Но, если такие частицы действительно существуют, то они должны без препятствий проникать везде через вещественную материю, состоящую из атомов. Но именно этот факт препятствует наблюдению этих частиц, ибо они могут проникать незамеченными через любой детектор, построенный на базе современных технологий.
Необходимо обнаружить такую частицу, которая будет очень слабо действовать на наши мишени, и не будет менять их состояние, если их взаимодействие произойдет. По поиски темной материи не дали положительных экспериментальных результатов. Экспериментальное обнаружение Темной Материи, основанное на теоретических исследованиях, безусловно, стало бы величайшим открытием в физике. Как в физике, и так и космологии эта проблема настолько фундаментальна, что ответ на этот вопрос стал бы колоссальным событием в науке. Но пока эта материя ни в какой форме не обнаружена. И многие ученые считают такой поиск пустой тратой времени. Теоретически предсказанное явление в виде Темной Материи не доступно для сегодняшней экспериментальной базы. Ее надо совершенствовать, либо искать иные способы постановки физического эксперимента. Ведь возможны косвенные или наблюдательные эксперименты. Теория должна, прежде всего, предоставить физикам неопровержимые однозначные научные выводы.
Для ученых тот факт, что Темная Материя до сих пор не найдена, означает лишь то, что найти ее очень трудно. При этом, другие ученые считают, что нет необходимости искать темную материю в недрах галактик, а надо лишь модифицировать законы физики, считая законы Ньютона неточными. Наблюдаемые кривые вращения космических тел с точки зрения Законов Всемирного Тяготения совершенно бессмысленны, если не ввести дополнительную гравитацию. Это можно сделать двумя способами: либо учесть Темную Материю, либо считать, что обычная гравитация в областях пространства становится больше. Однако не так часто случается, чтобы законы физики не работали. Опровергать Ньютона опасно, надо искать какие-то уточнения, граничные условия на исходные данные. Поэтому Милли Кром разрабатывает гипотезу нового закона гравитации на основе строгих математических построений, стараясь убедить остальной научный мир в своей правоте.
В 1981 году ученый Кром представил свою теорию по вопросам гравитации и темной материи. Однако, ученый мир встретил ее отрицательно. В то время изменение гравитации воспринималась как слишком радикальная концепция, а понятие Темной Материи, несмотря на его экстравагантность, вызывала намного больший интерес. Теперь у астрономов возникла необходимость решить глобальную загадку Вселенной. И М. Кром представляет свою теорию как способ разобраться в том, как работает Вселенная.
За последние годы в вопросе понимания законов Вселенной заметен существенный прогресс. Сегодня мы имеем самосогласованную картину развития нашего мира, начиная с момента Большого Взрыва и до нынешнего времени, когда существует множество галактик, в одной из которых находится Солнечная Система. Профессор Френк, как и другие космологи, хочет узнать историю эволюции всей Вселенной, и теория Темной Материи его весьма интересует. Сложнейший вопрос состоит в том, чтобы подсчитать, сколько во Вселенной имеется Темной Материи. Как это можно узнать, ее же видно. Необходимо обратиться к косвенным аргументам, и они должны быть очень весомыми. Одним из них является теория Большого Взрыва, которая теоретически предсказывает общую массу современной Вселенной.
К стати следует отметить, что теория Большого Взрыва также не вышла на уровень окончательного постулата. По этому вопросу идет много споров. Ряд ученых считает нашу вселенную многослойной и пульсирующей (об этом подробно говорится в другом разделе).
Как уже говорилось, оценка массы вещества во Вселенной дает нам всего 4% от той, что предсказана теорией Большого Взрыва. Тогда теоретически на долю Темной Материи остается 96% материальной массы. В начале 90-х годов прошлого века начались экспериментальные попытки получения точного значения массы Темной Материи. Когда был поставлен такой вопрос (А. Карлос), то результат получился катастрофический. Ее количество оказалось составляет не более 25% общей массы. То есть Темной материи получилось почти в 4 раза меньше, чем необходимо для существования Вселенной, как устойчивой системы. То есть получилась бессмысленная с точки зрения фундаментального знания картина Мира.
Создавалось впечатление, что мы пропускаем что-то очень важное, что делает нашу Вселенную простой и элегантной. Когда космология посчитала картину Вселенной очевидной, возникла дыра в виде 70% недостающей массы. С тех пор как понятие Темной Материи появилась в космологии, оно превратилось в сугубо теоретическую и ничем не неопределяемую физическую сущность, которая не смогла обеспечить недостающие 96% космической материи (энергии). Здесь следует упомянуть об эквивалентном преобразовании в природе вида энергия - материя.
В 1998 году Теория Большого Взрыва преподнесла еще один сюрприз. Соупт Мутор начал работать на одном из крупнейших телескопов, чтобы измерить скорость расширения Вселенной. В те годы ученые были уверены, что за счет гравитации скорость расширения должна была бы замедляться, так как все вещество во Вселенной взаимно притягивается. Но мы не знали, будет ли этого замедления достаточно для того, чтобы Вселенная однажды схлопнулась. Или она будет расширяться вечно, замедляя скорость расширения до бесконечно малых значений.
Профессор Перемутор измерял, с какой скоростью удаляются от нас самые близкие и далекие сверх новые звезды. Было определено, что скорость расширения Вселенной постоянно увеличивается. Это был неожиданный результат. На первый взгляд это казалось невозможным. Это противоречило основным законам физики. Ни одна из самых совершенных физических теорий не могла объяснить этого явления.
Однако, этот странный результат стал началом большого прорыва. Ведь для такого ускорения требовалась огромная энергия. Но так как энергия эквивалентна массе, то вычисления давали ровно 75% недостающей энергии Вселенной.
Недостающую энергию назвали Темной Энергией. Это и заполнило пробел в модели Вселенной. Наконец вид Вселенной по двум моделям, Темная Энергия и Большой Взрыв, совпали. Хотя следует отметить, что сущность последних двух понятий никто не может объяснить.
Так родилась новая структурная космологическая модель. Но ее появление вызвало много возражений. Дисней, крупнейший космологический скептик: « Это не доказанная теория, не позволяющая сделать никаких выводов». «Величайшим препятствием на пути научного прогресса является иллюзия того, что явление кажется понятным. Это похоже на дискуссию на тему - существует ли Бог». Но Френк Карлос создает модель Вселенной. Он убежден в том, что у него есть возможность доказать своя правоту через компьютерный аналог Вселенной. Модель Карлоса основывается на поиске условий, которые спасут Вселенную от распада. Математические модели можно было бы отбросить, если бы они не были столь изящны и убедительны. Неясная темная модель используется для успешного объяснения вполне измеряемых величин, даже форма галактики описывается с большой точностью.
Именно темная материя заставила через сближение вещества, через его концентрацию образовываться галактикам. Получается очень хорошее совпадение между моделями и реальными галактиками. То есть, компьютерная, виртуальная модель очень хорошо совпадает с реальной Вселенной.
Аргументам не хватает доказательности. Но этот пробел можно восполнить. Дейфс Мергель, лучший американский астрофизик в 2003 году проектировал спутник, с которого была запущена станция Дельта-2 для изучения процесса эволюции Вселенной. Данные, полученные со спутника, подтверждают космологическую модель Карлоса. На сегодняшний день это самая убедительная модель, где первичная материя конденсировалась из общей горячей массы. Результаты, полученные с помощью спутника, дали хорошее подтверждение универсальной модели.
На сегодня единственной альтернативой Темной Материи является положение, что теория Ньютона не верна, и гравитация не везде одинакова. Конечно, теория Темной Материи потребует серьезной ревизии нашего понимания природы. Стандартная модель Вселенной сейчас является новейшей в долгой череде идей. Окажемся ли мы тем самым привилегированным поколением, которому довелось жить в эпоху окончательного знания.
7. Астрофизика (физика звезд на поздней стадии эволюции)
Из выступления директора Государственного астрономического ин-та им. Штейнберга, академика РАН, профессора, Черепащук.
Чёрные Дыры, Кротовые Норы, Тёмная Материя, Тёмная Энергия. Свойства этих новых форм материи очень необычны и поэтому в их реальное существование верится с трудом. Но эти современные открытия сегодня чётко обоснованы наблюдательными данными. Астрономия является наблюдательной наукой. Она не имеет возможности прямого воздействия на изучаемые объекты. При исследованиях в астрофизике решаются обратные задачи. То есть, по принятым излучениям мы пытаемся восстановить те объекты и причины, которые эти следствия вызывают. Но обратные задачи - это очень трудные задачи, в большинстве своём они некорректно поставлены. То есть малым возмущением наблюдательных данных могут соответствовать сколь угодно большие возмущения объекта исследований. По этому интерпретировать астрономические данные очень не просто, что чревато неоднозначными результатами. Кроме того, многое зависит от типа используемой модели. Примером решения прямой и обратной задачи может служить тюбик с пастой.
А.Н. Тихонов разработал аппарат для решения некорректных задач. Он показал, что имеется два варианта решения обратной задачи. Первое, это использование априорной информации об объекте. То есть, необходимо построить оптимальную модель. Второе направление - это использование возможно широкого диапазона наблюдательных данных, что позволяет получить устойчивое решение. К сожалению, астрономия до середины 50-ых годов ХХ века работала в очень узком оптическом окне, когда изучаемый диапазон в очень узком оптическом окне, от инфракрасных лучей отстоял всего на два диапазона электромагнитных волн, приходящих из космоса. Атмосфера Земли не прозрачна для этого излучения.
После того, как был запущен искусственный спутник Земли, открылись новые возможности изучения космических лучей, поскольку с приборами вышли за земную атмосферу. В СССР была открыта эра космических исследований, и перед астрономами открылся бесконечный мир космоса. Сегодня мы изучаем Вселенную в широком электромагнитном диапазоне: от гаммы лучей, рентгеновских лучей, ультрафиолетовых лучей, до инфракрасных и радио лучей. Диапазон принимаемых излучений увеличился от двух раз до 1016 раз. Это привело к тому, что надёжность интерпретации данных космических наблюдений сравнилось с надёжностью лабораторных физических экспериментов.
Из чего состоит Вселенная? Рассмотрим её энергетический состав.
4% - это барионные вещества, это атомы и молекулы, молекулы это материальная часть Вселенной.
20% - это Тёмная Материя, уникальный вид материи, которая ничего не излучает, ничего не поглощает, так как она не подвержена магнитным и ядерным взаимодействиям. Она проявляет себя только гравитационными силами. Она, видимо, состоит из каких то дискретных элементов, так как концентрируется к массам барионного вещества, гравитационно окучивается.
Более 70% - это Тёмная Энергия. Этот тип материи негравитационно окучивается. Это некоторая совокупность полей. Она ничего не излучает и ничего не поглощает и обладает свойством отталкивания (антигравитация). Видимо, Тёмная Энергия ответственна за разбегание галактик. Чтобы это обнаружить потребовались огромные усилия учёных и применения современных средств наблюдения, что наблюдается наземными устройствами и космическими аппаратами.
Каково же наблюдательное проявление Тёмной Материи? Ещё в 1933 году учёные указали на необычность свойств галактик в скоплениях, их неустойчивость, скручивание, что образует концентрацию из сотен и тысяч галактик. В нашей Вселенной таких скоплений примерно 100 000. В скоплениях галактики движутся с очень большими скоростями в 1000 км/сек. Если посчитать массу всех видимых галактик, то оказывается, что её недостаточно, чтобы удержать галактики, движущиеся с такими огромными скоростями. Система была бы неустойчива, она бы разрушилась и погибла. Но таких скоплений многие тысячи и они являются стационарными. А, следовательно, чтобы их удерживать необходимо присутствие ещё дополнительной массы. Эту массу и называют Тёмной Материей. Её должно быть в 10 раз больше, чем видимой материи, образующей вещественную Вселенную.
Если смотреть в космическое пространство через мощный телескоп, то мы уже не увидим звёзд, а увидим скопление галактик в виде туманных пятен. Сами галактики вращаются, что изучается с помощью эффекта Доплера. Сравнивая излучения от центра галактики её периферии, и по смещению линий поглощения спектра звёзд определяется скорость вращения. Знаю форму галактики, по линиям смещения можно установить её линейную скорость.
Оказывается, что галактики тоже ведут себя странным образом. Если бы они состояли только из барионного вещества, то их основная бы масса была бы сосредоточена в центральной части, а остальные бы звёзды вращались бы вокруг центральной массы по закону Ньютона. Скорости их вращения должны были бы уменьшаться от центра к периферии пропорционально vR. Однако ничего подобного во Вселенной не наблюдается. Скорости Галактик остаются постоянными по абсолютной величине вплоть до расстояния в многие десятки кило парсек. Это постоянство скорости вращения галактик свидетельствуют о том, что помимо обычных звёзд существует дополнительная масса - Тёмная Материя. И масса Тёмной Материи должна быть в 5-10 раз больше массы звёздного вещества.