Tumšā matērija. Sešas kosmoloģiskas problēmas

Objektu kustība kosmiskā mērogā pakļaujas vecajai labajai Ņūtona teorijai. Tomēr Friča Cvikija atklāšana 30. gadsimta 27. gados un tam sekojošie neskaitāmie tālu galaktiku novērojumi, kas griežas ātrāk, nekā liecinātu to šķietamā masa, astronomiem un fiziķiem lika aprēķināt tumšās vielas masu, ko nevar tieši noteikt nevienā pieejamā novērojumu diapazonā. . mūsu instrumentiem. Rēķins izrādījās ļoti liels – tagad tiek lēsts, ka gandrīz XNUMX% no Visuma masas ir tumšā matērija. Tas ir vairāk nekā piecas reizes vairāk nekā mūsu novērojumiem pieejamā "parastā" lieta.

Diemžēl šķiet, ka elementārdaļiņas neparedz daļiņu esamību, kas veidotu šo mīklaino masu. Līdz šim mēs neesam spējuši tos atklāt vai radīt lielas enerģijas starus sadursmēs akseleratoros. Zinātnieku pēdējā cerība bija "sterilu" neitrīno atklāšana, kas varētu veidot tumšo vielu. Tomēr līdz šim mēģinājumi tos atklāt arī bijuši nesekmīgi.

tumšā enerģija

Tā kā deviņdesmitajos gados tika atklāts, ka Visuma izplešanās nav nemainīga, bet gan paātrināta, aprēķinos bija nepieciešams vēl viens papildinājums, šoreiz ar enerģiju Visumā. Izrādījās, ka, lai izskaidrotu šo paātrinājumu, papildus enerģija (t.i. masas, jo pēc speciālās relativitātes teorijas tās ir vienādas) - t.i. tumšā enerģija - vajadzētu veidot aptuveni 90% no Visuma.

Tas nozīmētu, ka vairāk nekā divas trešdaļas Visuma veido... Dievs zina, kas! Jo, tāpat kā tumšās matērijas gadījumā, mēs neesam spējuši notvert vai izpētīt tās dabu. Daži uzskata, ka tā ir vakuuma enerģija, tā pati enerģija, pie kuras kvantu efektu rezultātā parādās daļiņas "no nekā". Citi liek domāt, ka tā ir "kvintesence", piektais dabas spēks.

Pastāv arī hipotēze, ka kosmoloģiskais princips nedarbojas vispār, Visums ir neviendabīgs, dažādos apgabalos ir atšķirīgs blīvums, un šīs svārstības rada ilūziju par paātrinātu izplešanos. Šajā versijā tumšās enerģijas problēma būtu tikai ilūzija.

Einšteins ieviesa savās teorijās un pēc tam noņēma šo jēdzienu kosmoloģiskā konstantesaistīta ar tumšo enerģiju. Koncepciju turpināja kvantu mehānikas teorētiķi, kuri mēģināja aizstāt kosmoloģiskās konstantes jēdzienu. kvantu vakuuma lauka enerģija. Tomēr šī teorija deva 10¹²⁰ vairāk enerģijas, nekā nepieciešams, lai paplašinātu Visumu mums zināmā ātrumā...

inflācija

Теория kosmosa inflācija tas apmierinoši izskaidro daudz ko, bet ievieš nelielu (labi, ne visiem mazo) problēmu - tas liek domāt, ka tās pastāvēšanas agrīnajā periodā tā izplešanās ātrums bija lielāks par gaismas ātrumu. Tas izskaidro šobrīd redzamo kosmosa objektu uzbūvi, to temperatūru, enerģiju utt. Taču būtība ir tāda, ka līdz šim nav atrastas šī senā notikuma pēdas.

Londonas Imperiālās koledžas, Londonas un Helsinku un Kopenhāgenas universitāšu pētnieki 2014. gadā izdevumā Physical Review Letters aprakstīja, kā gravitācija nodrošināja stabilitāti, kas nepieciešama, lai Visums tā attīstības sākumā piedzīvotu nopietnu inflāciju. Komanda analizēja Mijiedarbība starp Higsa daļiņām un gravitāciju. Zinātnieki ir pierādījuši, ka pat neliela šāda veida mijiedarbība var stabilizēt Visumu un glābt to no katastrofas.

Spirālveida galaktikas M33 rotācijas ātruma grafiks

"Elementārdaļiņu fizikas standarta modelis, ko zinātnieki izmanto, lai izskaidrotu elementārdaļiņu būtību un to mijiedarbību, vēl nav atbildējis uz jautājumu, kāpēc Visums nesabruka uzreiz pēc Lielā sprādziena," sacīja profesors. Atpakaļ Rajanti no Imperiālās koledžas Fizikas nodaļas. "Mūsu pētījumā mēs koncentrējāmies uz nezināmo standarta modeļa parametru, tas ir, mijiedarbību starp Higsa daļiņām un gravitāciju. Šo parametru nevar izmērīt eksperimentos ar daļiņu paātrinātāju, taču tam ir spēcīga ietekme uz Higsa daļiņu nestabilitāti inflācijas fāzē. Pat ar nelielu šī parametra vērtību pietiek, lai izskaidrotu izdzīvošanas līmeni.

Tumšās vielas tīkls, ko izgaismo kvazārs

Daži zinātnieki uzskata, ka inflāciju, tiklīdz tā sākas, ir grūti apturēt. Viņi secina, ka tā sekas bija jaunu Visumu radīšana, kas fiziski atdalīti no mūsējiem. Un šis process turpināsies līdz šodienai. Multiversums joprojām rada jaunus Visumus inflācijas steigā.

Atgriežoties pie nemainīga gaismas ātruma principa, daži inflācijas teorētiķi norāda, ka gaismas ātrums, jā, ir stingrs ierobežojums, bet ne konstante. Agrīnā laikmetā tas bija augstāks, pieļaujot inflāciju. Tagad tas turpina kristies, bet tik lēni, ka nespējam to pamanīt.

Mijiedarbības apvienošana

Pašreizējais parastās matērijas, tumšās matērijas un tumšās enerģijas līdzsvars

Standarta modelis, lai gan apvieno trīs veidu dabas spēkus, neapvieno vājo un spēcīgo mijiedarbību, lai visi zinātnieki būtu apmierināti. Gravitācija stāv malā un vēl nevar tikt iekļauta vispārējā modelī ar elementārdaļiņu pasauli. Jebkurš mēģinājums saskaņot gravitāciju ar kvantu mehāniku aprēķinos ievieš tik daudz bezgalības, ka vienādojumi zaudē savu vērtību.

gravitācijas kvantu teorija prasa pārtraukumu savienojumā starp gravitācijas masu un inerciālo masu, kas pazīstams pēc ekvivalences principa (skat. rakstu: "Seši Visuma principi"). Šī principa pārkāpšana grauj mūsdienu fizikas veidošanu. Tādējādi šāda teorija, kas paver ceļu sapņu teorijai par visu, var sagraut arī līdz šim zināmo fiziku.

Lai gan gravitācija ir pārāk vāja, lai to varētu pamanīt nelielos kvantu mijiedarbības mērogos, ir vieta, kur tā kļūst pietiekami spēcīga, lai mainītu kvantu parādību mehāniku. Šis melnie caurumi. Tomēr parādības, kas notiek to iekšienē un nomalē, joprojām ir maz pētītas un pētītas.

Visuma iestatīšana

Standarta modelis nevar paredzēt spēku un masu, kas rodas daļiņu pasaulē, lielumu. Mēs uzzinām par šiem lielumiem, mērot un pievienojot teorijai datus. Zinātnieki pastāvīgi atklāj, ka pietiek ar nelielu izmērīto vērtību atšķirību, lai Visums izskatītos pavisam savādāk.

Piemēram, tam ir mazākā masa, kas nepieciešama, lai atbalstītu visu, ko mēs zinām, stabilu vielu. Tumšās vielas un enerģijas daudzums ir rūpīgi līdzsvarots, veidojot galaktikas.

Viena no mulsinošākajām problēmām ar Visuma parametru regulēšanu ir matērijas priekšrocības salīdzinājumā ar antimateriālukas ļauj visam stabili pastāvēt. Saskaņā ar standarta modeli jāsagatavo vienāds vielas un antimateriāla daudzums. Protams, no mūsu viedokļa ir labi, ka matērijai ir priekšrocības, jo vienādi daudzumi norāda uz Visuma nestabilitāti, ko satricina abu veidu matērijas iznīcināšanas uzliesmojumi.

Multiversuma vizualizācija ar paplašinās un sarūk Visumiem

Mērīšanas problēma

Šķīdums mērīšana kvantu objekti nozīmē viļņu funkcijas sabrukumu, t.i., viņu stāvokļa "maiņu" no diviem (Šrēdingera kaķis nenoteiktā stāvoklī "dzīvs vai miris") uz vienu (mēs zinām, kas notika ar kaķi).

Viena no drosmīgākajām hipotēzēm saistībā ar mērīšanas problēmu ir jēdziens "daudzas pasaules" - iespējas, no kurām mēs izvēlamies, veicot mērījumus. Pasaules šķir katru mirkli. Tātad, mums ir pasaule, kurā mēs skatāmies kastē ar kaķi, un pasaule, kurā mēs neieskatāmies kastē ar kaķi... Pirmkārt, pasaule, kurā dzīvo kaķis, vai tā kurā viņš nedzīvo utt. d.

viņš uzskatīja, ka ar kvantu mehāniku kaut kas nav kārtībā, un viņa viedokli nevajadzētu uztvert viegli.

Četras galvenās mijiedarbības