нужно постулировать никакой темной материи. Но когда наблюдаемое ускорение меньше, чем критическая величина, оно больше не согласуется с предсказанием закона Ньютона.
Что это за специальное ускорение? Оно измерено и равно 1,2 х 10–8 сантиметров в секунду за секунду. Это близко к c2/R, величине ускорения, произведенного космологической константой!
Этот выдающийся поворот в истории темной материи был открыт в начале 1980х израильским физиком по имени Мордехай Милгром. Он опубликовал свои изыскания в 1983, но долгие годы они почти совершенно игнорировались.[5] Однако, когда были получены более точные данные, стало ясно, что его наблюдение было правильным. Масштаб c2/R характеризует ускорения, где закон Ньютона нарушается для галактик. Это сейчас называется астрономами законом Милгрома.
Я хочу, чтобы вы поняли, насколько таинственным является это наблюдение. Масштаб R есть масштаб всей наблюдаемой вселенной, который в чудовищное количество раз больше, чем размер любой индивидуальной галактики. Ускорение c2/R возникает на космологическом масштабе; как отмечалось, это темп, с которым ускоряется расширение вселенной. Нет очевидных причин, по которым этот масштаб вообще играет какую-либо роль в динамике индивидуальной галактики. К осознанию, что это происходит, нас подтолкнули данные. Я вспоминаю свое изумление, когда я впервые узнал об этом. Я был шокирован и возбужден. Я гулял около часа в удивлении, бормоча бессвязные ругательства. Наконец-то! Возможная подсказка из эксперимента, что в мире имеется намного больше, чем мы, теоретики, представляем!
Как это должно быть объяснено? В стороне от случайного совпадения имеются три возможности. Могла бы быть темная материя, а масштаб c2/R мог бы характеризовать физику частиц темной материи. Или гало темной материи могло бы характеризоваться масштабом c2/R, поскольку это связано с плотностью темной материи во время, когда она коллапсировала, чтобы сформировать галактики. В любом случае темная энергия и темная материя являются различными явлениями, но взаимосвязанными.
Другая возможность в том, что нет темной материи и закон гравитации Ньютона нарушается, как только ускорения оказываются столь же малы, как и специальная величина c2/R. В этом случае необходим новый закон, который заменит закон Ньютона в этих условиях. В своей статье 1983 Милгром предложил такую теорию. Он назвал ее MOND, что означает сокращение от 'модифицированной ньютоновской динамики'. Согласно закону гравитации Ньютона ускорение тела из-за массы уменьшается особым образом, когда вы удаляетесь от этой массы – а именно, как обратный квадрат расстояния. Теория Милгрома говорит, что закон Ньютона сохраняется, но только пока ускорение не упадет до магической величины 1,2 х 10–8 см/сек2. После этой точки вместо того, чтобы уменьшаться как обратный квадрат расстояния, оно уменьшается только обратно пропорционально расстоянию. Более того, хотя обычно ньютоновская сила пропорциональна массе тела, вызывающего ускорение, умноженной на константу (которая есть гравитационная константа Ньютона), MOND говорит, что, когда ускорение очень мало, сила пропорциональна квадратному корню из массы, умноженной на константу Ньютона.
Если Милгром прав, тогда причина того, что звезды за пределами специальной орбиты ускоряются больше, чем это должно быть, в том, что они ощущают более значительную гравитационную силу, чем предсказывал Ньютон! Здесь совершенно новая физика – не на планковском масштабе, и даже не в ускорителе, а прямо перед нами, в движениях звезд, которые мы видим в небе.
MOND, как теория, не принесла для физиков много смысла. Имеются веские причины, почему гравитационные и электрические силы падают как квадрат расстояния. Это оказывается следствием относительности, объединенной с трехмерной природой пространства. Я не хочу вдаваться здесь в детали, но заключение радикальное. Теория Милгрома оказывается не совместима с базовыми физическими принципами, включая принципы СТО и ОТО.
Были попытки модифицировать ОТО, чтобы сконструировать теорию, которая включает в себя MOND или нечто близкое к ней. Одна такая теория была придумана Якобом Бекенштейном; другая Джоном Моффатом, тогда из Университета Торонто; и еще одна Филипом Маннхаймом из Университета Коннектикута. Это очень одаренные люди (Бекенштейн, как вы можете вспомнить из главы 6, открыл энтропию черных дыр, тогда как Моффат изобрел много удивительных вещей, включая космологию с переменной скоростью света). Все три теории работают до некоторого предела, но они являются, по моему мнению, в высшей степени искусственными. Они имеют некоторые дополнительные поля и требуют настройки нескольких констант до маловероятных величин, чтобы получить согласие с наблюдениями. Я также беспокоюсь о проблеме нестабильности, хотя авторы заявляют, что такие проблемы урегулированы. Хорошая новость, что люди могут изучать такие теории в рамках старого способа действий – путем сравнения своих предсказаний с большим количеством имеющихся у нас астрономических данных.
Нужно сказать, что за пределами галактик MOND работает не очень хорошо. Имеется множество данных о распределении масс и движении галактик на масштабах, больших, чем галактический масштаб. В этом режиме теория темной материи намного лучше MOND при оценке данных.
Тем не менее, MOND кажется вполне хорошо работающей внутри галактик.[6] Данные, собранные за последнее десятилетие, показали, что более чем в восьмидесяти случаях (по последней оценке) из примерно ста изученных MOND предсказывает, как звезды двигаются внутри галактик лучше, чем модели, базирующиеся на темной материи. Конечно, последние все время усовершенствуются, так что я не буду пытаться предсказать, как повернется соответствие. Но на настоящий момент мы, кажется, стоим перед очаровательно скандальной ситуацией. Мы имеем две совершенно разные теории, только одна из которых может быть верной. Одна теория, – которая базируется на темной материи, – имеет хороший смысл, в который легко поверить, и очень хорошо предсказывает движения вне галактик, но не так хорошо внутри них. Другая теория, MOND, очень хорошо работает с галактиками, терпит неудачу вне галактик и, в любом случае, базируется на предположениях, которые кажутся противоречащими в высшей степени хорошо установленной науке. Я должен признаться, что ничто в последний год не вызывает у меня ночью бессонницу больше, чем волнения по поводу этой проблемы.
Было бы легко проигнорировать MOND, если бы не факт, что закон Милгрома предполагает, что масштаб загадочной космологической константы каким- то образом имеет отношение ко всему, что определяет, как звезды двигаются в галактиках. Только из данных опыта оказывается, что ускорение c2/R играет ключевую роль в том, как двигаются звезды. Происходит ли это из-за связи между темной материей и либо темной энергией, либо космологическим масштабом расширения, либо из-за чего-то еще более радикального, мы видим, что в этом ускорении на самом деле может быть найдена новая физика.
Я беседовал о MOND с несколькими из наиболее одаренных теоретиков, кого я знаю. Часто это происходило примерно так: Мы начинали говорить о некоторых серьезных проблемах генерального направления, и один из нас упоминал галактики. Мы бросали друг на друга быстрый взгляд понимания, и один из нас произносил: 'Так вы тоже беспокоитесь по поводу MOND,' как будто признавался в секретном пороке. Затем мы делились нашими сумасшедшими идеями – поскольку все идеи по поводу MOND, которые не являются сразу неправильными, оказываются сумасшедшими.
Единственное преимущество, что это тот случай, где имеется множество данных, и все время получаются еще лучшие данные. Раньше или позже мы узнаем, объясняет ли темная материя движение звезд и галактик, или мы должны будем принять радикальную модификацию законов физики.
Конечно, это может быть только случайность, что темная материя и темная энергия разделяют общий физический масштаб. Не все совпадения имеют смысл. Так что мы должны спросить, не имеется ли других явлений, где это слабое ускорение может быть измерено. Если так, имеется ли там ситуация, где теория и эксперимент расходятся?
Оказывается, что есть другой такой случай, и он тоже тревожащий. NASA до сегодняшнего дня послало несколько космических аппаратов за пределы Солнечной системы. Среди них два – Пионер 10 и 11 – прослеживались десятилетия. Пионеры были сконструированы для путешествия к внешним планетам, после чего они продолжили движение прочь от Солнца в противоположных направлениях в плоскости Солнечной системы.
Ученые NASA в Лаборатории реактивного движения (Jet Propulsion Laboratory – JPL) в Пасадене, Калифорния, смогли определить скорости аппаратов Пионер с использованием допплеровского сдвига, и, таким образом, смогли точно отследить их траектории. JPL попыталась предугадать траектории с помощью предсказания сил, действующих на аппараты от Солнца, планет и других составляющих Солнечной системы. В обоих случаях наблюдаемые траектории не соответствовали предсказанным.[7] Расхождения были вызваны дополнительным ускорением, притягивающим аппараты в направлении Солнца. Величина этого мистического ускорения была около 8 х 10–8 сантиметра в секунду за секунду – больше, чем величина аномального ускорения, измеренного в галактиках, примерно в 6 раз. Но это все еще довольно близко, учитывая, что тут нет видимой связи между двумя явлениями.
Я должен подчеркнуть, что данные в этом случае еще полностью не приняты. Хотя аномалия наблюдалась у обоих Пионеров, что намного более убедительно, чем если бы это было видно только у одного, они оба были построены и отслеживались JPL. Однако, данные JPL независимо анализировались учеными с помощью Компактной высокоточной программы движения спутников Аэрокосмической корпорации, и эти результаты согласовались с результатами JPL. Так что данные до настоящего времени кажутся правдоподобными. Но астрономы и физики имеют понятно высокие стандарты доказательства, особенно когда мы задаемся вопросом об уверенности в данных, что закон гравитации Ньютона нарушается сразу за пределами нашей Солнечной системы.
Поскольку расхождение мало, может быть возможным оценить его через некоторый мелкий эффект, вроде того, что сторона аппарата, обращенная к Солнцу, была чуть горячее, чем противоположная сторона; или вроде слабой утечки газа. Команда JPL приняла во внимание каждый такой эффект, они были учтены, и до сих пор не удается объяснить наблюдавшееся аномальное ускорение. Недавно были предложения послать наружу специально подготовленный зонд, сконструированный и построенный так, чтобы удалить так много подобных паразитных эффектов, насколько возможно. Такому зонду потребуется много лет, чтобы покинуть Солнечную систему, но даже так, эта миссия стоит затраченного труда. Закон гравитации Ньютона простоял более трех сотен лет; если его удастся или слегка точнее подтвердить, или доказать его неправильность, тогда больше не останется вопросов.
Что если MOND или аномалия Пионеров окажется правильной? Могут ли их данные быть согласованы с некоторой существующей теорией?
По самой меньшей мере, MOND не совместима со всеми версиями теории струн, изученными до сегодняшнего дня. Может ли она быть совместима с некоторой пока не известной версией теории струн? Конечно. Учитывая гибкость теории струн, нет оснований отвергать это, хотя это было бы трудно выполнить. Как насчет других теорий? Некоторые люди с трудностями пытались вывести MOND из сценария мира на бране или некоторых версий квантовой гравитации. Имеется несколько идей, но ни одна из них не работает впечатляюще. Фотини Маркопоулоу, моя коллега по Пограничному институту теоретической физики, и я рассуждали о том, как получить MOND из квантовой гравитации, но мы не смогли показать, как наша идея работает в деталях. MOND является мучительной тайной, но нет никого, кто бы решил ее сегодня, так что будем двигаться к другим подсказкам по новой физике, следующим из эксперимента.
Самые поразительные эксперименты те, которые переворачивают всеми поддерживаемые убеждения. Некоторые убеждения настолько врезались в наше мышление, что они отражены в нашем языке. Например, мы говорим о физических константах, чтобы обозначить те числа, которые никогда не изменяются. Сюда включается большинство основных параметров законов физики, таких как скорость света или заряд электрона. Но являются ли эти константы на самом деле постоянными? Почему не могло бы быть, что скорость света изменяется во времени? И можно ли было бы измерить такое изменение?
В теории мультивселенной, обсуждавшейся в главе 11, мы представляли параметры, изменяющиеся по широкому диапазону различных вселенных. Но как мы можем наблюдать такие вариации в нашей собственной вселенной? Могли бы константы, такие как скорость света, изменяться со временем в нашей вселенной? Некоторые физики указывали, что скорость света измеряется в некоторой системе единиц – то есть, столько-то километров в секунду. Как, они
