Человечество никогда не найдет темную материю без квантовой технологии. Поиск может занять 10 000 лет

Около ста лет назад голландский астроном Якобус Каптейн впервые сделал предположение о возможности существования во Вселенной темной материи. Изучая движение скоплений звезд, газа и пыли — галактик — он заметил странную вещь. Движение не соответствовало законам физики и гравитации. Во внешних слоях галактики звезды вращались слишком быстро.

Теманая материя

Было похоже на то, что внутри и вокруг галактик находилось что-то массивное и невидимое. Это что-то астроном и назвал темной материей. Позднее, в 60-е и 80-е годы, многие ученые подтвердили гипотезу Каптейна. Большое количество доказательств существования темной материи тогда собрали, к примеру, Вера Рубин, Кен Фриман, Кент Форд.

В конечном итоге астрофизикам удалось доказать, что для того, чтобы звезды в галактиках двигались так, как они движутся, масса темной материи должна быть в 6 раз больше массы видимой части Вселенной.

Попытки обнаружения темной материи

Сегодня гипотезы существования в космосе темной материи придерживается огромное количество ученых. Исследователи, помимо всего прочего, часто проводят эксперименты, целью которых является ее обнаружение. Занимаются этой проблемой зачастую лучшие умы человечества. Однако, несмотря на это, долгое время открыть темную материю не удается.

Еще совсем недавно считалось, что до ее обнаружения может пройти не одна сотня лет. Однако в последнее время прогнозы ученых стали более оптимистическими.

Квантовая физика и темная материя

По мнению многих современных исследователей, с развитием квантовой физики шансы обнаружения темной материи становятся все более реальными. На настоящий момент физики говорят о возможном существовании двух типов частиц темной материи. Существованием аксионов, к примеру, можно объяснить, почему ядерное взаимодействие не меняется в том случае, если вы меняете четность частицы и электрический заряд.

Второй тип возможных частиц темной материи — темные фотоны. По мнению многих ученых, эти части должны вести себя аналогично обычным фотонам, являющимся, как известно, частицами света. Но при этом темные фотоны, конечно, далеко не светлые.

В поисках аксионов

Согласно существующей на данный момент гипотезе, аксионы должны колебаться в пространстве и времени с определенной частотой. Однако теоретики до сих пор не могут предсказать какой должна быть эта частота. В результате в поисках аксионов им приходится сканировать огромный диапазон частот.

Аксионный детектор, используемый учеными в своей работе, по принципу действия похож на старый радиоприемник. Как приемник преобразует радиоволны в звук, так и детектор должен преобразовывать аксионные волны в электромагнитные сигналы.

Работа по поиску аксионов осложняется тем, что они колеблются не в одной, а в двух разных частотах одновременно. В этом плане их можно сравнить с пьяным человеком, которые делает 3 шага вправо, затем 3 шага влево и снова вправо. При этом он, к примеру, еще может и прыгать вверх каждые 4 шага из-за икоты. Таким образом первую частоту аксионов можно сравнить с движением вправо-влево, вторую — с движением вверх-вниз.

Квадратура электромагнитного поля

Чисто математически две частоты аксиона для удобства поиска можно квадратично сложить. Для этого нужно умножить первую частоту на себя, добавить к ней вторую умноженную на себя частоту и извлечь квадратный корень из суммы.

В нашем примере с пьяным человеком 3 х 3 = 9 (первая частота) и 4 х 4 = 16 (вторая частота). Прибавляем 9 к 16 и извлекаем квадратный корень из 25. Получается, что за один цикл человек делает 5 шагов. Эти 5 «шагов» астрофизики называют квадратурой электромагнитного поля.

При поиске аксионов, найдя квадратуру, ученые должны проверить крошечную полосу частот, равную одному «шагу». Между тем, частота аксиона может колебаться в диапазоне от 300 до 300 млрд герц. Это поистине огромный диапазон, охват которого при использовании нынешних методик может занять до 10 тыс. лет.

Принцип неопределенности

Помимо всего прочего, еще и сама полоса пропускания ограничена принципом неопределенности, что еще более усложняет задачу. Это как если бы за пьяным человеком наблюдал нетрезвый прохожий, ошибающийся при подсчете его шагов.

Облегчить себе задачу по поиску аксионов ученые в наши дни, к счастью, могут с помощью метода квантового сжатия. Заимствуя сверхпроводящие схемы у квантовых компьютеров, ученые перераспределяют их таким образом, чтобы одна частота была затронута неопределенностью меньше, чем другая. Это позволяет увеличить полосу пропускания и снизить количество измеряемых частот.

Исследования, направленные на поиск темных фотонов

Конечно, современные ученые занимаются поиском не только аксионов, но и темных фотонов. Для этого они заполняют один сверхпроводящий микроволновый резонатор обычными фотонами, а другой стараются оставить как можно более пустым.

Согласно существующей гипотезе, в резонаторе большая часть обычных фотонов должна превращаться в темные. Поскольку темные фотоны, по предположениям ученых, могут проходить сквозь стены, некоторые из них должны попасть во второй резонатор. Большая часть этих фотонов в последующем превратится в обычные и их можно будет обнаружить.

Ложные срабатывания

Однако и в данном случае наука сталкивается с огромным количеством проблем. В ходе экспериментов очень часто возникают ложные срабатывания. То есть поступает сигнал о нахождении фотона, хотя его в резонаторе нет. При этом, попадая в контролирующий детектор, фотон, конечно, быстро исчезает. Поэтому проверить, является ли результат по нахождению ложным или истинным, невозможно.

Обе эти проблемы помогает решить квантовая физика. Квантовые измерения позволяют проводить повторную проверку до конца естественной жизни оказавшегося в детекторе фотона. Путем многократных же измерений ложные результаты можно исключить совсем. Получается, что без квантовых технологий обнаружение темных фотонов стало бы невозможным.

Вместо заключения

До открытия темной материи, конечно, остается еще много времени. Однако ученые уже сегодня не прочь добавить к имеющимся наработкам новые главы, которые могут быть еще более захватывающими, чем предыдущие. По мнению астрофизиков, квантовые технологии обязательно помогут им значительно продвинуться вперед и быстрее сделать долгожданное открытие.