Темна матерія за самою своєю природою невидима. Ми не можемо її спостерігати за допомогою телескопів, а фізики не мають у своєму розпорядженні приладів, які дозволяють експериментальним шляхом виявити відповідні частинки. І коли хтось заявляє, що чогось виміряв або сфотографував - це відверті фальсифікації. Або брехня - для тих, хто не розуміє технології виявлення, відкриттів у сучасній науці.
Інше питання - чому більшість астрономів вважає, що основна частина маси всесвіту складається з темної матерії, а не зі звичайної речовини, включно із зірками, планетами і всіма іншими видимими об'єктами?
Щоб відповісти на це запитання, необхідно зрозуміти, що так звана темна матерія може і не може зробити, де вона ховається.
Невидимий вплив
Наша історія темної матерії починається зі швидкості та гравітації. По всьому космосу ми бачимо об'єкти, що рухаються по орбітах під дією сили тяжіння.
Земля обертається навколо Сонця, Сонце обертається навколо центру нашої галактики. Швидкість, необхідна для утримання небесного тіла на орбіті, є функцією маси та відстані. Наприклад, у нашій Сонячній системі Земля рухається зі швидкістю 30 км на секунду, тоді як найвіддаленіші планети - кілька кілометрів на секунду.
Чумацький Шлях порівняно з Сонячною системою неймовірно масивний, тому Сонце обертається зі швидкістю 230 км на секунду, незважаючи на те, що перебуває на відстані 26 700 світлових років від галактичного центру.
Однак, у міру того як ми рухаємося далі від центру галактики, орбітальні швидкості зірок залишаються приблизно постійними. Чому? Маси в нашій галактиці розподілені на тисячі світлових років. Під час переміщення на великі відстані від центру галактики кількість зірок і газу, що знаходяться в цьому радіусі, збільшується. Але величезні швидкості найвіддаленіших зірок зберігаються. Майже завжди.
У 1960-х роках американський астроном Віра Рубін виміряла орбітальні швидкості в галактиці Андромеди на відстані 70 000 світлових років від її ядра. Незважаючи на те, що ця відстань набагато перевищує більшу частину речовини Андромеди, орбітальна швидкість залишалася стабільною - близько 250 км/с. Таке явище характерне і для окремих зоряних скупчень.
Ще в 1930-х роках швейцарсько-американський астроном Фріц Цвікі виявив, що галактики, які обертаються всередині великих астроутворень, рухаються набагато швидше, ніж очікувалося. У чому справа? Одна можливість полягає в тому, що величезна кількість невидимої маси простягається за межами зірок і газу. Це і є нібито темна матерія.
Дійсно, роботи Цвікі, Рубін та інших астрономів показують, що у всесвіті більше темної, ніж звичайної матерії. Але вчені впевнені, що наша нездатність бачити темну матерію все ж дає змогу зрозуміти, як вона себе поводить. Вона повинна взаємодіяти між собою і зі звичайною матерією, через гравітаційне поле - в іншому разі ми б виявили, що вона випромінює світло і взаємодіє з іншими частинками. Оскільки темна матерія в основному взаємодіє тільки за допомогою гравітації, вона має цікаві властивості.
Хмара гарячого газу в космосі нібито втрачає енергію, випромінюючи світло, і тому остигає. Тоді досить масивна і холодна газова хмара може зруйнуватися під дією власної сили тяжіння й утворити зірки. Навпаки, темна матерія не може втрачати енергію, випромінюючи світло. Таким чином, у той час як звичайна матерія "деградує" у щільні об'єкти, як-от зірки і планети, темна матерія залишається більш дифузною. Це пояснює очевидне протиріччя. Хоча темна матерія може домінувати в масі всесвіту, астрономи не думають, що в нашій системі її багато.
Симуляція успіху
Оскільки в русі темної матерії переважає тільки гравітація, її також порівняно легко моделювати аналітично і в симуляціях. У 1970-х роках були формули для обчислення структури темної матерії, які також передбачали масивність галактик і їхніх скупчень. Накопичення матмоделей призвело до самопереконання, що парадигма темної матерії не просто відповідає даним, вона має прогностичну силу.
Проблема тільки в тому, що даних-то ніяких немає. Перевірених і точних вимірювань. За винятком змодельованих під певне припущення. Чи існує альтернатива темній матерії?
У рамках теорії гравітації ні, за умови, що наше розуміння гравітації правильне. Можливо, гравітація сильніша на великих відстанях, ніж ми думаємо. Тепер подивимося, як ми відрізняємо темну матерію від зміненої гравітації. Ну, у більшості теорій гравітація визначається масою. Таким чином, якщо немає темної матерії, гравітація "тягнеться" до звичайної матерії, тоді як якщо темна матерія домінує, гравітація переважно "тягнутиметься" до темної матерії.
За умови, що самі маси виміряні точно. Але... вони виходять виходячи з тієї ж самої математичної моделі. Простіше кажучи, обидві маси прораховуються однаково, а різниця між ними оголошується шуканою "темною матерією". А тепер припустимо, що весь фокус не зовсім у гравітації. Точніше кажучи, в ній, але опосередковано. А вся суть у тому, що час неоднорідний.
Не в ейнштейнівському сенсі, коли ми стикаємося з релятивістськими ефектами, а в сенсі постійної руху. Швидкість плину часу неоднорідна, і в міру віддалення галактик одна від одної швидкість часу зменшується.
Адже астрономи фіксують дивні потужні спалахи, є зафіксовані квазари, а також інші явища, що слабо піддаються опису. І ці об'єкти знаходяться на граничних для спостереження відстанях.
Тоді, ще наша гіпотеза правильна, виходить, що спостережувані ефекти й об'єкти - це далекі галактики, які "миттєво" або майже миттєво прожили своє життя.
Для нас це спалах - може, результат зіткнення з іншими зореутвореннями. Для нас же важливо те, що те, що здається "миттєвим", "тоді" і "там" відбувалося своєю чергою, протягом стабільних мільярдів. І нічого екстраординарного не сталося. Просто ми поки ТАК можемо зафіксувати віддалені від нас об'єкти.
Час-то ми виміряти не можемо, а тим більше пов'язати його з масою і гравітацією. Звідси випливає, що ніякої темної матерії або енергії не існує. Як учив ще в Середні віки філософ Оккам, не вигадуйте зайвих сутностей. І відрізайте невимірне.
Просто помилка, отримана у 20-30-х роках минулого століття, з того часу тягнеться громіздким баластом. До речі, це означає, що чим ближче до центру галактики, тим час для нас прискорюється. А протилежний рукав ми бачимо не тільки у світловому "дзеркалі", а й "дзеркалі" часовому. І тепер питання: як це виміряти?
Нагадаємо, існує багато гіпотез про те, з чого складається темна матерія. Найпоширеніша з них - існування невідомих елементарних частинок, які не входять до стандартної моделі фізики частинок. Вони масивні, електрично нейтральні та слабко взаємодіють з іншими частинками.
На цей час говорять про вімпи (слабко взаємодіючі масивні частинки) і аксіони (гіпотетичні частинки, пов'язані з порушенням CP-симетрії).
Для того, щоб виявити елементи темної матерії, науковці використовують два основних методи: прямий і непрямий. Прямий метод - спеціальні детектори, розташовані у підземних лабораторіях, намагаються зафіксувати рідкісні події. Наприклад, коли частинки ТМ "контактують" з атомами звичайної речовини, тим сами "викликаючи" особливий слабкий сигнал.
Непрямий метод полягає у спостереженні за космічними областями з прогнозованою високою концентраціяєю ТМ. Мова йде про центри галактик або скупчення галактик.
Якщо частинки темної матерії анігілюють одна з одною, вони можуть випромінювати гамма-кванти, нейтрино або щось інше, доступне для реєстрації за допомогою наземних телескопів.
Однак поки що жоден з цих методів не дав переконливих доказів існування ТМ. Але пошуки тривають.
Крім того, існують альтернативні теорії, що не передбачають існування ТМ. Зокрема, модифікована ньютонівська динаміка (MOND) передбачає, що класичні закони гравітації нерелевантні на великих відстаннях і потребують певної корекції.
Інша теорія - теорія дробової гравітації - базується на ідеї, що простір-час має фрактальну структуру, а гравітація є дробовим диференціальним оператором. Питання, як довести такі припущення... і які технології для цього потрібні.
P.S.
Час, маса та гравітація пов'язані між собою в рамках загальної теорії відносності, що описує гравітацію як викривлення простору-часу. Тому час не вважається абсолютною величиною, він залежить від швидкості руху та гравітаційного потенціалу.
Це означає, що годинник, який рухається з великою швидкістю, або знаходиться поблизу сильного гравітаційного поля, йтиме повільніше, ніж годинник, який перебуває в спокої, або далеко від масивних тіл. Але це не означає, що нанього не діють релятивістські ефекти.
Маса також не є абсолютною величиною, бо насправді є чимось, що визначається енергію та імпульсом. Згідно теорії Ейнштейна, маса тіла збільшується, коли тіло рухається зі швидкістю, близькою до швидкості світла, або коли тіло взаємодіє з іншими тілами. Тобто маса тіла не предстафляється арефметичною сумою всіх складових, включаючи в себе енергію руху, зв'язку, випромінювання тощо. Так винакає ефект масо-енергетичної еквівалентності.
Для того, щоб виміряти ці величини, потрібно враховувати релятивістські ефекти і користуватися стандартними одиницями вимірювання, які базуються на фундаментальних константах природи. Нібито.
Поки не виникає проблема руху та гравітаційного потенціалу спостерігача і, відповідно, вимірювальних приладів. Тоді в дію вступає геометрія, а також обрана система відліку, тому і фундаментальні константи, які теж залежать від системи відліку.
І відповідної до неї математики. Можна припустити, що навіть вибір альтернативних підходів або теорій не може привести до формування нових концепцій, якщо використовується методологічна база старої математики.
Ті ж гравітація або чорні діри не пояснюються теорією відносності, бо вона не перейшла на "геометричні" рельси, хоча Ейнштейн неодноразово підкреслював "геометричну" природу гравітації. Вчені не запропонувалу еквівалентну проблемі математичну базу - от в чому біда.
