравнения.
Э. Боос:
- Совершенно правильно, это одно из направлений объяснения и темной материи, и темной энергии. Какая-то модификация гравитации. Но оказывается, что все те варианты, которые пока были предложены, модификации гравитации, так или иначе чему-нибудь да противоречат, куда-нибудь да не вписываются. В частности, если законы гравитации не те, то они должны быть не те везде. Пусть это на очень больших расстояниях или в размерах галактик.
М. Баченина:
- Мы не можем допустить, что где-то там, в далекой-далекой галактике, законы физики работают иначе, чем у нас?
Э. Боос:
- Допустить мы можем все, что угодно. Это наше право. Но после этого мы должны проверить, к чему это приводит.
А. Сергеев:
-Чем эта галактика выделена? Почему другие законы?
Э. Боос:
- Если мы закон фундаментально меняем, то он должен быть везде. А темная материя – такая субстанция, что она не во всех галактиках есть, как выясняется.
А. Сергеев:
- Это, кстати, очень интересный вопрос. Потому что мы видим, что светлая материя распределена сильно неоднородно. Звезды, планеты. А как в соответствии с сегодняшними представлениями распределена темная материя?
Э. Боос:
- Это очень интересный вопрос, которым люди, естественно, задались. Как в галактиках темная материя распределена?
А. Сергеев:
- Как говорит Мария, а может быть, у нас, в нашей галактике или в Солнечной системе нет вообще темной материи?
М. Баченина:
- И черпать ведерком нечего будет, даже если придумаем.
А. Сергеев:
- Она где-то в другом месте, и там ведрами черпать надо.
М. Баченина:
- Коллеги, если что, я со своим половником всегда готова.
Э. Боос:
- Это очень хорошая аналогия. Но на самом деле люди серьезно этим вопросом, естественно, занялись. Используется еще один эффект для того, чтобы измерить, как суммарное вещество галактики распределено, основанный на гравитационном линзировании. Мы знаем, что в оптике есть линзы. Если луч идет, проходит через линзу, преломляется и попадает куда-то.
М. Баченина:
- В зависимости от того, какая линза. Физика, проходили.
Э. Боос:
- Оказывается, что, согласно гравитационной теории Эйнштейна, нет никаких доказательств того, что она не верна. Все, что мы имеем, подтверждает эту теорию. Но согласно этой теории, с гравитацией гравитационное взаимодействие испытывает даже свет, хотя формально он безмассовый, но любая частичка, фотон, имеет энергию, и гравитационное поле взаимодействует с энергией. Поэтому лучи света, которые будут проходить вблизи очень массивных каких-то образований, как галактика, от других каких-то галактик они идут, они пересекают по пути, они начинают преломляться, как в обычной линзе. Преломляясь, мы это преломление можем увидеть. И по этому преломлению можем судить о том, какая общая масса.
А после этого мы можем сделать другой анализ, основанный на спектрах. Потому что то, что светит, мы можем видеть по спектрам. И мы делаем анализ в разных цветах. Мы можем в оптическом диапазоне, в рентгеновском диапазоне, в разных диапазонах. И это делается. И после этого мы сравниваем это распределение и вот это. И видим, что они отличаются. В частности, распределение вещества оказывается значительно большим, чем распределение светящейся части. И поэтому мы понимаем, что темная материя шире распределена. И это укладывается, естественно, в эти ротационные кривые, как говорят, то, как крутятся звезды внутри этих спиралевидных галактик. Тогда можно заложить разные модели распределения темного вещества по такой галактике. И просто начинать промерять, как это должно быть, чтобы воспроизвести ту угловую скорость, которая наблюдается.
А. Сергеев:
- В соответствии с существующими сейчас представлениями, все-таки где основное скопление темной материи? Берем какую-то галактику или скопление галактик. Где она находится? Вы говорите - она распределена шире, чем светлая, а все-таки есть какие-то места, где этой темной материи больше, чем в среднем?
Э. Боос:
- Считается, что в скоплениях галактик все-таки окружающее пространство пустое.
А. Сергеев:
-А внутри галактики? Мы берем нашу галактику, в которой мы с вами счастливо, интересно живем.
Э. Боос:
- Обязательно должна быть темная материя.
А. Сергеев:
- Есть темная материя. Мы с вами знаем, что мы, в общем-то, на периферии нашей галактики находимся. Далеко от центра. И все-таки в нашей части нашей галактики предполагается, что много темной материи?
Э. Боос:
- Не очень много, но она должна быть.
А. Сергеев:
- Мы можем ее попытаться найти нашими локальными экспериментами?
Э. Боос:
- И мы это делаем. Тут есть разные эксперименты, даже названия такие есть - Direct Detection – прямое детектирование, Indirect Detection – непрямое детектирование и Collider Searches - поиски на коллайдерах.
А. Сергеев:
- Сейчас, мне кажется, пришло время поговорить о кандидатах на частицы темной материи.
М. Баченина:
- -Ой, я с радостью. А то я уже сижу такая, думаю: ну все, все пропало, ребята, не найдем.
А. Сергеев:
- Есть несколько очень интересных кандидатов. Среди кандидатов есть те частицы, о существовании которых мы знаем, очень хорошо знаем, это нейтрино. Нейтрино - тоже трудноуловимые частицы, и много экспериментов сейчас по всему миру. В России замечательные эксперименты, замечательные установки, созданные для детектирования нейтрино. Это может быть нейтрино с малыми энергиями, которые практически мы с помощью нашей аппаратуры детектировать не можем. Мы уже знаем, что это такое, но пока не нашли нейтрино в этом диапазоне энергии. А может быть, совсем другие частицы совсем нового класса. Мы еще даже не знаем, что это такое.
Э. Боос:
- Если посмотреть на этот вопрос более глубоко, конечно, он очень нетривиальный, и есть разные подходы, разные варианты, спорные. Ученые очень серьезно спорят о том, что и как. Во всяком случае, если верить в стандартную космологическую модель с большим взрывом, инфляционным расширением, формированием материи так, как оно происходило, кстати, для этого тоже обязательно должна быть темная материя, без темной материи не было бы достаточно времени для образования так называемых больших структур, крупномасштабных структур во Вселенной. Если бы не было темной материи исходно где-то на первых самых мгновениях. Конечно, первая гипотеза состояла в том, что это может быть нейтрино. Может быть, мы ее уже знаем, потому что в стандартной модели есть три типа нейтрино – электронное, мюонное и тау-нейтрино. И вполне можно было бы допустить, тем более, что у каких-то из этих нейтрино обязательно должны быть малые, но массы, отличные от нуля. Это мы тоже сейчас уже знаем очень хорошо по открытию и Нобелевской премии за осцилляцию нейтрино. Естественно, это была одна из первых гипотез. Но выяснилось, что нейтрино абсолютно недостаточно для того, чтобы вся эта картинка с образованием крупномасштабных структур во Вселенной могла быть такой, как она в итоге есть.
А. Сергеев:
- А кто сейчас наиболее явные кандидаты сегодняшнего дня?
Э. Боос:
- Это тоже очень хороший вопрос. Во-первых, это могут быть какие-то новые частицы, но даже это вопрос большой. Это могут быть и какие-то образования, как первичные черные дыры. И люди, которые эту гипотезу развивают, они настаивают, что это может быть.
А. Сергеев:
- Мы с вами знаем, что черными дырами вселенная наполнена. Много вещества, много массы в центре нашей галактики находится. Огромная черная дыра с массой, по-моему, несколько миллионов масс Солнца. Но есть, возможно, и маленькие черные дыры, с размером даже не сантиметра, а с размером, грубо говоря, с диаметр протона. Диаметр протона 10-15 метра. И внутри этой очень маленькой области пространства сосредоточена масса, скажем, порядка массы астероида. И эти частицы, такие первичные черные дыры, они сформировались именно на самой начальной стадии после большого взрыва. И они не видны, такие черные дыры пронизывают нас с вами, возможно, сейчас, мы это не чувствуем совсем. Но если их достаточно много, то тогда они могут быть кандидатами в такие частицы темной материи. Это то, что мы знаем про черные дыры, но пока мы не детективы.
М. Баченина:
- Я недавно читала об этом статью, и я очень надеюсь, что, когда мы научимся это детективовать, мы будем пользоваться этими черными дырами, чтобы не летать куда-то в другое полушарие, а так - и тебя засосало. Я просто хочу немножечко форсировать события и напомнить, что мы еще не дотронулись даже до темной энергии. Сделать какой-то промежуточный вывод, чтобы вы проверили, верно ли я вас понимаю. Зачем мы вообще интересуемся темной материей? Видимая - светлая материя, все, что мы видим, мы понимаем, где это, сколько весит, как функционирует, потому что мы это видим и, насколько возможно, мы можем все измерить то, что нам нужно. А что между или почему оно не совсем ведет себя так, не совсем улетает друг от друга или улетает, мы понимаем, что должно быть еще что-то, чего мы не видим, и более того, даже не можем потрогать, и пока еще ищем претендентов на то, из чего это состоит. Это и есть темная материя - то, что заполняет темное пространство, которое мы наблюдаем. Правильно?
Э. Боос:
- Не совсем так. Не везде темное пространство. Темное пространство в основном пусто. Точнее, тут мы начинаем приближаться к вопросу о темной энергии. Темной материи нет. Темная материя сосредоточена где-то в скоплениях галактик, в галактиках и так далее. А так в основном-то тут пусто, тут нет темной материи.
М. Баченина:
- Я думала, там она и есть, где пусто.
Э. Боос:
-Нет, она там, где густо, вот там, темная материя.
А. Сергеев:
- Темная материя распределена неоднородно в пространстве. Она может быть распределена более однородно, чем светлая материя, и есть некие свидетельства о том, что, скажем, по границам галактик есть такие образования. Но что здесь является важным. Конечно, это предмет исследования сейчас. И, может быть, даже некоторые и задают такой вопрос: мы до сих пор жили спокойно, без понимания, вообще без знаний того, что есть темная материя. И вообще, что нам с того? Она есть и есть. Конечно, есть любопытство исследователей, чтобы уравнения Эйнштейна оказались действительно правильными. А что, вообще говоря, будет, если мы определим и найдем эту темную материю? Мы ее где-то можем использовать? Может быть, она нам поможет какие-то наши проблемы насущные практически решать, не только защищать уравнивания Энштейна? Или это пока область фантазии?
Э. Боос:
- Это наука, а не область фантазии. Наука и фантазии – существенно разные вещи. Наука – это тогда, когда фантазия проверяема в экспериментах и подтверждаема. Фантазия – это, как говорится, можно фантазировать, что сквозь стенку пройду.
А. Сергеев:
- Согласен. Интересный вопрос. Где в народном хозяйстве может быть использована темная материя?
Э. Боос:
- Это очень интересный вопрос. Он очень комплексный на самом деле. Давайте мы чуть позже на него попробуем ответить. Немножко вернемся к проблеме - темная материя, темная энергия. Самые разные эксперименты. Последние, наиболее точные, это эксперименты с помощью таких миссий космических, получивших название WMAP и Planck, когда промерялось излучение с разных направлений. И вот это микроволновое излучение, которое в свое время было предсказано, а потом открыто… Предсказано было нашим выдающимся ученым Гамовым. И выяснилось, что вот это излучение, оно имеет некий характерный спектр и имеет некое распределение по углам, равномерное. Но есть небольшие отличия от этого равномерного распределение. И вот такой детальнейший, как говорят, парциально-волновой анализ этого дела и рассмотрение того, как это все эволюционировало с того времени, привело к очень точным соотношениям между тем, что такое вещество барионное, что такое темная материя, в каких пропорциях они должны быть. И вот тут выяснилось, что суммарная вот эта пропорция всего вещества (и темного, и не темного, барионного), ну, примерно 30% от всей плотности энергии. А плотность энергии оказалась, поскольку все очень однородно, то она должна быть примерно равна критической.
А. Сергеев:
- Тут надо либо пояснить, либо сказать по-другому.
Э. Боос:
- У нас вся эта эволюция описывается… Ну, это следствие уравнения Эйнштейна, которое придумал в свое время наш великий ученый Фридман. Фридман написал уравнение Фридмана, в которое, кстати, даже Эйнштейн сначала не поверил. Он искал стационарное решение общей теории относительности, которого, как выяснилось, нет. А Фридман придумал нестационарное решение, и именно оно легло в основу всей этой гипотезы о большом взрыве и т.д., с эволюцией назад по времени, с расширением Вселенной. Вот это все предсказано уравнением Фридмана. Вот эти представления, основанные на уравнении Фридмана, и то, как плотность вещества в зависимости от эпох должна была меняться и т.д., вряд ли мы сможем объяснить тут за какие-то 2-3 минуты.
А. Сергеев:
- Возвращаясь к темной энергии. В отношении темной материи вы очень подробно рассказали, какие есть экспериментальные факты, что мы без нее обойтись не можем. А в отношении темной энергии есть какие-то экспериментальные факты?
Э. Боос:
- Конечно, есть. Прежде всего, выяснилась эта нехватка, что нам не хватает примерно 70%, для того чтобы описать это расширение. Экспериментальные данные, которые были получены в 1998 году и привели к Нобелевской премии, выданной в 2011 году, состояли в том, что группа астрономов, они наблюдали за разлетом очень далеких галактик, которые относятся к классу так называемых стандартных свечей. То есть это те вещи, которые как бы должны светить одинаково, потому что их много. И выяснилось, что от очень далеких вдруг свет-то не такой приходит, как должно было бы быть, а интенсивность меньше. И это было проинтерпретировано, а потом доказано в повторяющихся экспериментах. Это означает, что все должно удаляться, но не просто по закону Хаббла, со скоростью пропорционально, а еще и с небольшим ускорением. И вот это ускорение что-то должно было обеспечивать. Потому что гравитация, включая темную материю, оно должно было притягивать, а тут что-то, что должно расталкивать.
А. Сергеев:
- То есть расширение Вселенной, которое сейчас имеет место быть, оно ускоряющееся?
Э. Боос:
- Оно ускоряющееся. Немножко, чуть-чуть, но ускоряющееся.
А. Сергеев:
- Присутствие темной энергии как раз…
Э. Боос:
- …и призвано объяснить, почему имеет место это ускорение, и что это такое. И тут тоже есть несколько идей, что бы это могло быть. Эйнштейн, гениальный человек, он взял в свое время, эту константу добавил в уравнение Эйнштейна, и эта константа, она, собственно говоря, и обеспечивает… Она очень маленькая, что отдельная загадка, почему она такая маленькая, это необъяснимый на сегодняшний момент факт, но то, что она есть, эти измерения показали. И фактически Эйнштейн тем самым предвосхитил то, что должен быть вот такой эффект. То есть он ввел эту константу, но что это за константа? Одно из таких объяснений, которое большинством участником всего научного комьюнити поддерживается, что это так называемая вакуумная энергия. Дело в том, что в квантовой теории поля, в самых ее разных вариантах, как правило, получается вакуум с отрицательной некой плотностью энергии. Но она разлита по всему пространству равномерно. И это то, что может заполнять. Правда, это не единственное, есть еще другие варианты объяснений. Одно из них – модифицированная гравитация, другой вариант – так называемая квинтэссенция. Говорится, что это не константа, это некое дополнительное поле, которое меняется в пространстве и времени как-то.
А. Сергеев:
- На гравитацию мы с вами решили сегодня не посягать. Основное представление о том, что вакуум… Вот что такое вакуум?
М. Баченина:
- Это когда ничего нет.
А. Сергеев:
- А на самом деле вакуум не пуст. И та структура вакуума (еще называется квантовый вакуум), она и дает дополнительную энергию, обеспечивающую вот такую эволюцию Вселенной сегодня. То есть сначала, когда вы, Мария, поднимали вопрос, который наши слушатели тоже поднимают, их очень интересует темная энергия, темная материя. Темная энергия, темная материя – это, вообще говоря, принципиально разные сущности. Но и в отношении одной и другой существуют совершенно точные экспериментальные факты, что эти сущности есть. Мы пока не можем понять окончательно, что это такое, из чего это состоит, потрогать, померить, но ясно, что, поскольку присутствие этого огромно, то есть темная энергия вместе с темной материей, по существу, это, наверное, 95% всей энергии, которая есть во Вселенной. Ясно, что с этими двумя сущностями связано очень многое, о чем мы пока не знаем. И вот это такой большой драйв для современных ученых. Очень важно, вообще говоря, понять, как мы можем здесь у нас, на Земле, провести какие-то эксперименты, не просто астрофизические эксперименты, связанные с далекими миссиями, а не можем ли мы здесь в лаборатории провести какие-то эксперименты, которые прольют свет на темную энергию и на темную материю.
Э. Боос:
- И на квантовый вакуум.
А. Сергеев:
- Эдуард Эрнстович как раз занимает такую важную позицию в нашей российской науке. С одной стороны, это взаимодействие с зарубежными учеными, теми, которые работают на коллайдерах. На коллайдерах тоже пытаются проверить кое-какие из гипотез. Но кроме этого, и мы здесь тоже работаем над тем, чтобы ставить эксперименты по всем тем сущностям, о которых мы сегодня говорим. И мы с Эдуардом Эрнстович здесь представляем Национальный центр физики и математики. Это новый, очень важный такой проект в нашей стране, который 4 года назад стартовал по поручению президента нашей страны. Это строительство нового научного центра рядом с федеральным ядерным центром в городе Саров. Это так называемый Академгородок XXI века, в котором будут построены новые установки, на которых мы будем изучать новую физику, в том числе и физику, связанную с этими явлениями, которые мы сегодня обсуждаем. И Эдуард Эрнстович в научной программе Национального центра физики и математики возглавляет очень важное направление, то направление, которое связано как раз с физикой частиц, с поиском новых частиц, с изучением того, как стандартная модель работает, где она может быть подправлена и изменена.
В этом смысле очень важно, что сейчас, в современных условиях, мы не только как бы следуем в фарватере того, что наши коллеги за рубежом, имея свои мощные установки, получают, делают, но мы сами хотим здесь собирать кооперации, в том числе и международные. Для того чтобы здесь тоже ставить эксперименты и пытаться ответить на эти судьбоносные пока для физики, но не исключаю, что в будущем и для всего человечества вопросы. Эдуард Эрнстович здесь, наверное, тоже несколько слов мог бы сказать относительно того, как российские ученые работают и что планируется.
Э. Боос:
- Действительно, создание этого Национального центра физики и математики, которое преследует своей целью, с одной стороны, получение таких новейших фундаментальнейших знаний, плюс воспитание молодежи, конечно, и создание там филиала Московского государственного университета и т.д., все это – единая такая могучая программа, которую возглавляет как раз Александр Михайлович. Но та часть, которая связана с физикой частиц, темной энергией, темной материей в том числе, космологией, у нас внутри НЦФМ сложилось некое такое сообщество из нескольких институтов и групп в этих институтах, которые участвуют в этих исследованиях. Они связаны, с одной стороны, с теми экспериментами, которые ведутся в том же ЦЕРНе. Мы, конечно, создаем, но это не то, что мы – какие-то маргиналы, и мы что-то такое делаем перпендикулярно науке мировой. Нет, все равно это в русле мировой науки, конечно. И тут у нас есть определенные достижения, новые идеи и предложенные методы, предсказания, как может детектироваться, в частности, темная материя в различных типах столкновений на большом адроном коллайдере и на установках, которые у нас в НЦФМ будут построены в свое время. Конечно, это разные энергии, разные процессы и т.д.
Одна из очень интересных гипотез, чем может быть такая темная материя, из чего это может быть, связана с такой гипотетической частицей, называемой аксионом, или аксионоподобные частицы. Аксион в свое время возник из идеи квантовой хромодинамики, но это тоже некие слова для людей…
М. Баченина:
- Не поверите, у меня мясорубка называется «Аксион», выпущенная ижевским заводом.
Э. Боос:
- Это очень интересный такой объект, который был в свое время предсказан. Потом эти предсказания были расширены, это могут быть аксионоподобные частицы. Достаточно уникальные объекты, которые являются скалярами по спину, но нечетными по отношению к пространственному отражению, и они должны быть достаточно легкие. И вот поиск этих легких частиц, вот тут могут быть уникальные возможности в нашем Центре физики и математики.
А. Сергеев:
- Я хотел бы здесь еще такую парадигму пояснить. Вот смотрите, мы ищем что-то, очень слабо взаимодействующее с тем веществом, из которого мы состоим, из которого состоит светлое или барионное вещество. И вопрос как раз заключается в том, как все-таки найти то, что называется сигналы этой темной материи, как что-то все-таки задетектировать, то, что взаимодействует исключительно слабо. И вот здесь речь идет об измерениях на самом-самом чувствительном уровне. То есть предлагаются установки, которые в отсутствие этих новых взаимодействий, за которыми мы гонимся. Они работают, они малошумящие. Грубо говоря, у вас есть некий такой сосуд в сильном магнитном поле, охлажденный, и там за счет низкой температуры детектор фиксирует очень небольшое количество шумов, допустим, как мы говорим, один щелчок в три месяца.
М. Баченина:
- Это в звуке, получается?
А. Сергеев:
- Щелчок – это означает, что у вас есть некий отсчет, что, действительно, что-то зафиксировано. Теперь, когда мы пытаемся найти вот эту темную материю, мы создаем условия такие, что в соответствии с теоретическими представлениями вот это число отсчетов будет гораздо больше. Грубо говоря, эта ваша аппаратура будет щелкать один раз в час. В этом как раз искусство экспериментаторов, когда они встают на позиции теоретиков, верят теоретикам…
М. Баченина:
- А как они это придумывают? Я сейчас даже не пытаюсь посягнуть на то, чтобы вы мне объяснили, как работает тот или иной прибор для эксперимента. Я просто всегда пытаюсь понять. Вот я сижу здесь, допустим, я физик, суперфизик, у меня знаний вагон, но я все равно ограничена, во-первых, земными представлениями, во-вторых, образованием. То есть это нужно просто взять и перевернуть какое-то представление о чем-то в сознании и придумать какой-то этот сосуд. Я не понимаю, как надо начать фантазировать, чтобы это придумать.
А. Сергеев:
- Это, конечно, опыт физики, который позволяет в современных условиях создавать совершенно уникальные условия для эксперимента, скажем, очень низкие температуры, близкие к абсолютному нулю. Это очень чувствительные антенны, так называемые однофотонные приемники, которые чувствуют свет на уровне совсем маленьких долей энергии. Это, конечно, теоретические представления, как должен быть организован эксперимент. Скажем, аксионы могут взаимодействовать и давать вот эти щелчки. Что это значит? Аксион возбуждает некую светлую частицу, которую мы можем померить. Вот в таких условиях. Допустим, должно быть сильное магнитное поле, очень низкая температура. И тогда, если в этом эксперименте мы увидим что-то сверх вот этой статистики, как мы с вами говорили, щелчков, связанными с тепловыми шумами, значит, вот оно и есть. И дальше нужно копать, что это такое. Я хочу сказать, что это самый передний край высочайшей теоретической физики и высочайшей физики экспериментаторов. На этом стыке как раз и можно надеяться на то, что мы поймаем эти следы темной материи.
Э. Боос:
- Надо, может быть, добавить, что мы как комьюнити в Национальном центре физики и математики теснейшим образом взаимодействуем с нашими организациями типа Объединенного института ядерных исследований. И вот тот проект NICA, который создается в Дубне, может быть, это не прямо детектирование темной материи, но это детектирование тех условий и проверка того понимания, как формировалась наша Вселенная…
А. Сергеев:
- В том числе свойств вакуума. Здесь очень важный момент. Когда мы говорим: мы строим новый научный центр, где государство вкладывает огромные деньги, там у нас будет полно молодежи, - Национальный центр физики и математики - это уже сейчас есть кооперация больше чем 50 научных учреждений и университетов. Смотрите, вот есть известный ЦЕРН, мы все там функционируем. ЦЕРН устроен как? Там несколько тысяч ученых работают в Швейцарии, а кроме того, десятки ученых в десятках стран участвуют в научных программах, ставят эксперименты, обрабатывают результаты этих экспериментов и т.д. Вот сложилась такая уникальная система. Мы бы хотели, чтобы и у нас в стране появилось что-то такое. То есть это не только какой-то отдельный научный институт или какой-то мощный университет, который там будет работать. Это также еще и кооперация, чтобы это было общим для всех ученых нашей страны. И в этом смысле Объединенный институт ядерных исследований, наша великая организация, которая работает в Дубне, Институт ядерной физики в Новосибирске, еще одна наша великая организация, они все участники создания вот этого проекта – Национальный центр физики и математики. И те кооперации, которые мы там организуем, в решении многих-многих задач современной физики, в том числе и задач поиска темной материи, исследования вакуума – вот это всё делается уже сейчас многими учеными нашей страны. И мы очень надеемся, что все-таки геополитика, в конце концов, перейдет из жесткого в мягкий вариант, и наш центр будет международным, то есть в него смогут приезжать ученые из-за рубежа. И тогда мы точно будем существенным таким компонентом международного разделения труда для решения самых удивительных загадок природы.
М. Баченина:
- Я уверена, что так и будет. Коллеги, если темная материя, она склеивает (простите, я буду пользоваться такими словами, земными), а темная энергия ускоряет расталкивание, разлетание, то что будет дальше, и через сколько? Ну, потому что когда кто-то уходит, а я его подталкиваю, он уйдет быстрее. Мы что, останемся, так сказать, в пустой Вселенной? И что тут тогда будет склеивать темная материя? И вообще, есть же места пустые во Вселенной, где нет не просто светлых тел, планет, звезд, но газа этого нет.
Э. Боос:
- Постепенно так и может быть, то, что мы видим сейчас что-то далекое от нас, и оно ушло, наконец, и мы потеряли его из вида и т.д.
А. Сергеев:
- Если мы возьмем сейчас темп ускорения расширения Вселенной, в предположении, что законы более-менее останутся теми же самыми, все-таки какой это горизонт? Вот сейчас мы прожили 14 миллиардов лет, ну, довольные, сидим, общаемся в прекрасной «Комсомольской правде». Через сколько миллиардов лет мы можем потерять эту возможность?
Э. Боос:
- Думаю, не один миллиард лет у нас в запасе есть. Значительно раньше произойдут другие событие – коллапсирование Солнца, еще что-нибудь такое.
М. Баченина:
- А есть ли темная энергия там, где нет ничего – ни темной материи, ни галактического газа?
Э. Боос:
- Темная энергия есть везде.
М. Баченина:
- Зачем ей быть там, где ничего нет? Энергия – это…
Э. Боос:
- Это вакуум, и она есть, в том-то и дело. Вакуум – это не где ничего нет, а где что-то, да есть. Как бы это такой бурлящий суп. Так называемые виртуальные частицы, они рождаются, уничтожаются, склеиваются, все это живет вокруг нас. Другое дело, что конкретное значение этой вакуумной плотности, константы, которую Эйнштейн добавил в свое уравнение, оказывается очень-очень маленькой. Все квантовые теории, включая стандартную модель, предсказывают значения вот этой вакуумной энергии. И тут одно из самых больших противоречий современной науки, состоящее в том, что те значения, которые предсказываются, скажем, стандартной моделью, это вещи, которые трудно даже себе представить – в 10 в 60-й степени раз больше, чем то, что наблюдается. Куда это девается, как? На этот вопрос пока настоящего ответа нет. И это один из самых фундаментальных вопросов – что обеспечивает малость космологической постоянной? Говорили: можно добавить, скажем, суперсимметрию. Суперсимметрия в два раза понизит показатель вот этой степени противоречий за счет того, что произойдут сокращения между разными вкладами в эту вакуумную энергию. Но до конца это проблему не решает, и это так и остается одной из самых больших загадок.
А. Сергеев:
- Мария хорошо ставит вопрос – не почему, а зачем мир устроен так? Знаете, этот вопрос всегда останется. Познания абсолютно бесконечны. Как мы говорим, у науки нет пределов развития, есть только горизонты, и если мы куда-то добираемся, мы перед собой видим еще больше вопросов «зачем?». Надо сказать, что в последние десятилетия научный мир развивается стремительно. Вот эти фантастические открытия, которые делаются. И очень хорошо, что есть такие вопросы, которые сейчас поставлены перед нами. Для ученых, Мария, это действительно драйв. Что такое ученый? Ученый должен открыть что-то, что до этого никто не знал. В подавляющем большинстве случаев оказывается, что то, что он открывает, на самом деле уже известно. Есть у нас такая замечательная присказка, что не успеют что-то открыть, как набегут предшественники. Драйв ученого именно вот в этом. И поэтому в современной астрофизике, в современной космологии настолько много всего фантастически непонятного, что это удивительно привлекает новые знания.
Э. Боос:
- К вопросу, с которого начиналась наша дискуссия, о том, что вот открыли, ну и что? Так вот, известно, что крупные проекты, в частности, ускорительные проекты, например, тот же ЦЕРН и т.д., окупаются экономически задолго до того, как они вообще заканчивают свою работу. И у меня нет никаких сомнений, что те развиваемые установки, которые будут в Национальном центре физики и математики, как это всегда случалось, окупятся достаточно быстро. Окупается это за счет того, что когда создается принципиально новая аппаратура, нужны обязательно какие-то новые технологии. И когда эти новые технологии создаются, они начинают применяться в других отраслях, находят побочное применение, и вот эти вещи окупают затраты многократно. И вот тут нет никаких сомнений, что это тем самым будет полезно и для…
М. Баченина:
- Драйвит не только науку, не только физику, а вообще все окружающее пространство.
А. Сергеев:
- То есть это не прямой эффект, что нашли, что такое темная материя, и стали разливать ее по стаканам, а некий смежный эффект, когда, действительно, крупные строящиеся установки не впрямую дают вклад в развитие народного хозяйства, а через те новые решения, которые физики, инженеры должны предложить, чтобы такие установки создать. Вот это оказывается востребованным очень широко, не только в той области знаний, где делается открытие, а очень широко в технике. И это многократно окупает вложения.
М. Баченина:
- Коллеги, мне кажется, нам надо еще раз собраться через несколько лет и поговорить об этом же. Я под сильнейшим впечатлением, переполнена информацией, как говорится, нужно переварить все это. Спасибо вам большое.
