В ноябре 2019 года исполнилось сто лет со дня экспериментального подтверждения общей теории относительности Эйнштейна . На дискуссии World Science Festival физик Брайан Грин и его коллеги обсудили, почему спустя век гравитация остается ключом к пониманию главной загадки космоса — невидимой материи, составляющей 85% массы Вселенной.
🔭 История открытия «темной стороны» Вселенной 3:14
Идея существования невидимого вещества возникла в конце XIX века. Лорд Кельвин, моделируя движение звезд в галактике как молекулы газа в коробке, предположил, что большинство светил могут быть «темными телами» . Позже математик Анри Пуанкаре, вдохновившись работами Кельвина, ввел в научный оборот сам термин Темная материя .
В 1930-х годах Фриц Цвикки изучал движение галактик в скоплении Волосы Вероники . Он обнаружил, что их скорости слишком велики: видимой массы не хватало для удержания скопления от распада. Окончательно аргументы в пользу невидимой массы сформулировала Вера Рубин. Она доказала, что звезды на окраинах галактик вращаются так же быстро, как и в центре . По законам гравитации они должны были вылететь в открытый космос, но некое скрытое вещество удерживает их на орбитах.
Ключевые факты о масштабе проблемы:
- На долю обычной материи (протонов, нейтронов, электронов) приходится лишь около 5% плотности Вселенной .
- Темная материя превышает массу видимого вещества в 4–5 раз .
- Остальные 70% приходятся на темную энергию, ответственную за ускоренное расширение пространства.
🌑 Кандидаты в темную материю: от черных дыр до вимпов 16:37
Джозеф Силк выделяет две основные группы гипотез: макроскопические объекты и элементарные частицы. Обычное барионное вещество (погасшие звезды, планеты) ученые исключили, опираясь на данные о первичном нуклеосинтезе Большого взрыва . Если бы темная материя состояла из обычных атомов, концентрация гелия во Вселенной была бы принципиально иной.
Джозеф Силк называет перспективным кандидатом Первичные черные дыры :
- Они могли образоваться в первые мгновения после Большого взрыва.
- Их масса может быть сопоставима с массой астероида при микроскопическом размере .
- Они не требуют введения «новой физики» или ранее неизвестных частиц.
- Наблюдения за галактикой Андромеды уже позволили зафиксировать события микролинзирования, которые могут быть признаком таких объектов .
Марианджела Лизанти фокусируется на поиске новых элементарных частиц. Единственная частица Стандартной модели, похожая на темную материю — это нейтрино, но его массы недостаточно для объяснения наблюдаемых эффектов . Поэтому теоретики обратились к концепции Суперсимметрии . Согласно этой теории, у каждой известной частицы есть массивный партнер. Легчайший из них должен быть стабильным, нейтральным и слабо взаимодействующим с обычной материей. Такие гипотетические частицы получили название WIMP (слабо взаимодействующие массивные частицы) .
🛰️ Экспериментальные поиски и «вимп-чудо» 30:42
Популярность вимпов среди физиков обусловлена математическим совпадением, известным как «вимп-чудо» . Если предположить, что частица имеет массу в 100 раз больше протона и взаимодействует через слабое ядерное взаимодействие, то расчетное количество таких частиц, оставшихся после Большого взрыва, в точности совпадает с наблюдаемой плотностью темной материи .
Для поимки вимпов ученые используют три метода :
- Создание в лаборатории: На Большом адронном коллайдере (LHC) физики сталкивают протоны, надеясь превратить энергию столкновения в массу темных частиц . Пока результатов нет.
- Косвенное детектирование: Поиск вспышек гамма-излучения в центрах галактик, возникающих при аннигиляции частиц темной материи друг с другом . Спутник Fermi зафиксировал избыток гамма-лучей в центре Млечного Пути, но этот сигнал могут создавать быстро вращающиеся пульсары .
- Прямое детектирование: Глубоко под землей установлены баки с жидким ксеноном или аргоном (эксперименты Xenon1T, LZ). Ученые ждут, когда частица темной материи врежется в ядро атома, вызвав слабую отдачу .
Риса Векслер отмечает, что отсутствие сигналов в этих экспериментах заставляет физиков рассматривать более легкие частицы, например Аксионы, или гипотезы «Темного сектора», где невидимая материя имеет свои собственные силы взаимодействия .
🧩 Гравитация как иллюзия: подход Эрика Верлинде 52:45
Эрик Верлинде предлагает радикальную альтернативу: возможно, темной материи не существует как вещества. По его мнению, аномалии в движении звезд вызваны несовершенством нашего понимания гравитации на больших масштабах . Верлинде рассматривает гравитацию не как фундаментальную силу, а как Эмерджентное явление, возникающее из термодинамики и квантовой запутанности .
Аргументы Верлинде:
- Черные дыры обладают энтропией, пропорциональной площади их горизонта событий, что доказали Стивен Хокинг и Якоб Бекенштейн .
- Наша Вселенная также имеет горизонт из-за наличия темной энергии и ускоренного расширения .
- Взаимодействие обычной материи с энтропией этого космического горизонта создает дополнительную «упругую» силу гравитации .
По словам Эрика Верлинде, эта добавочная сила проявляется именно тогда, когда ускорение падает ниже критического значения на окраинах галактик . Это позволяет объяснить плоские кривые вращения без привлечения новых частиц.
🔮 Будущее физики теней 1:15:51
Риса Векслер подчеркивает, что модель темной материи как частиц крайне успешна: она с высокой точностью предсказывает структуру распределения миллионов галактик во Вселенной . Однако десятилетия поисков не дали прямого подтверждения.
Джозеф Силк прогнозирует развитие событий на ближайшие 50 лет :
- Строительство в Китае и Европе ускорителей частиц в 10 раз мощнее LHC .
- Установка телескопов на Луне — стабильной платформе без атмосферы, которая миллиарды лет подвергалась бомбардировке всеми видами излучений .
- Уточнение данных о реликтовом излучении и расширении Вселенной, что поможет проверить гипотезу эмерджентной гравитации.
Участники дискуссии сошлись во мнении: если в ближайшие 10–15 лет вимпы не будут обнаружены, научному сообществу придется признать, что мы ищем частицы в слишком узком «окне» возможностей, и пересмотреть фундаментальные основы теории тяготения .
