Читать книгу "Вселенная! Курс выживания среди черных дыр, временных парадоксов, квантовой неопределенности - Дэйв Голдберг"

I. Что такое темная материя?

Представляется, что наша Вселенная куда страннее, чем нужно. Например, мы обнаружили, что в ней царит загадочная темная энергия, а большинство остальной массы не имеет к нам никакого отношения, потому что состоит из некоей темной материи, которая не взаимодействует со светом (потому и темная), но является источником гравитации (потому и материя). Иначе говоря, это название если что и описывает, то лишь наше невежество. Это, прямо скажем, немногим лучше, чем заявить, будто гравитацию наколдовали феи.

Кое-кто из сообщества физиков сильно сомневается, что темная материя действительно существует, поскольку никаких частиц темной материи мы до сих пор не открыли. Астрофизики, в конце концов, честно делают свое дело и предлагают самые простые объяснения того, что они наблюдают, но ведь это не означает, что они обязательно правы. «Очевидная» на первый взгляд интерпретация не раз и не два оказывалась ошибочной. Очевидно, что планеты и звезды движутся вокруг Земли, и так и считали до 1500-х годов, когда Коперник предположил, что это Земля движется вокруг Солнца.

Некоторые скептики так рвутся избавиться от идеи темной материи, что предполагают нечто немыслимое – или почти немыслимое: они заявляют, что Ньютон и Эйнштейн заблуждались. Было предложено множество теорий, которые пытаются подогнать эйнштейновские уравнения гравитации под данные наблюдений без опоры на всю эту жуткую темную материю. В последние годы большой интерес вызывали теории модифицированной ньютоновой динамики (Modified Newtonian Dynamics, MOND). Как известно, слово mond по-французски означает «мир»[136]. Основной ее принцип гласит, что на небольших масштабах, например в Солнечной системе и на Земле, гравитация действует именно так, как предсказывали Ньютон и Эйнштейн, однако на более крупных расстояниях, например в масштабе галактик и больше, все обстоит несколько иначе.

Мы не собираемся отстаивать общую теорию относительности только потому, что это любимое детище Эйнштейна. Он много в чем ошибался[137]. С другой стороны, общая теория относительности крайне «элегантна», а на жаргоне физиков это означает, что поскольку уравнения так просты, трудно представить себе, что они неверны. А принять MOND в ее нынешнем виде нам трудно, поскольку она предлагает вместо одной необъяснимой константы (количество темной материи) другую (масштаб, на котором гравитация из «нормальной» становится «модифицированной»).

Хуже того, при помощи MOND очень трудно объяснить все наблюдения, согласующиеся с наличием темной материи. MOND великолепно отвечает на вопрос, который стоит перед нами уже сто лет и заключается в том, что во Вселенной не хватает массы, чтобы удерживать вместе галактики и скопления звезд. Поскольку MOND решает эту задачу, нам не нужна никакая темная материя – по крайней мере так говорят.

Но и это еще не все! Наблюдения некоторых звездных скоплений, в частности скопления «Пуля», при помощи метода гравитационных линз недвусмысленно показывают, что существуют крупные объемы материи, никак не связанные ни со звездами, ни с газом. Наблюдения далеких сверхновых доказывают, что темпы расширения Вселенной меняются со временем, намекая на то, что материи в ней гораздо больше, чем объясняет наличие одной только барионной материи. Наконец, все свидетельствует о том, что с космологической точки зрения Вселенная плоская – что, в свою очередь, лишний раз подтверждает, что 85 % массы Вселенной – темная.

Мы готовы поставить все наши деньги за то, что существует частица, на которой ясно написано «темная материя», – частица, которая, как сказали бы французы, станет le fin du MOND – «концом света».

Чем не может быть темная материя?

Примем за данность, что темная материя существует, но умеет ловко прятаться. Хотя мы еще не знаем, что такое темная материя, мы кое-что знаем о том, чем она быть не может. Заряда у нее нет, иначе она бы взаимодействовала со светом. Кроме того, это означает, что ее нельзя ощутить. Все, что вам случалось трогать, как-то «ощущается», поскольку электрические поля вашей руки отталкиваются от электрических полей всего того, что вы пытаетесь потрогать. Если нет электрического поля, ваша рука пройдет сквозь предмет, а вы ничего и не заметите.

В стандартной модели физики имеется лишь две известные частицы, которые можно подозревать в причастности к темной материи, – нейтрино и нейтрон. К сожалению, нейтрино обладает слишком маленькой массой, а одинокие нейтроны распадаются минут через десять. Поскольку Вселенная несколько старше, нейтроны – не совсем то, что мы ищем. Может показаться, будто на данный момент у нас нет верного кандидата, но не надо забывать, что физики необычайно хитроумны, и хотя пока что налицо дефицит частиц темной материи, нет никаких причин полагать, что мы ничего не придумаем[138]. В число частиц-подозреваемых вошли аксионы, миниатюрные черные дыры, монополи Дирака, крупицы кварков (quark nuggets) и многие другие. Некоторых подозреваемых, например черные дыры или монополи Дирака, оправдали на основании наблюдательных и экспериментальных данных, но подтвердить обвинение в темных делишках еще ни разу не удалось – даже отдаленно.

Однако многие физики-ядерщики полагают, что во Вселенной существуют так называемые WIMP – причем в огромных количествах. Слово wimp означает «нытик», но наши WIMP – это вовсе не жертвы школьной травли с вечно хлюпающими носами и бесперебойные источники карманных денег, а Weakly Interacting Massive Particles, то есть массивные частицы слабого взаимодействия; в очередной раз название описывает все то, что мы и так не знаем. Темная материя, конечно, обладает массой, а поскольку она не участвует в сильном и электромагнитном взаимодействии, то резонно предположить, что она участвует в слабом[139].

Итак, WIMP – хорошее название в том смысле, что оно описательное, но плохое в том смысле, что оно нам почти ничего не говорит. Перед теоретической физикой стоит задача предсказать, что такое WIMP. В нашем случае предсказать означает не просто заявить, что они существуют. Хорошая теория должна рассказать, какая у WIMP масса, с какими частицами и как часто они взаимодействуют, когда и как образовались.