РАЗВИТИЕ  ПРЕДСТАВЛЕНИЙ  О  ТЕМНОЙ  МАТЕРИИ  В  СОВРЕМЕННОЙ  ФИЗИКЕ

Дупленко  Александр

класс  10  «А»,  школа  гимназия  №  1,  г.  Калининград

Назарова  Ирина  Викторовна

научный  руководитель,  педагог  высшей  категории,  преподаватель  физики,  МАОУ  Гимназия  №  1,  г.  Калининград

Введение

Так  называемая  темная  материя  относится  к  числу  наиболее  важных  нерешенных  проблем  современной  физики.

Под  темной  материей  (скрытой  массой)  в  современной  науке  понимается  форма  материи,  не  участвующая  в  сильном  и  электромагнитном  взаимодействии  и  не  взаимодействующая  с  ним  [1,  с.  381].  Следствием  этого  является  то,  что  ее  невозможно  наблюдать  с  помощью  современных  технических  средств,  однако  можно  обнаружить  по  косвенным  признакам.  Речь  идет,  прежде  всего,  о  создаваемых  темной  материей  гравитационных  эффектах.

Целью  данной  работы  является  выявление  направлений  и  этапов  развития  представлений  о  темной  материи  в  современной  физике. 

Результаты  исследования.

Сложно  сказать,  кто  первым  предложил  использовать  термин  «темная  материя»  для  рассматриваемого  явления.  Первые  предположения  о  существовании  материи,  взаимодействующей  с  обычным  веществом  только  через  гравитацию,  которые  кто-то  называл  «темной  материей»,  кто-то  —  «скрытой  массой»,  кто-то  использовал  другие  наименования,  появились  в  1920-е  годы  при  попытках  объяснить  аномальную  прецессию  перигелия  Меркурия. 

Нидерландский  астроном  Якобус  Корнелиус  Каптейн  (Jacobus  Cornelius  Kapteyn)  и  британский  физик-теоретик,  астроном,  математик  Джеймс  Хопвуд  Джинс  (James  Hopwood  Jeans)  в  начале  ХХ  века  также  высказывали  предположения  о  возможности  существования  некоего  невидимого  вещества,  обладающего  массой.  Их  ученик  Ян  Хендрик  Оорт  (Jan  Hendrik  Oort)  в  1932  году  впервые  оценил  плотность  диффузного  межзвездного  вещества  и  нашёл  её  предел.  Проведенные  им  расчеты  показали,  что  при  существующей  скорости  звезд  нашей  Галактики  они  неминуемо  должны  были  разлететься.  Оорт  выдвинул  гипотезу  в  Галактике  неизвестного  вещества,  тяготение  которого  удерживает  звезды  на  их  орбитах  [5,  с.  228].

Несколькими  годами  позже  к  такому  же  выводу  пришел  Фриц  Цвикки  (Fritz  Zwicky).  Он  измерял  скорость  и  массу  галактик  скопления  в  районе  созвездия  Волосы  Вероники.  Согласно  проведенным  им  расчетам,  масса  звезд  оказалась  в  50  раз  меньше  той,  которая  должна  была  быть  при  наблюдаемой  скорости.  Источник  избыточной  массы  Цвикки  назвал  темной  материей. 

Спустя  три  года  еще  один  ученый  —  Синклер  Смит  (Sinclair  Smith)  при  измерении  скорости  и  массы  галактик,  входящих  в  скопление  в  районе  созвездия  Девы,  обнаружил,  что  масса  скопления,  вычисленная  на  основе  его  светимости,  составила  лишь  один  процент  от  ожидаемой  в  рамках  существующей  теории.

Цвикки  пошел  дальше  Оорта  и  Смита  —  он  не  только  выдвинул  гипотезу  о  существовании  темной  материи,  но  и  заложил  основы  теории  скрытой  массы.  Он  предположил,  что  большую  часть  Вселенной  составляет  невидимое  вещество,  которое  проявляет  себя  по  взаимодействию  с  видимым  посредством  сил  тяготения. 

Таким  образом,  к  первому  этапу  развития  представлений  о  темной  материи  мы  отнесли  бы  период  с  1920-х  до  середины  1930-х  годов,  когда  было  обнаружено  само  явление  и  были  высказаны  гипотезы  о  существовании  какой-то  скрытой  массы,  объясняющей  выявленные  в  расчетах  противоречия,  но  еще  не  делались  попытки  объяснить  ее  природу.  Основным  направлением  исследований  в  этот  период  было  выявление  несоответствия  массы  галактик  их  скорости.

Более  того,  несколько  следующих  десятилетий  проблема  скрытой  массы  не  вызывала  особого  интереса  среди  ученых.  Ее  назвали  «вириальным  парадоксом»  и  воздерживались  от  дальнейших  исследований,  ожидая  более  совершенных  методов  наблюдения  за  скоростью  и  массой  галактик. 

К  проблеме  темной  материи  вновь  вернулись  лишь  в  1970-х  годах,  почти  через  сорок  лет  после  появления  гипотезы  Цвикки.  Ее  подтвердили  результаты  наблюдений  сразу  несколько  ученых  —  Кена  Фримана  (Ken  Freeman),  Веры  Рубин  (Vera  Rubin),  Кента  Форда  (Kent  Ford)  и  Альберта  Босма  (Albert  Bosma).  При  этом  лишь  один  из  них  —  Кен  Фриман  —  сразу  предположил,  что  в  галактиках  содержится  невидимое  вещество,  обладающее  значительной  массой.

Одновременно  теория  скрытой  массы  получала  свое  теоретическое  обоснование.  В  1973  году  канадец  Джим  Пиблс  (Jim  Peebles)  и  американец  Джеремия  Острикер  (Jeremiah  Ostriker)  представили  результаты  расчетов,  из  которых  следовало,  что  плоские  спиральные  галактики  могут  быть  устойчивы  только  при  погружении  в  мощное  гало  из  невидимого  вещества.  К  началу  1980-х  годов  гипотеза  о  том,  что  галактики  окружены  темной  материей,  получила  широкое  распространение  [2,  с.  12].

Таким  образом,  вторым  этапом  развития  представления  о  темной  материи  стал  период  с  начала  1970-х  до  начала  1980-х  годов.  Теория  скрытой  массы  подтвердилась  многочисленными  наблюдениями  и  получила  свое  первоначальное  теоретическое  обоснование.  Наиболее  распространенной  стала  гипотеза,  согласно  которой  за  пределами  видимых  границ  галактик  лежат  так  называемые  темные  гало,  имеющие  шарообразную  форму  и  состоящие  из  несветящейся,  темной  материи.  Основными  направлениями  исследований  было  определение  местонахождения  и  массы  темной  материи. 

За  прошедшие  десятилетия  было  получено  много  других  косвенных  подтверждений  ее  существования,  однако  прямых  доказательств  этого  все  еще  нет.  Природа  скрытого  вещества  также  остается  загадкой.

Гипотезы  о  составе  темной  материи  начали  активно  выдвигаться  учеными  с  начала  1990-х  годов.  Их  можно  разделить  на  две  группы.  Одна  часть  гипотез  исходит  из  того,  что  невидимое  вещество  является  барионным  и  его  составляют  макроскопические  объекты.  Это  могут  быть  коричневые  карлики,  планеты  типа  Юпитера,  нейтронные  звезды,  черные  дыры  и  др.  Другая  часть  гипотез  основана  на  предположении  о  небарионной  природе  темной  материи,  которая  состоит  из  элементарных  частиц.  К  ним  можно  отнести  нейтрино,  аксион,  фотино,  бозоны  Хиггса  и  т.  д.  [3,  с.  22].

Кроме  того,  стали  высказываться  предположения  о  существовании  холодной,  теплой  и  горячей  темной  материи.  Горячая  темная  материя  могла  бы  состоять  из  легкий  частиц  типа  нейтрино,  теплая  —  из  частиц,  движущихся  со  сравнимыми  со  световой  скоростями,  холодная  —  из  так  называемых  вимпов  (WIMP  —  weakly  interacting  massive  particle)  [4,  с.  107].

Можно  сделать  вывод  о  том,  что  третий  этап  развития  представлений  о  темной  материи  начался  в  1990  годах  и  продолжался  до  начала  2010-х  годов.  Учеными  было  выдвинуто  множество  гипотез  о  природе  темного  вещества,  но  ни  одну  из  них  пока  невозможно  доказать.  Была  предложена  классификация  темной  материи  на  «холодную»,  «теплую»  и  «горячую». 

Четвертый  период  исследования  природы  темной  материи  начался,  по  нашему  мнению,  в  2010-х  годах  благодаря  успехам  космологического  моделирования. 

В  настоящее  время  оно  позволяет  моделировать  поведение  одновременно  сотен  миллиардов  пробных  частиц  тёмной  материи.  Исследованиями  в  этой  области  занимается  множество  ученых.  В  качестве  примера  можно  привести  Лиянг  Гао  (Liang  Gao)  и  Тома  Теунс  (Tom  Theuns),  которые  с  помощью  компьютерного  моделирования  сравнили  поведение  теплой  и  холодной  темной  материи  в  ранней  Вселенной.  Проведенные  ими  расчеты  показали,  что  согласно  модели  с  холодной  темной  материей  к  настоящему  времени  во  Вселенной  не  существовало  бы  звезд,  состоящих  только  из  водорода  и  гелия.  Поэтому  модель  с  теплой  темной  материей  больше  соответствует  действительности.

Выводы.

Таким  образом,  можно  выделить  пять  этапов  развития  представлений  о  темной  материи  в  современной  физике. 

Первый  продолжался  с  1920-х  до  середины  1930-х  годов,  когда  было  обнаружено  само  явление  и  высказаны  гипотезы  о  существовании  какой-то  скрытой  массы,  объясняющей  выявленные  в  расчетах  противоречия,  но  еще  не  делались  попытки  объяснить  ее  природу.  Основным  направлением  исследований  было  выявление  несоответствия  массы  галактик  их  скорости.

Второй  этап  (с  начала  1970-х  до  начала  1980-х  годов)  характеризовался  первоначальным  теоретическим  обоснованием  существования  темной  материи.  Большинство  исследований  имели  своей  целью  определение  местонахождения  и  массы  темной  материи.

Для  третьего  этапа  (с  начала  1990-х  до  начала  2010-х  годов)  было  характерно  выдвижение  множества  гипотез  о  природе  темного  вещества,  ни  одна  их  которых  не  была  преобладающей.  Была  предложена  классификация  темной  материи  на  горячую,  теплую  и  холодную.

Четвертый  этап  начался  в  2011—2012  годах  благодаря  успехам  в  космологическом  моделировании.  Ученые  создают  модели  поведения  темной  материи  в  соответствии  с  различными  гипотезами  и  с  помощью  расчетов  на  суперкомпьютерах  пытаются  их  подтвердить  или  опровергнуть.

Список  литературы:

1.Ксанфомалити  В.  Мир  в  темных  тонах:  темная  материя,  темная  энергия,  черные  дыры  //  Астрономический  вестник.  —  2005.  —  Т.  39.  —  №  4.  —  С.  381—384.

2.Ласуков  В.В.  Темная  материя  и  темная  энергия  вселенной  //  Известия  высших  учебных  заведений.  Физика.  —  2006.  —  Т.  49.  —  №  4.  —  С.  9—19.

3.Сабурова  А.С.,  Сафонова  Е.С.  Темная  и  видимая  материя  в  дисковых  галактиках  //  Земля  и  Вселенная.  —  2012.  —  №  5.  —  С.  18—31.

4.Смирнов  А.И.  Горячая  темная  материя  во  Вселенной  //  Известия  высших  учебных  заведений.  Физика.  —  2012.  —  Т.  55.  —  №  1.  —  С.  107—108.

5.Урсул  А.Д.  Научная  картина  мира  XXI  века:  темная  материя  и  универсальная  вселенная  //  Безопасность  Евразии.  —  2009.  —  №  1.  —  С.  227—248.