Неприятности с физикой: взлёт теории струн, упадок науки и что за этим следует

В 1900-м Вильям Томсон (лорд Кельвин), влиятельный британский физик, лихо объявил, что физика закончилась, исключая два маленьких облачка на горизонте. Эти «облачка» оказались ключами, которые привели нас к квантовой теории и теории относительности. Сегодня, даже если мы празднуем включение всех известных явлений в стандартную модель плюс ОТО, мы тоже осознаём два облачка. Это тёмная материя и тёмная энергия.

Отдельно от проблемы соотношения гравитации с квантами мы думаем, что мы очень хорошо понимаем гравитацию. Предсказания ОТО находятся в согласии с наблюдениями с очень большой степенью точности. Наблюдения по этим вопросам простираются от падающих тел и света на Земле, до детализированного движения планет и их лун, до масштабов галактик и скоплений галактик. Совершенно экзотические явления — вроде гравитационного линзирования, эффекта искривления пространства материей — сегодня настолько хорошо поняты, что используются для измерения распределений масс в скоплениях галактик.

Во многих случаях — когда скорости малы по сравнению со световой и массы не слишком компактны — ньютоновские законы гравитации и движения обеспечивают превосходное приближение к предсказаниям ОТО. Определённо, они должны нам помогать предсказывать, как массы звёзд и другой материи в соответствующей галактике влияют на движение отдельной звезды. Но они не предсказывают. Гравитационный закон Ньютона говорит, что ускорение любого объекта при его обращении относительно другого пропорционально массе тела, вокруг которого он обращается. Чем тяжелее звезда, тем быстрее орбитальное движение планеты. Это означает, что если вокруг двух звёзд обращаются планеты, и планеты находятся на одинаковых расстояниях от своих звёзд, планета, обращающаяся вокруг более массивной звезды, будет двигаться быстрее. Таким образом, если вы знаете скорость тела на орбите вокруг звезды и его дистанцию до звезды, вы можете измерить массу этой звезды. То же самое сохраняется для звёзд, обращающихся вокруг центра галактики; путём измерения орбитальной скорости звёзд вы можете измерить распределение массы в этой галактике.

На протяжении последних десятилетий астрономы проделали очень простой эксперимент, в котором они измерили распределение масс в галактике двумя различными способами и сравнили результаты. Во-первых, они измерили массу через наблюдение орбитальных скоростей звёзд; во-вторых, они провели более прямое измерение масс, оценив все звёзды, газ и пыль, которые они могли видеть в галактике. Идея заключалась в сравнении двух измерений. Каждое должно было дать нам полную массу галактики и её распределение. Полагая, что мы хорошо понимаем гравитацию, и что все известные формы материи испускают свет, два метода должны согласоваться.

Они не согласуются. Астрономы сравнили два метода измерения массы более чем в ста галактиках. Почти во всех случаях два измерения не совпадали, причём не на малую величину, а на фактор порядка 10. Более того, ошибка всегда была в одном направлении: почти всегда для объяснения наблюдаемого движения звёзд требовалось больше массы, чем это следовало из прямой оценки всех звёзд, газа и пыли.

Имеются только два объяснения этому. Или второй метод неверен из-за того, что в галактике намного больше массы, чем это видно, или ньютоновские законы не могут предсказать точное движение звёзд в гравитационном поле их галактики.

Все формы материи, которые мы знаем, испускают свет или непосредственно как звёздный свет, или отражённый от планет или межзвёздных камней, газа и пыли. Так что, если есть нечто, что мы не видим, оно должно быть некоторой новой формой материи, которая не испускает и не отражает света. А поскольку расхождение столь велико, подавляющая часть материи в галактиках должна быть в этой новой форме.

Сегодня большинство астрономов и физиков уверены, что это и есть правильный ответ на загадку. Имеется потерянная материя, которая на самом деле здесь, но которую мы не видим. Эта мистическая потерянная материя названа тёмной материей. Гипотеза тёмной материи более предпочтительна, поскольку единственная другая возможность, — что мы ошибаемся относительно законов Ньютона и их обобщения в ОТО, — слишком устрашающая, чтобы быть рассмотренной.

Вещи стали даже более мистическими. Недавно мы открыли, что когда мы проводим наблюдения на ещё больших масштабах, соответствующих миллиардам световых лет, уравнения ОТО не удовлетворяются, даже когда добавлена тёмная материя. Расширение вселенной, запущенное Большим Взрывом около 13,7 миллиардов лет назад, оказывается ускоряющимся, тогда как с учётом наблюдаемой материи плюс рассчитанной оценки тёмной материи оно должно быть, напротив, — тормозящимся.

И опять тут возможны два объяснения. ОТО может просто быть неверна. Она была точно проверена только в пределах нашей солнечной системы и соседних систем в нашей собственной галактике. Возможно, когда мы переходим на масштабы, сравнимые с размерами целой вселенной, ОТО просто больше не применима.