То, чего мы не видим, не существует

Есть два способа анализа окружающих нас явлений. Первый: если есть что-то, что вы видите, но не понимаете, можно предположить, что оно объясняется чем-то, чего вы не видите, но понимаете.

Когда обнаружилось, что края галактического диска вращаются с той же скоростью, что и центр, это стало модным ответом: края диска крутятся быстрее, чем должны, потому что бóльшей части материи, обусловливающей их вращение, мы не видим.

Второй вариант: то, чего мы не видим, не обязательно существует — а значит, то, что мы видим, обязательно можно (нужно) объяснить, исходя только из того, что мы достоверно наблюдаем.

У этого подхода тоже длинная история, и речь даже не об обоснованной критике слонов и черепахи. В 1983 году Мордехай Милгром предположил, что если мы слегка модифицируем гравитационную константу или чуть-чуть изменим второй закон Ньютона (m = F/a) при очень малых значениях гравитационного ускорения, то всё у нас получится. Если верить его «модифицированной ньютоновской динамике» (Modified Newtonian Dynamics, MoND), скорость звёзд, вращающихся вокруг центра галактики на её периферии, постоянна и не зависит от дистанции до центра. Слабость концепции очевидна: чтобы МоНД работала, нужно ввести настраиваемый параметр, ту самую модификацию. Обосновать последнюю теоретически и строго пока не получается. И это только основная проблема теории, а по её слабостям в целом можно писать тома.

В рамках предложенной г-ном Маккаллохом концепции с ошибкой всего в 30–50% удаётся предсказать параметры вращения дисков наблюдаемых галактик. (График M. E. McCulloch.)

Физик Майкл Маккаллох из Плимутского университета (Великобритания) предложил модель, сходную со второй инерциальной версией МоНД. В ней гравитационная масса, определяемая как влияние тела на окружающие тела притяжением, и инертная масса, определяемая как сопротивление тела внешнему воздействию, различны при малых ускорениях. Напомним: в 1907 году Альберт Эйнштейн постулировал, что эти массы равны при всех условиях (принцип эквивалентности).

«Ускорения [гравитационной природы], с которыми мы знакомы на Земле, примерно равны 9,8 м/с², — пишет Майкл Маккаллох. — На краях галактик ускорение [которому подвергаются вращающиеся там звёзды] составляет порядка 10^–10 м/с². При таких крохотных ускорениях, чтобы достичь скорости в 1 м/с, вам потребуется 317 лет, а для 100 км/ч — 8 500 лет».

Модель Маккаллоха предполагает следующее: чтобы тщательно рассчитать инертную массу объекта, надо учесть излучение фотонов (или излучение Унру). Оно возникает, когда ускоряющийся наблюдатель видит фон излучения вокруг себя, даже если смотрящий на него неподвижный наблюдатель не видит ничего. Из этого вытекает, что основное квантовое состояние (вакуум) в неподвижной системе кажется состоянием с ненулевой температурой в ускоряющейся системе отсчёта (ускоряющемуся наблюдателю). Таким образом, если вокруг неподвижного наблюдателя находится только вакуум, то, начав ускоряться, он увидит вокруг себя много частиц, находящихся в термодинамическом равновесии, — тёплый газ.

Отметим, что хотя одна работа 2010 года и показала реальность экспериментальной проверки эффекта Унру, на практике его пока не регистрировали.

Свою модель Майкл Маккаллох называет «модифицированной инерцией, вытекающей из эффекта Казимира в хаббловском масштабе» (МиЭКХМ, или квантованной инерцией). По мере возрастания ускорения объекта длины волн излучения Унру растут до хаббловских масштабов. Радиация в МиЭКХМ ответственна за часть инертной массы тела в ускоряющейся системе отсчёта (то есть практически любого тела в реальном мире), и это значит, что падение ускорения ведёт к падению инертной массы тела при сохранении гравитационной на прежнем уровне. Поскольку инертные массы звёзд на периферии галактических дисков очень малы (мало ускорение), то, чтобы вращать их с большой скоростью, нужно гораздо меньшее воздействие, чем в центре диска.

«Смысл в том, — поясняет г-н Маккаллох, — что [для объяснения ускоренного вращения галактических дисков] вы можете или увеличить гравитационную массу (ГМ), чтобы звёзды удерживались большей массой, или уменьшить инертную массу (ИМ) звёзд так, чтобы они могли легче удерживаться на орбите вокруг тех меньших существующих гравитационных сил, что исходят от видимой массы. МиЭКХМ (квантованная инерция) реализует именно этот сценарий».

Логично было бы предположить, что исследователь попробует проверить свою идею, сравнивая её с параметрами вращения наблюдаемых галактик. Правда, по таким сравнениям расчётная скорость вращения краёв галактик и скоплений на 30–50% выше наблюдаемой. Но это, как ни странно, не опровергает теорию. Дело в том, что мы, во-первых, никак не можем определиться с постоянной Хаббла, от которой зависят подобные расчёты, а во-вторых, рассчитать корректно соотношение масс звёзд и их светимости на современном этапе нельзя.

Интересно, что, при всех отличиях новой теории от МоНД, из МиЭКХ также вытекает, что судьба спиральных галактик (и нашей тоже) будет сильно отличаться (слева направо) от предсказанной доминирующими теориями. (Иллюстрация Olivier Tiret / LERMA.)

По мере падения ускорения излучение Унру будет иметь нарастающие длины волн, которые превысят хаббловский масштаб, то есть перестанут быть возможны. Что значит «перестанут быть возможны»? «Это такой тип мышления: ”Если вы не можете прямо наблюдать что-то, то забудьте об этом”. Да, он может показаться странным, — признаёт Майкл Маккаллох, — но у него есть выдающаяся история... его использовал Эйнштейн, чтобы дискредитировать ньютоновский концепт абсолютного пространства и сформулировать специальную теорию относительности… Но вернёмся к МиЭКХМ: при малых ускорениях звёзды не могут видеть излучение Унру и очень быстро начинают терять свою инертную массу [которую не дополняет излучение], что облегчает внешним силам задачу вновь ускорить их, после чего они видят больше волн излучения Унру, их инертная масса растёт, и они замедляются».

В рамках этой модели ускорение вращения краёв галактического диска объясняется относительно легко и без неясных модификаторов, требовавшихся МоНД. Правда, тезис «То, чего мы не видим, не существует» в отношении звёзд галактических периферий кажется странным, но всё же следует признать, что он не «страннее» гипотезы тёмной материи.

Как видим, сейчас опровергнуть или подтвердить МиЭКХМ очень сложно. Ясно одно: принцип эквивалентности, внедренный Эйнштейном, с ней не согласен. То есть, конечно, сей принцип экспериментально проверялся, и не раз. Но вот беда: это вовсе не означает, что он опровергает МиЭКХМ.

При нормальном ускорении, наблюдаемом в земных лабораториях (9,8 м/с²), расхождения между принципом эквивалентности (ГМ = ИМ) и МиЭКХМ крохотны и не поддаются измерению (существующими приборами). При 10^–10 м/с² разница существенна, но где на Земле взять такие условия, чтобы на тело действовало столь слабое ускорение?

Более того, имеющиеся методы экспериментальной проверки принципа эквивалентности на Земле вообще не могут установить истину, если МиЭКХМ верна. Ведь чем выше ускорение (а у нас оно всегда немаленькое, ибо гравитация), тем больше инертная масса и тем меньше она отличается от гравитационной!

Так как же проверить экспериментально столь экстравагантную теорию? Самый простой ответ: протестировать всё это на космическом аппарате, находящемся далеко от земной гравитации, в невесомости. Поэтому сейчас физик озабочен получением финансирования для опытного тестирования своей гипотезы.

Соответствующее исследование опубликовано в журнале Astrophysics and Space Science, а с его препринтом можно ознакомиться здесь.

Подготовлено по материалам Phys.Org.