Невидимая Вселенная. Темные секреты космоса - Кристиансен Йостейн Рисер

Тем не менее у MOND не так много последователей среди астрофизиков, потому что в теории не все так гладко. Первая сложность заключается в том, что MOND нельзя считать полноценной теорией гравитации. Как я упоминал ранее, закон всемирного тяготения Ньютона был во многом заменен общей теорией относительности Эйнштейна в 1915 году. Мы подробнее рассмотрим теорию относительности, когда начнем обсуждать темную энергию, но уже сейчас скажу, что с помощью этой теории можно объяснить не только движение перигелия Меркурия. Основной задачей ученого было создать теорию без противоречий. А это среди прочего затрагивало несовместимость теории с уравнениями Максвелла, согласно которым скорость света постоянна независимо от того, кто ее измеряет. В теорию Ньютона это не укладывается. Эйнштейну удалось согласовать законы Максвелла с законами гравитации, создав таким образом теорию, которая была гораздо более последовательной, чем у Ньютона. Тем не менее для большинства явлений вокруг нас теории Эйнштейна и Ньютона дадут примерно одинаковые результаты. И когда мы посмотрим, например, на кривые вращения галактик, то получим практически аналогичные результаты независимо оттого, используем мы теорию Эйнштейна или Ньютона.

Если сравнивать теории Ньютона и Эйнштейна, то производить расчеты гораздо проще по первой. Поэтому нет ничего удивительного в том, что Милгром при работе над теорией модифицированной динамики отталкивался от закона всемирного тяготения Ньютона. Но и у этой теории все та же проблема: ей никак не стать целостной гравитационной теорией. MOND — это первая попытка объяснить вращение галактик, не вводя понятия «темная материя», однако эта теория недостаточно фундаментальна. Позднее появились более полные и последовательные теории, которые примерно так же объясняют аномалии движения в галактиках. Но подобно тому, как MOND представляет собой более сложную версию законов Ньютона, эти теории — усложненные версии теории относительности Эйнштейна. Это создает две проблемы. Во-первых, сложность вычислений, основанных на теории относительности, затрудняет работу с другими явлениями Вселенной. Касается это, например, пятен на реликтовом излучении. Во-вторых, красотой такие теории уж точно не отличаются. Наиболее привлекательными для физики и астрономии всегда были наиболее простые и красивые теории. Физики склонны недолюбливать дополнительные усложняющие факторы в уравнениях. В этом смысле MOND и его более последовательные собратья уступают теориям Ньютона и Эйнштейна. А еще есть субъективная оценка: что будет выглядеть «уродливее» — искажение красивых теорий или введение во Вселенную новой невидимой материи?

Но у MOND есть недочеты не только на теоретическом и «эстетическом» уровнях. Да, теория превосходно работает в галактиках, но вот на уровне скоплений галактик все уже не так безоблачно. Чтобы объяснить скорости галактик в скоплениях, даже MOND не обойтись без темной материи. Безусловно, реально обойтись и меньшим количеством темной материи в скоплениях галактик, если использовать MOND в качестве теории гравитации. Да и темной материи необязательно состоять из нового типа частиц, возможно, она — обычное вещество, которое мы просто не видим. И тем не менее если MOND без темной материи тоже не справляется, то звание идеальной альтернативы она теряет.

Еще один камень преткновения — реликтовое излучение. Для объяснения этого феномена нам нужна достаточно последовательная теория наподобие эйнштейновской. A MOND к таким точно не относится, хотя она и позволяет сделать некоторые грубые расчеты, касающиеся пятен на реликтовом излучении. Пока теория и наблюдаемая карта пятен особо не совпадают, если только не добавить темную материю. Как по мне, так это ахиллесова пята Модифицированной ньютоновской динамики. Реликтовое излучение сформировалось, когда Вселенная была еще достаточно упорядоченным местом — без взрывающихся звезд или других осложняющих факторов, а потому все физические явления того времени должны быть вполне логичными. Где-где, а в соответствии реальности и гипотезы теория Милгрома проигрывает темной материи.

Но кто знает? MOND — лишь один из возможных вариантов пересмотра законов гравитации. Несовпадение MOND с наблюдениями совсем не означает, что создание адекватных альтернативных теорий гравитации в принципе невозможно.

Я побывал на нескольких лекциях, посвященных MOND и другим альтернативным теориям гравитации, которые обходятся без темной материи. Такие лекции никогда не проходят без моря вопросов. «А как тогда быть с Пулей? Ее ваша альтернативная теория гравитации тоже объясняет?» В этом скоплении галактик ясно «видно», что темная материя прошла прямо сквозь столкновение, в то время как обычная материя замедлилась. Ответы, как правило, звучат не особо убедительно. Скопление галактик Пуля — головная боль для тех, кто хочет заменить темную материю альтернативной теорией гравитации.

2.16. Так существует ли темная материя?

Так что же получается? Темная материя — это Нептун или Вулкан? Как уже говорил, я сам придерживаюсь мнения большинства астрономов и почти уверен, что темная материя существует.

Должно же быть какое-то объяснение у наших наблюдений за Вселенной. Мы рассмотрели ряд примеров, и все они указывают в сторону темной материи. Игнорировать проблему карликовых галактик не стоит, но все же галактики представляют собой сложные системы, в которых мы еще не полностью разобрались, и есть неплохой шанс, что проблема исчезнет, когда наши знания усовершенствуются.

В начале книги я писал, что смелые заявления требуют надежных доказательств — это я намекал на самонадеянное заявление о том, что Вселенная состоит на 95 процентов из темной материи и энергии. Пусть темная энергия немного постоит в сторонке, а вот что насчет темной материи? Есть ли у нас надежные доказательства ее существования? Ну если честно, то… нет. У нас есть ряд наблюдений за совершенно разными свойствами Вселенной, и все, как одно, свидетельствуют о существовании темной матери, а это неплохой знак, скажу я вам.

Но теперь остался последний кирпичик — открытие частицы темной материи. И только когда физика элементарных частиц и астрофизика, досконально изучив даже самые незначительные мелочи, сойдутся на едином мнении, мы получим те самые надежные доказательства.

Я постарался донести и еще одну мысль: заявление о существовании большого количества темной материи, возможно, в конце концов, не такое уж смелое. Мы уже изучили невидимые частицы, встречающиеся в огромных количествах, — нейтрино. Мы также знаем, что Стандартная модель физики элементарных частиц не дает нам полной картины микроскопического мира. У нас есть веские основания полагать, что большое количество невидимых частиц пока просто не удалось обнаружить. В общем, признаки существования темной материи имеются, так что эту гипотезу чересчур смелой не назовешь.

А как быть с альтернативными теориями, например MOND? Они неплохо справляются со своей задачей внутри галактик, а вот за их пределами дела обстоят хуже. Сегодня вопросов к ним гораздо больше, чем к концепции темной материи. И тем не менее даже здорово, что остались ученые, старательно изучающие альтернативные гипотезы. Пока частица темной материи не найдена, рано полностью забрасывать иные варианты.

Ранее в книге мы использовали наблюдения Веры Рубин за вращающимися галактиками как один из нескольких убедительных фактов, указывающих на существование темной материи. Так что же получается, Вера Рубин — мать темной материи? В 2005 году в интервью научно-популярному журналу New Scientist она заявила: «Если бы я имела возможность выбирать, то предпочла бы, чтобы дальние гравитационные взаимодействия могли быть описаны модифицированными законами Ньютона. Мне это представляется более привлекательным, чем необходимость допущения неизвестного до сих пор вида элементарных частиц».

Вера Рубин мечтала о MONO.

3. Темная энергия

Темную материю и темную энергию я проиллюстрировал с помощью яблок в саду Исаака Ньютона. Яблоко из темной материи было не только невидимо, но и проходило сквозь землю, при этом не замедляясь. Находясь в саду Ньютона, мы также познакомились с темной энергией. Яблоко из темной энергии было таким же невидимым, как и яблоко из темной материи, но оно падало вверх! Темная энергия действует как отталкивающая сила гравитации.