Экстравагантные консерваторы и консервативные эксцентрики

Сергей Попов,
кандидат физико-математических наук
«Троицкий вариант» №21(40), 27.10.2009

Напридумывали ученые всякого!

То черные дыры, у которых поверхности нет, а в центре — сингулярность.

То темная материя с темной энергией, которых никто не видел.

То эволюция у них с отбором, а промежуточных звеньев кот наплакал...

Всё наверняка гораздо проще!

Не проще. Если не так, то всё еще сложнее. Об этом и поговорим.

Начнем с того, что разберем на примере черных дыр утверждение «ученые верят, что ...».

Верят ли ученые в черные дыры?

Для меня, как астрофизика, подход состоит примерно в следующем: «Если выглядит, как утка, ходит, как утка, и крякает, то это — утка». То есть для астрофизиков в подавляющем большинстве случаев черная дыра — это не объект со строго определенными внутренними свойствами и т. п., а объект с определенными астрофизическими характеристиками с точки зрения удаленного наблюдателя. Темный источник с радиусом около 10 километров, массой в несколько солнечных и без каких бы то ни было проявлений поверхности для астрофизика является черной дырой. То же самое можно сказать и про сверхмассивные черные дыры. Поэтому астрофизик, если только он не занят специально поиском астрофизических свидетельств для решения вопроса о каких-то физических свойствах кандидата в черные дыры (в первую очередь — вопроса о наличии горизонта), лишь принимает некоторую стандартную рабочую модель, в которой ряд тонкостей не важен. Теперь будем разбираться, почему именно эта модель считается стандартной.

Важно понять одну вещь. Ученые достаточно эгоистичны как профессионалы.

Наука — очень конкурентная среда. И задача ученого не покрывать коллег в их заблуждениях, а открывать нечто новое. Более того, несравненно интереснее и, если угодно, почетнее не подтвердить в очередной раз некую теорию, а показать ее несостоятельность. Поэтому постоянные проверки общей теории относительности (ОТО) и другие подобные работы — это не попытки «снова подтвердить», а попытки найти что-то новое в ранее неисследованном диапазоне параметров. Поэтому кроме массы астрофизиков, просто работающих с черными дырами как со стандартной моделью, существуют специалисты, которые пытаются решить вопрос о возможности астрофизических тестов, могущих, например, показать наличие или отсутствие поверхности у кандидатов в черные дыры. Пока всё говорит о том, что поверхности нет. Например, сильным аргументом является серия работ, в которых показано, что отсутствие горизонта приводило бы к накоплению вещества на поверхности или внутри альтернативного компактного объекта. А накопление критического количества водорода или гелия приводило бы к вспышкам, подобным тем, что наблюдаются от так называемых рентгеновских барстеров — известных двойных систем с нейтронными звездами. А вспышек от кандидатов в черные дыры нет. Так что с астрофизической точки зрения гипотеза о черных дырах не сталкивается с трудностями, несмотря на постоянные попытки эти трудности найти.

А что с физикой? Ведь важно не просто заявить о том, что «черные дыры — это непонятно и плохо», важно предоставить работающую альтернативу, которая не имеет ни проблем с теорфизической точки зрения (объект устойчив, модель не содержит внутренних противоречий и т. п.), ни проблем с точки зрений наблюдений. Поиски таких альтернатив постоянно идут. Но важно, что эти альтернативы более сложны, чем черные дыры, и требуют гораздо большей экзотики.

В самом деле, черные дыры — это, пусть и странное, следствие ОТО. ОТО — теория, которая постоянно проверяется на самых разных масштабах: от лабораторных до вселенских. Постоянно идут поиски альтернативных теорий. Но несмотря на все усилия разработать новую модель или найти существенные нестыковки или противоречия, ОТО остается непобежденной. Большинство предложенных альтернатив стандартным черным дырам требует другой теории гравитации. То есть, с точки зрения физики, черные дыры — это самая неэкзотичная модель. Равно и с точки зрения астрофизики. Эту ситуацию очень емко обрисовал Эдвин Салпитер (Edwin Salpeter): «Черная дыра в источнике Лебедь X-1 — это самая консервативная гипотеза».

Попробуем подвести промежуточный итог. Конечно, нет никакой слепой веры в черные дыры. Для большинства астрофизиков это лишь некоторая модель, и результаты работы этой большой группы ученых просто нечувствительны к деталям внутренних свойств компактного объекта. С точки зрения физиков, которые пытаются разобраться во внутренних свойствах этих загадочных образований, черная дыра является достаточно консервативной гипотезой, следующей из хорошо проверенной теории. Любая альтернатива черным дырам требует привлечения крайне экзотических механизмов. Так что приверженность к черным дырам — это следствие разумной консервативности исследователей.

Мяуканье в темной комнате: ваша гипотеза?

Другая «экзотика», которую привлекают в рассуждениях о «слепой вере ученых», — это темная материя. Напомним, что история началась еще в 30-е годы, когда было замечено, что для удержания горячего газа в скоплениях галактик не хватает массы видимого вещества. Стали говорить о «скрытой массе». Затем появились данные о вращении галактик. Оказалось, что и там требуется наличие невидимой массы.

В течение долгого времени пытались выявить класс объектов (например, компактные объекты, слабые звезды, газ или пыль и т. п.) из обычного (барионного, то есть состоящего из протонов и нейтронов) вещества. Но это ни к чему не привело. Кроме того, космологические данные говорят о том, что барионного вещества не может быть столь много, это противоречило бы наблюдательным данным по так называемому первичному нуклеосинтезу (образованию элементов в молодой Вселенной). Поэтому стандартной стала гипотеза о темном веществе.

Гипотеза состоит в том, что мы имеем дело с небарионным веществом. Есть несколько кандидатов в частицы темной материи, которые достаточно естественным образом возникают в физических моделях. Тем не менее постоянно обсуждаются альтернативы темному веществу. Действительно, может быть можно обойтись без введения нового типа частиц, которые, тем более, никто пока не смог «ухватить за бороду», несмотря на десятилетия поисков. Может быть, есть более простые пути?

Путь есть, но вот прост ли он... Требуется «всего лишь» сказать, что закон всемирного тяготения разный на разных масштабах. Закон сейчас хорошо проверен в масштабе от сантиметра (лабораторные эксперименты) до миллиардов километров (Солнечная система). Но вдруг на масштабах в тысячи световых лет что-то не так? Тогда кривые вращения галактик можно объяснить без темного вещества.

А вдруг на масштабах миллионов световых лет (размер скопления галактик) снова что-то меняется? Тогда и горячий газ в скоплениях можно объяснить...

Не могу сказать, что мне кажется более простым менять закон всемирного тяготения всякий раз, когда у нас что-то не сходится. Введение новой, причем одной, частицы, для возникновения которой есть физическая мотивация, кажется более простым. Здесь уместно вспомнить о том, как Вольфганг Паули ввел нейтрино. Речь ведь шла, ни много ни мало, о возможном нарушении законов сохранения! И многие известные физики уже были готовы на такую жертву. Но появилась гипотеза о том, что в некоторых реакциях (например, при бета-распаде) рождается дополнительная, пока неизвестная частица. Причем свойства частицы таковы, что она очень плохо взаимодействует с веществом. Согласитесь, вроде не самый лучший способ решать проблемы — предложить новую неуловимую частицу. Но в итоге это оказалось верным. Законы сохранения устояли. Видимо, такова же ситуация и с темным веществом.

Тем более что есть два набора данных, которые дают очень сильные аргументы в пользу именно темной материи, а не модифицированной гравитации. Во-первых, это большой комплекс космологических данных. Здесь нет возможности вдаваться в детали, но объяснение данных по реликтовому фону, формированию крупномасштабной структуры и т. д. и т. п. без привлечения темного вещества потребует такой странной экзотики, что модель будет выглядеть шаткой, противоестественной и малопривлекательной.

Во-вторых, есть потрясающие данные по столкнувшимся скоплениям галактик. Совмещение нескольких методов наблюдений дало возможность показать, что основная масса вещества в скоплениях сосредоточена в невидимом веществе, частицы которого слабо взаимодействуют как друг с другом, так и с обычным веществом.

Конечно, для окончательного подтверждения гипотезы надо будет поймать частицы с помощью лабораторных установок. И эксперименты идут. Но сейчас и без положительных результатов по лабораторному поиску темная материя является стандартной гипотезой, поскольку она позволяет с минимальными предположениями объяснить широкий комплекс данных, что не могут сделать альтернативные теории.

Пока меньше данных о темной энергии — последней астрофизической диковинке. Но и тут работает тот же подход: эта модель при минимальных предположениях позволяет объяснить данные наблюдений.

Таким образом, подход науки остается консервативным: вся «стандартная экзотика», несмотря на свои удивительные свойства, менее противоестественная, чем предлагаемые альтернативы. Но если в будущем ситуация изменится, то поменяются и стандартные гипотезы.