Ученые почти столетие пытаются разгадать тайну темной материи –гипотетической формы материи, которая, как считается, ответственна за определенные гравитационные эффекты, необъяснимые общей теорией относительности (ОТО). К счастью, новая гипотеза может изменить ход событий. В работе, недавно опубликованной в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society продемонстрировано возможное существование самой могущественной силы во Вселенной – гравитации – без присутствия массы. Столь необычный подход по мнению авторов исследования может поставить под сомнение само существование темной материи. В основе новой теории лежит идея о том, что гравитация, необходимая для удержания галактик и скоплений галактик вместе, может быть обусловлена особыми топологическими структурами, образовавшимися в ранней Вселенной. Звучит непросто, так что давайте разбираться!

Гравитация управляет Вселенной. Но при чем тут темная материя? Изображение: www.techexplorist.com

Гравитация – одна из четырех основных сил в физике, наряду с электромагнитной силой, сильным и слабым ядерным взаимодействием.

Ее высочество гравитация

Прежде чем погружаться в запутанные дебри новой теории, определимся с гравитацией и тем, почему она играет ключевую роль в формировании и структуре Вселенной. Эта фундаментальная сила природы, которая притягивает объекты друг к другу, буквально неотделима от массы объектов – чем больше их масса, тем сильнее их гравитационное притяжение.

Помните знаменитое яблоко Исаака Ньютона? Именно он в XVII веке заметил, что яблоки падают с дерева на землю и предположил, что происходит это из-за силы, которая действует между яблоком и Землей. Ньютон разработал закон всемирного тяготения, который гласит, что сила гравитации между двумя объектами пропорциональна произведению их масс и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

Классическая теория тяготения Ньютона — закон, описывающий гравитационное взаимодействие в рамках классической механики. Изображение: static.techno-science.net

На Земле гравитация действует так, что все объекты падают на поверхность с ускорением примерно 9.8 м/с². Это означает, что при свободном падении скорость объекта увеличивается на 9.8 метров в секунду каждую секунду. В космосе же гравитация ведет себя иначе, удерживая планеты на орбитах вокруг звезд. Гравитация также ответственна за формирование звезд, планет и галактик – облака газа и пыли в космосе сжимаются под действием гравитации, образуя звезды и планетные системы.

Общая теория относительности

Теория всемирного тяготения Ньютона главенствовала в науке вплоть до начала ХХ века, когда Альберт Эйнштейн предложил новую теорию гравитации — общую теорию относительности (ОТО), которая описывает гравитацию не как силу, а искривление пространства и времени, вызванное массой объектов. Чем больше масса объекта, тем сильнее он искривляет пространство-время вокруг себя. ОТО удивительна, так как объясняет, почему объекты движутся по определенным траекториям в гравитационном поле.

Общая теория относительности — общепринятая в настоящее время теория тяготения, описывающая тяготение как проявление геометрии пространства-времени. Изображение: static.dw.com

Более того, за прошедшее столетие мы узнали о том, что гравитация имеет несколько эффектов, таких как чувство тяжести (которое мы испытываем на Земле), приливные силы Луны (гравитация спутника является причиной приливов и отливов на Земле). Самое интересное, однако, происходит за пределами Земли и относится к черным дырам – объектам, сила гравитации которых настолько сильна, что даже свет не может покинуть их пределы.

Итак, если говорить совсем просто, то гравитация — это неотъемлемая часть нашей жизни и Вселенной. Она управляет движением планет, формированием звезд и галактик и даже влияет на наши повседневные действия. Понимание этой фундаментальной силы природы помогает нам изучать устройство окружающего мира.

Гравитация и темная материя

Несмотря на кажущуюся простоту, гравитация представляет собой одну из величайших загадок современной науки. Так, исследователи до сих пор выдвигают самые разные теории на ее счет – от ускорения как ведущей силы до гравитонов – гипотетических безмассовых элементарных частиц. Все потому, что две ведущие физические теории – ОТО и квантовая механика – идеально работают по отдельности, но вместе противоречат друг другу.

Иными словами ученые по-прежнему находятся в поисках «теории всего», способной объяснить устройство нашего мира как в макро, так и микро масштабах, а гравитация является одним из камней преткновения. Во-первых, большую часть времени гравитацию относили исключительно к области материи, но что, если это на самом деле не так? Что, если эта удивительная сила природы может существовать без массы?

Кажется, пришла пора посмотреть на гравитацию под совершенно другим углом. Изображение: images.newscientist.com

Звучит максимально непривычно, однако именно эта идея привлекла внимание авторов недавно опубликованного исследования. Дело в том, что если гравитация может существовать без массы, то необходимость в темной материи – гипотетической материи, не вступающей в электромагнитное взаимодействие и составляющей до 85% от общего объема Вселенной – полностью отпадает.

Напомним, что существование темной материи не доказано, а ее концепция впервые была разработана для объяснения того, что галактики удерживаются вместе при высокоскоростном вращении. Введение этой гипотетической и невидимой материи позволило физикам выдвигать всевозможные идеи и избегать несостыковок в существующих теориях.

Топологические дефекты

Ведущий автор нового исследования, астрофизик Ричард Лью из Университета Алабамы в Хантсвилле, предположил, что вместо темной материи, связывающей галактики и другие небесные тела, Вселенная может содержать тонкие, похожие на оболочку слои «топологических дефектов», которые порождают гравитацию без какой-либо основной массы.

Топологические дефекты – это макроскопические структуры, обладающие макроскопическими свойствами. Пространственные масштабы влияния топологических дефектов можно сопоставить с размером наблюдаемой Вселенной.

Лью начал с попытки найти другое решение уравнений поля Эйнштейна, которые связывают искривление пространства-времени с присутствием в нем материи. Как описал Эйнштейн в ОТО, пространство-время искривляется вокруг сгустков материи и потоков излучения во Вселенной в зависимости от их энергии и импульса. Эта энергия, конечно же, связана с массой в знаменитом уравнении ученого: E=mc2.

Теория Эйнштейна на порядок сложнее, чем ньютоновская теория всемирного тяготения, а новая теория заходит еще дальше, убирая из уравнения массу. Изображение: thedebrief.b-cdn.net

Таким образом, масса объекта связана с его энергией, которая искривляет пространство-время – это искривление пространства-времени и есть то, что Эйнштейн назвал гравитацией. Иными словами ОТО гласит, что гравитация неразрывно связана с массой, однако Лью утверждает, что это не так.

Космические струны

В ходе работы астрофизик приступил к решению упрощенной версии уравнений поля Эйнштейна, которые допускают конечную силу притяжения при отсутствии какой-либо обнаруживаемой массы. Лью говорит, что его усилия были «продиктованы разочарованием в существующем положении вещей, а именно в представлении о существовании темной материи, несмотря на отсутствие каких-либо прямых доказательств на протяжении целого столетия«.

Решение, предложенное автором работы, заключается в выявлении топологических дефектов в форме оболочек, которые могут возникать в очень компактных областях пространства с очень высокой плотностью вещества. Эти наборы концентрических оболочек содержат тонкий слой положительной массы, спрятанный внутри внешнего слоя отрицательной массы.

Эти две массы нейтрализуют друг друга, поэтому общая масса двух слоев равна нулю. Но когда звезда находится на этой оболочке, то испытывает большую гравитационную силу, притягивающую ее к центру, – говорится в статье.

Гравитация без массы действительно может существовать. Правда на данный момент есть только математические доказательства. Изображение: muyinteresante.com

Напомним, что топологические дефекты – это очень компактные области пространства с очень высокой плотностью вещества, которые обычно представляют в форме линейных структур, известных как космические струны. Однако также возможны двумерные структуры, такие как сферические оболочки.

Более того, ученым давно известно, что сила притяжения позволяет всем объектам, как безмассовым, так и иным, взаимодействовать друг с другом, поскольку это, по сути, влечет за собой искривление самого пространства-времени. Например, ранее было установлено, что небесные тела оказывают гравитационное притяжение на безмассовые фотоны.

Безусловно, все предположения, выдвинутые мной в статье спорные, но если в будущем они подтвердятся, то необходимость продолжать искать темную материю полностью отпадает. Таким образом, следующий вопрос заключается в том, можно ли подтвердить или опровергнуть мои предположения с помощью наблюдений, – говорит Лью.

Вселенная полна загадок. Изображение: i0.wp.com

И хотя астрофизик признает, что предложенное им решение «наводит на размышления» и само по себе не может дискредитировать гипотезу о темной материи, его работа может стать интересным математическим упражнением, так как позволяет взглянуть на Вселенную и управляющие ей силы под другим углом. Тем не менее выводы, опубликованные в статье, являются первым математическим доказательством того, что гравитация может существовать без массы. А это – уже не мало, согласны?