Невидимая Вселенная. Темные секреты космоса - Йостейн Рисер Кристиансен

Из истории о Вулкане можно вынести и еще один урок. Большинство из заметивших Вулкан, вероятно, сами в это искренне верили. То были сознательные астрономы, убежденные в том, что действительно видят реальную планету. Ведь желаемое разглядеть легче. К счастью, современные астрономы и физики проводят более точные измерения, а их умозаключения более надежны, чем во времена популярности Вулкана. Но человеческая психология неизменна, и неважно, пытаемся ли мы разглядеть в телескоп Вулкан или же выслеживаем частицу темной материи в сверхчувствительном детекторе. Когда возможности наших экспериментов и логики и так доведены до предела, к тому, что видишь, лучше относиться с долей недоверия. Особенно когда у нас есть четкое представление о том, что именно мы хотим увидеть.

Самая известная попытка модифицировать закон всемирного тяготения вместо признания темной материи была предпринята в 1983 году. Ее автором стал израильский физик с жутковато звучащим именем — Мордехай Милгром. Это было еще до появления достоверной информации о реликтовом излучении и скоплении галактик Пуля. Милгром ставил перед собой задачу объяснить движение спиральных галактик, не прибегая к гипотезе о темной материи.

Согласно ньютоновскому закону всемирного тяготения, с увеличением расстояния до объекта действие его гравитационных сил будет ослабевать. А если быть точнее, гравитация ослабевает вчетверо каждый раз при удвоении расстояния (или — для тех, у кого есть склонность к математике, — сила тяжести обратно пропорциональна квадрату расстояния). Милгром разработал теорию, согласно которой гравитация следует закону Ньютона в областях, где притяжение относительно сильное, например, внутри нашей Солнечной системы. Но если мы посмотрим на звезды на окраинах галактик, притяжение будет слабее. При каждом увеличении расстояния гравитация там будет уменьшаться вдвое, а не вчетверо, как у Ньютона (сила тяжести обратно пропорциональна расстоянию, а не квадрату расстояния).

(Теорию MOND можно интерпретировать двумя способами: либо меняются законы гравитации, либо второй закон Ньютона для инерции. Я придерживаюсь первой интерпретации, а Милгром же основывал свои выводы исключительно на второй. То, что я все же смотрю на MOND как на изменение силы тяжести, делается для простоты объяснений. Для нас результат все равно будет таким же.)

Теория Милгрома получила название Модифицированной ньютоновской динамики и сегодня наиболее известна под аббревиатурой MOND (Modified Newtonian dynamics).

В MOND самые удаленные звезды в галактике обладают более сильной гравитацией, чем в теории Ньютона. Поэтому они и двигаются быстрее, но при этом не улетают за пределы своей галактики. С помощью MOND Милгрому удалось объяснить кривые вращения спиральных галактик ничуть не хуже, чем приверженцам темной материи. И, наверно, ничего удивительного в этом нет, ведь MOND и была создана именно для объяснения аномального вращения спиральных галактик. Позже оказалось, что теория отлично справляется и с объяснением некоторых других аспектов, связанных с движением объектов в галактиках. Ведь галактики бывают всевозможных размеров и форм, и во многих случаях MOND ничем не уступает гипотезе темной материи.

Тем не менее у MOND не так много последователей среди астрофизиков, потому что в теории не все так гладко. Первая сложность заключается в том, что MOND нельзя считать полноценной теорией гравитации. Как я упоминал ранее, закон всемирного тяготения Ньютона был во многом заменен общей теорией относительности Эйнштейна в 1915 году. Мы подробнее рассмотрим теорию относительности, когда начнем обсуждать темную энергию, но уже сейчас скажу, что с помощью этой теории можно объяснить не только движение перигелия Меркурия. Основной задачей ученого было создать теорию без противоречий. А это среди прочего затрагивало несовместимость теории с уравнениями Максвелла, согласно которым скорость света постоянна независимо от того, кто ее измеряет. В теорию Ньютона это не укладывается. Эйнштейну удалось согласовать законы Максвелла с законами гравитации, создав таким образом теорию, которая была гораздо более последовательной, чем у Ньютона. Тем не менее для большинства явлений вокруг нас теории Эйнштейна и Ньютона дадут примерно одинаковые результаты. И когда мы посмотрим, например, на кривые вращения галактик, то получим практически аналогичные результаты независимо оттого, используем мы теорию Эйнштейна или Ньютона.

Если сравнивать теории Ньютона и Эйнштейна, то производить расчеты гораздо проще по первой. Поэтому нет ничего удивительного в том, что Милгром при работе над теорией модифицированной динамики отталкивался от закона всемирного тяготения Ньютона. Но и у этой теории все та же проблема: ей никак не стать целостной гравитационной теорией. MOND — это первая попытка объяснить вращение галактик, не вводя понятия «темная материя», однако эта теория недостаточно фундаментальна. Позднее появились более полные и последовательные теории, которые примерно так же объясняют аномалии движения в галактиках. Но подобно тому, как MOND представляет собой более сложную версию законов Ньютона, эти теории — усложненные версии теории относительности Эйнштейна. Это создает две проблемы. Во-первых, сложность вычислений, основанных на теории относительности, затрудняет работу с другими явлениями Вселенной. Касается это, например, пятен на реликтовом излучении. Во-вторых, красотой такие теории уж точно не отличаются. Наиболее привлекательными для физики и астрономии всегда были наиболее простые и красивые теории. Физики склонны недолюбливать дополнительные усложняющие факторы в уравнениях. В этом смысле MOND и его более последовательные собратья уступают теориям Ньютона и Эйнштейна. А еще есть субъективная оценка: что будет выглядеть «уродливее» — искажение красивых теорий или введение во Вселенную новой невидимой материи?

Но у MOND есть недочеты не только на теоретическом и «эстетическом» уровнях. Да, теория превосходно работает в галактиках, но вот на уровне скоплений галактик все уже не так безоблачно. Чтобы объяснить скорости галактик в скоплениях, даже MOND не обойтись без темной материи. Безусловно, реально обойтись и меньшим количеством темной материи в скоплениях галактик, если использовать MOND в качестве теории гравитации. Да и темной материи необязательно состоять из нового типа частиц, возможно, она — обычное вещество, которое мы просто не видим. И тем не менее если MOND без темной материи тоже не справляется, то звание идеальной альтернативы она теряет.

Еще один камень преткновения — реликтовое излучение. Для объяснения этого феномена нам нужна достаточно последовательная теория наподобие эйнштейновской. A MOND к таким точно не относится, хотя она и позволяет сделать некоторые грубые расчеты, касающиеся пятен