Перевод осуществлен проектом Newочём
Я сижу за рабочим столом в Вашингтонском университете и пытаюсь сохранить запас энергии. Теряю ее не я, а мои компьютерные модели. Хотя коллеги могли бы сказать то же самое и обо мне. Когда я говорю людям, что работаю над спекулятивными теориями о темной материи, они начинают относиться ко мне с подозрением. Не думаю, что хоть кто-нибудь в университете верит во все это.
В своих презентациях я акцентирую внимание на том, как много космологических проблем можно было бы разрешить. Бритва Оккама для меня своего рода панацея: всего одним подтверждением можно столько всего объяснить (бритва Оккама — методологический принцип, согласно которому, «не следует привлекать новые сущности без крайней необходимости». Сущности в данном контексте — факты, факторы, термины, объясняющие какое-либо явление. — прим. Newочём). Я говорю о вещах, которые нельзя объяснить в рамках общепринятых представлений о темной материи. У Млечного Пути, очевидно, слишком мало галактик-спутников. Внутреннее состояние малых галактик нестабильно. Тут мне на помощь снова приходит Бритва Оккама и я утверждаю, что эти противоречия можно решить, присвоив стандартной темной материи слабое самовзаимодействие, некий паттерн слабого взаимодействия ее частиц между собой. Кто-нибудь может спросить, верю ли я сам во все это. Сложно сказать.
Мир, каким мы его видим — это иллюзия, пусть и довольно прочная. Постепенно мы привыкли считать квантовую теорию поля, в которой все еще много неточностей, подлинным представлением о мире; не всегда мы видим то, что происходит на самом деле. Темную материю можно считать веским дополнением этой концепции. По-видимому, большая часть вещества во вселенной скрыта от нас. Это приводит в замешательство физиков и широкую общественность. Физики обеспокоены тем, что нельзя дать точное, неопровержимое определение темной материи. Всем остальным трудно понять нечто настолько смутное и неуловимое. Все это несет в себе угрожающее сходство с тем, как больше ста лет назад ученые оспаривали существование эфира.
В конце 1800-х ученые пытались понять, как электромагнитные волны (например, свет) могут проходить сквозь вакуум. Представляя себе волны, мы думаем о воде, и тогда кажется очевидным, что должен быть какой-то носитель, аналог воды, в котором электромагнитные волны будут рябью. Так появилась идея «эфира» — неуловимой среды, пронизывающей космос.
Американские ученые Альберт Майкельсон и Эдвард Морли в 1887 году провели свой известный эксперимент, призванный доказать или опровергнуть существование эфира. Если свет распространяется только благодаря эфиру, — рассуждали они, — то Земля движется сквозь это вещество. Чтобы это проверить, они построили хитроумный прибор: прочная оптическая плита, помещенная в резервуар с жидкой ртутью — это предотвращало вибрации и позволяло вращать плиту в любую сторону. Нужно было сравнить длины световых волн, направленных в разные стороны, в процессе вращения прибора или же в процессе движения Земли вокруг Солнца. Так как наша планета движется по орбите против «эфирного ветра», это должно отразиться на световых волнах, сократить их длину. Через шесть месяцев сопротивление должно поменяться (оно будет направлено в обратную сторону), и пучки света снова станут длиннее. Но, к удивлению многих, длины световых волн в любом направлении оставались неизменными. Ничего не говорило о существовании предполагаемого носителя. Эфир оказался ошибкой.
Тем не менее, не все физики отказались от эфира. Об этом еще долго велись дискуссии, по крайней мере, пока жили некоторые сторонники существования эфира. Сам Морли не поверил результатам своего эксперимента. Только ретроспективный взгляд помог убедиться в том, что эксперимент Майкельсона-Морли доказывает отсутствие эфира и, как выяснилось потом, подтверждает более радикальную теорию относительности Альберта Эйнштейна.
Темная материя, темная энергия, черные деньги, черные рынки, черная биомасса, темный геном: ученые «затемняют» любое важное явление, которое не поддается пониманию и так или иначе скрыто от прямого восприятия. Иными словами, эта темнота метафорична. Но поначалу она воспринималась буквально. В 1930-х швейцарский астроном Фриц Цвикки наблюдал скопление галактик, гравитационно связанных друг с другом, они двигались по своим орбитам слишком быстро. Только наличие огромной массы невидимого вещества могло бы объяснить, почему галактики все еще держатся вместе. Цвикки предположил, что существует «темная» материя — он просто имел в виду, что не смог ее увидеть. Но и после него астрономы находили доказательства невидимого вещества в космосе. К примеру, в самих галактиках звезды тоже вращаются слишком быстро. Похоже, темная материя — самое распространенное вещество во вселенной.
А еще это самое неуловимое вещество. Оно не взаимодействует ни с собой, ни с другими веществами, из которых состоят звезды, планеты или мы с вами. Единственным доказательством служит гравитационный эффект, а гравитация, к сожалению, — это самый слабый тип фундаментального взаимодействия. Но гравитация также является единственной универсальной силой, и поэтому темная материя преобладает во вселенной.
В течение прошлых 50-ти лет нам удалось построить стандартную космологическую модель, весьма убедительно описывающую видимую часть вселенной. Сначала Большой взрыв стал причиной стремительного расширения пространства, плотность вещества становилась неоднородной. В течение следующих 13,7 млрд лет эти неоднородности становились все более явными благодаря неумолимой силе гравитации, предположительно формируя «космический настил» из темной материи, гравитационное поле которой удерживает видимые нам яркие галактики.
Эта стандартная космологическая модель имеет множество фактических подтверждений, включая всепроникающее гамма-поле вселенной, распределение галактик в космосе и их скопления. Эти фундаментальные наблюдения сочетают в себе научное знание и независимые исследования во многих областях астрономии. Все это хорошо согласовано с космологической моделью, предполагающей наличие темной материи. Астрофизики, не воспринимающие всерьез принципы этой модели, остаются в меньшинстве. Дело не в том, что эта теория кажется всем особенно прекрасной, просто не существует такой же согласованной и успешной альтернативы. Ни одна из теорий не может объяснить, что такое темная материя. Это действительно одна из величайших нерешенных проблем в физике.
Поэтому поиски продолжаются. Ускорители частиц обрабатывают данные, множество датчиков спрятаны под землей, а телескопы направлены в небо. Современная эпоха экспериментов уже смещает строгие рамки правдоподобных теорий. В лучшем случае, мы сможем понять темную материю через двадцать лет. В худшем случае, мы никогда ее не поймем.
Мы живем во время новых открытий. Хорошо подтвержденная теория объясняет разнообразие элементарных частиц, которые мы можем наблюдать. Эта же теория позволяет предположить, что существуют другие, пока еще неопознанные частицы. Несколько десятилетий назад теоретики осознали, что могут существовать так называемые слабо взаимодействующие массивные частицы (СВМЧ). Такие частицы могли бы обладать всеми свойствами темной материи, так что она может быть прямо у нас под носом. Если бы темная материя состояла из СВМЧ, она бы так слабо взаимодействовала с обычной материей, что обнаружить ее можно было только в результате серии особых экспериментов по изучению темной материи, которые стали возможными совсем недавно. Самый многообещающий из них — «Большой подземный ксеноновый эксперимент» (LUX) в Южной Дакоте, самый большой детектор темной материи в мире. Его построили на месте шахты по добыче золота в феврале 2013 года и он способен обнаружить самые неуловимые элементарные частицы. Несмотря на сверхчувствительность LUX, поиск темной материи требует терпения. Пока все, что попалось в ловушку LUX, — вспышки космического шума, которые не несут в себе никакой важности.
Прошлый успех стандартных парадигм в теоретической физике привел к тому, что мы охотимся за единой общей частицей темной материи — самой темной материей. Возможно, однако, у нас и нет достаточных оснований, чтобы предполагать, что можно вообще что-либо найти.
Как сказал в 1994 году английский физик Джон Д. Бэрроу: «Нет никаких причин полагать, что Вселенная должна была быть разработана для нашего удобства»
С учетом этой оговорки кажется, что возможности заключаются в следующем. Темная материя либо существует, либо нет. Если она существует, то мы либо можем ее обнаружить, либо нет. Если она не существует, мы либо можем доказать, что ее нет, либо не можем. Наблюдения, которые заставляют астрономов утверждать, что темная материя существует, сперва кажутся слишком обоснованными и убедительными, чтобы их отвергать, поэтому самый распространенный аргумент против существования темной материи это заявление, что с нашим пониманием гравитации что-то не так — что она не обязательно ведет себя так, как предсказал Эйнштейн. Это бы перевернуло с ног на голову наше понимание физики, поэтому немногие хотят разбираться в этом. С другой стороны, если темная материя существует, но мы не можем ее обнаружить, то мы оказываемся в крайне неудобном положении.
Но мы живем в золотой век космологии. За последние два десятилетия мы столько всего обнаружили: измерили изменения в реликтовом излучении Большого взрыва, узнали, что расширение Вселенной ускоряется, мельком взглянули на черные дыры и смогли уловить самые яркие взрывы во Вселенной. В ближайшие десятилетия мы, скорее всего, сможем посмотреть на первые звезды во Вселенной, нанести на карту почти полное распределение темной материи и услышать катастрофическое слияние черных дыр через гравитационные волны. Даже среди всех этих «богатств», темная материя открывает уникальную перспективу, находясь на слиянии новых наблюдений, теории, технологии и (как мы надеемся) нового финансирования.
Все предлагаемые способы понять природу темной материи можно разделить на три категории: искусственное воссоздание (в ускорителе частиц), косвенное и прямое обнаружение. Последний способ, в котором исследователи пытаются поймать вимпы (гипотетические слабовзаимодействующие массивные частицы — прим. Newoчём) в «дикой природе» вызывают особый восторг и воодушевление. Подземный детектор LUX является одним из первых в новом поколении сверхчувствительных экспериментов. Он заключается в отслеживании взаимодействия вимпов с ядрами обычных атомов. Этот эксперимент по большей части состоит из очень чистых целевых детекторов, таких как нетронутый элементарный германий или ксенон, охлажденные до экстремально низких температур и защищенные от внешних частиц. Проблема в том, что бродячие частицы все равно проникают. Такие нарушения тщательно контролируются. Снижение шума, экранирование и аккуратность в статистических измерениях — единственные способы отделить реальные взаимодействия частиц темной материи от ложных тревог.
Теоретики рассмотрели множество возможностей того, как частица сможет взаимодействовать с вимпом. На самом деле, первое поколение экспериментов уже исключило возможность так называемого рассеяния частиц в результате взаимодействия с z-бозоном. То, что осталось, — это рассеяние частиц от столкновения с бозоном Хиггса, которое будет включать в себя ту же самую частицу, которую открыли в ноябре прошлого года на Большом адронном коллайдере в Женеве. Это подразумевает очень слабое взаимодействие, но оно идеально подойдет для текущей чувствительности нового поколения экспериментов.
Опять же, наука меньше говорит о том, что есть, чем о том, чего нет, и не-обнаружения вызвали достаточно интересные ограничения на то, какой может быть темная материя. Также на стадии разработки, которая своей противоречивостью напоминает эфир, они закрыли глаза на некоторые аномалии, природа которых должна быть выяснена. Используя другой детектор наподобие LUX, в итальянском эксперименте DAMA (сокращение «DArk MAtter») утверждают, что они нашли модуляцию сигнала темной материи за год. Критики спорят о том, был ли у них вообще сигнал. Как и с эфиром, мы ожидали увидеть такого рода ежегодные вариации по ходу вращения Земли вокруг Солнца, иногда по направлению более крупного галактического вращения, иногда против него. Сотрудники DAMA измерили эту ежегодную модуляцию. Другие конкурирующие проекты (к примеру, XENON, CDMS, Edelweiss и ZEPLIN) не смогли этого сделать, но эти эксперименты не могут быть непосредственно сопоставлены, так что следует отложить осуждение.
Природа может быть жестока. Физики могут принять «невыявляемость» как намек на то, что пора сдаться, но всегда есть дразнящая вероятность, что нам просто нужен эксперимент получше. Или, возможно, темная материя окажется настолько же сложной, что и обычная материя. Предыдущие эксперименты выявили достаточно строгие ограничение на то, какую сложность мы можем ожидать — нет никакой перспективы обнаружить людей из темной материи, или даже химию темной материи, поверьте — но она все еще может явиться нам в нескольких ипостасях. Мы можем найти некоторую частицу, которая сможет объяснить лишь часть ожидаемой общей массы темной материи.
В некотором смысле, это уже произошло. Нейтрино неуловимы, но встречаются повсеместно (60 миллиардов из них проходят через пространство размером с мизинец каждую секунду). Они почти никогда не взаимодействуют с обычной материей, а до 1988 года мы считали, что у них абсолютно нет массы. На самом деле, нейтрино составляют малую долю от массы вселенной, и они действительно ведут себя как странного рода темная материя. Они не являются «той самой» темной материей, но, возможно, существует не один тип темной материи, который мы можем найти.
Сказать, что мы живем в эпоху открытий, на самом деле значит сказать, что мы всего лишь живем в эпоху сильного интереса. Физики заявляют, что мы бы добились чего-то существенного, если бы определили, что темная материя это не вимпы. Не было бы это открытием? В то же время, этот раздел физики кишит новыми идеями и конкурирующими теориями. Некоторые изучают идею, что в темной материи происходят взаимодействия, но мы никогда не сможет быть причастны к ним. В этом случае, в темной материи происходят взаимодействия такого крошечного масштаба, что они никак бы не повлияли на современную космологию. В темной материи может существовать даже своя экзотическая вселенная — темный сектор. Такая возможность одновременно пугает и завораживает физиков. Мы могли бы заявлять, что темная материя — сложное царство, которое всегда будет уходить от наших глаз, за исключением взаимодействия с нашим миров через гравитацию. Темный сектор может быть сродни параллельной вселенной.
Довольно просто возиться с основной идеей темной материи, когда все ваши усовершенствования притянуты за уши. Именно этим занимаются все теоретики, изучающие темную материю. Я разрабатывал идею о том, что в темной материи могут быть самовзаимодействия, и добавил это в программу суперкомпьютера для симулирования галактик. В больших масштабах, где космология делает устойчиво верные предсказания, эта модификация ничего не дает, но в малых масштабах, когда теория о темной материи иногда дает сбои, она помогает решить несколько вопросов. На моделирование приятно посмотреть, и с его помощью можно сделать приемлемые прогнозы. И хотя в нем очень много неизвестных — то, что ученые называют «точными настройками» — может показаться, что некоторые результаты подогнаны под наблюдения. Вот почему я воздерживаюсь от суждений и советую вам сделать то же самое.
Мы, вероятно, никогда точно не узнаем, может ли темная материя взаимодействовать сама с собой. В лучшем случае, мы сможем предположить, насколько сильным могут быть эти взаимодействия. Так что, когда меня спрашивают, является ли правильной теория о самовзаимодействии, я отвечаю отрицательно. Я ограничиваюсь тем, что это возможно, но не обязательно так. Разочаровывает, не правда ли? Конечно, космология должна содержать более глубокие истины, чем мы можем понять.
Может быть, однажды ученые LUX или их конкуренты смогут обнаружить то, что они ищут. Или я с помощью какого-нибудь невзрачного суперкомпьютера узнаю скрытую правду о темной материи. Правда, в таком случае это открытие не будет «человеческим», оно появится внезапно, как результат изысканий нескольких богов из машины. Вселенная темной материи — часть нашей вселенной, но мы никогда не сможем этого принять.
Природа эпистемологически шутит над нами. То, за чем мы наблюдаем, существует только в одной форме, однако то, что мы не можем исследовать, может существовать в бесконечном количестве состояний. Хорошая теория должна быть запутанной. Темная материя — это простое решение сложной задачи, не наоборот. И тем не менее, нет никаких гарантий того, что это когда-нибудь получится объяснить. И независимо от того, смогут астрофизики найти ее в концептуальном смысле, нам никогда не удастся этого понять. Темная материя останется за пределами нашего понимания. Как бы то ни было, жить во вселенной, большая часть которой недоступна, — значит жить в царстве бесконечных возможностей.
