CC BY
55О.Р.РАДЖАБОВ кандидат философских наук, профессор, зав.кафедрой философии и истории Дагестанской государственной сельскохозяйственной академии
Мировоззренческие аспекты концепций «темной материи» и «темной энергии»
Научные исследования последних лет показывают, что существующих знаний о фундаментальных характеристиках Метагалактики (через нее и Вселенной) явно недостаточно для описания наблюдаемого мира.
Задуматься о неполноте наших знаний в области физики мегами-ра совсем недавно ученых заставлял факт наличия в нашей Вселенной вещества и практически полного отсутствия антивещества. Такая асимметрия между материей и антиматерией тем более удивительна, что в ранней Вселенной была эпоха, когда интенсивно происходили процессы парного рождения и аннигиляции частиц и античастиц. Тогда Вселенная была заполнена частицами и античастицами, причем на миллиард пар частица-античастица приходилась одна «лишняя» частица. Впоследствии при расширении и остывании Вселенной античастицы проаннигилировали с частицами, а «лишние» частицы остались и образовали окружающее нас вещество Вселенной. Вопрос о том, каким образом возникла асимметрия между материей и антиматерией, был поставлен в конце 60-х гг. А.Д. Сахаровым и В. Кузьминым. Однако и в настоящее время на него нет однозначного ответа. Предполагается, что это обусловлено нарушением законов сохранения, характерных для так называемой стандартной модели физики частиц, что наблюдается при взаимопревращениях нейтрино1.
* Раджабов Осман Раджабович, e-mail: filek08@rambler.ru.
1 См.: ДжоржиХ. Единая теория элементарных частиц // Успехи физических наук, 1982, т. 130, вып. 2, с. 554-594.
Если бы эта модель исчерпывающим образом описывала мир элементарных частиц, то основными носителями массы в современной Вселенной были бы барионы, а на долю электронов, фотонов и безмассовых нейтрино приходилась бы самая малая часть обшей массы и энергии Вселенной. Подавляющая часть барионной компоненты мира собрана в звездах, поэтому, казалось бы, достаточно пересчитать звезды и измерить их массы в некотором доступном участке Вселенной (содержащем, тем не менее, много галактик), разделить полную массу на объем и в результате найти среднюю плотность вещества во Вселенной. Средняя плотность вещества, согласно уравнениям Эйнштейна, определяет скорость расширения Вселенной (постоянную Хаббла). Далее остается сравнить экспериментально найденное значение плотности с величиной экспериментально измеренной постоянной Хаббла и убедиться в правильности наших представлений о мире. Но именно здесь нас и поджидает сюрприз: оказывается, эти экспериментальные данные не согласуются друг с другом. Следовательно, должны существовать некоторые дополнительные носители энергии, ускользающие от прямых астрономических наблюдений в оптическом и радиодиапазонах. Эти загадочные невидимки, природа которых до сих пор неизвестна, и получили название темной энергии.
Введение в научный обиход представления о существовании в природе темной энергии - слабовзаимодействующей физической субстанции, пронизывающей все пространство видимой Вселенной - явилось сенсацией номер один в физике на рубеже ХХ - ХХ1 в. и стало неожиданностью для большинства исследователей, в особенности работающих на стыке физики элементарных частиц и космологии. Действительно, признание факта существования темной энергии качественно изменило ситуацию в физике, указав на недостаточность
наших знаний в том числе о микромире. Не будет преувеличением сказать, что выяснение физической природы темной энергии - одна из важнейших проблем современной астрофизики.
При этом одним из неожиданных результатов, полученных за последние полтора-два десятилетия, стало выяснение того факта, что известные частицы (протоны, нейтроны, ядра, электроны, фотоны и нейтрино) обеспечивают всего около 5 % полной энергии в современной Вселенной. Большая часть энергии связана с темной материей (20 - 25 %) и темной энергией (70 - 75 %). Эти формы физической реальности существенно различаются по своему поведению в расширяющейся Вселенной и имеют совершенно различные возможные интерпретации с точки зрения современной физики.
Возникает предположение, что природа темной энергии отлична от вещественной, поскольку в ней не присутствуют элементарные частицы вещества. Это не должно нас удивлять, ведь давно изучаемая субстанция, названная физическим вакуумом, также проявляет признаки невещественной природы, что позволяет говорить о том, что в нашем мире существуют как минимум три формы материи: вещество, физические поля и физический вакуум как наиболее тонкая форма материи. «Наблюдаемые сегодня свойства темной энергии позволяют предполагать, что эта субстанция относится к той же форме материи, что и физический вакуум. Допустимы и обобщающие предположения, что темная энергия является составной частью физического вакуума, и она неразрывно связана с присущими вакууму антигравитационными свойствами, иначе говоря, с силами гравитационного отталкива-ния»1.
Темная материя, по-видимому, состоит из новых, неизвестных частиц. Эти частицы должны быть стабильными или иметь время жиз-
1 Ровинский Р.Е. Мировоззренческие проблемы физической науки, исследуемые XXI веком // Вопросы философии, 2008, № 3, с. 130.
ни, сравнимое с возрастом современной Вселенной, (^13,8 млрд лет). Таких частиц нет в стандартной модели, так что уже само представление о темной материи требует выхода за рамки этой модели. Частицы темной материи имеют те же свойства по отношению к гравитационным взаимодействиям, что и обычные частицы. Они способны собираться в сгустки (гало галактик и галактические скопления) и формировать гравитационные потенциалы. Исключительно велика роль темной материи в формировании структур во Вселенной - галактик, их скоплений и т. д. «Из результатов исследования этих структур, как и из изучения анизотропии и поляризации микроволнового реликтового излучения, следует, что частицы темной материи были нерелятивистскими уже на весьма ранних этапах эволюции Вселенной, что, скорее всего, связано с достаточно большой величиной их массы. В то же время частицы темной материи не имеют электрического заряда и вообще чрезвычайно слабо взаимодействуют с веществом, иначе они
были бы уже зарегистрированы в экспериментах по их прямому поис-
1
ку»1.
О существовании темной материи свидетельствуют некоторые особенности динамики звезд внутри галактик, динамики галактик внутри скоплений и, наконец, динамики скоплений внутри сверхскоплений. Фундаментальное значение имеет то обстоятельство, что скорость движения объектов внутри гравитационно-связанной системы определяется величиной гравитационного поля, а эта величина, в свою очередь, зависит от количества объектов, входящих в систему. Поэтому, например, если мы пересчитаем все звезды в галактике и зафиксируем их пространственное распределение, то сможем восстановить величину гравитационного поля и теоретически предсказать скорости движения звезд в самосогласованном гравитационном поле. Подчерк-
1
Рубаков В.А. Иерархии фундаментальных констант // УФН, 2007, т. 177, № 4, с. 409-413.
нем, что измерения скоростей и измерения количества и распределения звезд в галактике являются независимыми. Но они обязаны быть согласованными друг с другом, если правильны законы гравитации. Парадокс состоит в том, что результаты этих измерений не согласуются друг с другом. Эта несогласованность имеет место на всех уровнях космологических структур, начиная с галактик.
На уровне планетных систем все согласуется. Для нашей Галактики гравитационное поле в среднем должно быть примерно в два раза сильнее, чем поле, восстановленное из распределения звезд. Так как законы теории гравитации проверены с высокой точностью, то нет оснований предполагать, что в масштабах галактик действуют какие-то другие законы гравитации. Поэтому у нас остается только один способ разрешения парадокса - предположить, что существенная доля вещества Галактики находится в невидимом состоянии, т. е. состоит из таких частиц, которые не могут излучать фотоны (название "темная материя" как раз и отражает ее неспособность взаимодействовать с фотонами).
Аналогичные исследования на уровне скоплений галактик показывают, что в скоплениях доля невидимого вещества составляет уже около 90 %. На уровне сверхскоплений - более 95 %, при этом на долю барионной компоненты приходится лишь от 3 до 5 %. Этот факт означает, что мы не знаем, из чего состоит Вселенная. Известные энергоносители составляют лишь несколько процентов массы и энергии Вселенной. Мы знаем лишь общую закономерность: чем меньше масштаб структуры, тем меньше в ней темной материи (например, в состав планеты Земля темная материя, по-видимому, вообще не вхо-
дит). Чем больше масштаб структуры, тем большую роль играет темная материя1.
Темная материя - это совокупность невидимых объектов во Вселенной, которые можно зафиксировать только по гравитационным аномалиям. Она присутствует в галактиках и их скоплениях, способна сгущаться. Проблема установления физической природы темной материи - одна из самых актуальных проблем теоретической и экспериментальной космологии, она очень сложна и далека от решения. Единственное, что сегодня можно утверждать, что решение надо искать в физике квантового вакуума и элементарных частиц. Как уже отмечалось, существующая теория элементарных частиц - стандартная модель не справляется с этой задачей. Сохранить эту модель возможно только в рамках гипотезы, что темная материя имеет все-таки барионную природу, например, находится в форме тяжелых темных планет, невидимых в астрономических наблюдениях. Эта гипотеза, однако, вступает в противоречие с одним из наиболее надежных результатов теоретической и наблюдательной космологии. Дело в том, что от концентрации барионов зависит результат нуклеосинтеза: во Вселенной находится именно то количество барионного вещества, которое соответствует видимой материи.
Первый шаг за пределы стандартной модели, непосредственно связанный с проблемой темной материи - обращение к гипотезе массивных нейтрино. Однако гипотеза о том, что масса темной материи полностью содержится в массивных нейтрино, уже сегодня вступает в противоречие с данными о крупномасштабной структуре Вселенной.
1
См.: Долгов А.П., Зельдович Я.В. Космология и элементарные частицы // Успехи физических наук, т.130, вып. 2, с. 595-611.
По-видимому, она состоит из суперсимметричных тяжелых частиц в 100 - 1000 раз тяжелее протона1.
Продолжая искать объяснение природы темной материи среди новых частиц, необходимо указать на три обязательных для них условиях: частицы, составляющие темную материю, слабо взаимодействуют с известными частицами; массы новых частиц очень велики (десятки и сотни ГэВ); эти частицы стабильны, по крайней мере время их жизни сравнимо с возрастом Вселенной.
В отличие от темной материи темная энергия равномерно «разлита» во Вселенной. Она обладает необыкновенными свойствами. Наблюдения свидетельствуют: Вселенная сегодня расширяется с ускорением, а это значит, что темная энергия реализуется как антигравитация. Возможно, это и есть энергия физического вакуума.
Как известно, Эйнштейн ввел в общую теорию относительности новую константу - космологическую постоянную. Конечно, это была гипотеза и весьма смелая. Величина же космологической постоянной не выводилась из какой-либо теории, а подлежала наблюдательному определению.
Физическая интерпретация космологической постоянной складывалась постепенно, десятилетие за десятилетием, начиная с работ де Ситтера, Леметра, Толмена, Бонди. Сейчас считается общепринятым, что космологическая постоянная описывает космический вакуум, т. е. такое состояние космической энергии, которое обладает постоянной во времени и всюду одинаковой в пространстве плотностью, притом в любой системе отсчета. По этим свойствам вакуум принципиально отличается от всех других форм космической энергии, плотность которых неоднородна в пространстве, падает со временем в ходе космологического расширения и может быть разной в разных системах от-
См.: Высоцкий М.И. Суперсимметричные модели элементарных частиц // Успехи физических наук, 1985, т. 136, вып. 4, с. 591-636.
счета. Если оставить в стороне представление о статичности Вселенной, то гипотеза Эйнштейна была в действительности предположением о существовании в мире космического вакуума. И это предположение наконец подтвердилось в астрономических наблюдениях. По наблюдательным данным о сверхновых звездах плотность вакуума превышает суммарную плотность всех остальных видов космической энергии.
Вакуум обладает не только определенной плотностью энергии, но и давлением. Если плотность вакуума положительна, то его давление отрицательно. Связь между давлением и плотностью, т. е. уравнение состояния имеет для вакуума вид ру=-ру. Это - и только это - уравнение состояния совместимо с определением вакуума как формы энергии с всюду и всегда постоянной плотностью, независимо от системы отсчета. Это открытие изменяет наше понимание современной стадии космологической эволюции, нынешнего состояния Вселенной. Прежде считалось, что вся история космологического расширения - это история его затухания после первоначального Большого Взрыва. Сейчас оказывается, что как раз в нашу эпоху динамика расширения перешла со стадии замедления к новой стадии ускорения.
Гравитационные свойства темной энергии сильно отличаются от свойств других форм энергии. Темная энергия не собирается в сгустки, она равномерно рассосредоточена во Вселенной. Плотность темной энергии очень слабо изменяется или вообще не изменяется со временем, в то время как плотность любых частиц относительно быстро уменьшается из-за расширения Вселенной. Наличие темной энергии приводит к ускоренному расширению Вселенной, так что можно условно сказать, что темная энергия выполняет функцию антигравитации. В рамках общей теории относительности это возможно, если данная субстанция помимо положительной энергии имеет отрица-
тельное давление. Действительно, если плотность энергии постоянна или почти постоянна во времени, то при расширении Вселенной энергия (в сопутствующем объеме) растет как объем, так что давление должно быть отрицательным и равным или почти равным по абсолютной величине плотности энергии1.
Возможные формы темной энергии и их проявление в космологических наблюдениях обсуждаются очень широко. Одна из возможностей состоит в том, что темная энергия - это энергия вакуума (или космологическая постоянная). В середине 60-х гг. Э.Б. Глинер предложил «материальную» интерпретацию космологической постоянной, он показал, что идея Эйнштейна эквивалентна предположению о существовании во Вселенной идеально однородной макроскопической среды с плотностью ру. Среда со столь необычным уравнением состояния непохожа ни на какие «нормальные» жидкости или газы. Следуя Глинеру, перечислим её важнейшие особые свойства.
1. Эта среда не может служить системой отсчета. Если имеются системы отсчета, движущиеся относительно друг друга с некоторой ненулевой скоростью, то такая среда будет сопутствовать и той, и другой. Следовательно, движение и покой относительно такой среды неразличимы. Но в этом состоит основное механическое свойство вакуума. Таким образом, эта среда является вакуумом.
2. Среда является неизменной и «вечной». Её энергия представляет собой абсолютный и постоянный во времени минимум энергии, содержащийся в мировом пространстве. Это ещё одно обязательное свойство вакуума.
3. Среда с таким давлением создает не тяготение, а антитяготение. Всемирное антитяготение стремится не сблизить тела, а напротив, отдалить их друг от друга. Если поместить в вакуум две пробные
См.: Чернин А.Д. Темная энергия и всемирное антитяготение // УФН, 2008, т. 178, № 3, с. 267-298.
частицы, в начальный момент покоящиеся относительно друг друга, то вакуум заставит их затем удаляться друг от друга.
4. Говоря на языке ньютоновской физики, вакуум создает силу, но сам не подвержен (как макроскопическая среда) воздействию ни внешних сил тяготения, ни собственного антитяготения.
Таким образом, подобно тому, как в начале прошлого века наука вступила в изучение глубин материи на уровне микромира, сегодня она открывает новую, ранее не предполагавшуюся глубинную область материи невообразимо малых размеров (квантовый вакуум). Исследовать эту область удается только теоретическими методами, а о справедливости получаемых знаний можно судить лишь изучая следствия теории, которые проявляются в областях, доступных для эксперимента. Перед наукой сегодняшнего дня встала задача - определить природу того, что названо темной энергией, и объяснить её доминирующую роль во Вселенной. Пока такая задача не выполнена, но можно высказать на этот счет некоторые предположения. Уже давно физики рассматривают вакуум не как пустоту, но как материальную среду, отличную от вещества. Имеются основания считать, что открытая астрономами темная энергия - это и есть энергия вакуума. Окончательное доказательство ещё предстоит найти, но совокупность всех наблюдательных данных о темной энергии, полученных с 1998 г., полностью согласуется с такой возможностью.
Если поток расширения обязан своим происхождением, как полагают вслед за Глинером, первичному вакууму Вселенной, то его плотность была изначально исключительно высока, превышая его измеренную сейчас плотность на множество порядков величин. Из-за этого вакуум и сам был способен изменяться, эволюционировать, порождая при этом «обычное» вещество, невакуумные формы космической энергии. Эта эволюция первичного вакуума завершилась в первые пи-
косекунды существования мира, оставив после себя многокомпонентную космическую среду, в которой вакуум и невакуумные энергии оказались в итоге согласованными друг с другом, симметричными по отношению друг к другу.
Главный итог космологических исследований последних лет таков: существование темной энергии и создаваемое ею антитяготение надежно и теперь уже окончательно доказано. Постепенно усиливаются объективные свидетельства в пользу эйнштейновской космологической постоянной л и представления о темной энергии как о вакууме Эйнштейна - Глинера. Это заключение можно вывести из всей совокупности новейших результатов, отраженных в обширном потоке космологической литературы.
Еще академик Я.Б. Зельдович выдвинул предположение о том, что сумма вакуумных энергий (формально бесконечных) всех полей и частиц могла бы каким-то образом обеспечить конечное и притом малое значение плотности космического вакуума. «Учитывалось, что вакуум фермионов и вакуум бозонов имеют разные знаки энергии, и они в принципе могли бы полностью погасить друг друга, если в природе имеется строгая симметрия между бозонами и фермионами (которая в дальнейшем получила название суперсимметрии). Тогда в итоге получится нулевая суммарная плотность космического вакуума всех полей. Согласно теории элементарных частиц, вакуум - это основное, т. е. энергетически наинизшее, квантовое состояние поля или системы полей. Следовательно, вакуум есть проявление физического (материального) поля, и в отсутствие последнего нет и первого. Если во время сингулярности вся материя Вселенной была сконцентрирована в одной точке, то и все поля, а с ними и вакуум должны были быть
«сжаты» до точки»1. Но такая симметрия не обязательно должна быть абсолютно строгой, она может быть слабо нарушенной. Поэтому компенсация энергий не обязательно будет полной, и в результате возникает неисчезающая малая разность двух вакуумных энергий, каждая из которых формально бесконечна. В последнем случае возможно, по мысли Зельдовича, отождествление двух вакуумов - квантового и того, который описывается космологической постоянной. Эту исключительно привлекательную идею до сих пор не удалось ни доказать, ни опровергнуть.
Эти открытия привели к решительной смене физической картины мира, к совершенно новому пониманию того, что представляет собой современная нам Вселенная. Как оказалось, в ней господствует космический вакуум с его антигравитацией, которая заставляет галактики с ускорением разбегаться друг от друга. Но ни галактики, ни его собственная антигравитация, ни даже само время не способны воздействовать на нынешний космический вакуум - он абсолютно неподвижен, неизменен и вечен. Мы неожиданно осознали, что живем в четырехмерном пространстве-времени, которое недавно завершило свою космическую эволюцию и к нынешней эпохе практически достигло идеально регулярного, геометрически симметричного состояния, которое будет затем длиться неограниченно долго. Таковы главные аспекты современных когнитивных представлений о темной материи и темной энергии с позиций философской онтологии.
Раджабов О.Р. Мировоззренческие аспекты концепций «темной материи» и «темной энергии». В статье рассматриваются эпистемологические смыслы современных идей в рамках космомикрофизики, а именно концептуальное содержание теоретических моделей «темной материи» и «темной энергии». Обсуж-
1
Гивишвили Г.В. Темная энергия и «сверхсильный» антропный принцип // Вопросы философии, 2008, № 5, с. 75.
дается процесс экспликации этих представлений в контексте авангардных идей современной астрофизики и космологии. Акцент делается на мировоззренческих обобщениях понимания космического вакуума и антигравитации.
Ключевые слова: мировоззрение, Вселенная, темная материя, космический вакуум, темная энергия, антитяготение, космологическая постоянная.
Radjabov O.R. The world outlook aspects of "dark matter" and "dark energy" concepts. In the article under analysis are epistemological senses of modern ideas as part of cosmophysic, i.e. conceptual contents of theoretical models of "dark matter" and "dark energy". The process of explication of the two notions in the context of inn o-vative ideas of modern astrophysics and cosmology is being discussed. Special attention is paid to generalization of understanding such notions as space vacuum and anti-gravity.
Key words: world outlook, the Universe, dark matter, space vacuum, dark energy, antigravity, cosmologic constant.
