November 26th, 2014

Про темную энергию

Продолжение темы "Про темную материю" (здесь и здесь). Речь в тех постах шла о том, что темная материя очень нужна в теории для нескольких целей:

  • "Стандартная теория" на данный момент предсказывает, что вселенная должна быть плоской (эвклидовой) с высочайшей точностью, т.е. параллельные прямые не пересекаются, сумма углов треугольника любого размера равна 180о и пр., а массы видимого вещества вселенной для этого не хватает раз в двадцать.

  • Для решения вириального парадокса, т.е. объяснения того, что галактики вращаются "не по Кеплеру", и без предположения о наличии в них темной материи получалось бы, что галактики гравитационно несвязаны, т.е. рассыпались бы на отдельные звезды за время порядка десятков-сотен тысяч лет.

Но выясняется, что темная материя - занятная штука: ее не просто не видно, но и в окрестностях Солнечной системы в радиусе десятков тысяч световых лет ее просто нет.
[Spoiler (click to open)]"Наиболее точное на сегодняшний день исследование движений звезд в Млечном Пути не нашло свидетельств присутствия темной материи в большом объеме пространства вокруг Солнца. Согласно широко распространенным теориям считалось, что окрестности Солнца заполнены темной материей, таинственной невидимой субстанцией, которую можно обнаружить только косвенными методами, по гравитационному воздействию, которое она оказывает. Однако новое исследование, проведенное астрономами в Чили, показало, что эти теории просто не соответствуют наблюдательным фактам. Это может означать, что попытки прямой регистрации частиц темной материи на Земле вряд ли будут успешными.
Группа, использующая 2.2-м телескоп MPG/ESO в обсерватории ESO Ла Силья, а также другие телескопы, построила карту движений более, чем 400 звезд на расстояниях до 13 000 световых лет от Солнца. На базе этих данных астрономы вычислили массу вещества в окрестностях Солнца, в объеме пространства, вчетверо превышающем те, что рассматривались прежде.
“Значение массы, которое мы получили, очень хорошо соответствует тому количеству вещества, которое мы видим в форме звезд, пыли и газа в околосолнечной области”, -- говорит руководитель группы Кристиан Мони Бидин (Christian Moni Bidin, Departamento de Astronomía, Universidad de Concepción, Chile). “Но тогда не остается места для темной материи, найти которую мы рассчитывали. Согласно нашим вычислениям, темная материя должна была отчетливо проявиться в наших измерениях. Но ее там просто не оказалось!”
(источник)

То есть ход рассуждений, если счистить с него шелуху наукообразия, таков:

  1. Теория верна.

  2. Имеющиеся на данный момент факты в теорию не укладываются и ведут к разрыву шаблона.

  3. Надо сделать выбор между шаблоном и фактами.

  4. Разрыв шаблона недопустим, эдак и до пересмотра мировоззрения может дойти.

  5. Тем хуже для фактов.

  6. Теория верна!

Почему же столь ценна эта теория? Потому что она единственная на сегодняшний день позволяет хоть как-то сохранить культ Случая и утверждать с минимальной потерей лица, что "всё как-то так само, в течение очень долгого времени и путем случайного перебора вариантов, образовалось и Никого нет".

Подобное поведение - игнорирование фактов для сохранения целостности шаблона - вообще характерно не только для двуногих в целом, но и для наиболее выдающихся представителей когнитивной элиты. Показательна история с Λ-членом (космологической постоянной), введенным Эйнштейном в уравнения ОТО "руками" для того, чтобы сохранить шаблон представление о вечной и стационарной вселенной.

Лямбда-член, кстати, оказался мерзкого характера. Этакий лепрекон: вызвать его легко, а избавиться потом от него трудно. Уже совсем недавно выяснилось, что вселенная... опять не плоская, причем наихудшим образом не плоская! А именно, яркость сверхновых типа Iа в дальних галактиках оказалась меньше, чем должна быть. То есть расстояние до галактик, измеренное "по Хабблу", исходя из красного смещения, оказалось меньше расстояния, вычисленного методом "стандартных свечей". То есть вселенная расширяется с ускорением, ее геометрия - геометрия Лобачевского, вселенная - открытая.

...Ну как, ощутили "бабочек в животе"? Ведь открытой вселенная была бы когда? Правильно - когда масса вещества в ней меньше критической. А значит, нужды в темной материи нет - вселенная расширяется с ускорением, именно так, как если бы содержала только видимое вещество. Да здравствуют факты!

...А шаблон? Про шаблон вы забыли, коллега? Это ж тогда едут по швам все такие уютные, такие привычные представления о длительной, в течение миллиардов лет, случайной эволюции, о том, что всё само собой образовалось... из первичного бульона, по акад Опарину... И теория, такая стройная и "не нуждающаяся в этой гипотезе"(с), начнет, не приведи Б-г, требовать модификации? О нет!

Темную материю убирать из теории нельзя: опять вылезет проблема плоскостности и противный вириальный парадокс. Поэтому надо что? Правильно: добавить в теорию еще одну темную вешь! Темную энергию, которая обладает давлением (отрицательной гравитацией) и расталкивает галактики и их скопления, что приводит к ускорению расширения вселенной. "Членом туда - членом сюда!"(с)

Энергия эта, конечно же, не видна и ни с чем не взаимодействует. По традиции. Как и темная материя. По традиции же, очень неясно, что может претендовать на роль такой материи, предсказания всего спектра теорий на этот счет весьма туманны. Неясно, например, почему плотность темной энергии маленькая, но ненулевая, ведь все существующие на данный момент теории дают либо строго нуль, либо чудовищные величины, сравнимые с планковским уровнем энергии ("проблема космологической постоянной"). Поэтому и полет мысли в подборе кандидатов на роль темной энергии столь же фееричен, как и на роль темной материи: "квинтэссенция", невидимое вещество с экзотическим уравнением состояния и пр. В общем, как-то так:

darkmatter1000

(Продолжение следует. Дальше пойдет нарастание странностей)

Про темную энергию - 2

(Продолжение темы "Про темную энергию", которая в свою очередь является продолжением темы "Про темную материю" (ч.1 и 2)).

Очень хочется Homo Sapiens'у построить уютную теорию. Чтобы все было стройно, чтобы все предсказывалось, не было некрасивых расходимостей, сингулярностей и вещей в себе, и главное - главное! - чтобы Никто не лез! Потому как если Кто-то могущественный может во всё вмешаться, это значит - тут посторонняя личность, это значит - всё непредсказуемо, зыбко, нестабильно и поэтому - неуютно! Надо убрать подобного субъекта, и чтоб всё само собою, по акад. Опарину. Пусть для этого необходимо нагромождать невидимые и невзаимодействующие ни с чем сущности друг на друга, подобно эмалированным детским горшкам в незабвенном фильме "Операция Ы", зато эти сущности, предполагается, должны вести себя по Попперу, а вот некая Другая Сущность ведет себя совсем не по Попперу, прах его, Поппера, побери!

Впрочем, это лирическое отступление и не совсем по делу. Вернемся ко всяким темным вещам. Выяснилось, что видимое вещество распределено во вселенной неравномерно и образует что-то вроде сети. Задав в поисковике поиск картинок по контексту "сеть темной материи", можно найти очень много красивых изображений крупномасштабной структуры вселенной типа этого:
tmpB6V3QC

Важно то, что подобные картинки - это не фото, а результат экстраполяции, численного моделирования, сделанного на основе предположения, что неравномерность скоплений галактик вызвана как раз наличием "мостов" из невидимой материи между ними. Вот более "честная" картинка:
lss_durham
(источник). Здесь цветные кружки - это видимые галактики, а предполагаемая (вычисленная) темная материя представлена сетью серых волокон. То есть сеть эта не видна, а только вычислена в предположении, что галактики и их скопления - это гравитационно связанные образования.

Однако, как мы выяснили ранее, темная материя - странная вещь. Она, вроде бы, должна быть, но тем не менее там, куда мы можем дотянуться (например, окрестности Солнечной системы, где мы можем впрямую измерить собственное движение звезд и построить пространственное распределение масс) ее нет (напр., ссылка на статью с сайта European soutern observatory, и такие данные не единственные.) Не видно темной материи там, куда можно ручками дотянуться, и все тут. Наиболее вероятно, что в галактическом диске и гало ее нет. С чего бы ей тогда образовывать невидимые мостики между галактиками?

Отсюда два варианта:
а)либо подобное распределение галактик чисто случайно (к примеру, возникло из-за флуктуаций поля в ходе инфляции, и теперь галактик "гуще насыпано" там, где поле "выпрыгнуло" выше, чем в других местах), и никаких "мостиков" нет,
б)либо галактики все-таки что-то связывает. Тем более, что, как выяснилось, он разбегаются со свистом с ускорением, под воздействием чего-то отличного от того, что их связывает.

Для оценки правдоподобности вариантов (а) и (б) у нас маловато фактических данных. Точнее, их совсем нет, а те, что есть, шершавые и с трудом ложатся в теорию. Я бы предложил воспользоваться эстетическим критерием: "из двух равных гипотез больше вероятность быть верной у более изящной"1. Зададимся вопросом: почему распределение неоднородностей поля во время инфляции "случайно" оказалось таким, что образовалась занятная структура, у которой в нашем мире много аналогов, ведь типов случайных распределений очень много?

Каких аналогов? Топология скоплений галактик, в частности нашей Ланиакеи, очень похожа на топологию транспортных и сигнальных сетей, предназначенных для переноса чего-нибудь куда-нибудь (источник). Например, нейронной сети мозга. Вот эту картинку:
1xlarge-1
, по-моему, не постил только ленивый. И еще несколько картинок отсюда:


Скопление галактик Ланиакея


Нейронная сеть мозга мыши


Веточка.

Изображения эти здесь к тому, что существует правило: "сходные структуры в разных системах выполняют сходные функции"2. Например, колесо у велосипеда и шпиндель токарного станка служат для преобразования углового момента в поступательное движение, а кабельная сеть в самолете и компьютерная сеть города - для передачи сигналов от центра(-ов) к периферии и обратно.. Но тем не менее - из чего же построены эти мосты и связи? Из проклятущей темной материи? Но если ее нет в галактиках, то с какого она возьмется между ними? А меж тем иногда такие структуры просто видны:

NGC5216-5218

(hint: про взаимодействие галактик и "приливные хвосты" я в курсе. О них несколько позже.)

Вот мне и подумалось: а что, если такая, связывающая все мироздание, сеть, существует, но построена она не из трудно обоснуемой "темной материи", а... "из ничего"? Из пространства-времени?

Поясню. Одним из краеугольных представлений современной физики является представление об однородности и изотропности пространства и однородности времени, т.е. об отсутствии выделенных точек и направлений пространства и моментов времени. Этот базис является основой для "удобной" физики, однако кто сказал, что такое положение дел имеет место в действительности? (Кто бы ни стоял у истоков реальности - Бог или случай - вряд ли ему было дело до удобства обсчетов "сферической реальности в вакууме".) Например, пространство считается изотропным, но время действительно анизотропно: направление времени "вперед" отличается от направления "назад". Пространство же мы в масштабах, бОльших, чем размеры Солнечной системы, еще не щупали, а только предполагаем, что и там всё так же, как на Земле и рядом с ней. Однако это не так: уже за Плутоном начинаются легкие странности (эффект "Пионера").

Может быть, и пространство - не гладкая и плоская ткань, а система выделенных каналов и направлений, в которых его кривизна может быть бОльшей, чем "средняя по вселенной"? Тогда понятно, почему видимая материя стягивается к этим каналам - по той же причине, по которой вода собирается в речные русла.

А если это транспортная сеть, и скорость перемещения сигналов и материи по ней выше, чем "средняя по вселенной"? Не отсюда ли происхождение этих странных, невозможных мостиков между галактиками и астрономических артефактов, при наблюдении которых измеряются сверхсветовые скорости?


И еще одна ассоциация у меня возникла по поводу крупномасштабной структуры вселенной. Не только разветвленная транспортная сеть, но и строительная конструкция. Решетчатая ферма размером с мироздание:






И совсем недавно (статья опубликована 19 ноября сего года) выяснилось, что "болты" в узлах этой строительной конструкции закручены вполне упорядоченно и параллельны друг другу : "Новыми наблюдениями на Очень Большом Телескопе ESO (VLT) в Чили выявлено согласование между самыми крупномасштабными структурами Вселенной. Группа европейских исследователей обнаружила, что оси вращения центральных сверхмассивных черных дыр в квазарах из сделанной ими выборки параллельны, при том, что их разделяют расстояния в миллиарды световых лет. Ученые также установили, что ориентация осей вращения этих квазаров коррелирует с крупномасштабной структурой «космической паутины», в которой они находятся." (еще одна статья на сайте Европейской южной обсерватории)Collapse )

"Утверди Вселенную, яже не подвижется..."

P.s. и наконец, в порядке генерации идей. Про надувные купола слышали? Какова в этом смысле может быть роль темной энергии, раздувающей вселенную?
___________________________________________________________

1 Похоже, это правило придумал я: в поисковике мне не встретилось подобной формулировки. Конечно, наиболее красивую гипотезу следует выбирать только при прочих равных, т.е. при одинаковом количестве и "весе" аксиом и дополнительных сущностей, на которых конкурирующие гипотезы базируются.

2 Такое правило есть в биологии. На все остальное его обобщил, похоже, тоже я.[Спойлер!]Я очень умный!