Текст книги "Предчувствия и свершения. Книга 3. Единство"

Автор книги: Ирина Радунская

сообщить о нарушении

Текущая страница: 22 (всего у книги 24 страниц)

Модельная шляпа

Но если Вселенная в начале своей эволюции находилась в состоянии ложного вакуума, то ее дальнейшую судьбу – начальный этап расширения – легко представить при помощи простой модели. Представьте себе круглую мужскую шляпу. Верх ее вдавлен и образует подобие кратера вулкана, окруженного валом. Поля шляпы загнуты вверх. Они словно кольцевой ров вокруг подножия вулкана. Запомните эту шляпу – она нам пригодится.

А сейчас мы познакомимся с ученым по фамилии Хиггс и с хиггсовскими полями.

Хиггсовские поля играют важную роль в эволюции Вселенной. Р. У. Хиггс впервые ввел их в аппарат теоретической физики, чтобы разобраться в существе Великого объединения. Теперь физики твердо усвоили: если хиггсовские поля равны нулю, то при очень высокой температуре три основных взаимодействия (сильное, слабое и электромагнитное), играющие роль в процессах микромира, объединяются между собой. Они становятся неразличимыми и действуют как одна сила, определяющая все процессы микромира. Это и есть знакомое нам Великое объединение. При этом материя, а значит, вещество и энергия находятся в наиболее симметричном состоянии. Если хотя бы одно из хиггсовских полей отличается от нуля, то симметрия нарушается. Причем процесс нарушения симметрии является особым фазовым переходом, подобным переходу воды в лед.

И этот фазовый переход происходит тем быстрее, чем сильнее отличаются от нуля хиггсовские поля. Связь хиггсовских полей со скоростью фазового перехода играет основную роль в сценарии раздувающейся Вселенной. Теперь вспомним нашу шляпу и представим, что это модель Вселенной.

Хиггсово поле равно нулю на оси шляпы – в центре впадины, в ее средней части. И возрастает при удалении от оси. Область ложного вакуума сосредоточена на дне кратера. Ров, окружающий «вулкан», соответствует зоне истинного вакуума. Главная часть энергии ложного вакуума сосредоточена в этой модели у оси кратера. Она много больше плотности энергии в состоянии истинного вакуума, занимающего нижнюю часть кольцевого рва, и в 10⁵⁹ раз превышает плотность энергии внутри атомного ядра. Плотность энергии должна расти при продвижении вверх по стенкам «вулкана». Она максимальна там, где внутренние стенки кратера переходят во внешние, спускающиеся к кольцевому рву, окружающему кратер.

Если бы в начальной стадии рождения Вселенной действовали законы классической физики, то Вселенная осталась бы навсегда в состоянии ложного вакуума – в центре кратера нашей модели. Ведь в этом состоянии в начальный момент сосредоточена вся энергия Вселенной и не существует дополнительной энергии, которая могла бы вывести Вселенную из этого состояния, поднять ее на вал, окружающий кратер, с тем чтобы после этого началась ее дальнейшая эволюция.

Но при огромных плотностях энергии, о которых только что говорилось, законы классической физики уступают место законам квантовой физики. А эти законы допускают самопроизвольный переход энергии за пределы энергетического барьера (вала кратера в нашей модели). Она уходит словно сквозь туннель. В результате такого туннельного перехода небольшие области ложного вакуума оказываются за пределами барьера на наружной поверхности модели.

Процесс туннелирования не следует представлять себе как образование реального туннеля, сквозь который затем начинает протекать содержимое кратера, как вода через отверстие в стенке бака. Процесс туннелирования – это особый квантовый процесс, при котором небольшая порция содержимого кратера исчезает внутри его и возникает вне его. Аналогично происходит, например, радиоактивный распад ядер атомов.

В сценарии Гуса ложный вакуум исчезает внутри кратера малыми порциями. Одновременно эта часть ложного вакуума возникает на внешней стенке вала кратера, возникает за барьером. Эту часть можно представить себе пузырьком ложного вакуума. Но здесь, за барьером, хиггсовское поле существенно отлично от нуля. Поэтому симметрия внутри пузырька оказывается сильно нарушенной. Впрочем, это нарушение возникало и слабо росло еще внутри кратера, когда порция ложного вакуума удалялась от оси кратера к его внутренней стенке, перед тем как пройти сквозь барьер и образовать вне его пузырек.

Родившийся вне кратера пузырек ложного вакуума начинает быстро, со все ускоряющейся скоростью расти, раздуваться, одновременно превращаясь в истинный вакуум так, что плотность энергии в нем быстро уменьшается. На нашей модели это изображается быстрым скатыванием раздувающегося пузырька по внешней поверхности шляпы в кольцевой ров, образованный полями шляпы.

Дно этого рва соответствует истинному вакууму, в который обратится весь пузырек ложного вакуума в конце этого процесса. Объем пузырька при этом колоссально возрастает. Во время раздувания пузырька происходит фазовый переход из симметричного состояния в несимметричное, разрушается Великое объединение.

Расчеты показывают, что темп расширения пузырька увеличивается так быстро, что его диаметр удваивается каждые 10-34 с. Именно это имеют в виду, говоря об инфляционной фазе или раздувании Вселенной. Согласно этой модели раздувание продолжалось всего 10-32 с, но диаметр Вселенной, рождающейся из такого пузырька, за это ничтожное время увеличился более чем в 1050 раз. К концу этого расширения окончательно устанавливается фаза с нарушенной симметрией. В течение фазового перехода, как и при обычном фазовом переходе, колоссальная плотность энергии ложного вакуума выделялась в форме скрытой теплоты перехода, что сопровождалось рождением огромного числа частиц, в которых сосредоточилась выделившаяся энергия. Эти частицы обладали очень высокой температурой и находились в состоянии термодинамического равновесия между собой и с полем, заполняющим пузырек.

В сценарии Гуса, как и в сценарии Старобинского, снимается ряд трудностей стандартной модели. В процессе быстрого и сильного раздувания пространственная структура Вселенной становится практически плоской. А так как Вселенная рождается из маленького пузырька, помещающегося в пределах горизонта событий, то после его раздувания до современных размеров не возникает сомнения в существовании причинно-следственных связей, характеризуемых однородностью реликтового излучения. Сценарий Гуса объясняет отсутствие или крайнюю редкость магнитных монополей: если они и рождаются, то в результате раздувания они теперь окажутся в недостижимом удалении от нас. После подробного анализа Гус пришел к выводу, что его сценарий не только устраняет ряд дефектов стандартного сценария, но и приводит к новым трудностям. Например, вся энергия ложного вакуума, первоначально заполнявшего пузырек, оказывается сосредоточенной в его стенках. А стенки раздуваются со скоростью, близкой к скорости света. Из-за столкновений стенок отдельных раздувающихся пузырьков Вселенная разогревается. А это должно привести к сильной неоднородности Вселенной и к образованию магнитных монополей внутри ее наблюдаемой части, что противоречит результатам астрономических наблюдений.

Возможность преодоления основных трудностей стандартной модели расширения Вселенной привлекла к сценарию Гуса многих физиков. Они искали пути преодоления новых трудностей, возникающих в этом сценарии. К 1983 году в статье Гуса и Э. Вайнберга был подведен итог этих попыток. Итог сводился к тому, что дефекты сценария Гуса неустранимы.

В октябре 1981 года А. Д. Линде и независимо в январе 1982 года А. Альбрехт и Р. Стейнхард опубликовали результаты своих исследований, в которых сценарий раздувающейся Вселенной изменен так, что в нем не возникает трудностей, погубивших сценарий Гуса.

Главное различие достигнуто в результате более точного описания первых этапов; эволюции. Суть этого различия может быть пояснена при помощи видоизменения «шляпы» в рассмотренной нами модели. В первой модели Гуса середина шляпы была сильно вогнута и ее форма напоминала кратер вулкана. В новом сценарии вершина шляпы не вогнута, а имеет в середине почти плоскую, очень слабо выпуклую область. При этом отсутствует барьер, разделяющий ложный вакуум, лежащий на вершине, и истинный вакуум, который занимает кольцеобразное углубление полей шляпы.

При таком видоизменении ложный вакуум превращается в истинный вакуум пне путем туннельного перехода сквозь кольцевой барьер, а» просто скатываясь вниз с вершины. Но это скатывание происходит медленно. Особенно медленно в самом начале скатывания – перехода из симметричного состояния Великого объединения в состояние, где сильные взаимодействия отделяются от электрослабых.

Первоначально большая плотность ложного вакуума порождает огромное отрицательное давление, приводящее к ускоренному расширению Вселенной. Ее размеры и в этом случае тоже удваивались за ничтожно короткие интервалы времени, через каждые 10-34 с.

По мере того как Вселенная переходила к все более крутым местам шляпы, ложный вакуум все быстрее превращался в истинный вакуум. Вследствие этого плотность ложного вакуума и величина его отрицательного давления уменьшались. Соответственно уменьшался темп расширения Вселенной. Расчет показал, что за время ускоренного расширения (раздувания или инфляционного расширения) размеры Вселенной увеличились в те же 1050 раз, как и в первом варианте.

Мы познакомились сейчас лишь с исходной идеей нового сценария эволюции раздувающейся Вселенной. Новый сценарий учитывает то, что ложный вакуум не скатывается с вершины как единое целое. Под влиянием флуктуации первичная Вселенная, находящаяся в состоянии ложного вакуума, распадается на части, которые, расходясь друг от друга независимо по разным путям, скатываются с плоской вершины к состоянию истинного вакуума. «Независимо» означает, что отдельные части при этом никак не взаимодействуют одна с другой. Это связано с известным нам горизонтом событий. Вспомним, что в то время горизонт событий был чрезвычайно мал – около 10^{– 24} см (для сравнения: размер атомного ядра равен 10^{– 13} см).

Каждая порция ложного вакуума, каждый домен независимо от других проходит через описанную выше стадию быстрого расширения, скатываясь в нашей модели своим путем от вершины в нижний ров. Каждая из них расширится так, что в конце быстрого расширения любой из них приобретет размер 10²⁶ см. В этот момент наша видимая Вселенная, размеры которой сейчас составляют 10²⁸ см, имела размеры всего в 10 см и располагалась глубоко в недрах одного из доменов.

В ходе такого быстрого расширения распад ложного вакуума приводит к рождению множества элементарных частиц, совокупность которых нагрета до температуры примерно 10²⁶ К. Эта температура ниже температуры Великого объединения, и рождение таинственных магнитных монополей уже невозможно или, по крайней мере, весьма маловероятно. Если они будут появляться в стадии раздувания, то дальнейшее расширение унесет их вместе со стенками доменов далеко за границы наблюдаемой Вселенной. Это произойдет на следующем этапе, когда эволюция Вселенной происходит в соответствии с известным нам стандартным сценарием. Вселенная расширяется еще в 10²⁷ раз, после чего шарик диаметром в 10 см приобретет современный размер наблюдаемой Вселенной, а стенки домена и монополи отодвинутся в недостижимую даль.

В таком виде сценарий раздувающейся Вселенной устраняет все недостатки ранних этапов стандартного сценария, сохраняя в силе его результаты, подтвержденные опытом (относительная концентрация гелия и водорода, а также температура реликтового излучения).

Но теоретики все еще недовольны. Их не устраивает, что процесс медленного скатывания возможен, только если начальные характеристики первичной Вселенной перед началом скатывания заключены в узких пределах. Подобный перенос нерешенных вопросов к начальным условиям воспринимается физиками как ссылка на бога и должен быть устранен. Ниже мы увидим, что это им удалось.

Из глубин микромира к Вселенной

Для того чтобы приблизиться еще на один шаг к началу начал, необходимо новое продвижение в мир элементарных частиц. Теория Великого объединения не может служить руководством в мире температур, существенно превышающих 1028 К.

Следующий рубеж, отстоящий от начала менее чем на 10^-34 с, характеризуется колоссальной температурой в 1032 К. При этой температуре плотность ложного вакуума достигала 10⁷⁴ грамма на кубический сантиметр, а плотность частиц и античастиц, постоянно рождающихся и исчезающих в этом адском пекле, была еще большей и, возможно, достигала 10⁹⁴ г/см.

В этих условиях сила гравитации, которая сейчас является самой слабой из сил взаимодействия, объединяется с остальными в одну универсальную силу. Ученые называют такое состояние суперсимметричным и иногда говорят о нем как о суперобъединении.

Вспомним, что ложный вакуум, в отличие от всей остальной материи и энергии, обладает внутренним давлением, что приводит к гравитационному отталкиванию. Но в самом начале, когда плотность горячей обычной материи больше плотности ложного вакуума, силы тяготения, порождаемые материей, перевешивали силы отталкивания, создаваемые ложным вакуумом. Поэтому вплоть до момента, отстоящего от начала на 10-34 с, Вселенная расширялась по обычным фридмановским законам.

В ходе такого расширения Вселенной плотность материи уменьшалась, а плотность ложного вакуума оставалась неизменной. Эпоха первоначального расширения закончилась через 10^-34 с после условного фридмановского начала. В этот момент плотность материи сравнялась с плотностью ложного вакуума и продолжала убывать все быстрее. Вместе с плотностью материи убывают и силы тяготения, которые уже не могут противостоять отрицательному тяготению ложного вакуума. Это постоянно действующее внутреннее давление заставляет Вселенную расширяться все быстрее. За ничтожное время, от 10^-34 с до 10^-32 с, все размеры Вселенной увеличились в 1050 раз. При этом температура и плотность обычной материи стремительно уменьшаются и Вселенная становится переохлажденной, практически лишенной обычной материи и наполненной лишь ложным вакуумом. Стремительное охлаждение продолжается до тех пор, когда ложный вакуум теряет устойчивость. Ложный вакуум начинает превращаться в обычную материю, температура которой быстро увеличивается примерно до 1023 К. Это много ниже температуры 1028 К, при которой нарушается Великое объединение и рождаются магнитные монополи. Поэтому они не рождаются, что соответствует опыту, не обнаруживающему их, несмотря на большую чувствительность приборов.

Углубленные исследования начального состояния Вселенной опубликованные советскими учеными в 1985 году, привели к синтезу сценария Старобинского, исходящего из учета квантовых свойств сверхплотного гравитационного поля (учет квантовых эффектов необходим при плотностях материи, соответствующих суперобъединению всех четырех фундаментальных взаимодействий в единое суперсимметричное поле) и нового сценария раздувающейся Вселенной, предложенного Линде.

При этом тоже оказывается, что современная Вселенная – огромная область с радиусом 10²⁸ см, на котором лежит наш современный горизонт событий, – является лишь малой частицей того, что возникло из одного домена ложного вакуума, размер которого в наши дни намного больше горизонта событий и может достигать фантастически больших размеров 10^{10 5} см– (Эта запись означает: десять в стотысячной степени.)

Ученые теперь вынуждены считать эту огромную область мини-вселенной, допуская, что множество других мини-вселенных рождаются из других пузырьков ложного вакуума. Теперь мы должны считать Вселенной весь конгломерат этих мини-вселенных, в одной из которых мы живем.

Необходимо признать, что Вселенная, о которой шла речь выше, в действительности не охватывает всей материи и всего пространства. Мы будем по-прежнему называть Вселенной ту область пространства, ту материю, которую можно наблюдать: эта область лежит внутри сегодняшнего горизонта событий, и ее размеры – около 10²⁸ см.

Ученые, стремящиеся к краткости, поступают так же – это удобнее, чем применять название «мини-вселенная». Термин, предназначенный для определения всей совокупности мини-вселенных, еще не установлен. Может быть, удобно называть мини-вселенные просто вселенными (с маленькой буквы), подобно тому как мы выделяем нашу Галактику от множества других галактик.

Забегая вперед, заметим, что невозможно обнаружить вселенные, лежащие за пределами горизонта событий. Но это не ограничивает человеческое познание, познавательную силу науки. Ученые считают, что законы природы, действующие в нашей Вселенной, справедливы и за ее пределами. Это позволяет теории проникать дальше, чем наблюдательной астрономии. Человеческая мысль не ограничена даже горизонтом событий.

Следует обратить внимание на преемственность результатов, получаемых на каждом этапе развития науки. Все совпадающее с опытом сохраняется, все противоречащее опыту отбрасывается.

Ученые теперь думают о том, что происходило при временах меньших, чем 10^-45 с. Они считают, что тогда распадалось на кванты само время и пространство. Как это происходило и сохранились ли до наших дней какие-либо реликты – остатки этой эпохи, – можно только гадать.

Однако знания, уже полученные учеными, приводят к выводу о том, что теория справилась с главной трудностью познания прошлого. В эволюции Вселенной не было состояния, когда вся она была сжата в бесконечно малом объеме, когда плотность и температура должны были быть бесконечно большими.

Новые знания устранили и трудность, вызванную необходимостью жестко задавать начальные условия. Огромный масштаб ускоренного расширения не требует точных знаний того, что было до начала расширения. Эволюция Вселенной не зависит от того, началось ли расширение с размера 10^{– 24} см или с еще меньшего размера. Но можно с уверенностью сказать, что на этом рубеже она находилась в чрезвычайно плотном и горячем состоянии.

Ученым удалось понять состояние Вселенной до момента, отстоящего всего на 10^-34 с от условного фридмановского начала, проследить за ее переходом от этапа, начавшегося в момент 10^-34 с, вплоть до момента 10^-3 с, когда Вселенная вступила в зону стандартного сценария. Его достоверность подтверждена результатами наблюдений. Один из рубежей определил относительное содержание гелия 25–30 % и водорода 75–70 % с ничтожным содержанием остальных химических элементов; второй – определил температуру реликтового излучения, составляющую 2,7 К.

Мы подошли вслед за учеными вплотную к началу начал. Теперь следует посмотреть, как развитие науки сказалось на наших знаниях о современной Вселенной, ее недалеком прошлом и вероятном будущем.

К нашему времени

Оглянемся назад. Мы проследили за эволюцией Вселенной от момента, отстоящего на 10^-34 с от начала эволюции, если за стартовый момент принять условное начало фридмановского решения уравнений Эйнштейна. Мы знаем, что в действительности Вселенная родилась не из бесконечно малой точки, но о сверхранних этапах ее эволюции еще ничего не известно. Мы знаем лишь то, что тогда все четыре взаимодействия были слиты воедино, материя и энергия тоже слились и стали неразличимы, а температура превосходила 10³² К. Затем Вселенная равномерно расширялась «по Фридману» до тех пор, пока из-за этого расширения плотность материи не стала малой. На рубеже этой эпохи внутреннее давление ложного вакуума пересилило силу гравитации и расширение Вселенной стало ускоренным. Она расширялась все быстрее, пока ложный вакуум не потерял устойчивости. Тогда из него заново родилась горячая материя с температурой около 10²³ К, а расширение снова стало фридмановским и осталось таким до сих пор. Скорость этого расширения медленно убывает под действием силы тяготения, температура продолжает неуклонно падать. Мы проследили эту стадию до тех пор, пока температура не упала примерно до 4000 К. Возраст Вселенной тогда лежал в пределах от 500 000 до 700 000 лет. При температуре в 4000 К электроны соединились с ядрами водорода и гелия, образовав нейтральные атомы. Вселенная, наполненная нейтральным газом, стала практически прозрачной для излучения. Фотоны и вещество продолжали расширяться вместе с расширяющимся пространством, но уже независимо.

Мы знаем, что, продолжая расширяться, излучение остывало и его современная температура, температура реликтового излучения, в нашу эпоху стала равной 2,7 К.

Теперь пора узнать, как происходило дальнейшее расширение вещества, которое в то время состояло на 3/4 из водорода и на 1/4 из гелия с ничтожной примесью тяжелого водорода – дейтерия и легкого изотопа гелия-3 и двух изотопов: лития-6 и лития-7. Все остальное вещество и антивещество, как мы знаем, аннигилировало задолго до того, породив кванты излучения – фотоны. Осталось еще множество нейтрино, которые перестали взаимодействовать с остальным веществом на ранних этапах эволюции Вселенной. Существенно, что к тому времени пространство было очень однородно заполнено излучением и веществом.

Теперь полезно еще раз вспомнить Ньютона, который 300 лет назад понял, что вещество, равномерно распределенное в пространстве, не может вечно оставаться в этом состоянии. Если пространство конечно, писал Ньютон, то под действием тяготения все вещество собралось бы в большую сферическую массу в середине этого пространства. Если же пространство бесконечно, то должно образоваться бесконечное количество таких больших масс, разбросанных далеко друг от друга.

Мы знаем, что этот же вывод сохраняется и в Общей теории относительности. Гравитационные силы, силы тяготения, действовали с самого начала эволюции Вселенной. Но на ранних стадиях образованию комков вещества препятствовало внутреннее давление ложного вакуума. А до стадии быстрого расширения и после нее, когда Вселенная была раскаленной и непрозрачной для излучения, сжатию препятствовало давление излучения.

Только после того как при 4000 К вещество стало прозрачным для излучения, дальнейшая эволюция Вселенной начала протекать под преимущественным влиянием гравитации.

В соответствии с мнением Ньютона, малые случайные увеличения плотности вещества начали притягивать соседнее вещество, все больше увеличивая избыточную плотность.

Астрономические наблюдения позволили установить три характерные особенности структуры современной Вселенной (речь идет только о видимой части Вселенной размером 10²⁸ см).

Первая особенность: если оценивать распределение вещества по огромным частям Вселенной размером в сотни миллионов световых лет (около 3 10), то оно оказывается в среднем однородным.

Вторая особенность: галактики, подобные той Галактике, в которой находится Солнце и мы с вами, распределены в пространстве неоднородно. Они отчетливо группируются в еще более крупные структуры – скопления галактик и сверхскопления.

Третья особенность: наряду с этими сверхскоплениями галактик во Вселенной существуют огромные области, где нет ни галактик, ни скоплений галактик.

Эти «пустые» области окружены сверхскоплениями так, что распределение вещества во Вселенной напоминает нерегулярные пчелиные соты. Стенки их образованы сверхскоплениями, там, где встречаются грани этих стенок, в ребрах «сот», плотность галактик особенно велика. Внутри «сот» нет галактик.

Теория, способная правильно описать возникновение неоднородностей в изначально однородной Вселенной, основана на фундаментальном исследовании, опубликованном советским физиком-теоретиком Е. М. Лифшицем в 1946 году. Эта работа выполнена до открытия реликтового излучения (1964 год) и до всеобщего признания теории Большого взрыва.

Теория Лифшица осталась справедливой и в наши дни. Изменились лишь величины, которые следует подставлять в его уравнения. Теперь это должны быть величины, учитывающие современный сценарий эволюции Вселенной и, в частности, роль нейтрино, которые рождались на самых начальных этапах эволюции и затем, на первых секундах эволюции Вселенной, потеряли контакт с остальной материей.

Теперь мы возвратимся к скрытой массе, которую все чаще называют темной массой.

Массу многих скоплений галактик можно определить, наблюдая, как распределены в пространстве и как движутся входящие в них галактики.

Можно поступить иначе: определить массу типичной галактики и умножить ее на количество галактик, входящих в скопление.

Естественно предположить, что при тщательных астрономических наблюдениях и правильных вычислениях оба пути приведут к одинаковому результату.

Но это не так. Первый способ – непосредственное определение массы скопления галактик из наблюдений их вращения – дает в десять – двадцать раз большее значение, чем второй, основанный на суммировании.

Это значит, что в состав скопления галактик входит масса, не поддающаяся непосредственному наблюдению.

Такое же расхождение получается при определении массы типичной галактики. Если вычислять ее по наблюдениям движения входящих в нее звезд, то результат в десять – двадцать раз превышает тот, что получается умножением массы типичной звезды на количество звезд в галактике.

Наблюдения, на основе которых выполнены эти вычисления, очень сложны и трудоемки, точность их невелика. Но наличие скрытой массы, в двадцать – тридцать раз превышающей по величине видимую массу, теперь признается большинством астрофизиков.

До 1980 года проблема скрытой массы казалась неразрешимой. Оценки показывали, что масса, порожденная энергией одного реликтового фотона, составляет 10^-36 грамма. В нашу эпоху в каждом кубическом сантиметре пустого пространства содержатся около 500 таких фотонов. Значит, плотность массы реликтового излучения составляет около 5 10^-34 грамма на кубический сантиметр. Это примерно в 2000 раз меньше средней плотности обычного вещества во Вселенной. До 1980 года большинство физиков считало, что нейтрино движутся со скоростью света, а следовательно, их масса покоя, как и масса покоя фотона, равна нулю. Средняя масса, связанная с движением реликтовых нейтрино, а их около 150 в каждом кубическом сантиметре, оценивалась приблизительно в 1,5 10^-34 грамма в кубическом сантиметре. Таким образом, вычисления показывали, что доля фотонов и нейтрино в образовании скрытой массы пренебрежимо мала.

Однако Зельдович и некоторые другие физики давно указывали на некоторый произвол гипотезы о том, что нейтрино не имеет массы покоя. Эта гипотеза была предложена «изобретателем» нейтрино Паули как самая простая. (Паули сделал вывод о существовании нейтрино для того, чтобы ликвидировать кажущееся нарушение законов сохранения энергии и движения (импульса) в процессе радиоактивного бета-распада.) Зельдович писал, что гипотеза об отсутствии массы покоя у нейтрино не следует из фундаментальных законов природы. Что при помощи нейтрино, имеющего небольшую массу покоя, можно с успехом свести концы с концами в балансе энергии и импульса при бета-распаде.

Постепенно все больше ученых начало склоняться к тому, что нейтрино обладают небольшой массой покоя. Экспериментаторы начали ставить сложные опыты, с тем чтобы проверить, какая из возможностей реализуется в природе. Первые сообщения об открытии и измерении массы покоя нейтрино, рождающихся при бета-распаде, подвергались придирчивой критике противников существования этой массы и оказывались неубедительными.

Наконец весной 1980 года группа сотрудников Института теоретической и экспериментальной физики АН СССР, руководимая В. Любимовым и Е. Третьяковым, опубликовала результаты многолетних наблюдений. Они с большой достоверностью свидетельствуют о том, что нейтрино, рождающиеся вместе с электронами или позитронами, действительно имеют массу покоя. Их масса оценена приблизительно в 6– 10^-32 грамма – примерно в 200 раз больше, чем средняя плотность массы, обусловленной движением всех нейтрино, пролетающих ежесекундно через объем, равный одному кубическому сантиметру, если по-прежнему считать, что нейтрино лишены массы покоя. Величина массы покоя нейтрино еще подлежит уточнению. Опыты очень сложны. Но сам факт, по-видимому, установлен надежно.

Физики знают, что, кроме электронных нейтрино, существует еще два сорта нейтрино. Уже появились сообщения об измерениях, показавших, что и их массы покоя отличны от нуля.

Это значит, что нейтрино движутся со скоростями, меньшими скорости света, что скорости реликтовых нейтрино уменьшаются по мере расширения Вселенной.

Все это играет большую роль в эволюции Вселенной.

Советские физики С. Герштейн и Зельдович еще в 1966 году, исходя из мнения о том, что нейтрино могут иметь массу покоя, обсуждали вопрос о том, как это проявилось бы в эволюции Вселенной. После 1980 года обсуждение этого вопроса опирается на опытный факт.

Роль нейтрино оказывается решающей, несмотря на то что масса нейтрино в 4 10⁷ раз меньше массы протона. Но во Вселенной в среднем их в 109 раз больше, чем протонов. Мы говорим «в среднем», потому что протоны сосредоточены главным образом в небесных телах, а нейтрино рассеяны по всей Вселенной, хотя и не равномерно.

Расчет, основанный на этих двух цифрах, показывает, что общая масса всех нейтрино в 10–30 раз превышает общую массу всего остального вещества. Так решилась загадка скрытой массы, которую мы обсуждали выше. Это значит, что сила тяготения, гравитация, обусловленная нейтрино, играет основную роль при расширении Вселенной, тормозя его. Нейтрино доминируют в расширении Вселенной потому, что масса, скрытая в остальном веществе, составляет от 3 до 10 процентов общей массы. Это лишь примесь к главной массе – совокупной массе нейтрино.

Можно считать случайным, что вычисление средней плотности массы нейтрино дает приблизительно 10^-29 грамма на кубический сантиметр. Эта величина многозначительна – она совпадает с критической плотностью, определяющей судьбу Вселенной Фридмана – Эйнштейна. Но нельзя отмахнуться от того, что именно к этой величине приводят все современные варианты сценариев эволюции Вселенной. Уточнение величины массы всех трех сортов нейтрино решит вопрос о том, будет ли Вселенная расширяться вечно. Или гравитация совокупной массы нейтрино через миллиарды лет остановит ее расширение и превратит его в последующее сжатие, а это закончится грандиозным коллапсом – Вселенная вновь сосредоточится в ничтожном начальном объеме.

Теперь мы готовы вместе с учеными проследить за ходом эволюции Вселенной после того, как она стала прозрачной для реликтового излучения. После этого рубежа должны были сформироваться галактики и звезды. Но ученые не могли продвинуться за этот рубеж столь же уверенно, как они подошли к нему, все более удаляясь от Большого взрыва. Самые современные сценарии требовали искусственных предположений для того, чтобы избежать противоречий с наблюдениями астрофизиков.