Сергей Попов - Все формулы мира

Напомню, что наука сейчас – это очень конкурентная область деятельности с большим числом классных независимых специалистов. Если мы говорим об астрофизике и близких тематиках (космологии, например), то это бурно развивающиеся направления исследований с огромным количеством новых данных. Темп обсуждения – усвоения – отбрасывания гипотез очень высок. Проделывается огромная работа, и рассуждать о «косности» ученых или наличии «заговора» просто глупо. Поэтому, если гипотеза оказалась за бортом, то для этого есть объективные основания. Часто такими основаниями является как анализ отдельных ключевых фактов, так и рассмотрение очень широкого комплекса данных. В качестве примера можно привести астрофизику черных дыр и темное вещество.

Несмотря на все успехи физики и астрономии, черные дыры остаются гипотезой. В том смысле, что нет прямых доказательств существования горизонта у этих объектов. С одной стороны, физика вблизи горизонта такова, что необходимых прямых аргументов может не появиться еще очень и очень долго, поэтому исследователи пытаются разрабатывать разнообразные альтернативные модели. С другой стороны, постоянно идут наблюдательные работы с целью проверить наличие гипотетической поверхности у кандидатов в черные дыры.

Например, сильные аргументы содержатся в серии работ Рамеша Нараяна (Ramesh Narayan) и его коллег [140] Во-первых, это статья: Yuan Y.-F., Narayan R., Rees M. J. Constraining Alternate Models of Black Holes: Type I X-Ray Bursts on Accreting Fermion-Fermion and Boson-Fermion Stars // Astrophysical Journal, 606, 1112 (2004), она также доступна в Архиве: astro-ph/0401549. Во-вторых, статья: Narayan R., McClintock J. E. Observational Evidence for Black Holes , опубликованная в сборнике General Relativity and Gravitation: A Centennial Perspective. Cambridge University Press, 2015. Она также есть в Архиве (arXiv: 1312.6698). , в которых показано, что отсутствие горизонта приводило бы к накоплению вещества на поверхности или внутри альтернативного компактного объекта. Такая аккумуляция критического количества водорода или гелия приводила бы к вспышкам, подобным тем, что наблюдаются от так называемых рентгеновских барстеров – известных двойных систем с нейтронными звездами. Наблюдения показывают, что вспышек от кандидатов в черные дыры нет.

В другой серии работ проводился анализ излучения сверхмассивных черных дыр с целью выделить вклад от поверхности и фотосферы над ней. Были детально рассмотрены случаи черной дыры в центре нашей Галактики [141] Это работа: Broderick A. E., Loeb A., Narayan R. The Event Horizon of Sagittarius A* // Astrophysical Journal, 701, 1357 (2009). В Архиве ее номер 0903.1105. , а также нескольких сверхмассивных центральных объектов в других галактиках, где наблюдались вспышки излучения, связанные с приливным разрывом звезд [142] Lu W., Kumar P., Narayan R. Stellar disruption events support the existence of the black hole event horizon // Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 468, 910 (2017). Номер в Архиве 1703.00023. . Снова никакого вклада поверхности не видно.

Наконец, обнаружение гравитационно-волновых сигналов от сливающихся черных дыр открывает новые возможности, касающиеся поисков присутствия поверхности. Пока данные не обладают очень высокой точностью, но их анализ проведен, и результат состоит в том, что предсказанного сигнала от поверхности нет. Это позволяет отбросить некоторые из альтернатив.

Подчеркнем, что проверка альтернативных вариантов – важнейшая составляющая в подобных исследованиях. Причем существенно, чтобы гипотеза объясняла весь комплекс данных, а не только отдельные (пусть и ключевые) факты. Скажем, в случае черных дыр это означает, что модель должна естественным образом описывать и компактные объекты звездных масс (включая механизм их формирования), и сверхмассивные тела в центрах галактик. В ситуации, когда из множества мейнстримных, непопулярных и маргинальных гипотез выживает только одна, немедленно делает ее стандартной. Но именно стандартной гипотезой .

Пока с астрофизической точки зрения гипотеза о черных дырах не сталкивается с необъяснимыми фактами, несмотря на постоянные попытки их найти. Таким образом, нет никакой слепой веры в черные дыры. Они являются достаточно естественным следствием из хорошо проверенной теории. Любая альтернатива черным дырам требует привлечения крайне экзотических предположений, не подтвержденных наблюдениями. Так что приверженность черным дырам – это следствие разумной консервативности исследователей. Иначе говоря, с точки зрения физики и астрономии черные дыры – самая неэкзотичная модель. Эту ситуацию очень емко обрисовал Эдвин Салпитер (Edwin Salpeter): «Черная дыра в источнике Лебедь X-1 – это самая консервативная гипотеза».

Другим примером стандартной гипотезы, базирующейся как на нескольких ключевых фактах, так и на большом комплексе более косвенных наблюдений, является темная материя. Предположение состоит в том, что мы здесь имеем дело с небарионным веществом, т. е. недостающая масса не может объясняться протонами и нейтронами. Более того, кандидатами вообще не могут быть частицы из Стандартной модели. У теоретиков есть несколько хороших кандидатов в частицы темной материи, которые достаточно естественным образом возникают в физических моделях. Тем не менее постоянно обсуждаются альтернативы темному веществу. Действительно, было бы здорово обойтись без введения нового типа частиц, которые тем более никто пока не смог «ухватить за бороду», несмотря на десятилетия поисков. Может быть, есть более простые пути?

Путь есть, но вот прост ли он… Самый популярный альтернативный подход состоит в изменении законов гравитации. Он начал развиваться в начале 1980-х гг. и на момент своего появления был хорошей гипотезой. В это время ключевые данные по темному веществу связывались со скоростью вращения галактик и отчасти с поведением галактик в скоплениях. В рамках модели Мордехая Милгрома (Mordehai Milgrom) [143] Серия работ Милгрома появилась в 1983 г. См.: Milgrom M. A modification of the Newtonian dynamics as a possible alternative to the hidden mass hypothesis // Astrophysical Journal , 270, 365 (1983); Milgrom M. A modification of the Newtonian dynamics – Implications for galaxies // Astrophysical Journal, 270, 371 (1983); Milgrom M. A modification of the Newtonian dynamics – Implications for galaxy systems // Astrophysical Journal , 270, 384 (1983). 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] Bekenstein J. D. Relativistic gravitation theory for the MOND paradigm // Physical Review D , 70, 3509 (2004). В Архиве: astro-ph/0403694. . 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.