Главная Астрономия Стандартную модель в принципе нельзя доказать? Как и существование темной материи

Стандартную модель в принципе нельзя доказать?

Стандартная теория в космологии называется моделью Лямбда-CDM (холодной темной материи) или ΛCDM. Как следует из названия, теория постулирует существование темной материи - загадочного вещества, которое (по мнению теоретиков) составляет большую часть материи во Вселенной.

Теория широко распространена. Каждый космолог, работающий сегодня, был воспитан в традициях Стандартной модели, и практически все они считают существование темной материи непререкаемой аксомой.

По словам лауреата Нобелевской премии П. Дж. Пиблза:

"Доказательства существования темной материи в космологии горячего Большого взрыва примерно настолько хороши, насколько это возможно в естественных науках".

Однако есть одна проблема. На протяжении четырех десятилетий ученым не удавалось обнаружить частицы темной материи. Как непосредственно, та и в наземных лабораториях. Можно было бы подумать, что сия неудача породила сомнения в стандартной космологической модели, но это не так. В нее продолжают верить.

Как пишет Review of Particle Physics 2014 года:

"Согласованная модель в настоящее время хорошо установлена, и, похоже, остается мало места для какого-либо драматического пересмотра этой парадигмы". Установлена — в смысле согласована, договорена в среде кафедр и университетов, выпускающих бесчисленную литературу на этот счет, а также получающие космологические гранты на исследования того, что экспериментально не подтверждено.

Стандартная модель в космологии

На самом деле, существуют конкурирующие космологические теории, и не все они содержат темную материю. Наиболее успешной называют модифицированную ньютоновскую динамику, или MOND. Наблюдения, которые в рамках Стандартной модели объясняются ссылкой на темную материю, в MOND трактуются как модификация «обычной» гравитации.

Другими словами, темная материя — это не результат наблюдений и измерений, которые тысячекратно проверены и доказаны; это всего лишь устоявшегося интерпретация косвенных данных, полученных при помощи электромагнитных приборов.

Если бы ученые подтвердили существование темных частиц, то не было бы особой мотивации для развития таких теорий, как MOND. Но, учитывая отсутствие каких-либо обнаружений, существование жизнеспособной альтернативной теории, в которой отсутствует темная материя, заставляет нас задаться вопросом: существует ли темная материя на самом деле?

Философов науки завораживают подобные ситуации, и легко понять, почему. Традиционный способ оценки истинности или ложности теории - это проверка ее предсказаний. Если предсказание подтверждается, мы склонны верить теории; если оно опровергается, мы идем дальше. Но это не означает, что академические или альтернативные теории верны или не верны. Логика в следующем: если две теории в равной степени способны объяснить наблюдения, то нет необходимости выбирать между ними. Нужен диалог, на который не способно кафедральное, академическое сообщество.

Что же делать бедному ученому? Как ему принять решение? Оказывается, у философов есть несколько предложений. Они отмечают, что научные теории могут достичь соответствия с фактами двумя совершенно разными способами.

  • Плохой" способ - это приспособление post-hoc: теория корректируется или дополняется, моделируется с каждой новой порцией данных по мере их поступления. Седые профессора в кабинетах очень довольны.
  • Хороший" способ - это предварительное предсказание: теория предсказывает факты до их обнаружения, без - и это очень важно - каких-либо корректировок первоначальной версии.

Наверное, можно с уверенностью сказать, что ни одна теория не дает точного ответа. Но философы почти единодушно утверждают, что успешное предсказание дает больше оснований для веры в предсказывающую теорию, чем приспособление фактов к так навязываемой парадигме.

По словам философа науки Питера Липтона:

«Когда данные нужно приспособить... ученый знает ответ, который он должен получить, и делает все необходимое, чтобы его получить... В случае предсказания, напротив, нет мотива для фальсификации, поскольку ученый не знает правильного ответа заранее... В результате, если предсказание оказывается верным, мы получаем больше оснований верить теории, которая его породила".

Некоторые философы заходят еще дальше, утверждая что единственные данные, которые могут оказать какую-либо поддержку теории, - это заранее предсказанные данные, до экспериментального подтверждения; по словам Имре Лакатоса, "единственное релевантное доказательство - это доказательство, ожидаемое теорией".

Поскольку только одна (максимум) из этих двух космологических теорий может быть верной, - читай, легитимной, - можно ожидать, что только одной из них удастся достичь соответствия с фактами (то есть данными, «соответствующими» теории). Это означает, что Стандартная модель не является предпочтительной теорией. Предпочтительна МОНД.

Темная материя, по сути, это ответ на аномалию, зафиксированную в конце 1970-х годов в результате наблюдений за спиральными галактиками. Впрочем, сам термин появился еще в конце 30-х, когда Вера Рубин ошиблась в расчетах, измеряя массу Андромеды. Позже, вместо того, чтобы признать провал измерений и методологии, выдумали «темную материю». Но это такое...

В общем, тема ТМ закрутилась и вот сейчас общая картинка выглядит таким образом: скорость, с которой звезды и газовые облака вращаются вокруг центра галактики, должна быть предсказуемой, учитывая наблюдаемое распределение материи. Предполагается, что сила гравитации видимой материи поддерживает звезды на их круговых орбитах, таким же образом, как гравитация Солнца заставляет планеты вращаться на своих орбитах.

Но это предсказание было решительно опровергнуто наблюдениями. Обнаружено, что на достаточном расстоянии от центра каждой спиральной галактики орбитальные скорости всегда выше предполагаемых. Эту аномалию необходимо было учесть.

Поэтому космологи затвердили, что каждая галактика заключена в "ореол темной материи" - сферическое облако, состоящее из некоего вещества, которое продуцирует нужное количество дополнительной гравитации, необходимой для объяснения высоких орбитальных скоростей. Поскольку мы не наблюдаем эту материю, она должна состоять из какой-то элементарной частицы, которая не взаимодействует с электромагнитным излучением (неуловима нашей аппаратурой).

В 30-50х годах не было известно ни одной частицы, обладающей необходимыми свойствами. С тех пор прошло 90 лет, но физики до сих пор не нашли доказательств существования таинственной частицы, несмотря на то, что с начала 1980-х годов велись ее упорные поиски. Космологам не хватает достоверных данных, чтобы подтвердить любую гипотезу ТМ.

В 1983 году альтернативное объяснение аномалии кривой вращения предложил Мордехай Милгром, физик из Научного института Вейцмана в Израиле. Милгром заметил, что аномальные данные имеют две поразительные закономерности, которые не учитываются гипотезой темной материи. Первая: орбитальные скорости не просто больше предсказанных. В каждой галактике орбитальная скорость увеличивается по мере удаления от центра, а затем остается на высоком уровне, насколько позволяют наблюдения. Астрономы называют это свойство "асимптотической плоскостью кривой вращения".

Мордехай Милгром предложил MOND - альтернативу Стандартной модели

Второе: аномально высокие орбитальные скорости неизменно появляются в тех областях пространства, где ускорения, вызванные гравитацией, падают ниже определенного характерного и очень малого значения. То есть: в любой галактике можно предсказать отклонения от ньютоновской динамики.

Это характерное значение ускорения, которое Милгром назвал a0, намного меньше, чем ускорение, вызванное гравитацией Солнца в любой точке Солнечной системы. Таким образом, измеряя орбитальные скорости в окрестностях спиральных галактик, астрономы проверяли гравитационную теорию способом, который никогда не применялся ранее. Милгром знал, что в истории науки было много случаев, когда необходимость в новой теории становилась очевидной только тогда, когда существующая теория проверялась новым способом. Поэтому он серьезно отнесся к вероятности, что теория гравитации может быть просто ошибочной.

В трех работах, опубликованных в 1983 году, Милгром предложил простую модификацию законов Исаака Ньютона, которые связывают гравитационную силу с ускорением. (Теория Альберта Эйнштейна сводится к более простой теории Ньютона в режиме галактик). Он показал, что его модификация предсказывает асимптотическую плоскостность кривых орбитального вращения.

Теория Милгрома также предсказывала, что эффективная гравитационная сила поддается вычислению с учетом наблюдаемого распределения обычной материи - не только в случае сверхмалых ускорений, но и везде. И когда астрономы проверили предсказание, они обнаружили, что оно верно. Гипотеза Милгрома правильно определяет кривую вращения каждой галактики. Без постулирования темной материи.

Обратите внимание на различие между тем, как две теории объясняют аномальные данные о кривой вращения. Стандартная космологическая модель выполняет маневр ad-hoc: она просто выводит на мифическую темную материю, которая необходима для согласования наблюдаемых звездных движений с законами Ньютона. В то время как гипотеза Милгрома предсказывает орбитальные скорости, учитывая только наблюдаемое распределение нормальной материи.

Многие философы утверждают, что предсказательный успех теории Милгрома дает нам основание верить, что его теория - в отличие от Стандартной модели - верна. Но на этом история не заканчивается. Теория Милгрома прогнозирует результаты других наблюдений. Чтобы описать все эти предсказания, потребуется целая книга, поэтому ограничимся одним примером. Согласно МОНД, общая масса галактики в нормальной материи, которую астрофизики любят называть "барионной массой", пропорциональна четвертой мощности скорости вращения, измеренной вдали от центра галактики. Это новое предсказание также оказалось верным и называется "барионным соотношением Талли-Фишера".

Астрофизика изобилует корреляциями между наблюдаемыми величинами, но точные соотношения неслыханны: они ассоциируются с теорией высокого уровня (вспомните закон идеального газа статистической термодинамики), а не с такой грязной дисциплиной, как астрофизика.

Что мог бы предсказать космолог Стандартной модели? Простой ответ: ничего. Их теория не содержит рецепта для связи барионной массы галактики с ее асимптотической скоростью вращения. Но астрофизики старательны и умны, и они придумали, как попытаться учесть такие отношения, как BTFR, в рамках ΛCDM-модели. Их схема заключается в проведении крупномасштабного компьютерного моделирования формирования и эволюции галактик, начиная с однородных начальных условий в ранней Вселенной. Затем смоделированные галактики могут быть "замечены", а их свойства занесены в таблицу.

Самые ранние попытки такого рода не дали ничего похожего на предсказанное Милгромом соотношение. Но за прошедшие с тех пор десятилетия теоретики придумали более или менее правдоподобные механизмы для связи нормальной и темной материи в смоделированных галактиках таким образом, чтобы получить нечто приближенное к BTFR. Предпочитаемый в настоящее время механизм, называемый "обратной связью", основан на идее о том, что часть газа, который в противном случае сформировался бы в звезды, выталкивается из темного гало самими звездами посредством звездного ветра или взрывов сверхновых. Если "рецепт обратной связи" выбран достаточно тщательно, из темных гало может быть выброшено нужное количество газа, чтобы получить правильное соотношение.

Теоретикам Стандартной модели пока не удалось воспроизвести BFTR с помощью своих симуляций. Но давайте предположим, что однажды им это удастся. Будет ли этот успех поддерживать их космологическую гипотезу?

Дело не в том, что конкурирующая теория слишком сложна; дело в том, что Стандартная модель слишком проста.

У философов науки есть ответ: громкое "нет". Джон Уорралл, например, пишет, что "когда одна теория объясняет набор фактов путем корректировки параметров, а конкурирующая теория объясняет те же факты напрямую и без всяких ухищрений, то конкурирующая теория получает поддержку от этих фактов, а первая - нет".

С этой точки зрения не имеет значения, предназначены ли подстраиваемые параметры для реальных физических процессов или нет. Тот факт, что гипотеза Милгрома правильно предсказывает связь "без надувательства", означает, что она "выигрывает": это единственная гипотеза, которая получает поддержку от этих данных.

Предпочтение философов к научным теориям, которые заранее предсказывают неизвестные ранее законы или отношения, вполне соответствует предпочтениям, которые сами ученые высказывали на протяжении чуть ли не веков. Например, Готфрид Вильгельм Лейбниц писал в 1678 году:

"Наивысшей похвалы заслуживают те гипотезы... с помощью которых можно делать предсказания даже о явлениях или наблюдениях, которые не были проверены ранее".

Поэтому естественно возникает вопрос: почему большинство космологов так пренебрежительно относятся к MOND, учитывая, что MOND демонстрирует то самое качество, которое так высоко ценится учеными?

Одним из самых восхваляемых успехов стандартной космологической модели является ее способность вмещать" так называемый спектр космического микроволнового фона (CMB) - статистические свойства температурных флуктуаций заполняющем Вселенную излучении, которій возниквскоре после Большого взрыва. Первоначально MOND не справлялась с этой задачей, по крайней мере, не так хорошо, как Стандартная модель. Но теперь ситуация изменилась. Только в прошлом году два теоретика из Чехии, Константинос Скордис и Том Злосник, показали, что существуют полностью релятивистские версии гипотезы Милгрома, которые вполне способны воспроизвести данные CMB без темной материи. Эту релятивистскую версию они назвали RMOND, и она включает в себя дополнительное поле, которое имитирует поведение частиц темной материи в космологических масштабах, а также динамику в масштабах галактик.

Но космологи, работающие в рамках стандартной парадигмы, официально заявляли, что подгонка данных CMB - это единственное, что необходимо сделать для того, чтобы MOND воспринимали всерьез. Например, космолог Рут Дюррер сказала в интервью The Atlantic:

"Теория должна быть действительно хорошей, чтобы согласоваться с данными. Это узкое место".

Теперь, когда этого узкого места больше не существует, приняло ли сообщество Стандартной модели теорию RMOND как добросовестного конкурента своей теории?

Не очень. Аргумент против звучит следующим образом: "Да, [R]MOND работает, но она намного сложнее нашей теории, которая для объяснения наблюдений использует только одну вещь - темную материю".

Дело не в том, что RMOND слишком сложен; дело в том, что темная материя Стандартной модели слишком проста. Теоретики MOND уже давно поняли, что не существует никакого способа, чтобы такая бесформенная сущность, как темная материя, могла спонтанно перестроиться ?- и продолжать перестраиваться? - создаdfz поразительные закономерности, которые мы наблюдаем в кинематике близлежащих галактик. Скордис и Злосник добиваются результата, постулируя почти минимальную (как мне кажется) модификацию общей теории относительности Эйнштейна.

Как и почти все научные теории, и MOND, и Стандартная модель сталкиваются с аномалиями: данными, которые трудно объяснить. В случае с MOND я знаю только об одной важной аномалии: она связана с наблюдаемой динамикой скоплений галактик. Модель ΛCDM находится в, казалось бы, худшем состоянии. Эта теория не может адекватно объяснить ни одно из новых успешных предсказаний MOND, и, кроме того, теоретики Стандартной модели выявили по меньшей мере полдюжины загадок, которые являются не менее проблематичными, чем аномалия скопления галактик. И тут возникает поле для космической битвы.

Но можно надеяться на большее: на то, что Карл Поппер называл "решающим экспериментом" - наблюдаемый результат, отдающий предпочтение одной теории перед другой. Например, теория Эйнштейна подразумевает нечто, называемое принципом сильной эквивалентности: внутренняя динамика системы, которая свободно движется во внешнем гравитационном поле, не должна зависеть от напряженности внешнего поля.

Теория Милгрома нарушает данный принцип. Если результат наблюдений подтвердит монд-версию. то теорию гравитации Эйнштейна можно исключать из научных.

Решающим результатом в пользу модели ΛCDM было бы лабораторное обнаружение частиц темной материи. Космологи Стандартной модели знают об этом, и с начала 1980-х годов работает ряд сложных (и очень дорогих) детекторов, специально разработанных для регистрации выдуманных частиц. В настоящее время в работе находится около полудюжины таких экспериментов; чувствительность современных детекторов примерно в 10 миллионов раз выше, чем у самых ранних приборов. Но до сих пор не наблюдалось ни одного события, которое можно было бы обоснованно интерпретировать как трек частицы темной материи.

Конечно, неспособность обнаружить частицы темной материи ожидаемо. Является ли этот отрицательный экспериментальный результат доказательством МОНД? Большинство ученых, вероятно, ответили бы "нет".

Как сказал Карл Саган:

"Отсутствие доказательств не является доказательством отсутствия". И, в самом деле, космологи Стандартной модели регулярно утверждают, что постоянная неспособность обнаружить частицы может быть объяснена предположением, что они слабо взаимодействуют с обычной материей.

Думаю, философы могут с этим не согласиться. Пол Фейерабенд утверждал, что неоднозначный экспериментальный результат иногда может быть истолкован как эффективное опровержение проверяемой теории, даже если ученые достаточно умны, чтобы "объяснить" очевидную неудачу. Необходимым условием, по его словам, является существование альтернативной теории, которая естественным образом объясняет результат:

Под успешной альтернативной теорией Фейерабенд подразумевал теорию, которая одновременно объясняет отрицательный экспериментальный результат, а также дает новые, проверяемые предсказания. Подтверждение новых предсказаний в его логике опровергает первоначальную теорию. Таким образом, МОНД вполне соответствует критериям Фейерабенда для альтернативной теории, поскольку те же постулаты, которые устраняют необходимость темной материи, приводят к ряду новых предсказаний, которые были подтверждены наблюдениями.

Фейерабенд отстаивал методологическое правило, которое сегодня называют "принципом распространения": тезис о том, что суждения о работоспособности теории будут гораздо более обоснованными, если существуют альтернативные теории, с которыми можно провести сравнение. Если бы никто никогда не нашел теорию, которая объясняет космологические данные без темной материи, то неудачи физиков-экспериментаторов в обнаружении частиц темной материи можно было бы обоснованно приписать некоторой комбинации плохо понятых явлений . Но существование альтернативных теорий заставляет ученых серьезнее относиться к экспериментальным неудачам. Иначе фозникнут проблемы с фальсификаций даже академических теорий.

Хотя академическая наука идет более некорректным путем. Если внимательно посмотреть на учебники, то можно увидеть, что все альтернативные теории, включая MOND, относятся к категории ненаучных, что-то вроде рассказов про «плоскую землю». А потому о них даже рассказывать не нужно, - так, пренебрежительно, мимоходом. А Стандартная модель превозносится чуть ли не как аксиома. Хотя формально и та и другая версии описания мира, в котором мы живем, - всего лишь гипотезы. Конкурирующие гипотезы. Разве не так?