Наука, по своей сути, представляет собой циклический процесс выдвижения гипотез и их последующего опровержения, однако эта процедура приобретает особую сложность, когда речь заходит о масштабах Вселенной. Среди наиболее трудно верифицируемых концепций выделяются темная энергия и темная материя — феномены, чье существование постулируется на основе наблюдений за удаленными космическими регионами. Данные, полученные с помощью телескопов, недвусмысленно свидетельствуют о том, что некая субстанция воздействует на гравитационные процессы способами, не полностью объяснимыми в рамках теории относительности Эйнштейна. Однако, парадоксальным образом, в пределах нашей Солнечной системы всё функционирует в строгом соответствии с традиционными физическими законами. Именно это несоответствие между локальными и космологическими масштабами и стало отправной точкой для нового исследования.
Слава Турышев, физик, работающий в Лаборатории реактивного движения НАСА, в своей новой работе сосредоточился на том, как ученые могут подойти к разрешению этого противоречия. Его исследование предполагает, что ключ к разгадке кроется в экстраординарной точности и тщательном отборе параметров при планировании экспериментов, нацеленных на поиск следов темной энергии и темной материи вблизи Земли. Иными словами, чтобы обнаружить неуловимую «пятую силу», возможно, потребуется не просто смотреть, а знать, куда именно и с какой чувствительностью следует направить измерительные приборы.
«Великое разъединение»: барьер между космосом и локальной физикой
В основе рассматриваемой проблемы лежит феномен, получивший среди ученых название «Великое разъединение». Суть его заключается в том, что законы физики, по всей видимости, демонстрируют различное поведение в зависимости от масштаба наблюдения. В регионах с чрезвычайно низкой плотностью материи, где гравитационные силы практически отсутствуют, эффекты, приписываемые темной энергии или модифицированной гравитации, становятся гораздо более выраженными и заметными. Напротив, в плотных средах, насыщенных веществом и, соответственно, мощными гравитационными полями, те же самые эффекты, похоже, полностью исчезают или, по крайней мере, становятся настолько незначительными, что их невозможно зафиксировать с помощью современных технологий.
Внутри Солнечной системы, где плотность материи относительно высока, всё подчиняется традиционной физике. Планеты следуют по своим орбитам в строгом соответствии с предсказаниями ньютоновой механики. Измерения искривления пространства-времени вблизи Солнца, включая данные, полученные от космических аппаратов, точно совпадают с теоретическими расчетами. Каждый зонд, отправленный человечеством в путешествие через Солнечную систему, ведет себя так, будто на него действует исключительно стандартная гравитация, без каких-либо аномальных добавок. Явных и неопровержимых признаков существования некой «пятой силы» или иной модификации гравитации на этом уровне обнаружено не было.
Убедительные доказательства из далеких галактик
Ситуация кардинально меняется при переходе к гораздо более масштабным объектам, расположенным далеко за пределами нашего региона. В масштабах галактик и галактических скоплений, а также на еще более грандиозных космологических расстояниях, Вселенная, как показывают наблюдения, расширяется с ускорением. Хотя среди ученых продолжаются активные дебаты относительно точного значения скорости этого расширения, существуют неопровержимые свидетельства того, что некая сила или сущность влияет на гравитацию или саму структуру пространства-времени методами, которые не находят полного отражения в современных физических теориях.
В настоящее время темная энергия рассматривается как наиболее вероятное объяснение этого наблюдаемого поведения, несмотря на то что ее истинная природа остается загадкой. Именно это несоответствие между локальной нормой и космологической аномалией, по мнению ученых, может скрывать ключ к открытию новой фундаментальной силы, спрятанной, возможно, прямо у нас под носом.
фекты экранирования и открытой «Пятая сила»;
Одно из возможных исследований включает в себя явление, известное как «скрининг». Согласно этой идее, что бы ни вызывало несоответствие, оно меняет свое поведение в зависимости от окружающей среды. При меньшем увеличении плотности ее эффекты становятся слабее и труднее.
Существует два основных типа моделей проверок. Первого зовут «хамелеон». модель. В этом случае гипотетическая пятая сила природы (кроме гравитации, электромагнетизма и двух ядерных сил) регулирует свою силу в зависимости от количества незначительной материи. В регионах с низким освещением оно становится сильным и вызывает эффекты, связанные с темной активностью. В густонаселенных регионах он настолько ослабевает, что современные инструменты не могут его поддерживать, хотя он все еще существует. Вокруг таких объектов, как Солнце, оно может измеряться только в тонком внешнем слое, но в принципе его там все же можно измерить.
Силы прикрытия и подавления Вайнштейна
Другое объяснение — модель скрининга Вайнштейна. Здесь сама сила не меняется. Вместо этого окружающая гравитация эффективно подавляет его влияние, делая его слабым. Модель определяет расстояние Вайнштейна, которое фиксирует расстояние, на котором государство устанавливает свою нормальную силу.
В зависимости от напряжения этот радиус Солнца составляет около 400 световых лет. Этот регион включает в себя множество звезд, а это означает, что сила будет подавляться далеко за пределами Солнечной системы и даже на больших просторах галактики.
Почему мы можем увидеть новые миссии по Солнечной системе
Обе модели скрининга могут оставить следы в крупномасштабных наблюдениях, созданных такими миссиями, как Евклид и Спектроскопический инструмент темной энергии (DESI). Однако эти исследования комплексов в дальних галактиках не могут напрямую показать, как такие силы ведут себя внутри Солнечной системы.
Чтобы проверить эти идеи на локальном уровне, потребуется специальная миссия, разработанная специально для этой цели. Еще важнее то, что исследователям понадобится фальсифицируемая теория, которая предсказывает, что должна объяснять такую миссию.
Важность проверяемых прогнозов
Доктор Турышев установил, что без четкого и проверенного предсказания дополнительные эксперименты в Солнечной системе вряд ли дадут новые результаты. До сих пор наблюдение постоянно подтверждали последствия относительно. Продолжение подобных экспериментов без новых теоретических указаний может не дать полезных идей.
Однако, если ученые смогут использовать данные крупных космических исследований для разработки точных гипотез, применимых к Солнечной системе, тогда станут возможными целевые эксперименты для их проверки.
Взгляд в будущее: создание лучших инструментов
Может быть позднее время, чтобы создать инструменты, достаточно чувствительные для обнаружения этих тонких эффектов. В то же время постепенный прогресс будет иметь важное значение, поскольку миссии будут постепенно улучшать измерительные возможности.
Если на основе текущих данных вытекает четко текущий и проверяемый прогноз и если для его проверки можно реально построить эксперимент, использование этой возможности может привести к крупному прорыву. Такое открытие может изменить наше понимание гравитации, темной энергии и фундаментального устройства Вселенной.