В новом выпуске научно-популярного проекта Event Horizon ведущий Джон Майкл Годье обсудил с профессором физики Калифорнийского университета в Сан-Диего Брайаном Китингом фундаментальные загадки современной космологии. В центре дискуссии оказались модифицированная ньютоновская динамика (MOND) как альтернатива темной материи, психологические барьеры колонизации Марса и философские границы человеческого познания. Собеседники попытались ответить на вопрос, одиноки ли мы во Вселенной и способна ли земная наука создать исчерпывающую «теорию всего».
👽 Одиночество во Вселенной и антропоцентризм 0:23
Дискуссия началась с обсуждения вероятности существования развитого внеземного разума. По мнению Брайана Китинга, человечество вполне может быть единственной формой сознательной, технологической и моральной жизни во Вселенной. Профессор подчеркнул, что с научной точки зрения на сегодняшний день нет абсолютно никаких доказательств присутствия развитых инопланетных цивилизаций.
Знаменитую цитату Карла Сагана из книги «Контакт» о том, что отсутствие жизни в столь огромном космосе было бы «ужасной тратой пространства», Китинг считает необоснованной. Он утверждает, что Вселенная совершенно не обязана соответствовать человеческим критериям и представлениям о рациональном использовании площади. С точки зрения гостя, подобные ожидания отражают наивный антропоцентризм, от которого наука должна была избавиться еще во времена Коперника и Галилея, лишивших Землю статуса центра мироздания.
Китинг сослался на книгу Арика Киршенбаума «Путеводитель зоолога по Галактике» (A Zoologist's Guide to the Galaxy), отметив, что теоретически шансы встретить гипотетическую цивилизацию, которая будет развитее или, наоборот, примитивнее нашей, примерно равны. Однако математически идея «населенного космоса» часто строится на ошибке: умножение бесконечно малого шанса зарождения разума на огромное число планет дает неопределенность, а не гарантированный результат.
❄️ Антарктида как модель чужого мира 4:57
Для иллюстрации своей скептической позиции Китинг привел в пример Землю. Из семи континентов планеты Антарктида была открыта последней, и профессор провел там два месяца своей жизни. Этот огромный, плоский, ледяной массив, превосходящий по площади Аляску или Техас, практически лишен жизни. Более того, около 70% поверхности Земли покрыто океаном, который, по словам Китинга, изначально непригоден для развития технологической жизни, способной заниматься металлургией, плазменной сваркой или производством полупроводников. Сама по себе потенциальная обитаемость среды не означает автоматического присутствия этой жизни.
Находясь на южнополярной станции Амундсен-Скотт, Китинг ощущал себя словно на чужой планете. Станция построена на сваях и покрыта зеркальными панелями. Вокруг нет живых существ, кроме ученых в красных куртках Canada Goose и редких военно-транспортных самолетов C-130 Hercules на лыжном шасси.
Условия изоляции делают это место идеальным аналогом ледяной планеты Хот из вселенной «Звездных войн». Зимой на всем континенте остается всего около 200 человек. Ограниченный контингент (около 50 человек на станции) привлекает людей с уникальной психологией. Китинг вспомнил, что в один из сезонов там работал обычный плотник, умудрившийся занять третье место в Бостонском марафоне, наряду с физически крепкими учеными-неформалами.
🚀 Покорители Луны и Марса: психология космической экспансии 8:39
Годье поинтересовался, доказывает ли готовность людей зимовать в Антарктиде их способность лететь на Луну или Марс. Китинг выразил в этом полную уверенность, упомянув свою коллегу, астронавтку доктора Джессику Меир. Меир, закончившая бакалавриат в Брауновском университете и аспирантуру в UCSD, провела почти год на МКС. Будучи незамужней 40-летней женщиной-ученым, пилотом и океанографом, она полностью посвятила себя космосу и является одним из главных кандидатов на роль первой женщины на Луне в рамках программы «Артемида» (Artemis).
Говоря о Марсе, Китинг упомянул Илона Маска, заявлявшего о желании умереть на Красной планете. Профессор процитировал ироничную ремарку британского королевского астронома Мартина Риса:
«Я лишь надеюсь, что его желание исполнится, но только не в момент падения».
По мнению Китинга, решение богатейшего человека в истории, имеющего 9 или 10 детей, променять все земные блага на консервную банку, летящую к Марсу без обратного билета, свидетельствует о запредельных масштабах человеческих амбиций. При этом ни Годье, ни Китинг сами лететь на Марс не планируют. Как заметил ведущий, Марс — слишком легкое место для того, чтобы умереть, поэтому он предпочитает завершить этот жизненный процесс на Земле.
🌌 Крах общей теории относительности? Суть концепции MOND 11:18
В фундаментальной физике периодически появляются безумные идеи, способные перевернуть наше представление о макромире, как это сделала общая теория относительности (ОТО) Эйнштейна. ОТО остается лучшим инструментом описания гравитации, однако накапливающиеся аномалии заставляют искать новые пути. Как отметил Годье, дорога к опровержению ОТО усеяна «трупами» несостоявшихся альтернативных теорий. Одним из наиболее обсуждаемых подходов сегодня считается модифицированная ньютоновская динамика (MOND).
Отцом-основателем MOND является израильский профессор Мордехай Милгром из Института Вейцмана. По словам Китинга, Милгром предложил решение, которое долгое время искало свою проблему: изменить поведение гравитации на огромных космических масштабах, но сохранить законы Ньютона на коротких дистанциях.
В MOND вводится масштабно-зависимый параметр, корректирующий ускорение. На малых расстояниях Земли, Солнечной системы и ближайших звезд отклонения ничтожно малы, поэтому орбиты Нептуна или карликовой планеты Макемаке строго подчиняются классическому второму закону Ньютона.
Основные особенности гипотезы MOND:
- Линейный режим: На малых расстояниях ускорение соответствует стандартной формуле $F = ma$.
- Квадратичный режим: При сверхнизких ускорениях (на окраинах галактик) сила начинает зависеть от квадрата ускорения. Это фактически переписывает базовую ньютоновскую кинематику для малых сил.
🔭 Загадка галактических кривых вращения и Темная материя 14:11
Главным триумфом MOND стало объяснение кривых вращения спиральных галактик, открытых Верой Рубин в 1960–1970-х годах. Рубин использовала спектроскопические измерения доплеровского смещения скоростей звезд, разработанные коллегами Китинга по UCSD — Джеффри и Маргарет Бербидж. Примечательно, что Бербиджи вместе с Уилли Фаулером и Фредом Хойлом (который и придумал термин «Большой взрыв») создали теорию звездного нуклеосинтеза, объясняющую происхождение тяжелых элементов. Китинг признался, что сейчас занимает бывший кабинет Джеффри Бербиджа, который до конца жизни оставался скептиком Большого взрыва и сторонником теории стационарной Вселенной.
Наблюдения Веры Рубин показали, что окраины спиральных галактик вращаются не так, как планеты в Солнечной системе. В нашей системе 99% массы сосредоточено в Солнце, дающем 100% света, поэтому скорость планет падает обратно пропорционально квадратному корню из расстояния (Нептун движется медленнее Меркурия). В галактиках же скорость звезд на периферии остается высокой и выходит на плато.
Традиционная физика объясняет это наличием гигантского невидимого гало темной материи, превосходящего по массе видимую часть галактики в несколько раз. В качестве кандидатов рассматривались массивные компактные объекты гало (MACHO) или слабовизаимодействующие массивные частицы (WIMPs). Однако MOND предлагает альтернативу: не выдумывать новые необнаруженные частицы, а просто скорректировать соотношение $F = ma$ для обычного барионного вещества (электронов, протонов и, как пошутил Китинг, «крутонов»).
🪓 Проблемы MOND и ловушки регистрации Темной материи 18:02
Несмотря на успехи MOND в описании отдельных галактик, теория сталкивается с серьезными вызовами. Главная проблема MOND, по мнению Китинга, заключается в том, что она не устраняет необходимость в темной материи полностью: для объяснения динамики крупных скоплений галактик модифицированной динамике все равно требуется вводить некую скрытую массу. Говоря о «причинной адекватности» теории, профессор напомнил, что законы Ньютона работают в колоссальном логарифмическом диапазоне масштабов, тогда как от MOND требуют объяснить абсолютно всё, что может быть чрезмерным запросом.
Китинг подчеркнул, что существование скрытой массы частично доказано: единственная форма темной материи, в которой ученые уверены на 100% — это нейтрино. Нейтрино являются подлинными WIMP-частицами, но их массы и количества недостаточно, чтобы закрыть весь дефицит массы Вселенной. Профессор согласился с Годье в том, что физики могут быть просто «слепы» к остальной темной материи из-за неверных методов поиска.
Ситуация напоминает исследования реликтового излучения (CMB): если эпоха космической инфляции происходила на низких энергиях, зафиксировать ее следы в виде B-моды поляризации будет теоретически невозможно из-за шумов.
Ключевые препятствия для обнаружения темной материи на Земле:
- Технологический тупик детекторов: Эксперименты вроде Xenon nT (под руководством Кай Сюаня Ни и Елены Априле) ищут механические столкновения частиц темной материи с жидким ксеноном.
- Космический нейтринный фон: Детекторы сталкиваются с непреодолимым фоном космических нейтрино, рожденных при Большом взрыве и взрывах сверхновых (таких как SN 1987A). Этот фон создает «лавину шума», за которой невозможно разглядеть сигнал скрытой массы.
- Исключительно гравитационное взаимодействие: В худшем сценарии частицы темной материи вообще не вступают в механические или электромагнитные коллизии, что делает их принципиально неуловимыми.
🧪 Безумные гипотезы: периодическая таблица темной материи и парадокс Ферми 25:00
Развивая полет фантазии, Китинг предположил, что темная материя может оказаться гораздо сложнее, чем одна базовая частица. По его мнению, вполне допустимо существование целой «периодической таблицы темной материи» из 116 элементов со своими темными протонами и комбинациями. Ранее физики возлагали большие надежды на суперсимметрию, ожидая найти стабильный бозонный аналог нейтрино, однако результаты Большого адронного коллайдера (LHC) во многом перечеркнули эти ожидания.
Профессор обратил внимание на удивительный космический баланс: обычное светящееся барионное вещество составляет всего около 0,5% от энергетического бюджета Вселенной, но именно оно обладает сознанием и способно размышлять о своем происхождении. При этом о темной энергии человечество знает еще меньше, а ограничения на ее параметры практически отсутствуют из-за нехватки технологической чувствительности приборов.
Годье выдвинул гипотезу: не кроется ли решение парадокса Ферми в том, что развитые инопланетяне просто переводят свое существование в форму темной материи? Китинг отметил, что его коллега из Брауновского университета Стефан Александер изучает темную материю не как частицы, а как экзотическую сверхтекучую жидкость с квантовой запутанностью («куперовскими парами») на межгалактических масштабах. Версию о «темных инопланетянах» Китинг считает принципиально непроверяемой (нефальсифицируемой), сравнивая ее с историями о Лох-несском чудовище или снежном человеке, которые весело обсуждать за бокалом хорошего шотландского виски.
🏝️ Остров знаний и новые горизонты Симмонса 30:52
В завершение беседы о границах познания Китинг напомнил о балансе между космической гордыней и космическим смирением. Ссылаясь на Аристотеля («Чем больше я знаю, тем больше понимаю, что ничего не знаю»), он описал знаменитую притчу Джона Арчибальда Уилера, который ввел термин «черная дыра». Уилер сравнивал науку с островом знаний посреди океана невежества: по мере роста площади острова длина его береговой линии — зоны контакта с неизвестным — увеличивается линейно, порождая еще больше вопросов.
Отец Китинга описывал науку как «вечную битву против бесконечной армии природы», где эта армия, в отличие от реальных военных конфликтов, к счастью для ученых, находится в состоянии постоянного отступления. Профессор привел аналогию со своей собакой, которая видит, как хозяин водит карандашом по бумаге, но не понимает сути письма, а просто хочет, чтобы ей бросили эту палочку.
В практической плоскости Китинг сейчас сосредоточен на руководстве Обсерваторией Симмонса (Simmons Observatory) в Чилийских Андах — самом амбициозном космологическом проектом стоимостью более 100 миллионов долларов. Проект объединяет 300 ведущих ученых из Пенсильванского, Принстонского, Беркли, Чикагского и Калифорнийского университетов. Обсерватория призвана изучить происхождение Вселенной, эволюцию галактик, а также заняться поисками гипотетической Девятой планеты и сигналов далеких внеземных цивилизаций. Параллельно ученый развивает свой подкаст, где уже побеседовал с 14 нобелевскими лауреатами и готовит выпуск с известным астрофизиком Стейси Макго (Stacy McGaugh), продолжающим дело Милгрома в продвижении теории MOND.
