Человек, который пытается убить темную материю
В течение 80 лет ученые ломали голову над тем, как галактики и другие космические структуры тяготеют к тому, чего они не могут видеть. Эта гипотетическая «темная материя», кажется, перевешивает всю видимую материю с поразительным соотношением пять к одному, предполагая, что мы едва знаем нашу собственную вселенную. Тысячи физиков упорно ищут эти невидимые частицы.
Quanta Magazine
Около
Оригинальная история перепечатано с разрешения Quanta Magazine редакционно независимое подразделение Фонд Симонс чья миссия заключается в улучшении общественного понимания науки путем освещения научных исследований и тенденций в области математики и физических наук и наук о жизни
Но гипотеза темной материи предполагает, что ученые знают, как материя в небе должна двигаться в первую очередь. В конце 2016 года ряд событий возродил давно опровергнутый аргумент, что темная материя в конце концов не существует. С этой точки зрения, для объяснения странных движений небесных тел не нужно пропустить ни одного вопроса; скорее, в космических масштабах сама гравитация работает не так, как предсказывал Исаак Ньютон или Альберт Эйнштейн.
Последняя попытка объяснить темную материю - очень обсуждаемое предложение Эрик Верлинде физик-теоретик из Амстердамского университета, известный своими смелыми и проницательными, хотя иногда и несовершенными, идеями. В плотная бумага на 51 страницу размещенный в Интернете 7 ноября, Верлинде использует гравитацию как побочный продукт квантовых взаимодействий и предполагает, что дополнительная гравитация, приписываемая темной материи, является эффектом «темной энергии» - фоновой энергии, вплетенной в пространственно-временную ткань вселенной.
Вместо полчищ невидимых частиц «темная материя - это взаимодействие между обычной материей и темной энергией», сказал Верлинде.
Чтобы обосновать это, Верлинде принял радикальный взгляд на происхождение гравитации, который в настоящее время популярен среди ведущих физиков-теоретиков. Эйнштейн определил гравитацию как эффект кривых в пространстве-времени, созданных присутствием материи. В соответствии с новым подходом гравитация является новым явлением. Пространство-время и материя внутри него рассматриваются как голограмма, которая возникает из базовой сети квантовых битов (называемых «кубитами»), подобно тому, как трехмерное окружение компьютерной игры кодируется в классических битах на кремниевом чипе. Работая в этих рамках, Верлинде прослеживает темную энергию до свойства этих базовых кубитов, которые предположительно кодируют вселенную. Он утверждает, что в больших масштабах на голограмме темная энергия взаимодействует с материей правильным образом, создавая иллюзию темной материи.
В своих расчетах Верлинде заново открыл уравнения «модифицированной ньютоновской динамики», или MOND. Эта 30-летняя теория делает специальную настройку к известному закону гравитации «обратных квадратов» в теориях Ньютона и Эйнштейна, чтобы объяснить некоторые явления, приписываемые темной материи. То, что это безобразное исправление работает вообще, давно озадачило физиков. «У меня есть способ понять успех MOND с более фундаментальной точки зрения», - сказал Верлинде.
Многие эксперты называют статью Верлинде неотразимой, но трудной для понимания. Хотя еще предстоит выяснить, выдержат ли его аргументы проверки, время выбрано случайно. В новый анализ галактик опубликованные 9 ноября в Physical Review Letters , три астрофизика во главе со Стейси МакГо из Университета Case Western Reserve в Кливленде, штат Огайо, усилили дело MOND против темной материи.
Исследователи проанализировали разнообразный набор из 153 галактик, и для каждой из них они сравнили скорость вращения видимого вещества на любом заданном расстоянии от центра галактики с количеством видимого вещества, содержащегося в этом радиусе галактики. Примечательно, что эти две переменные были тесно связаны во всех галактиках универсальным законом, получившим название «отношение радиального ускорения». Это имеет смысл в парадигме MOND, поскольку видимая материя является исключительным источником гравитации, управляющей вращением галактики (даже если эта гравитация не принимает форму, предписанную Ньютоном или Эйнштейном). При такой тесной взаимосвязи между гравитацией, ощущаемой видимой материей, и гравитацией, создаваемой видимой материей, казалось бы, нет места или необходимости для темной материи.
Даже когда сторонники темной материи встают на ее защиту, возникла третья проблема. В новом исследовании, которое было представлено на семинарах и находится на рассмотрении Ежемесячных уведомлений Королевского астрономического общества , группа голландских астрономов провела то, что они называют первым испытанием теории Верлинде: сравнивая его формулы с данными из более чем 30 000 галактики, Марго Брауэр Лейденского университета в Нидерландах и ее коллеги обнаружили, что Верлинде правильно предсказывает гравитационное искажение или «линзирование» света от галактик - еще одно явление, которое обычно приписывают темной материи. Этого можно ожидать, поскольку первоначальный разработчик MOND, израильский астрофизик Мордехай Милгром, показал годы назад, что MOND учитывает данные гравитационного линзирования. Теория Верлинде должна преуспеть в воспроизведении явлений темной материи в случаях, когда старый МОНД потерпел неудачу.
Кэтрин Зурек Теоретик темной материи в Национальной лаборатории Лоуренса Беркли сказал, что предложение Верлинде, по крайней мере, демонстрирует, как что-то вроде MOND может быть правильным в конце концов. «Одна из проблем с измененной гравитацией заключается в том, что не было разумной теории, которая бы привела к такому поведению», - сказала она. «Если документ [Верлинде] в конечном итоге дает эту основу, то этого может быть достаточно, чтобы вдохнуть больше жизни в более серьезный взгляд на [MOND]».
Новый МОНД
В теориях Ньютона и Эйнштейна гравитационное притяжение массивного объекта падает пропорционально квадрату расстояния от него. Это означает, что звезды, вращающиеся вокруг галактики, должны чувствовать меньшее гравитационное притяжение - и вращаться медленнее - чем дальше они находятся от центра галактики. Скорости звезд падают, как и предсказывалось законом обратных квадратов во внутренней галактике, но вместо того, чтобы продолжать падать по мере удаления, их скорости выравниваются за пределами определенной точки. «Сглаживание» скоростей вращения галактик, открытое астрономом Верой Рубин в 1970-х годах, широко считается Приложением А в случае темной материи, объясненное в этой парадигме облаками темной материи или «гало», окружающими галактики. и дать дополнительное гравитационное ускорение их отдаленным звездам.
Люси Рединг-Икканда / Quanta Magazine
Поиски частиц темной материи распространились - с гипотетической « слабо взаимодействующие массивные частицы »(WIMP) и легкие «аксионы» выступая в качестве главных кандидатов - но до сих пор эксперименты ничего не нашли.
Между тем, в 1970-х и 1980-х годах некоторые исследователи, включая Мильгрома, пошли другим путем. Многие ранние попытки настроить гравитацию было легко исключить, но Мильгром нашел формулу победы: когда гравитационное ускорение, ощущаемое звездой, падает ниже определенного уровня - точно на 0,00000000012 метра в секунду в секунду, или в 100 миллиардов раз слабее, чем мы ощущаем на поверхность Земли - он предположил, что гравитация каким-то образом переключается с закона обратных квадратов на нечто близкое к закону обратных расстояний. «Это волшебная шкала», - сказал МакГо. «Выше этого масштаба все нормально и ньютоново. Ниже этого масштаба все становится странным. Но теория на самом деле не определяет, как вы переходите от одного режима к другому ».
Физики не любят магию; когда другие космологические наблюдения казались гораздо проще объяснить темной материей, чем МОНДОМ, они оставили подход мертвым. Теория Верлинде оживляет МОНД, пытаясь раскрыть метод, лежащий в основе магии.
Верлинде, румяный и пушистый в 54 года и хваливший за высокотехнологичные вычисления в теории струн, в 2010 году впервые изложил версию своей идеи, написанную на заднем плане конверта. знаменитая газета он написал месяцами ранее, в котором он смело заявил, что гравитации на самом деле не существует. Объединяя многочисленные концепции и гипотезы в авангарде физики, он пришел к выводу, что гравитация является возникающим термодинамическим эффектом, связанным с увеличением энтропии (или беспорядка). Тогда, как и сейчас, эксперты не знали, что делать с бумагой, хотя это и привело к плодотворным дискуссиям.
Конкретная марка возникающей гравитации в статье Верлинде оказалась не совсем правильной, но он использовал ту же интуицию, которая побудила других теоретиков разработать современное голографическое описание возникающей гравитации и пространства-времени - подход, который Верлинде сейчас освоил. в его новую работу.
В этих рамках искривленное извилистое пространство-время и все в нем является геометрическим представлением чистой квантовой информации, то есть данных, хранящихся в кубитах. В отличие от классических битов, кубиты могут существовать одновременно в двух состояниях (0 и 1) с различной степенью вероятности, и они «запутываются» друг с другом, так что состояние одного кубита определяет состояние другого, и наоборот, независимо от того, насколько далеко они друг от друга. Физики начали разрабатывать правила, по которым запутанная структура кубитов математически переходит в связанную геометрию пространства-времени. Например, массив кубитов, запутанных с ближайшими соседями, может кодировать плоское пространство, в то время как более сложные паттерны запутывания порождают частицы материи, такие как кварки и электроны, масса которых вызывает искривление пространства-времени, создавая гравитацию. «Лучший способ понять квантовую гравитацию в настоящее время - это голографический подход», - сказал он. Марк Ван Раамсдонк физик из Университета Британской Колумбии в Ванкувере, который проделал влиятельную работу по этому вопросу.
Математические переводы быстро разрабатываются для голографических вселенных с геометрией пространства-времени Эшера-эска, известной как пространство анти-де Ситтера (AdS), но такие вселенные, как наша, которые имеют геометрию де Ситтера, оказались гораздо более сложными. В своей новой статье Верлинде предполагает, что именно свойство де Ситтера нашего родного пространства-времени приводит к иллюзии темной материи.
Пространство-время де Ситтера, подобное нашему, растягивается, когда вы смотрите вдаль. Чтобы это произошло, пространство-время должно быть наполнено небольшим количеством фоновой энергии, часто называемой темной энергией, которая отделяет пространство-время от самого себя. Верлинде моделирует темную энергию как тепловую энергию, как будто наша вселенная была нагрета до возбужденного состояния. (Пространство AdS, напротив, похоже на систему в своем основном состоянии.) Верлинде связывает эту тепловую энергию с дальнодействующим запутыванием между нижележащими кубитами, как будто они встряхнуты, разводя запутанные пары далеко друг от друга. Он утверждает, что эта дальняя запутанность нарушается присутствием материи, которая по существу удаляет темную энергию из области пространства-времени, которую она занимала. Затем темная энергия пытается вернуться в это пространство, оказывая своего рода упругий отклик на вещество, что эквивалентно гравитационному притяжению.
Из-за большой дальности запутывания эластичный отклик становится все более важным в больших объемах пространства-времени. Верлинде рассчитывает, что это приведет к тому, что кривые вращения галактик начнут отклоняться от закона обратных квадратов Ньютона в точности по шкале магического ускорения, определенной Мильгромом в его оригинальной теории MOND.
Ван Раамсдонк называет идею Верлинде «определенно важным направлением». Но он говорит, что еще слишком рано говорить о том, вписывается ли все в статью, которая основана на квантовой теории информации, термодинамике, физике конденсированных сред, голографии и астрофизике. В любом случае, Ван Раамсдонк сказал: «Я нахожу предпосылку интересной и чувствую, что попытка понять, может ли что-то подобное быть правильным, может быть поучительной».
Одна из проблем, сказал Брайан Свингл из Гарвардского и Брандейского университетов, который также работает в области голографии, заключается в том, что у Верлинде отсутствует конкретная модельная вселенная, подобная той, которую исследователи могут построить в пространстве AdS, что дает ему больше возможностей для бездоказательных предположений. «Чтобы быть справедливым, мы продвинулись дальше, работая в более ограниченном контексте, который менее актуален для нашей собственной гравитационной вселенной», - сказал Свингл, имея в виду работу в пространстве AdS. «Нам нужно обратиться к вселенным, более похожим на нашу, поэтому я надеюсь, что его новый документ даст некоторые дополнительные подсказки или идеи в будущем».
Дело о темной материи
Верлинде мог захватить дух времени так, как это сделала его энтропийно-гравитационная газета 2010 года. Или он может быть совершенно не прав. Вопрос в том, сможет ли его новый и улучшенный МОНД воспроизвести явления, которые разрушили старый МОНД и укрепили веру в темную материю.
Одним из таких явлений является скопление Пуля, скопление галактики в процессе столкновения с другим. Видимое вещество в двух кластерах разрушается вместе, но гравитационное линзирование предполагает, что большое количество темной материи, которая не взаимодействует с видимым веществом, прошло прямо через место аварии. Некоторые физики считают это неоспоримым доказательством темной материи. Тем не менее, Верлинде считает, что его теория сможет справиться с наблюдениями пули кластера просто отлично. Он говорит, что гравитационный эффект темной энергии встроен в пространство-время и является менее деформируемым, чем сама материя, что позволило бы им разделиться во время столкновения кластера.
Но главным достижением теории Верлинде будет учет предполагаемых отпечатков темной материи на космическом микроволновом фоне (CMB), древнем свете, который предлагает снимок детской вселенной. Снимок показывает, как вещество в то время неоднократно сжималось из-за его гравитационного притяжения, а затем расширялось из-за собственных столкновений, создавая серию пиков и впадин в данных CMB. Поскольку темная материя не взаимодействует, она могла бы только сокращаться, не расширяясь, и это модулировало бы амплитуды пиков CMB точно так, как это наблюдают ученые. Одним из самых больших ударов по старому MOND была его неспособность предсказать эту модуляцию и соответствовать амплитудам пиков. Верлинде ожидает, что его версия сработает - еще раз, потому что материя и гравитационное воздействие темной энергии могут отделяться друг от друга и демонстрировать различное поведение. «Сказав это, - сказал он, - я не рассчитал это до конца».
В то время как Верлинде сталкивается с этими и несколькими другими проблемами, сторонники гипотезы темной материи имеют некоторые собственные объяснения, когда дело доходит до недавних открытий Макгоу и его коллег об универсальной взаимосвязи между скоростями вращения галактики и содержанием их видимой материи.
В октябре, отвечая на препринт статьи МакГоу и его коллег, две команды астрофизиков независимо утверждал что гипотеза темной материи может объяснить наблюдения. Они говорят, что количество темной материи в гало галактики точно определило бы количество видимой материи, с которой в итоге образовалась галактика. В этом случае скорости вращения галактик, даже если они заданы темной материей и видимой материей вместе, будут точно коррелировать либо с их содержанием темной материи, либо с их содержанием видимой материи (так как они не являются независимыми). Однако компьютерное моделирование образования галактик в настоящее время не указывает на то, что содержание темной и видимой материи галактик всегда будет отслеживать друг друга. Эксперты заняты настройкой симуляции, но Артур Косовский один из исследователей Питтсбургского университета, который работает над ними, говорит, что еще слишком рано говорить о том, сможет ли моделирование соответствовать всем 153 примерам универсального закона в наборе данных галактик Макгоу и его коллег. Если нет, то стандартная парадигма темной материи в большой беде. «Очевидно, что это то, что сообщество должно смотреть более тщательно», сказал Zurek.
Даже если моделирование может быть выполнено для сопоставления с данными, например, МакГо считает неправдоподобным совпадение того, что темная материя и видимая материя могли бы в точности имитировать предсказания MOND в каждом местоположении в каждой галактике. «Если кто-то придет к вам и скажет:« Солнечная система не работает по закону обратных квадратов, на самом деле это закон обратных кубов, но есть темная материя, которая устроена так, что она всегда выглядит обратным квадратом, «Вы бы сказали, что этот человек безумен», - сказал он. «Но это в основном то, что мы просим иметь дело с темной материей здесь».
С учетом значительных косвенных данных и почти единодушного мнения физиков о существовании темной материи, она, вероятно, все еще существует, сказал Зурек. «Тем не менее, вы всегда должны проверять, что вы не на подножке», добавила она. «Несмотря на то, что эта парадигма объясняет все, вы всегда должны проверять, что больше ничего не происходит».
Оригинальная история перепечатано с разрешения Quanta Magazine редакционно независимая публикация Фонд Симонс чья миссия состоит в том, чтобы улучшить общественное понимание науки, освещая научные разработки и тенденции в математике и физических и естественных науках.