Materie întunecată. Șase probleme cosmologice

Mișcările obiectelor la scară cosmică se supun bunei vechi teorii a lui Newton. Cu toate acestea, descoperirea lui Fritz Zwicky în anii 30 și numeroasele observații ulterioare ale galaxiilor îndepărtate care se rotesc mai repede decât ar indica masa lor aparentă, i-au determinat pe astronomi și fizicieni să calculeze masa materiei întunecate, care nu poate fi determinată direct în niciun interval disponibil de observație. . la instrumentele noastre. Factura sa dovedit a fi foarte mare - acum se estimează că aproape 27% din masa universului este materie întunecată. Aceasta este de peste cinci ori mai mult decât materia „obișnuită” disponibilă pentru observațiile noastre.

Din păcate, particulele elementare nu par să prevadă existența particulelor care ar alcătui această masă enigmatică. Până acum, nu am reușit să le detectăm sau să generăm fascicule de mare energie în acceleratoarele care se ciocnesc. Ultima speranță a oamenilor de știință a fost descoperirea neutrinilor „sterili”, care ar putea alcătui materia întunecată. Cu toate acestea, până acum încercările de a le detecta nu au avut succes.

energie întunecată

De când s-a descoperit în anii 90 că expansiunea universului nu este constantă, ci accelerată, a fost nevoie de o altă completare la calcule, de data aceasta cu energie în univers. S-a dovedit că pentru a explica această accelerație, energie suplimentară (adică mase, deoarece conform teoriei relativității speciale sunt aceleași) - adică. energia întunecată – ar trebui să constituie aproximativ 68% din univers.

Asta ar însemna că mai mult de două treimi din univers este formată din... Dumnezeu știe ce! Pentru că, ca și în cazul materiei întunecate, nu am reușit să-i surprindem sau să-i explorăm natura. Unii cred că aceasta este energia vidului, aceeași energie la care particulele „din nimic” apar ca urmare a efectelor cuantice. Alții sugerează că este „chintesența”, a cincea forță a naturii.

Există și ipoteza că principiul cosmologic nu funcționează deloc, Universul este neomogen, are densități diferite în zone diferite, iar aceste fluctuații creează iluzia expansiunii accelerate. În această versiune, problema energiei întunecate ar fi doar o iluzie.

Einstein a introdus în teoriile sale - și apoi a eliminat - conceptul constantă cosmologicăasociat cu energia întunecată. Conceptul a fost continuat de teoreticienii mecanicii cuantice care au încercat să înlocuiască noțiunea de constantă cosmologică energia câmpului cuantic de vid. Cu toate acestea, această teorie a dat 10¹²⁰ mai multă energie decât este necesară pentru a extinde universul în ritmul pe care îl cunoaștem...

umflare

Теория inflația spațială explică multe în mod satisfăcător, dar introduce o mică problemă (ei bine, nu pentru toată lumea) - sugerează că în perioada timpurie a existenței sale, rata sa de expansiune a fost mai rapidă decât viteza luminii. Acest lucru ar explica structura vizibilă în prezent a obiectelor spațiale, temperatura, energia lor etc. Ideea, totuși, este că până acum nu au fost găsite urme ale acestui eveniment antic.

Cercetătorii de la Imperial College London, Londra și Universitățile din Helsinki și Copenhaga au descris în 2014 în Physical Review Letters modul în care gravitația a oferit stabilitatea necesară pentru ca universul să experimenteze o inflație severă la începutul dezvoltării sale. Echipa a analizat interacțiunea dintre particulele Higgs și gravitație. Oamenii de știință au arătat că chiar și o mică interacțiune de acest tip poate stabiliza universul și îl poate salva de catastrofă.

Graficul vitezei de rotație a galaxiei spirale M33

„Modelul standard al fizicii particulelor elementare, pe care oamenii de știință îl folosesc pentru a explica natura particulelor elementare și interacțiunile lor, nu a răspuns încă la întrebarea de ce Universul nu s-a prăbușit imediat după Big Bang”, a spus profesorul. Artu Rajanti de la Departamentul de Fizică a Imperial College. „În studiul nostru, ne-am concentrat pe parametrul necunoscut al modelului standard, adică interacțiunea dintre particulele Higgs și gravitație. Acest parametru nu poate fi măsurat în experimentele cu acceleratorul de particule, dar are o influență puternică asupra instabilității particulelor Higgs în timpul fazei de inflație. Chiar și o valoare mică a acestui parametru este suficientă pentru a explica rata de supraviețuire.”

O rețea de materie întunecată iluminată de un quasar

Unii savanți cred că inflația, odată ce începe, este greu de oprit. Ei ajung la concluzia că consecința ei a fost crearea de noi universuri, separate fizic de ale noastre. Și acest proces va continua până astăzi. Multiversul încă dă naștere unor noi universuri într-o goană inflaționistă.

Revenind la principiul vitezei constante a luminii, unii teoreticieni ai inflației sugerează că viteza luminii este, da, o limită strictă, dar nu o constantă. În epoca timpurie era mai mare, permițând inflația. Acum continuă să scadă, dar atât de încet încât nu putem observa.

Combinarea interacțiunilor

Echilibrul actual al materiei obișnuite, materiei întunecate și energie întunecată

Modelul standard, deși unifică cele trei tipuri de forțe ale naturii, nu unifică interacțiunile slabe și puternice spre satisfacția tuturor oamenilor de știință. Gravitația stă deoparte și nu poate fi încă inclusă în modelul general cu lumea particulelor elementare. Orice încercare de a reconcilia gravitația cu mecanica cuantică introduce atât de mult infinit în calcule încât ecuațiile își pierd din valoare.

teoria cuantică a gravitației necesită o întrerupere a conexiunii dintre masa gravitațională și masa inerțială, cunoscută din principiul echivalenței (vezi articolul: „Șase principii ale universului”). Încălcarea acestui principiu subminează construcția fizicii moderne. Astfel, o astfel de teorie, care deschide calea către o teorie a viselor despre orice, poate distruge și fizica cunoscută până acum.

Deși gravitația este prea slabă pentru a fi vizibilă la scara mică a interacțiunilor cuantice, există un loc în care devine suficient de puternică pentru a face diferența în mecanica fenomenelor cuantice. Acest găuri negre. Cu toate acestea, fenomenele care au loc în interiorul și la periferia lor sunt încă puțin studiate și studiate.

Configurarea universului

Modelul standard nu poate prezice magnitudinea forțelor și maselor care apar în lumea particulelor. Învățăm despre aceste cantități măsurând și adăugând date la teorie. Oamenii de știință descoperă în mod constant că o mică diferență în valorile măsurate este suficientă pentru a face universul să arate complet diferit.

De exemplu, are cea mai mică masă necesară pentru a susține materia stabilă a tot ceea ce știm. Cantitatea de materie întunecată și energie este echilibrată cu grijă pentru a forma galaxii.

Una dintre cele mai derutante probleme cu reglarea parametrilor universului este avantajul materiei fata de antimateriecare permite ca totul să existe stabil. Conform modelului standard, ar trebui să fie produsă aceeași cantitate de materie și antimaterie. Desigur, din punctul nostru de vedere, este bine că materia are un avantaj, întrucât cantități egale implică instabilitatea Universului, zguduită de izbucniri violente de anihilare a ambelor tipuri de materie.

Vizualizarea multiversului cu universuri în expansiune și contractare

Problemă de măsurare

decizie măsurare obiecte cuantice înseamnă prăbușirea funcției de undă, adică „schimbarea” stării lor de la două (pisica lui Schrödinger într-o stare nedeterminată de „vie sau moartă”) la una singură (știm ce s-a întâmplat cu pisica).

Una dintre ipotezele mai îndrăznețe legate de problema măsurării este conceptul de „multe lumi” – posibilitățile din care alegem atunci când măsurăm. Lumile se separă în fiecare moment. Deci, avem o lume în care ne uităm într-o cutie cu o pisică și o lume în care nu ne uităm într-o cutie cu o pisică ... În primul - lumea în care trăiește pisica, sau cea în care nu locuieşte etc.d.

el credea că ceva nu era profund în neregulă cu mecanica cuantică, iar părerea lui nu trebuia luată cu ușurință.

Patru interacțiuni principale