Темная материя на пальцах

Темная материя на пальцах

https://t.me/mycosmos

эпиграф

Вихри враждебные веют над нами,

Темные силы нас злобно гнетут.

Варшавянка

Сразу начну со спойлера — сегодня, на начало 2018 года, темная материя это не что иное, как ошибка в уравнениях Эйнштейна. Мы, человечество, не знаем наверняка, что такое темная материя и существует ли она вообще, мы можем только сказать, что предсказания формул Эйнштейна и наблюдаемая действительность расходятся.


Теперь подробнее. 400 лет назад Ньютон придумал теорию гравитации, где на тела, обладающие массой, действовала сила, которая заставляла тела притягиваться пропорционально их массе и обратно пропорционально квадрату расстояния между ними. Что это за сила, откуда берется и как действует, великий ученый так и не объяснил (в чем сила, Исаак?) Просто действует, и просто притягиваются, все. Если что, вот формула, как это происходит. А почему? Да, кто ж его знает, почему...


Гравитация по Ньютону


Через 300 лет Эйнштейн сказал, что нет никакой силы вовсе. Масса гнет пространство–время вокруг себя, и предметы начинают притягиваться и вообще двигаться криво, потому что само пространство–время получилось такое кривое, и телам некуда деваться. В какую сторону пространство кривое, туда предмет и движется. А почему он, кстати, вообще движется, а не успокоится на месте в этом кривом пространстве? Так потому, что не просто пространство, а пространство–же–время! Время никогда не останавливается, время всегда идет вперед, отчего в пространстве–времени невозможно стоять на месте, приходится двигаться с ним в ногу, как минимум со скоростью одна минута в минуту, а если повезет и тебя кто–то толкнул (а как иначе в невесомости?), то можно и по пространству начать перемещаться, забрав чуточку движения у скорости времени. Как и почему движение в пространстве всегда происходит как бы у скорости времени взаймы, читайте статью "Специальная Теория Относительности на пальцах™" на канале тайны космоса.

Гравитация по Эйнштейну

Теория Эйнштейна лучше, чем у Ньютона не только потому, что она более новая и дает объяснение, что такое гравитационная сила, точнее объясняет, почему сила больше не нужна. Самое главное, что хотя в целом они весьма схожи и в 99% выдают одинаковые предсказания, которые можно проверить экспериментом, существует все–таки 1% расхождений (процентная разбивка весьма условна и субъективна), где теория Ньютона лажает и предсказывает то, чего мы не наблюдаем в окружающей Вселенной. Или не предсказывает того, что наблюдаем. То есть теория Эйнштейна лучше потому, что она более точно описывает поведение природы, особенно если брать всяческие экстремальные ее проявления, вроде взрывов сверхновых и поведения черных дыр, когда скорости движения тел приближаются к световым, а массы к звездным. 


Можно сказать, что теория Ньютона хорошо применима для объяснения поведения яблок, падающих на землю, и ракет, вращающихся вокруг планеты, но если переходить на большие масштабы, если пытаться объяснить, как себя ведут звезды и звездные системы — тут без поправок Эйнштейна никак. Однако, если не тормозить и забраться еще выше по шкале масштаба, наблюдая за поведением звезд в галактике или самих галактик в галактических скоплениях, начинает давать маху уже теория Эйнштейна.


И это не вчера стало известно. Экспериментальные подтверждения теории гравитации Эйнштейна (а ее название, собственно, Теория Относительности) начали появляться в начале XX века, хотя некоторые аспекты продолжают находить подтверждение в начале века XXI. Но и нестыковки стали вылезать почти сразу, еще в 30х годах прошлого столетия. 


Началось с того, что ученые измерили скорость вращения звезд в галактике. В любой галактике звезды вращаются вокруг ее центра примерно так же, как планеты вращаются вокруг Солнца. Есть небольшие нюансы, но идея в целом та же самая. Мы знаем, что чем дальше планета от Солнца, тем дольше период ее вращения, тем больше времени занимает у планеты завершить круг (точнее эллипс) по орбите, тем длиннее планетарный год. Меркурий тратит на один оборот вокруг Солнца 88 земных суток, Венера — 224, на Земле год длится ровно год (что логично) или примерно 365 суток, у Марса 687 суток, год на Юпитере тянется 12 земных лет, на Сатурне почти 30 лет и так далее. Зависимость не линейная, там на самом деле корень из радиуса орбиты, но вполне четкая. 


Так или примерно так вращаются планеты в Солнечной Системе


В галактиках все не так. Звезды вокруг самого центра любой галактики, включая нашу, вращаются быстро–быстро, но с определенного расстояния от центра скорость вращения становится постоянной, и больше не падает, то есть галактика вращается практически как единое целое, вся сразу.


А так звезды в галактике


Причем такое происходит не только в масштабе галактики, но и сами галактики вращаются друг вокруг друга, да и вообще кучкуются в скопления и сверхскопления не так, как им предписывает Эйнштейн.


И тут у науки возникают два пути. Либо признать, что формулы Эйнштейна не верны, точнее не полны, они хорошо работают на масштабах звездных систем, но ошибаются и нуждаются в дополнительных уточнениях на масштабе галактик и скоплений галактик (как формулы Ньютона хорошо работают на планете Земля, но уже в границах Солнечной Системы требуют уточнения Эйнштейна), либо заявить, что формулы у Эйнштейна правильные, но мы не учитываем всех факторов. Что кроме видимой материи, которая участвует в расчетах (ее называют обычной, или по–научному барионной материей), в природе якобы существует еще и невидимая (ага, темная, вот она!) материя, из–за влияния которой и происходят расхождения между формулой и наблюдением. Причем "темная" это просто слово. Она не только темная, потому что сама не излучает света и ее не видно в темноте космоса, она абсолютно и полностью невидимая и прозрачная. Темная материя совершенно не взаимодействует со светом, да и вообще с любыми электромагнитными волнами, и если посветить на нее фонариком, то луч не отразится и пройдет насквозь, а материя останется полностью невидимой. Мало того, эту материю еще и поймать нельзя, она пройдет сквозь руку или рука сквозь нее (что равнозначно), ее невозможно схватить и потрогать.


На Земле такой материи до сих пор не обнаружено, мы никогда ее не видели и не щупали, ибо нельзя. А в космосе — навалом. Чтобы формулы работали, темной материи в космосе должно быть в пять раз(!) больше, чем обычной, барионной, из которой состоят все звезды, туманности, планеты и облака межзвездного газа.


Звучит слишком хорошо, чтобы быть правдой, не так ли? Ну, явно же, ученые опять облажались со своими расчетами, и айда выдумывать всякие несуществующие, невидимые и неосязаемые материи, вместо того, чтобы честно признать — мы тупые и формулы наши фуфло.


Но давайте по порядку. С тридцатых годов прошлого столетия, когда появились первые признаки расхождения результатов теории и непосредственных наблюдений, работа ученых пошла по двум указанным направлениям. Либо найти ошибку в расчетах Эйнштейна, уточнить его Теорию Относительности, например добавив в формулы новых параметров и констант, или даже полностью выкинуть на мороз и придумать новую с нуля, либо признать, что темная материя действительно существует и попытаться ее обнаружить какими–то хитрыми косвенными способами, хотя бы предсказать из чего она может состоять и какими параметрами обладать.


Для начала посмотрим, что удалось сделать в направлении улучшения, обновления, или полного искоренения Теории Относительности. Честно говоря, удалось не много. Например потому, что абсолютно все научные эксперименты, которые проводились в течение целого столетия в пределах Солнечной Системы, подтверждают математические выкладки Теории Относительности. Скажу то же самое, только наоборот — за целый век не было проведено ни одного научного эксперимента, который бы указывал на нарушение законов Теории Относительности в нашей Солнечной Системе. То есть где–то там, в скоплениях далеких галактик или на горизонтах событий черных дыр (а особенно в их сингулярностях) Теория Относительности скорее всего нарушается или каким–то образом получает новые уточняющие коэффициенты, но все, что мы можем протестировать вот прям здесь и сейчас — абсолютно все указывает, что в границах применимости Теория Относительности работает как часы. И искривления лучей света (гравитационное линзирование) измеряли, и спутники с прецизионными гироскопами для изучения увлечения инерциальных систем отсчета запускали, и прецессии планетарных орбит наблюдали, и система навигации GPS у нас работает с учетом поправок Теории Относительности, это довольно широкоизвестный даже среди неспециалистов факт. Ну, и недавно обнаруженные гравитационные волны же! Короче, можно самому в википедии глянуть на предсказания общей теории относительности и проведенные по этому поводу эксперименты.


Схема эксперимента Gravity Probe B


То есть полностью опровергнуть Теорию Относительности вряд ли получится, слишком много данных по всем фронтам набрано за сто лет наблюдений. От них не отмахнуться, отчего сегодня тех, кто приносит на рассмотрение труды, доказывающие, что Теория Относительности не верна, даже на порог научного института не пускают. Как в позапрошлом веке перестали принимать патенты на построение вечного двигателя. Ни один серьезный ученый просто не станет читать текст, который начинается как–то иначе чем: "Теория Относительности, естественно, в целом верна, но в некоторых особых случаях, на границах применимости, автором предлагается внести следующие уточняющие детали..."


Я, конечно же, утрирую. Никто так не пишет, это подразумевается само собой. В здравом уме сегодня никто не пытается опровергнуть Теорию Относительности, ее пытаются разными способами дополнить или улучшить. Хотя можно, конечно, попытаться создать что–то совсем новое, какую–то совершенно не геометрическую теорию тяготения, но все равно придется включить в себя ТО как частный случай в определенных границах. В основном ратуют, что на огромных расстояниях в формулах Теории Относительности появятся новые коэффициенты, которые неощутимы в масштабах локальной звездной системы и вступают в игру только на галактических просторах.


Этих альтернативных и улучшенных Теорий Относительности напридумывали великое множество. Всех даже перечислять не стану, тут на целый альтернативный пост на пальцах™ потянет, упомяну вскользь несколько штук. Например теория MOND (Модифицированная ньютоновская динамика), хотя уже по названию понятно, что это даже не улучшение Теории Относительности Эйнштейна, а вообще попытка исправить теорию гравитации Ньютона, мол на малых расстояниях гравитация падает согласно квадрату расстояния (как у Ньютона), но чем дальше, тем больше она начинает уменьшаться уже пропорционально просто расстоянию, а не квадрату. Если на эту формулу накрутить всяких релятивистских эффектов, получается "релятивистская MOND", чтобы как у Эйнштейна скорость света тоже в формулах участвовала.


Или например торсионная теория гравитации. Возможно вы слышали уже где–то слово "торсионный", скорее всего в связке "торсионные поля", сейчас коротенько объясню, что это такое. Сегодня фраза "торсионные поля" полностью опошлена и втоптана в грязь любителями астрально путешествовать в пирамидах или заряжать воду и крэмы перед экраном телевизора. Потому что без помощи торсионных полей и тарелки не летают и вода начинает терять память. Хотя изначально это была вполне строгая математическая теория, придуманная серьезным французским ученым Эли Картаном еще в 1922 году, как дополнение к Теории Относительности. Напомню, вся Теория Относительности Эйнштейна, все эти искривления пространства–времени строятся на тензорах, в смысле описываются ими.


Тензор — это многомерный вектор. Что такое вектор разъяснять не надо? Это такая стрелочка, которая имеет силу (длина стрелочки) и направление (направление, куда стрелочка указывает).


Это вектор

А тензор — это когда много–много стрелочек–векторов, и все торчат в разные стороны, плюс все это еще и в 3D.


А это тензор

Причем они торчат из одной (в смысле из каждой) точки и имеют при этом разную длину и направление. Это значит, что в этом месте на точку действует много сил из разных сторон, и ее одновременно тянет вверх с силой 5, направо с силой 12, вперед с силой 3, а результирующая будет как–то под углом ко всем трем. И в каждой точке своя результирующая. Все это наглядно можно представить, если взять деревянный брусок и начать над ним издеваться — сжимать, крутить и растягивать, тогда в нем тензоры напряжений начнутся в полный рост, когда каждую молекулу бруска станет колбасить в разные стороны одновременно. В принципе, с пространством–временем в Теории Относительности как раз это самое и происходит, отчего теория на тензорах и построена. А Эли Картан предположил, что каждая точка бруска (или пространства–времени) не только разными силами в разные направления сжимаема, а может иметь еще одну степень свободы — способна крутиться вокруг своей оси в определенном направлении и с определенной скоростью. В данном случае у нас получаются чуть более сложные, чем у Эйнштейна, формулы, описываемые чуть более сложными, продвинутыми торсионными тензорами. Потому что "торсио" — это кручение по–латыни.


Вот и все. Получается чуть более сложная Теория Относительности, теперь и с кручением! Повторюсь, это вполне строгая и логичная математическая теория, со своими километрами формул, еще более замороченных, чем у Эйнштейна, потому что степеней свободы больше. Другое дело, что она оказалась не верна, но не в том смысле, что в ней какие–то ошибки, а в том, что она не описывает наблюдаемые в природе вещи. Ни в одном поставленном эксперименте никаких кручений учеными обнаружено не было, и кручения из тензоров убрали. Это потом уже, когда ученые наигрались и бросили, как неподтвержденную наблюдениями, ее подняли с пола эзотерики, оттерли, перекрасили и давай совать во все щели! Теперь "торсионными полями" объясняют все, что нельзя объяснить как–то иначе: телепатию, летающие тарелки, инновационные нанофильтры и прочее псевдонаучное фричество, да и вполне реальное мошенничество. 

Конец первой части! Продолжение завтра.