Я буду первым, кто признает, что мы не понимаем темную материю. Например, когда мы смотрим на галактику и считаем все горячие светящиеся частицы, такие как звезды, газ и пыль, мы получаем определенную массу. Когда мы используем любую другую технику для измерения массы, мы получаем намного большее число. Итак, естественный вывод состоит в том, что не вся материя во вселенной все горячая и сияющая. Может быть, некоторые, если это, вы знаете, темно.
Но держись. Сначала мы должны проверить нашу математику. Мы уверены, что не просто неправильно понимаем физику?
Детали темной материи
Основная часть головоломки темной материи (хотя, конечно, не единственная, и это будет важно позже в этой статье) имеет форму так называемых кривых вращения галактики. Поскольку мы наблюдаем, как звезды вращаются вокруг центра своих галактик, по всей вероятности, те, кто дальше от центра, должны двигаться медленнее, чем те, которые ближе к центру. Это связано с тем, что большая часть галактической массы сосредоточена в ядре, а самые удаленные звезды находятся далеко от всего этого, и благодаря простой ньютоновской гравитации они должны следовать медленным ленивым орбитам.
Но они этого не делают.
Вместо этого внешние звезды вращаются так же быстро, как и их двоюродные братья из внутреннего города.
Поскольку это игра гравитации, есть только два варианта. Либо мы неправильно понимаем гравитацию, либо есть дополнительные невидимые вещества, впитывающие каждую галактику. И, насколько мы можем судить, гравитация становится очень, очень правильной (это еще одна статья), так что бум: темная материя. Что-то держит эти свободно вращающиеся звезды в своих галактиках, иначе они бы вылетели, как неконтролируемая карусель миллионы лет назад; следовательно, есть целая куча вещей, которые мы не можем увидеть напрямую, но можем косвенно обнаружить.
Становится тяжелым
Но что, если это не просто игра гравитации? В конце концов, существуют четыре фундаментальные силы природы: сильное ядерное, слабое ядерное, гравитация и электромагнетизм. Кто-нибудь из них может сыграть в эту великую галактическую игру?
Сильное ядерное оружие работает только в крошечных субатомных масштабах, так что это прямо. И никого не волнует слабое ядерное оружие, за исключением некоторых редких распадов и взаимодействий, так что мы можем отложить это также И электромагнетизм ... ну, очевидно, излучение и магнитные поля играют роль в галактической жизни, но излучение всегда движется наружу (так что, очевидно, не поможет удержать быстро движущиеся звезды), а галактические магнитные поля невероятно слабы (не сильнее, чем миллионное собственное магнитное поле Земли). Так что… не уходи, верно?
Как и почти все в физике, есть хитрый выход. Насколько мы можем судить, фотон - носитель самой электромагнитной силы - совершенно безмассовый. Но наблюдения - это наблюдения, и ничто в науке не известно наверняка, и текущие оценки устанавливают массу фотона не более 2 × 10.-24 масса электрона. Для всех намерений и целей, это в основном ноль для всего, что кого-либо заботит. Но если фотон делаетиметь массу, даже ниже этого предела, она может делать довольно забавные вещи со вселенной.
При наличии массы в фотоне уравнения Максвелла, то, как мы понимаем электричество, магнетизм и излучение, принимают измененную форму. В математике появляются дополнительные термины, и появляются новые взаимодействия.
Вы можете это почувствовать?
Новые взаимодействия достаточно сложны и зависят от конкретного сценария. В случае галактик их слабые магнитные поля начинают ощущаться чем-то особенным. Из-за запутанной и закрученной природы магнитных полей присутствие массивных фотонов изменяет уравнения Максвелла в просто правильный способ добавить новую силу притяжения, которая в некоторых случаях может быть сильнее, чем гравитация в одиночку.
Другими словами, новая электромагнитная сила способна удерживать быстро движущиеся звезды, полностью устраняя необходимость в темной материи.
Но это не легко. Магнитные поля пронизывают весь межзвездный газ галактики, а не сами звезды. Так что эта сила не может напрямую воздействовать на звезды. Вместо этого сила должна сообщить о своем притяжении газу, и каким-то образом газ должен дать знать звездам, что появился новый город шерифинов.
В случае массивных, недолговечных звезд это довольно просто. Сам газ с максимальной скоростью облетает ядро галактики, образует звезду, звезда живет, звезда умирает, и остатки возвращаются к тому, чтобы стать газом достаточно быстро, что для всех намерений и целей эти звезды имитируют движение газа, давая нам кривые вращения, которые нам нужны.
Большая проблема в маленьких звездах
Но маленькие, долгоживущие звезды - еще один зверь. Они отделяются от газа, который их образовал, и живут своей жизнью, многократно вращаясь вокруг галактического центра, прежде чем истечут. И поскольку они не чувствуют странную новую электромагнитную силу, им следует просто отойти от своих галактик, потому что ничто не держит их под контролем.
Действительно, если бы этот сценарий был точным и массивные фотоны могли бы заменить темную материю, наше собственное солнце не должно быть там, где оно сегодня.
Более того, у нас есть очень веские основания полагать, что фотоны действительно безмассовые. Конечно, уравнения Максвелла могут не сильно волновать, но специальная теория относительности и квантовая теория поля, безусловно, заботятся. Вы начинаете возиться с массой фотонов, и у вас есть много объяснений, мистер.
Плюс, то, что всем нравятся кривые вращения галактик, не означает, что они - наш единственный путь к темной материи. Наблюдения за скоплениями галактик, гравитационное линзирование, рост структуры во вселенной и даже космический микроволновый фон - все это указывает на некий невидимый компонент нашей вселенной.
Даже если у фотона была масса, и он каким-то образом мог объяснить движения все звезды в галактике, не только массивные, она не сможет объяснить множество других наблюдений (например, как новая электромагнитная сила может объяснить гравитационное изгибание света вокруг скопления галактики? Это не риторический вопрос - не может) Другими словами, даже в космосе, заполненном массивными фотонами, нам все еще нужна темная материя.
Вы можете прочитать статью журнала Вот.
