6. Проблемы физики современной Вселенной.

 

Синтез теории тяготения Эйнштейна с физикой элементарных частиц является доминирующей теоретической концепцией современной космологии. В рамках этой концепции устанавливается взаимосвязь между макроскопическими свойствами Вселенной в целом и микроскопическими свойствами вакуума и элементарных частиц. В Разделе 4 мы рассказали о том, к каким знаниям и новым проблемам приводит анализ космологических следствий существующей теории элементарных частиц. Специфические явления, предсказываемые фундаментальной физикой, в основном, обусловлены перестройками вакуумных структур в процессах релятивистских фазовых переходов. Эти переходы испытывают системы с высокой плотностью энергии при температурах 200 МэВ, 100 ГэВ и выше. В области более низких температур космологическая плазма по своим свойствам очень быстро приближается к плазме, хорошо изученной в лаборатории. Впрочем, делая такое утверждение, мы предполагаем, что СМ дает исчерпывающее описание природы, и в области низких энергий не существует никаких стабильных физических объектов, не описываемых СМ. Казалось бы, если бы такие стабильные объекты существовали в природе, мы бы их давно обнаружили в лабораторных экспериментах. СМ в конце ХХ века получила статус адекватной фундаментальной физической теории именно потому, что оказалась способной интерпретировать все результаты, полученные до настоящего времени на ускорителях элементарных частиц.

Драматизм современной ситуации состоит в том, что лабораторных экспериментов в области физики высоких энергий и их теоретического осмысления оказалось недостаточно для синтеза космологии и микрофизики. Космологические наблюдательные данные, о которых мы расскажем в этом разделе, явно свидетельствуют о неизбежности выхода за пределы существующей теории вакуума и элементарных частиц. Особенность этих данных состоит в том, что они относятся не к области высоких энергий, не к малым пространственно-временным масштабам, а, напротив, к явлениям, происходящим на астрономически больших масштабах и при низких энергиях.

 

 

6.1.Темная материя.

 

Если бы СМ исчерпывающим образом описывала мир элементарных частиц, то основными носителями массы в современной Вселенной были бы барионы, а на долю электронов, фотонов и безмассовых нейтрино приходилась бы пренебрежимо малая часть общей массы и энергии Вселенной. Подавляющая часть барионной компоненты мира, очевидно, собрана в звездах, поэтому, казалось бы, достаточно пересчитать звезды и измерить их массы в некотором доступном участке Вселенной (содержащем, тем не менее, много галактик), разделить полную массу на объем и в результате найти среднюю плотность вещества во Вселенной. Средняя плотность вещества, согласно уравнениям Эйнштейна, определяет скорость расширения Вселенной (постоянную Хаббла). Далее остается сравнить экспериментально найденное значение плотности с величиной экспериментально измеренной постоянной Хаббла и убедиться в правильности наших представлений о Мире. Но именно здесь нас и поджидает сюрприз: оказывается, эти экспериментальные данные совершенно не согласуются друг с другом. Следовательно, должны существовать некоторые дополнительные носители энергии, ускользающие от прямых астрономических наблюдений в оптическом и радиодиапазонах. Эти загадочные невидимки, природа которых до сих пор неизвестна, и получили название темной материи.

О существовании темной материи свидетельствует не только вышеописанный космологический тест, но и целый ряд других фактов наблюдательной астрономии. К ним можно отнести некоторые особенности динамики звезд внутри галактик, динамики галактик внутри скоплений и, наконец, динамики скоплений внутри сверхскоплений. Фундаментальное значение имеет то обстоятельство, что скорость движения объектов внутри гравитационно-связанной системы определяется величиной гравитационного поля, а эта величина, в свою очередь, зависит от количества объектов, входящих в систему. Поэтому, например, если мы пересчитаем все звезды в галактике и зафиксируем их пространственное распределение, то сможем восстановить величину гравитационного поля и теоретически предсказать скорости движения звезд в самосогласованном гравитационном поле. Подчеркнем, что измерения скоростей и измерения количества и распределения звезд в галактике являются независимыми. Но они обязаны быть согласованными друг с другом, если правильны законы гравитации. Парадокс состоит в том, что результаты этих измерений не согласуются друг с другом. Эта несогласованность имеет место на всех уровнях космологических структур, начиная с галактик. На уровне планетных систем все согласуется. Для нашей Галактики гравитационное поле в среднем должно быть примерно в два раза сильнее, чем поле, восстановленное из распределения звезд. Так как законы теории гравитации проверены с высокой точностью и в лабораторных экспериментах, и на уровне планетных систем, то нет оснований предполагать, что в масштабах галактик действуют какие-то другие законы гравитации. Поэтому у нас остается только один способ разрешения парадокса – предположить, что половина вещества Галактики находится в невидимом состоянии, т.е. состоит из таких частиц, которые не могут излучать фотоны (название «темная материя» как раз и отражает ее неспособность взаимодействовать с фотонами). Аналогичные исследования на уровне скоплений галактик показывают, что в скоплениях доля невидимого вещества составляет уже около 90%. На уровне сверхскоплений – более 95%, при этом на долю барионной компоненты приходится лишь от 3 до 5%. Этот факт означает, что в действительности мы не знаем, из чего состоит Вселенная. Известные энергоносители несут лишь несколько процентов массы и энергии Вселенной. Нам известна лишь общая закономерность: чем меньше масштаб структуры, тем меньше в ней темной материи (например, в состав планеты Земля темная материя, по-видимому, вообще не входит). Чем больше масштаб структуры, тем большую роль играет темная материя: в самых больших структурах – в сверхскоплениях галактик – обычное вещество есть лишь слегка заметная (по массе) компонента, распыленная по громадному облаку материи неизвестной природы.

Проблема установления физической природы темной материи (ТМ) – это, по-видимому, самая актуальная проблема теоретической и экспериментальной космологии. Эта проблема очень сложна и далека от решения. Единственное, что сегодня можно утверждать – решение надо искать в физике вакуума и элементарных частиц. Как уже отмечалось, существующая теория элементарных частиц (СМ) не справляется с этой задачей. Попытка сохранить СМ возможна только в рамках гипотезы, что ТМ имеет все-таки барионную природу, например, находится в форме тяжелых темных планет, невидимых в астрономических наблюдениях. Эта гипотеза, однако, вступает в противоречие с одним из наиболее надежных результатов теоретической и наблюдательной космологии. Дело в том, что от концентрации барионов зависит результат нуклеосинтеза. Как уже обсуждалось выше, и в согласии с данными о химическом составе Вселенной, находится именно то количество барионного вещества, которое соответствует видимой материи.

Первый шаг за пределы СМ, непосредственно связанный с проблемой темной материи, – обращение к гипотезе массивных нейтрино. Предполагая существование малой, но отличной от нуля, массы нейтрино мы, тем не менее, сохраняем все предсказания СМ относительно свойств взаимодействий нейтрино друг с другом и с другими частицами. В этом случае данные о постоянной Хаббла жестко ограничивают возможные значения характерной массы нейтрино, усредненной по трем нейтринным поколениям: средняя нейтринная масса не может превышать 10 эВ. В масштабах физики элементарных частиц это очень малая величина, ближайший к нейтрино по массе электрон примерно в 50000 раз тяжелее. Поэтому обращение к гипотезе массивных нейтрино сразу порождает вопрос, какова физическая природа такого сильного отщепления нейтрино в спектре масс элементарных частиц?

Поиски ответа на этот вопрос привели к расширению СМ, включению в теорию частиц новых гипотетических объектов – так называемых тяжелых майорановских нейтрино. Эти частицы так же слабо взаимодействуют с другими частицами, как и обычные нейтрино, но имеют очень большую (больше 100 ГэВ) массу покоя, к тому же являются нестабильными. Принципиальное значение в разработке этой гипотезы имеет специфическое внутреннее свойство квантовой теории поля, как логико-математической системы – оказывается, что квантовые поля обычных нейтрино «чувствуют» существование в пространстве-времени квантовых полей тяжелых нейтрино. Реакция обычных нейтрино на существование своих тяжелых аналогов, выражается в том, что обычные нейтрино «не желают» больше оставаться безмассовыми, они приобретают хоть и малую, но отличную от нуля массу покоя. В теоретических моделях описанного типа обычно предполагается, что масса покоя обычных нейтрино лежит в интервале 1-10 эВ.

Физика массивных нейтрино очень многообразна и интересна. Последовательная разработка этой теории естественно приводит к гипотезе о существовании новых взаимодействий (то есть новых типов расслоений пространства-времени), к необходимости исследования этой гипотезы в рамках суперструнных и преонных программ, в которых новые массивные нейтрино и новые взаимодействия возникают как следствие самых фундаментальных законов природы. Судьей этой теории, конечно, рано или поздно станет физический эксперимент. Сегодня можно лишь отметить, что гипотезы о новых тяжелых нейтрино, о малых массах обычных нейтрино, о соответствующих новых взаимодействиях очень хорошо укладываются в следствия из теории суперструн.

Однако гипотеза о том, что масса ТМ полностью содержится в массивных нейтрино, уже сегодня вступает в противоречие с данными о крупномасштабной структуре Вселенной. Отмечая это противоречие, мы не имеем в виду, что масса покоя нейтрино обязана быть нулевой, она просто должна быть существенно меньше 10 эВ, допустим, порядка 1 эВ. Поясним, почему массивные нейтрино не могут решить проблему ТМ. Основное, что необходимо учитывать – если подавляющая часть массы Вселенной находится в состоянии ТМ, то гравитационная неустойчивость, приводящая к образованию гравитационно-обособленных структур, прежде всего в ней и должна развиваться. Обычное же барионное вещество, которого очень мало по сравнению с ТМ, способно только реагировать на неоднородности ТМ. Но ТМ становится неустойчивой, когда давление внутри нее, препятствующее ее гравитационному сжатию, становится малым (такая темная материя называется холодной). Нейтрино не может быть холодной темной материей. Действительно, массы обычных стабильных нейтрино не могут превышать 10 эВ, именно это значение определяет величину температуры, ниже которой нейтрино становятся медленными нерелятивистскими частицами. Только при низких температурах нейтринный газ, имеющий при этом малое давление, оказывается способным к гравитационной фрагментации. Однако температура порядка энергии покоя нейтрино близка к температуре рекомбинации, поэтому нейтринный газ гравитационно неустойчив в районе той критической точки, в которой реликтовое излучение становится динамически независимым от барион-электронной компоненты. Последнее означает, что космологического времени для развития неустойчивостей в нейтринном газе не много, и эти неустойчивости не успели бы развиться в крупномасштабные структуры вплоть до современной эпохи существования Вселенной.

Таким образом, продолжая искать объяснение природы ТМ среди новых частиц, необходимо сразу указать три условия, которым такие частицы должны удовлетворять:

1) частицы, составляющие ТМ, очень слабо взаимодействуют с известными частицами;

2)массы новых частиц очень велики (десятки и сотни ГэВ);

3) эти частицы стабильны, по крайней мере, время их жизни не меньше возраста Вселенной.

Последнее условие сразу исключает вышеописанные нестабильные майорановские нейтрино из числа кандидатов на роль ТМ.

Носители массы ТМ, удовлетворяющие всем трем условиям, принято называть английской аббревиатурой WIMP – слабо взаимодействующие массивные частицы (Weak Interacted Massive Particles). При температурах, меньших массы покоя вимпа, давление в газе вимпов мало и, следовательно, этот газ становится гравитационно-неустойчивым задолго до рекомбинации. Следовательно, пространственно неоднородные возмущения в этом газе имеют достаточно много космологического времени для своего роста. При массе вимпов порядка 100 ГэВ они успевают привести к образованию крупномасштабной структуры Вселенной примерно к моменту времени 1 млрд. лет от Большого Взрыва. Именно эта теоретическая оценка соответствует наблюдательным данным о времени образования крупномасштабной структуры.

Очевидно, что в СМ стабильных вимпов нет. Таким образом, решение проблемы ТМ непосредственно связано с поиском новой физики за пределами СМ. В первой части книги мы подробно обсуждали варианты новой физики, и отметили, что наиболее разработанной концепцией новой физики на сегодня является концепция суперсимметрии (СУСИ). В этой теории каждой известной частице (бозону или фермиону) соответствует суперсимметричный партнер, причем партнерами известных бозонов являются новые фермионы, фермионам соответствуют новые бозоны. Так как суперсимметричные партнеры пока не наблюдаются в ускорительных экспериментах, необходимо предположить существование сильного нарушения СУСИ в спектре масс, т.е. суперпартнеры должны быть очень тяжелыми. Далее следует отметить очень важное внутреннее свойство СУСИ теории – среди суперпартнеров известных частиц одна частица обязана быть абсолютно стабильной. Если теперь учесть экспериментальные ограничения на ее массу и космохимические ограничения на существование новых электрически заряженных частиц, то сразу обнаружим, что СУСИ предсказывает появление электрически нейтрального абсолютно стабильного вимпа. То есть в теории появляется именно тот объект, который, казалось бы, элегантно разрешает проблему возникновения ТМ и заодно порождает новую физику за пределами СМ. Однако не все так просто – дело в том, что хотя вимп действительно очень слабо взаимодействует с обычным веществом, но все же это взаимодействие есть. Поэтому такую форму ТМ можно зарегистрировать экспериментально. Примерно половина массы галактики приходится на вимпы, так что вокруг нас их достаточно много. Таким образом, зная заранее свойства вимпов, предсказываемые СУСИ, и зная примерное количество вимпов вокруг нас, можно построить детектор и постараться обнаружить вимпы в земных экспериментах. Не знаем мы только массы вимпов. А от ее величины зависит интенсивность взаимодействия вимпов с обычным веществом. Попытки найти вимпы совершаются уже давно, но все, что имеется на сегодня, это ограничения на их массу – более 1 ТэВ. По-видимому, в дальнейшем их либо обнаружат, либо ограничения на массы отодвинутся еще дальше. Было бы очень интересно обнаружить космический галактический вимп. Тогда, если бы его масса была не более нескольких ТэВ, была бы возможность в ближайшее десятилетие искусственно создать его в ускорительных экспериментах. После этого можно было бы считать загадку ТМ разгаданной. Однако, если ограничения на массы превысят 10 ТэВ, ситуация будет крайне дискомфортна. Напомним, что один из аргументов в пользу СУСИ есть возможность точного сведения бегущих «констант» электромагнитного, сильного и слабого взаимодействий в одной точке 10¹⁶ ГэВ при условии, что массы суперпартнеров не превышают 1 ТэВ. Если же ограничения на массу существенно выше и суперчастицы не будут найдены до 10 ГэВ, то сама концепция СУСИ потеряет свою привлекательность

Кроме вимпов, теория элементарных частиц предлагает еще несколько вариантов объяснения природы ТМ. Среди них, прежде всего, нужно отметить теневой мир, предсказываемый теорией суперструн. Согласно ей, частицы с массой, меньшей планковской, образуют два семейства, в каждом из которых имеются свои собственные электромагнитные, слабые и сильные взаимодействия. Происходит своеобразное удвоение мира, а мы живем в одной из его половин. Такой теневой «двойник» с нашим миром может взаимодействовать только гравитационно, так что фотон, испущенный теневой материей, только ею же может и поглотиться. Известная же нам материя к теневым фотонам нечувствительна. То же относится и к переносчикам других взаимодействий. Правда, нельзя говорить, что теневой мир в точности похож на наш, если бы это было так, то обычной и теневой материи в мире было бы поровну, мы же знаем, что ТМ во Вселенной переносит примерно 95% массы. Так что зеркальная симметрия между мирами нарушена. Есть и другие трудности гипотезы о теневом мире, в частности, нужно понять, почему теневая материя менее структурирована, чем обычная. Данные наблюдательной астрономии не свидетельствуют о существовании в теневом мире крупномасштабных структур, полностью аналогичных нашим, т.е. теневых звезд, галактик, скоплений.

К проблеме установления природы ТМ можно подойти и с совершенно другой стороны. Специфика нашего мышления состоит в том, что мы для объяснения явлений природы ищем, прежде всего, механические модели или, по крайней мере, модели, чем-то напоминающие механические. Попытки понять природу ТМ с позиций гипотезы о существовании тяжелых слабо взаимодействующих частиц как раз и представляют собой попытки построения квазимеханической модели, хотя, конечно, само понятие элементарной частицы существенно не механическое.

Другой путь основан на поиске вакуумных структур, способных исполнять роль ТМ. Отметим, что на этом пути физиками сделаны лишь первые шаги. Постараемся пояснить суть этого подхода, обратившись, прежде всего, к свойствам ХК. Мы уже отмечали, что происхождение и природа ХК связаны с регулярной деформацией слоистой структуры пространства-времени, отвечающей слабым взаимодействиям. Эта деформация осуществляется физическим полем специфической природы, которое и называется хиггсовским полем. В отличие от других полей это поле не представимо в виде взаимодействующих друг с другом квантованных волн, наложенных на пустоту. У него имеется так называемая конденсатная компонента, которую образно можно представить как однородную «жидкость», разлитую по всему пространству. Квантованные волны (хиггсовские бозоны) являются возбуждением этой «жидкости», а сама однородная «жидкость» соответствует основному вакуумному состоянию с наименьшей энергией. При анализе этой картины возникает следующий вопрос: возможно ли в этой хиггсовской «жидкости» существование возбуждений в виде уединенных стабильных волн – солитонов?

Отметим, что этот вопрос возник на основе наших знаний об обычной жидкости. Нам известно, что если жидкость не подвергать внешним воздействиям, то ее основное состояние (с наименьшей энергией) представляет собой однородную недеформированную среду. Малые возмущения жидкости мы воспринимаем как звуковые (акустические) волны. А сильные возмущения, когда изменения плотности жидкости становятся сравнимы с самой плотностью – как ударные волны. Именно с этими типами волн мы и встречаемся в макроскопической практике. Но оказывается, что кроме этих двух типов движений есть еще один тип – солитоны. Солитон – это уединенная волна конечной амплитуды, она не является малым возмущением, но это и не ударная волна, для которой характерны разрывы в плотностях или сильная иррегулярность плотности типа разрыва, где области сильного сжатия соседствуют с областями разрежения. Солитон по величине амплитуды близок к ударным волнам, но из-за отсутствия разрывов плотности близок и к акустическим волнам. Можно сказать, что солитон есть особый тип движения, который невозможно сформировать наложением друг на друга акустических импульсов. Волновой пакет, построенный из акустических колебаний, в процессе распространения меняет форму, среди многих причин изменения формы есть и зависимость затухания акустических волн от их частоты. Так что солитон – это волновое возбуждение, которое, во-первых, не меняет своей формы в процессе распространения и, во-вторых, является практически не затухающим возбуждением. Кратко говоря, это особый тип нелинейных движений. Рождение и распространение солитонов в жидкости изучено и теоретически, и экспериментально.

Вернемся, однако, к хиггсовской «жидкости». Возможно ли в ней существование солитонов? Оказалось, что в принципе на этот вопрос можно ответить положительно. Физически солитон в ХК представляет собой эффект локальной перестройки хиггсовского вакуума, когда некоторая ограниченная область пространства обладает иными импульсно-энергетическими свойствами по сравнению с окружающими областями, но не допускает интерпретации в виде суперпозиции квантованных волн, то есть ХБ. Основная теоретическая проблема при этом, установить, при каких условиях такое солитонное возбуждение будет устойчивым. Эту проблему надо анализировать с позиций физики вакуума. Напомним, что вакуум – это материальная среда, которая является носителем многочисленных количественных характеристик. Мы привыкли использовать для описания систем частиц такие понятия, как барионный заряд, лептонный заряд, электрический заряд и другие. Всеми этими характеристиками, используемыми для описания частиц (кроме электрического заряда), может обладать и вакуум. Когда обсуждалась барионная асимметрия, именно на это мы и обращали внимание. Мы также отмечали, что единая система вакуума и элементарных частиц обладает еще одним набором характеристик – квантовыми топологическими числами. Эти параметры также входят в законы сохранения, наряду с характеристиками типа барионного заряда. Так вот, для устойчивости вакуумного солитона необходимо, прежде всего, снабдить его сохраняющимися зарядами, или топологическими числами. Сохранение некоторого специфического солитонного квантового числа нужно, чтобы он не «рассосался», бесследно распавшись на хиггсовские бозоны, чтобы этому распаду препятствовали законы сохранения. Впрочем, и этого недостаточно для устойчивости солитона. Например, если вакуумный солитон обладает барионным зарядом, и нет каких-либо других запретов, он мог бы распасться на неравное число барионов и антибарионов. Такой распад можно запретить двумя способами: либо энергию солитона сделать меньшей, чем утроенная масса нуклона, либо приписать солитону еще какое-либо сохраняющееся квантовое число, которого у системы частиц быть не может. Реально речь идет о поиске солитонов именно второго типа.

Что же это за новые квантовые числа? Нужно отметить, что понять их природу удается скорее с чисто математических позиций, чем с качественно физических. Физика явления в данном случае состоит в том, что солитон есть особая вакуумная конфигурация, приобретающая устойчивость за счет взаимодействий между элементами своей собственной структуры. Дальше все определяется математическими свойствами этого самодействия. В этом случае мы переходим к математическим свойствам нелинейных систем. Самая отличительная особенность нелинейных динамических систем состоит в том, что их динамическая эволюция во времени описывается не только так называемым общим решением, но и конечным набором особых решений. Каждое частное решение нелинейного уравнения задается конкретными начальными условиями и, плавно их меняя, можно тоже плавно изменять степень возбуждения динамической системы. Общее решение содержит в функциональной форме все такие решения, то есть, имея общее решение, можно из него получить любое частное. Особые же решения не сводятся ни к какому частному решению, они возникают, как дополнительные решения нелинейных динамических уравнений, реализующиеся при строго определенных начальных условиях. Классификация особых решений, их перечисление осуществляются с помощью дополнительного дискретного параметра, который часто называют квантовым топологическим числом. Это вовсе не те квантовые топологические числа, которые использовались при описании непертурбативного КХД вакуума. Сходство терминов не означает их идентичности с физической и математической точек зрения. Эти солитонные топологические числа и выступают в роли сохраняющихся квантовых чисел, препятствующих распаду солитонов. Если теперь мы предположим, что во Вселенной существует множество солитонных возбуждений хиггсовского вакуума, то получим солитонно-вакуумную модель ТМ. Правда, для того чтобы полученная солитонная подсистема была на самом деле «темной», нужно чтобы взаимодействие солитонов с обычным веществом было очень слабым. В принципе этого можно добиться в существующих моделях элементарных частиц.

Вакуумно-солитонную природу ТМ можно ожидать в различных суперсимметричных теориях, где имеется значительное число скалярных полей, выступающих в роли суперпартнеров известных физических полей. Уже появился и специальный термин – superball, то есть супершар или суперболл. Этот объект представляет собой вакуумный «шар», существование которого предсказывается СУСИ-теориями. Это направление деятельности представляется довольно перспективным с позиций суперструнной программы, предполагающей наличие суперсимметрии. Правда, нужно понимать, что суперболлы отнюдь не стерильные объекты, и все-таки, хотя и слабо, они взаимодействуют с известными частицами. Довольно легко понять, чем обусловлено существование таких взаимодействий. Мы уже отмечали, что количественные характеристики частиц, например, их массы, в значительной мере определяются взаимодействием частиц с вакуумом. Поэтому, если суперболл движется по пространству, то в процессе движения внутри него оказываются частицы, и они обязаны изменить свои характеристики, в том числе и энергетические. Этот эффект, в принципе, наблюдаем. Поэтому верна или нет гипотеза о существовании суперболлов, в конечном счете, будет выяснено экспериментально. Таким образом, проверка любой гипотезы о природе ТМ есть вопрос эксперимента.

Можно ли придумать еще что-то кроме вимпов и суперболлов? Можно. Есть еще одна гипотеза – это солитоноподобные возмущения тех расслоений пространства-времени, которые мы сопоставляем хромодинамическому взаимодействию в КХД, или метахромодинамическому и субметахромодинамическому взаимодействию в преонных теориях. Однако математического аппарата для анализа этой гипотезы в современной теоретической физике пока нет. Как мы уже упоминали, мы не умеем описывать квантовую динамику вакуума КХД в реальном времени, следовательно, у нас нет и аппарата поиска уединенных волн в соответствующей квантово-геометрической структуре. Вообще гипотеза о вакуумной природе ТМ обладает некоторой специфической чертой – в рамках этой гипотезы ТМ во Вселенной не существует с начала Большого Взрыва, а формируется постепенно, в ходе космологической эволюции. Точнее, в областях релятивистских фазовых переходов, где собственно и происходит образование вакуумных конденсатов. Если же нет вакуумных конденсатов, то нет и уединенных волн. В этом смысле состав и внутренняя структура ТМ несет информацию обо всех цепочках фазовых переходов, обо всех вакуумных конденсатах, то есть о структуре вакуума. Следовательно, вакуумная ТМ, если она действительно существует, предоставит нам возможность изучать структуру вакуума без ее разрушения. Приоритет в этом случае будет отдаваться регистрации и исследованию реликтовых вакуумных солитонов, в свойствах которых и отражается структура вакуума. Во всех этих вопросах и нужно будет разобраться в ХХI веке. Если же все эти гипотезы окажутся неверными, то придется придумывать еще какие-то гипотезы и эксперименты для их проверки.

С задачей установления природы ТМ, по-видимому, связана и новая проблема наблюдательной космологии, которая в последние годы является объектом пристального внимания. Речь идет о так называемых ранних космологических структурах – ранних галактиках, звездных скоплениях, квазарах. Поясним суть этой проблемы, которая надежно обозначена экспериментально, поскольку факты существования таких объектов есть, но их объяснений нет. Как мы уже неоднократно отмечали, крупномасштабная структура Вселенной возникает в ходе развития гравитационной неустойчивости. Начальные возмущения плотности очень малы, согласно наблюдательным данным их относительная величина / = 10^-5, и за время космологической эволюции начальные возмущения  должны дорасти примерно до величины . Космологическое время, к которому в основном завершается образование крупномасштабной структуры, можно извлечь из астрономических наблюдений. Для этого достаточно посмотреть на небо и узнать, на каком расстоянии от нас находится большинство галактик. Дело в том, что мы на Земле регистрируем свет, излученный галактиками много лет назад (это следствие конечной скорости распространения света), и поэтому из теоретических соображений известно, что очень далеких галактик существовать не может. Такие сверхудаленные галактики испускали бы свет очень давно, но понятно, что генерация наблюдаемого на Земле электромагнитного излучения возможна лишь после образования самих галактик.

Расстояния до галактик и время испускания ими света принято характеризовать так называемым красным смещением. Космологическое красное смещение возникает в силу того, что энергия фотона в расширяющейся Вселенной падает; чем более далекой галактике принадлежит испущенный фотон, тем большее красное смещение он испытает на пути до земного наблюдателя. Сама возможность фиксации красных смещений, то есть времени излучения фотона, связана с тем, что значительная часть излученной энергии содержится во вполне определенных спектральных линиях различных атомов и молекул. Относительная структура спектров одинакова, красное смещение изменяет лишь положение отдельных спектральных линий на энергетической шкале без перестройки спектра в целом. Именно поэтому можно находить смещение линий спектра из наблюдений, а это и позволяет находить время образования далеких галактик по простой теоретической формуле t_гал = t₀/(1+z)^k, где t_гал – время образования далекой галактики, t₀ – время образования нашей Галактики, z – параметр красного смещения, z = /, т.е. отношение изменения длины волны фотона за время его движения к начальной длине волны. Основное количество галактик находятся на космологической временной шкале при z = 2-3, что и позволяет определить время их образования. Из существующей теории образования галактик следует, что число галактик с большими z должно резко спадать. То есть галактики с большими z образуются гораздо раньше остальных, а это может произойти только в результате случайных, аномальных выбросов в спектре реликтовых флуктуаций. Оказывается, однако, что галактики с большими z существуют. Вначале были обнаружены галактики с z порядка 4-5, но есть данные и о галактиках с z порядка 8, при этом вполне правдоподобно, что их время образования на самом деле соответствует z =10 или даже больше. Пока неясно являются ли эти объекты результатом случайных выбросов в спектре начальных возмущений, или они возникли в ходе некоторого характерного процесса эволюции. По-видимому, это будет выяснено в ближайшие годы методами наблюдательной астрономии.

К проблеме же природы ТМ ранние космологические структуры имеют очевидное отношение – так как ТМ является основным носителем массы Вселенной, то процессы, приводящие к образованию структур, происходят, прежде всего, в ней. Если какое-то значительное количество ранних структур образуется не случайно, это означает, что в ТМ имел место некий мощный процесс структуризации, отличный от стандартной гравитационной неустойчивости и приводящий к появлению ранних структур. Но говорить об этом процессе, не зная природы ТМ, вообще говоря, невозможно. Можно лишь отметить, что, если данные о ранних структурах приведут к выводу об их неслучайности, это сильно обострит вопрос о природе ТМ. Например, ТМ, построенная из вимпов, принципиально неспособна создавать ранние структуры, вместе с тем, не видно, как эту проблему могли бы решить суперболлы, для массивных нейтрино эта задача – объяснения возникновения ранних космологических структур – и вовсе не по плечу. Решение задачи могло бы опираться на существование каких-то частиц с аномальными свойствами – сильно взаимодействующих друг с другом, но слабо взаимодействующих с известными частицами. Тогда процессы структуризации внутри этой подсистемы частиц могли бы объяснить возникновение ранних структур во Вселенной. Напомним то, что точно известно – частица есть возбуждение вакуума. Поэтому наличие частиц с такими аномальными свойствами должно означать и существование некоторой вакуумной подсистемы с аномальными свойствами неизвестного типа. Проблема ТМ сильно обострится и в том случае, если высокоэнергетические эксперименты укажут на составную структуру кварков, лептонов и промежуточных бозонов. Впрочем, не исключено, что и наблюдательная космология в ближайшем будущем предъявит дополнительные и очень жесткие критерии к природе носителей массы ТМ.