Далия Трускиновская – Млечный Путь № 3 2021 (страница 52)

Другой способ взглянуть на это - использовать пример теоретической жизни, которая развивается на планете с солнцем, излучающим свет преимущественно в инфракрасном диапазоне. Так же, как люди не могут видеть в инфракрасном спектре, эти существа могут видеть только в инфракрасном диапазоне. Это дало бы им совершенно другой взгляд на мир, и некоторые вещи в нашей жизни, такие как экраны телефонов и неоновые огни, будут иначе отображаться для тех, кто видит только в инфракрасном диапазоне.

Может быть целая темная вселенная с притяжением, которое мы можем обнаружить в нашей Вселенной с помощью наблюдений и математики, но которое не может взаимодействовать с нами. Это может означать, что потенциальные инопланетные существа настолько странны и неестественны, что мы никогда не сможем взаимодействовать.

Вместо того, чтобы придумывать инопланетные миры, наполненные обезьяноподобными существами, мы должны задаться вопросом: не являемся ли мы чем-то вроде странного выброса во Вселенной? Жизнь, которая сумела развиться в части Вселенной, составляющей 15% видимой материи. Идея о том, что Земля - это какой-то странный особняк во Вселенной, где преобладает темная материя, объясняет, почему мы чувствуем себя такими уникальными. Это также объясняет, почему мы не видим никаких других инопланетных цивилизаций. Это во многом объясняет, почему мы не видим никаких доказательств существования какой-либо другой жизни ни в одном из исследуемых нами скалистых видимых миров. Возможно, жизнь просто не развивается во вселенной видимой материи.

Дополнительные измерения Вселенной?

Пол Саттер

Темное вещество может быть еще более странным, чем кто-либо думал, говорят космологи, предполагающие, что это загадочное вещество, на которое приходится более 80% массы Вселенной, может взаимодействовать с самим собой.

"Мы живем в океане темного вещества, но очень мало знаем о том, чем это может быть", - заявил Флип Танедо, доцент кафедры физики и астрономии Калифорнийского университета в Риверсайде.

Все попытки объяснить темное вещество с помощью известной физики терпели неудачу, поэтому Танедо и его сотрудники разрабатывают экзотические модели, которые могут лучше соответствовать наблюдениям. Они спросили: что, если темное вещество взаимодействует само с собой через континуум сил, действующих в пространстве с большим количеством измерений, чем наши обычные три? Это звучит дико, но их модель может лучше объяснить поведение звезд в маленьких галактиках, чем традиционные простые модели темного вещества. Так что стоит попробовать.

Маленькие галактики, большие проблемы

Хотя космологи не знают, что такое темное вещество, им известны некоторые его свойства. Все наблюдения показывают, что темное вещество состоит из частиц нового типа, ранее неизвестных физике. Эти частицы есть в каждой галактике, составляя более 80% массы. Эти частицы не должны сильно взаимодействовать со светом, если вообще могут с ним взаимодействовать (иначе мы бы уже видели это в астрономических наблюдениях). И они не должны очень сильно взаимодействовать с нормальным веществом, если вообще с ним взаимодействуют (иначе мы бы увидели это в экспериментах на коллайдере).

Объединив эти свойства, космологи могут построить сложные компьютерные модели эволюции крупных структур во Вселенной. Эти симуляции обычно соответствуют наблюдениям с одной интересной оговоркой. Упрощенная картина темного вещества предсказывает, что небольшие галактики должны иметь очень высокую плотность темного вещества в своих ядрах (известную космологам как модель "куспида"), но наблюдения вместо этого показывают, что распределение плотности темного вещества относительно плоское, поэтому вещество должно быть равномерно распределенными по маленьким галактикам ("модель ядра"). Эта проблема была занозой в исследованиях темного вещества на протяжении десятилетий.

Успешная модель должна объяснять поведение малых и больших галактик, наряду со всеми другими наблюдениями. Одна такая модель называется самовзаимодействующим темным веществом, и, как следует из названия, предсказывает, что темное вещество иногда взаимодействует само с собой, а это означает, что частицы темного вещества могут иногда отскакивать друг от друга или даже аннигилировать друг с другом. Это самовзаимодействие сглаживает области высокой плотности темного вещества.

Суть проблемы

Проблема решена? Не совсем: модели самовзаимодействующего темного вещества имеют проблемы с сопоставлением с другими наблюдениями, такими, как линзирование галактик (когда гравитация огромного количества материи искажает и усиливает свет от определенных галактик позади наблюдаемой галактики) и рост галактик в ранней Вселенной. Однако эти все еще недостаточно эффективные модели основаны на четырех известных физических взаимодействиях. Электроны взаимодействуют друг с другом посредством электромагнитной силы. Кварки взаимодействуют друг с другом посредством сильного взаимодействия. И так далее.

Но если просто экспортировать известную физику в сферу темного вещества не удается, то, возможно, пришло время взглянуть на совершенно новые силы. Танедо и его сотрудники пытались сделать именно это и описали свою работу в статье, опубликованной в Journal of High Energy Physics. Их новая модель значительно расширяет возможные модели взаимодействующего темного вещества, позволяя вступить в игру неизвестным силам.

"Цель моей исследовательской программы - расширить идею разговора "темной материи с темными силами, - сказал Танедо. - За последнее десятилетие физики пришли к пониманию того, что управлять взаимодействием темного вещества могут скрытые силы. Они могут полностью переписать правила того, как следует искать темное вещество".

Подход Танедо включает в себя две удивительные особенности. Во-первых, вместо единой силы, которая связывает частицы темного вещества, модель включает бесконечный спектр новых сил, "работающих" вместе. Во-вторых, для модели требуется дополнительное измерение Вселенной, то есть четырехмерное пространство.

Мышление вне Вселенной

Бесконечный спектр сил, каждая из которых представлена новой частицей с разной массой, обеспечивает большую гибкость при построении теории взаимодействия частиц темной материи. И хотя в мире повседневной физики нет аналога такой теории, астрофизики уже знают, что темное вещество не обязательно действует по обычным правилам.

В теориях, объясняющих известную физику, когда две частицы взаимодействуют друг с другом, они делают это, обмениваясь одним типом частиц, которые и ответственны за взаимодействие. Например, два электрона отскакивают друг от друга, обмениваясь фотонами, носителями электромагнитной силы. Новая модель Танедо заменяет это единичное взаимодействие континуумом или спектром взаимодействий, работающих вместе, чтобы взаимодействие произошло.

"Моя исследовательская программа нацелена на одно из предположений, которые мы делаем о физике элементарных частиц: взаимодействие частиц хорошо описывается обменом большим количеством частиц, - сказал Танедо. - Хотя это верно для обычного вещества, нет никаких оснований предполагать это для темного вещества. Их взаимодействия можно описать континуумом обмениваемых частиц, а не просто обменом силовых частиц одного типа".

Что касается добавления дополнительного измерения, команда Танедо позаимствовала уловку, используемую в других теориях физики частиц высоких энергий. С помощью замечательной, но еще не полностью проверенной концепции, известной как соответствие AdS/CFT ("AdS" означает "анти-де Ситтер", что является разновидностью пространства-времени, а "CFT" означает конформную теорию поля, которая является категорией квантовых теорий), некоторые физические проблемы, которые чрезвычайно трудно решить в нашем нормальном трехмерном пространстве, становятся намного проще, когда они расширяются до четырехмерного пространства.

Используя этот математический трюк, Танедо и его сотрудники смогли решить, как силы темного вещества будут взаимодействовать друг с другом. Затем они могли бы перевести свои результаты в три измерения пространства и сделать прогнозы, как эти силы будут действовать в реальной Вселенной. Они обнаружили, что эти силы ведут себя совершенно иначе, чем силы природы, к которым мы привыкли.

"Что касается гравитационных или электрических сил, то в нашем трехмерном мире, когда вы удваиваете расстояние между двумя частицами, вы уменьшаете силу в четыре раза, - сказал Танедо. - С другой стороны, непрерывная сила уменьшается до восьми раз".

Эта модификация самовзаимодействия между частицами темного вещества позволила исследователям построить симуляции, которые соответствуют наблюдениям за небольшими галактиками.

Космологи используют темное вещество для объяснения множества различных наблюдений во Вселенной в самых разных масштабах. Дальнейшая работа покажет, соответствует ли эта экзотическая теория вселенной, которую мы видим.

Квантовый кристалл

Адам Манн

Рис

Используя причуду квантовой механики, исследователи создали кристалл бериллия, способный обнаруживать невероятно слабые электромагнитные поля. Однажды эту работу можно будет использовать для обнаружения гипотетических частиц темного вещества, называемых аксионами.