В 1969 году южноамериканский астролог Вера Рубин (Vera Rubin) была поставлена в тупик в ходе наблюдения за растянутой в галлактическом пространстве галактикой под заглавием Андромеда, наиблежайшим соседом Млечного пути. В процессе наблюдения за спиральными рукавами звезд, которые были очень кропотливо измерены с помощью спектрального анализа, проведенного в Государственной лаборатории Китт-Пик (Kitt Peak National Observatory) и в Лаборатории Лоуэлла (Lowell Observatory) — обе находятся в штате Аризона, — она нашла нечто необыкновенное: создавалось воспоминание, что звезды, находящиеся на периферии данной для нас галактики, движутся по своим орбитам очень стремительно. Так стремительно, что она стала ждать их отрыва от Андромеды и ухода куда-то далее во вселенную. Но крутящиеся по спирали звезды продолжали оставаться на собственных местах.
Наблюдения Рубин, которые она распространила на 10-ки остальных спиральных галактик, приводили к драматичной проблеме: или в их имеется больше массы, черной и сокрытой от наблюдения, но способной задерживать галактики совместно с их гравитационными полями, или гравитация каким-то образом работает на различных участках протяженной в пространстве галактики очень непревзойденно от того, как ранее считали ученые.
Изготовленное Рубин принципиальное открытие не было отмечено Нобелевской премией, но ученые начали поиски следов черной материи в остальных местах — вокруг звезд и газовых туч, а также вокруг самых огромных структур в галактиках во всей вселенной. В 1970 году астрофизик Саймон Уайт (Simon White) из Кембриджского института заявил, что может разъяснить конгломерации галактик с помощью модели, в которой большая часть материи во вселенной является черной, а ее количество намного превосходит все атомы во всех звездах на небе. В последующее десятилетие Уайт и остальные спецы продолжили свои исследования в этом направлении с помощью моделирования динамики частиц гипотетичной черной материи, работая при этом на компах, которые в то время не были настолько дружескими по отношению к юзерам.
Но, невзирая на прогресс, достигнутый в течение крайнего полвека, никому еще не удалось конкретно найти ни одной частички черной материи. Всякий раз черная материя ускользала от исследователей, как мимолетная тень в лесу. Всякий раз, когда ученые пробовали найти частички черной материи с помощью массивных и чувствительных тестов в заброшенных шахтах и в Антарктике, а также всякий раз, когда они пробовали произвести их в ускорителях простых частиц, — всякий раз они оказывались с пустыми руками. Некое время физики возлагали надежды найти теоретический тип материи под заглавием «слабо взаимодействующие мощные частички» (weakly interacting massive particles —WIMP), но и эти пробы оказались безрезультативными.
Так как кандидатура слабо взаимодействующих мощных частиц не получила практически никаких шансов, черная материя, судя по всему, продолжает оставаться самой всераспространенной [во вселенной] вещью, которую физики так и не могут найти. И пока ее не могут отыскать, все еще сохраняется возможность того, что она совершенно не существует. Но остается кандидатура: заместо большущего количества сокрытой материи, некий таинственный нюанс гравитации может искривлять галлактическое место.
Мысль о том, что гравитация ведет себя как-то по другому в огромных масштабах [галактик], была отодвинута на периферию исследовательских работ со времен расцвета теории Рубин и Уайта. Но на данный момент пришло время разглядеть такую возможность. Ученых и исследовательские команды нужно направит на поиск кандидатуры черной материи. Конференции и комитеты по распределению грантов должны обсудить эти теории и создать новейшие опыты. Независимо от того, кто окажется правым, подобные исследования других вариантов в конечном счете посодействуют кристаллизовать демаркационную линию меж тем, что мы не знаем, и тем, что мы знаем. Подобные меры будут содействовать формулированию смелых вопросцев, подстегнут продуктивность исследовательских работ, обозначат слабенькие места в этих теориях и посодействуют новенькому мышлению продвигаться вперед. Не считая того, это принудит нас решить вопросец о том, какие конкретно подтверждения нам нужны, чтоб поверить в то, что мы не лицезреем.
***
Мы уже это проходили. Сначала 1980-х годов израильский физик Мордехай «Моти» Милгром (Mordehai ‘Moti’ Milgrom) поставил под вопросец становившийся все наиболее пользующимся популярностью нарратив о черной материи. Во время работы в институте, расположенном на юге Тель-Авива, он исследовал измерения, проведенные Рубин и иными спецами, а потом высказал предположение о том, что физики, на самом деле, не нуждались в отсутствующей и неуловимой материи; заместо этого они неверно считали, что на сто процентов соображают то, как работает гравитация. Так как далекие звезды и газовые облака движутся по орбитам вокруг галактик резвее, чем предполагалось, имеет больше смысла скорректировать обычные представления о гравитации, чем сочинять совсем новейший тип материи.
Милгром представил, что 2-ой закон движения Ньютона (он обрисовывает, как гравитационные силы, действующие на объект, меняются в зависимости от убыстрения и массы) незначительно изменяется в зависимости от убыстрения объекта. Такие планетки как Нептун либо Уран, передвигающиеся по орбите вокруг Солнца, либо звезды, передвигающиеся по орбитам поблизости центра нашей галактики, не ощущают этого различия. Но в удаленных частях Млечного пути на звезды будет действовать наиболее слабенькая гравитационная сила, чем ранее предполагалось относительно большей части материи данной для нас галактики; потому уточнение закона Ньютона может предоставить разъяснение измеренных Рубин скоростей, при этом не будет необходимости завлекать к этому делу черную материю.
КонтекстНа пороге научной революцииSIDE319.11.2016Forbes: галактика, бросившая вызов черной материиForbes29.12.2018Scientific American: верно ли мы измерили Вселенную?Scientific American18.02.2019Aeon: теория относительности Эйнштейна одолела национализм и потрясла мирAeon Magazine02.06.2019Time: найдем ли мы когда-нибудь черную материю?Time03.01.2020The New Republic: как черная материя cформировала ВселеннуюThe New Republic01.02.2020Scientific American: черная материя может таиться на низкоэнергетических рубежахScientific American21.06.2020Разработка парадигмы, основанной на представлении о отсутствии черной материи, стала основным актуальным проектом Милгрома. До этого всего, он работал в большей степени изолированно над собственной прототеорией, которую именовал Измененной ньютоновской динамикой (Modified Newtonian Dynamics — MOND). «В протяжении почти всех лет я был в одиночестве, — гласит он. — Но равномерно остальные ученые стали ко мне присоединяться».
Сам Милгром и несколько остальных ученых сосредоточились на крутящихся галактиках, где измененная ньютоновская динамика буквально обрисовывает то, что следила Рубин, и делает это не ужаснее, чем теории, где находится черная материя. Через некое время Милгром и его коллеги расширили сферу исследовательских работ и представили наличие связи меж тем, с какой скоростью вращается далекая часть галактики, и общей ее массой минус черная материя. Астрологи Брент Талли (R Brent Tully) и Ричард Фишер (J Richard Fisher) измерили и просто подтвердили наличие той тенденции, с разъяснением которой появлялись трудности у бессчетных теорий, основанных на существовании черной материи.
Невзирая на эти успехи, изготовленная Милгромом модификация второго закона Ньютона продолжала оставаться только ориентировочной оценкой, потому его идеи не удовлетворяли на сто процентов требованиям, предъявляемым к настоящей теории. Ситуация начала изменяться, когда Якоб Бекенштейн (Jacob Bekenstein), сотрудник Милгрома по работе в Еврейском институте Иерусалима (Hebrew University of Jerusalem), расширил измененную ньютоновскую динамику для того, чтоб показать ее соответствие с общей теорией относительности Альберта Эйнштейна, в которой говорится о том, что гравитация владеет способностью отклонять световые лучи, и это мысль, которая была подтверждена всего столетие вспять во время затмения солнца в 1919 году, известна сейчас как «гравитационная линза» (gravitational lensing).
Приблизительно в это время южноамериканский астролог Эдвин Хаббл (Edwin Hubble) направил внимание на мировоззрение его коллег о том, что близкие группы газовых туч на самом деле являются наиболее удаленными галактиками. Основываясь на открытии Хаббла, остальные астрологи проявили существование наиболее больших галактических структур, получивших сейчас заглавие «галактические кластеры» (galaxy clusters), которые владеют способностью действовать как массивные линзы и значимым образом отклонять световые лучи. Используя формулы, основанные на пророчествах Эйнштейна, можно прийти к выводу о массе галлактических линз. На базе такового рода математических формул, почти все физики употребляли гравитационные линзы как аргумент в пользу существования черной материи. Но Бекенштейн показал, что общая теория относительности и измененная ньютоновская динамика тоже способны разъяснить по последней мере некие изготовленные измерения линз.
Но даже опосля этого эти идеи были только отчасти сформулированы. В реальности, Милгром и Бекенштейн не знали, какие конкретно физические процессы способны создавать измененный гравитационный закон.
Измененной ньютоновской динамике в существенно мере не хватало основ, но ситуация поменялась несколько годов назад, когда голландский физик Эрик Верлинде (Erik Verlinde) начал разрабатывать теорию, получившую наименования «возникающая гравитация» (emergent gravity), а изготовлено это было для того, чтоб разъяснить, почему гравитация изменяется. По воззрению Верлинде, гравитация, включая измененную ньютоновскую динамику, возникает как собственного рода термодинамический эффект, относящийся к повышению энтропии либо к разрушению порядка. Его идеи основаны также на квантовой физике, так как он разглядывает пространство-время и материю снутри него как производные от взаимосвязанного потока квантовых частиц. Когда пространство-время искривляется, возникает гравитация, а если это искривление происходит определенным образом, то оно делают иллюзию существования черной материи.
Исследования Верлинде все еще требуют доборной конкретизации. Так, к примеру, пока не ясно, каким образом измененная либо возникающая гравитация могут восприниматься в структуре ранешней вселенной, отличающейся от реликтовой радиации, оставшейся опосля Огромного взрыва. Астрофизики употребляли галлактические телескопы для фиксирования данной для нас радиации в неописуемых деталях, но пока не смогли отыскать возможность создать модель без черной материи, которая не противоречила бы сиим измерениям. «Еще пока эта мысль о возникающей гравитации не может соперничать», — гласит Верлинде, но со временем, по его воззрению, она может стать настоящей кандидатурой черной материи.
***
В рамках теорий о черной материи тоже делаются пророчества: если эта форма материи существует, то бессчетные субатомарные частички черной материи должны нередко проноситься через нашу галлактику, через Землю и даже время от времени через наши собственные тела. Но, если большущее количество черной материи на самом деле существует, обволакивая собой каждую галактику во вселенной и оставаясь при данной для нас невидимой и неощутимой, то в таком случае эти ускользающие мелкие частички, быстрее всего, не будут вести взаимодействие с обычной материей таковым методом, который все мы могли бы увидеть. В таком случае обнаружение черной материи преобразуется в очень сложную задачку.
В то время как астрофизики продолжали пристально вглядываться в небеса, физики, специализирующиеся исследованием частиц, тоже пробовали пролить свет на черную материю с помощью получения возможных частиц в собственных ускорителях, в том числе на Большенном адронном коллайдере в Женеве, Швейцария. Чтоб сделать условия, существовавшие во время Огромного взрыва, в этом ускорители частички сталкиваются меж собой на весьма огромных скоростях, и делается это для того, чтоб в сгустках энергии создавались новейшие частички. Потом эти частички должны пройти через целую серию сенсоров, которые дозволят физикам их найти.
При помощи Огромного адронного коллайдера и его предшественников (включая ускоритель в Лаборатории имени Ферми — Fermilab — к востоку от Чикаго) ученым удалось найти все предсказанные 17 частиц с помощью «обычной модели» физики простых частиц, в том числе все фундаментальные силы, за исключением гравитационных. (Ученые нашли последнюю обычную частичку бозон Хиггса на Большенном адронном коллайдере в 2012 году).
Из-за достигнутых фурроров физики получили уверенность в собственных силах и рассчитывали скоро найти черную материю, подчеркивает Дэн Хупер (Dan Hooper), физик из Фермилаб, лаборатории имени Ферми, в собственной изданной в 2019 году книжке «На краю времени» (At the Edge of Time.)
Энтузиазм к черной мамы содействовал проведению целого ряда тестов новейшего поколения, с помощью которых Хупер и его коллеги возлагали надежды найти, в конце концов, эти таинственные частички. Ученые по всему миру устанавливали сенсоры под землей, нередко используя для этого заброшенные шахты, и возлагали надежды таковым образом найти частички черной материи и избежать при этом действия какофонического шума галлактических лучей и солнечных частиц, которые будут бомбить установленные на поверхности Земли датчики. По воззрению ученых, частички черной материи могут беззвучно проходить через сделанный из ксенона сенсор и оставлять след собственного прохождения в виде тепла. Если опыты пройдут, как запланировано, то ученные, в конце концов, зафиксируют частички черной материи и объявят о новейшей эпохе в космологии и ядерной физике.
Но проведенные опыты не дали никаких положительных результатов, начальные надежды ученых не оправдались. Проведенные опыты практически не смогли найти и намека на существование черной материи, но дозволили в конечном счете установить, чем черная материя не является. С каждым новеньким тестом увеличивалось количество примеров того, чем черная материя не является. Физики начали осознавать, что если частички черной материи есть, то их будет весьма трудно увидеть. Ситуация смотрелась практически безвыходной в отношении слабо взаимодействующих мощных частиц (WIMP), которые являлись более пользующимися популярностью кандидатами на роль черной материи. Ученые расширяли масштабы поисков, но ничего не находили. Некие команды продолжили охоту за слабо взаимодействующими громоздкими частичками, но через пару лет достигнули самых жалких характеристик массы, когда любые предполагаемые частички черной материи вступили бы во взаимодействие с сенсорами, как это происходит в случае с практически неуловимыми нейтрино, идущими от Солнца, в итоге поиски слабо взаимодействующих мощных частиц были, по сущности, остановлены. «С нами и нашими работами тоже все будет закончено. Уже виден конец поиска слабо взаимодействующих мощных частиц», — гласит Питер Грэм (Peter Graham), физик-теоретик из Стэнфордского института в Калифорнии.
Хотя окончание поисков слабо взаимодействующих частиц уже весьма близко, сказать то же самое в отношении охоты за черной материей недозволено, считает Грэм. Ученые уже начали заниматься иными вероятными частичками, в особенности аксионами (axions). Если они есть, то будут в млрд раз наименее громоздкими, чем слабо взаимодействующие мощные частички, в таком случае их быть может большущее количество, и они могут добавить свою массу к ожидаемой массе черной материи. Еще есть наиболее экзотичные кандидаты, — идет речь о так именуемых стерильных нейтрино (sterile neutrinos) и о маленьких изначальных темных дырах; это вариант мощных малогабаритных объектов гало (massive compact halo objects).
Некие ученые, в том числе Хупер, представили существование гипотетичных частиц, которые испытывают на для себя действие укрытых сил. Эти черные частички, если они есть, будут аннигилироваться, а потом распадаться на остальные частички, которые могут каким-то образом соединяться с таковыми уже известными частичками, как бозоны Хиггса. Схожий вариант можно считать вероятным, но пока никому не удалось найти какие-либо сокрытые частички либо силы.
По мере того как поиски черных частиц утрачивают интенсивность, Милгром нашел, что больше физиков готовы к тому, чтоб заняться модифицированой гравитацией. «Люди не совершенно разочарованы, но очень опечалены тем, что черную материю до этого времени не удалось найти, — отметил он. — На мой взор, это не наилучшая база для того, чтоб продолжать работу в области измененной ньютоновской динамики, но я рад тому, что энтузиазма становится больше». Еще пока недозволено сказать с уверенностью, что этот энтузиазм будет содействовать расширению исследовательских работ в области измененной гравитации.
***
Сотки, если не тыщи астрофизиков, астрологов и физиков-ядерщиков изучают сейчас любой нюанс черной материи и хоть какое вероятное ее воздействие на космос, при этом работы эти проводятся с внедрением самых современных компов, телескопов и ускорителей простых частиц. Исследования в области черной материи в течение нескольких десятилетий содействовали сокращению работ по исследованию измененной гравитации, но это не непременно значит, что черная материя существенно наиболее убедительна как теория. Быстрее, на ранешних шагах ученые подразумевали, что существует естественное решение, остальные соглашались с сиим, и чаша весов склонялась в их сторону.
Если глядеть с позиций нынешнего денька, то доминирующее положение черной материи не кажется неминуемым. Те процессы, с помощью которых ученые разрабатывают свои теории, подвержены воздействию со стороны самых различных исторических и социологических причин. Эту точку зрения сладкоречиво представил Эндрю Пикеринг (Andrew Pickering), знатный философ Эксетерского института (University of Exeter) и создатель работы «Стройку кварков» (Constructing Quarks), которая была размещена 36 годов назад, но продолжает сохранять значимость.
Принципиально также направить внимание на то, кто воспринимает решение о том, какие явления следует учить, какие исследования получают большие муниципальные гранты, какие большие опыты получают финансирование, кто получает возможность выступать на научных конференциях, кто умеет отлично работать со средствами массовой инфы, кто участвует в более узнаваемых программках и получает заслуги; и кто получает предназначение на принципиальные позиции в институтах. Разные варианты выбора время от времени могут сформировывать будущую линию движения развития науки. И когда выбор теоретиков и экспериментаторов симбиотически совпадает, утверждает Пикеринг, это может стать препятствием для новоявленной теории — в том числе для измененной гравитации, — а также для ее адекватного восприятия.
Научная работа не является в особенности действенным и прямым методом к «правде». Тем не наименее, не стоит отчаиваться, как считает Наоми Орескес (Naomi Oreskes), историк науки Гарвардского института в Массачусетсе и создатель размещенной в 2019 году книжки «Следует ли доверять науке?» (Why Trust Science?). Хотя отдельные ученые могут ошибаться, имеют свои собственные ценности и цели, а время от времени и свои назойливые идеи, наука, тем не наименее, продолжает развиваться как коллективное дело. Исследователи могут совершать ошибки, им может потребоваться много времени для того, чтоб основательно проверить некие утверждения и предложить остальные, а, не считая того, бывает и так, что казавшаяся многообещающей экспериментальная программка входит в тупик, но со временем ученые равномерно приходят к общему воззрению. Обычно это занимает много времени, но в итоге они соображают, от какого исследовательского направления стоит отрешиться, а исследование каких мыслях необходимо продолжить и углубить.
Что касается соперничества черной материи и измененной гравитации, то этот процесс пока не закончился. Черная материя в истинное время находится на нисходящей полосы, но споры еще не закончились. Ставки значительны, так как будущее космологии зависит от грядущего выбора астрофизиков.
Сторонники измененной гравитации, включая Милгрома и Верлинде, сталкиваются с суровыми вызовами, и лишь опосля решения имеющихся заморочек они сумеют получить настоящий шанс развить свои идеи в значимую кандидатуру черной материи. Самое огромное препятствие в этом отношении исходит от начала вселенной.
Астрологи Анро Пензиас (Arno Penzias) и Роберт Уилсон (Robert Wilson) в 1960 годах поначалу некорректно интерпретировали легкие помехи их радиотелескопа как шум, может быть, из-за того, что голуби устроили там гнезда и оставляли помет. Но сигнал оказался настоящим, и они подтвердили свое открытие реликтовых радиоволн (relic radio waves), которые образовались скоро больше Огромного взрыва. Потом в 1980-е и в 1990-е годы русские ученые и ученые из НАСА (Национальное управление по воздухоплаванию и исследованию космического пространства — ведомство, принадлежащее федеральному правительству США) употребляли собственные телескопы РЕЛИКТ-1 и Cobe для обнаружения очень незначимых колебаний в данной для нас радиации. Джон Мазер (John Mather) и Джордж Смут (George Smoot) физики, возглавлявшие программку исследовательских работ Cobe, получили в 2006 году Нобелевскую премию по физике за измерение этих незначимых колебаний радиации, которые свидетельствуют о ранешном различии в интенсивности, которое и определяло, где материя во вселенной концентрировалась и где создавались галактические структуры.
Последователи Мазера и Смута сейчас определяют колебания в реликтовой радиации с весьма высочайшей точностью, и неважно какая удачная теория обязана предоставить их разъяснение. Изучающие черную материю физии уже проявили, что их теория полностью способна разъяснить все эти незначимые колебания, но измененная либо возникающая гравитация не выдержала этого критически принципиального теста — еще пока. Бекенштейн погиб в 2015 году, но его последователи все еще пробуют создать его измененную теорию гравитации соответственной, по последней мере, неким проведенными измерениям. Это был бы значимый скачок вперед, а также убедительный аргумент для тех, кто скептически относится к измененной гравитации, но это очень суровая задачка, которую еще лишь предстоит решить.
Из всех приобретенных данных информация о этих незначимых колебаниях является более убедительной. Черная материя очевидно одолевает. Потребовались десятилетия работы со стороны сотен ученых, поддерживающих теорию черной материи, а также огромные инвестиции в их исследовательские программки для того, чтоб были разработаны модели, дозволяющие разъяснить приобретенные измерения. Измененная и возникающая гравитация с ее наиболее умеренными уровнями финансирования остается далековато сзади, но это не значит, что необходимо совершенно отрешиться от этих концепций. «На мой взор, маловероятно, что возникающая гравитация несет ответственность за те феномены, которые мы связываем с черной материей, — гласит Хупер. — Но это не значит, что гравитация не возникает и ее не стоит учить».
Не считая того, сторонники черной материи, включая Уайта и Хупера, имеют свои собственные суровые трудности. Огромные галактики, в том числе наша собственная, обычно имеют маленькое количество галактических попутчиков, которые вращаются вокруг их, как спутники. Если сторонники черной материи правы, то любая из этих галактик обязана быть встроена в большой сгусток черной материи, так как частички черной материи и галактические звезды должны притягиваться друг дружке теми же самыми гравитационными силами. Но крайние данные компьютерного моделирования, разработанные Уайтом и его сотрудниками, свидетельствуют о наличии значимых расхождений с наблюдениями астрологов: они предвещают существование существенно большего количества материи, чем предполагалось на базе скудных данных о найденных пока галактических спутниках. Физики выдумали для их очень свойственное заглавие — «неувязка отсутствующих спутников» (missing satellites problem), так как действительность, судя по всему, не соответствует ожиданиям этих теоретиков.
В наиболее широком галлактическом масштабе астрофизики пробуют разъяснить установленное не так давно поразительное несоответствие: идет речь о том, что сейчас вселенная, судя по всему, расширяется намного резвее, чем это происходило во время ее юношества. Физика считали, что масштабы роста (их именуют константами Хаббла) будут всюду схожими, но сейчас они должны разъяснить имеющиеся расхождения. Так как сторонники черной материи не могут разъяснить это таинственное явление, то, по воззрению Верлинде, возникающая гравитация, возможно, предложит собственный путь вперед.
Верлинде, Милгром и их коллеги все еще представляют собой незначимое меньшинство, но космология получит пользу в том случае, если их ряды увеличатся в количественном отношении. На проходившей не так давно конференции Верлинде увидел значимый сдвиг в сторону признания. «Я ощутил, что возникло больше коммуникации и больше желания дискуссировать другие варианты, чем это было несколько годов назад», — гласит он.
Кроме теоретической работы, физики ждут возникновения огромных по размерам и наиболее массивных по чертами телескопов, а также проведения тестов, способных отдать надлежащие результаты. Идет речь, в частности, о Большенном синоптическом обзорном телескопе (Large Synoptic Survey Telescope), который сооружается в сухой горной местности на севере Чили. В этом году ученые окрестили его Обсерваторией Веры Рубин, и 1-ые данные с его помощью можно будет получить уже в этом году. Воодушевленные работой Рубин, исследователи будут пробовать глядеть еще обширнее и еще далее в небеса, фиксируя свет, исходящий от млрд галактик. Если они не будут соединены никакими рамками, то их исследования могут пролить свет как на черную материю, так и на черные силы гравитации. Память о Рубин будет и далее содействовать проведению здоровых обсуждений о колоссальной сокрытой вселенной, к предстоящему исследованию которой мы так стремимся.
Рамин Скибба — астрофизик, ставший популяризатором науки, живет и работает в Сан-Диего.