Темная материя и струны

Теорию струн тоже можно было бы доказать при помощи различных косвенных экспериментов. Поскольку каждое колебание струны соответствует какой-нибудь частице, мы можем искать в ускорителях новые частицы, которые представляют более высокие «октавы» струны. Есть надежда, что при столкновении протонов при напряжении в триллионы вольт среди обломков на мгновение возникнет новая частица, предсказанная теорией струн. Это, кстати, помогло бы нам разобраться в одной из нерешенных проблем астрономии.

В 1960-е гг. астрономы, проверяя вращение нашей Галактики, обнаружили нечто странное. Оказалось, что она вращается так быстро, что по законам Ньютона должна была давно разлететься, однако Галактика стабильна уже около 10 млрд лет. Притом что вращалась она примерно в 10 раз быстрее, чем следовало бы по законам традиционной Ньютоновой механики.

Это породило колоссальную проблему. Получалось, что либо Ньютоновы уравнения неверны (что почти немыслимо), либо галактики окружены невидимым гало из неизвестного вещества, которое увеличивает их массу настолько, чтобы собственное тяготение могло удерживать галактики в целости. Значит, фотографии величественных галактик с красивейшими спиральными рукавами отображают не всё — в частности, на них нет гигантских гало, в 10 раз превосходящих по массе видимую часть соответствующей галактики. А поскольку на фотографиях галактик изображена только чудесная закручивающаяся спиралью масса звезд, то, что удерживает эту массу вместе (что бы это ни было), не должно взаимодействовать со светом — оно должно быть невидимым.

Астрофизики окрестили эту загадочную массу «темной материей». Ее существование вынудило их пересмотреть теории, согласно которым Вселенная состоит в основном из атомов. Сегодня у нас есть карты распределения темной материи по Вселенной. Она невидима, но искривляет звездный свет так, как должно его искривлять нечто массивное. Проанализировав искажение звездного света пространством, окружающим галактики, мы можем рассчитать при помощи компьютеров присутствие темного вещества и составить карту его распределения по Вселенной. И по этой карте видно, что большая часть суммарной массы любой галактики существует именно в этой форме.

Помимо невидимости, темная материя обладает тяготением, но подержать ее в руке невозможно. Это вещество вообще не взаимодействует с атомами (оно электрически нейтрально), оно легко пройдет сквозь вашу руку, сквозь пол и сквозь кору Земли. Оно колебалось бы где-то в недрах планеты между Нью-Йорком и Австралией, как будто Земли между ними вовсе нет, хотя удерживалось бы на месте именно тяготением Земли. Так что невидимая темная материя гравитационно взаимодействует с другими частицами.

По одной из теорий темная материя представляет собой высшие колебания суперструны. Ведущий кандидат на эту роль — суперпартнер фотона, известный как фотино, то есть маленький фотон. Фотино обладает всеми свойствами, которыми должна обладать темная материя: оно невидимо, поскольку не взаимодействует со светом, но при этом стабильно и обладает весом.

Существует несколько способов доказать эту гипотезу. Первый состоит в том, чтобы создать темную материю в Большом адронном коллайдере, столкнув между собой протоны. На краткий миг в ускорителе образуется частица темной материи. Такое событие, если бы его удалось реализовать, вызвало бы сильнейший резонанс в науке. Это означало бы, что впервые в истории найдена новая форма материи, не основанная на атомах. Если БАК окажется для этого недостаточно мощным, то, может быть, мощности МЛК уже хватит.

Есть и еще один способ доказать эту гипотезу. Земля движется в потоке невидимой темной материи. Есть надежда, что частица темной материи может столкнуться с протоном внутри ускорителя частиц, породив при этом ливень субатомных частиц, которые, в принципе, можно сфотографировать. Есть физики, которые терпеливо ждут появления сигнатуры столкновения между материей и темной материей в своих детекторах. Первому физику, обнаружившему такую сигнатуру, обеспечена Нобелевская премия.

Если темная материя будет обнаружена — неважно, в ускорителях частиц или в наземных датчиках, — мы сможем сравнить ее свойства с тем, что предсказывает теория струн. Таким способом мы получим объективные данные и сможем оценить верность теории.

Хотя обнаружение темной материи стало бы огромным шагом к подтверждению теории струн, возможны и другие доказательства. К примеру, если движением крупных объектов, таких как звезды и планеты, управляет закон всемирного тяготения Ньютона, то о силе тяготения, действующей на малых расстояниях, таких как сантиметры или метры, известно очень мало. Поскольку теория струн постулирует дополнительные измерения, значит, знаменитый Ньютонов обратно-квадратичный закон, согласно которому сила взаимного притяжения убывает пропорционально квадрату расстояния, на малых расстояниях должен нарушаться, поскольку закон Ньютона сформулирован для трех измерений. (Если бы пространство было, к примеру, четырехмерно, то сила гравитации должна была бы убывать пропорционально кубу расстояния. На данный момент никакие тесты, связанные с законом всемирного тяготения Ньютона, не дают никаких свидетельств в пользу существования высших измерений, но физики не сдаются.)

Еще одно возможное направление исследований состоит в том, чтобы отправить детекторы гравитационных волн в космос. Обсерватории LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory, Лазерно-интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория), базирующейся в штатах Луизиана и Вашингтон, удалось в 2016 г. зарегистрировать гравитационные волны от сталкивающихся черных дыр, а в 2017 г. — от сталкивающихся нейтронных звезд. Не исключено, что модифицированная версия космического аппарата eLISA (Evolved Laser Interferometer Space Antenna, Улучшенная космическая антенна, использующая принцип лазерного интерферометра) сможет принять гравитационные волны от мгновения Большого взрыва. Есть надежда, что при этом можно будет «отмотать пленку назад» и сформулировать какие-то гипотезы относительно эпохи до Большого взрыва. Это позволило бы проверить, пусть и приблизительно, некоторые предсказания теории струн относительно состояния Вселенной до Большого взрыва.