Миллиарды долларов, десятилетия поисков, сотни экспериментов — и абсолютно ничего. Тёмная материя, этот священный грааль современной космологии, упорно отказывается обнаруживаться. Может, пора признать очевидное: мы просто не понимаем гравитацию?
Современная физика переживает один из самых интересных кризисов в своей истории. Нет, речь не о каком-нибудь очередном «сенсационном открытии», которое журналисты раздуют до вселенских масштабов. Речь о куда более фундаментальной проблеме: возможно, наша самая успешная теория гравитации — общая теория относительности Эйнштейна — нуждается в серьёзной модификации. И если это так, то вся современная космология построена на песке.
Невидимый слон в комнате
Давайте начистоту: история с тёмной материей начинает попахивать научным скандалом. Вот уже почти девяносто лет физики утверждают, что Вселенная на 27% состоит из какой-то загадочной субстанции, которую никто никогда не видел, не трогал и не регистрировал напрямую. При этом на её поиски потрачены ресурсы, сопоставимые с бюджетом небольшой страны.
Эксперименты LUX, XENON, PandaX, CDMS — список можно продолжать бесконечно. Все они работают по одному принципу: прячутся глубоко под землю, чтобы отсечь космические лучи, и ждут, когда частица тёмной материи соизволит столкнуться с обычным веществом. Ждут годами. Результат? Ноль. Нада. Пустота.
И тут возникает неудобный вопрос: а что, если проблема не в том, что мы плохо ищем, а в том, что искать нечего?
Когда галактики ведут себя странно
Вся эта история началась в 1930-х годах, когда швейцарский астроном Фриц Цвикки обнаружил, что галактики в скоплениях движутся слишком быстро. По законам ньютоновской механики они давно должны были разлететься в разные стороны. Но нет — держатся вместе, словно их что-то склеивает. Цвикки предположил, что это «что-то» — невидимая масса, которую он окрестил «dunkle Materie».
Потом, в 1970-х, американский астроном Вера Рубин обнаружила ещё более странную вещь. Звёзды на окраинах спиральных галактик вращаются с той же скоростью, что и звёзды ближе к центру. Это полный абсурд с точки зрения классической механики! Представьте себе карусель, где дети на внешнем краю крутятся с той же угловой скоростью, что и в центре. Их бы просто сбросило центробежной силой.
Так появились знаменитые кривые вращения галактик — графики, которые должны падать, но упорно остаются плоскими. И mainstream-физика решила: раз теория не работает, значит, нужно добавить невидимую материю. Много невидимой материи. Примерно в пять раз больше, чем обычной.
Изящное решение? Возможно. Но есть один нюанс: оно напоминает эпициклы Птолемея. Когда геоцентрическая система не объясняла движение планет, древние астрономы просто добавляли круги на круги, пока расчёты не сошлись. Теория становилась всё сложнее, но никто не задавался вопросом: а может, Земля не в центре?
Мордехай Милгром и его безумная идея
В 1983 году израильский физик Мордехай Милгром совершил научное самоубийство. Он предложил, что никакой тёмной материи не существует, а проблема — в самих законах гравитации. Его теория получила название MOND — модифицированная ньютоновская динамика.
Идея Милгрома была провокационно простой. Он заметил, что все аномалии гравитации проявляются при очень слабых ускорениях — примерно 10⁻¹⁰ м/с². Это на одиннадцать порядков меньше, чем ускорение свободного падения на Земле. В таких условиях мы никогда не проводили экспериментов! Откуда нам знать, что ньютоновская механика там работает?
Милгром предположил: при сверхмалых ускорениях гравитация ведёт себя иначе. Вместо привычного F = ma появляется нелинейная зависимость, которая автоматически объясняет плоские кривые вращения. Без всякой тёмной материи.
Реакция научного сообщества была предсказуемой. Милгрома высмеяли, объявили чудаком, его статьи отклоняли престижные журналы. Как посмел какой-то выскочка замахнуться на священную корову современной физики!
Но была одна проблема: MOND работал. Чертовски хорошо работал. Он предсказывал кривые вращения галактик точнее, чем модели с тёмной материей. Причём с меньшим количеством свободных параметров — а это в физике считается признаком хорошей теории.
TeVeS: когда бунтарь надевает смокинг
У MOND была ахиллесова пята: эта теория не была релятивистской. Она модифицировала законы Ньютона, но не трогала эйнштейновскую общую теорию относительности. А без релятивистской формулировки теория не могла объяснить гравитационное линзирование, космологическую эволюцию и множество других явлений.
В 2004 году Якоб Бекенштейн — тот самый Бекенштейн, который вывел формулу для энтропии чёрных дыр — представил TeVeS: тензорно-векторно-скалярную теорию гравитации. Это была полноценная релятивистская теория, которая воспроизводила MOND в пределе слабых полей.
Название «тензорно-векторно-скалярная» звучит устрашающе, но идея элегантна. В обычной ОТО гравитация описывается одним объектом — метрическим тензором, который кодирует геометрию пространства-времени. Бекенштейн добавил к нему два дополнительных поля: векторное и скалярное.
Зачем такие сложности? Дело в том, что модифицировать ОТО — занятие крайне неблагодарное. Эйнштейновская теория математически жёсткая: попробуй изменить что-то одно, и вся конструкция рассыпается. Появляются отрицательные энергии, нарушается причинность, возникают призрачные поля — нефизичные решения, которые портят всю картину.
Бекенштейн нашёл способ обойти эти ловушки. Его дополнительные поля взаимодействуют друг с другом и с метрикой таким образом, что теория остаётся самосогласованной. Скалярное поле отвечает за модификацию гравитации при малых ускорениях, а векторное поле обеспечивает правильное поведение света — чтобы гравитационное линзирование соответствовало наблюдениям.
Три поля и одна реальность
Как именно работает эта конструкция? Представьте, что обычная гравитация — это океан, по которому плывут корабли (массивные тела). В ОТО этот океан имеет определённую «глубину» в каждой точке, описываемую метрикой. Чем ближе к массивному телу, тем глубже «яма» и тем сильнее притяжение.
В TeVeS поверх этого океана добавлены два дополнительных «слоя». Скалярное поле можно представить как переменную плотность воды — там, где гравитация слабая, эта «плотность» меняется, и корабли начинают двигаться немного иначе, чем предсказывает классическая теория. Векторное поле — это своего рода течение, которое влияет на распространение света и обеспечивает правильную связь между движением вещества и движением фотонов.
Математически скалярное поле φ входит в теорию через специальную функцию μ(φ), которая интерполирует между ньютоновским и MONDианским режимами. При больших ускорениях μ ≈ 1, и мы получаем обычную гравитацию. При малых ускорениях μ становится маленьким, и появляется дополнительная «сила», объясняющая плоские кривые вращения.
Векторное поле Aₐ — это единичный времениподобный вектор, который определяет предпочтительную систему отсчёта в каждой точке пространства-времени. Звучит крамольно для релятивиста, но математически всё корректно: физические наблюдаемые по-прежнему не зависят от выбора координат.
Космическая дуэль: TeVeS против тёмной материи
Итак, у нас есть две конкурирующие парадигмы. Одна говорит: добавь невидимое вещество. Другая: измени уравнения. Какая лучше?
TeVeS блестяще объясняет кривые вращения галактик. В этом он даже лучше тёмной материи, потому что предсказывает конкретную форму кривой, а не подгоняет её под данные. Более того, MOND/TeVeS предсказывает соотношение Талли-Фишера — связь между светимостью галактики и скоростью вращения — с поразительной точностью.
Однако есть серьёзная проблема: скопление Пули. Это пара столкнувшихся скоплений галактик, где наблюдается разделение видимой материи (горячего газа) и гравитационного центра. Газ затормозился при столкновении, а «что-то невидимое» пролетело насквозь. Сторонники тёмной материи ликуют: вот оно, доказательство!
TeVeS с этим справляется хуже. Можно подобрать параметры, чтобы воспроизвести наблюдения, но это уже не элегантное предсказание, а подгонка. Честность требует признать: здесь очко в пользу тёмной материи.
Зато TeVeS не страдает от проблемы «заговора» — загадочной корреляции между распределением тёмной материи и обычного вещества. В стандартной модели тёмная материя должна быть распределена случайно, но почему-то она всегда «знает», где находится обычная материя. В TeVeS никакого заговора нет: модификация гравитации напрямую связана с видимым веществом.
Гравитационные волны наносят удар
В 2017 году произошло событие, которое серьёзно подкосило TeVeS. Детекторы LIGO и Virgo зарегистрировали гравитационные волны от слияния двух нейтронных звёзд, а через 1,7 секунды телескопы поймали гамма-всплеск от того же события. Это означало, что гравитационные волны и свет распространяются с одинаковой скоростью с точностью до одной квадриллионной доли.
В оригинальной версии TeVeS скорости отличались. Теория предсказывала небольшую, но измеримую разницу. Наблюдения её не обнаружили.
Означает ли это смерть TeVeS? Не совсем. Теоретики немедленно бросились модифицировать теорию, и появились версии, совместимые с гравитационно-волновыми данными. Но элегантность оригинальной конструкции была утрачена.
Это, впрочем, типичная ситуация в физике. Теории редко рождаются идеальными. Квантовая механика поначалу была набором ad hoc правил. Стандартная модель физики частиц — уродливый Франкенштейн из разрозненных кусков. Возможно, TeVeS — это лишь первое приближение к правильной теории модифицированной гравитации.
Что дальше?
Битва между тёмной материей и модифицированной гравитацией далека от завершения. Новые телескопы — James Webb, Euclid, Square Kilometre Array — дадут беспрецедентные данные о структуре Вселенной. Возможно, они окончательно похоронят одну из парадигм. А возможно, выяснится, что истина где-то посередине: немного тёмной материи плюс немного модификации гравитации.
Появляются и новые теории. AQUAL, MOG, Emergent Gravity — каждая предлагает свой взгляд на проблему. Некоторые физики пытаются вывести MONDианское поведение из более фундаментальных принципов: термодинамики пространства-времени, голографического принципа или квантовой гравитации.
Самое интересное — это не конкретная теория, а сам факт существования альтернативы. Наука жива, пока есть сомнения. Догма — признак смерти научного мышления.
Эпилог: о природе научных революций
История с TeVeS — это не просто спор о космологии. Это притча о том, как работает наука. Мы привыкли думать, что физика движется от открытия к открытию, накапливая знания, словно снежный ком. На деле всё сложнее. Парадигмы меняются рывками, а новые идеи встречают яростное сопротивление.
Милгром потратил сорок лет на борьбу с научным истеблишментом. Бекенштейн умер в 2015 году, не дождавшись окончательного вердикта для своей теории. Возможно, они оба ошибались. Но даже в этом случае их вклад неоценим: они показали, что альтернатива существует. Что консенсус — не истина. Что «все знают» — это не аргумент.
Тёмная материя может оказаться реальной. Но пока её не обнаружили напрямую, TeVeS и её потомки остаются легитимными конкурентами. И в этом соревновании — вся красота науки. Не в готовых ответах, а в продолжающемся поиске.
Возможно, через сто лет студенты будут удивляться: как можно было верить в невидимую субстанцию, заполняющую 27% Вселенной? Или, напротив: как можно было отрицать очевидное, цепляясь за экзотические модификации гравитации? История рассудит. А пока — пусть расцветают сто цветов. Наука от этого только выиграет.