Где искать темную материю? - Борис Штерн, Елена Михеева - Наука в фокусе - 2014-03-30
Н. АСАДОВА - Добрый всем день. У микрофона Наргиз Асадова и Егор Быковский, главный редактор журнала "Наука в фокусе". Привет.
Е. БЫКОВСКИЙ - Привет, Наргиз. Здравствуйте, дорогие радиослушатели. Давайте поздороваемся с теми, кто у нас в студии.
Н. АСАДОВА - У нас в студии сидят замечательные гости. Давай сначала объявим тему. Тема у нас потрясающая - "Где искать тёмную материю?". И что это вообще такое. В этом нам как раз помогут разобраться наши сегодняшние гости. Это Борис Штерн, доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник Института ядерных исследований РАН, и Елена Михеева, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Физического института имени Лебедева РАН тоже.
Б. ШТЕРН - Здравствуйте.
Н. АСАДОВА - Здравствуйте. Сразу говорю, что впервые у нас в нашем цикле "Наука в фокусе" тема связана с теоретической физикой. Я ничего в этом не понимаю. Поэтому всё будет зависеть от наших гостей.
Е. БЫКОВСКИЙ - Наргиз, я сейчас тебе открою страшную тайну. Я тоже не понимаю несильно много, поэтому мы пригласили двух таких замечательных гостей. Давайте всё-таки попробуем сначала от печки.
Н. АСАДОВА - А печка называется "Новости науки" с Мариной Максимовой.
М. МАКСИМОВА - Самый большой в мире оптический телескоп начнут строить на Гавайях. Правительство этого американского штата выделило участок земли для строительства Thirty Meter Telescope. Его разрешающая способность в пять раз больше, чем у телескопа Хаббл. Строительные работы могут начаться уже в апреле. Диаметр зеркала телескопа составляет 30 метров, он состоит из более 500 сегментов. Местом расположения будущего телескопа выбран спящий вулкан Мауна-Кеа, с высоты которого телескоп может регистрировать свет от самых первых звёзд во вселенной и искать доказательства существования тёмной материи.
Международная группа учёных собирается проверить факт существования тёмной материи - одного из самых неуловимых компонентов, на долю которого приходится чуть более 84% от всей материи Вселенной. Делаться это будет при помощи высокочувствительного датчика эксперимента Darkside-50, который располагается в недрах горы Гран-Сассо в Италии. Основной детектор датчика содержит 38 литров чистейшего жидкого аргона, который охлаждён до температуры -186 градусов по шкале Цельсия. Столкновение частицы с ядром аргона будет сопровождаться короткой и слабой вспышкой света, которая будет улавливаться высокочувствительными фотодатчиками. В настоящее время датчик эксперимента является одним из нескольких десятков датчиков, разбросанных по всему миру, при помощи которых ведётся охота на тёмную материю. Напомню, бозон Хиггса, тёмная энергия, тёмная материя являются одним из множества вещей во Вселенной, на существование которых указывают различные косвенные факторы, но котторые очень трудно обнаружить практически.
Созданный в МГУ прибор "Нуклон", предназначенный для исследования космических лучей, установлен на спутник "Ресурс-П2", проходит последнюю стадию основных испытаний. "Нуклон", который планируется запустить на борту "Ресурса" в третьем квартале текущего года, предназначен для исследования галактических космических лучей. Поток протонов, ионов, электронов и позитронов, приходящих к земле из-за пределов Солнечной системы. Эти исследования, в частности, могут указать на существование значительных скоплений антивещества и помочь разрешить загадку тёмной материи.
Н. АСАДОВА - Это были новости науки и Марина Максимова. Последние новости из мира теоретической физики, связанные с поисками новой материи, мы прослушали. И теперь тебе слово, Егор.
Е. БЫКОВСКИЙ - Да, давайте же всё-таки сообразим, почему выбрали такую сложную тему, в которой мы ничего не знаем, не понимаем. Давайте начнём с простого. Представьте себе, что вы живёте рядом с лесом, в котором живёт медведь. Медведя вы никогда не видели, но вы можете определить его наличие там по следам его жизнедеятельности - смена поголовья зайцев, исчезновение людей, которые туда заходят, шутка.
Н. АСАДОВА - Хорошие у тебя шуточки.
Е. БЫКОВСКИЙ - Для воскресенья подходящая. В любом случае мы поймём, что что-то у нас происходит не так, чего-то не хватает в нашей картине мира. Мы придумаем себе медведя, динозавра или кого-то ещё. Вот, что касается мира, в котором мы живём, мы его познаём всё больше. И постепенно в нём становится всё больше непонятностей. Когда-то пару тысяч лет назад или даже меньше мы знали только пару типов фундаментальных взаимодействий - электромагнитное и гравитационное. Всё, что мы наблюдаем, всё практически объясняется ими.
Потом оказалось, что для каких-то процессов ещё нужно знать про сильное взаимодействие и слабое. Казалось, этим тоже всё объясняется. Но вдруг обнаружилось, что есть ещё какие-то вещи, которые не впадают в нашу привычную картину мира. И для этого понадобилось вводить ещё такие понятия, как тёмная материя, тёмная энергия. А теперь давайте мы спросим у гостей, потому что пошли сложные уже вещи, что же это такое, откуда они взялись и что они собой представляют.
БОРИС ШТЕРН - Во-первых, это не просто медведь. Это медведище гигантский, потому что тёмной материи в несколько раз больше, чем обычной по количеству, просто по весу.
Е. БЫКОВСКИЙ - Раз в пять.
Б. ШТЕРН - Раз в пять, совершенно верно, да. Раз в пять. В принципе вопрос встал в 1970-х годах где-нибудь.
ЕЛЕНА МИХЕЕВА - Раньше. Можно припомнить Цвикки.
Е. БЫКОВСКИЙ - О, Цвикки. Я даже помню такую фамилию.
Е. МИХЕЕВА - Ну, конечно.
Б. ШТЕРН - Увидели, что галактики вращаются быстрее, чем они вращались бы, если б там были только звёзды и газ, чем если бы только была обычная материя. То есть чего-то сильно не хватало.
Е. МИХЕЕВА - Не только это. Я бы ещё добавила, что само то, что мы наблюдаем спиральные галактики со специфической структурой, означает, что есть механизм, котторый эту структуру поддерживает.
Н. АСАДОВА - Знаете, как торт с зеброй, который готовят. Там есть белое тесто и чёрное. И оно так закручивается. И там, где чёрное, которое сдерживает разные слои белого теста, вот это и есть, примерно так выглядит чёрная материя?
Е. МИХЕЕВА - Нет. В данном случае аналогом чёрной материи будет та посудина, внутри которой всё это замешивается. А светлые и тёмные пятна на торте - это скорее облака пыли, облака газа. Там, где есть звёзды, там видны такие красивые спиральки. А между ними вроде бы звёзд нет.
Б. ШТЕРН - Спиральки - это обычная материя. А тёмная распределена вот так равномерно. И более того, есть такой интересный феномен. Столкнулись две галактики. И видят по дальним галактикам, которые за ней, как распределена масса. И видят, что от этих двух галактик масса вот так двумя облаками продолжает лететь дальше. А всё, что светится, осталось посредине. То есть газ застрял посредине, столкнувшись друг с другом, газ не может пройти. Звёзды пролетели дальше, и главное - тёмная материя, в которой вся основная масса этих галактик, она так спокойно дальше пролетела. То есть частицы тёмной материи просто друг с другом не провзаимодействовали.
Н. АСАДОВА - Почему учёные решили, что она тёмная, почему назвали её именно тёмной. И ещё говорят про существование темной энергии. Это два разных понятия?
Е. БЫКОВСКИЙ - Давай я на него отвечу. Я способен на него ответить. Дело в том, что она не испускает свет. То есть вообще никак не взаимодействует с обычной материей. Поскольку свет - это тоже один из видов электромагнитного излучения, поэтому её назвали тёмной, потому что она тёмная.
Б. ШТЕРН - Я бы её назвал невидимой. Это было бы, наверное, точнее. То есть цвета она, естественно, не имеет. Она невидимая.
Е. МИХЕЕВА - Это вопрос терминологии. А если б у нас были гравитационно-волновые детекторы?
Б. ШТЕРН - Ну и что?
Е. МИХЕЕВА - Тогда увидели бы, наверное?
Б. ШТЕРН - Ну, мы и так её видим по кривым вращения и...
Е. МИХЕЕВА - Это к вопросу о том, что означает слово "видимый" и "невидимый".
Е. БЫКОВСКИЙ - Мы её можем видеть только опосредованно через её действие на что-то другое.
Е. МИХЕЕВА - Несветящаяся материя.
Н. АСАДОВА - А что такое тёмная энергия тогда?
Е. МИХЕЕВА - Тёмная энергия отличается от тёмной материи, пардон, я должна сказать это сочетание, уравнением состояния. В переводе на общедоступный язык это означает, что тёмная материя может образовывать сгустки. Вот, из этих сгустков получаются галактики, звёзды и так далее. А тёмная энергия очень-очень однородно расположена внутри Вселенной. Она не скучивается.
Е. БЫКОВСКИЙ - Насчет образования звёзд и галактик. Тут некоторые слушатели наверняка насторожились - откуда мы знаем, что она образует? Тёмные галактики, тёмные звёзды?
Е. МИХЕЕВА - Тёмная материя?
Е. БЫКОВСКИЙ - Или она собирает за счёт своих гравитационных сил...
Е. МИХЕЕВА - Тёмная материя может образовывать какие-то сгустки и даже, например, какие-то тёмные звёзды, например. А вот тёмная энергия потому она и называется энергией, хотя, может быть, не самый удачный термин, она не скучивается.
Е. БЫКОВСКИЙ - То есть она распределена однородно?
Е. МИХЕЕВА - Однородно, изотропно.
Н. АСАДОВА - Я напоминаю, что у нас сегодня в гостях Борис Штерн, доктор физико-математических наук и ведущий научный сотрудник Института ядерных исследований РАН, и Елена Михеева, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Физического института имени Лебедева РАН. Я предлагаю сейчас нам ещё одну нашу традиционную рубрику послушать. Это "Статья по теме", которую нам озвучил Лев Гулько. И эта статья как обычно взята из журнала "Наука в фокусе". И вообще-то тёмная материя - это главная тема этого номера, обозначена на обложкке, всем советую покупать журнал и читать его. Итак, Лев Гулько.
"СТАТЬЯ ПО ТЕМЕ".
Л. ГУЛЬКО - Допустим, существует вторая галактика, занимающая то же место, что и наш Млечный Путь. Мы не замечаем её, поскольку она невидима для наших телескопов. В ней могут быть невидимые, звёзды, невидимые планеты и невидимая жизнь. Идея теневого Млечного Пути может показаться безумной. Но это реальная гипотеза американских физиков, пытающихся понять невидимую, или тёмную материю нашей Вселенной.
Допустим, существует вторая галактика, занимающая то же место, что и наш Млечный Путь. Мы не замечаем её, поскольку она невидима для наших телескопов. В ней могут быть невидимые, звёзды, невидимые планеты и невидимая жизнь. Идея теневого Млечного Пути может показаться безумной. Но это реальная гипотеза американских физиков, пытающихся понять невидимую, или тёмную материю нашей Вселенной.
Второе наблюдение, для объяснения которого используется темная материя, состоит в том, - пишет автор, - что вы читаете эти слова. Исследования космического микроволнового фона, послесвечения огненного Большого взрыва, показывают, что материя в самом начале была распределена в пространстве очень однородно. Однако в некоторых местах ее плотность была чуть выше, чем в среднем. Исследования космического микроволнового фона, послесвечения огненного Большого взрыва, показывают, что материя в самом начале была распределена в пространстве очень однородно. Однако в некоторых местах ее плотность была чуть выше, чем среднем.
Но что она собой представляет? В предположениях нет недостатка: от черных дыр размером с холодильник, оставшихся после Большого взрыва, до реликтов будущего, чья «стрела времени» направлена в обратную сторону. Однако наиболее популярна идея о том, что темная материя состоит из пока еще не открытых субатомных частиц.
Но есть одна проблема. Ни одного нейтралино или другой частицы темной материи до сих пор не удалось получить даже при сверхвысокоэнергичных столкновениях на Большом адронном коллайдере. Это подтолкнуло некоторых физиков к тому, чтобы попробовать немного скорректировать возможные модели темной материи.
Лиза Ранделл - первая женщина, ставшая пожизненным профессором теоретической физики, вместе с коллегами выдвинула гипотезу о о новой форме темной материи, которая способна взаимодействовать сама с собой, однако игнорирует обычную материю. Как следствие, мы не можем определить ее присутствия.
Но самое главное, такое самовзаимодействующее темное вещество ведет себя совершенно иначе, чем обычная темная материя. Наш Млечный Путь считается состоящим из гигантского сферического вращающегося облака темной материи, в которой подмешано небольшое количество обычной материи, которое начинает сжиматься под действием гравитации.
В конечном итоге образуется тонкий плоский диск, который затем фрагментируется на звезды.
Принципиально важно, однако, что темная материя не способна испускать свет. Без потери энергии она не может сжаться в диск и остается сферическим облаком. В результате наша Галактика приобретает вид сплющенного спирального диска из звезд, погруженного в сфероидальное облако (гало) темной материи.
В настоящее время проводится целый ряд экспериментов в попытке зарегистрировать частицы темной материи, пролетающие сквозь Землю. Поскольку темная материя практически не взаимодействует с обычной, в них используются различные атомные ядра — от кремния до ксенона, от фтора до йода — в надежде «увидеть» отдачу, испытываемую ядром при неожиданном столкновении с частицей темной материи.
В большинстве экспериментов пока ничего не зарегистрировано, несмотря на то, что Солнце, обращаясь вокруг центра Галактики, движется со скоростью 220 км/с относительно гало темной материи.
Забавно рассуждать о том, что теневая вселенная, состоящая из темной материи, может быть даже не такой же сложной, как наша Вселенная, а намного сложнее. Быть может, там существует шесть фундаментальных взаимодействий, а не четыре, как у нас. Не может ли это объяснять, почему мы не видим никаких признаков инопланетян, несмотря на полвека активных поисков сигналов от них? Вдруг вселенная темной материи попросту намного интереснее? Не может ли быть так, что все развитые внеземные цивилизации отправляются в теневую вселенную, поскольку всё важное происходит именно там? Вот тут мы уже действительно переходим в область научной фантастики.
Н. АСАДОВА - Это был Лев Гулько и наша постоянная рубрика "Статья по теме". А тема у нас сегодня - "Где искать темную материю?". Я так поняла, что большинство всё-таки ученых серьёзно сейчас склоняются к мнению, что, конечно же, тёмная материя существует, определения её очень какие-то разные и мы её не можем зафиксировать. Тогда скажите, какие есть косвенные проявления тёмной материи, почему мы всё-таки так точно думаем, что она есть.
Е. МИХЕЕВА - Мы в этом уверены на 100%. У нас есть масса аргументов в пользу того, что тёмная материя существует и тёмная энергия существует тоже. Мы можем рассуждать, из чего состоит эта тёмная энергия. Можем обсуждать, из чего состоит тёмная материя. Но можно сказать, что тёмная материя - это такие похожие на пыль частицы, и у них есть какой-то физический носитель, какая-то частица, возможно, это какой-то нейтралино, может быть, это аксион. Я думаю, что мы поищем-поищем, лет через пять найдём.
Н. АСАДОВА - Сейчас эту частицу не нашли.
Е. МИХЕЕВА - Частица не зарегистрирована, безусловно, но мы знаем массу следов этого медведя. Мы их видим.
Н. АСАДОВА - А вот как он проявляется?
Е. МИХЕЕВА - Мы видим эту тёмную материю по тому, как мы с ней гравитационным образом взаимодействуем.
Б. ШТЕРН - Не только по галактикам. По реликтовому излучению.
Н. АСАДОВА - Что это такое?
Б. ШТЕРН - Что такое реликтовое излучение? После того как вселенная родилась, через 380 тысяч лет у неё изменилось состояние. Она была плазмой, потом эта плазма рекомбинировала, и она стала прозрачной. И мы эту плазму видим с помощью микроволновых телескопов. Эта плазма со всех сторон. Телескоп - это машина времени, он видит раннюю вселенную. Вот, свет 14 млрд лет почти шёл оттуда, и оно сначала казалось однородным. Но если оно было однородным, откуда взялись галактики, скопления галактик? Они бы не успели вырасти. Должны быть какие-то затравочные неоднородности.
Е. МИХЕЕВА - Которые мы должны увидеть, как отпечаток.
Б. ШТЕРН - Затравочные неоднородности нужны, чтобы образовались галактики и скопления галактик. И их же мы должны увидеть там, в этой плазме, в реликтовом излучении. Значит, она уже должна быть неоднородной. И эта неоднородность должна быть одна тысячная. Вот, контраст - одна тысячная. Маленький контраст, казалось бы, но мы его не видели, этого контраста, одна тысячная. Улучшили разрешение, чувствительность телескопов - одну десятитысячную тоже не видят. И тут уже начали думать, изобретать, что на самом деле одна тысячная была, но мы её не видим, потому что мы видим только обычную материю, а там была ещё тёмная материя, которая успела скомковаться до одной тысячной. Мы не видим. Мы видим однородное.
Но всё равно минимум, что должно было быть - это 10^-5. То есть одна стотысячная. И оказалось, что этого тоже нет. И я тогда помню, это был 1987 год, начиналась паника в среде... Я помню, Андрей Линде выступал, говорил - ребята, ещё немножко, ещё немножко, и нам придётся развести руками, что мы ничего не видим, у нас ничего не получается, мы ничего не понимаем, космология в тупике.
Е. БЫКОВСКИЙ - А следовательно, мы не можем объяснить, как устроена Вселенная.
Б. ШТЕРН - Через три года после этой точки (я сказа 1987 год появился кризис) увидели эту пятнистость. Чуть больше, чем одна стотысячная. И для того чтобы эта одна стотысячная сработала бы так, чтобы получились галактики, там действительно должна быть тёмная материя, и эта тёмная материя должна быть из довольно тяжёлых частиц. Есть там всякие отклонения, но, как правило, вот, самые простые вещи...
Е. БЫКОВСКИЙ - А почему она должна быть?
Е. МИХЕЕВА - Иначе она не будет так...
Б. ШТЕРН - У них должно быть низкое давление. Чтобы она скомковалась до одной тысячной в этот период 380 000 лет, она должна быть холодной намного раньше, она должна начать комковаться намного раньше, она должна комковаться буквально с первых минут.
Е. БЫКОВСКИЙ - Понятно. Но я читал про другие теории. в которых говорится о большом количестве наоборот лёгких частиц, или аксионов, правильно?
Н. АСАДОВА - Таким образом это кандидаты на роль тёмной материи? Да, какие?
Е. БЫКОВСКИЙ - Ну мы поняли, что Борис стоит за крупные частицы.
Б. ШТЕРН - Ну, это проще. Но здесь, наверное, Лена в этом больше разбиралась. Пусть перечислит.
Е. МИХЕЕВА - Ну, наверное, это вимпы. Ну, вимпы - это некоторое коллективное название, оно на самом деле ничего не говорит. По большому счёту и нейтралино - это тоже некая смесь частиц разных сортов. И эффективно некую частиц называют нейтралино. За этим ничего такого особого не стоит, какой-то особой физики, на мой взгляд.
Помимо этого есть чёрные дыры размером с холодильник или чуть больше, там, с кирпич.
Б. ШТЕРН - Хорошо подойдут обычные силикатные кирпичи, один в кубе с ребром сто тысяч километров.
Е. МИХЕЕВА - Проблема в том, что такой силикатный кирпич будет барионная материя. Это не совсем то, что надо. Плюс к этому откуда вы возьмёте столько черных дыр, если это чёрные дыры. Значит, будут искажения спектра. Мы бы всё это увидели в реликтовом излучении.
Есть аксионы - это лёгкие частицы, слабовзаимодействующие. И то, что они легкие, тут необходимо ещё одно условие. Когда-то давно они отключились от общей термодинамической бани, от плазмы. Так давно, что они как бы с ней ещё раньше перестали взаимодействовать. Поэтому не так важна их масса. Они могут быть легкими. Они не были в термодинамическом равновесии.
Е. БЫКОВСКИЙ - А можно я попробую вас обоих чуть раздраконить.
Н. АСАДОВА - Можно. У тебя есть на это тридцать секунд.
Е. БЫКОВСКИЙ - Очень хорошо. В своё время, когда греки пытались описать движение планет, они поняли, что наблюдения не соответствуют тому, что есть на самом деле, и пытались прибавить к ним ещё круги. Может быть, это та же история с эпициклом? Мы пытаемся что-то придумать, а на самом деле ничего такого нет, и есть какое-то другое, третье, четвёртое или пятое объяснение, которое не приходило в голову до сих пор.
Е. МИХЕЕВА - Модифицированная теория гравитации?
Н. АСАДОВА - Очень много страшных слов. Я напоминаю, что мы сегодня говорим про тёмную материю, где её искать, что это такое. И нам помогают сегодня наши гости - Борис Штерн, доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник Института ядерных исследований РАН, и Елена Михеева, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Физического института имени Лебедева. И мы сегодня с Егором Быковский, главным редактором "Науки в фокусе", обязательно вам всё это попробуем пояснить, что же это такое - тёмная материя. Сейчас мы прервёмся на новости и рекламу, вернёмся в эту студию и продолжим наш увлекательный разговор.
НОВОСТИ
Н. АСАДОВА - 15:35 в Москве, у микрофона Наргиз Асадова. Это передача "Наука в фокусе" с главным редактором Егором Быковский, главным редактором журнала "Наука в фокусе". Говорим о том, где искать тёмную материю. Егор сегодня прямо такой нетерпеливый. Представляю ещё раз наших гостей замечательных.Борис Штерн, доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник Института ядерных исследований РАН, и Елена Михеева, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Физического института имени Лебедева тоже РАН.
И мы подошли в первой части к тому, что как же представляют учёные эту тёмную материю, какие из кандидатов частиц на роль тёмной материи. И по этому поводу у нас есть рубрика "Про и Контра" - рубрика, которую нам помогли озвучить Андрей Поздняков и Дарья Пещикова.
ПРО И КОНТРА.
Георгий Двали, профессор Нью-Йорского университета, специалист в области теоретической физики. "Отказавшись от предположения существования тёмной энергии, мы вместе с профессором Гободадзе и с Энриком Дифулье из Парижского университета астрофизики пришли к выводу, что дополнительные измерения не только ослабляют тяготение, но и заставляют космическое расширение ускоряться. В шутку можно сказать, что, ослабляя гравитационный клей, препятствующий расширению, рассеяние гравитонов уменьшает замедление настолько, что оно становится отрицательным и превращается в ускорение. Для этой теории тёмная энергия не требуется".
Валерий Рыбаков, академик РАН, один из ведущих мировых специалистов в области квантовой теории поля. "Не будет преувеличением сказать, что природа тёмной энергии - это главная загадка фундаментальной физики XXI века. Один из кандидатов на роль тёмной энергии - вакуум. Плотность энергии вакуума не изменяется при расширении Вселенной. А это и означает отрицательное давление вакуума. Другой кандидат - новое сверхслабое поле, пронизывающее всю вселенную. Для него употребляют термин "квинтэссенция". Есть и другие кандидаты. Но в любом случае тёмная энергия представляет что-то совершенно необычное".
Н. АСАДОВА - Это была рубрика "Про и контра", которую озвучили Андрей Поздняков и Дарья Пещикова. И вот получается, что у нас две группы учёных. Одни говорят, что вот мы представили, что тёмной материи нет, и нормально всё тоже работает. А другие говорят, что всё-таки есть, обязательно должна быть тёмная материя, что на роль её и вакуум тоже претендует. Вы по этому поводу тут не согласились, пока слушали.
Б. ШТЕРН - Во-первых, это разные вещи - тёмная энергия и тёмная материя.
Что касается тёмной материи, ну да, есть модифицированная гравитация, которая может объяснить, как якобы вращение галактик. Но эта теория уродлива, прямо скажем, все так и говорят. Но она не может объяснить вот этой пятнистости, которую мы видим в реликтовом излучении, потому что эта пятнистость непростая. Если её правильно обработать, она очень информативна. Это как мы видим в реликтовом излучении прям приборы со стрелками, масштабные линейки и так далее. И вот по этим показаниям, которые мы снимаем с этих самых пятен, которые распределены по небу, мы точно знаем, что без тёмной материи не обойтись. Модифицированной гравитацией получить вот эти картинки, которые мы видим, не получится. Это совершенно точно.
Е. МИХЕЕВА - Я бы сказала, что модифицированная теория гравитация - это маргинальная теория.
Б. ШТЕРН - Я же сказал - уродливая. Некрасивая.
Е. МИХЕЕВА - Нет, именно маргинальная. У неё есть, конечно, свои адепты, как у любой религии, надеюсь, это никого не заденет, но она, конечно, далеко не в струе, потому что у этой теории большие проблемы.
Н. АСАДОВА - Хорошо, давайте тогда скажем так, чтобы всем было понятно, каков мейнстрим и какая главная задача на пять лет, о чём вы говорите. Через пять лет мы хотим того-то и того-то увидеть, посмотреть.
Е. БЫКОВСКИЙ - Давайте с материей закончим.
Н. АСАДОВА - Я имею в виду, конечно, если мы говорим про тёмную материю.
Б. ШТЕРН - За 5 лет хорошо бы увидеть продукты её распада, например, если она распадается, или аннигиляции...
Е. МИХЕЕВА - Или по крайней мере увидеть что-то, что мы можем однозначно интерпретировать как продукт распада.
Б. ШТЕРН - Да. Уже несколько раз кричали "волки". Значит, последний раз кричали "волки", когда увидели в спектре гамма-кванта от центра галактики пик на энергии примерно 120 Гэв, это большие энергии. Предположили, что это аннигилирует тёмная материя, которая концентрируется к центру галактики.
Н. АСАДОВА - Что такое "аннигилирует"?
Б. ШТЕРН - Это две частицы тёмной материи соединяются и превращаются в два гамма-кванта. Точно так же аннигилируют электрон с позитроном. Обычная материя. Точно так же может аннигилировать и тёмная. И 100 Гэв - это как раз нормальная энергия для этого, 120.
Н. АСАДОВА - Что же это оказалось?
Б. ШТЕРН - Это оказалось статистической флуктуацией, которую холили и лелеяли, с помощью всяких трюков искусственно повышали её статистическую значимость. Она рассосалась довольно быстро.
Е. БЫКОВСКИЙ - Правильно я понимаю, что мы надеемся вскоре найти более такие чёткие консервативные доказательства? Но они всегда будут косвенными. Мы не можем видеть тёмную материю, потому что мы существа из другого мира.
Б. ШТЕРН - Мы можем видеть продукты её распада, если она всё-таки взаимодействует.
Е. МИХЕЕВА - Я думаю, что мы можем увидеть и саму частицу на каком-нибудь ускорителе.
Б. ШТЕРН - Если она взаимодействует и если она рождается правильным образом.
Е. МИХЕЕВА - Почему бы и нет?
Н. АСАДОВА - Большой адронный коллайдер и вообще какие другие есть ещё эксперименты по обнаружению тёмной материи, помимо коллайдера?
Е. МИХЕЕВА - Таких экспериментов на самом деле очень много. У всех у них разные диапазоны масс, на которых они чувствительны, у них там разные предполагаются степени того, насколько сильно эта частица гипотетическая взаимодействует с веществом. Таких экспериментов много. Они проводятся, по-моему, у нас, за рубежом и в Европе, в Америке.
Б. ШТЕРН - Многие из них под землёй, где маленькие фоны, где не летают никакие частицы. А вдруг там что-нибудь пролетит такое?
Е. МИХЕЕВА - Согласна.
Б. ШТЕРН - Чуть-чуть провзаимодействует, допустим, два раза, можно будет померить скорость.
Е. МИХЕЕВА - Это история, как с частицей Хиггса, с бозоном Хиггса. Его искали, искали, искали и нашли в конце концов. Хотя, конечно, сам процесс поиска многим физикам из области физики элементарных частиц попортил кровь, конечно.
Е. БЫКОВСКИЙ - Но по косвенным взаимодействиям можно же определить, сколько её находится в окрестностях Земли. Видимо, немного. Поэтому сложно...
Е. МИХЕЕВА - Пока не получается по косвенным признакам именно в окрестности Земли. Там получается, что эффект достаточно небольшой, к сожалению, и нам не хватает чувствительности приборов, по крайней мере пока. Но у нас есть... вот это гораздо более точный прибор, оказывается.
Б. ШТЕРН - Ну да, он точно меряет просто его количество с точностью до процента примерно.
Е. МИХЕЕВА - Представьте, вы смотрите на фотографию человека, и если вы смотрите, это ваш прибор, которым вы видите. Мужчина-женщина, можете оценить возраст, может оценить вес, профессию даже тоже можно оценить частично.
Н. АСАДОВА - Ну, физиогномисты, наверное, могут вообще много чего сказать.
Е. МИХЕЕВА - В данном случае физики работают, как физиогномисты. Вы можете его достроить, используя некую свою теорию, которая у нас тоже есть в мозгу. Вы по плоской картинке можете представить себе, как это выглядит в объёме. Вот здесь то же самое. В данном случае физика - это физиогномист. А глаза и опыт работают как приборы.
Н. АСАДОВА - А вы говорите, что в окрестности Земли не очень много тёмной материи, но её померяли. Сколько её?
Б. ШТЕРН - Нет, она могла бы сгущаться около Земли, но этого не чувствуется. Чтобы она здесь локально сгущалась...
Н. АСАДОВА - А мы понимаем и можем ли мы измерить, как-то зафиксировать, где её много?
Е. МИХЕЕВА - Проблема в том, что она всё-таки не очень хорошо сгущается. Где мы можем найти эту темную материю? Можем найти её в центре, там, где её много. Потому что там самый центр той гравитационной ямы, в которой мы находимся, в центре галактики. Поэтому оттуда можем видеть аннигилляционную линию.
Е. БЫКОВСКИЙ - То есть, если совсем просто говорить, там, где много обычной энергии барионной, там должно быть много и тёмной материи, поскольку она притягивает за счёт своей...
Е. МИХЕЕВА - Тут на самом деле логическая связь обратная. Там, где много тёмной материи, туда и падают барионы.
Е. БЫКОВСКИЙ - Да, устроить колодец из тёмной материи, туда скатилась...
Е. МИХЕЕВА - В принципе она не очень хорошо кластеризуется, потому что наша галактика Млечный Путь лежит в этом тазике из тёмной материи, как утёнок в ванночке.
Е. БЫКОВСКИЙ - Хорошо, слушайте, мы её обнаружили, допустим, и прямо точно знаем, сколько, где, не как она выглядит, потому что она никак не выглядит, но знаем всё. Это улучшит нашу жизнь?
Н. АСАДОВА - Ты как-то забегаешь вперёд. У меня ещё есть по поводу предыдущего вопроса. Вот, вы сказали, что коллайдер пытается найти какие-то частицы. Какие есть ещё исследования, которые...
Е. МИХЕЕВА - По названиям не могу сказать.
Н. АСАДОВА - Хотя бы по принципу.
Е. МИХЕЕВА - В любом случае это рассеяние частиц тёмной материи на частицы какого-то обычного вещества.
Б. ШТЕРН - Или в Солнце скопились в центре и тоже там аннигилируют. Ещё один вариант, продукты распада, продукты аннигиляции.
Е. МИХЕЕВА - То есть когда мы видим что-то, чего быть не должно. Всё-таки модель Солнца теперь известна достаточно хорошо.
Н. АСАДОВА - Её ищут только в Солнечной системе, или...
Б. ШТЕРН - Нет, ну то, что я сказал про центр Галактики - её искали в центре Галактики.
Е. МИХЕЕВА - В центре Солнца не ищут?
Б. ШТЕРН - Может быть, я не знаю. Мне Валера Рыбаков говорил, что там и такие идеи тоже есть.
Е. МИХЕЕВА - Идеи есть. Но это не означает, что есть эксперименты.
Б. ШТЕРН - Да, может быть, может быть. Ну вот так. И ищут просто в космосе какие-нибудь продукты распада. Допустим, позитроны, там избыток позитронов, скажем, откуда он может взяться? А он есть. Казалось, что он есть. Думали - а, это тёмная материя распадается, даёт позитроны. Ну, 10 ГЭВ, ещё выше. Но потом люди аккуратно посчитали - ну, обычные астрофизические объекты это объясняют. То есть для избытке позитронов не требуется никакой экзотики. То есть пока что она как-то очень хорошо прячется. Может, она и дальше будет прятаться. Мы не знаем.
Н. АСАДОВА - Теперь вопрос Егора.
Е. БЫКОВСКИЙ - Да, я знаю, что этот вопрос на самом деле не к физикам, но как мы можем его приспособить к делу?
Б. ШТЕРН - Мы её уже приспособили к делу. Без неё бы нас не было.
Е. БЫКОВСКИЙ - Это не мы её приспособили. Это она нас приспособила.
Н. АСАДОВА - Вы знаете, мы в блоге нашей передачи всегда задаём вопрос какой-нибудь нашим читателям и слушателям, в этот раз мы задали вопрос - изменит ли обнаружение тёмной материи нашу повседневную жизнь? И "да" сказали 54% проголосовавших, "нет" сказали 37%. И затруднились с ответом 9% проголосовавших. А проголосовало всего 2500 человек. То есть в принципе довольно большая выборка получилась.
Е. БЫКОВСКИЙ - Видите, какие читатели у нас оптимисты.
Н. АСАДОВА - Интуитивно понимают, что это имеет вообще значение для нашей жизни.
Е. БЫКОВСКИЙ - Да, они считают, что это изменит нашу жизнь. Я не знаю, в какую сторону.
Е. МИХЕЕВА - Мне кажется, это может изменить. Это изменит нашу жизнь. Но это меняет наши представления о жизни.
Б. ШТЕРН - Конечно, нашу повседневную жизнь это не изменит. Но вопрос - что понимать под повседневной жизнью? То есть если у науки случаются удачи время от времени, наука лучше развивается, и где-нибудь через 100 лет в среднем человечество будет чуть-чуть умнее, если науку будут преследовать неудачи. Только так.
Н. АСАДОВА - Я вам скажу. Смотрите, есть из той заметки, которую я прочитала в журнале "Наука в фокусе", то есть если мы обнаружим тёмную материю, то это может в частности говорить о том, что есть некий параллельный мир.
Е. БЫКОВСКИЙ - Нет, это совсем другая история.
Б. ШТЕРН - Параллельный мир - это так называемая зеркальная материя, то есть точно такая же, как у нас...
Н. АСАДОВА - Вселенная - это что такое?
Б. ШТЕРН - Вот это, видимо, имеется в виду. Видимо, как я это понимаю, имелось в виду, то, что есть такое вещество, как у нас, только с нашим не взаимодействует никак, кроме как через гравитацию.
Е. БЫКОВСКИЙ - Могут иметься в виду разные вещи. Может иметься в виду мультиверс, то есть множественная вселенная. Я не знаю просто, про что именно ты гворишь.
Н. АСАДОВА - В твоём журнале написано.
Е. БЫКОВСКИЙ - А! Там, по-моему, имелась в виду зеркальная материя.
Н. АСАДОВА - А тут имеется в виду, смотрите, что забавно порассуждать о том, что теневая вселенная, состоящая из тёмной материи, может быть даже и такой же сложной, как наша Вселенная, и намного сложнее. И здесь говорится о том, что мы ищем-ищем инопланетян, и не можем их найти. А, может быть, они в параллельном теневом каком-то мире существуют.
Е. БЫКОВСКИЙ - Это последний абзац статьи. Это была шутка, в общем.
Б. ШТЕРН - Сейчас скажу, где проблема возникнет. Где у зеркальной материи возникнет проблема? Именно вот в этом объяснении, этой пятнистости реликтового излучения, оно повлияет на уравнение состояния. То есть это как бы вторая субстанция, которая имеет давление. И вот если эту вторую субстанцию вставить во все эти расчёты эволюции Вселенной, то получится, что в какой-то момент давление было неправильным. И мы видим другую картинку, которая не соответствует нашим данным. Вот, зеркальная материя, я думаю, вот, я, естественно, этим не занимался, но я полагаю, что какой-нибудь более грамотный человек, занимавшийся подгонкой вот этой картинкой реликтового излучения, он ответит примерно так, что зеркальная материя не впишестя в модель, объясняющую поведение картины реликтового излучения. Вот, грубо говоря, что-нибудь так.
Е. МИХЕЕВА - Согласна.
Е. БЫКОВСКИЙ - Но пофантазировать про неё интересно. Давайте теперь перейдём к тёмной энергии. Мы всё про материю, про материю. С материей всё-таки, хотя и непонятно до сих пор, что это такое.
Н. АСАДОВА - Я не поняла ответ на мой главный вопрос. В итоге как-то это влияет на нашу жизнь, или, кроме того, что мы просто станем умнее.
Е. МИХЕЕВА - Это мировоззренческая вещь.
Е. БЫКОВСКИЙ - Ну, может быть, это как-то повлияет, но очень нескоро. Редактор одного телеканала меня спросил - а вот если мы откроем тёмную материю, мы сможем проходить сквозь стены? Я сказал, что мы уже и сейчас можем проходить сквозь стены, для этого существует прекрасный прибор, называется дверь и окно. А тёмная материя, наверное, даст нам другие приборы, но очень нескоро. Мы сейчас не готовы о них говорить. Давайте перейдём к темной энергии, а это штука более непонятная. Если тёмная материя всё-таки у нас влияет, гравитационно взаимодействует с нашей, её можно как-то узнать, что такое темная энергия? Она вообще не имеет к нам никакого отношения.
То есть, насколько я понимаю, а я совсем не физик, это была сначала такая математическая константа, которая была введена для удобства в теорию, и она объясняла, почему Вселенная расширяется, а не стоит на месте, правильно?
Е. МИХЕЕВА - Я бы сказала, что можно ещё раньше найти, потому что первоначально эту самую константу придумал известный Альберт Эйнштейн.
Н. АСАДОВА - Я его знаю. Продолжайте, можете не объяснять, кто это.
Е. МИХЕЕВА - Для спасения своей теории. Он считал, что Вселенная обязательно должна быть стационарна, и когда он написал своё уравнение, это как раз тот самый случай, когда уравнение оказывается умнее своих создателей. Он посмотрел и понял, что всё не сходится, что всё это ужасно и понял, что необходимо что-то, что он назвал космологической постоянной, которую он ввёл в свои уравнения руками, как говорят, для того чтобы пытаться как-то стабилизировать мир. Но оказалось, что это плохо стабилизирует мир. Так устроено уравнение, так устроена жизнь, так устроена Вселенная, что она не может быть постоянная. Она обязательно эволюционирует динамически. Это обнаружил Александр Александрович Фридман, наш не менее знаменитый соотечественник, к сожалению, давным-давно ушедший в мир иной. Он посмотрел на уравнения Эйнштейна и решил их. В результате у нас есть так называемая модель Фридмана, фридмановская модель вселенной.
Это означает, что Вселенная эволюционирует, она расширяется либо сжимается. Но жизнь устроена у нас так, что Вселенная расширяется. После этого когда Эйнштейн осознал это тоже, такая краткая история времени, он отказался от этой идеи и считал её вообще самой большой своей ошибкой в жизни. После этого космологическую постоянную похоронили, похоронили её очень надолго и реанимировали, я так думаю, уже в 1990-х годах.
Б. ШТЕРН - Да нет, раньше, конечно. Где-то в 1970-х.
Е. МИХЕЕВА - А в 1970-х-то зачем?
Б. ШТЕРН - ...реанимировал эту идею для объяснения плоскостности Вселенной. Это действительно была... Большой взрыв, как он естЬ, как он был придуман ещё Фридманом, как он был потом подтверждён в 1960-е годы открытием реликтового излучения.
Е. МИХЕЕВА - Я думаю, что, может быть, определимся, что такое большой взрыв, потому что разные люди под этим подразумевают разное.
Б. ШТЕРН - Я сейчас скажу ужасную вещь, за которую меня будут все ругать вокруг. Большой взрыв - это момент выгорания скалярного поля, которое движет инфляция, то есть переход от инфляционной стадии к фридмановской.
Теперь про эту идею. Лямбда-член этот самый всё равно влез в общую теорию относительности, но не как константа, заданная руками, которую пытался сделать Эйнштейн, а из физики. Потому что пустота, в которой мы живём, на самом деле не пустота, а довольно сложная среда. И она вовсе не обязательно должна обладать нулевой плотностью энергии. Она может быть заполнена...
Н. АСАДОВА - Мы сейчас плавно подходим к тому, что такое тёмная энергия.
Б. ШТЕРН - Правильно, правильно. То есть наша пустота удивительна, что она так мало весит. Она могла весить гораздо больше. И здесь может быть разная физика. Может быть, она заполнена каким-то однородным полем, которое везде...
Е. МИХЕЕВА - Представьте себе, что вы идёте по полю, на котором растут ромашки, васильки и колокольчики. По большому счёту, это то же самое, но там растут бозончики... По большому счёту те же васильки и колокольчики. То же самое поле по большому счёту.
Б. ШТЕРН - Оно совершенно однородно и оно весит, то есть у него есть своя плотность. И вот это поле в точности даёт этот самый лямбда-член, или космологический член, как говорят, который пытался ввести Эйнштейн для стабилизации Вселенной. Только он делает другую вещь.
Е. МИХЕЕВА - Он как-то весит, вы же не парите над этим полем. Вы по нему идёте более-менее твёрдыми шагами. Вот, можно такую провести параллель. Чтобы вы по нему могли ходить, необходимо, чтобы вы как-то гравитационно взаимодействовали.
Н. АСАДОВА - И как связана эта постоянная лямбда с тёмной энергией?
Б. ШТЕРН - Тёмная энергия и есть эта самая лямбда. Это один из вариантов. Один из вариантов, что тёмная энергия - это есть просто чуть-чуть отличная от нуля плотность вакуума.
Её выгнали в дверь, она влезла через окно из физики.
Е. МИХЕЕВА - Мне кажется, у Глинера это была чисто теоретическое построение некое.
Б. ШТЕРН - Да, но именно так мотивировано.
Н. АСАДОВА - У вас есть 2 минуты, чтобы вашу версию озвучить.
Е. МИХЕЕВА - Люди наблюдают сверхновые. Сверхновые типа I считаются более-менее хорошими стандартными свечками, то есть это как лампочка 40 Вт, ну, не совсем 40 Вт, но самое главное, что если 40 есть, то стандартная свеча. То есть вы двигаете дальше, дальше и дальше, начиная с некого момента вы начинаете чувствовать, как расширяется Вселенная. Вы знаете, сколько излучает лампочка, вы видите, сколько вам приходит, знаете расстояние. И оказывается, что если лампочка очень далеко находится, ну очень-очень далеко, вы начинаете чувствовать, с каким темпом расширяется Вселенная.
И когда такого рода эксперименты стали проводить в конце 1990-х годов, оказалось, что Вселенная расширяется не с замедлением, если бы она была заполнена только тёмной материей, а она как раз расширяется ускоренно. А это означает, что должна быть такая среда, которую мы называем тёмная энергия.
Б. ШТЕРН - Вот этот самый космологический член как раз это и делает, он ускоряет расширение Вселенной.
Е. МИХЕЕВА - Вот так он влияет. И, кстати, ещё нужно заметить, что специфика гравитации - это не только тяготение, но точно с таким же успехом и отталкивание. Это не какая-то патология. Гравитационное отталкивание, конечно, в нашей жизни не встречается, кроме как в наблюдениях далёких сверхновых, но это столь же естественно для гравитации Альберта Эйнштейна, как и гравитационное притяжение. То есть гравитация и тяготение - это не тождественно. Но как правило у нас тяготение.
Е. БЫКОВСКИЙ - Да, я как раз хотел сказать, что поле с колокольчиком - очень удачная аналогия, потому что земля весит больше, чем колокольчики, и этот самый лямбда-член, как бы мы его ни называли, тёмная энергия, тоже весит (можно сказать весит?) практически три четверти массы Вселенной.
Н. АСАДОВА - Ой, а как это померяли?
Б. ШТЕРН - А вот по темпу расширения как раз, по темпу ускорения померяли. Это измеряется даже не из ускорения, это измеряется из скорости расширения. Из того факта, что Вселенная плоская, пространство наше плоское, мы живём в евклидовом мире. Вот это тоже довольно хорошо уже всё измерено. И из скорости расширения Вселенной, факта того, что она плоская, вот эта величина однозначно просто вытекает. Берём уравнение Фридмана, подставляем в них известную скорость расширения и находим сразу плотность.
Е. БЫКОВСКИЙ - Понятно. За наш час мы успели поговорить о тёмной энергии и темной материи. Большое вам спасибо, Елена, Борис. Надеюсь, что те, кого мы оторвали от воскресного шашлыка, остались довольны.
Н. АСАДОВА - Да, но я для себя много нового, например, узнала сегодня. И я тоже благодарю Елену Михееву, кандидата физико-математических наук, старшего научного сотрудника Физического института имени Лебедева, и Бориса Штерна, доктора физико-математических наук, ведущего научного сотрудника Института ядерных исследований РАН. С вами были Наргиз Асадова и Егор Быковский. И услышимся в следующее воскресенье.
Е. БЫКОВСКИЙ - Удачного вам конца воскресенья. До свидания.