Crna materija. Šest kosmoloških problema

Kretanje objekata na kosmičkoj skali pokorava se dobroj staroj Njutnovoj teoriji. Međutim, otkriće Fritza Zwickyja 30-ih i posljednja brojna opažanja udaljenih galaksija koje rotiraju brže nego što bi njihova prividna masa ukazivala, potaknulo je astronome i fizičare da izračunaju masu tamne materije, koja se ne može direktno odrediti ni u jednom dostupnom rasponu posmatranja. . našim alatima. Račun se pokazao vrlo visokim - sada se procjenjuje da gotovo 27% mase svemira čini tamna materija. Ovo je više od pet puta više od "obične" materije dostupne našim zapažanjima.

Nažalost, čini se da elementarne čestice ne predviđaju postojanje čestica koje bi činile ovu zagonetnu masu. Do sada nismo bili u mogućnosti da ih otkrijemo ili generiramo visokoenergetske zrake u sudarajućim akceleratorima. Posljednja nada naučnika bilo je otkriće "sterilnih" neutrina, koji bi mogli sačinjavati tamnu materiju. Međutim, dosadašnji pokušaji njihovog otkrivanja također su bili neuspješni.

Tamna energija

Pošto je 90-ih otkriveno da širenje svemira nije konstantno, već da se ubrzava, bio je potreban još jedan dodatak proračunima, ovog puta sa energijom u svemiru. Pokazalo se da je za objašnjenje ovog ubrzanja potrebna dodatna energija (tj. mase, jer su prema specijalnoj teoriji relativnosti iste) - tj. tamna energija - trebalo bi da čini oko 68% univerzuma.

To bi značilo da se više od dvije trećine svemira sastoji od... bog zna čega! Jer, kao u slučaju tamne materije, nismo bili u mogućnosti da uhvatimo ili istražimo njenu prirodu. Neki vjeruju da je to energija vakuuma, ista energija pri kojoj se čestice "iz ničega" pojavljuju kao rezultat kvantnih efekata. Drugi sugeriraju da je to "kvintesencija", peta sila prirode.

Postoji i hipoteza da kosmološki princip uopće ne funkcionira, Univerzum je nehomogen, ima različite gustoće u različitim područjima, a te fluktuacije stvaraju iluziju ubrzanog širenja. U ovoj verziji, problem tamne energije bio bi samo iluzija.

Ajnštajn je uveo u svoje teorije – a zatim i uklonio – koncept kosmološka konstantapovezana sa tamnom energijom. Koncept su nastavili teoretičari kvantne mehanike koji su pokušali zamijeniti pojam kosmološke konstante energija polja kvantnog vakuuma. Međutim, ova teorija je dala 10¹²⁰ više energije nego što je potrebno da se svemir proširi brzinom koju znamo...

inflacija

Teorija inflacija prostora objašnjava dosta toga na zadovoljavajući način, ali uvodi mali (pa, nije za svakog mali) problem - sugeriše da je u ranom periodu njegovog postojanja stopa širenja bila veća od brzine svetlosti. To bi objasnilo trenutno vidljivu strukturu svemirskih objekata, njihovu temperaturu, energiju itd. Poenta je, međutim, da do sada nisu pronađeni nikakvi tragovi ovog drevnog događaja.

Istraživači sa Imperial College London, London i univerziteta u Helsinkiju i Kopenhagenu opisali su 2014. godine u Physical Review Letters kako je gravitacija obezbijedila stabilnost potrebnu da svemir doživi ozbiljnu inflaciju u ranoj fazi svog razvoja. Tim je analizirao interakcija između Higgsovih čestica i gravitacije. Naučnici su pokazali da čak i mala interakcija ovog tipa može stabilizirati svemir i spasiti ga od katastrofe.

Grafikon brzine rotacije spiralne galaksije M33

“Standardni model fizike elementarnih čestica, koji naučnici koriste da objasne prirodu elementarnih čestica i njihove interakcije, još nije odgovorio na pitanje zašto se Univerzum nije srušio odmah nakon Velikog praska”, rekao je profesor. Artu Rajanti sa Odsjeka za fiziku Imperial Collegea. “U našoj studiji fokusirali smo se na nepoznati parametar Standardnog modela, odnosno interakciju između Higgsovih čestica i gravitacije. Ovaj parametar se ne može mjeriti u eksperimentima s akceleratorima čestica, ali ima snažan utjecaj na nestabilnost Higgsovih čestica tokom faze naduvavanja. Čak i mala vrijednost ovog parametra je dovoljna da objasni stopu preživljavanja.”

Mreža tamne materije osvijetljena kvazarom

Neki naučnici smatraju da je inflaciju, kada jednom počne, teško zaustaviti. Zaključuju da je njegova posljedica stvaranje novih svemira, fizički odvojenih od našeg. I ovaj proces će se nastaviti do danas. Multiverzum još uvijek rađa nove svemire u inflatornoj navali.

Vraćajući se na princip konstantne brzine svjetlosti, neki teoretičari inflacije sugeriraju da je brzina svjetlosti, da, striktno ograničenje, ali ne i konstanta. U ranoj eri bio je veći, što je dozvoljavalo inflaciju. Sada nastavlja da pada, ali tako polako da to ne možemo primijetiti.

Kombinovanje interakcija

Trenutni balans obične materije, tamne materije i tamne energije

Standardni model, iako ujedinjuje tri vrste prirodnih sila, ne ujedinjuje slabe i jake interakcije na zadovoljstvo svih naučnika. Gravitacija stoji po strani i još se ne može uključiti u opći model sa svijetom elementarnih čestica. Svaki pokušaj da se pomiri gravitacija sa kvantnom mehanikom unosi toliko beskonačnosti u proračune da jednačine gube svoju vrijednost.

kvantna teorija gravitacije zahteva prekid veze između gravitacione mase i inercijalne mase, poznat po principu ekvivalencije (vidi članak: "Šest principa univerzuma"). Kršenje ovog principa podriva izgradnju moderne fizike. Dakle, takva teorija, koja otvara put ka teoriji snova o svemu, može uništiti i do sada poznatu fiziku.

Iako je gravitacija preslaba da bi bila primjetna na malim skalama kvantnih interakcija, postoji mjesto gdje postaje dovoljno jaka da napravi razliku u mehanici kvantnih fenomena. Ovo crne rupe. Međutim, fenomeni koji se dešavaju unutar i na njihovim periferijama još uvijek su malo proučavani i proučavani.

Postavljanje univerzuma

Standardni model ne može predvidjeti veličinu sila i masa koje nastaju u svijetu čestica. O tim veličinama učimo mjerenjem i dodavanjem podataka teoriji. Naučnici neprestano otkrivaju da je samo mala razlika u izmjerenim vrijednostima dovoljna da svemir izgleda potpuno drugačije.

Na primjer, ima najmanju masu potrebnu za održavanje stabilne materije od svega što znamo. Količina tamne materije i energije pažljivo je izbalansirana za formiranje galaksija.

Jedan od najzagonetnijih problema sa podešavanjem parametara univerzuma je prednost materije u odnosu na antimaterijušto omogućava da sve stabilno postoji. Prema Standardnom modelu, trebalo bi proizvesti istu količinu materije i antimaterije. Naravno, sa naše tačke gledišta, dobro je da materija ima prednost, jer jednake količine impliciraju nestabilnost Univerzuma, potresanog nasilnim izlivima anihilacije obe vrste materije.

Vizualizacija multiverzuma sa svemirima koji se šire i skupljaju

Problem mjerenja

odluka merenje kvantne objekte znači kolaps valne funkcije, tj. "promjenu" njihovog stanja iz dva (Schrödingerova mačka u neodređenom stanju "živa ili mrtva") u jedno (znamo šta se dogodilo s mačkom).

Jedna od hrabrijih hipoteza vezanih za problem mjerenja je koncept "mnogih svjetova" - mogućnosti od kojih biramo prilikom mjerenja. Svijetovi se odvajaju svakog trenutka. Dakle, imamo svijet u kojem gledamo u kutiju sa mačkom, i svijet u kojem ne gledamo u kutiju sa mačkom... U prvom - svijet u kojem živi mačka, ili onaj u kojoj ne živi, ​​itd. d.

vjerovao je da nešto nije u redu s kvantnom mehanikom, i njegovo mišljenje se ne smije shvatiti olako.

Četiri glavne interakcije