[143] удалось с помощью введения одного нового параметра хорошо объяснить скорости вращения галактик без гипотезы о темном веществе. В дальнейшем модель получила развитие с точки зрения теории благодаря работам Якова Бекенштейна (Jacob Bekenstein)[144]. А вот с наблюдениями все пошло не так хорошо.
Новые данные показывали отклонения от старой базовой модели (без изменения законов гравитации и без темного вещества) на самых разных масштабах и в разных ситуациях. Стало трудно обходиться одним параметром. Понадобилось или усложнять модель, или все-таки добавлять в нее темное вещество. Модель перестала быть элегантной из-за необходимости тонкой настройки параметров и введения новых.
Не могу сказать, что мне кажется более простым и естественным менять закон всемирного тяготения всякий раз, когда у нас что-то не сходится. Наоборот, введение новой, причем одной частицы, для возникновения которой есть физическая мотивация, кажется более простым. Здесь уместно вспомнить о том, как Вольфганг Паули ввел нейтрино. Речь ведь шла ни много ни мало как о возможном нарушении законов сохранения! И многие известные физики уже были готовы на такую жертву. Но появилась гипотеза о том, что в некоторых реакциях (например, при бета-распаде) рождается дополнительная, пока неизвестная частица. Причем ее свойства таковы, что она очень плохо взаимодействует с веществом. Согласитесь, вроде не самый лучший способ решать проблемы – предложить новую неуловимую корпускулу. Но в итоге это оказалось верным. Законы сохранения устояли. А кроме того, физики и астрофизики получили новый канал информации: появилась нейтринная астрономия[145]. Видимо, такова же ситуация и с темным веществом.
Тем более что есть два набора данных, которые дают очень сильные аргументы в пользу именно темной материи, а не модифицированной гравитации. Во-первых, это большой комплекс космологических данных. Здесь нет возможности вдаваться в детали, но объяснение данных по реликтовому фону, формированию крупномасштабной структуры и т. д. и т. п. без привлечения темного вещества потребует такой странной экзотики, что модель будет выглядеть шаткой, противоестественной и малопривлекательной. Опишем лишь два аргумента, кажущиеся крайне важными. Первый из них связан с формированием крупномасштабной структуры.
Данные по реликтовому излучению показывают, насколько различной была плотность обычного (барионного) вещества в разных областях вселенной спустя 350–380 тыс. лет после начала расширения, когда вселенная стала прозрачной для излучения (тогда произошла так называемая рекомбинация). Далее, у нас есть данные по распределению галактик и их скоплений в больших масштабах, начиная примерно с 1 млрд лет после Большого взрыва. Есть хорошие численные модели (которые непрерывно совершенствуются), позволяющие рассчитать рост структуры из первичных возмущений плотности. Так вот, необходимо, чтобы на момент рекомбинации вариации плотности были гораздо выше, чем это следует из очень надежных данных по реликтовому излучению. Флуктуации плотности обычного вещества не могли расти до рекомбинации из-за влияния излучения, заполнявшего вселенную. Однако темное вещество практически не взаимодействует с электромагнитными волнами, и рост флуктуаций его плотности был возможен. Таким образом, каркас будущей крупномасштабной структуры уже сформировался к моменту рекомбинации, и все благодаря темному веществу. Объяснить это без гипотезы о частицах, слабо взаимодействующих с излучением, очень трудно.
Второй аргумент связан с геометрией вселенной и данными по первичному нуклеосинтезу. Наблюдения того же самого реликтового излучения говорят нам, что вселенная – «плоская». Что имеется в виду? Речь идет о том, что в больших масштабах вселенная хорошо описывается евклидовой геометрией, т. е., например, сумма углов треугольника со сторонами порядка миллиарда световых лет и больше будет равна 180º. Такие данные позволяют оценить среднюю плотность любых форм материи во вселенной.
Если теперь мы попробуем объяснить всю эту плотность обычным (барионным) веществом, то столкнемся с трудностью. Дело в том, что примерно с первой по десятую минуту своей жизни вселенная прошла через стадию так называемого первичного нуклеосинтеза. Из протонов и нейтронов в веществе высокой плотности и температуры формировались ядра более тяжелых элементов. Наблюдения позволяют нам узнать, сколько каких элементов возникло. Это дает жесткое ограничение на плотность барионного вещества – оно вносит лишь около 5 % в полную плотность. Значит, нужно что-то еще. Существенный вклад в недостающую плотность как раз и вносит темное вещество.
Нельзя не упомянуть потрясающие данные по столкнувшимся скоплениям галактик (так называемым Bullet Cluster)[146]. Совмещение нескольких методов наблюдений дало возможность показать, что основная масса вещества в скоплениях сосредоточена в невидимом веществе, частицы которого слабо взаимодействуют как друг с другом, так и с обычным веществом. Это важнейший ключевой факт, который должна естественным образом объяснять любая модель, претендующая на статус обсуждаемой альтернативы темному веществу. А кроме этого, есть многочисленные данные по различным галактикам и их скоплениям, которые находят естественное объяснение именно в модели темного вещества. Конечно, для окончательного подтверждения гипотезы надо будет поймать частицы с помощью лабораторных установок. И эксперименты идут. Но сейчас и без положительных результатов по лабораторному поиску темная материя является стандартной гипотезой, поскольку она позволяет с минимальными предположениями объяснить широкий комплекс данных, чего не могут сделать альтернативные теории.
Таким образом, современная обсуждаемая гипотеза должна удовлетворять ряду непростых требований, чтобы быть обсуждаемой, быть фактом науки. Добраться до статуса стандартной еще сложнее. Для этого надо существенно превосходить альтернативные варианты. Подход науки остается умеренно консервативным: вся «стандартная экзотика», несмотря на свои удивительные свойства, менее противоестественна, чем предлагаемые альтернативы. Однако свобода в исследованиях позволяет разрабатывать и непопулярные варианты, и даже совсем маргинальные. Так что если в будущем ситуация изменится, то поменяются и стандартные гипотезы.
Приложение 11Зачем нужна астрономия
Надо сразу сказать, что вопрос о «пользе астрономии» (как и любой другой фундаментальной науки) вполне законен и справедлив. Поскольку ученые проводят фундаментальные исследования в основном на деньги налогоплательщиков, то резонно требовать от исследователей в доступной форме рассказывать и о достигнутых результатах, и о планах, а также аргументировать необходимость больших расходов[147].
Хотя большие ли они? Смотря с чем сравнивать. С бытовой точки зрения несколько сотен миллионов долларов – гигантская сумма. Однако бюджет современного блокбастера вроде «Пиратов Карибского моря» или «Аватара» имеет такой же порядок величины. Две серии «Пиратов» стоили дороже спутника «Кеплер», открывшего тысячи экзопланет. Но с определенной точки зрения сравнение с киноиндустрией не совсем корректно, поскольку она существует (по крайней мере, на уровне блокбастеров) на самоокупаемости. На мой взгляд, более правильно сравнивать научные расходы с военными.
Полная стоимость программы разработки бомбардировщиков B-2 Spirit в 1997 г. составляла $2,1 млрд в расчете на один самолет. Даже с учетом последующего серийного производства большого количества этих машин их современная цена составляет около $1 млрд за каждую. Создание авианосца обходится дороже, чем строительство крупного ускорителя, и т. д. Так что в сравнении с военными издержками научные уже не выглядят столь пугающе.
Тем не менее аргументация в защиту значительных расходов на фундаментальные научные исследования необходима. Развернутый ответ, на мой взгляд, можно разбить на несколько составляющих, и не все из них одинаково очевидны и широко известны.
Самый простой и общепринятый аргумент в пользу необходимости многих фундаментальных исследований состоит в том, что даже в среднесрочной перспективе мы не можем предсказать, чем изыскания обернутся. Что уж говорить об отдаленном будущем? Поэтому научные работы нужно вести как можно более широким фронтом, постоянно анализируя, на каких направлениях можно достичь особенно значимых прорывов. Втянувшись в научно-технический прогресс, человечество, по сути, имеет только один путь – вперед. Видимо, только новые технологии позволят решить проблему обеспечения человечества энергией, так как вряд ли мы просто готовы снизить уровень ее потребления. Например, мы не хотим включать электричество на час, а не на весь вечер, или существенно ограничить использование воды (не только горячей), или чаще пользоваться общественным транспортом вместо своего автомобиля. Мы хотим, чтобы лампы просто потребляли меньше энергии, а машины – топлива, чтобы энергию можно было получать по возможности более чистым способом, чтобы сырье не исчерпывалось и т. д.
К тому же многие научные результаты, казавшиеся во время своего появления совершенно бесполезными, сейчас составляют основу нашей жизни, без них мы себя уже не представляем. Кроме очевидного примера с электричеством, упомянем, например, развитие небесной механики. Без нее нельзя представить себе космонавтику. А без космонавтики не было бы современных систем коммуникации и навигации, прогнозы погоды были бы менее точны. А есть еще космическая разведка (причем не только геологическая) и многое-многое другое.
Выделим два астрономических примера практических приложений «бесполезных» открытий. Оба связаны с системами навигации.