Квантовые эффекты работают не только на субатомном уровне: они могут оказаться распростёртыми через всю галактику и решить загадку тёмной материи
Большая часть материи Вселенной невидима, состоит из некоего вещества, не оставляющего никаких следов в процессе прохождения сквозь нас, и сквозь все детекторы, построенные учёными с целью поймать её. Но эта тёмная материя может и не состоять из невидимых облаков частиц, как предполагает большинство теоретиков. Вместо этого она может оказаться чем-то ещё более странным: сверхтекучей жидкостью, сконденсировавшейся в лужицы миллиарды лет назад, и породившей наблюдаемые нами сегодня галактики.
Это новое предположение имеет далеко идущие последствия для космологии и физики. Сверхтекучая тёмная материя (СТМ) решает множество теоретических проблем, связанных с облаками частиц. Она объясняет тянущиеся раздражающе долго неудачные попытки определить отдельные составляющие этих облаков. Также оно предлагает чёткий научный путь дальнейших поисков и выдаёт определённые предсказания, которые скоро уже можно будет проверить.
У СТМ есть и важные концептуальные последствия. Из этой идеи следует, что общепринятое представление о Вселенной как о массе отдельных частиц, связанных при помощи неких сил — будто бы детский конструктор — упускает всё богатство природы. Большая часть материи во Вселенной может быть совершенно не такой, как материя, из которой состоит ваше тело: она может состоять не из атомов и даже не из таких частиц, какие мы обычно себе представляем, а быть когерентным целым огромной протяжённости.
«Много лет люди пользовались простейшей моделью для ТМ: частицы, которые не сталкиваются с другими частицами и не излучают свет», — говорит Джастин Коури [Justin Khoury], профессор теоретической физики из Пенсильванского университета. «Но за последние 20 лет наблюдения и компьютерные симуляции заметно улучшились, и на галактических масштабах у этой модели появились некоторые проблемы». Частицы ТМ не сталкиваются сами с собой, поэтому не собираются в компактные структуры, эквивалентные звёздам и планетам. Поскольку ТМ по определению не испускает свет, свидетельством её существования служит её гравитационное воздействие: невидимый материал, судя по всем, влияет на формирование, вращение и движение галактик. На крупнейших масштабах ТМ без столкновений обычно хорошо соответствует астрономическим наблюдениям.
На менее крупных масштабах эта популярная и широко применяющаяся модель предсказывает, что в галактических центрах должно собираться больше материала, чем видно астрономам — эта особенность известна, как "проблема перегиба" [cusp problem]. Также эта модель предсказывает слишком много галактик-спутников для Млечного Пути, и не может объяснить, почему те спутники, что у нас реально есть, располагаются почти в одной плоскости. И, наконец, ТМ без столкновений ничего не говорит о том, почему яркость спиральных галактик соответствует их скорости вращения. Эта простая модель, судя по всему, слишком проста.
Одним из возможных объяснений таких недостатков может быть то, что физики пропустили один важный астрофизический процесс, участвующий в формировании галактики. Но Коури так не считает. С его точки зрения эта проблема говорит о чём-то более глубоком. Дело не только в том, что модель холодной ТМ без столкновений с трудом соответствует некоторым данным, но ещё и в том, что совершенно другая модель гораздо лучше соответствует тем самым наблюдениям, с которыми у стандартной модели есть проблемы. Вместо того, чтобы изобретать новые, неоткрытые частицы, другая модель предлагает модифицировать гравитацию для соответствия ТМ. Поведение гравитации на расстояниях в тысячи и миллионы световых лет измерить напрямую нельзя. Небольшие эффекты, которые невозможно обнаружить на Земле, могут играть достаточно большую роль на масштабе целой галактики.
Модификация гравитации (МГ) оказывается удивительно успешной в некоторых случаях и испытывает проблемы в других. С одной стороны, она удивительно легко соответствует вращению галактик и объясняет, откуда берётся зависимость яркости и скорости вращения. МГ не позволяет появляться такому разнообразию параметров от галактике к галактике, какое возникает при использовании облаков из частиц — последние могут быть совершенно разными. С другой стороны, МГ с трудом справляется с данными наблюдений за расстояниями гораздо большими или меньшими, чем размер типичной галактики. На этих масштабах лучше работает модель холодной ТМ.
Печальной известностью пользуется тот факт, что изменить что-либо в эйнштейновской теории гравитации, без того, чтобы её полностью не сломать, чрезвычайно трудно. Поэтому большинство физиков выбирают более безопасную альтернативу в виде ТМ, состоящей из частиц. Для них появление новых частиц — проторённый путь решения проблем, и связанная с этим математика является знакомой территорией. Но Коури не хочет примыкать к какой-либо из этих сторон. Он хочет взять лучшее у обоих, так, чтобы лучше всего соответствовать реальной Вселенной.
«Обычно люди пытались решать проблемы галактического масштаба, модифицируя гравитацию; такова была альтернатива ТМ, — говорит Коури. — И по каким-то причинам, возможно, социального характера, два этих подхода считались взаимоисключающими: вы либо находитесь в лагере МГ, либо в лагере ТМ, состоящей из частиц. Но почему нельзя их совместить? Конечно, бритва Оккама сказала бы, что это будет менее убедительно. Поэтому выбранный нами подход состоит в том, что оба явления, МГ и ТМ, состоящая из частиц, могут просто быть аспектами одной и той же теории».
Свидетельства существования ТМ накапливаются с момента её обнаружения швейцарским астрономом Фрицем Цвикки более 80 лет назад. В 1933 году Цвикки воспользовался 254 сантиметровым телескопом Хукера в обсерватории Маунт-Вильсон в Калифорнии, направив его в сторону скопления Волос Вероники. Это рой из порядка 1000 галактик, связанных вместе гравитационным притяжением. В такой связной системе скорости её составляющих — в данном случае, галактик — зависят от общей связанной массы. Цвикки отметил, что галактики двигаются гораздо быстрее, чем двигались бы, если учитывать только видимую массу вещества, и предположил, что в скоплении должна содержаться невидимая материя. Он назвал её Dunkle Materie, или «тёмной материей» по-немецки.
Физики могли бы отбросить этот случай как странное отклонение. Но оказалось, что это наблюдение является больше правилом, чем исключением, когда американский астроном Вера Рубин с 1960-х годов изучала вращение спиральных галактик. Скорость звёзд на орбитах далеко от центра галактики зависит от общей массы (и, следовательно, гравитационного притяжения) связной системы — в данном случае, от массы галактики. Измерения Рубин показали, что десятки галактик вращались быстрее, чем можно было бы предположить, исходя только из видимой материи. С тех пор, как наблюдения Рубин вывели ТМ под свет прожекторов, она попала в список самых популярных нерешённых проблем физики.
Технологии телескопов стабильно улучшались, и свидетельства в пользу ТМ, полученные из наблюдений, постепенно накапливались и уточнялись. Теперь физики могут наблюдать небольшие искажения, происходящие из-за гравитационного искривления пространства-времени рядом с галактическими скоплениями. Это искажение, известные, как слабое гравитационное линзирование, немного деформирует вид более удалённых звёздных объектов; идущий от них свет искривляется вокруг кластера, чьё притяжение действует, как линза. По силе этого эффекта общую можно рассчитать массу скопления и продемонстрировать присутствие ТМ. С помощью этого метода физики уже даже построили карты распространения ТМ. Сопоставив их с другими методами доказательства, они определили, что 85% материи Вселенной должно относиться к ТМ.
Используя ещё больше данных, физики также смогли исключить идею того, что ТМ состоит из невидимых комков обычных атомов, таких, из которых состоит Земля (технически они называются барионной материей). Эта, нормальная материя, слишком сильно взаимодействует сама с собой; она не давала бы наблюдаемое распределение ТМ. ТМ также не может состоять из звёзд, схлопнувшихся в чёрные дыры или других тусклых астрономических объектов. Если бы это было так, этим объектам пришлось бы сильно превосходить по количеству звёзды в нашей галактике, что привело бы к значительным и легко наблюдаемым гравитационным искажениям. Также ТМ не может состоять и из других известных частиц, таких, как слабо взаимодействующие нейтрино, в большом количестве испускаемые звёздами. Нейтрино не комкуются достаточно сильно для того, чтобы создать наблюдаемые галактические структуры.
Получается, что для того, чтобы объяснить, из чего состоит ТМ, физикам приходится строить теории о новых, пока не обнаруженных частицах. Чаще всего используются те из них, что попадают в два широких класса: слабо взаимодействующие массивные частицы (вимпы) и гораздо более лёгкие аксионы, хотя недостатка в более сложных гипотезах, комбинирующих различные типы частиц, также не наблюдается. Но все попытки обнаружить эти частицы напрямую, а не просто выводить их присутствие из гравитационного притяжения, пока остаются неудачными. Вместо решения загадки эксперименты по их прямому обнаружению только углубили её.
«Сегодня невозможно интересоваться космологией без того, чтобы интересоваться тёмной материей», — говорит Стефано Либерати [Stefano Liberati], профессор физики в Международной школе передовых исследований в Италии. Либерати с коллегами независимо работали над объяснением ТМ, очень похожим на то, что даёт Коури. Когда Либерати впервые обнаружил, насколько успешными получаются МГ на галактических масштабах, где модели холодной ТМ терпят неудачу, он сразу же попытался придумать способ скомбинировать эти две модели. «Это заставило меня задуматься: может, ТМ на малых масштабах испытывает некий фазовый переход, — говорит он. — Может, она превращается в какую-то жидкость, в частности, в сверхтекучую. Если она формирует конденсат на масштабе галактик, это на самом деле решило бы множество проблем».
Сверхтекучие жидкости не существуют в повседневной жизни, но физикам они хорошо знакомы. Они походят на сверхпроводники — класс материалов, в которых электричество движется без сопротивления. При охлаждении до температуры, близкой к абсолютному нуля, гелий тоже начинает течь без сопротивления. Он просачивается сквозь мельчайшие поры, и даже вытекает из поддонов, двигаясь вверх по стенкам. Такое супертекучее поведение характерно не только для гелия; это фаза состояния вещества, в которую при достаточно низких температурах могут переходить и другие частицы. Этот класс ультрахолодных жидкостей, впервые предсказанный в 1924 году Эйнштейном и индийским физиком Шатьендранатом Бозе, сегодня известен, как конденсат Бозе-Эйнштейна. Либерати понял, что ТМ тоже может переходить в сверхтекучее состояние.
Конденсаты Бозе-Эйнштейна лучше всего изучать в виде смеси двух компонентов: сверхтекучей жидкости и обычной. Два этих компонента ведут себя по-разному. Сверхтекучий демонстрирует квантовые эффекты на больших расстояниях, у него нет вязкости и проявляются неожиданные корреляции на больших масштабах; он ведёт себя так, будто состоит из гораздо более крупных частиц, чем на самом деле. Другой, нормальный компонент, ведёт себя, как привычные нам жидкости; прилипает к контейнерам и к самому себе — то есть, обладает вязкостью. Соотношение между двумя компонентами зависит от температуры конденсата: чем выше температура, тем большее влияние оказывает нормальный компонент.
Мы привыкли думать, что квантовая физика преобладает лишь в области микроскопического. Но чем больше физики узнавали о квантовой теории, тем яснее становилось, что это не так. Конденсаты Бозе-Эйнштейна — одни из наилучшим образом изученных веществ, позволяющих квантовым эффектам распространяться в среде. В теории квантовое поведение может распространяться на произвольно большие расстояния, если его возмущения будут достаточно слабыми.
В такой тёплой и шумной среде, как Земля, хрупкие квантовые эффекты быстро уничтожаются. Поэтому мы обычно не сталкиваемся с такими странными аспектами квантовой физики, как возможность частиц вести себя, как волны. Но если вызвать квантовое поведение в холодном и спокойном месте, оно будет сохраняться. В таком холодном, спокойном месте, как, например, внешний космос. Там квантовые эффекты способны простираться на огромные расстояния.
Если бы ТМ была конденсатом Бозе-Эйнштейна — таким, у которого квантовый эффект распространяется на всю галактику — это состояние естественным образом объяснило бы две разные модели поведения ТМ. Внутри галактик большая часть ТМ находилась бы в сверхтекучей фазе. На протяжении галактических скоплений с большой долей межгалактического пространства, большая часть ТМ находилась бы в нормальной фазе, что вызывало бы иное поведение. Согласно Коури и коллегам, возможно объяснить наблюдаемые эффекты ТМ при помощи простой модели конденсата Бозе-Эйнштейна, обладающей всего несколькими открытыми параметрами (свойствами, у которых должны быть правильные значения для того, чтобы модель заработала).
Идея о том, что ТМ может быть конденсатом Бозе-Эйнштейна, давно вращается в астрофизическом сообществе, но новая версия имеет свои отличия. Новая идея Коури так убедительна потому, что он говорит, что сверхтекучая ТМ может имитировать МГ: она достигает цели, комбинируя лучшее из обеих моделей. Оказывается, что гравитацию не нужно модифицировать для того, чтобы получить результаты, наблюдаемые в теориях МГ. Когерентная сверхтекучая жидкость может привести к появлению тех же самых уравнений и того же самого поведения. Таким образом модель Коури комбинирует преимущества как холодной ТМ, так и МГ, без недостатков обеих теорий.
Сверхтекучая ТМ может преодолеть крупнейшую из проблем МГ: нелюбовь к ней большинства астрофизиков. Многие из этих исследователей пришли из физики частиц, и уравнения МГ кажутся им непривычными. Для специалиста по физике частиц эти уравнения выглядят непривлекательно и неестественно. Они кажутся подогнанными под результат. Но сверхтекучая ТМ предлагает другой, возможно, более естественный подход к уравнениям.
Согласно Коури, уравнения для сверхтекучей ТМ не относятся к области элементарной физики частиц. Они появляются из физики конденсированных состояний, где описывают не фундаментальные частицы, а появляющееся на их основе дальнодействующее поведение. В модели Коури уравнения, появляющиеся в МГ, не описывают отдельные частицы. Они описывают совместное поведение частиц. Такие уравнения незнакомы многим специалистам по физике частиц, поэтому взаимоотношение между сверхтекучестью и МГ так долго оставалось незамеченным. Но, в отличие от уравнений МГ, уравнения, описывающие сверхтекучие жидкости, уже обладают сильным теоретическим фундаментом — только в физике конденсированных состояний.
То, что Коури заметил эту связь — непрогнозируемая случайность. Он наткнулся на литературу по физике конденсированных состояний, использовавшую уравнения, очень похожие на те, что он видел в теориях МГ: «А всё остальное затем просто встало на свои места, — говорит он. — Я подумал, что это всё просто сформировало красивую картинку, объединяющую два этих явления».
Возвращаясь к наблюдательным свидетельствам существования ТМ, сверхтекучий подход Коури может решить множество проблем существующих моделей. Для начала, сверхтекучесть препятствует излишнему комкованию ТМ в центрах галактик, устраняя иллюзорный «перегиб», поскольку в фазе сверхтекучести выравниваются все флуктуации плотности. «Сверхтекучая жидкость будет обладать когерентной длиной [расстоянием, на котором вся материя находится в одном состоянии], — говорит Либерати. — Из этого уже ясно, что никаких перегибов не будет».
Сверхтекучесть выдаёт схему притяжения идентичную уравнениям МГ, поэтому она может отвечать за наблюдаемую регулярность кривых вращения галактик. Однако, в отличие от МГ, она ведёт себя только при таких температурах, при которых преобладает сверхтекучая компонента. На более крупных масштабах галактических скоплений ТМ получается слишком возбуждённой (то есть, слишком горячей) и теряет сверхтекучие свойства. Таким способом сверхтекучая ТМ могла дать начало формированию видимых галактик, и одновременно, в фазе, отличной от сверхтекучести, соответствовала бы наблюдаемой структуре скоплений.
Подход Коури объясняет, почему астрономы не наблюдают свидетельств МГ внутри Солнечной системы. «Солнце создаёт настолько сильное гравитационное поле, что оно локально уничтожает сверхтекучую когерентность, — говорит он. — Вблизи Солнечной системы не стоит размышлять в терминах сверхтекучей когерентности. Солнце ведёт себя как примесь. Как дыра в жидкости».
Наконец, модель сверхтекучей жидкость объясняет, почему физики не могут найти частицы ТМ. С 1980-х десятки различных экспериментов ищут прямое свидетельство существования таких частиц. Эти эксперименты обычно используют крупные экранированные цистерны с различными материалами, которые в редких случаях могут взаимодействовать с частицами ТМ и выдавать наблюдаемый сигнал. Несмотря на широкое разнообразие техник и материалов, на использование тщательно изолированных детекторов, запрятанных в подземных шахтах для фильтрации ложных сигналов, не было найдено никаких убедительных свидетельств существования ТМ.
При отсутствии обнаружения идея о том, что ТМ может быть чем-то другим, нежели просто ещё один тип частиц, становится всё убедительнее. «Когда я был студентом, я просыпался каждую тридцатую ночь после сна о модифицированной гравитации, — говорит Нима Аркани-Хамед [Nima Arkani-Hamed], профессор теоретической физики в Принстоне. — Затем это происходило раз в 300 ночей, а теперь — раз в 100. Тема возвращается».
Если ТМ — это сверхтекучая жидкость, то частицы, из которых она состоит, должны быть лёгкими, гораздо легче, чем гипотетические частицы ТМ, которые ищут большинство экспериментов. Составляющие сверхтекучей жидкости, вероятно, слишком легки для того, чтобы их можно было обнаружить в текущих экспериментах.
Улучшенное и уникальное предсказание модели Коури состоит в том, что сверхтекучее квантовое поведение должно оставлять характерный след в столкновениях галактик. Когда конденсат ТМ одной галактики сталкивается с конденсатом другой, в результате должны появляться рисунки интерференции — рябь в распределении материи и гравитации, которая будет влиять на поведение галактик. Сверхтекучая ТМ также делает предсказания о трении между компонентами ТМ в скоплениях галактик; такое трение опять-таки даст определённый рисунок гравитационного притяжения. Наблюдения за гравитационным линзированием могут обнаружить эти признаки наличия сверхтекучей ТМ, если точно знать, что надо искать.
Для численной оценки предсказаний необходимо проводить компьютерные симуляции. Коури сейчас работает именно над таким проектом совместно с исследователями из Оксфордского университета. Симуляции также должны показать, согласуется ли ожидаемое количество галактик-спутников лучше с теорией сверхтекучей ТМ, чем с предсказаниями существующих моделей.
Аманда Велтман [Amanda Weltman], космолог из Кейптаунского университета, работающая с ТМ, но не участвовавшая в данном исследовании, считает, что новая модель получается «очень интересной и творческой». Но она говорит, что придержит свои оценки до тех пор, пока не увидит экспериментального подтверждения, неких свидетельств, однозначно поддерживающих сверхтекучесть: «Такие наблюдения придадут реальный вес их идеям». Если симуляции на суперкомпьютерах будут успешными, Коури, возможно, сможет предоставить подобные свидетельства. И затем нам придётся привыкать к ещё более сложному взгляду на Вселенную — заполненную не только тёмной материей, но и сверхтекучими жидкостями без трения, закручивающимися вокруг ярких галактик.
Аркани-Хамед более скептичен, и не готов расставаться с холодной ТМ. «Но если вимпы в следующем наборе экспериментов так и не найдут, их не найдут и в течение следующих 20 лет», — говорит он. Он считает, что пришло время по-новому взглянуть на модели, построенные вокруг необычных частиц или модифицированных теорий гравитации. Или на модель, комбинирующую лучшее из двух тёмных миров.
