Ciemna materia. Sześć problemów kosmologicznych

Ruchy obiektów w skali kosmicznej podlegają starej, dobrej teorii Newtona. Jednak odkrycie Fritza Zwicky'ego w latach trzydziestych XX wieku i późniejsze liczne obserwacje odległych galaktyk, które wirują szybciej, niż wskazywałaby ich pozorna masa, skłoniły astronomów i fizyków do obliczenia masy ciemnej materii, której nie można określić bezpośrednio w żadnym dostępnym zakresie obserwacyjnym. do naszych narzędzi. Szacunek okazał się bardzo wysoki – obecnie szacuje się, że prawie 30% masy Wszechświata stanowi ciemna materia. To ponad pięciokrotnie więcej niż „zwykła” substancja dostępna naszym obserwacjom.

Niestety, wydaje się, że cząstki elementarne nie przewidują istnienia cząstek, które składałyby się na tę tajemniczą masę. Do tej pory nie byliśmy w stanie ich wykryć ani wygenerować wiązek wysokoenergetycznych w akceleratorach podczas zderzeń. Ostatnią nadzieją naukowców było odkrycie „sterylnych” neutrin, które mogą tworzyć ciemną materię. Jednak dotychczasowe próby ich wykrycia również zakończyły się niepowodzeniem.

Ciemna energia

Odkąd w latach 90. odkryto, że ekspansja Wszechświata nie jest stała, ale przyspiesza, konieczne było kolejne uzupełnienie obliczeń, tym razem o energię we Wszechświecie. Okazało się, że aby wyjaśnić to przyspieszenie, dodatkowa energia (tj. masy, bo według szczególnej teorii względności są tożsame) - tj. ciemna energia - powinna stanowić około 68% wszechświata.

Oznaczałoby to, że ponad dwie trzecie Wszechświata składa się z… kto wie z czego! Ponieważ, podobnie jak w przypadku ciemnej materii, nie byliśmy w stanie uchwycić ani zbadać jej natury. Niektórzy uważają, że jest to energia próżni, ta sama energia, przy której cząstki pojawiają się „z niczego” w wyniku efektów kwantowych. Inni sugerują, że jest to „kwintesencja”, piąta siła natury.

Istnieje również hipoteza, że ​​zasada kosmologiczna w ogóle nie ma zastosowania, Wszechświat jest niejednorodny, ma różną gęstość w różnych obszarach, a te wahania stwarzają iluzję przyspieszającej ekspansji. W tym przypadku problem ciemnej energii byłby jedynie iluzją.

Einstein wprowadził do swoich teorii – a następnie usunął – tę koncepcję stała kosmologicznazwiązany z ciemną energią. Koncepcję kontynuowali teoretycy mechaniki kwantowej, próbując zastąpić koncepcję stałej kosmologicznej kwantowa energia pola próżniowego. Jednak ta teoria dała 10¹²⁰ więcej energii, niż potrzeba do rozszerzania się Wszechświata w znanym nam tempie...

inflacja

Teoria kosmiczna inflacja wyjaśnia wiele zadowalająco, ale wprowadza mały (no, nie dla wszystkich mały) problem - sugeruje, że we wczesnym okresie jego istnienia tempo jego ekspansji było szybsze niż prędkość światła. Wyjaśniałoby to widoczną obecnie budowę obiektów kosmicznych, ich temperaturę, energię itp. Rzecz jednak w tym, że jak dotąd nie znaleziono śladów tego starożytnego wydarzenia.

W 2014 roku w czasopiśmie Physical Review Letters naukowcy z Imperial College w Londynie oraz uniwersytetów w Helsinkach i Kopenhadze opisali, w jaki sposób grawitacja zapewniła Wszechświatowi stabilność potrzebną do przetrwania poważnej inflacji na początku jego rozwoju. Zespół analizował oddziaływanie cząstek Higgsa i grawitacji. Naukowcy pokazali, że nawet niewielka interakcja tego typu może ustabilizować Wszechświat i uratować go przed katastrofą.

Wykres prędkości obrotowej galaktyki spiralnej M33

„Standardowy model fizyki cząstek elementarnych, którym naukowcy posługują się do wyjaśnienia natury cząstek elementarnych i ich oddziaływań, wciąż nie daje odpowiedzi na pytanie, dlaczego Wszechświat nie zawalił się natychmiast po Wielkim Wybuchu” – zauważył profesor. Powrót Rajantiego z Wydziału Fizyki Imperial College. „W naszym badaniu skupiliśmy się na nieznanym parametrze Modelu Standardowego, czyli interakcji pomiędzy cząstkami Higgsa a grawitacją. Parametru tego nie można zmierzyć w eksperymentach z akceleratorami cząstek, ma on jednak silny wpływ na niestabilność cząstek Higgsa w fazie napełniania. Nawet niewielka wartość tego parametru wystarczy, aby wyjaśnić przeżycie.”

Sieć ciemnej materii oświetlona przez kwazar

Niektórzy naukowcy uważają, że raz rozpoczętą inflację trudno zatrzymać. Dochodzą do wniosku, że jego konsekwencją było utworzenie nowych wszechświatów, fizycznie odrębnych od naszego. I ten proces będzie trwał do dzisiaj. Wieloświat wciąż tworzy nowe wszechświaty w pośpiechu inflacyjnym.

Wracając do zasady stałej prędkości światła, niektórzy zwolennicy teorii inflacji sugerują, że prędkość światła jest wprawdzie ścisłą granicą, ale nie stałą. We wczesnym okresie był wyższy, co uwzględniało inflację. Teraz nadal spada, ale tak wolno, że nie jesteśmy w stanie tego zauważyć.

Łączenie interakcji

Aktualny bilans zwykłej materii, ciemnej materii i ciemnej energii

Model Standardowy, choć łączy w sobie trzy rodzaje sił naturalnych, nie łączy sił słabych i silnych w sposób zadowalający wszystkich naukowców. Grawitacja stoi na uboczu i nie da się jej jeszcze włączyć do ogólnego modelu ze światem cząstek elementarnych. Każda próba pogodzenia grawitacji z mechaniką kwantową skutkuje tak dużą nieskończonością w obliczeniach, że równania tracą na wartości.

Kwantowa teoria grawitacji wymaga zerwania związku pomiędzy masą grawitacyjną a masą bezwładności, znanego z zasady równoważności (patrz artykuł: „Sześć zasad wszechświata”). Naruszenie tej zasady podważa gmach współczesnej fizyki. Stąd taka teoria, która otwiera drogę do wymarzonej teorii wszystkiego, może też zniszczyć znaną dotychczas fizykę.

Chociaż grawitacja jest zbyt słaba, aby była zauważalna w małej skali oddziaływań kwantowych, w pewnym miejscu staje się wystarczająco silna, aby mieć znaczenie w mechanice zjawisk kwantowych. Ten czarne dziury. Jednak zjawiska zachodzące wewnątrz i na ich obrzeżach są nadal słabo poznane i zbadane.

Konfigurowanie Wszechświata

Model Standardowy nie jest w stanie przewidzieć wielkości sił i mas powstających w świecie cząstek. O tych wielkościach dowiadujemy się mierząc i dodając dane do teorii. Naukowcy nieustannie odkrywają, że wystarczy niewielka różnica w mierzonych wielkościach, aby Wszechświat stał się zupełnie inny.

Na przykład ma najmniejszą masę wymaganą do utrzymania stabilnej materii ze wszystkiego, co znamy. Ilość ciemnej materii i energii jest dokładnie zbilansowana, tworząc galaktyki.

Jednym z najbardziej tajemniczych problemów z dostrajaniem parametrów Wszechświata jest przewaga materii nad antymateriąco pozwala, aby wszystko istniało stabilnie. Według Modelu Standardowego powinny powstać równe ilości materii i antymaterii. Oczywiście z naszego punktu widzenia dobrze, że materia ma przewagę, gdyż równe ilości oznaczają niestabilność Wszechświata, wstrząsanego gwałtownymi wybuchami anihilacji obu rodzajów materii.

Wizualizacja wieloświata z rozszerzającymi się i kurczącymi wszechświatami

Problem z pomiarem

decyzja pomiar obiekty kwantowe oznacza załamanie się funkcji falowej, czyli „zmianę” ich stanu z dwóch (kot Schrödingera w niepewnym stanie „żywy lub martwy”) na jeden (wiemy, co stało się z kotem).

Jedną z śmielszych hipotez związanych z problematyką pomiaru jest koncepcja „wielu światów” – możliwości, z których wybieramy mierząc. Światy rozdzielają się w każdej chwili. Mamy więc świat, w którym zaglądamy do pudełka z kotem i świat, w którym nie zaglądamy do pudełka z kotem… W pierwszym – świat, w którym żyje kot, czyli ten w którym nie mieszka itp. d.

wierzył, że jest coś głęboko złego w mechanice kwantowej i jego opinii nie można lekceważyć.

Cztery podstawowe interakcje