Теорія MOMD: про Стандартну модель можна забути?

Стандартна теорія в космології називається моделлю Лямбда-CDM (холодної темної матерії) або ΛCDM. Як випливає з назви, теорія постулює існування темної матерії - загадкової речовини, яка (на думку теоретиків) становить більшу частину матерії у Всесвіті.

Теорія широко поширена. Кожен космолог, який працює сьогодні, був вихований у традиціях Стандартної моделі, і практично всі вони вважають існування темної матерії незаперечною аксіомою.

За словами лауреата Нобелівської премії П. Дж. Піблза:

Еволюція всесвіту. Інсталяція"Докази існування темної матерії в космології гарячого Великого вибуху приблизно настільки хороші, наскільки це можливо в природничих науках".

Однак є одна проблема. Протягом чотирьох десятиліть ученим не вдавалося виявити частинки темної матерії. Як безпосередньо, так і в наземних лабораторіях. Можна було б подумати, що ця невдача породила сумніви в стандартній космологічній моделі, але це не так. У неї продовжують вірити.

Як пише Review of Particle Physics 2014 року:

"Узгоджена модель наразі добре встановлена, і, схоже, залишається мало місця для будь-якого драматичного перегляду цієї парадигми". Встановлена - у сенсі узгоджена, домовлена в середовищі кафедр та університетів, які випускають незліченну літературу з цього приводу, а також отримують космологічні гранти на дослідження того, що експериментально не підтверджено.
Насправді існують конкуруючі космологічні теорії, і не всі вони містять темну матерію. Найуспішнішою називають модифіковану ньютонівську динаміку, або MOND. Спостереження, які в рамках Стандартної моделі пояснюються посиланням на темну матерію, у MOND трактуються як модифікація "звичайної" гравітації.

Теорія широко поширена. Кожен космолог, який працює сьогодні, був вихований у традиціях Стандартної моделі, і практично всі вони вважають існування темної матерії незаперечною аксіомою.

За словами лауреата Нобелівської премії П. Дж. Піблза:

"Докази існування темної матерії в космології гарячого Великого вибуху приблизно настільки хороші, наскільки це можливо в природничих науках".

Темна матерія в теорії MONDОднак є одна проблема. Протягом чотирьох десятиліть ученим не вдавалося виявити частинки темної матерії. Як безпосередньо, так і в наземних лабораторіях. Можна було б подумати, що ця невдача породила сумніви в стандартній космологічній моделі, але це не так. У неї продовжують вірити.

Як пише Review of Particle Physics 2014 року:

"Узгоджена модель наразі добре встановлена, і, схоже, залишається мало місця для будь-якого драматичного перегляду цієї парадигми". Встановлена - у сенсі узгоджена, домовлена в середовищі кафедр та університетів, які випускають незліченну літературу з цього приводу, а також отримують космологічні гранти на дослідження того, що експериментально не підтверджено.
Насправді існують конкуруючі космологічні теорії, і не всі вони містять темну матерію. Найуспішнішою називають модифіковану ньютонівську динаміку, або MOND. Спостереження, які в рамках Стандартної моделі пояснюються посиланням на темну матерію, у MOND трактуються як модифікація "звичайної" гравітації.

Загалом, тема ТМ закрутилася і ось зараз загальна картинка має такий вигляд: швидкість, з якою зірки та газові хмари обертаються навколо центру галактики, має бути передбачуваною з огляду на спостережуваний розподіл матерії. Передбачається, що сила гравітації видимої матерії підтримує зірки на їхніх кругових орбітах, так само, як гравітація Сонця змушує планети обертатися на своїх орбітах.

Але це передбачення було рішуче спростовано спостереженнями. Виявлено, що на достатній відстані від центру кожної спіральної галактики орбітальні швидкості завжди вищі за передбачувані. Цю аномалію необхідно було врахувати.

Тому космологи затвердили, що кожна галактика укладена в "ореол темної матерії" - сферичну хмару, що складається з якоїсь речовини, яка продукує потрібну кількість додаткової гравітації, необхідної для пояснення високих орбітальних швидкостей. Оскільки ми не спостерігаємо цю матерію, вона має складатися з якоїсь елементарної частинки, яка не взаємодіє з електромагнітним випромінюванням (невловима нашою апаратурою).

У 30-50-х роках не було відомо жодної частинки, що володіє необхідними властивостями. Відтоді минуло 90 років, але фізики досі не знайшли доказів існування таємничої частинки, незважаючи на те, що з початку 1980-х років велися її наполегливі пошуки. Космологам не вистачає достовірних даних, щоб підтвердити будь-яку гіпотезу ТМ.

У 1983 році альтернативне пояснення аномалії кривої обертання запропонував Мордехай Мілгром, фізик із Наукового інституту Вейцмана в Ізраїлі. Мілгром зауважив, що аномальні дані мають дві разючі закономірності, які не враховуються гіпотезою темної матерії.

  • Перша: орбітальні швидкості не просто більші за передбачені. У кожній галактиці орбітальна швидкість збільшується в міру віддалення від центру, а потім залишається на високому рівні, наскільки дозволяють спостереження. Астрономи називають цю властивість "асимптотичною площиною кривої обертання".
  • Друге: аномально високі орбітальні швидкості незмінно з'являються в тих ділянках простору, де прискорення, викликані гравітацією, падають нижче за певне характерне і дуже мале значення. Тобто: у будь-якій галактиці можна передбачити відхилення від ньютонівської динаміки.

Це характерне значення прискорення, яке Мілгром назвав a0, набагато менше, ніж прискорення, викликане гравітацією Сонця в будь-якій точці Сонячної системи. Таким чином, вимірюючи орбітальні швидкості в околицях спіральних галактик, астрономи перевіряли гравітаційну теорію способом, який ніколи не застосовували раніше.

Мілгром знав, що в історії науки було багато випадків, коли потреба в новій теорії ставала очевидною тільки тоді, коли наявну теорію перевіряли новим способом. Тому він серйозно поставився до ймовірності, що теорія гравітації може бути просто помилковою.

У трьох роботах, опублікованих 1983 року, Мілгром запропонував просту модифікацію законів Ісаака Ньютона, які пов'язують гравітаційну силу з прискоренням. (Теорія Альберта Ейнштейна зводиться до простішої теорії Ньютона в режимі галактик). Він показав, що його модифікація передбачає асимптотичну площинність кривих орбітального обертання.

Теорія Мілгрома також передбачала, що ефективна гравітаційна сила піддається обчисленню з урахуванням спостережуваного розподілу звичайної матерії - не тільки в разі надмалих прискорень, а й скрізь. І коли астрономи перевірили передбачення, вони виявили, що воно правильне. Гіпотеза Мілгрома правильно визначає криву обертання кожної галактики. Без постулювання темної матерії.

Модифікована ньютонівська динаміка як альтернативна теорія гравітації

Фото: Sanjay Bhattacharya
Модифікована ньютонівська динаміка - наукова теорія, запропонована як вирішення проблеми відсутньої маси в позагалактичній астрономії.

 

Зверніть увагу на відмінність між тим, як дві теорії пояснюють аномальні дані про криву обертання. Стандартна космологічна модель виконує маневр ad-hoc: вона просто виводить на міфічну темну матерію, яка необхідна для узгодження спостережуваних зоряних рухів із законами Ньютона.

У той час як гіпотеза Мілгрома пророкує орбітальні швидкості, враховуючи тільки спостережуваний розподіл нормальної матерії.

Багато філософів стверджують, що прогностичний успіх теорії Мілгрома дає нам підставу вірити, що його теорія - на відміну від Стандартної моделі - правильна. Але на цьому історія не закінчується. Теорія Мілгрома прогнозує результати інших спостережень. Щоб описати всі ці передбачення, знадобиться ціла книга, тому обмежимося одним прикладом.

Згідно з МОНД, загальна маса галактики в нормальній матерії, яку астрофізики люблять називати "баріонною масою", пропорційна четвертій потужності швидкості обертання, виміряної далеко від центру галактики. Це нове передбачення також виявилося правильним і називається "баріонним співвідношенням Таллі-Фішера".

Астрофізика рясніє кореляціями між спостережуваними величинами, але точні співвідношення нечувані: вони асоціюються з теорією високого рівня (згадайте закон ідеального газу статистичної термодинаміки), а не з такою брудною дисципліною, як астрофізика.

Що міг би передбачити космолог Стандартної моделі? Проста відповідь: нічого. Їхня теорія не містить рецепта для зв'язку баріонної маси галактики з її асимптотичною швидкістю обертання. Але астрофізики старанні й розумні, і вони придумали, як спробувати врахувати такі відносини, як BTFR, у рамках ΛCDM-моделі. Їхня схема полягає в проведенні великомасштабного комп'ютерного моделювання формування та еволюції галактик, починаючи з однорідних початкових умов у ранньому Всесвіті Потім змодельовані галактики можуть бути "помічені", а їхні властивості занесені в таблицю.

Найбільш ранні спроби такого роду не дали нічого схожого на передбачене Мілгромом співвідношення. Але за минулі відтоді десятиліття теоретики вигадали більш-менш правдоподібні механізми для зв'язку нормальної і темної матерії в змодельованих галактиках у такий спосіб, щоб отримати щось наближене до BTFR.

Гало темної матеріїПереважний наразі механізм, званий "зворотним зв'язком", ґрунтується на ідеї про те, що частина газу, який в іншому разі сформувався б у зірки, виштовхується з темного гало самими зірками за допомогою зоряного вітру або вибухів наднових. Якщо "рецепт зворотного зв'язку" обрано досить ретельно, з темних гало може бути викинуто потрібну кількість газу, щоб отримати правильне співвідношення.

Теоретикам Стандартної моделі поки що не вдалося відтворити BFTR за допомогою своїх симуляцій. Але давайте припустимо, що одного разу їм це вдасться. Чи буде цей успіх підтримувати їхню космологічну гіпотезу?

Річ не в тому, що конкуруюча теорія занадто складна; річ у тім, що Стандартна модель занадто проста.
У філософів науки є відповідь: гучне "ні". Джон Ворралл, наприклад, пише, що "коли одна теорія пояснює набір фактів шляхом коригування параметрів, а конкуруюча теорія пояснює ті ж самі факти безпосередньо і без жодних хитрощів, то конкуруюча теорія отримує підтримку від цих фактів, а перша - ні".

З цієї точки зору не має значення, призначені підлаштовувані параметри для реальних фізичних процесів чи ні. Той факт, що гіпотеза Мілгрома правильно пророкує зв'язок "без обману", означає, що вона "виграє": це єдина гіпотеза, яка отримує підтримку від цих даних.

Перевага філософів перед науковими теоріями, які заздалегідь передбачають невідомі раніше закони чи відносини, цілком відповідає перевагам, які самі науковці висловлювали впродовж ледь не століть. Наприклад, Готфрід Вільгельм Лейбніц писав 1678 року:

"Найвищої похвали заслуговують ті гіпотези... за допомогою яких можна робити передбачення навіть про явища або спостереження, які не були перевірені раніше".
Тож природно постає запитання: чому більшість космологів так зневажливо ставляться до MOND, враховуючи, що MOND демонструє ту саму якість, яку так високо цінують науковці?

Одним із найбільш вихвалених успіхів стандартної космологічної моделі є її здатність вміщати так званий "спектр космічного мікрохвильового фону" (CMB) - статистичні властивості температурних флуктуацій у заповнюваному Всесвітом випромінюванні, що виникло незабаром після Великого вибуху. Спочатку MOND не справлялася з цим завданням, принаймні, не так добре, як Стандартна модель. Але тепер ситуація змінилася.

Лише торік два теоретики з Чехії, Константінос Скордіс і Том Злоснік, показали, що існують повністю релятивістські версії гіпотези Мілгрома, які цілком здатні відтворити дані CMB без темної матерії. Цю релятивістську версію вони назвали RMOND, і вона містить додаткове поле, яке імітує поведінку частинок темної матерії в космологічних масштабах, а також динаміку в масштабах галактик.

Скупчення галактик мають достатню гравітацію, щоб містити газ, достатньо гарячий, щоб розсіювати мікрохвильові фотони у світло значно вищої енергії, створюючи таким чином дірку в картах CMBАле космологи, які працюють у рамках стандартної парадигми, офіційно заявляли, що підгонка даних CMB - це єдине, що необхідно зробити для того, щоб MOND сприймали всерйоз. Наприклад, космолог Рут Дюррер сказала в інтерв'ю The Atlantic:

"Теорія має бути справді хорошою, щоб узгоджуватися з даними. Це вузьке місце".

Тепер, коли цього вузького місця більше не існує, чи прийняло співтовариство Стандартної моделі теорію RMOND як сумлінного конкурента своєї теорії?

Не дуже. Аргумент проти звучить наступним чином: "Так, [R]MOND працює, але вона набагато складніша за нашу теорію, яка для пояснення спостережень використовує тільки одну річ - темну матерію".

Річ не в тому, що RMOND занадто складний; річ у тім, що темна матерія Стандартної моделі занадто проста. Теоретики MOND уже давно зрозуміли, що не існує жодного способу, щоб така безформна сутність, як темна матерія, могла спонтанно перебудуватися ?- і продовжувати перебудовуватися? - створюючи вражаючі закономірності, які ми спостерігаємо в кінематиці прилеглих галактик. Скордіс і Злоснік домагаються результату, постулюючи майже мінімальну (як мені здається) модифікацію загальної теорії відносності Ейнштейна.

Як і майже всі наукові теорії, і MOND, і Стандартна модель стикаються з аномаліями: даними, які важко пояснити. У випадку з MOND я знаю тільки про одну важливу аномалію: вона пов'язана зі спостережуваною динамікою скупчень галактик. Модель ΛCDM перебуває в, здавалося б, найгіршому стані. Ця теорія не може адекватно пояснити жодне з нових успішних передбачень MOND, і, крім того, теоретики Стандартної моделі виявили щонайменше півдюжини загадок, які є не менш проблематичними, ніж аномалія скупчення галактик. І тут виникає поле для космічної битви.

Але можна сподіватися на більше: на те, що Карл Поппер називав "вирішальним експериментом" - спостережуваний результат, що віддає перевагу одній теорії перед іншою. Наприклад, теорія Ейнштейна має на увазі щось, що називається принципом сильної еквівалентності: внутрішня динаміка системи, яка вільно рухається в зовнішньому гравітаційному полі, не повинна залежати від напруженості зовнішнього поля.

Теорія Мілгрома порушує цей принцип. Якщо результат спостережень підтвердить монд-версію, то теорію гравітації Ейнштейна можна виключати з наукових.
Вирішальним результатом на користь моделі ΛCDM було б лабораторне виявлення частинок темної матерії. Космологи Стандартної моделі знають про це, і з початку 1980-х років працює низка складних (і дуже дорогих) детекторів, спеціально розроблених для реєстрації вигаданих частинок. Наразі в роботі перебуває близько півдюжини таких експериментів; чутливість сучасних детекторів приблизно в 10 мільйонів разів вища, ніж у найбільш ранніх приладів. Але досі не спостерігалося жодної події, яку можна було б обґрунтовано інтерпретувати як трек частинки темної матерії.

Звичайно, нездатність виявити частинки темної матерії очікувана. Чи є цей негативний експериментальний результат доказом МОНД? Більшість учених, ймовірно, відповіли б "ні".

Як сказав Карл Саган:

"Відсутність доказів не є доказом відсутності". І, справді, космологи Стандартної моделі регулярно стверджують, що постійна нездатність виявити частинки може бути пояснена припущенням, що вони слабо взаємодіють зі звичайною матерією.
Думаю, філософи можуть із цим не погодитися. Пол Фейєрабенд стверджував, що неоднозначний експериментальний результат іноді може бути витлумачений як ефективне спростування теорії, що перевіряється, навіть якщо вчені досить розумні, щоб "пояснити" очевидну невдачу.

Необхідною умовою, за його словами, є існування альтернативної теорії, яка природним чином пояснює результат:

Під успішною альтернативною теорією Фейєрабенд мав на увазі теорію, яка одночасно пояснює негативний експериментальний результат, а також дає нові прогнози, що перевіряються. Підтвердження нових передбачень у його логіці спростовує первісну теорію. Таким чином, МОНД цілком відповідає критеріям Фейєрабенда для альтернативної теорії, оскільки ті ж самі постулати, що усувають необхідність темної матерії, призводять до низки нових пророцтв, які були підтверджені спостереженнями.

Фейєрабенд обстоював методологічне правило, яке сьогодні називають "принципом поширення": тезу про те, що судження про працездатність теорії будуть набагато обґрунтованішими, якщо існують альтернативні теорії, з якими можна провести порівняння. Якби ніхто ніколи не знайшов теорію, яка пояснює космологічні дані без темної матерії, то невдачі фізиків-експериментаторів у виявленні частинок темної матерії можна було б обґрунтовано приписати деякій комбінації погано зрозумілих явищ. Але існування альтернативних теорій змушує вчених серйозніше ставитися до експериментальних невдач. Інакше виникнуть проблеми з фальсифікацією навіть академічних теорій.

Хоча академічна наука йде більш некоректним шляхом. Якщо уважно подивитися на підручники, то можна побачити, що всі альтернативні теорії, включно з MOND, належать до категорії ненаукових, щось на кшталт розповідей про "плоску землю". А тому про них навіть розповідати не потрібно, - так, зневажливо, мимохідь. А Стандартна модель звеличується мало не як аксіома. Хоча формально і та й інша версії опису світу, в якому ми живемо, - лише гіпотези. Конкуруючі гіпотези. Чи не так?

Джерело: aeon.co

Поділитися:

Написати коментар

Популярні статті

Також читають