ФИЗИКА

КОСМОМИКРОФИЗИКА

ВВЕДЕНИЕ

Было бы неверно игнорировать эту горькую тенденцию. Было бы вдвойне неверно с ней примириться. Ибо те возможности в познании самых фундаментальных основ строения микро- и макромира, которые открываются в соединении усилий советских астрономов и физиков, вселяют надежду на преодоление сегодняшней потери темпа, на новые грядущие успехи отечественной космомикрофизики. Для этого надо прежде всего увидеть объективную закономерность возникновения космомик-рофизики, всю возможность ее дальнейшего развития.

Первый наиболее серьезный барьер в восприятии космомикрофизики — психологический. Предмет ее исследований экзотичен вдвойне. В физике элементарных частиц ее интересуют экзотические редкие процессы взаимодействий. В астрономии — редкие явления или экзотическая интерпретация уже известных фактов. Как всякая экзотика, это привлекает и будоражит воображение. Но в той же мере воспринимается отстранеино, именно как экзотика — яркая, броская, красивая, но ничего, кроме легкого возбуждения, уму и сердцу не дающая. Не втискивается в рамки сложившихся стереотипов и другая сторона космомикрофизики —отсутствие прямых экспериментов по проверке ее представлений, необходимость сочетания разнородных наблюдательных и экспериментальных методов для такой проверки.

Привычная логика развития науки, ожидание экспериментального подтверждения каждого нового теоретического предположения, здесь, казалось бы, не срабатывает, поскольку предположения эти относятся к процессам в мире элементарных частиц, недоступным лабораторному изучению, и к стадиям эволюции Вселенной, которые непосредственно не могут фиксироваться в астрономических наблюдениях.

Однако оба барьера преодолимы. Непривычные понятия быстро усваиваются и становятся привычными и необходимыми, а способ их проверки лишь на первый взгляд разительно отличается от узаконенных и бесспорных методов лабораторного исследования.

Возникшая на основе идей великого синтеза фундаментальных сил природы, космомикрофизика по необходимости сочетает в своих построениях анализ с синтезом. В этом ее специфика или, возможно, специфика ее сегодняшнего дня.

Космомикрофизика — закономерный результат внутреннего развития и физики элементарных частиц, и космологии. В появлении этой науки соединяются две тенденции — переход к теории элементарных частиц, нетривиальные проявления которой раскрываются только в процессах при сверхвысоких энергиях, и возникновение представлений о новых формах материи, необходимых для самосогласованного описания совокупности наблюдаемых явлений во Вселенной. Отчетливое осознание взаимосвязанности проблем выбора правильного фундамента структуры микромира и фундаментального обоснования структуры макромира вывело взаимосвязь представлений микро- и макромира на новый уровень, на котором эти проблемы сливаются в новом качестве. В космомикрофизике структура микромира обретает полнозвучие гармонии небесных сфер.

Связь представлений о микро- и макромире прослеживается на всех этапах их развития. Долгое время суждения о мироздании и о его первоначалах, составляя единое целое, оставались чисто умозрительными. Источником таких суждений были наблюдения и умозаключения на их основе.

Оптические приборы вооружили глаз наблюдателя. Обращение в глубь явлений с помощью микроскопа и расширение взгляда на мир с помощью телескопа произошли на основе одного и того же физического принципа. И наверное, не случайно у истоков и физического эксперимента, и оптической астрономии стоит один и тот же ученый — Галилео Галилей. С этого момента оптическая астрономия и экспериментальная физика развивались самостоятельно. Отчетливо выявлялась их специфика.

Астрономии было дано лишь пристально вглядываться во внешние проявления астрономических объектов, недра которых закрыты для глаз, наблюдать результат процессов, причины и ход которых недоступны контролю. В физическом эксперименте можно дробить объекты исследования, докапываясь до их сути, можно менять начальные условия и контролировать ход процессов. Поэтому не удивительно, что во взаимоотношении астрономии и физики развитие физики выходило долгое время на передний план, определяя и прогресс астрономии, и степень осмысления астрономических результатов.

Так, изученная физикой структура атомов и спектров их излучения вооружила астрономию методами спектрального анализа. Физические законы взаимодействия вещества и излучения легли в основу понимания закономерностей излучения звезд, а развитие ядерной физики открыло астрономам источники энергии этого излучения. Открытие гелия по линиям излучения Солнца, существование уровня возбуждения в углероде, теоретически предсказанное для объяснения термоядерного горения гелия в звездах, и еще немного другого — можно по пальцам перечесть ответные астрофизические знаки благодарности физике. Астрофизика, казалось, была обречена лишь на освоение прочно подтвержденных в лабораториях физических законов, на роль своеобразного полигона, преломляющего известные эффекты их действия в причудливых сочетаниях неземных условий, подлежащих изучению.

Однако в 20-е годы XX века мысленному взору Фридмана предстала изменчивая суть Вселенной, ее нестационарность, подтвержденная затем в наблюдениях Хаббла. На месте вечной и неизменной Вселенной открылась картина ее расширения за конечное время из сверхплотной фазы в современное состояние.

Тем самым астрономия предоставила физике естественный ускоритель, масштабы и значение которого начинают в полной мере осознаваться физикой микромира только сейчас. Создание теории нестационарной Вселенной почти на десятилетие опередило революционный шаг, сделанный в 30-е годы в представлениях об элементарных частицах.

Выход из мучительных проблем сохранения энергии и момента в бета-распаде, “азотной” катастрофы и строения ядра физика микромира нашла в отказе от вечных и неизменных частиц, в переходе к представлениям о возможности их рождения и уничтожения в процессах их превращений. Другой урок, полученный в 30-е годы, состоял в том, что число элементарных частиц в Природе оказалось значительно больше, чем этого требует простая и экономная картина строения вещества.

Так, сохранение электрического заряда оказывалось не простым следствием сохранения неуничтожимых электрически заряженных частиц, а нетривиальным правилом, определяющим строгий локальный баланс уничтожения и рождения заряженных частиц. Менялось и представление о заряде как мере электромагнитного взаимодействия от неотъемлемой характеристики вечной и неизменной частицы к характеристике закона превращения, при котором уничтожение начальной и рождение конечной заряженных частиц сопровождались рождением или уничтожением электромагнитного кванта (рис. 1).

Эта смена представлений содержала богатейший простор для обобщений. Точно так же можно было описать и законы ядерных превращений сильного' и слабого взаимодействий. В таких превращениях уничтожение и рождение частиц сопровождаются рождением и поглощением квантов поля сильного или слабого взаимодействий.

Логический шаг к единообразному описанию всех фундаментальных взаимодействий мог бы быть сделан еще: в 30-е годы, но для его осуществления потребовалось целое пятидесятилетие. Трудность извилистого пути к единообразной картине всех взаимодействий была связана с необходимостью совместить сходство описания с различием в наблюдаемых свойствах этих взаимодействий. Нужно было объяснить, почему слабое взаимодействие происходит только на малых расстояниям, превращение каких именно частиц вызывает процессы сильного взаимодействия и с какими зарядами взаимо-. действуют кванты его поля.

Ответы на эти и другие вопросы составили современную теорию электромагнитного, слабого и сильного взаимодействий, основанную на симметрии превращении частиц и объясняющую наблюдаемые различия их свойств нарушением этой симметрии. Расширяя симметрию, можно было перейти от единообразия описания разных взаимодействий к их фундаментальному единству. Но такой шаг, поначалу оправданный и близким экспериментальным подтверждением в поисках распада протона, и жесткой, соответствующей экспериментальным данным, связью зарядов слабого и электромагнитного взаимодействий, означал скачок теории к области сверхвысоких энергий, недоступной прямому экспериментальному изучению.

С этим шагом теория теряла непосредственную опору в экспериментальной физике высоких энергий. От привычной прямой экспериментальной проверки своих предсказаний теория должна была перейти к анализу сочетания косвенных проявлений своих фундаментальных построений. Миру физики высоких энергий, обретавшему свое основание в собственных экспериментальных возможностях, открылись для широкого поиска все допустимые косвенные способы исследования гипотетических явлений, прямое экспериментальное изучение которых не представляется возможным. В контексте этой ситуации взаимосвязь физики микромира с космологией приобретает особое значение, становится необходимой опорой развития теории микромира.

Эта взаимосвязь вырастает в необходимую основу развития и современной космологии. Первоначально развитие теории расширяющейся Вселенной проходило относительно самостоятельно. Открытие в 1965 г. теплового фона электромагнитного излучения подтвердило выдвинутую Г. Гамовым так называемую горячую модель расширяющейся Вселенной. Современная температура излучения (~3 К) мала, мала и его плотность энергии в сравнении с плотностью энергии покоя атомов, но, обращая в прошлое известный закон расширения, мы приходим к картине не только плотного, но и горячего состояния вещества с доминирующей плотностью энергии излучения.

Простые оценки показывают, что вещество и излучение находились в ранней Вселенной в термодинамическом равновесии. Соединение закона расширения Вселенной с законами термодинамики позволяло получить логически замкнутую картину космологической эволюции вещества и излучения, в которую элементарные частицы, открываемые физикой высоких энергий, вносили лишь малые количественные поправки. Эта картина превращения радиационно-доминированной горячей плазмы в современную неоднородную структуру вещества, пронизываемую однородным фоновым излучением, качественно подтверждается данными астрономических наблюдений.

Качественно внутренне самосогласованная, эта картина требовала, однако, определенных начальных условий, задаваемых при очень высоких температурах и плотностях на очень ранних стадиях расширения Вселенной, наблюдательная информация о которых отсутствует. И для обоснования этих начальных условий космология должна была обратиться к таким предсказаниям теории элементарных частиц, которые оказывались недоступны лабораторной проверке.

На основе именно этих, не проверенных в лабораториях, представлений физики микромира современной космологии удалось обосновать причины расширения и замечательную однородность наблюдаемой части Вселенной, создать теорию инфляционной Вселенной, объяснить ее барионную асимметрию и природу малых начальных неоднородностей, развитие которых привело к образованию современной крупномасштабной структуры Вселенной, количественно согласовать формирование этой структуры с наблюдаемой изотропией реликтового излучения.

Эти успехи современной космологии были достигнуты ценой привлечения гипотетических форм материи, определивших скрытую массу Вселенной на различных этапах ее эволюции. Тем самым недоступные прямой проверке в астрономических наблюдениях основы современной космологии сливаются с недоступными прямому опыту основами современной теории микромира.

До тех пор пока физика микромира ограничивалась изучением отдельных превращений известных элементарных частиц, в ее теоретических построениях обращение к миру в целом казалось излишним. С другой стороны, знание законов общей эволюции Вселенной также на первый взгляд имеет мало общего с детальными представлениями об отдельных процессах с элементарными частицами.

Но, обращаясь к основаниям и симметрии микромира и начальных условий расширения Вселенной, мы обнаруживаем неразрывную связь физики элементарных частиц и космологии. Фундамент микро- и макромира оказывается единым. Изучение этого единого фундамента во всем многообразии его проявлений и является предметом космомикрофизики.

На пути к единому описанию структуры микро- и макромира космомикрофизика естественным образом сочетает теоретические исследования, вычислительный эксперимент и все возможные способы получения косвенной информации в лабораторных экспериментах и астрономических наблюдениях. Эти составные элементы космомикрофизики имеют свою специфику, к обсуждению которой мы и переходим.

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ КОСМОМИКРОФИЗИКА

Сам факт зарождения космомикрофизики на стыке именно теоретических исканий физики микромира и космология придает теории особую роль в становлении этой науки. Помимо выполнения задач упорядочения имеющихся фактов и предсказания критических тестов своих представлений, теория оказывается единственно возможным звеном, связующим разнородные элементы экспериментальных исследований в космомикрофизике. В науке, развивающейся без прямой опоры на эксперимент, проверка представлений обеспечивается сочетанием косвенных данных об объекте исследования. Выявление взаимосвязи процессов, доступных астрономическим и лабораторным исследованиям, и получение на их основе выводов о структуре микро- и макромира становится важной задачей теоретической космомикрофизики.

Закономерность возникновения теоретической космомикрофизики и специфику ее методов можно проследить, обращаясь к развитию взаимосвязи единой теории фундаментальных взаимодействий и космологии.

Основу единого описания сильного, слабого и электромагнитного взаимодействия составило сходство их структуры. Современная теория и сильного, и слабого взаимодействий строится по аналогии с квантовой электродинамикой на базе принципа локальной калибровочной инвариантности Этот принцип позволяет выделить и набор зарядов взаимодействия, и набор полей, источниками которых являются такие заряды Все три фундаментальных взаимодействия сводятся к сочетанию сходных элементарных процессов взаимодействия соответствующего заряда и тока с квантом соответствующего поля.

Рецепт построения теории оказался прост. Игнорируя наблюдаемые различия, сходные частицы принимают за разные состояния одной и той же свободной невзаимодействующей частицы. Далее полагают, что все эти состояния и любые их комбинации эквивалентны и что имеет место инвариантность теории относительно преобразований одного состояния в другое. Если имеется тождественное преобразование, не меняющее состояния частицы, если для каждого преобразования существует обратное ему, возвращающее состояние частицы в исходное, если линейная комбинация преобразований не выводит нас за пределы рассматриваемого набора эквивалентных соотношений, то говорят, что задана группа преобразований, определяющая симметрию теории. Разумно считать, что преобразования в одной точке пространства можно проводить независимо от преобразований в другой точке, т. е. полагать локальную инвариантность теории относительно рассматриваемой группы преобразований.

Но, полагая возможными независимые друг от друга преобразования состояний частицы в разных точках пространства, мы должны привести само пространство в особое состояние, при котором эффекты таких произвольных преобразований ненаблюдаемы. Для того чтобы теория была локально инвариантной относительно данной группы преобразований, необходимо существование поля — особого состояния пространства, изменения в локальной калибровке потенциала которого компенсировали бы эффекты локальных преобразовании состояния частицы. Так, стартуя с теории свободно невзаимодействующей частицы, мы приходим через требование локальной инвариантности к выводу о существовании поля взаимодействия, компенсирующего эффект локальной калибровки состояния частицы калибровкой своего потенциала.

Описанный принцип локальной калибровочной инвариантности связывает наличие полей взаимодействия с симметрией теории относительно той или иной группы преобразований. Разные взаимодействия описываются в таком подходе единообразно. Их отличает лишь выбор группы локальных калибровочных преобразований, определяющий набор зарядов и их полей. В квантовой электродинамике полагается инвариантность относительно фазовых преобразовании состояний заряженных частиц, компенсируемых градиентным преобразованием потенциала электромагнитного поля. В теории единого электрослабого взаимодействия, помимо фазовых преобразований, предполагается также локальная инвариантность относительно калибровочных преобразовании группы слабого изоспина, в частности, изоспиновых преобразований состояний электронного нейтрино и электрона.

Таким образом, с одной стороны, теория выделяет симметрию частиц и их превращений для единообразного описания фундаментальных взаимодействий. С другой стороны, наблюдаемые отличия частиц и взаимодействий требуют нарушения исходной симметрии. При этом энергетическая шкала нарушения симметрии данного взаимодействия должна определять его наблюдаемые особенности.

Рассматривая квантовую хромодинамику и теорию электрослабого взаимодействия, мы видим два разных механизма появления в теории энергетической шкалы. В теории сильного взаимодействия шкала ~300 МэВ возникает благодаря невылетанию (конфайнменту) цветового заряда вследствие резкого усиления цветового взаимодействия на расстояниях, превышающих размеры нуклона.

В теории электрослабого взаимодействия имеет место так называемое спонтанное нарушение симметрии, которое вызывается асимметрией вакуума — основного состояния материи в теории. Для объяснения механизма такого нарушения симметрии, предложенного Хиггсом и носящего его имя, привлекается специальное скалярное поле, потенциал взаимодействия которого имеет минимум при ненулевом среднем значении этого поля. Величина среднего поля и определяет шкалу нарушения симметрии электрослабого взаимодействия, -~300 ГэВ.

Только при энергиях, значительно превышающих энергетическую шкалу слабого и сильного взаимодействий, процессы, вызываемые этими взаимодействиями, сходны с электромагнитными. При низких энергиях различия между взаимодействиями налицо: разница в энергетической шкале и в свойствах полей определяет разительные отличия их наблюдательных проявлений.

Переходя от сходного к единому описанию трех фундаментальных взаимодействий, теория вводит шкалу, более чем на 10 порядков величины превышающую шкалу слабого взаимодействия. Дело в том, что, рассматривая в единой теории кварки и лептоны как разные состояния одной частицы и полагая теорию инвариантной относительно всех возможных преобразований этих 'состояний, мы получаем, что в пределе полной симметрии равновероятны как обычные превращения частиц в слабом или сильном взаимодействии, так и наблюдаемые в экспериментах процессы превращения кварков в лептоны, вызывающие, например, распад протона. Наблюдаемая же стабильность вещества требует сильного подавления вероятности таких процессов. Симметрия Большого объединения сильного, слабого и электромагнитного взаимодействий должна быть нарушена, и энергетическая шкала ее нарушения должна на много порядков величины превышать шкалу сильного и электрослабого взаимодействий.

Если предполагать, что между шкалой Большого объединения и шкалой электрослабого взаимодействия лежит “калибровочная пустыня” и нет никакой промежуточной шкалы, то экстраполяция наблюдаемой зависимости от энергии зарядов сильного, слабого и электромагнитного взаимодействий правомерна вплоть до шкалы Большого объединения.

Ранняя Вселенная оказывалась естественным полигоном для физики Большого объединения. Процессы с несохранением барионного числа, неизбежные в моделях Большого объединения, должны были в тот период быть доминирующими, что давало возможность связать с этими процессами наблюдаемую барионную асимметрию Вселенной — отсутствие в ней антивещества. Это, казалось, расширяло область приложения идей Большого объединения, давало лишние доказательства их справедливости. Однако более пристальный взгляд на космологические следствия моделей Большого объединения приводил к серьезному противоречию.

В квантовой теории поля такая ситуация классифицируется как бесконечное вырождение вакуума, фазовый переход локально происходит в одно из этих вакуумных состояний, и непрерывность хиггсовского поля требует, чтобы в близких точках непрерывно меняющиеся фазы, характеризующие вырожденные вакуумы, имели близкие значения. Однако в масштабах, превышающих размер космологического горизонта, значения фаз могут значительно различаться. Обход фазы на 2p по замкнутому контуру выделяет особую точку, в которой при стягивании контура фаза остается неопределенной, и следовательно, должно отсутствовать ненулевое среднее хиггсовское поле. В окрестности этой особой точки хиггсовское поле близко к нулю и обладает большой плотностью энергии. Возникает точечный объект с массой порядка величины масштаба Большого объединения.

Анализируя свойства такого объекта, можно убедиться в том, что он является изолированным магнитным полюсом — магнитным монополем. Градиенты фазы определяли потенциал поля магнитного заряда, а направление обхода фазы по замкнутому контуру — знак этого заряда. При этом знаки магнитных зарядов двух соседних монополей оказываются противоположными— монополь образуется в паре с антимонополем.

В теории очень ранней Вселенной образование магнитных монополей оказывалось неизбежным. Они стабильны относительно распада. Вскоре после их образования должна была прекратиться аннигиляция монополей с антимонополями. И концентрация этих частиц, масса которых на 16 порядков величины превышает массу нуклона, предсказывалась примерно такой же, как концентрация нуклонов. В рамках этой картины Вселенная была бы наполнена одними только монополями, что резко противоречит реальности. Так, обращение моделей Большого объединения к космологии приводило к проблеме перепроизводства магнитных монополей в очень ранней Вселенной.

Такое сокращение происходит автоматически, если каждой частице сопоставить партнера с тем же зарядом, но другим спином. Каждой частице с полуцелым спином (фермиону) сопоставить частицу с целым спином (бозон), и наоборот. Разные статистические свойства систем бозонов и фермионов обусловливают противоположные знаки вкладов от обычных частиц и их партнеров, что и приводит к нужному сокращению.

разных точках пространства, мы приходим к локальной суперсимметричной теории, содержащей в числе своих калибровочных полей и гравитационное поле. Соединяя локальную суперсимметричную теорию — супергравитацию, с локальной калибровочной теорией Большого объединения, можно получить единое описание всех четырех фундаментальных взаимодействий.

Еще большее число частиц и полей, недоступных эксперименту, возникает на альтернативном пути к единому описанию всех взаимодействий — в обобщенной теории гравитации. Если путь от электродинамики к супергравитации — путь обобщения понятий заряда и поля, то альтернативный подход основывается на поиске единого геометрического описания, в котором поля взаимодействия элементарных частиц сводятся к различным проявлениям сложной геометрии мира.

Так, движение воды в трубе переменного радиуса (рис. 2) происходит с переменной скоростью, что можно рассматривать как результат действия поля, потенциал которого определяется радиусом трубы. Координата вдоль трубы — обычная пространственная координата. Радиальная координата по сечению трубы ограничена размерами трубы. Это пример компактного дополнительного измерения. Наблюдая движение только в обычных измерениях, мы воспринимаем эффект дополнительного измерения как действие поля. Однако в геометрическом подходе лево- и правополяризованные компоненты частиц должны описываться одинаково, что противоречит наблюдаемым свойствам слабого взаимодействия, явно разделяющего эти компоненты.

В последние годы появились надежды решить наконец давнюю проблему расходнмостей в теории элементарных частиц. Эти надежды связываются с теорией суперструн, соединяющей геометрическое и калибровочное описания взаимодействий на новой основе и рассматривающей новый класс элементарных объектов — струны — в многомерном пространстве-времени.

Эта теория является суперсимметричной (в ней имеется симметрия бозонных и фермионных струн), калибровочной — со струнами связывается очень высокая симметрия калибровочных преобразований; обеспечивается и геометрическая симметрия левого и правого — в теории имеется симметрия калибровочных преобразований :левых и правых состояний. В 4-мерном пространстве-времени в низкоэнергетпческом (по отношению к спектру возбуждения струн) пределе теория сводится к эффективной суперсимметричной теории поля и общей теории относительности как к классической теории гравитации.

ханизм Хиггса, а топологически нетривиальные компактные многообразия. Их называют многообразиями Колаби—Яо или (если у них имеются особые точки) орбифолдами. На таких многообразиях именно замкнутые струнные конфигурации с ненулевыми компонентами потенциалов в дополнительных измерениях вызывают нарушения калибровочной симметрии. Решая проблему бесконечности в расчетах конкретных величин, теория сталкивается с бесконечностью разнообразных возможностей своей реализации.

Уже этот небольшой экскурс в теорию “всего на свете” показывает, насколько сложной может быть реализация фундаментального единства сил природы даже в самом простейшем варианте. Теория подходит к подлинно единому базису фундамента мироздания, к квантовому описанию гравитации и к соединению описания материи и пространства-времени. Но все ее построения относятся к миру сверхвысоких энергий, недоступных лабораторному опыту.

Как выбрать правильную теорию “всего на свете”? Можно было бы избрать эстетические критерии и выбирать наиболее привлекательный вариант. Но к сожалению, и в этом у теории оказывается слишком большой выбор. Более того, опыт развития теории сильного, слабого и электромагнитного взаимодействий, недавний опыт развития идей Большого объединения показывают, что Природа, как правило, ускользает от простейшего варианта своего описания. А в теориях суперструн выход за пределы простейшего варианта ведет к необозримому простору возможностей выбора калибровочных симметрий и пространственно-временного базиса.

Описанная многовариантность и многоступенчатость физических оснований естественно отражается в богатстве космологических следствий. В этом смысле каждый новый элемент теории проходит свою проверку на космологическую значимость, и анализ космологических следствий не только исключает заведомо не пригодные для космологии классы моделей, но и обогащает космологию новыми теоретическими идеями, проливающими новый свет на старые проблемы теории строения и эволюции Вселенной.

Именно развитию теории элементарных частиц космология обязана такими своими необходимыми элементами, как бариосинтез, инфляция, происхождение начальных неоднородностей и скрытая масса. С развитием теории содержание этих понятий меняется.

В суперсимметричных моделях появляется еще одна возможность образования избытка барионов во Вселенной. В этих моделях у фермионов (кварков и леп-тонов) имеются суперсимметричные партнеры (так называемые скварки и слептоны) с теми же зарядами сильного, слабого и электромагнитного взаимодействии, но с нулевым спином. В соответствии с Бозе-ста-тистикой, которой они подчиняются, система может содержать такие скалярные частицы в одном и том же квантовом состоянии. Для бозонов возможно образование конденсата в основном квантовом состоянии. Макроскопически Бозе-конденсат скалярных частиц описывается как классическое скалярное поле.

Новый элемент, возникающий для теории бариосин-теза в суперсимметричных моделях, связан с возможностью существования в очень ранней Вселенной бесцветного конденсата скалярных кварков. Тогда избыток барионов обеспечивается первичным полем скалярных кварков. Последующий распад этих частиц на обычные кварки и приводит к появлению во Вселенной избытка барионов. Но величина барионной асимметрии определяется в такой схеме амплитудой поля скалярных кварков, величиной, очевидно, случайной.

Менее ясен ответ на вопрос о генерации барионной асимметрии в неравновесных процессах электрослабого несохранения барионного числа. Ясного качественного ответа на этот вопрос пока нет, а количественные результаты, получаемые при численном моделировании, оказываются весьма неопределенными и зависят от модели.

Таким образом, налицо и ясное качественное понимание бариосинтеза, и полная неопределенность в выборе окончательной его теории.

Инфляция. Разработку первоначальных моделей инфляции стимулировала космологическая проблема перепроизводства магнитных монополий. Однако достоинства инфляционной космологии, дающей объяснение глобальной структуре Вселенной, быстро вывели инфляционные модели далеко за рамки узкопрагматических целей решения этой проблемы. Основная идея инфляции связана с наличием в очень ранней Вселенной стадии, на которой ее расширение происходит по экспоненциальному закону. В области, охваченной инфляцией, осуществляются одинаковые начальные условия последующего расширения, что объясняет наблюдаемую однородность Вселенной в больших масштабах, обеспечивает одинаковые условия расширения для областей, долгое время остающихся причинно несвязанными.

В раздувающейся Вселенной плотность оказывается почти строго равной критической, что решает проблему “плоскостности”, связанной с необходимостью начальных условий расширения для того, чтобы расширяющаяся Вселенная достигла современных условий. Чтобы Вселенная могла расшириться до размеров, превышающих размер современного горизонта, в планков-ские времена плотность должна с очень высокой точностью совпадать с критической. В инфляционной Вселенной это условие обеспечивается автоматически при достаточно большой степени раздувания. Наконец, раздувание резко уменьшает начальную конценграцию монополей, образующихся в ходе фазового перехода, и снимает проблему их перепроизводства.

Однако если идея инфляции и необходимость ее для космологии очевидны, выбор реалистической модели инфляции далеко не так прост.

Первые идеи об экспоненциальном расширении очень ранней Вселенной высказывались как еретические альтернативы догматам космологии “Большого взрыва”. Они находили экзотические обоснования в предположениях о доминантности на стадии очень ранней Вселенной не горячей плазмы, а плотности энергии физического вакуума, необычных, ван-дер-ваальсовских свойств газа релятивистских сильно взаимодействующих частиц и существования фазового перехода при температурах ~60 ГэВ в таком газе, или, наконец, в существовании нелинейных по кривизне членов в уравнениях Эйнштейна за счет поляризации гравитационного вакуума. С развитием моделей Большого объединения физические основания модели инфляции стали обретать все более реалистические очертания.

В рамках этих моделей при температурах порядка величины энергетической шкалы нарушения симметрии во Вселенной должен был происходить фазовый переход к состоянию с асимметричным физическим вакуумом. Если такой переход подобен переходу от жидкого состояния к газообразному, то есть является фазовым переходом I рода, то Вселенная в период фазового перехода расширяется по экспоненциальному закону. Такая инфляционная модель была впервые выдвинута В. Гу-сом, предполагавшим, что доминантность скалярного поля реализуется при сильно затянутом фазовом переходе в фазе с нарушенной симметрией Большого объединения.

Но, претендуя на объяснение крупномасштабной однородности Вселенной, инфляционный сценарий Гуса сам приводил к сильным неоднородностям. Для осуществления инфляции в этом сценарии был необходим фазовый переход I рода. Такой фазовый переход, в полной аналогии с кипением, происходит путем образования пузырьков новой фазы. При большой скорости образования пузырей фазовый переход быстро заканчивается и не приводит к значительному раздуванию Вселенной. Малая скорость образования пузырей обеспечивает длительную стадию раздувания, но возникает проблема перехода на фридмановскую стадию расширения и разогрева Вселенной после инфляции.

Новая фаза представляет собой “чистый”, асимметричный вакуум. Вся плотность энергии, содержащаяся в симметричном энергетически невыгодном вакууме, расходуется на расширение этого пустого пузыря. Но чтобы энергия, выделяемая при фазовом переход?, перешла в тепловую энергию Вселенной, необходимо столкновение стенок пузыря, возможное при достаточно большой плотности пузырей. А это противоречит малой скорости их образования, требуемой из условия достаточно длительной стадии раздувания. Инфляция и переход к фридмановской горячей стадии расширения оказывались в таком сценарии несогласованными.

27

Идея хаотической инфляции проста и очень привлекательна. Но возникает серьезная проблема включения этой идеи в реалистическую теорию элементарных частиц. Так, например, неясен вопрос о совместимости инфляции с теорией суперструн.

Выбор возможных механизмов образования начальных возмущений далеко не исчерпывается образованием неоднородностей на инфляционной стадии.

Пространственная зависимость фазы нарушения СР-инвариантности в период бариосинтеза приводит к неоднородному распределению избытка барионов и к дополнительному источнику затравочных неоднородностей вещества.

Новые возможные механизмы образования неоднородностей вещества могут быть связаны с существованием теневых или зеркальных частиц.

При наличии теневых (или зеркальных) инфлатонов, распадающихся преимущественно на теневые (или зеркальные) частицы в области, в которой такие инфлато-ны доминировали, примесь всех обычных частиц будет экспоненциально малой. Такая область — теневой (или зеркальный) домен — будет выглядеть для обычного вещества и излучения как пустота, при том, что плотность энергии в ней, обеспечиваемая теневым (или зеркальным) веществом, может быть не меньше, чем плотность энергии в области, заполненной обычным веществом. Анализ натекания обычного вещества в теневой домен показывает, что если размеры домена Сравнимы с горизонтом на радиационно-доминированной стадии, то столкновение созникающих при натекании в. теневой

домен релятивистских ударных волн вещества может сильно влиять на химический состав вещества и на спектр реликтового излучения. Ограничения на такое влияние из данных наблюдений весьма жестко сужают возможные проявления теневых доменов в образовании крупномасштабной структуры Вселенной.

В весьма искусственном частном случае предположение о наличии теневых доменов или барионных островов может привести к модели “островной” Вселенной (А. Д. Долгов, Н. С. Кардашов), в которой барионы содержатся только в окружающей нас области пространства вплоть до расстояний, отвечающих красным смещениям z~4. Вне этой области, согласно описываемой модели, барионы вообще отсутствуют.

При наличии нити Алисы определение зеркальности объекта зависит от пути обхода нити. Объект, который мы определяем по пути обхода слева от нити как обычный, при обходе справа от нити оказывается зеркальным. Поэтому пересечение нитью луча зрения на объект меняет зеркальность его излучения. После таких пересечений мы перестаем видеть обычные звезды и начинаем видеть зеркальные. Если же объект является источником и зеркального, и обычного излучения (примером таких объектов являются квазары), при пересечении нитью луча зрения на него обычное излучение объекта становится для нас зеркальным и недоступным регистрации, зато мы начинаем видеть объект в его “зеркальном свете”.

Космические нити вследствие большой линейной плотности массы могут приводить к эффектам гравитационной линзы — к отклонению лучей света от объекта в гравитационном поле нити и к появлению нескольких изображений этого объекта. Нити Алисы вносят в этот эффект новый элемент. Наблюдаемые изображения объекта слева и справа от нити отвечают разной зеркальности его излучения.

Скрытая масса. Совокупность данных о динамике и распределении видимого вещества в галактиках и скоплениях галактик, о крупномасштабной структуре Вселенной и изотропии реликтового излучения рассматривается в космологии как веское указание на наличие во Вселенной скрытой массы небарионной природы. Наиболее отчетливо необходимость в наличии темной материи, слабо взаимодействующей с веществом и излучением, выявляется в теории образования структуры Вселенной.

В 1980 г. развитие космологических моделей образования структуры стимулировали указания на наличие у электронного нейтрино массы ~30 эВ, полученные в эксперименте ИТЭФ. Теория горячей Вселенной предсказывала однозначную связь концентраций реликтовых нейтрино и фотонов.

При известной концентрации фотонов концентрация нейтрино определялась однозначно, и, домножив ее на известную массу нейтрино, можно было получить современную их плотность. Получаемая плотность более чем на порядок величины превосходила плотность видимого вещества, оцениваемую по светимости галактик. Тем самым вывод о доминантности во Вселенной массивных нейтрино и об их определяющей роли в формировании структуры Вселенной становился весьма надежным следствием экспериментального факта и проверенной космологической теории.

В космологии массивных нейтрино привлекала возможность естественного объяснения существования во Вселенной пустот, в которых отсутствуют галактики, и ячеисто-сетчатой структуры распределения галактик. В горячей Вселенной нейтрино становятся нерелятивистскими только при температурах, меньших их энергии покоя. Лишь после этого неоднородности распределения нейтрино в размерах космологического горизонта могут сохраняться. На более ранних стадиях, когда нейтрино были релятивистскими, любые неоднородности в масштабах, меньших космологического горизонта, должны были рассасываться вследствие свободного разлета релятивистских нейтрино. При массе нейтрино ~30 эВ размер образующихся первых нейтринных не-однородностей хорошо согласовывался с размерами пустот и сверхскоплений галактик. В этой картине массивные нейтрино первоначально затягивали вещество в сверхскопления, внутри которых фрагментация и гравитационное скучивание и связывание вещества приводили к образованию звезд, галактик и скоплений галактик.

Однако подтверждение или опровержение результата, полученного в ИТЭФ, экспериментами других групп оказалось трудной задачей. До сих пор в экспериментальной физике нет ясного и однозначного ответа на вопрос о массе электронного нейтрино. Одновременно количественное сопоставление предсказаний простой модели стабильных нейтрино с массой ~30 эВ и данных наблюдений выявило ряд трудностей. Все эти трудности оказываются связанными с тем, что наличие мае'сивцых нейтрино в уже сформированных неоднородно-стях приводило бы к их слишком быстрой эволюции. Массивные нейтрино оказываются полезными для объяснения роста малых возмущений плотности, но их присутствие в неоднородностях, выросших из этих возмущений, оказывается далеко не безобидным. Мавр сделал свое дело... И в качестве возможного решения этой проблемы была предложена модель распада массивных нейтрино.

В этом смысле параметры модели аксионов как холодной скрытой массы кажутся ничуть не менее искусственными, чем параметры модели нестабильных массивных нейтрино.

Итак, мы видим, что магистраль развития теории элементарных частиц, идущая по линии все большего расширения основополагающей симметрии, теряется в теоретических высях, отрываясь от прочного экспериментально проверенного фундамента. Отдельные элементы теории могут быть проверены в эксперименте или по своим космологическим следствиям.

Сравнивая с экспериментальными физическими или астрономическими данными предсказания теории, можно отвергнуть целые классы моделей как явно противоречащие реальности, но остающиеся допустимыми'модели теории изобилуют многовариантностью возможностей.

Теория элементарных частиц стимулировала разработку нетривиальных, почти фантастических космологических сценариев, физические основания которых лежат в мире частиц и полей, недоступных эксперименту. Мы можем наслаждаться красотой теоретических построений, ценить их остроумие и изобретательность, но для решения вопроса об их правильности и реалистичности недостаточно проверки их отдельных, наиболее характерных черт.

В современных условиях ярко выраженного отрыва теоретических идей от экспериментальных возможностей их проверки мы должны либо отказаться от попытки их связать, предоставив теории — эмпиреи, а эксперименту — эмпирику, либо попытаться найти, пусть косвенный и умозрительный, способ целостной проверки фундаментальных оснований теорий элементарных частиц и космологии. В этом трудном, но единственно возможном в настоящее время пути к синтетическому соединению оснований теории микромира и космологии, к разработке системы проверки этих оснований и видится задача теоретической космомикрофизики.

Многое можно ожидать здесь от дальнейшего развития теорий “всего на свете”, от построения их внутренне самосогласованных и детально разработанных моделей. Но для более основательной поддержки такого развития представляется важным и альтернативный подход медленного — кирпичик к кирпичику — построения низкоэнергетического фундамента теоретического здания, подход к теоретическим высям со стороны реалистических моделей в физике микромира, воспроизводящих все основные наблюдаемые свойства частиц.

Уже первый шаг на этом пути оказывается весьма плодотворным и, во всяком случае, предоставляет действующую модель космомикрофизике, позволяющую зримо ощутить эффективность ее подхода.

Итак, магистраль развития теории не дает ответа на вопрос, уже 50 лет стоящий перед физикой элементарных частиц: зачем Природа множит частицы с одинаковыми свойствами, отличающиеся лишь массой?

Различие в типах кварков и лептонов называют различием в их ароматах. Теория электрослабого взаимодействия использует только вертикальную симметрию ароматов. Явное отличие горизонтальной симметрии ароматов от вертикальной составляет основную трудность в построении полной ароматодинамики — калибровочной теории, предполагающей симметрию всех ароматов фермионов.

Поэтому не следует удивляться тому, что калибровочная теория поколений оказывается весьма непростой в своей реализации. В этом можно убедиться, обратившись к простейшей модели такой теории.

При строгой горизонтальной симметрии поколении соответствующие частицы разных поколений были бы неразличимы и взаимозаменяемы. Все физические процессы протекали бы совершенно одинаково для электрона, мюона или тау-лептона, и результаты процессов не зависели бы от того, какая именно из этих частиц участвует в рассматриваемом процессе. В этом случае имела бы место строгая инвариантность физических процессов относительно замены частицы одного поколения соответствующей частицей другого поколения, например, электрона на мюон и т. п.

При фиксированной общей плотности РО и известной плотности барионов р.ч их разность РО—РОb складывается из плотности аксионов, стабильных нейтрино и продуктов распада нестабильных нейтрино. Сравнивая эту суммарную плотность скрытой массы с величиной РО— —РОb , мы получаем три случая, отвечающих трем различным типам космологических моделей: а) доминантности аксионов, б) доминантности массивных нейтрино с временем жизни, превышающим возраст Вселенной и, наконец в) доминантности современной Вселенной продуктов распада нестабильных нейтрино.

На примере этой теории видна специфика космо-микрофизического метода исследования моделей, привлекающих высокую энергетическую шкалу. Этот метод представляется единственно возможным в случае, когда прямая экспериментальная оценка шкалы отсутствует. Так было бы, если бы мы пытались строить теорию электрослабого взаимодействия, не имея экспериментальных данных о бета-распаде или нейтринных реакциях.

Развитие подхода, основанного на квантовой аро-матодинамике, позволит приблизиться к построению реалистической теории Великого объединения и космологии. Реалистичность ее предполагает, что не упущена ни одна реально существующая деталь, что теория, во всяком случае, верно воспроизводит все известные факты, соединяя их в рамках единых представлений. На этом пути переход к Великому объединению и основаниям космологии произойдет не прямым скачком из области энергий сегодняшних и завтрашних ускорителей в область сверхвысоких энергий, а поэтапно, через промежуточные стадии, каждая из которых подвергается детальной проверке в сочетании физических экспериментов и космологических тестов.

По необходимости “экспериментальная” проверка в космомикрофизике является комплексным сочетанием изучения всей совокупности косвенных эффектов, предсказываемых в рамках ее теоретических представлений. В значительной мере космомикрофизика не столько требует разработки каких-то новых способов экспериментальных исследований или астрономических наблюдений, сколько открывает новые грани в приложениях сложившихся, ставших уже традиционными методов. Ее неожиданный взгляд на старые проблемы находит их решение в нетривиальных соотношениях весьма разнородных и на первый взгляд не связанных друг с другом областей исследования.

На первом этапе главной задачей экспериментальной космомикрофизики оказывается не столько немедленное обращение к созданию крупных экспериментальных проектов, перспективная разработка которых, разумеется, необходима, сколько выявление космомик-рофизического значения уже имеющихся данных, осмысленное и целенаправленное освоение существующей экспериментальной и наблюдательной базы. Обрисуем теперь кратко панораму тех экспериментальных и наблюдательных возможностей, на которые может опереться космомикрофизика в своем развитии.

Лабораторная космомикрофизика. Бесспорная привлекательность лабораторного эксперимента состоит в его контролируемости. В экспериментальной физике и источник частиц, и детектор находятся под контролем экспериментаторов. Поэтому-то столь естественно стремление к проверке теории именно таким путем. Но физика сверхвысоких энергий, в которой скрыты основания космомикрофизики, не может прямо изучаться таким способом. Широко известны оценки размеров ускорителя частиц, способного разогнать их до планковских энергий. При самых перспективных, еще не осуществленных методах ускорения частиц такой ускоритель должен достигать размеров галактики. Поэтому стандартная схема экспериментальной проверки представлений физики микромира для космомикрофизики непригодна. Обращение к лабораторным экспериментам носит в ней иной, опосредованный теоретическими соображениями характер.

Прежде всего для космомикрофизики оказываются чрезвычайно важными все возможные косвенные проявления физики сверхвысоких энергий. Эти проявления можно выделить на фоне “обычных” процессов сильного, слабого и электромагнитного взаимодействий преимущественно по каким-либо особенностям, не свойственным обычным процессам. Такие особенностч должны относиться к низкоэнергетическому сек-юру теории.

Предсказываемая на основе единых теорий новая физика должна неизбежно отражаться в новых свойствах известных частиц. Если в прецизионных измерениях характеристик известных частиц или процессов их превращений будут обнаружены отклонения от предсказаний стандартной теории, то это может служить индикатором существования новой энергетической шкалы. К такого рода проявлениям могут относиться аномалии в константах взаимодействия калибровочных бозонов, в магнитных моментах заряженных лептонов и т. п.

Новые свойства, появляющиеся у известных частиц вследствие существования высокоэнергетической шкалы, могут быть обнаружены лишь по своей специфике, труднообъяснимой в рамках стандартной модели.

Другая сторона физики массивных нейтрино — это ее возможная связь с несохранением лептонного числа. Несохранение по отдельности лептонных чисел, связанных с электроном, мюоном, и лептоном, может приводить к смешиванию нейтринных состояний, нетождественности состояний нейтрино с определенным лептон-ным числом и определенной массой.

Тогда возможны явления нейтринных осцилляций — появление в пучках нейтрино одного типа нейтрино других типов.

Масса нейтрино связывает левополяризованные состояния с какими-то правополяризованными нейтринны-ми состояниями. Это могут быть новые состояния нейтрино — правые нейтрино, но это могут быть и право-поляризованные состояния — антинейтрино. В последнем случае говорят о майорановской массе нейтрино, явным образом нарушающей сохранение лептонного числа. В этом случае в ядрах возможно явление двойного безнейтринного b -распада.

Для выделения эффектов новой физики представляет интерес поиск и других процессов с несохранением лептонного числа, таких, как превращение мюонов в электроны в ядрах, распады m ->еg и т. п.

поиск таких распадов позволит провести детальную проверку этой теории.

Низкоэнергетический сектор модели Большого объединения может содержать и целые семейства новых частиц. Так, в суперсимметричных моделях предсказываются суперсимметричные партнеры обычных частиц, доступные поиску на планируемых ускорителях.

Надежные заключения о космологических параметрах из данных астрономических наблюдений в ряде случаев обусловлены определенными сведениями о физических процессах. Так, выводы о нижней оценке возраста Вселенной на основе наблюдаемого соотношения между обилием изотопов урана и тория, рения и осмия оказываются, как показали Ю. А. Лютостанский, В. М. Чечеткин и другие, зависящими от ряда ядерно-физических параметров, привлекаемых ядерной космо-хронологией. Это обстоятельство делает и ядерную физику областью критических тестов космомикрофизики.

К лабораторной космомикрофизике можно отнести н эксперименты в физике космических лучей, дающие важную для космологии информацию о спектре и составе космических фонов энергичных ядер, протонов и антипротонов, g -квантов, электронов и позитронов. На основе этой информации можно делать вполне определенные выводы о допустимых процессах элементарных частиц во Вселенной, в частности о возможности аннигиляции частиц скрытой массы в галактике.

Расширение экспериментальной базы регистрации космических частиц — создание подземных нейтринных обсерваторий, эксперименты, использующие в качестве детекторов слабовзаимодействующих частиц большие глубоководные объемы или толщи антарктического льда, — откроет новые возможности изучения и физики высоких энергии, и ее космологических проявлений. Появляется возможность и поиска космических фонов нейтрино высоких энергий от распада во Вселённой сверхмассивных частиц, и поиска дискретных источников высокоэнергетических мюонов и нейтрино в современной Вселенной.

Все эксперименты по регистрации солнечных нейтрино, выявляющие расхождение с предсказаниями астрофизической модели Солнца, используются и как способ ограничить возможные процессы слабой аннигиляции гипотетических частиц в Солнце, и как указание на резонансное усиление осцилляций нейтрино в веществе Солнца (С. А. Михеев, А. В. Смирнов, ИЯИ АН СССР), и как возможное свидетельство существования в веществе Солнца частиц скрытой массы — космионов, учет наличия которых изменяет характер переноса энергии в недрах Солнца, приводя к уменьшению расчетной температуры в центре Солнца и соответственно потока солнечных нейтрино. Наконец, обсуждается возможность коррелирующих с периодом солнечной активности вариаций потоков солнечных нейтрино, вызываемых наличием у нейтрино аномального магнитного момента (М. В. Волошин, М. И. Высоцкий, Л. Б. Окунь, ИТЭФ). При магнитном моменте нейтрино, близком к экспери- ментальным и астрофизическим верхним оценкам, резкие изменения магнитных полей в период солнечной активности могут приводить к перевороту спина нейтрино и к переходу в состояние правых нейтрино, не регистрируемых детекторами.

. Широкий интерес вызывает изучение и других дискретных источников элементарных частиц —рентгеновского источника Лебедь Х-3 и в особенности сверхно-вой СН 1987 А в Большом Магеллановом Облаке, наблюдаемой вспышке которой, по некоторым указаниям, предшествовал нейтринный импульс.

В последнее время готовятся к осуществлению эксперименты по прямому детектированию космических потоков частиц скрытой массы. Если гало Галактики — ее невидимую массивную корону — заполняют слабо взаимодействующие частицы с массой в несколько гига-электронвольт, их взаимодействие с веществом криогенных кремниевых детекторов может вызвать нагрев, или возбуждение фононов, доступный измерению.

Если скрытую массу Галактики составляют аксионы, то их слабое взаимодействие с виртуальными заряженными частицами приводит к появлению возможности двухфотонного взаимодействия акоионов. Вследствие такого взаимодействия прохождение космических аксио-нов сквозь радиочастотную полость, помещенную в магнитное поле, может сопровождаться превращением ак-сиона в радиочастотный фотон, доступный регистрации за счет значительного усиления сигнала в резонаторе.

Таким образом, природа скрытой массы современной Вселенной оказывается доступной прямому лабораторному эксперименту.

Развитие методики гравитационного эксперимента, возможно, откроет еще одну грань лабораторной космо-микрофизики. В таких экспериментах можно будет проверить справедливость общей теории относительности как “низкоэнергетической” теории гравитации, проводить поиск новых фундаментальных дальнодействующих сил. Детектирование гравитационных волн сделает возможной гравитационно-волновую астрономию, чуткую к любым превращениям скрытой массы, сопровождаемым возмущением гравитационного потенциала.

С точки зрения физика, основное отличие звезд от галактик состоит в том, что в звездах имеется сильная непрозрачность вещества для излучения и частые столкновения частиц вещества делают правомерным его газодинамическое описание, тогда как галактики являются гравитационно связанными системами бесстолкнови-тельных частиц. Характерное время столкновения звезд в галактике намного превышает характерное время их свободного пролета через нее.

Наличие частиц в гравитационно связанной системе означает, что их скорости не превышают параболическую, и следовательно, речь идет о нерелятивистских частицах. Возможности рождения гипотетических частиц в процессах взаимодействия равновесных частиц вещества и излучения в звездах ограничены условиями, существующими в звездных недрах, характерная температура которых составляет единицы или десятки ки-лоэлектронвольт и даже при коллапсе не превосходит десятка мегаэлектронвольт. Эти обстоятельства определяют характерные проявления астромикрофизики.

Концентрация частиц скрытой массы в Галактике может значительно усилить их проявления по сравнению со случаем их однородного распределения во Вселенной. Прежде всего увеличивается их плотность по , сравнению со средней по Вселенной, что дает значительный выигрыш при оценке возможностей регистрации таких частиц. Кроме того, если в столкновении частиц скрытой массы возможна их аннигиляция с образованием адронов или заряженных лептонов, то даже очень слабый эффект такой аннигиляции может привести к заметному влиянию на спектр и состав космических лучей. Наконец, в частном случае магнитных монополей наличие крупномасштабного магнитного поля галактики самим фактом своего существования накладывает жесткое ограничение на их концентрацию. Ускоряемые этим полем монополя уносили бы его энергию. При большой концентрации монополей это вызывало бы полную диссипацию поля. Правда, в этой связи следует заметить, что сама проблема происхождения магнитных полей во Вселенной при наличии монополеи требует еще своего решения.

Влияние тяжелых слабовзаимодействующих частиц— космионов, малая примесь которых в центральной части Солнца может сгладить распределение температуры вещества в этой области, — обсуждалось как возможный механизм понижения центральной температуры Солнца, объясняющий наблюдаемое расхождение плотности потока солнечных нейтрино с предсказаниями стандартной модели Солнца.

Асимметричное распределение невидимого вещества в звездах может повлиять на периоды вращения звезд, вызывать специфические моды колебаний звездной по-верхности. Естественным образом асимметричное распределение может возникать при гравитационном захвате звездой теневого или зеркального вещества, которое может образовывать компактные объекты типа планет, движущиеся по орбитам внутри звезд.

В случае зеркального вещества оценки показывают, что образование планеты из захваченного Солнцем межзвездного зеркального газа могло бы объяснить интригующие указания на наличие колебаний поверхности Солнца с периодом 160 мин и очень высокой добротностью. Образование зеркальных планет в нейтронных звездах могло бы отражаться в периодах пульсаров.

Интересную естественную лабораторию нейтринной физике предоставляют коллапсирующие звезды. Образование нейтрино .при коллапсе звезды приводит к очень высокой их концентрации, сравнимой по величине с концентрацией нуклонов и электронов. В этих условиях должны были бы ярко проявиться аномальные свойства нейтрино.

Так, если бы существовали аномально сильные меж-нейтринные взаимодействия, то нейтрино не вылетали бы из коллапсирующей звезды, как свободные частицы, а представляли бы собой газ взаимодействующих частиц, расширяющийся в пустоту.

При расширении такого газа уменьшилась бы не только плотность, но и средняя энергия нейтрино. Лишь после того как нейтринный газ становился бы настолько разреженным, что межнейтринные взаимодействия оказывались несущественными, начинался бы свободный разлет нейтрино. Энергия нейтрино в этом случае была бы значительно меньше, чем ожидаемая для нейтрино от коллапса. Достоверность регистрации нейтринного импульса от Сверхновой 1987 А исключает такую картину и накладывает жесткие ограничения на аномальные свойства нейтрино, на два порядка величины усиливающие лабораторные пределы.

С другой стороны, если в экспериментах на уровне их современной чувствительности будут обнаружены эффекты аномального нейтринного взаимодействия, то коллапсирующая звезда окажется источником нейтрино низких энергий, недоступных регистрации в подземных нейтринных обсерваториях. Такие эксперименты становятся критическими тестами нейтринной астрономии коллапсирующих звезд.

Это позволяет использовать космологические ограничения допустимых концентраций первичных черных дыр для анализа допустимых масс и времени жизни частиц, формирующих такие черные дыры, и, следовательно, для проверки единых теорий, определяющих ожидаемые свойства этих частиц.

Вычислительная космомикрофизика. Особое значение вычислительного эксперимента в космомикрофизике вытекает из отсутствия возможности прямой экспериментальной проверки ее оснований.

По математической сути предмет космомикрофизики есть решение обратных задач при построении теории элементарных частиц на основе данных о результатах их взаимодействия и при построении сценария космологической эволюции на основе наблюдательных данных о результате такой эволюции — современной Вселенной. Это делает космомикрофизику интересным полигоном математической теории, стимулируя развитие и совершенствование ее методов. На примере наиболее развитой части вычислительной космологии — теории образования структуры — видно, насколько широк может быть диапазон применения математических методов:

кластер-анализ, теория катастроф, теория перколяции и др.

Таким образом, развитие космомикрофизики немыслимо без расширения арсенала ее вычислительных методов и средств, необходимых не только для обработки- и проведения физических экспериментов и астрофизических наблюдений, но и для соединения фундаментальных основ космомикрофизики с теми их проявлениями, которые доступны изучению в экспериментах н наблюдениях.

Астрономия элементарных частиц. Обращаясь ко Вселенной как к гигантскому естественному ускорителю, космомикрофизика придает астрономическим наблюдениям значение уникального способа извлечения информации о результатах эксперимента на этом ускорителе. В свете идей космомикрофизики астрономические исследования обретают черты наблюдательной физики.

Эта тенденция к изменению интерпретационного отношения к астрономическим наблюдениям сочетается ,с проходящим в настоящее время процессом изменения самого характера этих наблюдений. Астрономия сближается с физическим экспериментом не только в умозрительных построениях космомикрофизики, но н по са-, мому методу своей работы.

В своем техническом оснащении чувствительными светоприемниками и спектрометрами, многоканальными и мультиобъектными системами наблюдений, методами автоматизации сбора и обработки информации оптическая астрономия все теснее сближается с физическим экспериментом. Ситуацию, которую переживает сейчас наземная астрономия, можно сравнить с ситуацией, возникшей в экспериментальной физике элементарных частиц при переходе к экспериментам на ускорителях. Поэтому, возможно, сравнение крупнейших советских наземных установок 6-метрового Большого телескопа азимутального (БТА) и 600-метрового радиотелескопа Академии наук (РАТАН-600), базирующихся в САО АН СССР на Северном Кавказе, с детекторами физики сверхвысоких энергий — не простая метафора. Эти установки не только играют роль детекторов применительно к задачам наблюдательной космомикрофизики. Они все более сближаются с физическими экспериментальными установками по характеру своей работы. В еще большей мере это относится к планируемым космическим средствам астрономии.

Перспективы астрономии связываются и с расширением ее наземной и космической базы, и с овладением всем диапазоном электромагнитного спектра. Наблюдения Вселенной с космических аппаратов, в рентгеновском, ультрафиолетовом и инфракрасном диапазонах дадут возможность получить новые сведения о соответствующих космических фонах и дискретных источниках излучений. Однако важнейшие космомикрофизические данные были получены и будут еще долго обеспечиваться средствами оптической и радиоастрономии.

Предсказания теории связывают параметры частиц скрытой массы со среднестатистическими характеристиками структуры. Поэтому при изучении крупномасштабной структуры важны два типа данных: изучение отдельного явления, выходящего далеко за пределы среднестатистических предсказаний и моделей, и максимально полная выборка объектов, дающая надежные сведения о характерных параметрах структуры.

Во втором случае необходимо проведение очень глубоких обзоров Вселенной с максимально полной выборкой объектов. Глубина обзора позволит изучать структуру на более ранних этапах, что даст информацию о ее эволюции. Максимально полная выборка обеспечит отсутствие селекционных эффектов и статистическую достоверность результата.

При разработке космомикрофизической стратегии глубоких обзоров важную роль будет играть сочетание “проколов” в узких площадках небесной сферы, выделяющих слои структуры на луче зрения, с изучением этих слоев. Естественные “проколы” структуры можно наблюдать в спектрах поглощения квазаров. Излучение этих ярких и далеких светильников Вселенной испытывает поглощение в слоях неоднородностей вещества, пересекающих лучи зрения на квазар. Изучая спектры поглощения квазаров, можно получить информацию о структуре и химическом составе поглощающих слоев вещества.

Для моделей скрытой массы критичен вопрос о периоде формирования развитой структуры пустот и сверхскоплений. Так, существование структуры при г~. ~2, предсказываемое в моделях нестабильных массивных нейтрино, было бы серьезным испытанием для самых изощренных моделей холодной скрытой массы. Другой критический вопрос — об образовании первых неоднородностей. Ответ на него смогут дать поиски про-тогалактик, а также галактик и квазаров с большими красными смещениями.

Некоторую информацию о частицах современной скрытой массы можно будет извлечь из анализа кривых вращении галактик, из измерения отношения масса — светимость в группах и скоплениях галактик, из поисков эффектов скрытой массы в карликовых галактиках и из наблюдательной проверки наличия так называемой локальной скрытой массы в дисковой составляющей Галактики. Анализ всей этой информации позволит сделать заключение о распределении скрытой массы в неоднородностях.

гипотетических частиц и полей на различных стадиях эволюции Вселенной.

Так соединение разрозненных задач наблюдательной космологии слагается в целостную программу детальной проверки представлений космомикрофизики в астрономических наблюдениях, осуществимых в самое ближайшее время.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Уже проведенный краткий экскурс по различным аспектам космомикрофизики вселяет надежду на светлые перспективы ее развития. Важнейшим первым шагом в становлении космомикрофизики должно быть соединение усилий физиков и астрономов, теоретиков и экспериментаторов в направлении целостного осмысления накопленного опыта изучения отдельных аспектов косвенных проявлений единого фундамента теории элементарных частиц и теории строения и эволюции Вселенной.

Давая единое обоснование разносторонним теоретическим и экспериментальным исследованиям, космомикро-физика стимулирует технологический прогресс для оснащения своей экспериментальной и наблюдательной базы, открывает перспективы поиска новых сил природы, все значение овладения которыми трудно переоценить.

Зародившаяся на основе внутренних логически закономерных тенденции развития космологии и физики микромира, космомикрофизика в своем целостном восприятии структуры микро-и макромира становится естественнонаучным воплощением духа сегодняшнего дня, с его тревогой о мире в целом, с его заботой об органическом сочетании всех деталей. Космомикрофизика обращает фундаментальные исследования к поиску единых оснований гармонии микромира и Вселенной, к открытому для широкого международного сотрудничества соединению мирного космоса с мирным атомом.

Научно-популярное издание

Максим Юрьевич Хлопов КОСМОМИКРОФИЗИКА

Гл. отраслевой редактор Л. А. Ерлыкин. Мл. редактор Н. А. Сергеева. Обложка художника Г. Ш. Басырова. Худож. редактор П. Л. Храмцоа. Техн. редактор О. А. Найденова. Корректор Л, В. Иванова,