Сергей Попов - Все формулы мира

Другим примером стандартной гипотезы, базирующейся как на нескольких ключевых фактах, так и на большом комплексе более косвенных наблюдений, является темная материя. Предположение состоит в том, что мы здесь имеем дело с небарионным веществом, т. е. недостающая масса не может объясняться протонами и нейтронами. Более того, кандидатами вообще не могут быть частицы из Стандартной модели. У теоретиков есть несколько хороших кандидатов в частицы темной материи, которые достаточно естественным образом возникают в физических моделях. Тем не менее постоянно обсуждаются альтернативы темному веществу. Действительно, было бы здорово обойтись без введения нового типа частиц, которые тем более никто пока не смог «ухватить за бороду», несмотря на десятилетия поисков. Может быть, есть более простые пути?

Путь есть, но вот прост ли он… Самый популярный альтернативный подход состоит в изменении законов гравитации. Он начал развиваться в начале 1980-х гг. и на момент своего появления был хорошей гипотезой. В это время ключевые данные по темному веществу связывались со скоростью вращения галактик и отчасти с поведением галактик в скоплениях. В рамках модели Мордехая Милгрома (Mordehai Milgrom) [143] Серия работ Милгрома появилась в 1983 г. См.: Milgrom M. A modification of the Newtonian dynamics as a possible alternative to the hidden mass hypothesis // Astrophysical Journal , 270, 365 (1983); Milgrom M. A modification of the Newtonian dynamics – Implications for galaxies // Astrophysical Journal, 270, 371 (1983); Milgrom M. A modification of the Newtonian dynamics – Implications for galaxy systems // Astrophysical Journal , 270, 384 (1983). удалось с помощью введения одного нового параметра хорошо объяснить скорости вращения галактик без гипотезы о темном веществе. В дальнейшем модель получила развитие с точки зрения теории благодаря работам Якова Бекенштейна (Jacob Bekenstein) [144] Bekenstein J. D. Relativistic gravitation theory for the MOND paradigm // Physical Review D , 70, 3509 (2004). В Архиве: astro-ph/0403694. . А вот с наблюдениями все пошло не так хорошо.

Новые данные показывали отклонения от старой базовой модели (без изменения законов гравитации и без темного вещества) на самых разных масштабах и в разных ситуациях. Стало трудно обходиться одним параметром. Понадобилось или усложнять модель, или все-таки добавлять в нее темное вещество. Модель перестала быть элегантной из-за необходимости тонкой настройки параметров и введения новых.

Не могу сказать, что мне кажется более простым и естественным менять закон всемирного тяготения всякий раз, когда у нас что-то не сходится. Наоборот, введение новой, причем одной частицы, для возникновения которой есть физическая мотивация, кажется более простым. Здесь уместно вспомнить о том, как Вольфганг Паули ввел нейтрино. Речь ведь шла ни много ни мало как о возможном нарушении законов сохранения! И многие известные физики уже были готовы на такую жертву. Но появилась гипотеза о том, что в некоторых реакциях (например, при бета-распаде) рождается дополнительная, пока неизвестная частица. Причем ее свойства таковы, что она очень плохо взаимодействует с веществом. Согласитесь, вроде не самый лучший способ решать проблемы – предложить новую неуловимую корпускулу. Но в итоге это оказалось верным. Законы сохранения устояли. А кроме того, физики и астрофизики получили новый канал информации: появилась нейтринная астрономия [145] О том, как регистрируют нейтрино, можно почитать в книге Рэя Джаявардхана «Охотники за нейтрино: захватывающая погоня за призрачной элементарной частицей». (М., Альпина нон-фикшн, 2015). . Видимо, такова же ситуация и с темным веществом.

Тем более что есть два набора данных, которые дают очень сильные аргументы в пользу именно темной материи, а не модифицированной гравитации. Во-первых, это большой комплекс космологических данных. Здесь нет возможности вдаваться в детали, но объяснение данных по реликтовому фону, формированию крупномасштабной структуры и т. д. и т. п. без привлечения темного вещества потребует такой странной экзотики, что модель будет выглядеть шаткой, противоестественной и малопривлекательной. Опишем лишь два аргумента, кажущиеся крайне важными. Первый из них связан с формированием крупномасштабной структуры.

Данные по реликтовому излучению показывают, насколько различной была плотность обычного (барионного) вещества в разных областях вселенной спустя 350–380 тыс. лет после начала расширения, когда вселенная стала прозрачной для излучения (тогда произошла так называемая рекомбинация). Далее, у нас есть данные по распределению галактик и их скоплений в больших масштабах, начиная примерно с 1 млрд лет после Большого взрыва. Есть хорошие численные модели (которые непрерывно совершенствуются), позволяющие рассчитать рост структуры из первичных возмущений плотности. Так вот, необходимо, чтобы на момент рекомбинации вариации плотности были гораздо выше, чем это следует из очень надежных данных по реликтовому излучению. Флуктуации плотности обычного вещества не могли расти до рекомбинации из-за влияния излучения, заполнявшего вселенную. Однако темное вещество практически не взаимодействует с электромагнитными волнами, и рост флуктуаций его плотности был возможен. Таким образом, каркас будущей крупномасштабной структуры уже сформировался к моменту рекомбинации, и все благодаря темному веществу. Объяснить это без гипотезы о частицах, слабо взаимодействующих с излучением, очень трудно.