Тёмная материя и гравитационные волны: лекция в MIT

Побывал вчера на лекции про тёмную материю и гравитационные волны в MIT. Точнее, это не то, чтобы лекция, а скорее краткий ликбез для всех желающих. Бесплатно. И без формул.

Обе темы довольно интересные и относительно новые. По поводу тёмной материи у меня давно были неопределённости в голове. Напомню, «тёмная материя» — это гипотетический новый вид материи, неизвестный в настоящее время науке и незафиксированный экспериментально, наличие которого могло бы объяснить различие между скоростями движения звёзд во внешних областях галактик, рассчитанными теоретически на основе классического закона всемирного тяготения, и наблюдаемыми скоростями движения этих звёзд. Как известно, закон всемирного тяготения выражается довольно простой формулой:

F — сила гравитационного притяжения между двумя объектами
G — гравитационная постоянная
m₁, m₂ — массы взаимодействующих объектов
R — расстояние между объектами

Согласно этому закону, звёзды в произвольной спиральной галактике должны двигаться примерно так, как на левой картинке:

Однако, движутся так, как на правой. Для объяснения этого феномена и придумана тёмная материя. Это особый вид материи, который никак не взаимодействует с электромагнитным излучением (что делает её невидимой ни в оптическом диапазоне, ни в радио, ни в каком другом диапазоне электромагнитного спектра), но взаимодействует гравитационно. При этом, чтобы звёзды вели себя так, как на картинке справа, масса тёмной материи должная составлять 80% массы галактики, причём внешние границы всей этой массы должны распространятся далеко за пределы видимого «диска» галактики.

Поскольку тёмная материя не взаимодействует с электромагнитным излучением, она легко может находиться прямо сейчас вокруг нас, но обнаружить её крайне затруднительно. И пока никому не удалось. Если тёмная материя существует, то её частицы будут являться расширением существующей стандартной модели элементарных частиц.

На самом деле, сугубая гипотетичность тёмной материи меня несколько смущает. В пользу её существования косвенно говорит только описанный выше феномен со скоростями звёзд. Но мне кажется, правильно было бы, прежде чем вводить в рассмотрение что-то абсолютно новое и неизведанное, сначала попробовать объяснить этот феномен, используя существующие виды материи и другие концепции, существование которых ни у кого не вызывает сомнения. Собственно, имхо, первой естественной мыслью когда знакомишься с тёмной материей и феноменом, который она призвана объяснить, является именно мысль о том, что… может быть закон всемирного тяготения, формула которого приведена выше, неверен? Именно это и является альтернативной теорией, объясняющий феномен скоростей вращения звёзд без привлечения концепции тёмной материи. Называется эта теория MOND, Modified Newtonian dynamics (Модифицированная ньютоновская динамика). Однако с этой теорией имеются свои проблемы: она не в состоянии объяснить некоторые другие гравитационные феномены, проявляющиеся на ещё больших масштабах, чем масштаб галактик (например, на масштабах скоплений галактик). В связи с чем, как утверждает Википедия, теория MOND не имеет широкой поддержки в учёной среде.

Я не знаю, вполне возможно, что теория тёмной материи верна, и тёмная материя действительно существует. А также, возможно, существует ещё более экзотическая «тёмная энергия» (о ней как-нибудь в следующий раз). Но просто как-то все эти «тёмные» концепции похожи на попытки объяснить необъяснимое ещё более необъяснимым. Мне кажется, надо использовать все возможности, чтобы объяснить факты максимально простым способом (введение новых экзотических частиц не представляется мне таковым), прежде чем приступать к более сложным объяснениям (бритва Оккама, собственно). Впрочем, возможно я не в курсе, и все попытки объяснить имеющийся феномен в рамках существующих представлений о материи, уже предприняты и не принесли плодов. Тогда разговоры о тёмной материи полностью оправданы.

Вторая тема была тоже интересная — про гравитационные волны и про то, как удалось впервые обнаружить их полтора года назад, 14 сентября 2015 года. Гравитационная волна создаёт колебательный процесс, при котором пространство периодически растягивается то в одном направлении, то в перпендикулярном ему. Гравитационные волны были предсказаны теоретически Альбертом Эйнштейном в рамках Общей теории относительности более ста лет назад. На самом деле, масштаб этих колебаний настолько незначителен, что сам Эйнштейн сомневался в том, что эти волны будут когда-либо обнаружены экспериментально. Тем замечательнее, что их всё же обнаружили. Причём, вероятность ошибки практически ничтожна, так как одна и та же гравитационная волна была одновременно зафиксирована на нескольких детекторах , расположенных в разных местах Земли.