Вселенная. Руководство по эксплуатации - Дэйв Голдберг

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»[135].

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[136].

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[137].

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, 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[138].

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.

Суперсимметрия

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 злектрически 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[139].

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.

1. Фермионы — составляющие материи. В число фермионов входят кварки, электроны, мюоны, тау-частицы и нейтрино — и все эти частицы, как мы только что говорили, образуют чарующе симметричную картину.

2. Бозоны — переносчики взаимодействий. Это частицы, которые переносят различные силы. В число бозонов входят фотоны, глюоны, частицы W и Z, а также гравитон и частица Хиггса, если они существуют.

Если мы все подсчитаем, получится, что с учетом частиц и античастиц существует 28 бозонов — и целых 90 разных фермионов! Пусть количество «фундаментальных» частиц вас не пугает: большинство из них более или менее идентичны друг другу и различаются лишь несущественными деталями — например, цветом, как кварки.

Тем не менее тот факт, что количество фермионов не совпадает с количеством бозонов, откровенно обескураживает многих физиков. Почему частицы материи (фермионы) полностью отделены от сил (бозонов)? Если они две стороны одной медали, значит, фермионов должно быть в точности столько же, сколько и бозонов. Эта идея известна под названием «суперсимметрия» и предполагает, что существует уйма частиц, которых мы никогда не видели. Поскольку все эти частицы полностью гипотетичны, мы даем им смешные названия, похожие на марки макарон: «гравитино», «нейтрадино» (очередной кандидат на звание темной материи) и (наша любимая частица — уж больно остроумное у нее название) «вино» с ударением на «и» — суперсимметричный партнер W-частицы.