Возможно ли, что наши проблемы говорят о недостатках теории гравитации?

Я вскоре убедился, что всё теоретизирование будет лишь пустым упражнением мозгов, а следовательно, и потерей времени, если только вначале не выяснить, чем же на самом деле заполнена Вселенная.
— Фриц Цвикки

В конце недели я роюсь в ваших письмах с вопросами и предложениями. На этой неделе мне более всего понравилось письмо, содержащее больше всех других возможности для обучения, от Райана Шульйца, который спрашивает:

В последнем номере журнала Discover была длинная статья по радикальной теории MOND и о том, как её предсказательные возможности прекрасно справляются с задачей, а тёмную материю никто ещё не нашёл. Мне интересно, что такое MOND, приемлемая ли это теория, и если она такая успешная, почему мы все слышали о тёмной материи, а не о MOND?

Чтобы понять, о чём речь, нужно отправиться в XIX век и обсудить проблемы, существовавшие задолго до проблемы «недостающей массы» (или «недостающего света»), которые пытается решить MOND: проблемы Урана и Меркурия.

Законы гравитации, разработанные Ньютоном в XVII веке, чрезвычайно успешно описывали всё, к чему бы ни применялись. От движения летящих снарядов до катящихся объектов, от веса объектов до маятника, от плавучести лодки до орбиты Луны вокруг Земли – Ньютоновская теория гравитации не подводила.

Три закона Кеплера, особые случаи Ньютоновской гравитации, применялись ко всем известным планетам:
1. Каждая планета Солнечной системы обращается по эллипсу, в одном из фокусов которого находится Солнце.
2. Каждая планета движется в плоскости, проходящей через центр Солнца, причём за равные промежутки времени радиус-вектор, соединяющий Солнце и планету, описывает равные площади.
3. Квадраты периодов обращения планет вокруг Солнца относятся как кубы больших полуосей орбит планет.

Все известные миры подчинялись этим законам, и за сотни лет не было обнаружено никаких отклонений. Но с открытием Урана 1781 году всё поменялось. Новая планета двигалась по эллипсу вокруг Солнца, но её скорость не соответствовала предсказаниям законов гравитации.

В первые 20 лет после обнаружения она двигалась быстрее, чем было предсказано. В следующие 20-25 лет её скорость соответствовала расчётной. Затем она замедлилась ещё больше, и скорость упала ниже расчётной.

Был ли закон гравитации неправ? Возможно. Но возможно, существовала ещё некая материя, некий тип невидимой, или тёмной, материи, тянувшей Уран и приводивший к этим отклонениям орбиты.

Оказалось, что так и есть. После войны теоретиков между Урбеном Жан Жозеф Леверье и Джоном Куч Адамсом, во время которой они делали независимые предсказания по поводу местоположения новой планеты, 23 сентября 1846 года расчёты Леверье подтвердили Иоганн Готтфрид Галле и его ассистент Генрих Луи Д’Арре. Был открыт Нептун, первый объект, чьё существование предсказали по гравитационному воздействию его массы.

С другой стороны, самая внутренняя планета, Меркурий, в результате увеличившейся точности наблюдательных приборов и накопленных за столетия измерений, начала показывать странные отклонения от законов гравитации. Кеплер предсказывал, что планеты должны двигаться вокруг Солнца по идеальным эллипсам с фокусом в Солнце, но только в отсутствие других масс, влияющих и возмущающих эту систему. Но другие массы есть, и Меркурий не двигается по идеальному закрытому эллипсу. Эллипс совершает прецессию.

Используя законы гравитации Ньютона, мы можем учесть влияние всех планет, включая Нептун, и прецессию земных равноденствий. После этого мы обнаружим лишь небольшую разницу между наблюдениями и предсказаниями – прецессию в 43″ за сто лет, или в 0,012° за сто лет. Но это не случайность.

Так в чём же дело? Есть ли ещё неизвестная масса, возможно, внутренняя по отношению к Меркурию? Или же проблема в законе гравитации? Велись утомительные поиски теоретической планеты Вулкан, расположенной ещё ближе к Солнцу. Но никакого Вулкана не было. Решение пришло в 1915 году, когда Эйнштейн выдвинул свою общую теорию относительности.

Перенесёмся в 1970-е и рассмотрим наблюдения, впервые сделанные Верой Рубин. Мы наблюдаем отдельные галактики – в частности, расположенные к нам ребром – и измеряем их скорости. Мы смотрим на одну сторону галактики, и видим, что она двигается к нам (голубое смещение), а затем смотрим на другую, и она двигается от нас (красное смещение) – всё благодаря вращению галактики. Мы ожидаем обнаружить, что внутренние звёзды галактики вращаются быстрее, и что скорость вращения падает по мере удаления от центра. Но видим мы совсем другое.

Вместо этого скорость вращения галактики остаётся постоянной по мере удаления от
центра. Почему так? Есть две возможности: либо законы гравитации требуют исправления, или нужно предположить существование дополнительной, невидимой массы.

MOND, или МОНД – МОдифицированная Ньютоновская Динамика, впервые была отмечена в 1981 году Моти Милгромом, решившим, что если мы поменяем действие законов Ньютона при очень малых ускорениях – при долях нанометра на секунду в квадрате – мы можем получить именно такие кривые вращения. То же изменение сможет объяснить вращение галактик, от малых до великих. И МОНД до сих пор справляется с этим очень хорошо.

Тёмная материя, с другой стороны, предполагает, что в дополнение к обычным частицам Стандартной модели, всей нормальной материи из «протонов, нейтронов и электронов», из которых состоит почти всё, что нам известно, есть новый тип материи. Для объяснения этого вращательного явления было предложено большое гало из материи, не взаимодействующее со светом, не комкующееся само с собой и не взаимодействующее с обычной материей. В этом состоит идея тёмной материи.

Она может объяснить эти кривые вращения, но не так хорошо, как МОНД. Численные симуляции гало, получаемые от простейших моделей тёмной материи, не совсем совпадают с наблюдениями: гало слишком плотные в центре и слишком «пушистые» по краям. (Технически говоря, они более изотермические, чем ожидается). Если бы у нас были только эти кривые вращения, то МОНД была бы явным лидером.

Но у нас есть целая Вселенная.

Если вы предлагаете новую теорию взамен ОТО, в свою очередь заменившую Ньютоновскую гравитацию, вам нужно соблюсти три условия:
1. Она должна воспроизвести все успехи предыдущей теории.
2. Она должна объяснить новое явление (или явления), ради которых она разрабатывалась.
3. Она должна сделать новые, уникальные предсказания, которые можно было бы проверить экспериментально или наблюдениями.

А успехов у предыдущей теории масса.

Гравитационное линзирование звёздного света при помощи массы, включая сильное и слабое линзирования. Эффект Шапиро. Гравитационное замедление времени и красное смещение. Платформа, связанная с Большим взрывом и концепцией расширяющейся Вселенной. Движения галактик в скоплениях и скопления галактик на больших масштабах.

И во всех этих случаях МОНД эффектно проваливается, либо не делая предсказаний, либо с предсказаниями, конфликтующими с данными. Если вы скажете, что МОНД – это не полная теория, а описание одного явления, которое может привести к полной теории, то продолжайте надеяться. Множество людей работают над расширением МОНД, которое бы объяснило эти наблюдения, но успехов пока особенно нет, включая и теорию TeVeS (тензор-вектор-скалярная гравитация), MoG (модифицированная гравитация) и другие.

Но если оставить законы гравитации Эйнштейна и просто добавить новый ингредиент, холодную и тёмную материю, не испытывающую столкновений, можно объяснить всё, включая и новые, интересные подробности.

Можно объяснить флюктуации в реликтовом излучении, включая «акустические пики», не способные существовать без некоей формы тёмной материи.

Можно объяснить природу скоплений, видимую в крупномасштабных структурах Вселенной, включая большую кривую вверху, и колебания в ней, если принять, что тёмной материи в пять раз больше, чем обычной.

И, самое интересное, можно сделать новое предсказание: при столкновении двух скоплений галактик, внутренний газ должен разогреться, замедлиться и испустить рентгеновское излучение (вверху, розовое), а видимая через гравитационное линзирование масса (голубая) должна последовать за тёмной материей и отделиться от рентгеновских лучей. Это предсказание родилось из наблюдений и продержалось последние десять лет, служа непрямым доказательством существования тёмной материи.

Так что, Райан, МОНД не выигрывает у тёмной материи: она до сих пор объясняет кривые вращения галактик лучше, чём тёмная материя. Но это пока не физическая теория, и она несовместима с целым набором наблюдений, которые у нас есть. Мы слышим о тёмной материи, поскольку она способна дать нам всю Вселенную, без противоречий. МОНД может быть ключом к более полной теории гравитации, и многие надеются когда-нибудь вывести феноменологию МОНД из самой тёмной материи – довольно-таки амбициозная цель!

Но сейчас МОНД не справляется в космологическом плане, что делает её гораздо менее предпочтительной, чем тёмная материя. У неё есть свои адепты и она заслуживает работы, но пока это ещё не подходящая альтернатива. Но сделайте её версию, которая:
1. Воспроизводит все успехи ОТО,
2. Объясняет набор новых явлений,
3. Делает новые проверяемые предсказания,

и я запою по-другому, как и должен будет сделать любой правильный учёный.