Приямвада Натараджан - Карта Вселенной [Главные идеи, которые объясняют устройство космоса]

Впрочем, и Меркурий, казалось, отступал от законов Ньютона. На основании предыдущего своего успеха Леверье предположил, что, может быть, имеется еще одна тайная планета, из-за которой у Меркурия такая странная орбита. Длительные и безуспешные поиски даже привели к ложным заявлениям об обнаружении такой невидимой планеты, получившей название Вулкан. Но подобной планеты не существует. Наконец, это был тот случай, когда пришлось кардинально пересмотреть ньютоновские законы. В 1916 г. в работе под заголовком «Основы общей теории относительности» (The Foundation of the General Theory of Relativity) Эйнштейн воспользовался своей новой теорией для точного прогноза прецессии орбиты Меркурия {28} . Как мы увидели в предыдущих двух главах, его теория относительности, опубликованная в 1915 и 1916 гг., вытеснила ньютоновскую теорию гравитации.

Как и в случае с Ньютоном и Эйнштейном, иногда, когда наблюдения не укладываются в существующую теорию, они становятся предвестниками совершенно новых теорий, но чаще всего просто подчеркивают оставшиеся без внимания или неполные компоненты устоявшейся модели. Подавляющее большинство современных астрономов признают существование темной материи, и, хотя мы до сих пор и не выявили частицу, ответственную за существование подобной субстанции, есть исчерпывающие свидетельства со стороны астрономических наблюдений за движением галактик и отклонением света в скоплениях. Те, кто признает темную материю, исходят из подтверждающих ее наличие многих независимых серий косвенных доказательств. Кроме того, моделирование процесса рождения галактик и скоплений показывает переплетения темной материи, пронизывающие нашу Вселенную, и там, где эти нити пересекаются, формируются галактики.

С другой стороны, небольшую группу физиков сопротивление идее о темной материи заставило подвергнуть сомнениям базовые законы гравитации. Арриго Финци предположил такую возможность в 1963 г. в своей работе, опубликованной в Monthly Notices of the Royal Astronomical Society . Он пересмотрел наблюдения Цвикки, посвященные движению галактик в скоплениях, и попытался объяснить их, исходя из нового закона гравитации, предполагающего более сильное притяжение на больших расстояниях вместо слабого по силе воздействия, которое предполагают ньютоновские законы. В своих работах Финци отбросил невидимое: «Если принять идеи, предложенные в данной работе, нет никакой особенной причины подозревать наличие крайне большого количества невидимой материи». В завершение он привел вывод о том, что в ближайшем будущем собранные данные смогут урегулировать вопрос материи {29} .

Идея, предложенная Финци, требует от нас понимания, как работает ньютоновская гравитация. Согласно теории Ньютона, сила гравитационного притяжения уменьшается с расстоянием. Чем дальше находятся массы друг от друга, тем слабее сила их взаимного притяжения. В этой форме закон отлично действует в нашей обычной жизни на Земле, а с небольшими поправками на основании ОТО Эйнштейна продолжает работать и в рамках Солнечной системы. Но что, если мы углубимся в космос?

Физики Яаков Бекенштейн и Мордехай Милгром под впечатлением от работы Финци задумались: а что, если бы в космических масштабах гравитация могла выглядеть по-другому, в условиях, где спровоцированные гравитацией ускорения крайне малы? Они предложили теорию, которая изменяет законы гравитации при подобных параметрах, и назвали ее модифицированной ньютоновской динамикой (MOND) {30} .

Несмотря на новые надежные доказательства существования огромной массы темной материи, все зависит от интерпретации данных, так как пока не обнаружены частицы темной материи. Согласно MOND, когда ускорение вследствие гравитации падает ниже определенного значения, сила притяжения перестает уменьшаться и начинает расти. В случае звезд, вращающихся в галактике, ускорение и расстояние от центра галактики взаимосвязаны и гравитация действует по-другому и куда сильнее, чем предполагают законы Ньютона. Согласно наблюдениям, на окраинах галактики звезды вращаются вокруг галактического центра с той же скоростью, что и более близкие к нему звезды. В соответствии с данными наблюдений теория MOND успешно объясняет движение звезд в галактиках и весьма эффективна в случае тусклых галактик, но она никак не работает для скоплений, где впервые появилась потребность в темной материи для объяснения результатов наблюдений.

Единственный пункт, в котором MOND с треском провалилась, — это разъяснение наблюдаемых и подтвержденных эффектов отклонения световых лучей около скоплений. Даже если ньютоновские законы и были изменены, необходимо придерживаться ОТО Эйнштейна, ведь мы можем наблюдать эффект гравитационной линзы. Нам нужна масса — хотя бы исходя из общей относительности, — которая бы искривляла пространство и воздействовала на траектории световых лучей. Чтобы объяснить отклонение света, которое наблюдается у скоплений, нам нужно большое количество невидимой массы. В теории MOND, как выяснилось, также придется задействовать невидимый дополнительный компонент массы, чтобы обосновать линзирование, и некоторые исследователи вновь привлекли на роль темной материи в скоплениях крошечные частицы — нейтрино. Такое препятствие — неспособность соответствовать наблюдаемым данным линзирования без привлечения нейтрино — снижает убедительность и привлекательность MOND. Изменив гравитацию, эта теория освобождается от необходимости в темной материи в рамках галактик, но не может обойтись без нее в скоплениях. В настоящее время господствует теория холодной темной материи. Данные «Хаббла» показали, что во Вселенной достаточно распространено линзирование вблизи галактик и скоплений и все существующие наблюдения полностью соответствуют теоретическим прогнозам относительно скопления и распространения темной материи {31} .

MOND не в силах повторить все впечатляющие успехи, которыми отметилась теория холодной темной материи. Ключевой ее недостаток состоит в том, что она не является действительно всеобъемлющей теорией подобно теориям Ньютона и Эйнштейна; при этом она не выдвигает каких-либо базовых физических оснований для предполагаемого изменения гравитации, ее цель лишь в том, чтобы соответствовать эмпирическим данным. Также малоправдоподобным остается шанс на более глубокую базовую поддержку теории, которая дала бы нам изменение гравитации, предполагаемое MOND. Если бы такая теория существовала, она должна была бы объяснить все существующие наблюдения, все функции темной материи — формирование структуры Вселенной, расширение Вселенной и отклонение света — и создать новые доступные для проверки предположения для замещения гипотезы о темной материи.