Physical Review Letters или The Astrophysical Journal. И чем дольше эта идея проживет, тем больше вы можете уверовать, что находитесь на правильном пути.
Многие теоретики скажут, что это на самом деле наилучший подход, позволяющий двигаться вперед по всем возможным направлениям. Или, как говорят ученые, исследовать все теоретически возможное пространство параметров. Как бы то ни было, но этот подход также порождает огромное множество притянутых за уши умозрительных гипотез, подавляющее большинство из которых неизбежно оказываются неверными – ведь в конце концов истина только одна.
Но так устроена физика, и на протяжении многих лет был предложен целый ряд самых разных экзотических концепций. Одна из них – это размытая темная материя, над теорией которой в настоящее время работает Джерри Острайкер6. Считается, что размытая темная материя состоит из частиц невероятно малой массы – около 10–22 эВ. Из-за столь ничтожно малой массы этих частиц длина соответствующей им квантовой волны – то есть обусловленная квантовой неопределенностью «размытость» – должна достигать нескольких тысяч световых лет. А это значит, что на масштабе галактик поведение этой гипотетической субстанции должно отличаться от поведения любого другого вида темной материи, что позволит решить многие из обсуждавшихся в главе 21 проблем. Само собой разумеется, что нет никаких шансов непосредственно обнаружить частицы с массой в триллион триллионов раз меньше, чем у электрона, что, кстати, может обеспечить теории долгую жизнь.
Среди других новых идей стоит отметить гипотезу распада темной материи, недавно предложенную в попытке смягчить несогласованность Хаббла (получается, что Вселенная расширяется быстрее, чем следует из экстраполяции данных наблюдений реликтового излучения)7. В случае постепенного распада частиц темной материи с превращением их в некое «темное излучение» сила их гравитационного притяжения должна со временем уменьшаться. Это ослабление притяжения в сочетании с ускоряющим эффектом темной энергии может обеспечить большую скорость расширения Вселенной – достаточно, чтобы объяснить ее наблюдаемое повышенное значение.
Разумеется, если темная материя распадается на темные фотоны, то это должно происходить под действием некой неизвестной силы. Действительно, физики рассматривают возможность существования не просто одного вида частиц темной материи, а целого многокомпонентного «скрытого сектора», включающего частицы темной материи, темные силы и бозоны – переносчики темной силы, называемые темными фотонами. В конце концов, современный «зверинец» элементарных частиц – Стандартная модель – очень сложно устроен и выглядит крайне неизящно, так почему же скрытая темная сторона природы должна быть простой и минималистичной? Зато «скрытый сектор» с его многочисленными частицами и взаимодействиями открывает богатые возможности для объяснения странных свойств наблюдаемой Вселенной.
Расширение круга гипотетических частиц и сил также приветствуется изобретательными экспериментаторами, которые разрабатывают установки и опыты, способные дать эмпирические свидетельства в пользу тех или иных сумасшедших идей теоретиков. Одна из таких новых установок – это детектор под названием FASER (ForwArd SEaRch experiment), запуск которого в ЦЕРНе запланирован на 2022 год8. По словам научного сотрудника ЦЕРНа Джейми Бойда, «ожидается, что детектор FASER обнаружит около 100 темных фотонов за время следующего этапа работы Большого адронного коллайдера, который продлится три года»9.
Когда летом 2019 года я был в ЦЕРНе, строительство детектора FASER еще только начиналось – его создание было одобрено за несколько месяцев до этого. Некоторые из массивных сцинтилляторов нового детектора (это были запчасти к одной из старых физических установок в ЦЕРНе) все еще находились у Бойда в кабинете. На другом конце длинного и тускло освещенного коридора, далеко за крохотным кабинетом, в котором Тим Бернерс-Ли в начале 1990-х годов создал Всемирную паутину, Бойд показал мне цех, где технические специалисты проводили испытания модулей спектрометра для детектора FASER — это тоже, кстати говоря, оборудование, разработанное и изготовленное для других экспериментов.
FASER (ForwArd SEaRch experiment) – новый детектор, установленный в ЦЕРНе для поиска темных фотонов или других сравнительно долгоживущих частиц
Короткоживущие частицы, порождаемые при столкновении протонов в Большом адронном коллайдере, улавливаются большими детекторами ATLAS и CMS. А что, если после столкновений иногда могут возникать и темные фотоны? В этом случае они должны лететь по прямой, касательной к окружности коллайдера, и распадаться на электрон-позитронные пары только через несколько сот метров уже далеко за пределами основных детекторов элементарных частиц.
Эксперимент FASER стоимостью 2,5 миллиона долларов, над которым работает Бойд, основан на идее физика Джонатана Ли Фена из Калифорнийского университета в Ирвайне. Установка строится в старом заброшенном участке туннеля, который оказался расположенным в нужном месте, примерно в 480 метрах от детектора ATLAS. В течение нескольких ближайших лет детектор FASER имеет шанс обнаружить свидетельства, подтверждающие существование темных фотонов или других сравнительно долгоживущих частиц. На сайте проекта он назван программой BSM (Beyond the Standard Model – «За пределами Стандартной модели»).
Еще одна странная идея – это сверхтекучая темная материя, которую первым придумали Лаша Бережиани, который сейчас работает в Институте физики общества Макса Планка, и Джастин Хури из Пенсильванского университета10. Так же, как вода может существовать в разных агрегатных состояниях (в виде пара, жидкости или льда), чрезвычайно легкие аксионоподобные частицы темной материи тоже могут существовать в разных фазах. При очень низком давлении эта таинственная субстанция ведет себя подобно состоящему из частиц обычному газу и взаимодействует только посредством гравитации. Но в более плотных областях вроде гало из темной материи, из которых образуются галактики, в результате некоего вида самовзаимодействия эти частицы превращаются в сверхтекучую среду с очень специфическими свойствами, чем-то напоминающими совершенно свободное от трения поведение сверхтекучего жидкого гелия.
Умозрительно? Разумеется. Но в этой теории привлекает то, что взаимодействие сверхтекучей темной материи с нормальной барионной материей порождает новую силу, действие которой более или менее похоже на гравитацию. Вот почему Хоссенфельдер так нравится эта идея. «Тайну темной материи пытались решить либо через новый вид элементарных частиц, либо через некоторую форму модифицированной гравитации, – говорит она. – Но, безусловно, меньше всего внимания было уделено возможности сочетания двух вариантов».
Как уже отмечалось, ΛCDM-теория с темной материей в виде элементарных частиц замечательно работает на космологических масштабах, но не в состоянии описать ситуацию в масштабах отдельных галактик, где гораздо успешнее оказывается модифицированная ньютоновская динамика (см. главу 12). Но, по словам Хоссенфельдер, модифицированная ньютоновскся динамика не походит, потому что она не может объяснить свойства скоплений галактик и реликтового излучения. К тому же у этой теории отсутствует приемлемая релятивистская версия. Зато новая сила, действующая со стороны сверхтекучей темной материи, в масштабах отдельных галактик похожа на своего рода модифицированную гравитацию. Поэтому Хоссенфельдер называет ее «самозванным полем».
По ее словам, «наблюдательные данные говорят о том, что мы имеем режим с разными откликами. Неправильно рассматривать [гипотезы о] состоящей из элементарных частиц темной материи и модифицированную гравитацию как две конкурирующие теории, каждая из которых предназначена для объяснения всех данных». В конце концов, как она отмечает в своем популярном блоге Backreaction и на своем YouTube канале, вы же не будете пытаться подправить уравнения Бернулли, описывающие поведение текучих сред, чтобы объяснить свойства льда11. При фазовом переходе речь идет о двух совершенно разных режимах темной материи с характерным для каждого из них описанием.
Стерильные нейтрино, аксионы, асимметричная темная материя, размытая темная материя, многокомпонентная темная материя, самовзаимодействующая темная материя, сверхтекучая темная материя – полет научной фантазии порождает новые теории быстрее, чем мутации – новые штаммы смертельного вируса. Это что, признак прогресса? Свидетельство того, что мы наконец приходим к единственному решению величайшей тайны астрофизики? Или это признак реального кризиса, когда ученые отчаянно ищут ответ, который все время ускользает от них? Может быть, мы, подобно индийским слепцам, пытаемся всё объяснить через стену, сосну, штык, змею, глисту, не приметив при этом самого слона как он есть?
Эрик Верлинде в Амстердамском университете пошел еще дальше. Он вообще не верит в существование «слона». Согласно его теории «эмерджентной» гравитации, темной материи не существует12. То, что мы воспринимаем как гравитационное действие таинственной субстанции, на самом деле представляет собой взаимодействие между нормальной материей и вездесущей темной энергией, а сама темная энергия есть следствие термодинамических свойств космологического горизонта – «края» наблюдаемой Вселенной. Если вам это кажется абракадаброй, не волнуйтесь. В эмерджентной гравитации мало кто разбирается, да и сам Верлинде признает, что в ней много недоработок.
Вместе со своим братом-близнецом Германом, который сейчас занимается теорией струн в Принстонском университете, Эрик изучал физику в Утрехтском университете, где голландский лауреат Герард ’т Хоофт привил ему интерес к черным дырам. В то время существование этих таинственных прожорливых космических объектов было еще предметом споров, но такие физики, как Яаков Бекенштейн, Хокинг и Хоофт уже основательно изучали черные дыры в теоретическом плане. В частности, Хокинг показал, что они должны испускать очень слабое излучение вследствие квантовых эффектов вблизи так называемого горизонта событий, расположенного на расстоянии, откуда невозможно вырваться из гравитационного поля черной дыры. А Бекенштейн показал, что черные дыры должны обладать некоторой энтропией (степенью беспорядка), пропорциональной площади горизонта событий. И именно взаимосвязь между термодинамикой и гравитацией черных дыр стала главным компонентом голографического принципа Хоофта, который мы здесь не излагаем из-за его сложности.