Что такое темная материя и существует ли она на самом деле? Удастся ли ее когда-нибудь обнаружить и что это может изменить? Какова взаимосвязь между темной материей и турбулентностью? Какие практические возможности открывает изучение новых физических явлений? Об этом мы говорим с членом-корреспондентом РАН Кириллом Петровичем Зыбиным, руководителем отделения теоретической физики ФИАН.
Кирилл Петрович Зыбин. Фото Елены Либрик / Научная Россия
Справка
Кирилл Петрович Зыбин — физик-теоретик, специалист в области кинетической теории, физики плазмы, распространения радиоволн и астрофизики. Доктор физико-математических наук, член-корреспондент РАН, руководитель отделения теоретической физики в Физическом институте им. П.Н. Лебедева РАН. Профессор факультета математики НИУ «Высшая школа экономики». Член редколлегии журнала «Геомагнетизм и аэрономия». Награжден Золотой медалью имени И.Е. Тамма за работу «Процессы переноса в турбулентных средах», премией имени А.А. Фридмана за цикл работ «Нелинейная теория гравитационной неустойчивости бездиссапативного холодного вещества и формирования крупномасштабной структуры Вселенной».
— Вы много лет занимались исследованиями темной материи. Интригующая субстанция, которая, по мнению большинства современных исследователей, занимает бо̀льшую часть сущего. У вас нет сомнений, что темная материя существует?
— Независимо от нашего сознания существует. Очень трудно без нее получить ряд наблюдательных данных. Их много, тем более сейчас идут подробные измерения микроволнового фона, его тоже невозможно представить без темной материи. Самое интригующее в нашей Галактике, да и в других, то, что ее светящаяся часть оказывается очень маленькой. Вся эта часть погружена в какое-то более крупномасштабное образование, которое в десятки раз больше видимой материи. Это видно, в частности, по движению крупных спутников. Так что без нее не обойтись. Другое дело, что все кандидаты в темную материю, которые обсуждались ранее, пока не обнаружены. Все время сужается область, где это возможно благодаря современным исследованиям на коллайдере. Главный кандидат — это суперсимметричные частицы, но для них область возможного осталась очень маленькая.
— Не кажется ли вам, что ученые просто затыкают этим предположением о существовании некоей субстанции свое непонимание мира, в котором мы живем?
— Мне кажется, что это минимальное допущение, остальные еще хуже. Были даже попытки изменения закона тяготения, но они сейчас затихли. Это страшнее.
— Почему?
— Потому что есть некоторая стройная наука, и существование в ней тяжелых слабовзаимодействующих частиц ничему не противоречит. А вот изменение закона тяготения — это сильное разрушение науки.
— Это фундаментальный закон, к которому все привыкли?
— Дело не в том, что мы привыкли. Дело в том, что это попытка его заменить в каких-то больших масштабах, и непонятно, чем эти масштабы должны определяться. В общем, темная материя наиболее безобидна в качестве допущения.
— Тогда почему мы никак не можем ее зафиксировать?
— Этому мешает малое сечение. Вселенная горячая. Если пойти назад по времени, она была очень горячая. Там были разные сорта частиц. И по мере остывания какие-то частицы перестают взаимодействовать с другими. Нужно, чтобы темная материя довольно рано перестала взаимодействовать со всеми остальными частицами. А это означает, что у нее должны быть очень маленькие сечения взаимодействия, как у нейтрино. Дальше — она остывает по-другому, не как остальное вещество, поэтому в ней могут начать развиваться какие-то неустойчивости, возмущения. Зафиксировать ее тяжело именно из-за того, что сечения маленькие, а частицы должны двигаться, их скорости очень невелики, они должны пронзать все. Но пока мы их никак не можем заметить. Пока это гипотетические частицы. Непонятно, в каких реакциях их искать. Вот нейтрино — люди понимают, как его зарегистрировать. У него тоже сечение маленькое, но с ним все более понятно.
— Почему же тогда нейтрино не годится на роль темной материи, раз оно подходящего сечения?
— Нейтрино очень легкое. Сгустки темной материи, которые дают затравки для формирования галактик, должны возникать довольно рано. Нейтрино же будет образовывать такие сгустки довольно поздно, в этом случае должны возникать какие-то очень крупномасштабные объекты, а они неспособны образовать возмущения галактического или субгалактического масштаба.
— Значит, это должны быть более основательные частицы с малым сечением, которые пока не зарегистрировали?
— Да. У них нет заряда, взаимодействие очень слабое.
— И где их надо искать?
— В природе. Разные проекты по-разному пытаются это трактовать. Можно ли обсуждать какие-то проявления темной материи? Поскольку есть произвол в частице, то в этом, наверное, главная проблема: какого типа частицы искать? Искали и обсуждали все время частицы суперсимметричные. Но в современных коллайдерах, как я говорил, сильно ограничены области их существования, хотя идея суперсимметрии очень красивая, и там огромное множество подходящих частиц. Для фотона есть суперсимметричный фотино, для глюона — глюино. Их много. Все они должны обладать маленьким сечением, потому что «тот суперсимметричный мир» отделен от нашего.
— А если он отделен, может ли это быть частица, которой нет в нашем мире?
— Не может. Она же проявляется в нашем мире. Теоретически это выглядит очень притягательно, но эксперимент пока ничего не находит.
Кирилл Петрович Зыбин. Фото Елены Либрик / Научная Россия
— Найдет?
— Не знаю. Уж очень долго ищут. О темной материи заговорили в 30-е гг. XX в. Почти 100 лет. Астрофизика тогда еще не была столь точной наукой, какой потихоньку становится сейчас.
— А что такое гигантское гало у темной материи? Мы привыкли думать, что гало — это некое свечение. А темная материя ведь не светится?
— Да. Обычное представление о гало — это когда луч света начинает рассеиваться, и возникает такой большой светящийся объект. Вы видите тонкий лучик, а вокруг — сияние, его называют гало. Эта аналогия связана с рассеиванием света. Галактика и темная материя вокруг нее устроены внешне похоже: видимая галактика — это барионное вещество, из-за того что барионы теряет энергию, они оседают на дно ямы, которую создает темная материя. Но это совсем другой процесс, непохожий на рассеивание света. Гало, создаваемое темным веществом, — протяженный объект масштаба сотни килопарсек (кпк), а реальная галактика, состоящая из барионного вещества, — порядка 10 кпк.
— Это наблюдаемое явление?
— Оно наблюдается косвенно. Ряд измерений показывают, что такое явление существует. Например, если бы все ограничилось только светящимся веществом, какие-то спутники, например Малое, Большое Магелланово облако, имели бы скорость вращения, убывающую с расстоянием. А наблюдения показывают, что скорость не меняется. Это похоже на то, что масса темной материи внутри сферы растет пропорционально радиусу. Где она кончается — непонятно.
— В последние годы вы занимаетесь явлением турбулентности. С ней тоже большое количество вопросов? Далеко не все понятно?
— Далеко не все. Дело в том, что эта наука сильно математизирована. Вот нужно решить уравнение Навье — Стокса, и вы все получите. Но решить его пока не удается. Только численно. Какие-то свойства пульсаций обнаруживают, но хочется придумать физические образы, служащие некими основами для простого понимания этих явлений.
Дело в том, что обычная турбулентность — это набор вихревых движений. И эти вихри начинают вытягиваться случайным образом. Но случайность устроена так, что вытягиваться значительно проще, чем сжиматься. Если вы сдавливаете пластилиновый шарик, то он будет вытягиваться, а сделать так, чтобы он собрался в какую-то компактную область, сложно. Естественно предположить, что дальше чего-то вихрь вытянуть нельзя.
Но тогда можно придумать такие предельные объекты, которые должны существовать в турбулентном течении. У нас были предложены такие объекты. Их корреляционные свойства очень похожи на то, что наблюдается. Такие вихри могут быть ответственны за перемежаемость.
Перемежаемость — это явление, основанное на том, что какие-то редкие случайные события могут вносить существенный вклад. Такие события — это обычные шумы, но достаточно редкие, при этом количество таких редких событий недостаточно быстро спадает в смысле вероятности их возникновения, и если вычислять какие-то сложные корреляции, то может получиться, что именно эти редкие события определяют высшие корреляционные функции турбулентности. По крайней мере, экспериментально на это очень похоже. Есть и какие-то простые модели перемежаемости, мы этим тоже занимаемся, например процесс генерации мелкомасштабного случайного магнитного поля.
— Что здесь нового вы привнесли?
— Некоторую идею в гидродинамической турбулентности: чем перемежаемость может ограничиваться. Идея физическая, строго доказать то, что точное решение при воздействии внешней случайной силы приведет к такому результату, пока не удается, но наша физическая картина очень похожа на правду.
— Почему вообще это нужно знать? Мы все регулярно попадаем в зону турбулентности, летая на самолете. Может быть, поэтому важно изучать это явление?
— В том числе и поэтому. Вот есть наше трехмерное пространство. Но есть и квазидвумерное. Наша атмосфера очень тонкая, всего 8 км, а циклоны и антициклоны занимают тысячи километров. Это такая квазидвумерная атмосфера, квази — потому, что там важны движения и в третьем измерении. В атмосфере и развивается квазидвумерная турбулентность. Есть задача прогноза погоды: как из мелких пульсаций, которые существуют в атмосфере, начинают образовываться крупные вихри или торнадо.
— Надо научиться их предсказывать?
— Да, мы же видим, что, несмотря на то что при прогнозе погоды ведутся огромные численные расчеты, предсказания на основе этих расчетов не всегда успешны. Это один из примеров практической значимости исследования турбулентности.
— Кирилл Петрович, скажите честно: вы прекратили заниматься темной материей и начали заниматься турбулентностью, потому что это что-то более понятное?
— Нет. Я перестал заниматься темной материей, когда обнаружили «темную энергию». Появился второй мощный, очень свободный параметр. Мне кажется, что чем больше в теории свободных параметров, тем она меньше теория.
— А почему же не стали заниматься темной энергией?
— Потому что все это уходит в какую-то область, где фантазировать можно, но возникает вопрос: можно ли это экспериментально проверить? Все-таки физика всегда была наукой, которую можно проверить экспериментально. И появляется вопрос: вы занимаетесь физикой или философией?
— Вас эта метафизичность не устраивает, хочется конкретики?
— Я хотел бы исследовать то, что точно существует в природе. У математиков — у них свое. Они придумывают какие-то красивые вещи и могут рассуждать, что может так случиться, что из множества придуманных ими объектов и структур иногда вдруг какие-то реализуются в природе. Прекрасно, но это не отменяет главного: мне все-таки интересно то, что действительно реализуется в природе и почему, а не то, что возможно.
— А вы слышали когда-нибудь о том, что картины Ван Гога якобы зрительно изображают турбулентность?
— Слышал. Была такая история. Самая известная — колмогоровская турбулентность, где есть понятие среднеквадратичных пульсаций скорости. Эти пульсации при разнесении в пространстве меняются в зависимости от этого расстояния по степенному закону. А на картине Ван Гога кто-то не поленился, посчитал длину штрихов в зависимости от их количества. И эта зависимость очень неплохо легла на этот закон.
— Может ли творчество Ван Гога каким-то образом помочь в изучении явления турбулентности?
— Вряд ли. Это разные виды творчества — наука и искусство. Разве что пути и принципы развития у них похожи.
— Турбулентность может быть на других планетах?
— Она везде, где есть атмосфера. В некотором смысле даже то, что я говорил о динамике холодной темной материи, — это тоже турбулентность. Но одна турбулентность на другую очень непохожа. Да, там тоже возникают некоторые структуры, они хаотические, но физические процессы, определяющие формирование этих структур, другие.
— Чем бы еще вы хотели заняться в науке, что реально существует и важно понять?
— Надо интересоваться всем, смотреть, когда появляются новые неожиданные вещи, попытаться их осмыслить в понятных категориях.
Интервью проведено при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ и Российской академии наук.