Идею организации в Европе объединенного института ядерных исследований впервые озвучил французский ученый Луи де Бройль в 1949 году на Европейской конференции по культуре, проходившей в Лозанне. Вот фрагмент его речи: «…Наше внимание сосредоточено на создании новой международной организации для проведения научно-исследовательских работ, выходящих за рамки национальных программ… Эта организация могла бы взять на себя решение таких задач, объем и сущность которых не под силу какому-либо одному национальному институту… Это начинание оправдает затраченные усилия… укрепит связи между учеными разных стран, расширит сотрудничество, упростит распространение результатов научных работ и информации в целом. Кроме того, создание научного центра явится символом объединения интеллектуальных сил Европы».
Спустя год на Генеральной конференции ЮНЕСКО Пьер Оже и Эдоардо Амальди при поддержке Изидора Раби убедили европейские государства приступить к работе. В результате Европейская организация по ядерным исследованиям (Conseil Europeen de la Recherche Nucleaire) появилась на свет уже в 1952 году. Но официальной датой ее создания считается 29 сентября 1954 года, когда все 12 стран-участниц ратифицировали договор. Сегодня их количество возросло до 20. Есть страны, такие как Россия, Китай, США и Япония, которые не являются членами ЦЕРН, хотя научные институты и промышленность этих стран принимают активное участие в создании ускорителей и детекторов, а также в проведении экспериментов и анализе полученных данных.
Руководящий совет организации состоит из представителей стран-участниц, по два — от каждой: один представляет правительство, другой — научное сообщество. Таким образом, совет имеет возможность соотносить пожелания ученых с финансовыми возможностями государств.
ЦЕРН размещается по обе стороны французско-швейцарской границы у подножия горного массива Юра, геологические и сейсмические условия которого являются наиболее подходящими для постройки столь огромных и точных сооружений, как ускорители элементарных частиц. Кроме того, расположение международной организации на территории двух стран как нельзя более соответствует демократическому духу ЦЕРН: открытости, сотрудничеству и солидарности в распространении знаний. В отличие от многих подобных национальных и интернациональных организаций как в России, так и в других странах эту ядерную «лабораторию» можно посетить с экскурсией без бюрократической волокиты и особых разрешений.
Сотрудничество ЦЕРН с Россией началось в 1960-х годах, когда европейские физики приехали под Серпухов, в поселок Протвино, чтобы принять участие в исследованиях на самом мощном (76GeV) по тем временам ускорителе. Холодная война 1950-х годов не располагала к доверию на международной арене. Но ученые — не политики: взаимный интерес к физике и желание понять друг друга помогли найти общий язык, завязалось не только тесное сотрудничество, но и крепкая дружба между учеными и даже их семьями. А когда в 1974 году в ЦЕРН построили ускоритель SPS мощностью 400 GeV, российские физики из многих научно-исследовательских институтов приняли участие в 20 проводимых на нем экспериментах. Часть этой программы продолжается и сегодня. В целом же сотрудничество с Россией, длящееся уже почти 40 лет, особенно окрепло за последние годы, когда руководство ЦЕРН приняло решение о строительстве нового сверхмощного ускорителя LHC.
Предназначение ЦЕРН — чистая наука, исследование фундаментальных вопросов Природы. Что такое вещество? Откуда оно появилось? Как оно объединяется в сложные объекты, такие как звезды, планеты и живые существа? Еще одна важная задача ЦЕРН — развитие технологий будущего: от материаловедения и электроснабжения до информатики и глобальных распределенных вычислений.
Лобовое столкновение
Сегодня микромир парадоксальным образом встретился с макромиром: свойства элементарных частиц стали определять судьбы Вселенной. Те эксперименты, которые планируются на Большом Адронном Коллайдере (LHC), должны вплотную приблизить нас к первым мгновениям жизни Вселенной. Ученые предполагают, что после Большого взрыва, породившего нашу Вселенную, стабильная материя, из которой все мы состоим, возникала не сразу, и некоторое время мир представлял собой некий конгломерат основных строительных кирпичиков — действительно элементарных частиц: электронов, мюонов, кварков, глюонов, нейтрино и гамма-квантов.
В глубинах Вселенной астрономы с интересом ищут отголоски тех далеких времен. И вот совсем скоро, в 2007 году, ученые-физики планируют воспроизвести в ядерной лаборатории те далекие первозданные условия, когда еще не было протонов и нейтронов, а существовала сплошная кварк-глюонная плазма. Иными словами, исследователи надеются увидеть мир элементарных частиц в том виде, каковым он был всего через доли микросекунд после Большого взрыва.
Интерес теоретиков к ускорителю LHC крайне велик. Уже более 30 лет в научном мире выстраиваются теории, объясняющие наличие массы у элементарных частиц. Одна из них предполагает существование бозона Хиггса. Эту элементарную частицу называют еще божественной, поскольку, возможно, именно благодаря хиггсовским полям наш мир приобретает массу и способность двигаться по инерции в нужном направлении. Но экспериментально существование бозона пока подтвердить не удалось: все надежды — на ускоритель LHC.
Процессы, происходящие при столкновении элементарных частиц на ускорителях, поразительны: кинетическая энергия там преобразуется в массу! Разогнанные до предельных — почти световых — скоростей частицы, врезаясь друг в друга, рождают целый каскад новых частиц, в том числе и таких, которые имеют массу в тысячи раз больше, чем изначально сталкивающиеся. В нашем мире это можно было бы представить как появление десятков ядер для Царь-пушки при лобовом столкновении двух бильярдных шаров… Микромир устроен совершенно иначе. В нем энергия легко переходит в массу и, наоборот, — масса превращается в энергию. Именно за этими процессами наблюдают сегодня ученые-физики, сталкивая между собой электроны, позитроны, протоны, антипротоны и ядра тяжелых атомов. Сейчас трудно предугадать, во что воплотятся через 50 лет те открытия, которые произойдут в ближайшие десятилетия, но если открытий не делать, то не будет и воплощений…
Устроители комфорта
Быстро привыкая к удобствам: плоским экранам, компактным СВЧ-печам, компьютерным навигаторам в автомобилях и так далее, мы часто даже не задумываемся над тем, что все это стало реальным благодаря физике. Точнее, благодаря открытию электрона — частицы, отвечающей за абсолютное большинство протекающих вокруг нас электрических процессов. Это открытие полностью изменило нашу жизнь, и еще очень долго именно электромагнитные процессы будут определять наши успехи, достижения и неудачи в освоении окружающего мира. В целом же вся современная техника основана на достижениях, сделанных в областях физики и химии еще в первой половине XX века. Так, без разработки полупроводниковых приборов не было бы и современных компьютеров, и Всемирной сети Интернет. Именно в тот период человечество шагнуло в эру освоения электричества как универсального источника энергии, как носителя и средства обработки информации.
Что же касается ускорителей, то на первый взгляд эксперименты на них кажутся очень далекими от задач народного хозяйства. Но это далеко не так! Ускорители «притягивают» к себе самых умных и активных представителей человечества, а те, в свою очередь, выдают «на-гора» полезнейшие разработки, начиная от рентгеновского аппарата и кончая новой компьютерной системой GRID. Эта система в скором времени станет незаменимой при обработке огромного потока информации, которая начнется с запуском ускорителя LHC.
В нашей жизни есть и другие ускорители, компактность которых не мешает им также «притягивать к себе». Это, конечно же, телевизоры. Совсем недавно каждый из них обязательно имел электронно-лучевую трубку (ЭЛТ) — простейший линейный ускоритель электронов, который, кстати, содержит практически все принципиальные узлы ускорителя. А именно — катод, испускающий заряженные частицы; электроды, модулирующие и ускоряющие частицы; систему фокусировки луча; магниты, отклоняющие поток частиц; вакуум, не препятствующий полету частиц, и люминофор, делающий видимым поток электронов (аналог системы датчиков, регистрирующих частицы).
На самом деле ускорителей вокруг нас гораздо больше — это все электровакуумные приборы, начиная от диодов и триодов и кончая магнетронами, работающими в СВЧ-печах и радиолокаторах. Стоит отметить, что и привычная флюорография родилась как побочный продукт изучения процесса ускорения и резкого торможения электронов в катодной трубке. Оказалось, что, резко тормозя, заряженные частицы излучают жесткое электромагнитное излучение — Х-лучи, как назвал их первооткрыватель В.К. Рентген в ноябре 1895 года.
Обыкновенный портативный дозиметр, позволяющий спокойно гулять по загрязненной нашими общими усилиями Земле, — это тоже изделие ядерной физики, и входящий в его состав счетчик Гейгера-Мюллера в некотором смысле — тоже ускоритель электронов. Способность рентгеновских и гамма-лучей убивать все живое сегодня активно применяют для того, чтобы стерилизовать продукты и обеззараживать медицинские изделия. Такая холодная дезинфекция часто бывает гораздо эффективнее горячей и требует меньше времени и энергии.
Лауреатные Х-лучи
Упомянутые выше Х-лучи стали причиной еще одного важного начинания. Именно за их открытие в 1901 году Вильгельму Конраду Рентгену была присуждена первая в мире Нобелевская премия по физике. При награждении отмечалась «важность этого открытия для практической хирургии… и лучевой терапии…». Таким образом, ядерная физика и ускорительная техника с самых первых дней стали верой и правдой служить людям. Эти два направления из области физики элементарных частиц — наблюдение скрытых от глаз процессов и явлений и воздействие на живую и неживую природу с помощью специальных «лучей» — и сегодня являются самыми перспективными и востребованными.
Современные компьютерные томографы, позволяющие заглянуть внутрь человеческого организма и понять, что там неправильно функционирует, — это детище ядерной физики, научившейся не только формировать узкие сканирующие пучки и регистрировать интенсивность невидимого излучения, но и восстанавливать картину поглощения рентгеновских лучей, то есть строение внутренних органов человека.
Сегодня в руках медиков и биологов находятся уникальные диагностические инструменты: ядерно-магнитный резонанс (ЯМР), спиральная компьютерная томография (КТ), однофотонная томография (ОФЭКТ) и позитронная эмиссионная томография (ПЭТ). Все эти технологии стали результатом работ по прикладной физике, улучшению детекторов излучения и введению компьютерной обработки данных. Диагностика стала коллективным делом, и медики работают совместно с физиками, инженерами и программистами, получая отчетливые изображения того, что происходит внутри человека, и определяя in vivo, без хирургического вмешательства, структуру и функции организма. Как известно, физики с медиками очень скоро обнаружили, что проникающая радиация не только позволяет заглянуть внутрь живого организма, но и при определенных условиях нарушает нормальную работу этого самого организма, вызывая разнообразные проявления лучевой болезни. Поняв, что радиация совсем даже не безвредна, ученые быстро нашли применение и этому ее свойству, используя его для лечения злокачественных новообразований.
Первый циклотронный ускоритель, построенный в Беркли Эрнестом Орландом Лоуренсом в 1932 году, с самого начала применялся не только для изучения микромира, но и для производства изотопов и нейтронных пучков. Мать Лоуренса стала первой пациенткой с онкологическим заболеванием, которую вылечили с помощью нейтронов, полученных на циклотроне, и произошло это в 1938 году.
Сегодня для такого рода терапии используют уже синхроциклотроны и ударяют по злокачественным клеткам не только протонами и нейтронами, но и тяжелыми ионами. Облучение ионами углерода и кислорода оказалось наиболее щадящим для здоровых тканей, окружающих раковую опухоль, и поэтому более эффективным, чем обычный рентген. Вот почему онкологи в самых разных странах сразу стали практиковать этот способ лечения. На сегодняшний момент только в России облучение с помощью ускорителей заряженных частиц прошли десятки тысяч пациентов.
Здесь Шумахер — не призер
Известно, что гоночный автомобиль разгоняется до 100 км/ч всего за 3 секунды, а за 10 — достигает скорости 300 км/ч. Однако дальше процесс ускорения существенно замедляется: даже машины «Формулы-1» не могут достичь 400 км/ч. В микромире — другие законы: в ускорителях скорости элементарных частиц практически равны скорости света (более миллиарда километров в час). Здесь идет борьба за приближение к той самой скорости, быстрее которой в нашей Вселенной не может двигаться ни одно материальное тело. Выглядит это так: уже в самом начале разгона частицы набирают скорость, близкую к скорости света, и дальше носятся по кругу с практически неизменной скоростью, увеличивая свою массу и накапливая энергию, которая при столкновении пойдет на рождение новых частиц.
Почему современные ускорители имеют невероятно большие размеры? Ответ прост: ускоряющий импульс частицы должны получать многократно, постоянно прибавляя при этом к своей кинетической энергии по нескольку мегаэлектрон-вольт. Далее, чтобы в процессе такого ускорения частицы не улетели на Луну, их отклоняют с помощью магнитного поля, и они, соответственно, как по команде, вращаются по кругу. Максимально достижимая величина магнитного поля определяет радиус ускорительного кольца, необходимого для получения нужных энергий.
Есть, правда, и еще одно обстоятельство, не позволяющее делать мощные ускорители маленькими — синхротронное излучение. Двигаясь по кругу, заряженные частицы излучают. Принцип таков: чем меньше радиус орбиты и чем ближе скорость частиц к скорости света, тем излучение сильнее. Иначе говоря, мы их ускоряем, а они тормозятся, в результате чего получается максимум рентгеновского излучения и минимум разгона.
Сегодня именно по этой причине после закрытия в ЦЕРН Большого Электрон-Позитронного Коллайдера (LEP) ученые рассматривают несколько проектов линейных ускорителей электронов, которые не требуют мощных отклоняющих магнитов и не тратят энергию на гамма-излучение. Оказывается, электроны, как самые легкие заряженные частицы, можно разогнать до сотен GeV на расстоянии всего 10 км. В этом смысле наи+более продуманным представляется проект германского ускорителя TESLA в рамках германского комплекса DESY.
В целом общее свойство всех ускорителей, включая линейные, — постепенность в накапливании энергии. Еще одна их особенность — это одновременное ускорение нескольких больших сгустков заряженных частиц — банчей (bunch). Так, на ускорителе LHC (Большом Адронном Коллайдере) планируется ускорять около пяти тысяч таких банчей, и каждый из них будет содержать до сотен миллиардов протонов. Суммарная энергия этих суперрелятивистских частиц будет достигать 500 миллионов джоулей при толщине сфокусированного пучка 20 миллионных долей метра.
В ускорителе, вращаясь навстречу друг другу, одновременно будут носиться два таких пучка. В четырех точках, как раз там, где расположены измерительные комплексы, эти пучки будут пересекаться, порождая столкновения протонов между собой. Сгустки протонов будут встречаться 40 миллионов раз в секунду, каждый раз выдавая около 20 протонпротонных столкновений. Далеко не все из происходящих в ускорителе событий будут интересны физикам, но все акты столкновения они обязательно зафиксируют и поместят в базу данных. Причем каждое столкновение будет генерировать до 10 миллионов бит информации. Помимо этого, здесь планируется запечатлеть рождение хиггсовского бозона, упомянутого выше. Если все состоится, то само рождение будет хоть и неоднократным, но все же для микромира крайне редким: одно на 10 триллионов столкновений. Ведь для такой удачи нужно, чтобы не только протоны, но и входящие в их состав кварки врезались точно «лоб в лоб», поэтому в день ожидается одна «божественная частица» и не более. Управлять процессом столкновения частиц, то есть направлять их «лоб в лоб», пока невозможно. Они летят навстречу случайным образом, цепляя друг друга, как получится. И только благодаря огромному количеству этих касаний и столкновений у исследователей появляется материал для самого разного рода теорий и гипотез, позволяющих во многом понять, как устроен мир.
В ожидании петабайтов
На Большом Электрон-Позитронном Коллайдере, который раньше находился в 27-километровом подземном кольце ЦЕРН, при единичном столкновении возникало до 1 500 вторичных частиц. На новом ускорителе LHC это число возрастет до 50 000. Расшифровка процессов соударения разогнанных частиц будет происходить с помощью огромной системы датчиков, фиксирующих пути и энергии родившихся частиц. Сегодня это возможно: современные измерительные комплексы содержат миллиарды транзисторов и сотни тысяч индивидуальных датчиков — сцинтилляционных пластин, кремниевых сенсоров, дрейфовых трубок, газоразрядных камер, мюонных и адронных калориметров, фотодиодов и фотоэлектронных умножителей. Для того чтобы можно было развести между собой пути заряженных частиц с разными массой и энергией, на всю эту систему датчиков накладывается еще и магнитное поле.
Потоки данных, генерируемых LHC, ожидаются огромными. Для сравнения можно сказать, что они будут превышать объемы всей телекоммуникационной информации, циркулирующей сегодня по Европе. Такие прогнозы заставляют искать принципиально новые способы обработки и хранения данных. И как в свое время «WWW» — простой и доступный для любого пользователя способ вхождения в сеть — был изобретен именно в ядерной лаборатории, так и сегодня новая технология распределенных компьютерных вычислений GRID рождается и испытывается здесь же.
Тысячи ученых во всем мире готовятся и с нетерпением ждут этой лавины информации, поскольку глубинные тайны Вселенной обещают открыться в ближайшие годы. Если же ожидаемые частицы не будут найдены, то придется пересматривать не только Стандартную Модель современной физики частиц, но и множество других теорий мироздания. Сегодня трудно точно сказать, какие загадки Природы сумеет разгадать LHC, но одно известно точно — человечество шагнет в новую эпоху фундаментальных открытий.
Объединенные силы
Самой популярной остается идея об объединении всех сил в единой теории, названной теорией суперсимметрии, или SUSY. Следуя этой теории, для каждой известной частицы существует суперсимметричный партнер. Если SUSY верна, то часть этих суперсимметричных частиц должна быть найдена с помощью ускорителя LHC. По этой теории –– на каждый кварк должна существовать другая частица с равным зарядом, но с другими спином и массой, называемая «скварк», а на каждый лептон — свой «слептон». Такие переносчики энергии, как фотоны, W- и Z-бозоны, также должны иметь партнеров, а хиггсовский бозон приобретает сразу несколько партнеров.

SUSY объясняет, почему различные взаимодействия имеют разные силы, она также может обосновать наличие таинственного «темного» вещества во Вселенной, которое существует и создает гравитацию, но больше никак себя не проявляет. Некоторые физики предполагают, что кварки и лептоны не являются фундаментальными частицами, а состоят из более элементарных частиц, которые еще предстоит открыть. Таким образом, предельно высокие уровни энергии LHC позволят экспериментально проверить многие теории. Для разрешения этих вопросов в 2007 году на ускорителе LHC будут запущены два самых крупных эксперимента — ATLAS и CMS.
Суперкомпьютер для луковиц
Детекторы напоминают цилиндрические «луковицы» размером с многоэтажный дом, наполненные сложной сверхсовременной аппаратурой и электроникой. Столкновения происходят в центре детектора, различные слои которого определяют свойства рождающихся частиц. Ближайшие к центру трековые детекторы позволяют «видеть» траектории заряженных частиц, образовавшихся при столкновении. Затем размещены калориметры –– приборы, измеряющие энергию, — здесь большинство частиц заканчивает свой путь. Внешние слои «луковицы» состоят также из трековых детекторов для регистрации мюонов.
Магниты, встроенные в детекторы, позволяют измерить импульсы частиц по отклонению в магнитном поле. Каждую секунду на ускорителе будет происходить до миллиарда столкновений, а каждое столкновение даст около 10 миллионов единиц информации. Обработка и анализ информации будут одновременно вестись во всех участвующих институтах. Для этого разработан принципиально новый подход распределенных вычислений. А для его реализации будет создана всемирная компьютерная сеть GRID, которая в будущем дополнит WWW, обязанную своим появлением на свет также ЦЕРН. Именно здесь в 1989 году Тим Бернерс-Ли и Роберт Кай изобрели мировую компьютерную сеть WWW, что явилось откликом ЦЕРН на быстро развивающееся научное сотрудничество. Сегодня планируемые эксперименты LHC требуют невиданного до настоящего времени уровня глобальной интеграции вычислительных ресурсов. Особенность экспериментов –– невероятно большой поток данных: годовой прирост объема будет составлять петабайты (миллионы гигабайт). Эта информация должна быть сохранена, обработана и проанализирована.

Смоделированный на компьютере процесс скучивания вещества в эпоху образования скоплений галактик. Желтые отрезки — вектора, указывающие скорость движения вещества. Рис. KLAUS DOLAG AND THE VVDS TEAM
В последнее время в космологии — науке, которая изучает структуру и эволюцию Вселенной, — стал широко применяться термин «темная энергия», вызывающий у людей, далеких от этих исследований, по меньшей мере легкое недоумение. Часто в паре с ним выступает и другой «мрачный» термин — «темная материя», а также упоминается, что, по данным наблюдений, эти две субстанции обеспечивают 95% полной плотности Вселенной. Прольем же луч света на это «царство мрака».
В научной литературе термин «темная энергия» появился в конце прошлого века для обозначения физической среды, заполняющей всю Вселенную. В отличие от различных видов вещества и излучения, от которых можно (хотя бы теоретически) полностью очистить или экранировать некоторый объем, темная энергия в современной Вселенной неразрывно связана с каждым кубическим сантиметром пространства. С некоторой натяжкой можно сказать, что само пространство обладает массой и участвует в гравитационном взаимодействии. (Напомним, что согласно известной формуле E = mc2 энергия эквивалентна массе.)
Первое слово в термине «темная энергия» указывает на то, что эта форма материи не испускает и не поглощает никакого электромагнитного излучения, в частности света. С обычным веществом она взаимодействует только через гравитацию. Слово же «энергия» противопоставляет эту среду структурированной, то есть состоящей из частиц, материи, подчеркивая, что она не участвует в процессе гравитационного скучивания, ведущего к образованию галактик и их скоплений. Иными словами, плотность темной энергии, в отличие от обычного и темного вещества, одинакова во всех точках пространства.
Во избежание путаницы сразу отметим, что мы исходим из материалистического представления об окружающем нас мире, а значит, все, что заполняет Вселенную, — это материя. Если материя структурирована, ее называют веществом, а если нет, как, например, поле, то — энергией. Вещество, в свою очередь, делят на обычное и темное, ориентируясь на то, взаимодействует ли оно с электромагнитным излучением. Правда, по сложившейся в космологии традиции темное вещество принято называть «темной материей». Энергия тоже делится на два типа. Один из них — это как раз излучение, еще одна субстанция, наполняющая Вселенную. Когда-то именно излучение определяло эволюцию нашего мира, но сейчас его роль упала почти до абсолютного нуля, точнее до 3 градусов Кельвина — температуры так называемого реликтового микроволнового излучения, идущего в космосе со всех сторон. Это остаток (реликт) горячей молодости нашей Вселенной. А вот о другом типе энергии, который не взаимодействует ни с веществом, ни с излучением и проявляет себя исключительно гравитационно, мы бы могли никогда не узнать, если бы не исследования в области космологии.
С излучением и обычным веществом, состоящим из атомов, мы постоянно имеем дело в повседневной жизни. Гораздо меньше мы знаем о темной материи. Тем не менее достаточно надежно установлено, что ее физическим носителем являются некие слабовзаимодействующие частицы. Известны даже некоторые свойства этих частиц, например, что у них есть масса, а движутся они много медленнее света. Однако они никогда еще не регистрировались искусственными детекторами.

В 2005 году сверхновую типа Ia впервые наблюдали в трех диапазонах: видимом, ультрафиолетовом и рентгеновском. Такие наблюдения важны для уточнения физических моделей вспышек сверхновых, по которым оценивают расстояния до далеких галактик . Фото: NASA, SWIFT, S. IMMLER
Самая большая ошибка Эйнштейна
Вопрос о природе темной энергии еще туманнее. Поэтому, как часто бывает в науке, отвечать на него лучше, описывая предысторию вопроса. Она начинается в памятном для нашей страны 1917 году, когда создатель общей теории относительности Альберт Эйнштейн, публикуя решение задачи об эволюции Вселенной, ввел в научный оборот понятие космологической постоянной. В своих уравнениях, описывающих свойства гравитации, он обозначил ее греческой буквой «лямбда» (Λ). Так она получила свое второе название — лямбда-член. Назначение космологической постоянной состояло в том, чтобы сделать Вселенную стационарной, то есть неизменной и вечной. Без лямбда-члена уравнения общей теории относительности предсказывали, что Вселенная должна быть неустойчивой, как воздушный шарик, из которого вдруг исчез весь воздух. Всерьез изучать такую неустойчивую Вселенную Эйнштейн не стал, а ограничился тем, что восстановил равновесие введением космологической постоянной.
Однако позднее, в 1922—1924 годах, наш выдающийся соотечественник Александр Фридман показал, что в судьбе Вселенной космологическая постоянная не может играть роль «стабилизатора», и рискнул рассмотреть неустойчивые модели Вселенной. В результате ему удалось найти еще не известные к тому времени нестационарные решения уравнений Эйнштейна, в которых Вселенная как целое сжималась или расширялась.
В те годы космология была сугубо умозрительной наукой, пытавшейся чисто теоретически применить физические уравнения ко Вселенной как целому. Поэтому решения Фридмана поначалу были восприняты — в том числе и самим Эйнштейном — как математическое упражнение. Вспомнили о нем после открытия разбегания галактик в 1929 году. Фридмановские решения прекрасно подошли для описания наблюдений и стали важнейшей и широко используемой космологической моделью. А Эйнштейн позднее назвал космологическую постоянную своей «самой большой научной ошибкой».
Далекие сверхновые
Постепенно наблюдательная база космологии становилась все более мощной, а исследователи учились не только задавать вопросы природе, но и получать на них ответы. И вместе с новыми результатами росло и число аргументов в пользу реального существования «самой большой научной ошибки» Эйнштейна. В полный голос об этом заговорили в 1998 году после наблюдения далеких сверхновых звезд, которые указывали, что расширение Вселенной ускоряется. Это означало, что во Вселенной действует некая расталкивающая сила, а значит, и соответствующая ей энергия, похожая по своим проявлениям на эффект от лямбда-члена в уравнениях Эйнштейна. По сути, лямбда-член представляет собой математическое описание простейшего частного случая темной энергии.
Напомним, что согласно наблюдениям космологическое расширение подчиняется закону Хаббла: чем больше расстояние между двумя галактиками, тем быстрее они удаляются друг от друга, причем скорость, определяемая по красному смещению в спектрах галактик, прямо пропорциональна расстоянию. Но до недавнего времени закон Хаббла был непосредственно проверен лишь на относительно небольших расстояниях — тех, что удавалось более или менее точно измерить. О том, как расширялась Вселенная в далеком прошлом, то есть на больших расстояниях, можно было судить только по косвенным наблюдательным данным. Заняться прямой проверкой закона Хаббла на больших расстояниях удалось лишь в конце XX века, когда появился способ определять расстояния до далеких галактик по вспыхивающим в них сверхновым звездам.
Вспышка сверхновой — это момент в жизни массивной звезды, когда она испытывает катастрофический взрыв. Сверхновые бывают разных типов в зависимости от конкретных обстоятельств, предшествующих катаклизму. При наблюдениях тип вспышки определяют по спектру и форме кривой блеска. Сверхновые, получившие обозначение Ia, возникают при термоядерном взрыве белого карлика, масса которого превысила пороговое значение ~1,4 массы Солнца, называемое пределом Чандрасекара. Пока масса белого карлика меньше порогового значения, сила гравитации звезды уравновешивается давлением вырожденного электронного газа. Но если в тесной двойной системе с соседней звезды на него перетекает вещество, то в определенный момент электронное давление оказывается недостаточным и звезда взрывается, а астрономы регистрируют еще одну вспышку сверхновой типа Ia. Поскольку пороговая масса и причина, по которой белый карлик взрывается, всегда одинаковы, такие сверхновые в максимуме блеска должны иметь одинаковую, причем весьма большую светимость и могут служить «стандартной свечой» для определения межгалактических расстояний. Если собрать данные по многим таким сверхновым и сравнить расстояния до них с красными смещениями галактик, в которых случались вспышки, то можно определить, как менялся в прошлом темп расширения Вселенной, и подобрать соответствующую космологическую модель, в частности подходящую величину лямбда-члена (плотности темной энергии).
Однако несмотря на простоту и ясность этого метода, он сталкивается с рядом серьезных трудностей. Прежде всего отсутствие детальной теории взрыва cверхновых типа Ia делает зыбким их статус стандартной свечи. На характер взрыва, а значит, и на светимость сверхновой могут влиять скорость вращения белого карлика, химический состав его ядра, количество водорода и гелия, перетекшего на него с соседней звезды. Как все это сказывается на кривых блеска, пока достоверно неизвестно. Наконец, сверхновые вспыхивают не в пустом пространстве, а в галактиках, и свет вспышки может, к примеру, оказаться ослаблен случайным газопылевым облаком, встретившимся на пути к Земле. Все это ставит под сомнение возможность использования сверхновых в качестве стандартных свечей. И если бы в пользу существования темной энергии был только этот довод, данная статья вряд ли была бы написана. Так что хотя «аргумент сверхновых» спровоцировал широкую дискуссию о темной энергии (и даже появление самого этого термина), уверенность космологов в ее существовании опирается на другие, более убедительные аргументы. К сожалению, они не столь просты, и поэтому описать их можно лишь в самых общих чертах.

Основные эпохи эволюции Вселенной: инфляция, доминирование излучения, вещества и темной энергии. Рис. NASA, WMAP SCIENCE TEAM
Краткая история времен
По современным представлениям, рождение Вселенной должно описываться в терминах еще не созданной квантовой теории гравитации. Понятие «возраст Вселенной» имеет смысл для моментов времени не раньше 10-43 секунд. На меньших масштабах уже нельзя говорить о привычном нам линейном течении времени. Топологические свойства пространства тоже становятся нестабильными. По-видимому, в малых масштабах пространство-время заполнено микроскопическими «кротовыми норами» — своего рода тоннелями, соединяющими разнесенные области Вселенной. Впрочем, о расстояниях или порядке следования событий говорить тоже невозможно. В научной литературе такое состояние пространства-времени с флуктуирующей топологией называют квантовой пеной. По неизвестным пока причинам, возможно, из-за квантовой флуктуации, в пространстве Вселенной возникает физическое поле, которое в возрасте около 10-35 секунд заставляет Вселенную расширяться с колоссальным ускорением. Этот процесс называют инфляцией, а вызывающее его поле — инфлатоном. В отличие от экономики, где инфляция является неизбежным злом, с которым нужно бороться, в космологии инфляция, то есть экспоненциально быстрое увеличение Вселенной, — это благо. Именно ей мы обязаны тем, что Вселенная обрела большой размер и плоскую геометрию. В конце этой короткой эпохи ускоренного расширения запасенная в инфлатоне энергия порождает известную нам материю: разогретую до огромной температуры смесь излучения и массивных частиц, а также едва заметную на их фоне темную энергию. Можно сказать, что это и есть Большой взрыв. Космологи говорят об этом моменте, как о начале радиационно-доминированной эпохи в эволюции Вселенной, поскольку большая часть энергии в это время приходится на излучение. Однако расширение Вселенной продолжается (хотя теперь уже и без ускорения) и оно по-разному отражается на основных типах материи. Ничтожная плотность темной энергии со временем не меняется, плотность вещества падает обратно пропорционально объему Вселенной, а плотность излучения снижается еще быстрее. В итоге спустя 300 тысяч лет доминирующей формой материи во Вселенной становится вещество, большую часть которого составляет темная материя. С этого момента рост возмущений плотности вещества, едва тлевший на стадии доминирования излучения, становится достаточно быстрым, чтобы привести к образованию галактик, звезд и столь необходимых человечеству планет. Движущей силой этого процесса является гравитационная неустойчивость, приводящая к скучиванию вещества. Едва заметные неоднородности оставались еще с момента распада инфлатона, но пока во Вселенной доминировало излучение, оно мешало развитию неустойчивости.
Теперь основную роль начинает играть темная материя. Под действием собственной гравитации области повышенной плотности останавливаются в своем расширении и начинают сжиматься, в результате чего из темной материи образуются гравитационносвязанные системы, называемые гало. В гравитационном поле Вселенной образуются «ямы», в которые устремляется обычное вещество. Накапливаясь внутри гало, оно формирует галактики и их скопления. Этот процесс образования структур начался более 10 миллиардов лет назад и шел по нарастающей, пока не наступил последний перелом в эволюции Вселенной. Через 7 миллиардов лет (это примерно половина нынешнего возраста Вселенной) плотность вещества, которая продолжала снижаться из-за космологического расширения, стала меньше плотности темной энергии. Тем самым завершилась эпоха доминирования вещества, и теперь темная энергия контролирует эволюцию Вселенной. Какова бы ни была ее физическая природа, проявляется она в том, что космологическое расширение вновь, как в эпоху инфляции, начинает ускоряться, только на этот раз очень медленно. Но даже этого достаточно, чтобы затормозить формирование структур, а в будущем оно должно вовсе прекратиться: любые недостаточно плотные образования будут рассеиваться ускоряющимся расширением Вселенной. Временное «окно», в котором работает гравитационная неустойчивость и возникают галактики, захлопнется уже через десяток миллиардов лет. Дальнейшая эволюция Вселенной зависит от природы темной энергии. Если это космологическая постоянная, то ускоренное расширение Вселенной будет продолжаться вечно. Если же темная энергия — это сверхслабое скалярное поле, то после того как оно достигнет состояния равновесия, расширение Вселенной станет замедляться, а возможно сменится сжатием. Пока физическая природа темной энергии неизвестна, все это не более чем умозрительные гипотезы. Таким образом, с определенностью сказать можно только одно: ускоренное расширение Вселенной будет продолжаться еще несколько десятков миллиардов лет. За это время наш космический дом — галактика Млечный Путь — сольется со своей соседкой — Туманностью Андромеды (и большинством галактик-спутников меньшей массы, входящих в состав Местной Группы). Все прочие галактики улетят на большие расстояния, так что многие из них нельзя будет увидеть даже в самый мощный телескоп. Что касается реликтового излучения, которое приносит нам так много важнейшей информации о структуре Вселенной, то его температура упадет почти до нуля, и этот источник информации будет потерян. Человечество останется Робинзоном на острове с эфемерной перспективой обзавестись хотя бы Пятницей.

Увидеть темную материю нельзя, но по косвенным признакам можно узнать ее распределение на разных расстояниях. В дальнейшем по таким срезам восстанавливается трехмерная карта темной материи. Фото: NASA, ESA, R. MASSEY (CALIFORNIA INSTITUTE OF TECHNOLOGY)
Крупномасштабная структура Вселенной
У космологов имеются два основных источника знаний о крупномасштабной структуре Вселенной. Прежде всего это распределение в окружающем нас пространстве светящейся материи, то есть галактик. Трехмерная карта показывает, в какие структуры — группы, скопления, сверхскопления — объединяются галактики и каковы характерные размеры, формы и численность этих образований. Тем самым становится понятно, как распределено вещество в современной Вселенной.
Другим источником информации служит распределение интенсивности реликтового излучения по небесной сфере. Карта неба в микроволновом диапазоне несет информацию о распределении неоднородностей плотности в ранней Вселенной, когда ее возраст составлял около 300 тысяч лет — именно тогда вещество стало прозрачным для излучения. Угловые расстояния между пятнами на микроволновой карте говорят о размерах неоднородностей в то время, а перепады яркости (они, кстати, очень маленькие, порядка сотой доли процента) указывают на степень уплотнения зародышей будущих скоплений галактик. Тем самым у нас есть как бы два временных среза: структура Вселенной в моменты через 300 тысяч и 14 миллиардов лет после Большого взрыва.
Теория говорит о том, что характеристики наблюдаемых структур сильно зависят от того, какая часть материи во Вселенной приходится на вещество (обычное и темное). Расчеты, основанные на наблюдательных данных, показывают, что его доля составляет сегодня около 30% (из которых лишь 5% приходится на обычное вещество, состоящее из атомов). А значит, остальные 70% — это материя, не входящая ни в какие структуры, то есть темная энергия. Этот аргумент не столь прозрачен, поскольку за ним стоят сложные расчеты, описывающие образования структур во Вселенной. Тем не менее он действительно более сильный. Это можно проиллюстрировать такой аналогией. Представьте, что внеземная цивилизация стремится обнаружить разумную жизнь на Земле. Одна группа исследователей заметила идущее от нашей планеты мощное радиоизлучение, которое периодически изменяет частоту и интенсивность, и объясняет это работой электронного оборудования. Другая группа послала к Земле зонд и сфотографировала квадраты полей, линии дорог, узлы городов. Первый аргумент, конечно, проще, но второй — убедительнее.

Разные срезы относятся к разным моментам в прошлом. Поэтому данная карта является пространственновременной и отражает эволюцию распределения материи. Фото: NASA, ESA, R. MASSEY (CALIFORNIA INSTITUTE OF TECHNOLOGY)
Продолжая эту аналогию, можно сказать, что еще более наглядным свидетельством разумной жизни стало бы наблюдение за формированием перечисленных структур. Конечно, человеку пока не под силу в реальном времени наблюдать, как формируются скопления галактик. Тем не менее можно определить, как менялось их число по ходу эволюции Вселенной. Дело в том, что в силу конечности скорости света наблюдение объектов на больших расстояниях эквивалентно заглядыванию в прошлое.
Темп образования галактик и их скоплений определяется скоростью роста возмущений плотности, которая, в свою очередь, зависит от параметров космологической модели, в частности от соотношения вещества и темной энергии. Во Вселенной с большой долей темной энергии возмущения растут медленно, а значит, сегодня скоплений галактик должно быть ненамного больше, чем в прошлом, и с расстоянием их число будет убывать медленно. Напротив, во Вселенной без темной энергии количество скоплений довольно быстро сокращается с углублением в прошлое. Выяснив из наблюдений темп появления новых скоплений галактик, можно получить независимую оценку плотности темной энергии.
Есть и другие независимые наблюдательные аргументы, подтверждающие существование однородной среды, которая оказывает определяющее влияние на строение и эволюцию Вселенной. Можно сказать, что утверждение о существовании темной энергии стало итогом развития всей наблюдательной космологии ХХ века.
Вакуум и другие модели
Если в существовании темной энергии большинство космологов уже не сомневаются, то вот относительно ее природы ясности пока нет. Впрочем, физики не первый раз попадают в такое положение. Многие новые теории начинаются с феноменологии, то есть формального математического описания того или иного эффекта, а интуитивно понятные объяснения появляются намного позже. На сегодня, описывая физические свойства темной энергии, космологи произносят слова, которые для непосвященного больше похожи на заклинание: это среда, давление которой равно плотности энергии по величине, но противоположно по знаку. Если это странное соотношение подставить в уравнение Эйнштейна из общей теории относительности, то окажется, что такая среда гравитационно отталкивается от самой себя и, как следствие, ускоренно расширяется и ни за что не соберется ни в какие сгустки.
Нельзя сказать, что мы часто имеем дело с подобной материей. Однако именно так уже на протяжении многих лет физики описывают вакуум. По современным представлениям, элементарные частицы существуют не в пустом пространстве, а в особой среде — физическом вакууме, который как раз и определяет их свойства. Эта среда может находиться в различных состояниях, отличающихся плотностью запасенной энергии, и в разных видах вакуума элементарные частицы ведут себя по-разному.
Наш обычный вакуум обладает наименьшей энергией. Экспериментально обнаружено существование неустойчивого, более энергичного вакуума, который соответствует так называемому электрослабому взаимодействию. Он начинает проявляться при энергиях частиц свыше 100 гигаэлектронвольт — это всего на порядок ниже предела возможностей современных ускорителей. Еще более энергичные виды вакуума предсказаны теоретически. Можно предположить, что наш обычный вакуум обладает не нулевой плотностью энергии, а как раз такой, которая дает нужное значение лямбда-члена в уравнении Эйнштейна.
Однако эта красивая идея, состоящая в том, чтобы приписать темную энергию вакууму, не вызывает восторга у исследователей, работающих на стыке физики элементарных частиц и космологии. Дело в том, что такой разновидности вакуума должна соответствовать энергия частиц всего около тысячной доли электронвольта. Но этот энергетический диапазон, лежащий на границе между инфракрасным и радиоизлучением, уже давно вдоль и поперек изучен физиками, и ничего аномального там не обнаружено.
Поэтому исследователи склоняются к тому, что темная энергия — это проявление нового и пока не обнаруженного в лабораторных условиях сверхслабого поля. Эта идея аналогична той, что лежит в основе современной инфляционной космологии. Там тоже сверхбыстрое расширение молодой Вселенной происходит под действием так называемого скалярного поля, только его плотность энергии гораздо выше той, что ответственна за нынешнее неспешное ускорение в расширении Вселенной. Можно предположить, что поле, являющееся носителем темной энергии, осталось как реликт Большого взрыва и долгое время находилось в состоянии «спячки», пока длилось доминирование сначала излучения, а потом темной материи.

Скопление галактик Cl 0024+17 действует как гравитационная линза. Слева: скопление окружено темным кольцом, в котором ослаблен свет далеких галактик. Справа: ближе к ядру скопления видно, как изображения далеких галактик растягиваются в дуги. По таким эффектам можно оценить массу скопления вместе с входящей в него темной материей. Фото: NASA, ESA, M.J. JEE (JOHN HOPKINS UNIVERSITY)
Отрицательное давление и гравитационное отталкивание
Описывая темную энергию, космологи считают, что ее главное свойство — отрицательное давление. Оно приводит к появлению отталкивающих гравитационных сил, о которых неспециалисты иногда говорят как об антигравитации. В этом утверждении содержатся сразу два парадокса. Разберем их последовательно.
Как давление может быть отрицательным? Давление обычного вещества, как известно, связано с движением молекул. Ударясь о стенку сосуда, молекулы газа передают ей свой импульс, отталкивают ее, давят на нее. Свободные частицы не могут создать отрицательное давление, не могут «тянуть одеяло на себя», но в твердом теле подобное вполне возможно. Неплохой аналогией отрицательного давления темной энергии служит оболочка воздушного шарика. Каждый ее квадратный сантиметр растянут и стремится сжаться. Появись где-нибудь в оболочке разрыв, она немедленно стянулась бы в маленькую резиновую тряпочку. Но пока разрыва нет, отрицательное натяжение равномерно распределено по всей поверхности. Причем если шарик надувать, резина будет становиться тоньше, а запасенная в ее натяжении энергия будет расти. Сходным образом ведет себя при расширении Вселенной плотность вещества и темной энергии.
Почему отрицательное давление ускоряет расширение? Казалось бы, под действием отрицательного давления темной энергии Вселенная должна сжиматься или уж, по крайней мере, замедлять свое расширение, начавшееся в момент Большого взрыва. Но все обстоит как раз наоборот, потому что отрицательное давление темной энергии слишком... велико.
Дело в том, что согласно общей теории относительности гравитация зависит не только от массы (точнее плотности энергии), но также и от давления. Чем больше давление, тем сильнее гравитация. А чем больше отрицательное давление, тем она слабее! Правда, давления, достижимые в лабораториях и даже в центре Земли и Солнца, слишком малы, чтобы их влияние на гравитацию можно было заметить. Но вот отрицательное давление темной энергии, наоборот, столь велико, что пересиливает притяжение и ее собственной массы, и массы всего остального вещества. Получается, что массивная субстанция с очень сильным отрицательным давлением парадоксальным образом не сжимается, а наоборот, распухает под действием собственной гравитации. Представьте себе тоталитарное государство, которое, стремясь обеспечить свою безопасность, зажимает свободу до такой степени, что граждане массово бегут из страны, бунтуют и в конце концов разрушают само государство. Почему чрезмерные усилия по укреплению государства оборачиваются его разрушением? Таковы свойства людей — они сопротивляются подавлению. Почему сильнейшее отрицательное давление вместо сжатия приводит к расширению? Таковы свойства гравитации, выраженные уравнением Эйнштейна. Конечно, аналогия — это не объяснение, но она помогает «уложить в голове» парадоксы темной энергии.
Как взвесить структуру?
Темная энергия — важнейшее свидетельство существования явлений, которые не описываются современной физикой. Поэтому детальное изучение ее свойств — важнейшая задача наблюдательной космологии. Чтобы выяснить физическую природу темной энергии, необходимо в первую очередь максимально точно исследовать, как менялся в прошлом режим расширения Вселенной. Можно пытаться прямо измерить зависимость темпа расширения от расстояния. Однако из-за отсутствия в астрономии надежных методов определения внегалактических расстояний достичь на этом пути необходимой точности практически невозможно. Но есть другие, более перспективные способы измерения темной энергии, которые являются логическим развитием структурного аргумента в пользу ее существования.

Пирамида материи во Вселенной по современным представлениям. Фото:
Как уже отмечалось, темп образования структур очень сильно зависит от плотности темной энергии. Сама она не может скучиваться и создавать структуры и препятствует гравитационному скучиванию темной и обычной материи. Кстати, поэтому в нашу эпоху те комки вещества, которые еще не начали сжиматься, постепенно «растворяются» в море темной энергии, переставая «чувствовать» взаимное притяжение. Человечество, таким образом, является свидетелем максимального в истории Вселенной темпа образования структур. В дальнейшем он будет только уменьшаться.
Чтобы определить, как менялась со временем плотность темной энергии, нужно научиться «взвешивать» структуру Вселенной — галактики и их скопления — на разных красных смещениях. Есть много способов это сделать, ведь объекты измерения — галактики — хорошо изучены и видны даже на больших расстояниях. Наиболее прямолинейный подход состоит в тщательном подсчете галактик и их структур по упоминавшейся трехмерной карте пространственного распределения галактик. В другом методе масса структуры оценивается по создаваемому ею неоднородному гравитационному полю. Проходя через структуру, свет отклоняется ее гравитацией, и в результате видимые нами изображения далеких галактик деформируются. Этот эффект называется гравитационным линзированием. Измеряя возникающие искажения, можно определить (взвесить) структуру на пути следования света. Этим методом уже сделаны первые успешные наблюдения, а на будущее запланированы космические эксперименты — ведь надо достичь максимальной точности измерения.
Итак, мы живем в мире, динамика расширения которого управляется неизвестной нам формой материи. А единственно достоверное знание о ней, помимо факта ее существования, — это уравнение состояния вакуумоподобного типа, та самая своеобразная связь между плотностью энергии и давлением. Пока нам неизвестно, меняется ли характер этой связи со временем, и если да, то как. А значит, все рассуждения о будущем Вселенной, по сути, являются спекулятивными, основанными в значительной мере на эстетических воззрениях их авторов. Но мы вступили в эру точной космологии, основанной на высокотехнологичных инструментах для наблюдения и развитых статистических методах обработки данных. Если астрономия будет и дальше развиваться такими же темпами, как сегодня, загадка темной энергии будет разгадана уже нынешним поколением исследователей.
Владимир Лукаш Елена Михеева