Финам.FM

В первом приближении 06/02/2012 20:05

Темная материя

ЛИХАЧЕВА: Добрый вечер. В эфире программа "В первом приближении". Этим вечером продолжаем цикл передач о современной астрофизике, в рамках которого мы уже говорили о внеземной жизни, о черной дыре, о большом взрыве, об эволюции Вселенной. Все программы мы выкладываем на нашем сайте, на finam.fm, там их можно и почитать, и прокомментировать, а также задать вопросы, так как в конце вот этого цикла будет итоговый выпуск по вашим вопросам. Итак, пишите, комментируйте, задавайте вопросы на finam.fm.

Неделю назад Сергей Попов, доктор физико-математических наук из Астрономического института имени Штернберга при МГУ очень увлекательно рассказывал о тех загадках, над которыми ломают головы современные астрофизики и космологи. Тема звучала так: "Тайны астрофизики. Десять загадок, скрытых в небесах". И в конце программы я пообещала вам, что мы вернемся еще к обсуждению некоторых загадок, упомянутых Сергеем Поповым. И вот держу свое обещание. Впереди у нас с вами две большие темы: "Темная энергия" в следующий понедельник, и сегодня тема нашей программы – Темная материя

 

В ПЕРВОМ ПРИБЛИЖЕНИИ: эксперты в студии.

Константин Постнов: "Никто не может объяснить, понимаете. Вот есть эксперименты, есть данные, данные все открыты, все пытаются объяснить, но никто не знает, как. Вот есть какая-то темная материя непонятной природы. Вот, пожалуйста, вот факт".

 

ЛИХАЧЕВА: Константин Александрович, давайте начнем вот с чего: материя как таковая, давайте дадим ей характеристику, что это вообще такое.

ПОСТНОВ: Материю можно воспринимать обобщенно, включать в нее вообще все возможное, что существует в природе, и называть это материей. Такой, знаете, марксистский подход. А можно ее разделять на совершенно четкие, различные компоненты.

Ну, во-первых, есть видимая материя. Видимая материя – это та материя, которая может излучать свет, которую можно изучать с помощью электромагнитных волн разного диапазона. И это то, чем занимаются астрономы, астрофизики и многие другие. Те способы, те виды материи, которые можно пощупать, увидеть, как бы сказали, глазами, не только в оптическом диапазоне, а скажем, в радиоизлучении – рентгеновское излучение, гамма-излучение, частицы какие-нибудь – это все материя, видимая материя.

Так вот, видимая материя, сейчас для нее даже существует... Она является подклассом более широкого класса материй, которую мы называем в науке барионной материей. Почему? Потому что она состоит из обычного вещества, из которого состоят дома, воздух, Земля, планеты, звезды. Это обычное вещество, которое изучает физика, о котором мы знаем больше всего, которое изучено, и практически свойства этого вещества применяются (нанотехнологии и все такое), вот эта материя – видимая материя.

ЛИХАЧЕВА: Как у нее... Еще раз термин?

ПОСТНОВ: Барионная. От греческого слова "барион". Барионы – это протон и нейтрон, вот их называют обобщенно барионами. Почему? Потому что вся вот эта материя, она состоит на элементарном уровне их атомных ядер...

ЛИХАЧЕВА: Протоны, электроны и нейтроны.

ПОСТНОВ: Да. Из атомов. Протоны, электроны, нейтроны. Да, да, да, это все обычная материя, и называется она "барионная материя". Но видимая материя – это только часть барионной, мы не все видим, что является барионами. Есть еще барионы, которые в такой форме... Особенно их много между галактиками, их, оказывается, даже больше, чем видимой материи. Хотя мы думаем, что, вот, посмотрите на карты звездные, на небо с помощью самых таких глубоких телескопов, вы увидите светящуюся материю. Но много чего вы не увидите, хотя это тоже барионы. То, что мы видим – это малый процент, несколько процентов от всей барионной материи. Но это барионная материя.

Есть материя, которая не является таковой, не является барионной, но она проявляет себя по тому гравитационному взаимодействию, которая она оказывает. Она не видна с помощью телескопов в явном виде,

она не светит... Не взаимодействует с фотонами, она не взаимодействует с нейтрино даже, с этими частицами, которые очень слабо взаимодействуют с веществом. Но она проявляет себя по своему гравитационному воздействию. Это так называемая темная материя. Темная, потому что она не испускает, не поглощает свет. Но, поскольку она является источником гравитационного поля, она создает эффект гравитационного линзирования, она искривляет траекторию лучей света, которые сквозь нее проходят. Свет сквозь нее может проходить, потому что он с ней не взаимодействует, а вот траектория его искривляется. Мы видим эффект гравитационного линзирования на этой темной материи, и по этому эффекту изучаем, скажем, ее свойства.

ЛИХАЧЕВА: Ее главная, основная характеристика – она не излучает свет. Она существует, но мы не можем ее видеть, потому что она не излучает свет. Но пропускает и влияет на него.

ПОСТНОВ: Она влияет на него, поскольку она создает мощнейшую гравитацию. И этой материи, темной материи, ее оказывается в пять раз примерно больше, чем всей барионной материи, а если это пересчитать на видимую материю, то раз в 50-100 больше, чем...

ЛИХАЧЕВА: А как это посчитали?

ПОСТНОВ: Да, это хороший вопрос. Как это посчитали. Ну, во-первых, тогда опять надо немножко вернуться к истории. В 30-е годы такой замечательный швейцарский астроном Фриц Цвикки, который почему-то из Швейцарии уехал в Соединенные Штаты, и вот он в Калифорнии изучал галактики, пары галактик и скопления галактик. Ну,

галактики тоже бывают в парах, они как Туманность Андромеды и наша галактика – это пара галактик, они связаны общим гравитационным полем. Подобно тому, как бывают двойные звезды, кратные звезды, так же бывают галактики в парах, в тройках, в группах.

ЛИХАЧЕВА: И мы в паре с Туманностью Андромеды...

ПОСТНОВ: И еще куча разных. У нас ближайший спутник это Магеллановы Облака и так далее.

ЛИХАЧЕВА: И, скорее всего, нас скоро поглотит Туманность Андромеды.

ПОСТНОВ: Ну, нескоро. Мы сближаемся...

ЛИХАЧЕВА: Через несколько миллиардов лет.

ПОСТНОВ: Да, да, да. Через много миллиардов лет, в принципе, эти галактики должны слиться. Но слиться, опять же... Вот если посмотрите на фотографии сливающихся галактик, они вот проходят как бы друг сквозь друга, поскольку там ничего не сталкивается, но у них образуется общий потенциал, и в этом общем потенциале у них структура начинает меняться. Вот это называется слияние галактик. И даже скопления галактик могут так вот проходить. Но это отдельная...

ЛИХАЧЕВА: Это называется "дружественное слияние" на экономическом языке. Без разрушения друг друга.

ПОСТНОВ: Но оно разрушает, оно перестраивает всю галактику, но там каких-то таких... Оно, наоборот, вызывает бурный экономический рост. Оно вызывает бурное звездообразование, много газа и так далее. Так что это... Вот он изучал такие пары, тройки и скопления галактик. И он обнаружил первый, что... Вот, да, как измерить массу галактики? Хороший вопрос, например. Как вот можно такую далекую галактику, как ее взвесить? Ответ: по гравитационному влиянию на спутник, допустим. Подобно тому, как измерить массу Солнца.

Как вы измерите массу Солнца? Просто по движению Земли вокруг Солнца вы можете измерить массу Солнца. Если вы знаете расстояние между Землей и Солнцем, то вы мгновенно получаете массу Солнца,

поскольку вы знаете период обращения – год, и расстояние – одна астрономическая единица. Так именно она и измерена, между прочим.

Так то же самое и здесь. У вас есть две галактики, они вращаются вокруг общего центра масс, и по движению этих галактик вокруг общего центра масс вы можете сделать оценку их полной массы. И это будет гравитационная масса. Почему? Потому что гравитация руководит движением. Это один из способов, это называется "динамический способ определения массы", потому что он апеллирует к динамике галактик, к динамике объектов.

Другой способ – очень простой – просто взять и посчитать свет, который идет от этой галактики. У вас есть фотоприемник, вы можете посчитать все фотончики, посчитать всю энергию, а дальше вы делаете некий такой логический скачок. Смотрите, вот у вас есть Солнце, и известно, сколько оно излучает. У вас есть звезды других спектральных классов или масс, которые тоже известно, сколько излучают примерно. Ну, с точностью до 10-20%. И таким образом вы по спектру или по полной светимости вот этой галактики можете посчитать, сколько нужно туда засадить звезд, чтобы пришло такое количество света. И таким образом вы получаете оценку массы галактики по светящемуся, по видимому веществу, не по динамике, а просто по видимому веществу. Так любую галактику можно оценить – массу видимого вещества.

ЛИХАЧЕВА: А почему на пять-то умножили, чтобы увидеть невидимое?

ПОСТНОВ: А вот я сейчас расскажу, как раз самое интересное. Так вот, Цвикки, он стал изучать эти галактики, пары галактик, посчитал массу этих галактик, и посчитал эту массу, которую он определил другим, динамическим способом. И у него оказалось, что масса, которая определяется динамически, в несколько раз, до десяти раз больше, чем масса, которая определяется по свету. Он задумался, как так может быть. И он ввел в науку термин "скрытая масса". Сейчас мы называем это темная материя, а он называл это "dark matter", темное – в смысле "не дающее свет". 1933-й или 1934-й, в общем, середина 30-х годов, понимаете, это же черт-те когда давно было. И тогда он сказал, да, вот есть какая-то в галактиках масса, которая свет не дает, а вклад в массу дает. Ну и хорошо. Что это может быть?

Ну, например... Тогда не думали о нейтронных звездах и черных дырах, хотя он же тогда и начал эту деятельность по астрофизическому применению нейтронных звезд, Цвикки. Он думал: ну, это, может быть, какие-нибудь тусклые звезды или планетки, которые света дают мало, но их может быть очень много, или какая-нибудь пыль, а массу они дают большую. И долгое время эта точка зрения превалировала. Ну, есть какие-то темные объекты, и все. И эта проблема где-то уже в 70-е годы стала такой... Скажем так, она более... Гораздо больше наблюдательных данных во всех диапазонах спектра, мы гораздо больше стали знать. И стало ясно, что ни планеты, ни какие-нибудь остатки звездной эволюции типа черных дыр или нейтронных звезд, которые дают малый вклад в эту светимость, или там какие-нибудь карлики...

ЛИХАЧЕВА: Они не могут столько дать, да?

ПОСТНОВ: Ну, не получается, не сходится. Там все время сидела как гвоздь вот эта тройка-пятерка, которая...

ЛИХАЧЕВА: Тройка, семерка, туз.

ПОСТНОВ: Да, да, да. Тройка, семерка, туз выигрывают тебе кряду, чтобы ты больше за карты ни разу не садился. Тут тоже... Вот эта проблема, она настолько была такая, как больной зуб, понимаете, и никто не мог ее решить. Ну и говорили: "Вот есть какая-то темная материя, и непонятной природы". Но эта проблема стала, совсем-совсем уже заострилась тогда, когда обнаружили, открыли реликтовое излучение Вселенной в 1965 году. И вот в 1992 году нашими усилиями, отечественными спутниками "Реликт" и американский спутник "COBE" открыли флуктуации этого реликтового излучения. Это отдельный большой разговор, очень интересный. Но по свойствам флуктуации этого реликтового фона, который остался от очень ранних моментов Вселенной, эволюции Вселенной, оказалось, что описать эти свойства – вам нужно заполнить Вселенную очень большим количеством материи, которой именно как раз в пять-семь раз было больше, чем то, что наблюдается.

ЛИХАЧЕВА: Это все благодаря обнаружению реликтового излучения?

ПОСТНОВ: Да. Ну, обнаружению и, скажем так, изучению его свойств. Это свойства флуктуации, по флуктуациям, скорее всего, сделано. В общем, вот

эта темная материя стала абсолютно необходимой для того, чтобы описать наблюдаемые свойства реликтового излучения и, что очень важно, свойства крупномасштабной структуры Вселенной.

Ну, что такое крупномасштабная структура Вселенной? Это когда у нас есть звезды, звезды составляют галактики, галактики составляют группы галактик, группы галактик в скоплениях находятся галактик. Это иерархия такая идет. А скопления галактик, можно сказать, что какое-то суперскопление.

На самом деле все немножко хитрее. У нас вот эта крупномасштабная структура Вселенной, она похожа на губку такую, большая часть Вселенной заполнена такими пустотами, где почти нет никакого вещества, никаких галактик. А все вещество в виде скоплений галактик, оно сосредоточено в таких стеночках.

ЛИХАЧЕВА: Как паутинка такая, с узлами такими.

ПОСТНОВ: Да, абсолютно правильно. Как паутинка, и вот как губку вы разрежете. Это будет буквально то, что наблюдается.

ЛИХАЧЕВА: Там, где узлы, там скопления как раз.

ПОСТНОВ: Да, да, да. И они даже в стеночках могут быть. Где узлы, они более сферические, там они могут быть какие-то...

Мы сами живем на краю такого скопления, которое называется скопление Вирго, центр его находится в созвездии Девы, расстояние до центра – порядка 15 мегапарсеков. В общем, мы не в центре этого скопления,

мы где-то там за кольцевой дорогой. В общем...

ЛИХАЧЕВА: В провинции у моря, понятно.

ПОСТНОВ: Совершенно верно. У нас тихо, все хорошо, мы живем где-то с краешку. И вот эти скопления галактик. Так вот, оказалось, чтобы описать свойства этих скоплений галактик, абсолютно просто они не описываются без дополнительной материи, которая создает большой гравитационный потенциал. По рентгеновскому излучению газа это тоже можно, например, увидеть.

Идея та же самая. Вот смотрите, вы смотрите рентгеновским телескопом на скопление галактик, и смотрите поток рентгеновских фотонов. Откуда берутся рентгеновские фотоны? Сами галактики почти не дают их, в основном дает горячий газ, который находится между ними. Почему газ горячий? Потому что этот газ нагрет до очень высоких температур, миллиардов градусов, сотен миллионов градусов, до очень высоких температур. Из-за чего он нагрет? А нагрет он вот из-за чего. Он нагрет из-за того, что он движется, эти частицы движутся в очень глубокой потенциальной яме, которая создается каким-то веществом.

Вот чтобы создать такую глубокую потенциальную яму, вещества, которое видится во всех этих самых галактиках, ну, вот опять в те самые пять-десять раз не хватает, надо гораздо больше вещества посадить в эти скопления галактик, чтобы описать рентгеновские наблюдения. И вот куда ни кинь, везде вылезали уши, как говорят, вот этой самой темной материи. Реликтовое излучение, горячий газ скопления галактик. Свойства структуры. Потому что сама структура вот эта, она не могла возникнуть без привлечения вот этой скрытой материи.

Ну и вот пошло-поехало. Значит, вот эта темная материя, которая не видна, стало ясно, что она создает очень, что ее, как я уже сказал, в пять раз больше, чем всей барионной материи, которая существует во Вселенной. Она не взаимодействует с фотонами, она скучивается, создает большие агломераты в масштабах галактик, наша галактика, например, окружена гало темной материи. Откуда это стало известно? Скажем, вы можете измерить движение звезд и газа на разных расстояниях от центров галактик. Это называется... По эффекту Доплера это делается, это так называемая кривая вращения галактик. Так вот, эта кривая вращения галактик, она имеет очень характерный вид. Сначала скорости от центра растут, потом они выходят на такое плато, не загибаются, как должно было бы быть, если бы вся масса была сосредоточена в видимом веществе. Такое впечатление... Эта проблема была известна. Создавалось впечатление, что есть какое-то невидимое гало вокруг галактик, и тогда у вас...

ЛИХАЧЕВА: Темное гало.

ПОСТНОВ: Темное, да, его называют темное гало, совершенно верно. Этот темное гало... И масса этого темного гало, она как раз в пять-десять раз больше, чем масса всего видимого вещества. Начиная с масштабов галактик, в масштабах групп галактик, скоплений галактик и вообще всей Вселенной на уровне реликтового излучения, мы видим вот эту пятерку-десятку, которая нужна для того чтобы объяснить все эти свойства. Кратко, совсем кратко, откуда наблюдательно мы получили информацию о существовании темной материи...

ЛИХАЧЕВА: Которой больше в пять раз, чем видимой.

ПОСТНОВ: Да, да, да, совершенно верно. Но тут же возник вопрос: что это такое, что может быть этой темной материей? Тут, конечно, сначала был простор для разного рода спекуляций, потому что надо было придумать или найти в физике, может быть, какие-то частицы, которые не взаимодействуют со светом, а взаимодействуют только гравитационно. И вот

различного рода кандидаты на эту темную материю, они мгновенно были названы, и таких кандидатов очень много, и по тому, какие это кандидаты, их разделили на два больших класса: горячая темная материя и холодная темная материя.

Горячая темная материя – это частицы гипотетические, которые очень легкие и движутся почти со скоростью света. Таковыми, например, могли бы быть какие-то нейтрино. Потому что нейтрино это очень коварная, интересная частица, может быть, сейчас вы слышали, какие-то последние непонятные с ее скоростью и так далее.

***

ЛИХАЧЕВА: У нас в предыдущих программах можно посмотреть, послушать – это я для наших слушателей говорю – про нейтрино мы говорили достаточно подробно, наши эксперты рассказывали. Так что это можно отдельно почитать.

ПОСТНОВ: Это очень интересно, да, да, да. Это очень интересная и загадочная до сих пор частица. Она могла бы быть кандидатом на роль этой горячей темной материи. Легкие частицы горячие, движущиеся почти со скоростью света. Но оказалось, что вот эти горячие частицы, горячей темной материи, она не воспроизводит... Мы не можем воспроизвести ту структуру Вселенной, которую мы видим. Поэтому ее, так сказать, довольно быстро оставили в покое, и сказали: "Давайте рассмотрим холодную скрытую материю". И сейчас вот это является мейнстримом, это вот то, что считается, так сказать, стандартным кандидатом в темную материю. Это холодная темная материя.

ЛИХАЧЕВА: Холодная почему?

ПОСТНОВ: Холодная, потому что скорость ее части нерелятивистские, они много меньше скорости света. Поэтому холодая, только в этом смысле. А горячая – это там, где скорости близки к скорости света. Вот и все. Еще, конечно, можно придумать теплую – это посерединке, да. Но на самом деле говорят о холодной в том смысле, что вот именно так. Это массивные частицы с массой. Ну, в различных теориях она может быть от электронвольт, масса покоя имеется в виду, до ГэВ, пожалуйста. Там огромный диапазон возможных масс.

ЛИХАЧЕВА: Подождите, а вот эти частицы, они состоят из тех же протонов, нейтронов, электронов?

ПОСТНОВ: Нет, нет, нет. В этом-то все и дело. Это какие-то элементарные частицы, которые не создают никакие ни атомы, ни ядра, ничего. Они сами по себе.

ЛИХАЧЕВА: Никакого отношения к видимой материи не имеют, совсем другая структура.

ПОСТНОВ: Это совсем другое. И непонятно что, понимаете. И, как говорится... Ну, мы знаем ее главные свойства наблюдательные – то, что она гравитационно скучивается, собирается в огромных масштабах галактик и их скоплений.

ЛИХАЧЕВА: У нее есть гравитация. Это мы знаем точно.

ПОСТНОВ: Абсолютно точно. И эта гравитация нормальная, потому что есть еще темная энергия, у которой гравитация нестандартная, она отрицательная, это антигравитация. Ну а это вот обычная гравитация, как любое вещество. Значит, темная материя, она создает такую же абсолютно гравитацию, как наше вещество, и тоже собирается в большие... Ну, вот гравитация наша собирается, вот планеты, звезды, разные галактики. А здесь

мы видим проявления в масштабах скоплений галактик. На больших масштабах она чувствуется, вот эта скрытая масса, она и в этой комнате, может быть, частицы ее летают какие-то, но они ни с чем не взаимодействуют и сквозь стены спокойно пролетают,

понимаете.

ЛИХАЧЕВА: Понятно. И ее здесь засечь совершенно невозможно, а вот на больших расстояниях...

ПОСТНОВ: Да, да, да. Ее даже в Солнечной системе уже можно засечь по движению планет. Выведены очень интересные верхние пределы о плотности, локальной плотности темной материи в нашей галактике. Это очень интересные динамические определения. Ну да, нужны большие расстояния. Ее померить, почувствовать можно только на больших расстояниях.

Ну а что это за частицы – это, конечно, этой целый список. И даже кандидаты в холодную скрытую массу – это тоже целый список. Там надо было понять, что... Это уже вопрос к ядерщикам: как устроена теория элементарных частиц? Какие из этой теории элементарных частиц есть возможности получить тяжелые частицы, которые не взаимодействуют с обычным веществом, но которых по каким-то причинам в пять или десять раз больше, чем видимого вещества. Вот это была, так сказать, задача, поставлена перед физиками-ядерщиками, и они дали целый набор возможных ответов, что это может быть. Поэтому это доминирующая точка зрения.

Но, вообще говоря, есть и другие точки зрения. Ну, например, самая радикальная – это так называемая модифицированная теория гравитации (MOND), Modified Newtonian dynamics, модифицированная ньютоновская динамика. А люди сказали просто, они говорят: "Слушайте, ребята, хватит дурака валять. У нас физика – экспериментальная наука. Законы Кеплера, на которых основано все всемирное тяготение Ньютона, они были получены в Солнечной системе. Никто не мерил движение на масштабах больше 100 астрономических единиц. Вы ничего не знаете". Мы ничего не знаем, потому что у нас нет эксперимента, который бы измерял движение каких-то тел на этих масштабах, понимаете.

ЛИХАЧЕВА: Мы экспериментально можем доказывать только то, что происходит в Солнечной системе, дальше – кто там знает.

ПОСТНОВ: Да, да. А теперь смотрите, что мы будем делать. Давайте мы так закон тяготения Ньютона подправим на больших масштабах, пойдем путем таких подкруточек, подкрутим вот таким образом, чтобы он давал нам нужные эффекты на больших масштабах. И тогда не надо темной материи вообще, вообще не надо. Почему? Потому что все можно описать вот этой модифицированной ньютоновской динамикой. И вот в Иерусалиме, там одна из самых сильных групп, у них огромное направление деятельности, очень известные физики, которые стали развивать вот это совершенно другое направление.

ЛИХАЧЕВА: А вы к нему сами как относитесь?

ПОСТНОВ: Я бы сказал так, что оно даже определенных успехов достигло, но... Как сказать? Вся совокупность имеющихся данных, она все-таки... Ну, с точки вот зрения... Даже если мы привлекаем какие-то неизвестные частицы, это оказывается более, что ли, эстетически благоприятным...

ЛИХАЧЕВА: Более стройно.

ПОСТНОВ: Более стройно, да. Более того, я вам скажу, что совсем недавно в Королевском обществе английском, это их академия наук, аналог нашей, у них там устраиваются дискуссии по ключевым вопросам. И вот недавно там была дискуссия по темной материи. И резюме такое, что там были сторонники модифицированной ньютоновской динамики, различных других теорий. И все-таки вывод беспристрастных наблюдателей, людей, которые пытаются быть беспристрастными в этом вопросе, они пишут, что все-таки даже если встаем на точку зрения модифицированной ньютоновской динамики, то мы на каком-то уровне, когда мы пытаемся космологию описать. Нам же надо описать не только нашу галактику, нам надо описать и скопления, и данные космологических наблюдений по реликтовому фону и так далее. Нам надо все учесть в этой теории.

Так вот, оказывается, что вы все равно на каком-то этапе приходите к чему-то, который очень близко по сути своей к введению вот этой темной материи. Тогда стоит ли ломать копья, нарушать закон Ньютона на больших расстояниях, когда вы, рано или поздно, вынуждены будете что-то ввести. Поэтому вот эта модифицированная ньютоновская динамика – это пока, я бы сказал, что это возможность, но она не является...

Сейчас все думают о том, что вот скорее сейчас какие-то эксперименты в ядерной физике, которые сейчас идут, ну, в частности в CERN, Больной адронный коллайдер, они могут ответить на важнейшие вопросы, связанные именно с темной материей, в первую очередь...

ЛИХАЧЕВА: Увидеть ее, да?

ПОСТНОВ: Да, да. Или увидеть...

ЛИХАЧЕВА: Удержать ее хоть на сколько-нибудь.

ПОСТНОВ: Или увидеть. Понимаете, в чем дело. Когда вы начинаете рождать... У них же одна из мотиваций строительства вот этого большого адронного коллайдера в Женеве, она была все-таки не просто... Да, конечно, там самая главная задача – найти бозон Хиггса. А вторая задача... Все-таки мы находимся на таком пределе энергии, на котором… Это такой качественный скачок, где очень близко подходят все наиболее вероятные кандидаты в темную материю, как раз вот в этом диапазоне массы-энергии находятся.

И вероятность того, что будет просто-напросто открыта темная материя при столкновениях этих протонов, она очень высока, она и сейчас остается. Это одна из мотиваций этого эксперимента, и это очень важно.

ЛИХАЧЕВА: А там эксперимент, ну, грубо говоря, заключается в том, чтобы сталкивать частицы на бешеной скорости...

ПОСТНОВ: И смотреть, что получается. Грубо говоря, да. Чем больше энергии вы вкладываете, тем более сложные продукты возникают при распаде, и их сложнее регистрировать. Это огромная наука.

ЛИХАЧЕВА: Подождите, а почему при столкновении частиц видимой материи должна обязательно появиться частицы темной материи?

ПОСТНОВ: Дело в том, что если у вас есть некая элементарная частица очень тяжелая, чтобы... Когда вы сталкиваете частицы, если у вас энергия большая, то вам ничто не запрещает среди продуктов, которые образуются в ходе столкновения, рождать частицы с массой, которые... В центре масс вот столкновения равняются энергии столкновения вот этих двух частиц. И вот эта энергия столкновения такая, что у вас могут родиться вот эти тяжелые частицы. Может быть, их статистика будет маленькой, вам надо очень много таких эпизодов посмотреть, чтобы увидеть, но вы их можете увидеть там. У вас, допустим... А эта частица темной материи, она не взаимодействует ни с электромагнитным полем, ни с чем.

И, значит, вы что увидите? Вот

у вас произошло столкновение, а ничего не образовалось, и энергия куда-то ушла. Куда она может уйти? Вот, например, в образовавшуюся частицу темной материи, которую мы никак не можем зарегистрировать непосредственно.

Ну, это одна из возможностей.

ЛИХАЧЕВА: Нет просто инструмента.

ПОСТНОВ: Да, да, да, да. Но важно, что они... Ну там, по разным... Это я утрирую, это совсем просто говорю, но на самом деле есть возможности рождения таких частиц косвенно зарегистрировать. И вот это просто прямой эксперимент по обнаружению темной материи.

А вторая вещь, которая тоже очень важная и которая очень много сейчас обсуждается, она вот в чем состоит. Темная-то она темная, но у нее есть... Ну, как бы она, я бы сказал, что она очень тусклая, потому что у нее есть, в принципе, возможность, скажем аннигиляции, распада этой темной материи в наш сектор, видимый сектор. Из невидимого переходить в видимый. Эти частицы, допустим, при взаимодействии, они вдруг рождают пару электрон-позитрон или там фотоны какие-то. Значит, что нужно делать? Там, где плотность темной материи самая большая, надо просто смотреть, нет ли там кого-то избыточного свечения, может быть, летят оттуда какие-то частицы. И вот тут мгновенно...

У нас в астрофизике есть масса интересных и не до конца понятных, так сказать, экспериментов. Например, известно, что из центра галактики наблюдается свечение в аннигиляционной линии электронов-позитронов. В центре галактики, ну, центр, скажем так, в окрестностях порядка килопарсека, происходит рождение электронов и позитронов, вещества и антивещества, которые аннигилируют, рождают пару фотонов, и эта пара в виде такой линии 511 килоэлектронвольт, которые соответствует энергии аннигиляции. И эту линию наблюдают, сейчас наблюдает спутник "Интеграл", гамма-обсерватория.

И видно, что практически сферически симметричное такое... Центр галактики, вокруг него такая сферически симметричная конструкция, образование, из которого идет это электрон-позитронное излучение. Где формируется материя и антиматерия. Откуда она там берется? Я вам скажу, что численно 10 в 43-й степени в секунду электронов и позитронов, каждую секунду в нашей галактики в направлении центра аннигилирует 10 в 43-й степени электронов и позитронов. Каждую секунду.

ЛИХАЧЕВА: Там образовывается каждую секунду 10 в 43-й степени.

ПОСТНОВ: Да, да.

ЛИХАЧЕВА: Это огромные числа.

ПОСТНОВ: Ну, это по массе-то не много, потому что это легкие частицы. Но важно, что эффект, это мы все видим, и мы не понимаем до конца, откуда эти частицы берутся.

ЛИХАЧЕВА: Предположения какие?

ПОСТНОВ: Ну, разные. Скажем, допустим, откуда вообще могут взяться античастицы? Античастицы берутся, как правило, из распадов... Ну, самое простое. Вот у вас есть радиоактивный распад элементов, у вас позитроны рождаются – пожалуйста, вот вам и антивещество. Ну, в виде электрона и позитрона можно родить при радиоактивном распаде различных элементов радиоактивных. Откуда их там взять?

Радиоактивные элементы рождаются все при взрывах звезд, взрывах сверхновых. Значит, надо там взрывать очень много сверхновых звезд, которые выдавали очень много радиоактивных элементов. Поскольку мы и там ничего не видим никаких взрывов, значит, они когда-то там были.

И вот надо все это посчитать, посмотреть.

Оказывается, что все приходится натягивать там как-то это все... В общем, это все то, что называется по-английски fine tuning, там вам приходится отверточкой подкручивать, подкручивать, чтобы как-то натянуть, и все это как-то не очень-то хорошо. Как это эстетически это не очень приятно.

ЛИХАЧЕВА: А если предположить, что там темная материя аннигилирует в нашу видимую...

ПОСТНОВ: Совершенно верно. А тут же мы знаем, что там есть темная материя, мы видим это, мы знаем это, динамически она должна быть. Более того, мы знаем, что плотность темной материи в центре гораздо выше, там плотность возрастает в центре нашей галактики. Значит, вообще говоря, может быть, и этот вариант. И на этом основании очень много было сделано и работ, и исследований. Давайте смотреть не только нашу галактику, давайте смотреть другие галактики...

ЛИХАЧЕВА: Обнаружить, может быть, там подобные центры, посмотреть, как там.

ПОСТНОВ: Совершенно верно. Или возьмем эллиптические... Ну, есть галактики, в которых нет как бы... Они из старых звезд и там не должны взрываться сверхновые. И вот если уж там будет такая же аннигиляция, то тогда 100-процентно это что-то, не связанное с барионным веществом, не связанное с радиоактивными элементами, которые образуются в ходе эволюции звезд, а это что-то связанное, скорее всего, с этой темной материей. Но проблема в том, что другие галактики, они дальше, а чувствительность этих экспериментов, к сожалению, технически мы еще не можем большой поток... Но, тем не менее, это замечательный факт, и никто не знает... Это важнейшая вещь. Не исключено, что мы уже и наблюдаем эту аннигиляцию темной материи в центре галактики. На самом деле она немножко взаимодействует. И можно посмотреть, какое должно быть, как говорят, сечение взаимодействия между этими частицами. А раз вы это сечение знаете, то у вас возникает идея, очень красивая идея простого эксперимента.

Давайте возьмем большую болванку железную, алюминиевую, не знаю, чего вам не жалко. И это сделано в обсерватории "Гран-Сассо" в Италии, в подземной. Эксперимент называется "DAMA". Возьмем эту самую болванку. Если у нас тут летает темная материя, то она... Есть шанс, что частицы темной материи, раз есть сечение взаимодействия какое-то, оно провзаимодействует с нашим веществом и даст какой-то такой продукт. Мы там всю комнату темным закроем, чтобы космические лучи не мешали, в общем, все чтобы чистенько было. И будем смотреть. Если там из ничего что-то будет рождаться, то это, может быть, и будет как раз взаимодействие с темной материей.

И что этот эксперимент обнаружил? Они обнаружили, что, оказывается, у них есть сезонные вариации вот этого какого-то постороннего сигнала из этой темной комнаты. А сезонное почему? Потому что, смотрите, у нас Солнце движется в галактике по некой траектории вокруг центра галактики со скоростью 250 километров в секунду. Когда Земля движется по направлению к Солнцу, полгода – против направления Солнца. Значит, у нас скорость движения Солнечной системы, Земли вернее, относительно вот этой изотропной распределенной темной материи в галактике в июле, грубо говоря, больше, а январе – меньше. И должна быть... И поток частиц, которые набегают на ваш детектор, то больше, то меньше, то больше, то меньше. И у вас должны быть сезонные вариации сигнала, что и наблюдается.

Понимаете, никто не может объяснить. Это вот есть эксперименты, есть данные, данные все открыты, все пытаются объяснить – никто не знает, как. Вот, пожалуйста, вот факт. Ну и так далее, там еще я могу приводить разные примеры, где не исключено, что вот... Опять же, там возникает вопрос, надо ли этот эксперимент... Чем физика хороша? Тем, что вы можете поставить эксперимент, а потом вы можете его... Вы возьмете эти результаты, признаете тогда, когда-то кто-то независимо построит, повторит. А если вы только сделали... Ну, мало ли что вы там намерили, может, у вас какая-то ошибка сидит, и вы ее не замечаете.

Но эксперимент "DAMA", он пока не подтвержден, потому что другие группы что-то там не подтверждают. Но факт такой имеет место быть. Так что есть

и астрономические свидетельства, и вот непосредственные люди занимаются этим, ловят эту темную материю в лабораториях, и, может быть, она будет рождена путем просто прямого рождения частиц вот этих в экспериментах по ядерной физике.

ЛИХАЧЕВА: Насколько я понимаю, это самый такой, ну, один из самых уж точно, таких фундаментальных краеугольных вопросов, на которые ответа пока нет. И всех очень волнует.

ПОСТНОВ: Ответа нет, это очень волнует. И я могу сказать так, что тут, конечно, есть еще другие, конечно, возможности. Скажем, вот я вам упоминал эту модификацию ньютоновской динамики, но можно еще и как-то модифицировать даже общую теорию относительности Эйнштейна. И тогда там что-то тоже можно получить, там есть всякого рода варианты, которые никто пока не исключает. В этом смысле все будет решать эксперимент. Вот если там точно на коллайдере ничего не найдут, то там будут получены серьезные ограничения. Если там точно окажется, что это, то нам надо чего-то ждать, надо ставить новые эксперименты. Здесь идет очень интенсивный научный поиск.

ЛИХАЧЕВА: Здесь можно ожидать открытий в ближайшие...

ПОСТНОВ: Да, да, да. Я думаю, что... Эксперты говорят, что решение тайны темной материи – это, в общем, дело довольно ближайшего будущего. Не исключено, что пять, семь, десять лет. Ну, порядка такого. Это вот-вот-вот, это чувствуется, что где-то мы на пороге. Но, опять же эти наши ожидания, они могут и не сбыться. Но, тем не менее, мы все ждем, когда тайна ее, по крайней мере, как-то приоткроется. Кроме каких-то наблюдательных свойств мы будем знать, из чего она состоит.

***

ЛИХАЧЕВА: Спасибо, Константин Александрович. Давайте во второй части нашей программы затронем тему антиматерии. Потому что даже вот среди моих знакомых, скажем, людей не самого плохого образования есть некоторая путаница. Некоторые думают, что темная материя и антиматерия – это практически одно и то же.

ПОСТНОВ: Нет, нет, нет, конечно.

ЛИХАЧЕВА: Давайте все-таки объясним, что антиматерия, и вот тот антиводород, который получили – это совсем другое.

ПОСТНОВ: Да, да, да. Нет, антиматерия... Вы знаете, что. Физики антиматерией называют это вещество, которое состоит из античастиц. Значит, есть частицы, есть античастицы. Все частицы, которые обладают хоть каким-то там зарядом разного типа, они могут иметь и античастицы. Значит, есть нейтрино, есть антинейтрино. Ну, правда, есть нейтрино майорановский, где нейтрино и антинейтрино тождественны, но это плохой пример. А вот электрон – позитрон, протон – антипротон. Вот нейтрон – антинейтрон быть не может, потому что нейтрон нейтрален. Но кварк – антикварк.

ЛИХАЧЕВА: Значит, еще раз. Наша материя состоит – протоны, нейтроны, электроны, там – антипротоны, позитроны, и те же нейтроны.

ПОСТНОВ: Потому что нейтроны, они истинно нейтральные частицы, у них нечему быть анти. Анти – это когда противоположно чего-то, понимаете. Так вот, антиматерия – это в буквальном смысле вещество, обычное барионное вещество, которое состоит из античастиц, вот и все.

ЛИХАЧЕВА: Антипод такой.

ПОСТНОВ: Да, буквально из античастиц.

ЛИХАЧЕВА: А, важно, что они заряжены просто противоположно, да? Здесь у нас там плюс, у этих...

ПОСТНОВ: Минус, совершенно верно.

ЛИХАЧЕВА: ...То же самое, только наоборот.

ПОСТНОВ: Причем известно, так же известно, и экспериментально, и мы видим, и знаем это все очень хорошо, что, когда частица подходит к античастице и взаимодействует, то она аннигилирует, превращается в фотоны, аннигиляция происходит. И вот те позитроны и электроны, о которых я говорил, из центра галактики, это вот примеры аннигиляции электронов и позитронов.

В космических лучах мы видим антипротоны, их мало, но они есть. Мы видим, что антивещество в природе есть, оно экспериментально найдено, пожалуйста.

ЛИХАЧЕВА: А свет рождается за счет аннигиляции вещества и антивещества?

ПОСТНОВ: Совершенно верно, там рождаются фотоны и так далее, или линии, или спектр некий возникает. Ну, в общем, это все проверено, все доказано. И вот здесь нет никакой мистики абсолютно.

Вот, что действительно интересно в этой связи, это вот что. Значит, если все так симметрично, вещество и антивещество, они очень симметричны, то возникает вопрос: а почему мы с вами тут сидим, почему во Вселенной больше веществ и очень мало антивещества? Причем, значит, как... Этот вопрос называется, это фундаментальный вопрос космологии, он называется "барионная асимметрия Вселенной". Почему-то во Вселенной вещество доминирует над антивеществом, хотя с точки зрения своих физических свойств оно абсолютно симметрично. Куда делось антивещество, иными словами?

ЛИХАЧЕВА: Может быть, его изначально было, при большом взрыве было меньше?

ПОСТНОВ: Нет, не может такого быть, потому что это все настолько симметрично, что оно не могло...

ЛИХАЧЕВА: Изначально оно было...

ПОСТНОВ: Оно должно было быть почти 50 на 50.

ЛИХАЧЕВА: Почти?

ПОСТНОВ: Да, вот-вот. "Почти" – это ключевое слово. Потому что если бы оно было точно, то все бы превратилось в фотоны...

ЛИХАЧЕВА: Съело бы друг друга, был бы один свет.

ПОСТНОВ: Да, да, и был бы один свет. Замечательно. Можно измыслить себе Вселенную, в которой только свет, а вещества никакого нет, потому что там все слишком ровно. Ну, как это, знаете, говорят художники, когда все симметрично, то все это некрасиво. Надо чтобы была какая-то обязательно живая, какая-то асимметрия, она всегда важна. Значит, здесь то же самое. Понимаете, вот это нарушение симметрии, оно встречается в физике повсюду, везде какое-то нарушение симметрии, она всегда неточна. И так же с веществом и антивеществом – она чуть-чуть, да нарушена. И мы знаем меру этого "чуть-чуть". Почему? Потому что мы можем посчитать, сколько всего во Вселенной реликтовых фотонов, которые как раз образовались когда-то, когда произошла вот эта аннигиляция первичного вещества и антивещества.

ЛИХАЧЕВА: При большом взрыве.

ПОСТНОВ: Ну, это, так сказать, большой взрыв это...

ЛИХАЧЕВА: Ну, следующий шаг, так скажем.

ПОСТНОВ: Да. В какой-то момент, когда уже были частицы и античастицы... Когда они очень горячие, они не успевают аннигилировать, и сосуществуют мирно, а вот когда они немножко остывают, они уже начинают аннигилировать. Тогда рождаются фотоны. Так вот, мы знаем, что на каждый барион во Вселенной приходится миллиард фотонов. Что это означает? Это означает, что тогда, когда происходила первичная аннигиляция вещества и антивещества, у нас на каждый миллиард плюс один барион приходился миллиард антибарионов. И вот этот единственный выживший на миллиард барион, вот они, вот они, мы в нем сидим, покупаем в магазинах.

ЛИХАЧЕВА: Мы все благодаря одному вот этому...

ПОСТНОВ: Мы все благодаря тому... Ну, я говорю... Вот тот миллиард, который нашел себе пару, они проаннигилировали, и мы сейчас видим реликтовое излучение, которое осталось после этой аннигиляции. Оно и есть реликтовый фон вот этот, который мы измеряем, и свойства которого очень важны. А вещество, вот эта асимметрия, вот эта несбалансированность, она дала возможность нам существовать с вами в этой студии.

ЛИХАЧЕВА: Статистическая ошибка, собственно.

ПОСТНОВ: Ну, не знаю, ошибка или это целенаправленно было сделано, это уже неизвестно. Но не исключено, что законы физики так устроены, что они с неизбежностью приводят вот к этой... Именно в этом направлении люди и думают, что было бы странно считать, что это случайно. Хотя уж очень число малое – 10 в минус 9-й, понимаете? Но, правда, мы сейчас в физике знаем и другие очень малые числа, которые не поддаются вот так... Потому что малость всегда надо как-то объяснять. Есть еще более загадочные проблемы.

ЛИХАЧЕВА: Но вы-то, конечно, не думаете, что это случайно?

ПОСТНОВ: Нет, нет, нет, боже упаси. Я думаю, что, скорее всего, есть фундаментальные причины на это. Между прочим, не исключено, что уже упомянутые ранее нейтрино имеют к этому делу прямое отношение. Это очень даже вероятно. Один из очень вероятных механизмов образования барионной симметрии может быть связан со свойствами нейтрино. Вы видите, что... Как сказать? Ну, не вникая в детали, вы уже, наверное, почувствовали, что столько взаимосвязей, столько таких вот, я бы сказал, проблем, которые в ядерной физике, они же вот и в космологии, они все связаны.

ЛИХАЧЕВА: Начинают пересекаться.

ПОСТНОВ: Да, да, да, да.

ЛИХАЧЕВА: Видны сквозные проблемы.

ПОСТНОВ: Да, да. Они общие, они общие, понимаете. По-видимому, то, что сейчас называется космомикрофизикой, когда мы говорим о Вселенной, а апеллируем к очень малым масштабам, к элементарным частицам, это сейчас все понимают прекрасно, потому что это... Мир такой единый, что свойство микромира, они определяют, во многом определяют свойства макромира, структуру темной материи, барионную асимметрию.

Теперь, что касается, некоторые спрашивают: антивещество... Можно ли было сделать... Могли ли уцелеть островки антивещества, вот не все аннигилировало, а где-то их было бы больше? Теоретически, можно себе это представить, что где-то антивещество локально доминирует над веществом, и там нет, допустим, барионов. Но чтобы тогда было? Тогда можно было бы ожидать существования целых галактик, допустим, из антивещества. Но что мы видим?

Мы видим, как галактики сливаются, проходят друг через друга, там у них общий газ и все, и мы нигде не видим никакой аннигиляции. Мы видим, что это все вещество – это вещество одного знака.

Антивещества экспериментально в больших количествах не видно. И вот 10 в минус 9-й, вот та степень асимметрии, по-видимому, она и правильная. Это и есть ответ на вопрос... Ну, нет антивещества, нет антимиров в таком понимании.

ЛИХАЧЕВА: Какой-то Вселенной, где мы бы все повторялись с противоположным знаком, ну, так я совсем приземленно...

ПОСТНОВ: Ну, не Вселенной, а, скажем, галактик каких-то, да, да. По-видимому, нет. Потому что мы видим взаимодействие, мы видим, что нет ни одного примера, откуда бы шла мощнейшая аннигиляция. Ну, кроме, вот я говорил, центра галактики, но она достаточно... Она, я говорю, мощная, но она на самом деле слабенькая в смысле космологических таких масштабов.

ЛИХАЧЕВА: Скажите, пожалуйста, зачем так настойчиво рыщут и пытаются получить, и даже уже получили вот этот антиводород. Летом все про это декламировали в Женеве той же самой.

ПОСТНОВ: Во-первых, это само по себе уже такой экспериментальный вызов – получить антивещество. Потом антивещество, соединяя его с веществом, вы получаете большой источник энергии. У вас же e=mc2, с коэффициентом единица. Вы переводите в энергию 100%... В ядерных реакциях вы переводите, скажем, в термоядерных реакциях вы переводите там только меньше 1%, 0,07% в термоядерных реакциях на Солнце, например. Это тоже много, это тоже много. А в аннигиляции это 100%, это в 100 раз более эффективное средство перевода массы покоя в энергию.

ЛИХАЧЕВА: Если получить там 1 миллиграмм какой-нибудь, научиться, то это можно...

ПОСТНОВ: Да, колоссальный источник энергии.

ЛИХАЧЕВА: ...Полететь, наверное, через там все Солнечную систему.

ПОСТНОВ: Ну, миллиграмм это...

ЛИХАЧЕВА: Ну, грамм.

ПОСТНОВ: Грамм – тоже не так много, mc2 – это будет всего...

ЛИХАЧЕВА: Ну, сколько нужно получить такого антивещества, чтобы, например, долететь, не знаю, до Венеры.

ПОСТНОВ: Ой, я сейчас вам так сразу не скажу, но не много, много не нужно.

ЛИХАЧЕВА: Проблема в том, что пока слишком дорого.

ПОСТНОВ: Это очень сложная процедура. Да, получили на уровне отдельных атомов, даже не граммы. А в одном грамме у вас будет... Чтобы 1 грамм водорода, вам нужно 10 в 24-й степени частиц сделать. Вы что, это же огромная... Это не так просто. На уровне отдельных атомов – да, а на уровне, так сказать, промышленного, как вы сказали сейчас, производства, это...

ЛИХАЧЕВА: До этого еще...

ПОСТНОВ: Нет, я думаю, что это очень интересно и важно, но пока....

ЛИХАЧЕВА: Слишком сложно, дорого и пока непонятно. Ну, вот вы мне скажите, вот эти на 16 секунд удержанные частицы антиводорода – это уже подтвержденный факт, ни у кого сомнения не возникает. Потому что об этом как бы сказали, а потом раз – опять все затихло.

ПОСТНОВ: Нет, это некий важный результат...

ЛИХАЧЕВА: Он получен, достигнут. Хорошо. Дальше, следующий шаг?

ПОСТНОВ: Я не знаю, как они там планируют, это я не могу комментировать, поскольку я не являюсь специалистом в области этого эксперимента, я не знаю, насколько это, что там дальше у них пойдет, и как пойдет.

ЛИХАЧЕВА: Так, времени у нас совсем уже не остается, но все-таки такой завершающий вопрос по поводу темной материи и антиматерии. Ну, это традиционный вопрос, я всегда его задаю. Вопрос: что вам лично самому интересно, что касается антиматерии, антивещества, и что касается темной материи?

ПОСТНОВ: Что касается антивещества? Ну, вот я думаю, что для меня лично было бы понять: а не может ли антивещество, которое мы наблюдаем, вот аннигиляцию в нашей галактике, быть связано с распадом темной материи? Не является ли антивещество следствием аннигиляции темной материи, то антивещество, которое мы видим? Но это касается в основном позитронов. Я бы сказал так, что это позитроны, не все антивещество, а только позитроны. Это что касается антивещества.

Ну и, конечно, решение проблем барионной асимметрии, потому что оно напрямую как бы связано с этим. Это тоже очень важный вопрос. А что же касается темной материи... Ну, темная материя, я думаю, что,

на мой взгляд, самое сейчас интересное – эту темную материю обнаружить на уровне элементарных частиц. И понять, является ли она тяжелой,

какие...

ЛИХАЧЕВА: Горячая, холодая, какая.

ПОСТНОВ: Нет, скорее всего, она холодная по всем признакам, но важно понять, что же является, какая это частица, обладает такой вот массой, и не взаимодействует ни с чем. Потому что это, конечно, будет колоссальный прорыв вообще во всем естествознании.

ЛИХАЧЕВА: Мы, наконец, поймем, из чего состоит мир, в котором мы живем.

ПОСТНОВ: На 25%. А еще останется 75%, которые надо будет объяснить. Это уже сюжет отдельный – это темная энергия, это другое дело. Но темная материя это, конечно... Да, я думаю, что это близко, близко, вот-вот. Ждем открытий.

ЛИХАЧЕВА: Итак, в следующий понедельник наша тема: "Темная энергия". Все ваши вопросы, предложения, комментарии, пожалуйста, на сайт – на finam.fm. В самом конце февраля будет итоговая передача по вашим вопросам, по теме космология, астрофизика. А вот весной мы начнем новый цикл. Какой науке он будет посвящен – я, честно сказать, пока не уверена, думаю. Разумеется, учитываются в первую очередь ваши пожелания. Так что пишите на наш сайт finam.fm.

Ну а теперь я прощаюсь с вами на неделю. И помните: любопытство – не порок, а думать никогда не поздно. Счастливо!

 

© Finam.fm