Чи є темна матерія ілюзією для науки
Теоретичний фізик Ерік Верлінде припускає, що гравітація є явищем, що зароджується, і що темна речовина не існує. Ця ідея щойно пройшла перший успішний тест.
- Google +
- Друкувати
Ігнорований піонер
З тих пір темна речовина стала повсюдною складовою астрономії та космології. Він становить 25% вмісту Всесвіту, що в п’ять разів більше звичайної речовини. Це пояснює обертальний рух спіральних галактик, а також динаміку скупчень галактик, певні ефекти гравітаційної лінзи, утворення великих структур у Всесвіті, в яких згруповані галактики, або спектр анізотропій космічного дифузного фону., Тобто розподіл температурних нерівностей у першому випромінюванні, яке випромінював Всесвіт, коли йому було 380 000 років. Але якщо темна матерія здається необхідною для пояснення всіх цих спостережень, її природа залишається невідомою.
Експерименти, проведені під контролем
У більшості моделей темна речовина складається з екзотичних частинок, досі невідомих, але потенційно спостережуваних. Експерименти безпосереднього виявлення засновані на ідеї, що ці частинки темної речовини можуть взаємодіяти - хоча і дуже рідко - зі звичайною речовиною. Отже, маючи досить великий детектор і маючи багато терпіння, слід мати можливість побачити, як частинка темної матерії впадає в звичайну частинку речовини. Кілька команд по всьому світу постійно вдосконалюють свої детектори. Експерименти LUX у Сполучених Штатах або PandaX у Китаї дозволили встановити настільки сильні обмеження для деяких моделей темної матерії, слабків (слабко взаємодіючих масивних частинок), що цей тип кандидатів зараз зазнає труднощів.
До цього часу жодного сигналу не спостерігалося в прискорювачах частинок, особливо в LHC, де, як сподіваються, створюється темна речовина під час зіткнень протонів з дуже високою енергією. Ані в космічних променях, деякі з яких можуть бути результатом знищення частинок темної речовини в регіонах космосу, де вона присутня в кількості. Результати експерименту AMS, встановленого на Міжнародній космічній станції, опублікованого в грудні 2016 року після п’яти років спостереження, можуть бути сумісними зі слабкістю масою близько однієї тераелектронвольт, але поки ще рано говорити. можливість того, що спостерігається сигнал надходить від пульсарів, щільних, швидко обертаються зірок, які випромінюють потік частинок.
Коротше кажучи, жоден експеримент ще не дав вагомих ознак існування частинок темної речовини. Найпростіші моделі здаються виключеними, але фізики ще далеко від усунення всіх можливостей.
Гіпотеза темної матерії стикається з іншими проблемами. Якщо ідея виникла під час вивчення профілів швидкості спіральних галактик, вона також підривається в цих структурах. Наприклад, згідно з чисельним моделюванням, темна речовина повинна накопичуватися в надлишку в центрі галактик у пропорціях, несумісних із спостереженнями. І за наявності темної матерії моделювання передбачають утворення багатьох маленьких галактик-супутників навколо спіральних галактик. Однак ми знаємо лише близько двадцяти навколо Чумацького Шляху, замість кількох сотень, як очікувалося. Деякі фізики вважають, що ця остання проблема є спостережною: ці дуже слабкі галактики-супутники все одно б уникли погляду астрономів. Пояснення, підкріплене відкриттям у 2015 році 11 карликових галактик.
Крім того, у жовтні минулого року Стейсі Макго з університету Кейс Вестерн Резерв у Сполучених Штатах та її колеги порівняли в 153 галактиках з дуже різноманітними характеристиками доцентрове прискорення (пов'язане із силою тяжіння), виведене з видимого профілю швидкості зірки відповідає всій звичайній речовині плюс темній речовині, а розрахована частина доцентрового прискорення виробляється лише із звичайної речовини. Таким чином вони продемонстрували, що ці два прискорення пов'язані досить простою формулою. Вони не рівні, що свідчить про необхідність темної речовини для опису профілю швидкості спіральних галактик. Але також немає очевидної причини, щоб ці два прискорення корелювались простими відносинами, знаючи, що вони були розраховані в галактиках, більш-менш багатих темною речовиною. Для цього знадобиться зв’язок між розподілом звичайної речовини та розподілом темної речовини, тоді як ці два компоненти взаємодіють дуже слабко, лише завдяки гравітаційній взаємодії (і, можливо, слабкій взаємодії). Як це пояснити ?
Дві команди вже показали, що моделювання з темною речовиною може відтворити стосунки, висвітлені Стейсі Макго та її колегами. Вони враховують вплив зворотного зв'язку звичайної речовини на темну речовину. Залишається показати, що їх результат є універсальним і стосується реальних галактик з різними властивостями.
Галактичне царство MOND
Навпаки, результат Стейсі Макго ідеально поєднується з теорією, що конкурує з темною речовиною, теорією MOdified Newtonian Dynamics (MOND). Це було запропоновано Мордехай Мілгром з Інституту Вейцмана в Ізраїлі в 1983 році. Він передбачає, що другий закон Ньютона (сума сил, що діють на систему, дорівнює добутку маси та прискорення), вже не діє. і повинен бути виправлений, коли прискорення дуже низькі, нижче певного порогу на кілька порядків нижче, ніж сила тяжіння Землі. Такий режим справді діяв би в найвіддаленіших частинах спіральних галактик, і ця модифікована гравітація пояснювала б профіль швидкості, виміряний Вірою Рубін, без необхідності вдаватися до темної матерії.
Ще одним успіхом теорії MOND є те, що вона, природно, відновлює емпіричний закон, відомий як Таллі-Фішер, який встановлює взаємозв'язок між внутрішньою світністю спіральної галактики та швидкістю її обертання. Цей взаємозв'язок можна ідеально пояснити модифікацією законів ньютонівської динаміки, хоча він погано пристосовується до гіпотези темної матерії.
На жаль, теорія MOND (або її релятивістські версії) теж не позбавлена проблем. Хоча він добре працює в масштабі галактики, він бореться з більшими масштабами. Це не дозволяє відтворювати динаміку скупчень галактик без додавання компонента темної матерії. Те саме стосується пояснення спектра анізотропії космічного дифузного фону.
Нова гравітація
Інші шляхи є ще більш радикальними, наприклад, нещодавня пропозиція Еріка Верлінде. Теоретик-фізик в Амстердамському університеті не в перший раз. У 2010 році він висунув гіпотезу, що гравітація - це явище, що виникає, пов'язане з ентропією. Гравітація вже не є основною силою, а виникає внаслідок іншої, більш фундаментальної структури Всесвіту. Існує багато способів уявити гравітацію, що з’являється, але зв’язок з термодинамікою, і зокрема ентропією, бере свій початок з робіт Якоба Бекенштейна та Стівена Хокінга над чорними дірами, але особливо Теда Якобсона, який показав, що можна було знайти закони загальної теорії відносності, поєднуючи загальні міркування щодо термодинаміки з принципом еквівалентності (ефекти прискорення ідентичні ефектам гравітаційного поля). Ерік Верлінде додає до цієї ідеї певні поняття, що походять від квантової гравітації, такі як голографічний принцип.
В основі його теорії лежать квантові біти, або кубіти. На відміну від звичайного біта, який знаходиться або в стані "0", або в стані "1", кубіт знаходиться в квантовій суперпозиції станів "0" та "1", зважених за коефіцієнтами (математично кажучи, ми говоримо про хвилю функція кубіта). Коли вимірюється стан кубіта, хвильова функція модифікується (або "зменшується"), суперпозиція станів зникає, а спостережуваний кубіт приймає випадковим чином (з імовірностями, пов'язаними з коефіцієнтами хвилі функції), значення "0 "або значення" 1 ", як можна було б очікувати для загального об’єкта.
Суттєвим елементом теорії Еріка Верлінде є можливість заплутування кубітів. Два кубіти утворюють заплутану систему, коли їх хвильові функції пов’язані, навіть якщо кубіти знаходяться далеко один від одного. Що відбувається при вимірюванні в заплутаній системі? Розглянемо, наприклад, заплутану систему, утворену з двох кубітів, стани яких завжди протилежні при вимірюванні (якщо один дорівнює "0", інший дорівнює "1"). Таким чином, якщо спочатку два заплутані кубіти є невизначеними накладаннями станів "0" і "1", і ми вимірюємо стан першого кубіта, його хвильова функція зменшується, і ми отримуємо значення випадковим чином. Миттєво стан іншого кубіта набуває протилежного стану, навіть якщо кубіти занадто далеко один від одного, щоб встигнути обмінятися будь-якою інформацією, навіть із блискавичною швидкістю. У теорії Верлінде заплутаність сусідніх кубітів у мережі породжує плоский простір. Наявність речовини порушує структуру переплутування і утворює дефекти, які згинають цей простір-час. Таким чином, гравітація виникає і поводиться так, як очікує загальна теорія відносності.
У статті, опублікованій у 2016 році, Ерік Верлінде бере свої попередні ідеї та пояснює, як ми отримуємо форму темної енергії (компонент, що пояснює прискорене розширення Всесвіту) і як остання створює ілюзію темної матерії. Темною енергією буде теплова енергія, пов'язана з кубітовими переплетеннями на великі відстані. Наявність речовини порушить ці довгі заплутаності, зробивши темну енергію непрацездатною в регіонах, де речовина присутня. З іншого боку, у цих областях темна енергія намагається відновити себе, надаючи на речовину силу, яка була б еквівалентна додатковій силі тяжіння, якій приписують темну матерію.
Ерік Верлінде підрахував, що цей ефект почне бути помітним у масштабі галактик і впливати на криву обертання спіральних галактик. Таким чином, він знаходить закон Таллі-Фішера і в цілому всі співвідношення теорії MOND, введені спеціально Мордехай Мілгром в 1983 р. Ще сильніше він знаходить коефіцієнт прискорення теорії MOND, з якої дієта Ньютона вже не існує дійсний.
Ідея приваблива. Однак ще багато чого потрібно зробити. У статті Еріка Верлінде не вистачає повної теорії, і багато труднощів із новими гравітаційними моделями залишаються безперечними. І навіть деякі тести теорії загальної теорії відносності (теорія, дуже добре доведена до речі) не перевіряються.
Теорія Верлінде в умовах спостережень
Теорія Еріка Верлінде ще має бути ретельно вивчена. Зокрема, він повинен відтворити всі спостереження, що пояснюються наявністю темної речовини або MOND. Здається, перший крок зробив Марго Браузер та її колеги. Вони вивчили 33613 галактик, які спотворюють зображення фонових галактик слабкою гравітаційною лінзою, як передбачається загальною теорією відносності. Дослідники порівняли вимірювання маси галактик, які служать лінзою, з прогнозами теорії гравітації Верлінде, що виникає, про деформацію фонових галактик. Дослідники знаходять хорошу узгодженість між спостереженнями та розрахунками. Це також підтверджує подібні висновки, зроблені Мордехай Мілгром у 2013 році в контексті MOND. Інша команда, яка об'єднала дослідників з Італії, Франції та Швейцарії, порівняла для скупчень галактик Абелл 2142 і Абелл 2319 спостереження та розподіл речовини, розраховані за теорією Верлінде, і тут також згода хороша.
Найбільшим викликом для теорії Еріка Верлінде буде теза про спектр анізотропії космічного дифузного фону. Ці коливання температури є відмінною рисою умов у космосі того часу. Зокрема, цей спектр вказує на те, як первісна плазма коливалась під впливом стиснення, накладеного гравітаційною силою, і відштовхування, створюваного тиском фотонів. І саме з гіпотезою темної матерії - яка сприяла скороченню - найкраще описаний спектр анізотропії, виміряний різними експериментами, зокрема супутником Планка. Для теорії MOND та її релятивістських варіантів відтворення спектра анізотропій є проблемою. За словами Еріка Верлінде, його теорія могла б досягти цього, оскільки вона містить речовину і гравітаційну поведінку, привабливу для темної енергії. Однак в даний час фізик не розробив динамічної теорії, яка враховує еволюцію Всесвіту. В його описі зафіксовано сучасні умови, коли в густині енергії космосу переважає темна енергія, але цього не було на момент випромінювання космічного дифузного фону.
Тож темна матерія - це ілюзія? Питання далеко не вирішене.