«Ручка с бумагой играют роль»

Физик-теоретик Лиза Рэндалл — о том, как искать темную материю в темной Вселенной и при чем здесь сопрано и динозавры

текст: Борислав Козловский

Сегодня у нас на сайте особенный день. В течение нескольких месяцев COLTA.RU читала книги больших ученых — от Эрика Канделя до Лизы Рэндалл и Стивена Пинкера, встречалась и разговаривала с ними, выясняла, как устроен сегодня научный процесс и как сюжеты, волнующие нобелевских лауреатов, касаются нас с вами. Сегодня мы завершаем проект «Большая наука», осуществленный при поддержке «Книжных проектов Дмитрия Зимина», и выкладываем его материалы — все сразу. Благодарим коллег за эту удивительную возможность и желаем вам интересного чтения!

Музыканты сидят за полупрозрачным экраном, на котором показывают то солнечные протуберанцы, то кварк-глюонную плазму. Дело происходит на сцене Центра Помпиду в Париже, и это опера «Гипермузыка. Пролог». Либретто к ней написала профессор теоретической физики Лиза Рэндалл из Гарвардского университета. «Даже режиссер этой оперы проделал путь от точки, где он не знал о науке ничего, до искреннего восхищения наукой», — говорит Рэндалл про самую нестандартную из своих попыток рассказать про идеи современной космологии и физики частиц.

Кроме оперы Рэндалл сочинила для нефизиков несколько книг: про бозон Хиггса, про скрытые размерности пространства и про отличие научного мышления от всех остальных способов понимать мир. Еще одна ее книга — «Темная материя и динозавры» — в начале года вышла на русском в издательстве «Альпина нон-фикшн». Почему ученого, который по работе занимается бозонами и галактиками, интересуют древние ящеры? Потому что возможная причина их гибели — фокусы гравитации в космических масштабах. А виновата в этом, утверждает Рэндалл, странная субстанция, которую профессор изучает уже несколько десятилетий подряд. Физики затрудняются сказать, какой у нее состав, но знают, что во Вселенной ее намного больше, чем всего остального, включая звезды и межзвездный газ. Эта субстанция — темная материя.

Ее путают с антиматерией и «странной материей», которые во Вселенной, похоже, — большая редкость. Зато последние две отлично описывает Стандартная модель современной физики. С темной материей все ровно наоборот: во-первых, ее даже слишком много. Во-вторых, почти любое разумное объяснение предполагает, что из-за нее учебники придется переписывать чуть ли не с нуля — в пользу «новой физики» с какой-нибудь суперсимметрией и сверхмассивными двойниками обычных частиц. И хотя сейчас темная материя и считается главным строительным материалом космоса, еще 50 лет назад она проходила по разряду недоразумений и ошибок в расчетах.

«На самом деле сначала ее называли “упущенная материя”. Люди были абсолютно уверены, что они просто где-то что-то упустили. И до сих пор существуют редкие скептики, которые продолжают так считать», — рассказывает мне Рэндалл.

Из чего вообще сделан космос? До первых работ о темной материи можно было ответить «из звезд», не боясь вступить в конфликт со здравым смыслом. Если, например, поглядеть на Солнечную систему, то 99,8% ее массы приходятся на одно-единственное небесное тело: Солнце. Все остальное — Земля и Марс, Юпитер и пояс астероидов, кометы и пыль — это всего 0,2%, пренебрежимая поправка к массе звезды. По этой логике, чтобы взвесить далекую галактику, достаточно прикинуть общую массу ее звезд. Однако в 1960-е выяснилось, что полученные таким способом цифры никуда не годятся. Астрофизик Вера Рубин, которую теперь часто (и не вполне точно) называют «первооткрывателем темной материи», заметила: одного притяжения звезд недостаточно, чтобы галактики вращались так, как они вращаются, а звезды на периферии не разлетались во все стороны, как камни, выпущенные из пращи. Значит, есть еще невидимый гравитационный клей — та самая недостающая масса. Довольно быстро стало ясно, что ни на какие «темные» небесные тела из обычной материи — пыль, камни, планеты — списать этот эффект нельзя никак. Астрономы привыкли, что все в космосе поддается разглядыванию в телескоп — если не в обычный, то в какой-нибудь специальный. Пыль светится инфракрасным светом, невидимые нейтронные звезды испускают радиоволны, межзвездный газ рядом с черной дырой — жесткие рентгеновские лучи. А этот потерянный довесок не излучал ни в каком диапазоне.

Если не к 70-м, то к 80-м астрономы свыклись с фактом, что большая часть начинки космоса для них — непонятная вещь в себе. (Слово «темная» стоит понимать именно в этом смысле — темное дело, темная история. Потому что на самом деле темная материя просто обязана быть абсолютно прозрачной, прозрачнее самого прозрачного стекла — раз она не взаимодействует со светом, то не может его и задерживать, как полагается по-настоящему темным объектам в космосе вроде пылевых облаков. Еще она должна быть неосязаемой, раз электромагнитные силы на нее не действуют: пушечное ядро из материала с такими свойствами проходило бы сквозь людей и стены, не причиняя им вреда.)

По-хорошему, вещь в себе она и сейчас. «Проблема в том, что мы не знаем, что такое темная материя», — признается Лиза Рэндалл сегодня, в 2017-м. Эту субстанцию пока так никто и не разглядел в телескоп и не подержал в руках. 88-летняя Вера Рубин умерла в прошлом декабре, не дождавшись Нобелевской премии, которую за не подтвержденные прямым доказательством идеи, даже самые блестящие, предпочитают не давать. Если открытия не случилось, чем, спрашивается, занимались исследователи темной материи все это время?

«Я думаю, с тех пор кое-что поменялось, — говорит профессор Рэндалл. — Прежде всего, есть множество идей о том, чем темная материя могла бы быть».

Рэндалл — физик-теоретик и убеждена, что ключевые инструменты для исследования космоса — по-прежнему ручка и бумага. «Есть наблюдатели. Есть те, кто анализирует данные. Есть люди, которые придумывают, как данные анализировать. Но ручка с бумагой играют не последнюю роль, потому что, если вы просто загрузите все в компьютер и запустите программу-симулятор, вы можете получить правильный ответ, но не будете понимать, что происходит».

Google Scholar, поисковик по научным статьям, по запросу dark matter только среди публикаций 2017 года находит 56 тысяч работ. В заголовках упоминаются стерильные нейтрино, аксионы, сверхтекучесть и суперсимметрия, распад бозона Хиггса и распад кварков — кажется, что чуть ли не каждая элементарная частица и чуть ли не каждый процесс, который изучает физика высоких энергий, могут иметь отношение к темной материи. Взрывной рост числа таких работ Рэндалл связывает с «началом эры Большого адронного коллайдера»: на нем стало можно в промышленных объемах проверять (и чаще всего отбраковывать) гипотезы теоретиков про поведение элементарных частиц.

В начале XX века физики научились ценить отрицательные результаты. Альберт Майкельсон получил свою Нобелевскую премию в 1907 году, в частности, за то, что попробовал обнаружить в эксперименте мировой эфир — и ничего не увидел. История темной материи — это десятки экспериментов с отрицательным результатом. «Что интересно — люди не только приходят с идеями, из чего темная материя может быть сделана, но и сразу предлагают способ проверить, правильная это идея или неправильная», — говорит Рэндалл. Каждый из таких экспериментов ставит крест на какой-нибудь из прежних теоретических возможностей — и упрощает дальнейшие поиски.

Уже известно довольно много о том, чем темная материя быть не может. Это не нейтрино, которые без проблем проходят Землю насквозь и превосходят числом все другие элементарные частицы. Не коричневые карлики, то есть холодные звезды размером больше Юпитера и меньше Солнца. И не черные дыры тяжелее одной трети массы Луны (такая черная дыра имела бы диаметр примерно в одну десятую миллиметра) — хотя остается возможность, что еще более мелкие черные дыры подойдут на эту роль.

От всего этого есть ощущение, что спор теоретиков — аксионы или частицы WIMP, горячая темная материя или холодная, вступает она в слабые ядерные взаимодействия или не вступает — происходит в заоблачном пространстве отвлеченных сущностей, где сложно почувствовать себя болельщиком одной из сторон. То ли дело прежняя астрономия с ее вопросом, есть ли жизнь на Марсе.

Современная космология имеет дело с масштабами в сотни миллионов световых лет, красными смещениями галактик и древним реликтовым излучением, которое приходит к нам в виде микроволн (а самый главный вывод про количество темной материи во Вселенной основывается на наблюдениях спутника Planck именно за этими микроволнами). Кажется, что ничего наглядного — да и вообще понятного человеку без PhD по физике — в такой науке нет.

И именно тут появляются динозавры. Да и вопрос про жизнь на Марсе оказывается напрямую связан с тем, из чего сделана темная материя и где ее искать.

Принято считать, что динозавров 65 млн лет назад убил астероид, который врезался в Землю, резко изменил ее климат и оставил на память о себе 180-километровый кратер в Мексике. На вопрос, почему он врезался, проще всего ответить «ну, динозаврам не повезло» — в конце концов, гигантские камни летают по Солнечной системе до сих пор, NASA ведет им учет, но предсказать что-нибудь вроде недавнего Челябинского метеорита по-прежнему практически невозможно.

Более глубокий ответ — и здесь начинается территория гипотезы, сформулированной профессором Рэндалл, — состоит в том, что время от времени шансы быть убитым астероидом или кометой резко возрастают. Такие небесные тела сходят со своих неустойчивых траекторий далеко за орбитой последней планеты из-за гравитационного возмущения извне. И направляются ближе к Солнцу, во внутреннюю Солнечную систему — то есть как раз туда, где находятся Земля и Марс.

В таких случаях на помощь космологам приходит старая проверенная небесная механика — хорошо разработанная наука о том, как движутся в окрестностях Земли планеты, астероиды и кометы. Крошечная по меркам космологов Солнечная система — что-то вроде лакмусовой бумажки для наблюдения за процессами в большом космосе. Рэндалл вспоминает, как ей для решения космологических задач пригодились расчеты, произведенные почти 60 лет назад для искусственных спутников. «Статьи русского ученого Лидова, которые он написал в начале 1960-х или около того, помогли нам понять, например, как черные дыры сливаются. Это называют эффектом Кодзаи — но на самом деле правильно говорить про эффект Кодзаи—Лидова», — говорит она. Молодого выпускника мехмата Михаила Лидова (который позже будет отвечать за посадку на Луну советских межпланетных станций) тогда всего-навсего интересовало, какие гравитационные возмущения могут сбить спутник с расчетной орбиты.

Какое «внешнее гравитационное возмущение» могло сбить с орбиты астероид, уничтоживший динозавров? Рэндалл убеждена, что большие вымирания с периодом в несколько десятков миллионов лет — результат блужданий Солнца по нашей Галактике, где темная материя распределена неравномерно. Когда оно проходит сквозь область, где темной материи особенно много, под действием ее притяжения начинается хаос, а астероиды и кометы сходят с орбит.

«Мы предсказываем тонкий плотный диск из темной материи», — говорит Рэндалл. Этот диск должен лежать в плоскости Млечного Пути, а Солнце оказывается то сверху, то снизу от него — как если бы оно было иголкой, которая делает стежки сквозь ткань. Катастрофы случаются, когда Солнце оказывается точно в плоскости диска. «Лучшим подтверждением нашей идеи будет, если удастся пронаблюдать сам темный диск. Его легко обнаружить по его гравитационным эффектам — нужно найти место, где звезды, то есть их скорости и координаты, распределены особенным образом». Спутник GAIA, запущенный Европейским космическим агентством в 2013 году, занимается именно такими наблюдениями: его задача — описать перемещения в трехмерном пространстве примерно миллиарда звезд Млечного Пути.

Есть шансы, что в результате гипотеза не подтвердится. Но это не катастрофа: в опере по либретто профессора Лизы Рэндалл время от времени рвут бумагу, а потом достают новую. Чтобы, вероятно, записать на ней что-нибудь новое.