Книга: Математика космоса [Как современная наука расшифровывает Вселенную]

* * *

Поскольку темное вещество проявляет, похоже, феноменальную скромность всякий раз, когда кто-то его всерьез ищет, нам следует рассмотреть также возможность того, что его вовсе нет в природе. Гравитационные эффекты, которые заставили космологов постулировать его существование, представляются бесспорными, так что нам, вероятно, следует поискать для них какое-то другое объяснение. Мы могли бы, к примеру, пойти по стопам Эйнштейна и заняться поисками нового закона гравитации. У него же получилось!

В 1983 году Мордехай Мильгром представил свою модифицированную ньютоновскую динамику (MOND). В Ньютоновой механике ускорение тела в точности пропорционально приложенной силе. Мильгром предположил, что при очень малых ускорениях это соотношение, возможно, нарушается[99]. В контексте кривых вращения это предположение можно интерпретировать также как небольшое изменение Ньютонова закона тяготения. Следствия из этой гипотезы были проработаны достаточно подробно, при этом различные возражения удалось отвести. MOND часто критиковали за то, что она не является релятивистской, но в 2004 году Яаков Бекенштейн сформулировал релятивистское обобщение, TeVeS (тензор — вектор — скалярная гравитация). Вообще неразумно критиковать новое предложение за то, что в нем будто бы чего-то не хватает, если сам не попытался это что-то найти.

Галактические кривые вращения не единственная гравитационная аномалия, обнаруженная астрономами. В частности, в некоторых скоплениях галактики, судя по всему, связаны между собой сильнее, чем может объяснить гравитационное поле видимого вещества. Самый яркий пример такой аномалии (по мнению сторонников темного вещества) имеет место в скоплении Пуля, где происходит столкновение двух галактических скоплений. Центр масс каждого из скоплений смещен по отношению к тому месту, которое можно найти по наиболее плотным областям нормального вещества, и считается, что расхождение не согласуется ни с одним нынешним предложением по модификации Ньютоновой гравитации. Однако это не конец истории, поскольку в 2010 году результаты нового исследования показали, что эти наблюдения не согласуются и с темным веществом в том виде, в каком оно фигурирует в Стандартной космологической модели ?CDM. А Мильгром по-прежнему утверждает, что MOND способна объяснить наблюдения в скоплении Пуля. Долго считалось, что MOND не объясняет полностью динамику скоплений галактик, но она способна разобраться примерно с половиной расхождения, за которое в альтернативной модели отвечает темное вещество. За вторую половину, считает Мильгром, отвечает недоступное прямому наблюдению обычное вещество.

Это более вероятно, чем склонны признавать энтузиасты темного вещества. В 2011 году Изабель Гренье заинтересовалась тем, что космологические расчеты суммарного количества вещества не сходятся. Даже если забыть про темное вещество и темную энергию, не хватает примерно половины обычного (специальный термин: барионного) вещества. И ее группа нашла, что большое количество этого вещества может находиться в форме областей водорода, настолько холодного, что он не производит никакого излучения, которое мы могли бы регистрировать с Земли. Данные об этом получены из наблюдений излучения, которое рождают молекулы окиси углерода[100], связанные с космическими пылевыми облаками в пространстве между звездами. А где окись углерода, там обычно и водород, но он настолько холодный, что доступна наблюдениям только окись углерода. Расчеты позволяют предположить, что от внимания ученых таким образом ускользает громадное количество водорода.

И не только: из этого открытия следует, что наши нынешние представления сильно занижают количество нормального вещества. Не настолько, чтобы можно было во всех теориях заменить темное вещество на нормальное, имейте в виду, — но достаточно, чтобы требовалось заново осмыслить все расчеты, связанные с темным веществом. В частности те, что касаются скопления Пуля.

В целом MOND способна объяснить большую часть аномальных наблюдений, связанных с гравитацией, — большинство из них в любом случае допускает несколько исключающих друг друга интерпретаций. Несмотря на это, она не встречает понимания космологов, считающих ее формулировки произвольными. Лично я не вижу, почему они более произвольны, чем постулирование громадных количеств вещества принципиально нового типа, но полагаю, что смысл в том, что так можно сохранить драгоценные уравнения. Если вы меняете уравнения, то нужно подтверждать какими-то данными выбор новых уравнений, а аргумент «они соответствуют наблюдениям» недостаточен, чтобы объяснить необходимость именно таких модификаций. Опять же, меня этот аргумент не убеждает, потому что то же самое можно сказать и про любые новые типы вещества. Особенно с учетом того, что никто никогда его не регистрировал, кроме как косвенно, по предполагаемому влиянию на видимое вещество.

Существует тенденция считать, что вариантов всего два: MOND или темное вещество. Однако наша теория гравитации не священный текст, и модифицировать ее можно громадным числом способов. Если мы не исследуем эту возможность, может оказаться, что мы поставили не на ту лошадь. И немного нечестно сравнивать первые робкие выводы нескольких пионеров таких теорий и гигантские усилия, которые традиционная космология и физика вкладывают в поиск темного вещества. Мы с Коэном называем это «проблемой роллс-ройса»: ни один автомобиль никогда не будет доведен до ума, если вы будете настаивать, что уже первый его прототип должен быть лучше знаменитой марки.

Существуют и другие способы не привлекать к объяснениям темное вещество. Хосе Рипальда исследует симметрию обращения времени в общей теории относительности и ее связь с существованием отрицательных значений энергии. Обычно считается, что отрицательная энергия исключена, поскольку ее существование заставило бы квантовый вакуум распадаться путем образования пар частица/античастица. Рипальда указывает, что такие расчеты основаны на предположении о том, что этот процесс протекает только в прямом времени. Если принять во внимание и процесс, текущий в обратном времени, при котором пары частиц взаимно аннигилируют, то суммарное действие всего этого на вакуум будет нулевым. Вообще положительность или отрицательность энергии относительна; знак зависит от того, движется наблюдатель в будущее или в прошлое. Отсюда представление о двух типах вещества: вещество, движущееся в будущее, и вещество, движущееся в прошлое. Для описания их взаимодействия требуются две различные метрики вместо обычной одной, различающиеся знаком, так что такой подход может рассматриваться как модификация общей теории относительности.

Согласно этой гипотезе, первоначально однородная статичная Вселенная должна перейти к ускоряющемуся расширению тогда, когда гравитация усилит квантовые флуктуации. Это снимает необходимость в темной энергии. Что касается темного вещества, Рипальда пишет: «Один из наиболее интересных аспектов „темного вещества“ — то, что его кажущееся распределение отличается от распределения [обычного] вещества. Как такое может быть, если „темное вещество“ взаимодействует гравитационно и следует по тем же геодезическим кривым, как и все вещество и энергия?[101]» Вместо этого Рипальда использует аналогию с электростатикой и предлагает гипотезу, что предполагаемое сферическое гало из темного вещества, окружающее галактику, на самом деле представляет собой сферический войд во всепроникающем (в остальном пространстве) распределении вещества, направленного в прошлое.

Не исключено, что в принципе можно избавиться от всех трех добавок, а может быть, даже от Большого взрыва. Один из способов добиться этого — теория, разработанная Али и Дасом, которая исключает начальную сингулярность Большого взрыва и даже допускает бесконечно древнюю Вселенную. Другой способ, если верить Роберту Маккею и Колину Рурку, состоит в том, чтобы заменить обычную модель Вселенной, однородную на больших масштабах, моделью, неоднородной на малых масштабах. Такая модель согласуется с современными представлениями о геометрии Вселенной — мало того, согласуется даже лучше, чем стандартное псевдориманово многообразие, — и никакого Большого взрыва не нужно. Распределение вещества во Вселенной может быть статичным, тогда как отдельные структуры, такие как галактики, приходят и уходят в цикле продолжительностью около 10?¹⁶ лет. Красное смещение может оказаться геометрическим, вызванным гравитацией, а не космологическим, вызванным расширением пространства.

Даже если эта теория неверна, она наглядно демонстрирует, что изменение нескольких допущений о геометрии пространства-времени дает возможность сохранить стандартную форму Эйнштейновых уравнений поля, отказаться от трех «костылей» — инфляции, темной энергии и темного вещества — и вывести поведение, в разумной степени согласующееся с наблюдениями. Принимая во внимание «проблему роллс-ройса», согласитесь, имело бы смысл рассматривать более интересные, творческие модели, вместо того чтобы бездумно настаивать на радикальной и ничем объективно не подтвержденной физике.