Многострадальная и долгожданная материя

Если бы тени предметов зависели не от величины сих последних,
а имели бы свой произвольный рост, то, может быть, 
вскоре не осталось бы на всем земном шаре ни одного светлого места.

Козьма Прутков

О том, что такое тёмная материя, где её искать и почему в её существование не верит ряд учёных. 

Одной из главных загадок физики, нынешней физики – является тёмная материя. Это гипотетическое вещество (то есть предполагаемое) способно помочь исследователям определить доселе неизведанные характеристики Вселенной. 

В границах нашей Солнечной системы и ближайших звёзд нынешняя наука чувствует себя более или менее состоятельно и комфортно: в этих рамках наука может рассчитывать расстояния к другим планетам, траекторию и скорость обращения различных космических тел, температуру. Сейчас науке даже под силу относительно детально исследовать химический состав планет и звёзд.

Что же касается внешних частей наблюдаемой (той, которую современная наука может обозревать) Вселенной – они современной наукой изучены менее всего. Общая теория относительности Эйнштейна гласит — чем далее лёгкое тело расположено от тяжёлого, тем меньше силы гравитации действует на него, и тем меньше скорость вращения тела.

Теория эта подходит для нашей Солнечной системы: ближайшая планета к Солнцу — Меркурий. Она делает оборот вокруг него за 88 земных суток, а Нептуну — самой далёкой — нужно на это 165 лет.

Но с отдалёнными от нас объектами — скоплениями галактик, например, всё по-другому. Астрономы выявили — скорость вращения внешних тел постоянно увеличивается, не взирая не растущее между ними расстояние. Вселенная ведь, как известно, расширяется.

В первой половине 20-го века учёные начали объяснять это тёмной материей — она якобы создаёт почти четверть скрытой массы Вселенной,  являясь причиной высокой скорости обращения тел в отдалении. И сегодня неизвестно, что может представлять из себя эта тёмная материя, ведь она не поддаётся электромагнитному влиянию и является практически невидимой. Она не излучает, не поглощает и не отражает электромагнитные волны. 

Учёные из немецкого Института химической физики твёрдых тел Макса Планка (Германия) и группы университетов Китая и Америки опубликовали исследование «Axionic charge-density wave in the Weyl semimetal (TaSe₄)₂I» (Аксионная волна плотности заряда в полуметалле Вейля (TaSe4)2I), которое было опубликовано в октябре 2019 года.

К чему пришли учёные?

Учёные пришли к физическим опытам с высокими энергиями и конденсированным состоянием. Эксперименты показали, что определённые материалы проявляют свойства, схожие с свойствами тёмной материи.  Как конденсируемую материю использовали полуметалл (элементы на грани металлической и неметаллической группы).

Подопытным элементом стал вейлевский полуметалл, состоящий из йода, тантала и селена. При таком составе электроны в этом полуметалле ведут себя так, словно у них нет массы — не взаимодействуют друг с другом и разделены на два типа: левые и правые. Это свойство — хиральность, с её помощью молекулы этого полуметалла не совпадают в пространстве со своим зеркальным отражением.

Иными словами, количество левых и правых электронов всегда одинаково, как левая и правая рука.

Учёные, охлаждая молекулы полуметалла до -11 Цельсия, довели электроны до взаимодействия и заставили их конденсироваться в кристаллические копии самих себя. Выяснилось — частицы именно этих кристаллов выдавали те же свойства, которые должна проявлять гипотетическая тёмная материя под названием «аксион».  Аксион также не взаимодействует, с обыкновенной, видимой человеку, материей. 

Около сорока лет назад предположили существование аксиона. Он, как и другая тёмная материя, не вступает в связь с материей обычной. Исследователи полагали, что нахождение аксиона решит проблему симметрии сопряжения зарядов или же «сильную СP-проблему» — по которой физические законы одинаково действуют на определённые частицы и их античастицы, даже если они развеяны в пространстве. 

Популярные теории физики устройства Вселенной не предполагают и возможности существования такой симметрии. Доказать её симметрию способно лишь открытие нового поля. И поле это может дать аксион.

Собственно, после открытия кристаллов хиральных электронов из вейлевского полуметалла, физики отметили, что эти электроны сложены из квазичастиц, то есть фононов, которые являются вибрационными волнами. Волны также являются частицами, и учёные как раз и выявили существование определённых фононов, которые имеют те же свойства, что и электроны с фотонами. 

В результате опытов физики обнаружили те фононы, что отвечают на магнитные и электрические поля так же, как и гипотетические аксионы. Таким образом было обнаружено новое место аксионов. 

Исследователи продолжают поиски тёмной материи в форме конкретных самостоятельных частиц. Это исследование показывают новые возможности обнаружения частиц, даже без данных об их массе. 

Нобелевский лауреат по физике Фрэнк Вильчек, предположивший существование аксиона в 1977-м году, сказал следующее: «эксперимент учёных из США, Германии и Китая доказал, что, описывающие аксион математические модели, реализуемы не только в теории, но и в природе». 

Что ещё, кроме аксионов, претендует называться тёмной материей ? 

К примеру, прошлым летом физики из Иллинойского и Гамбургского университетов получили изображение фермионов Майораны — квазичастиц, которые также одновременно являются своими же античастицами.

Выявить майорановские фермионы стало возможным благодаря сверхпроводнику из рения (Re). Материал этот лишён электрического сопротивления при температуре -267 °С по Цельсию (около 6 градусов по Кельвину). К сверххолодному проводнику добавили наночастицы, состоящие из атомов магнитного железа. Так удалось обнаружить квазичастицы, которые были описаны почти век назад итальянским физиком Этторе Майорана.

Если учёным удастся поддерживать состояние фермионов Майораны как частиц и античастиц, то такое вещество может использоваться для хранения информации в квантовых компьютерах.

Более простой ответ на вопрос о тёмной материи в начале прошлого года предложили исследователи Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса в Калифорнии и Университета Йоханнеса Гутенберга в Германии. 

Они выдвинули идею – масштабировать электромагнитное напряжение Максвелла – Прока. Это напряжение описывает негативное давление фотонов на гравитационную космическую модель. Обнаружилось, что эти электромагнитные напряжения способны создавать дополнительную центростремительную силу, таким образом действовать как гравитация. 

Эта модель подходит для описания скрытой массы межзвёздных газов (из которых состоит Вселенная по некоторым данным) и «короткоживущих» звёзд, созданных из газа и превращающихся в него после «смерти». Негативное давление фотона способно оказывать прямое воздействие на такие объекты и отвечать за пока что необъяснимое движение звёзд.

Однако есть противоречие, если говорить о «старых» звёздах, как Солнце, например. По выведенной фотонной модели тёмной материи за 4,6 миллиардов лет, что существует Солнце, оно должно было иметь эллиптическую орбиту, но наша звезда проходит вокруг центра Млечного пути по окружной орбите. 

Другие учёные из Калифорнийского университета предположили, что тёмную материю можно отыскать с помощью магнитного монополя. Это квантовая частица с лишь одним магнитным зарядом. Исследователи полагают, что гипотетический тёмный магнитный монополь сможет взаимодействовать с тёмными фотонами и электронами так же, как это делают обыкновенные электроны и фотоны. 

Эффект Ааронова —Бома гласит, что электрон возле магнитного поля поддаётся влиянию этого поля. Даже не проходя через него. В идее с магнитным монополем электрон способен проходить по обе стороны от него и, таким образом, проявлять свойства частицы и античастицы одновременно.  Сегодня для подтверждения этой теории нет нужного оборудования.

Противники тёмной материи.

Сама по себе тёмная материя является лишь одной из многочисленных теорий. И у неё есть оппоненты. Члены университета Южной Дании опубликовали исследование, по которому дополнительный вес космических объектов создаёт не тёмная материя, а другие законы гравитации, действующие в более глобальных масштабах. 

Их исследование предусматривает, что каждое плотное космическое тело, как например Солнце, окружено невидимой сферой, из-за которой гравитационное воздействие усиливается, лёгкие же объекты взаимодействуют с тяжёлыми сильнее, хоть и масса их остаётся прежней. 

Физики подсчитали — размер предполагаемой гравитационной сферы пропорционален массе центрального тела. Иными словами, если во Вселенной эта сфера будет с радиусом несколько тысяч световых лет, то соответствующая сфера вокруг Солнца будет иметь радиус в 50 тысяч астрономических единиц. 

Для действующих космических аппаратов это практически нереальные расстояния. Для человека пока невозможно протестировать, меняется ли воздействие гравитации Солнца, если оказаться за границами описанной датскими исследователями сферы. 

Ещё раньше британский астрофизик Джейми Фарнс высказал гипотезу о существовании субстанции, имеющей отрицательную массу и выполняющую функцию не только тёмной материи, но и тёмной энергии, которые в сумме, предположительно, составляют 95% Вселенной. 

В отличие от тёмной материи, которая отвечает за скрытую массу космических тел, тёмная энергия способна пояснить быстрое расширение Вселенной. 

Фарнс же полагает, что этого не может быть, а тёмная материя и энергия попросту собраны в «тёмную жидкость» с отрицательной массой. Якобы это вещество непрерывно и естественно создаётся со времён Большого взрыва. Предложенная учёным тёмная жидкость должна появляться в пустом пространстве, влияя на всю окружающую материю. 

Именно поэтому, как полагает Джейми Фарнс, галактики, отталкиваемые одна от другой, создают дополнительное пространство для появления ещё большего количества тёмной жидкости. В это же время физик не объясняет, почему звёзды не отдаляются друг от друга, когда вращаются. И почему в пустом пространстве должны появляться частицы с отрицательной массой. 

Тёмная материя, чем бы она не являлась, пока остаётся в тени.  Большинство физиков сейчас испытывают воодушевление. Опыты показывают, что все загадки, которые ставила перед человечеством природа, рано или поздно разрешались. Хочется верить, разрешится и загадка темной материи. И это наверняка принесет совершенно новые знания и понятия, о которых мы пока не имеем никакого представления. И возможно, мы встретимся с новыми загадками, которые, в свою очередь, также будут разгаданы. Но это будет совсем другая история, которую читатели «Гранита науки» смогут прочесть, вероятно, не раньше, чем через несколько лет. А может быть, и через несколько десятилетий…