Маленькая книга о Большом взрыве

Многие считают аксионы последней надеждой на существование темной материи. Аксион был открыт в 1970-х физиками, специализировавшимися на исследованиях элементарных частиц, а свое название получил в честь стирального порошка. Его существование должно было объяснить неоднозначные аспекты сильного ядерного взаимодействия – а главное, ответить на вопрос, почему нейтрон однородно нейтрален, несмотря на то что его составные частицы, кварки, заряжены. Считается, что аксион – экстремально легкая частица с массой даже меньше, чем у нейтрино, хотя некоторые сценарии развития ранней Вселенной предполагают, что образовавшихся в тот период аксионов было бы вполне достаточно, чтобы в итоге создать необходимое количество темной материи. Эти сценарии пока носят очень умозрительный характер, и поскольку все, что я мог бы сообщить о них, с большой вероятностью может оказаться неправдой, давайте просто оставим их в покое.

* * *

При таком количестве неудач и неподтвержденных догадок было бы странно не мечтать о какой-нибудь альтернативной теории, исключающей необходимость существования темной материи. Не сомневайтесь: не меньше дюжины космологов вообще отвергают идею темной материи, настаивая на том, что закон всемирного тяготения Ньютона должен быть изменен. На границах галактик гравитация кажется слишком слабой, чтобы удерживать звезды на орбитах. Никто пока не проверял, как действует на таких расстояниях ньютоновский закон тяготения, так почему бы не предположить, что он там помощнее? Подобная гипотеза сегодня известна как МОНД, или модифицированная ньютоновская динамика (MOND, Modified Newtonian Dynamics).

Если мы хотим переписать закон всемирного тяготения Ньютона в соответствии с поведением звезд в отдаленных частях галактики, то нам придется ввести в теорию некое определенное расстояние, за пределами которого гравитация становится сильнее, чем считал Ньютон. Это будет равнозначно введению в уравнения новой константы – постоянной величины, такой же как скорость света или масса электрона, а с подобными новшествами физики мирятся с большой неохотой. Кроме того, поскольку закон Ньютона служит постоянным ограничителем общей теории относительности, любая теория МОНД потребует модификаций и самой теории относительности. Попытки таких изменений уже были предприняты, но на данный момент все они плохо согласуются с наблюдениями. В целом нужно признать, что большинство космологов смотрят на МОНД с еще большим скепсисом, чем на темную материю.

* * *

Возможно, вы думаете, что эта глава посвящена скорее частицам, чем космологии. Но в этом и смысл! Научно доказано, что Вселенная служит местом воплощения удивительных явлений, а значит, сегодня мы больше не можем говорить о космологии, закрыв глаза на физику элементарных частиц. Общая теория относительности, ядерная физика, физика элементарных частиц и другие важные дисциплины сплелись воедино, чтобы создать образ Вселенной в известном нам виде, и теперь мы не можем больше игнорировать сложные связи ее составляющих. Нужно понимать, что любое нововведение в мире физики будет оспаривать предшествующие ему 400 лет экспериментов и наблюдений, а природа неизбежно окажется умнее нас с вами.

А что насчет темной энергии? Думаете, я про нее забыл?

8 Еще более темная Вселенная

Нет, я прекрасно помню о темной энергии. Одна уже мысль о том, что материя, из которой мы состоим, является частичкой материи, из которой состоит наша Вселенная, действует отрезвляюще – но еще больше отрезвляет понимание, что большая часть этой Вселенной может вообще не состоять из материи. В последние 20 лет большинство астрономов сошлись на том, что основная часть Вселенной состоит из темной энергии. Это условный термин: на самом деле мы понятия не имеем, что темная энергия собой представляет. Мы только знаем, что она не является материей и составляет около 70 % энергии всей Вселенной.

Пожалуй, на этом главу можно было бы и закончить. Но почему все-таки большинство космологов верят в существование темной энергии? Дело в том, что закон Хаббла, описанный в главе 4, – это обман. Возможно, вы помните, что на графике удаления галактик, демонстрирующем закон Хаббла, соотношение скорость-расстояние изображено в виде прямой линии. Проблема заключается в том, что такое изображение было бы правдоподобно лишь в том случае, если бы с момента Большого взрыва скорость расширения Вселенной оставалась неизменной. Тогда постоянную Хаббла, H, действительно можно было бы назвать постоянной, а закон Хаббла выглядел бы как v = Hd.