Альманах

Эврика  90

Тень Вселенной

Расчеты теоретиков говорят о том, что Вселенная, возможно, состоит из двух наложенных один на другой, очень слабо связанных, почти прозрачных друг для друга миров. Совпадающие всеми своими точками миры, каждый из которых—как бы тень другого! Два вида материи: обычная и очень слабо с ней взаимодействующая — «теневая». А если это так, то, может быть, мы живем где-нибудь на дне океана или среди горных вершин теневого мира и вокруг нас плавают или бродят тени его жителей? Можно ли установить с ними связь и вообще каким-то образом «прощупать» теневую половину Вселенной? Когда и как произошло «удвоение мира»— его расщепление на пронизывающие друг друга половины со взаимно «нечувствительным» веществом? И насколько можно доверять этим поразительным, находящимся на границе точной науки и фантастики выводам современной физической теории?

Гипотезы и опыт

Много столетий физическая теория жила, тесно прижавшись к эксперименту. Она всегда следовала за опытом — сначала накапливались наблюдения, потом появлялись формулы. Но вот настало время, когда их роли в значительной степени поменялись местами,— лидером стала теория. Она выдвигает гипотезы, часто на много лет опережающие возможности эксперимента, а он, подтягивая тылы, проверяет и корректирует их. Только с помощью теории можно проникнуть в недоступную современным приборам ультрамалую область пространства, где пятнадцать-двадцать миллиардов лет назад произошли удивительные события, которые мы называем «рождением нашей Вселенной», а также составить представление о глобальных свойствах Вселенной в целом. Конечно, теоретические представления об очень малых и предельно больших интервалах пространства-времени не вполне однозначны, и детали изменяются по мере развития наших знаний. Некоторые - выводы теоретиков выглядят просто невероятными, так далеко они выходят за рамки привычной школьной и даже «высшей» университетской физики! И тем не менее их нельзя считать пустой фантазией. Все они — строгое следствие физических принципов, хорошо согласующихся с опытом в области уже изученных явлений. Вопрос в том, насколько законна их экстраполяция в область еще неизвестного.

В природе все взаимосвязано, все оставляет свои следы, и это дает уверенность, что всякая гипотеза рано или поздно будет проверена либо непосредственным наблюдением, либо путем сравнения ее следствий с результатом косвенных экспериментальных данных.

Казалось бы, что можно сказать о свойствах правещества, «варившегося» в огненном смерче первичного взрыва, и все же... Неоднородности его пространственного распределения проявляются в наблюдавшемся сегодня расположении скоплений галактик, температурный режим — в слабом тепловом электромагнитном излучении, блуждающем с тех давних времен в просторах космоса и регистрируемом нашими радиотелескопами. Следы еще более древних процессов несет на себе реликтовое гравитационное излучение Вселенной. Не за горами время, когда физики научатся детектировать его так же уверенно, как измеряют сегодня потоки реликтовых тепловых фотонов.

Экстраполяция уже известных принципов и взаимосвязь явлений природы — вот два главных фактора, на которых основаны далекие научные выводы.

Одним из таких весьма вероятных, но не подтвержденных еще опытом прогнозов теоретиков является гипотеза теневого мира. Чтобы понять, на чем она основана, нам придется еще раз обратиться к иерархии (цепочке) скрытых симметрии в явлениях природы, обнаруженной физиками в последние годы.

Когда за деревьями не видно леса

Идея симметрии пришла в физику через кристаллы. С первого взгляда кажется, что число различных типов этих изящно ограненных кусочков вещества неисчислимо велико. Кубические, ромбооб-разные, октаэдры и более сложные многогранники с наклонными и перпендикулярными гранями... Как в калейдоскопе: новый поворот оси — и новая симметричная фигура. Неисчерпаемое богатство самых разнообразных форм! Но так только кажется с первого взгляда. Симметрии подчиняются строгим математическим соотношениям, которые позволяют пересчитать все их типы, не пропустив ни одного. При этом переход к более сложным происходит тоже не произвольно, а по строгим правилам. Можно заранее и совершенно точно сказать, сколько существует кристаллических форм с осевой симметрией, сколько — симметрии вращения вокруг двух осей, сколько может быть кристаллов с заданным  числом граней  и так далее.

Законы симметрии чрезвычайно полезны во многих разделах физики. Они накладывают, такие жесткие ограничения на расположение элементов системы, что многие ее свойства определяются однозначно и их можно вычислить, даже не зная физических законов, действующих внутри системы. Например, если знать симметрию электронных оболочек, можно точно установить, каким будет спектр излучения атома или молекулы. И не нужно решать сложные квантовые уравнения, достаточно простых формул математической теории симметрии, которые равным образом пригодны и для кристаллов, и для атомов, и для всех других физических систем со свойствами симметрии. Поэтому всякий раз, приступая к изучению нового явления или объекта, физики прежде всего интересуются их симметрией. Это особенно важно для теоретиков. С помощью симметрии они связывают процессы, протекающие в доступных нам областях пространства-времени, с тем, что происходит очень глубоко внутри вещества, и с тем, что совершалось в мире в первые мгновения после его «рождения». Симметрии подобны волшебному зеркалу, пользуясь которым мы силой нашего ума, мысленным зрением, можем заглянуть туда, куда еще долго не смогут добраться наши приборы.

Физики имеют дело не только с привычным для нас «конфигурационным пространством», координаты X, Y, Z которого определяют длину, ширину и высоту, но и с менее наглядными абстрактными математическими пространствами, в которых роль координат играют параметры частиц. Отражения и вращения в таких пространствах означают переход от одного типа частиц к другому, симметрия же говорит о том, что эти частицы — всего лишь различные состояния («повороты») одного и того же объекта, симметричные и  совершенно равноправные.

Но вот что важно: на практике симметрия частиц никогда не бывает полной. Дело в том, что каждая частица окружена облаком других испускаемых и быстро поглощаемых ею частиц. Плотность, а следовательно, и масса облака зависит от свойств «материнской» частицы, поэтому в разных состояниях масса ее оказывается различной и симметрия заметно нарушается — становится скрытой, как говорят физики.

В случае, когда частицы различаются лишь величиной их электрического заряда (скажем, протон и нейтрон), различие масс невелико — всего лишь проценты. Симметрию таких частиц легко заметить. Сложнее, когда у частиц различны иные характеристики, например странность, тогда их массы могут различаться в несколько раз. Чтобы убедиться в симметрии П- и К-мезонов (их массы различаются в три с половиной раза), физикам потребовалось почти два десятилетия, а симметрия безмассового кванта света — фотона — и ответственных за распады частиц W- и Z-мезонов, которые почти в сто раз тяжелее протона, открыта всего лишь несколько лет назад. Частные особенности и детали маскируют симметрию. Это как раз тот случай, когда говорят, что за деревьями не видно леса! Чтобы докопаться до «симметричной сути», приходится сопоставлять и анализировать все известные данные о частицах. Без подсказки теории тут никак не обойтись.

Замечательно, что симметрии, действующие в мире элементарных частиц, как бы вложены одна в другую: каждая из них — частный случай следующей, еще более общей, и сильнее замаскированный. Иерархия усложняющихся, все более абстрактных форм! Мы не знаем, как далеко продолжается этот ряд. С самой общей известной сегодня симметрией имеет дело теория, объединяющая все четыре типа сил: гравитационные, электромагнитные, слабые распадные и сильные ядерные. Это симметрия вращения в многомерном суперпространстве, где пространственно-временные координаты X, У, Z, Т смешаны с переменными величинами, характеризующими внутренние состояния частиц. В полной мере такая симметрия реализуется лишь при очень высоких энергиях, например в условиях колоссальных температур вскоре после рождения Вселенной. Некоторое представление о том, какими свойствами обладал тогда мир, можно составить опять-таки с помощью теории.

Мир-невидимка

Астрономия и астрофизика уверенно говорят о том, что в момент рождения Вселенная представляла собой пространственный «пузырек» исчезающе малых, почти точечных размеров. Расширяясь, она остывала, и в ней происходили фазовые превращения, подобные тем, которые претерпевает разогретое до парообразного состояния вещество: сначала образуется жидкая фаза, далее она переходит в твердую аморфную, которая затем кристаллизуется. Вещество юной Вселенной нельзя, конечно, считать ни жидкостью, ни газом. Это было чрезвычайно насыщенное энергетическое поле. Самым важным фазовым превращением было его расщепление на гравитацию с безмассовыми квантами-гравитонами и «вещественное» поле с массивными квантами-частицами. В последующих фазовых переходах от этого поля сначала отщепились компоненты с самыми тяжелыми квантами, и наконец выделилось электромагнитное поле. Мир постепенно пришел в привычное нам состояние. Отделение каждой компоненты первоначально единого поля портило симметрию: у частиц-квантов различных полей-компонент появились различающиеся по величине массы. По мере того как Вселенная остывала, различия становились все более значительными.

И вот что интересно: расчеты показывают, что после того, как отделилось гравитационное поле, исходная «глобальная симметрия» распалась на две одинаковые независимые симметрии более низкого ранга. В известном смысле это похоже на то, как сложный пространственный поворот разлагается на два простых вращения вокруг перпендикулярных | осей. Реальная ситуация, конечно, | сложнее, но для наглядности ее j можно представить себе и так. В результате цепочки фазовых превращений каждая из двух независимых симметрии приводит к Совершенно одинаковым «периодическим таблицам» элементарных частиц. Это означает, что Вселенная могла перейти в любое из двух не связанных между собой состояний, точнее, связанных лишь слабым гравитационным полем.

Не исключено, что могли образоваться сразу оба состояния и современная Вселенная представляет собой наложение двух видов материи. В момент их образования, когда связывавшее их единое взаимодействие было еще очень велико, различные виды материи интенсивно перемешивались и составляли единый мир. Последующее расширение Вселенной, при котором плотность   вещества   снижалась,   а гравитационные силы ослабевали, сформировало два практически не зависящих друг от друга мира. Каждый из них, как легкая тень (гравитационный «призрак»), пронизывает другой.

Иными словами, вполне возможно, что по соседству с нами, в том же пространстве-времени, существует «параллельный» мир-невидимка, в точности такой же, как наш, а может, и совсем непохожий, ведь, несмотря на тождественность физических законов, реальные условия сильно различаются даже на соседних планетах, а тут речь идет о мирах, расставшихся пятнадцать-двадцать миллиардов лет назад!

В этих мирах должны быть одинаковые наборы элементарных частиц, атомных ядер, простых и сложных молекул — все, что определяется физическими законами. Так же, как и у нас, вещество теневого мира должно быть размешано по пространству в виде звезд и галактик, проходящих те же стадии эволюции, что и наблюдаемые нами космические объекты. Но вот более сложные материальные структуры, зависящие от тонких химических и биологических процессов (раз живые организмы возникли в нашем мире, это возможно и в теневом), могут быть весьма неожиданными. Как говорится, каждому монастырю— свой устав!

Когда Вселенная была еще очень юной и в ней царило единое универсальное взаимодействие, теневая и обычная материи интенсивно перемешивались. Благодаря гравитационным силам однородность их распределения сохранялась и на более поздних стадиях эволюции Вселенной — до тех пор, пока не стали образовываться большие сгустки вещества. В них, кроме гравитационных, стали действовать мощные гидродинамические силы. Они определялись интенсивностью ядерных реакций и электромагнитных сил и, действуя уже независимо (общими для обычного и теневого вещества являются лишь гравитационные взаимодействия), по-разному распределили теневую и обычную материи в пространстве. Поэтому в разных областях Вселенной их концентрация должна сильно различаться. В одних участках теневого вещества может быть очень мало, а в других — больше, чем обычного.

Что касается нашей планеты, то под    действием    ее    гравитационного притяжения теневое  вещество,  если  оно  в  ней  есть,  должно сконцентрироваться вокруг ее центра.    Это   увеличит    ее    «гравитационную массу», от которой зависят орбиты спутников,  но  не скажется на величине «инертной массы»,   определяемой,   например,   с помощью   сейсмических   методов, ? не зависящих от силы тяжести. Различие в  величине массы,  определенной   этими   двумя   способами, менее десяти процентов. Это означает,    что    теневого    вещества    в нашей   планете   или   вообще   нет, или очень мало.

Как видим, экспериментальные данные (к сожалению!) не подтверждают фантастической картины, согласно которой вокруг нас раскинулись  невидимые  нам   равнины и моря теневого мира. Если они   и   есть,  то  где-то  в  стороне.

Можно оценить, сколько теневого вещества внутри Солнца. < Его примесь к солнечной плазме : увеличит гравитационные силы, стягивающие наше светило, а это должно привести к увеличению плотности Солнца. Ядерные реакции в нем будут происходить интенсивнее, его температура станет выше, и Солнце будет более ярким. Все это можно точно рассчитать и сравнить с наблюдениями.

Если бы теневого вещества в Солнце было столько же, сколько и обычного, его светимость по сравнению с наблюдаемой возросла бы впятеро! При этом радиус Солнца был бы почти вдвое меньше, а его температура — в полтора раза больше того, что показывают наши приборы.

В общем, все говорит о том, что теневого вещества в Солнечной системе очень мало (если оно вообще есть!). Впрочем, это неудивительно, ведь звезда в космосе — это все равно что пылинка в зале величиной с большой стадион, и вероятность для нее оказаться вблизи теневой пылинки — звезды или планеты — ничтожно мала. Тем более мала вероятность их наложения. Отказываться от интригующей воображение картины «потустороннего» теневого мира еще преждевременно!

Есть один факт, который при желании можно считать аргументом в пользу такой картины, указанием на то, что в нашей Галактике в целом содержится все же много теневого вещества. Определенная в астрономических наблюдениях величина ее гравитационной массы получается приблизительно вдвое большей, чем масса «видимого вещества», испускающего электромагнитные волны  в  световом   и   радиодиапазонах. Попытки «натянуть» недостающую двойку путем учета различных «невидимых» (неизлучающих) форм вещества оказываются пока неубедительными. Может, тут действительно сказывается влияние теневого вещества?

Каковы иные возможности обнаружить теневые объекты в космосе? Надо сразу сказать, что сделать это чрезвычайно трудно. Разве лишь в тех редких случаях, когда, например, теневая звезда окажется поблизости от видимой и они образуют единую, связанную гравитационным полем систему. Тогда теневая и видимая звезды будут вращаться вокруг их общего центра масс. Движение теневой звезды, понятно, мы не заметим, а вот видимая будет как бы сама по себе, без явной причины «танцевать» в пустом пространстве. Но прежде чем можно будет сказать об открытии ее теневого партнера, придется еще немало потрудиться, чтобы доказать, что рядом с «танцующей звездой» нет тяжелого нейтронного карлика или какого-либо другого компактного и потому невидимого издалека космического объекта, состоящего из обычного вещества.

Не исключено, что в космосе существуют большие острова и целые архипелаги теневого вещества. Их гравитационное поле должно искривлять проходящие сквозь них световые лучи — действовать подобно оптической линзе. Это явление можно тоже использовать для поиска теневых объектов.

Читатель, наверное, помнит страницы романа И. А. Ефремова «Туманность Андромеды», где рассказывается о темной, невидимой планете, которая, подобно притаившемуся пауку, захватывает в свою мощную гравитационную паутину неосторожные звездолеты. Теневые планеты и звезды — еще более страшные космические объекты. Разложенные в пространстве гравитационные сети — смертельно опасные воронки и омуты, из которых нет выхода.

«Спекуляция»— двигатель теории

Один мой знакомый, далекий от физики человек, как-то попал на семинар физиков-теоретиков. Докладчик у доски вскользь заметил, что сидевший в первом ряду физик — автор нескольких удачных спекуляций. Мой знакомый с опаской и удивлением посмотрел на солидного седовласого профессора, имя которого часто упоминалось в газетах.

— В голове не укладывается: такого уважаемого человека открыто называют спекулянтом, а он встречает это с удовольствием!— делился позднее своими впечатлениями мой знакомый.

Ему было невдомек, что слово «спекуляция» имеет в физике совсем другой ^смысл, чем в обыденной жизни, и означает не что иное, как выдвижение смелой, но еще недостаточно обоснованной гипотезы и изучение ее следствий с целью оправдать или отвергнуть выдвинутое положение. В таком смысле это слово часто используется в английском языке, и в физике этот смысл стал теперь общепринятым.

Ученые спекуляции часто становятся началом глубоких исследований, приводящих к крупным открытиям, хотя большинство их — всего лишь временные строительные леса на воздвигаемом здании теории. Возможно, такая судьба ждет и теоретическую спекуляцию с идеей теневой материи. Правда, тогда сразу же возникает вопрос: почему природа не использовала такую возможность? А это, в свою очередь, может породить новые остроумные спекуляции. Путь науки бесконечен! Как заметил однажды     французский     ученый     Пьер Буаст, ее развитие похоже на движение к горизонту: чем ближе к нему подходить, тем далее он отодвигается! А великий математик Леонард Эйлер сказал еще лучше: все, что мы теперь знаем в физике, было прежде облечено в догадки, и если бы никогда не допускались догадки, даже ошибочные, то мы бы не добыли ни одной истины...

«Знание —сила», 1988, № 5, с. 19—23