Алексей Алексенко /

«Наука». Итоги года. Часть 2

Темные тайны мироздания: неуловимые дыры и невидимая материя

Иллюстрация: Corbis/Alloverpress
Иллюстрация: Corbis/Alloverpress
+T -
Поделиться:

В первой части нашего итогового обзора мы вспомнили, что нового стало известно в 2014 году о наших космических окрестностях. Теперь перейдем к фундаментальным проблемам физики. Тут читателю сразу становится скучнее, потому что если космос можно проиллюстрировать картинкой с инопланетным пейзажем, то фундаментальную физическую теорию иллюстрировать категорически нечем: там вообще ничего себе представить нельзя. Невыигрышная тема.

И уж тем более непонятно, что должно быть нарисовано на картинках, если в тексте речь идет о темной материи или, к примеру, черных дырах. Темная материя невидима, поскольку практически ни с чем не взаимодействует, а черные дыры нельзя видеть, потому что из-под горизонта черной дыры ни один фотон, ни один лучик света не может ускользнуть. Чем развлекать читателя, как добавить нарядной зрелищности? Между тем писать об этом приходится: черные дыры (как и темная материя) стали одними из главных героев истекшего года.

1. Неуловимые дыры

Особую славу черным дырам принес в истекшем году фильм «Интерстеллар», где вокруг дыры, как мы помним, вращается некая планета. Авторы фильма обошли указанную выше сложность: они все же рискнули представить на экране самое настоящее изображение черной дыры. Вот оно:

Интересно, что картинка эта вполне научна. Внешний вид черной дыры рассчитал для создателей фильма сам Кип Торн (он же, кстати, и придумал спорный, мягко выражаясь, сюжет). Свет в данном случае испускает не сама дыра, а газ, который в нее ускоренно падает, а странная форма вызвана тем, что дыра искривляет пространство, и мы фактически можем видеть ее обратную сторону.

К сожалению, никто не может подтвердить, что черные дыры выглядят вблизи именно так: за картинкой «Интерстеллара» стоит только математика и ни малейших наблюдательных данных. Такова уникальная судьба черных дыр: мало какая научная концепция достигала такой всенародной популярности и удостаивалась такого внимания серьезных ученых, основываясь при этом на столь скудных данных опыта. А в последние годы рейтинг черных дыр еще сильнее повысился из-за того, что физики находят в этих штуках все новые и новые парадоксы, заодно не забывая баламутить широкую общественность сенсационными (хоть и непонятными, а потому и превратно толкуемыми) заявлениями.

Отступление для зануд

Что же там за парадоксы? Вот, например, один. Всем известно, что если вы падаете в лифте, можно ненадолго испытать невесомость, будто вы в открытом космосе. Верно и обратное: если вы в открытом космосе, вы чувствуете себя точь-в-точь как в падающем лифте, и не существует вообще никаких физических способов отличить одну ситуацию от другой. Это называется «принцип эквивалентности», и на нем стоит вся теория относительности Эйнштейна.

Повторим еще раз другими словами: вы ни за что не сможете отличить, парите ли вы в пустом бескрайнем космосе, или падаете — к примеру, в черную дыру. А значит, если вдруг за окном вашего «Интерстеллара» промелькнул «горизонт события» черной дыры... значит, вам все это снится! Потому что по промелькнувшему за окном горизонту вы сразу же скажете, что падаете в дыру, а не парите в пустоте, а принцип эквивалентности такое запрещает*. Значит, «горизонт события» вы заметить не можете в принципе. Это пустое место, математическая абстракция.

Тот факт, что в классической теории прохождение горизонта заметить в принципе невозможно, настолько твердо установлен, что его нередко используют как метафору необратимых процессов, происходящих в обществах и государствах. Мы тоже отдали должное этому штампу в нашей заметке «Горизонт непростительного».

С другой стороны, все, читавшие популярные книжки про черные дыры, знают: на горизонте должны происходить странные штуки, предсказываемые квантовой механикой. Пару лет назад Ахмед Альмхеири, Доналд Маролф, Джозеф Полчински и Джеймс Салли пришли к результату, который (по первым буквам их фамилий) стали называть AMPS firewall: если совсем по-простому, то, чтобы квантовая механика не пострадала, на горизонте событий должно быть ужасно жарко (firewall — это «стена огня», между прочим), так что не заметить его пересечения будет невозможно. Значит, принцип эквивалентности будет нарушен, а на нем, напоминаем, стоит теория относительности — та самая единственная теория, которая и предсказывает существование черных дыр, на минуточку...

С 2012 года многие физики-теоретики отметились в попытках разрешить чернодырные парадоксы. Широкая публика обращала на это не слишком много внимания вплоть до того момента, когда в январе 2014 года высказался сам Стивен Хокинг. Мы писали об этом в краткой заметке с единственной целью успокоить публику, потому что публика поняла культового физика прямолинейно: никаких черных дыр вообще нет, это все была одна сплошная ошибка.

На самом деле Хокинг лишь подверг сомнению классическую концепцию «горизонта события», которая и порождает все парадоксы. О том, как именно он обошел сложности, нам даже и спросить не у кого — кажется, даже среди тех физиков, кто заявляют, будто поняли его трюк, большинство заблуждаются. И уж точно Стивен Хокинг не настолько далеко оторвался от реальности, чтобы отрицать существование черных дыр как таковых.

Это было бы глупо, по-первых, потому, что буквально в прошлом году большая черная дыра, что в центре нашей Галактики, начала проглатывать довольно большое облако газа (продолжает до сих пор), и за этим с упоением наблюдали земные астрофизики. В таких условиях подвергать сомнению существование дыр — это как заявлять о невозможности летательных аппаратов тяжелее воздуха, сидя у большого окна в аэропорту Шереметьево.

Во-вторых и в главных. Одна из любимых игрушек современных физиков-теоретиков — это так называемое AdS/CFT-соответствие: метод решения разных задач, основанный на одной странной симметрии. Соль в том, что мир размерности N без гравитации физически эквивалентен миру размерности N+1 с гравитацией (а где гравитация, там и черные дыры, естественно, они в таких задачах появляются почти всегда). Многие задачи сильно упрощаются, если перевести их из одного мира в другой.

Мы в истекшем году писали о забавной игре канадских физиков, которые представили все наше трехмерное мироздание как поверхность (горизонт события) четырехмерной черной дыры. Фокус это применяют и к более мелким объектам, чем вся Вселенная. Играют физики в эту игру и не могут наиграться, больно уж изящный инструмент попался им в руки (так, наверное, в XVII веке не могли наиграться в придуманные Лейбницем интегралы).

Какие-то задачи сильно упрощаются, если добавить лишнее измерение и населить его черными дырами. Но бывает и наоборот: реальный мир с его черными дырами можно математически свести к некой поверхности, где ни малейших дыр нету, а есть просто какие-то стаи горячих частиц. В этом незатейливом мире точно не возникнет никаких парадоксов. А раз так, по принципу AdS/CFT-соответствия, парадоксов нет и в самих дырах. То есть если они и есть, то кажущиеся, у них точно есть решение. Стало быть, черные дыры не нарушают законов физики и их существованию ничто не угрожает. Если мы вас не убедили, возможно, вас убедит Брайан Грин, он в своем интервью об этом упоминает.

Остается только долететь на серебристой ракете до ближайшей дыры и посмотреть, насколько она похожа на картинку из фильма «Интерстеллар». Вот будет смешно, если точь-в-точь так она и выглядит? Но этой сенсации, кажется, придется дожидаться чуть дольше.

* Примечание. О приближении к черной дыре вы можете, конечно, узнать, измеряя РАЗНИЦУ гравитаций в двух разных точках. Вблизи сердцевинки черной дыры, где гравитация быстро растет, разница будет такая, что разорвет вас в два счета как вареную макаронину. Но чем больше черная дыра, тем дальше от нее горизонт событий и тем меньше гравитация (а ее градиент и подавно) на самом горизонте. У достаточно большой дыры никаких макаронных спецэффектов на горизонте вы не увидите и можете прожить там всю жизнь, так и не поняв, что внешний мир утрачен для вас необратимо. Но все это согласно классической теории, а как на самом деле, пока никто не знает.

2. Невидимая материя

Теперь, когда мы так пространно побеседовали о черных дырах, нам придется довольно скомканно почтить второго таинственного героя года: темную материю. В разрешении этой загадки пока не было никакого фундаментального прорыва, зато появились несколько работ, позволяющих увидеть ситуацию в новом свете. Так уж бывает в науке: постепенно накапливаются разные мелочи, а потом бац! — и открытие. Но теперь оно не застанет нас врасплох, мы сразу же воскликнем: «Мы же на "Снобе" про это читали!»

О темной материи мы вспоминали в минувшем году несколько раз. Во-первых, обсуждалась блистательная гипотеза, связывающая воедино разные таинственные явления — в лучших традициях конспирологии. А именно: массовые вымирания (в том числе трагический уход динозавров) могут быть связаны с темной материей. Лиза Рэндалл и Мэтью Рис из Гарварда предположили, что массовые вымирания происходят из-за того, что в некоторые эпохи астероиды бомбардируют Землю с повышенной частотой. А это, в свою очередь, случается в те моменты, когда Солнечная система (которая колеблется вверх-вниз относительно галактической плоскости), проходит через галактический диск темной материи. Его гравитация и дестабилизирует орбиты астероидов. Происходит это примерно раз в 35 миллионов лет, и следующий раз не за горами.

Затем мы писали в одном из обзоров (пункт пятый) о том, что из серединки нашей Галактики идет небольшой избыток фотонов, который можно объяснить в том числе и тем, что частиц темной материи там больше всего и они, сталкиваясь, аннигилируют и испускают свет. Ученые оценили и массу этих частиц: около четверти массы бозона Хиггса. Если, конечно, это то, о чем они думают (что далеко не очевидно).

А если это не то, то наверняка что-то другое. Сейчас уже точно известно, что это не могут быть маленькие черные дыры, которые предлагал Хокинг: год назад мы оповестили читателей (см. п. 5 обзора), что черные дыры полностью реабилитированы и темной материей наверняка не являются. Зато совсем недавно американцы и израильтяне предложили нового кандидата на эту роль, и наши читатели об этом узнали из заметки «50 оттенков темного». Наконец, к тайне темной материи могут иметь отношение и «стерильные нейтрино», с которыми мы познакомили наших читателей в статье «Новое слово в физике».

Все это мы предлагаем вам перечитывать снова и снова в ожидании того момента, когда физики объявят во всеуслышание, что же такое на самом деле эта темная материя.

Пока этого не произошло, Нобелевские премии остается присуждать за изобретение голубых светодиодов. Смех смехом, но это изобретение, по крайней мере, лишний раз подтверждает, что квантовая механика отлично работает, а значит, и попытки познать мир, неустанно предпринимаемые физиками, имеют под собой некие разумные резоны.

Читайте также:

Часть 1: Пушистая комета, волокнистая вселенная и другие тайны космоса

Часть 3: Мысли мышей, бессмертие людей и другие тайны живой природы