СГУЩЕНИЕ ТЕМНОТЫ

Тёмная материя

Некоторые физики полагают, что загадочное темное вещество Вселенной состоит из огромных частиц размером в световой год или даже больше. Оказавшись в их окружении, обычное вещество подобно мыши, снующей под ногами динозавров.

Изначально идея возникла как объяснение свойств темного вещества, которое сгущается в гигантских масштабах, порождая таких монстров, как скопления галактик, но при этом сопротивляется слипанию в малых масштабах. Астрономы видят гораздо меньше маленьких галактик и субгалактических облаков газа, чем можно было ожидать. Поэтому многие полагали, что частицы темного вещества взаимодействуют друг с другом подобно молекулам газа, создавая давление, противодействующее гравитации.

Иной подход у гипотезы гигантских частиц: не наделяя темное вещество новыми свойствами, она использует свойство квантовых частиц противостоять удержанию. Если вы сжимаете частицу, то стабилизируете ее положение, но увеличиваете неопределенность импульса. При этом растет скорость частицы, порождая давление, противодействующее вашему усилию. Такая «квантовая клаустрофобия» становится ощутимой на расстояниях, сравнимых с эквивалентной длиной волны частицы. Гравитационные неоднородности обладают длиной волны в несколько десятков световых лет. Какие же частицы могут иметь такой астрономический размер?

Оказывается, физики предсказали множество энергетических полей, соответствующие частицы которых могут быть как раз такими. Например, скалярные поля, возникающие как в Стандартной модели, так и в теории струн. Хотя экспериментаторам еще предстоит их найти, теоретики уже уверены в их существовании.

Космологи уже объясняют наличием скалярных полей первичную инфляцию и, возможно, темную энергию (не путать с темным веществом), вызывающую сейчас ускоренное расширение Вселенной. В этом смысле такие поля являются простейшим обобщением космологической постоянной Эйнштейна. Если скалярное поле изменяется медленно, оно напоминает константу – как по фиксированной величине, так и по отсутствию направленности; теория относительности предсказывает, что такое поле вызывает гравитационное отталкивание. Но если поле меняется или колеблется достаточно быстро, оно вызывает гравитационное притяжение, как обычное или темное вещество. Еще в 1960-х гг. физики стали утверждать, что тела состоят из скалярных частиц. Идея возродилась в конце 1980-х гг., но по-настоящему она овладела умами лишь четыре года назад.

На конференции в Центральном университете Лас-Виласа (UCLV) на Кубе энтузиасты этого направления – Т.М. Чассин (Tonatiuh Matos Chassin) из Центра передовых исследований в Мехико и Л.У. Лопес (Luis Uren~a L’opez) из Университета в Гуанахуато – рассказали, как скалярные частицы могут формировать внутреннюю структуру галактик. Когда частицы образуют уплотнения в масштабе галактик, возникает бозе-эйнштейновский конденсат – гигантский вариант холодных атомных конгломератов, полученных экспериментаторами за последнее десятилетие. По расчетам, такой конденсат имеет массу и профиль плотности как у реальной галактики.

Теории инфляции, темной энергии и темного вещества опираются на скалярные поля, что может указывать на их взаимную связь. Иcраэль Квуирос (Israel Quiros) из UCLV доказывал на этой конференции, что одно поле может отвечать как за инфляцию, так и за темную энергию. Другие физики пытаются связать друг с другом две «темные сущности». «Как шутят мои коллеги, небылицу можно рассказывать лишь раз, – улыбается Роберт Шеррер (Robert Scherrer) из Университета Вандербилта. – А мы делаем это дважды: рассуждаем о неизвестных частицах темного вещества и неизвестном источнике темной энергии. В своей модели я пытаюсь объяснить их единым полем».

Но у всех моделей одна проблема: поскольку длина волны частицы обратно пропорциональна ее массе, астрономические расстояния соответствуют абсурдно малым массам, порядка 10^-23 эВ (сравните с массой протона 10⁹ эВ). Это требует от законов физики невероятно высокой симметрии. «Такая симметрия возможна, хотя и выглядит искусственной», – замечает физик Шон Кэрролл (Sean Carroll) из Чикагского университета. К тому же главное преимущество гигантских частиц – их сопротивляемость кучкованию – теперь не столь уж оригинально, ибо астрономы обнаружили, что на это способны иные процессы, например, формирование звезд.

Оригинал - www.sciam.ru