Мир физики и физика мира. Простые законы мироздания

Скорость вращения галактик, движение целых галактик внутри скопления галактик, а также структура Вселенной в целом – все указывает на то, что существенная ее часть состоит из почти невидимого вида материи. Мы называем ее темной не потому, что она скрыта за другой, видимой материей, и даже не потому, что она на самом деле темная, а потому, что, насколько мы понимаем, она не поддается воздействию электромагнитной силы и, таким образом, не излучает света и не взаимодействует с обычной материей, если не считать гравитацию[28],так что, возможно, ее лучше бы называть невидимой материей. Задумайтесь на минутку, почему, когда вы ударяете рукой по столу, рука не проходит насквозь. Можно подумать, что это само собой разумеется – конечно, причина в том, что и ваша рука, и стол сделаны из твердого материала. Однако не забывайте, что на уровне атомов материя в основном представляет собой пустое пространство – диффузные электронные облака, окружающие крошечное ядро, – так что у атомов, из которых состоит ваша рука, должно быть достаточно возможностей, чтобы проникнуть в промежутки между атомами стола. Этого не происходит из-за электромагнитной силы, действующей между электронами в атомах вашей руки и электронами в атомах стола, которая вызывает отталкивание и создает сопротивление, воспринимаемое нами как твердость. Однако, если бы ваша рука состояла из темной материи, она бы спокойно прошла сквозь стол, как если бы его не было – сила гравитации между ними слишком мала, чтобы оказать сколь-нибудь заметный эффект.

Уже давно известно, что галактики обладают большей массой, чем можно получить, если взвесить всю обычную материю, которая содержится в них в виде звезд, планет, а также межзвездной пыли и газа. В какой-то момент считалось, что темная материя состоит из давно умерших звезд и черных дыр – объектов, содержащих обычную материю, которые, однако, не излучают света. Но сегодня большая часть данных свидетельствует о том, что невидимая материя, скорее всего, представляет собой новый вид материи из новых видов частиц, которые нам еще предстоит открыть.

Первоначально высказывалась мысль, что темная материя объясняет перемещение целых галактических скоплений. Дальнейшие данные были получены на основании того, как движутся звезды внутри спиральных галактик – они кружатся, подобно нерастворившимся кофейным гранулам на поверхности кружки с растворимым кофе, если его помешать ложкой. Большая часть звезд – и, соответственно, большая часть массы в галактике – сосредоточена вокруг ее ядра, что должно заставить звезды у внешней границы галактики двигаться медленнее. Наблюдаемая на самом деле более высокая, чем ожидалось, скорость этих «внешних» звезд заставляет предположить, что здесь задействовано еще какое-то невидимое вещество, которое выходит за пределы видимой материи и создает дополнительный гравитационный «клей», не дающий внешним звездам разлетаться в разные стороны.

Существование темной материи также подтверждается тем, как она «заворачивает» вокруг себя пространство. Это явление проявляется в том, каким образом искривляется траектория света, пока он идет от далеких объектов к нашим телескопам. Степень такого искривления можно объяснить только дополнительным гравитационным искривлением пространства, вызванным темной материей галактик, через которые свет проходит по пути к Земле.

Так что же мы знаем о темной материи кроме того, что она вызывает это необходимое дополнительное притяжение? Разве его нельзя объяснить чем-то менее экзотичным, чем новая форма энергии? Действительно, многие астрофизики полагают, что темная материя не нужна вовсе, но тогда придется допустить, что свойства гравитационной силы на больших расстояниях способны изменяться. Одно из таких предположений, известное под названием MOND (Modified Newtonian dynamics, модифицированная ньютоновская динамика), с первого взгляда может показаться вполне привлекательным. Однако, хотя MOND или другие связанные с ней гипотезы, модифицирующие общую теорию относительности, способны объяснить некоторые из наблюдаемых эффектов, многое они объяснить не могут. Ни одна из этих моделей не соответствует данным, касающимся скоплений галактик, в частности данным о столкновении галактик (знаменитый Пулевой кластер, или кластер Пуля), о детальной структуре космической микроволновой фоновой радиации или о недавно открытых карликовых галактиках.