Вселенная. Руководство по эксплуатации - Бломквист Джефф

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 СModified Newtonian Dynamics, MOND). Как известно, слово mond по-французски означает «мир»[105]. 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[106]. 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».

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[107]. В число частиц-подозреваемых вошли ак- сионы, 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, a 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[108]

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.

Фаворит наших гонок на звание WIMP следует традиции, согласно которой физики выдумывают частицы, очень похожие на другие частицы. Классический пример — нейтрон. До 1920 года наука знала всего две «фундаментальные» частицы — протон» носитель положительного заряда, и электрон, заряженный отрицательно. В то время ученые могли измерить характеристики атомных ядер, и водород, например, обладал зарядом +1, а гелий — +2. «Очевидный» вывод (основанный на данных химии) гласил, что водород состоит из одного протона, а гелий — из двух, и если бы это было так, то гелий был бы вдвое массивнее водорода. А на самом деле гелий массивнее водорода в четыре раза.

Обширный опыт изучения естественных наук позволил Эрнесту Резерфорду сделать блестящее умозаключение, что четыре больше двух. Он предсказал существование электрически нейтральной частицы, обладающей примерно той же массой, что и протон, и впоследствии эта частица получила название «нейтрон». Нам-то теперь кажется, будто все очевидно, но на самом деле это было смелое заявление. Нейтрон, подобно темной материи, не взаимодействует со светом, а значит, увидеть его нельзя. Лишь спустя 12 лет Джеймс Чедвик наконец пронаблюдал нейтрон в лабораторных условиях — и оказалось, что эта частица обладает именно теми качествами, которые предсказал Резерфорд.

Как видите, история знает много случаев, когда выдающиеся открытия начинались с того, что физики говорили: «Гм… Если бы у нас была частица, которая выглядела бы почти как вот эта, все бы замечательно сошлось с ответом… А вдруг существует неуловимая частица — и хотя мы ее почему-то не видим, она должна быть вот такой и вот такой*. Такой подход, как в случае с нейтроном Резерфорда, иногда выявляет новые частицы, которые значительно упрощают картину[109].

Физики любят симметрию, в чем мы с неудовольствием убедились в главе 4. Согласно стандартной модели, существуют шесть разных кварков и шесть разных лептонов, и каждую из этих групп можно подразделить на две группы по три частицы. В случае лептонов у нас есть три (нейтральных) нейтрино и (заряженные) электрон, мюон и тау-частица. Более того, у каждой частицы есть античастица — причем их свойства практически идентичны, и только заряд противоположен. Существует множество разных способов сгруппировать частицы — но почти всегда в конце концов мы получаем группы с равным количеством частиц. Но в одном случае симметрия дает сбой. Стандартная модель подразделяет все частицы на две группы.