Juodoji medžiaga. Šešios kosmologinės problemos

Objektų judėjimas kosminiu mastu paklūsta senajai gerai Niutono teorijai. Tačiau Fritzo Zwicky atradimas XX amžiaus trečiajame dešimtmetyje ir daugybė tolimų galaktikų, kurios sukasi greičiau, nei rodo jų tariama masė, stebėjimai paskatino astronomus ir fizikus apskaičiuoti tamsiosios materijos masę, kurios negalima nustatyti tiesiogiai jokiu turimu stebėjimų diapazonu. . į mūsų įrankius. Sąskaita pasirodė labai didelė – dabar skaičiuojama, kad beveik 30% visatos masės sudaro tamsioji medžiaga. Tai daugiau nei penkis kartus daugiau nei „įprasta“ medžiaga, kurią galime stebėti.

Deja, atrodo, kad elementarios dalelės nenumato dalelių, kurios sudarytų šią mįslingą masę, egzistavimo. Iki šiol mums nepavyko jų aptikti ar generuoti didelės energijos spindulių susidūrus greitintuvams. Paskutinė mokslininkų viltis buvo „sterilių“ neutrinų, galinčių sudaryti tamsiąją medžiagą, atradimas. Tačiau kol kas bandymai juos aptikti taip pat buvo nesėkmingi.

tamsi energija

Kadangi 90-aisiais buvo nustatyta, kad visatos plėtimasis nėra pastovus, o greitėjantis, reikėjo dar vieno skaičiavimo papildymo, šį kartą su energija visatoje. Paaiškėjo, kad šiam pagreitėjimui paaiškinti papildoma energija (t.y. masės, nes pagal specialiąją reliatyvumo teoriją jos yra vienodos) – t.y. tamsioji energija – turėtų sudaryti apie 68% visatos.

Tai reikštų, kad daugiau nei du trečdalius visatos sudaro... Dievas žino iš ko! Nes, kaip ir tamsiosios materijos atveju, mums nepavyko užfiksuoti ar ištirti jos prigimties. Kai kurie mano, kad tai yra vakuumo energija, ta pati energija, kurioje dalelės „iš nieko“ atsiranda dėl kvantinių efektų. Kiti teigia, kad tai „kvintesencija“, penktoji gamtos jėga.

Taip pat yra hipotezė, kad kosmologinis principas visiškai neveikia, Visata yra nehomogeniška, skirtingose ​​srityse turi skirtingą tankį, o šie svyravimai sukuria spartėjančio plėtimosi iliuziją. Šioje versijoje tamsiosios energijos problema būtų tik iliuzija.

Einšteinas į savo teorijas įtraukė ir pašalino šią sąvoką kosmologinė konstantasusijusi su tamsiąja energija. Sąvoką tęsė kvantinės mechanikos teoretikai, kurie bandė pakeisti kosmologinės konstantos sąvoką. kvantinio vakuuminio lauko energija. Tačiau ši teorija davė 10¹²⁰ daugiau energijos nei reikia visatai plėsti mums žinomu greičiu...

infliacija

Теория kosmoso infliacija jis daug ką paaiškina patenkinamai, bet įveda nedidelę (na, ne kiekvienam mažą) problemą – tai rodo, kad ankstyvuoju jo egzistavimo periodu jo plėtimosi greitis buvo didesnis už šviesos greitį. Tai paaiškintų šiuo metu matomą kosminių objektų struktūrą, jų temperatūrą, energiją ir kt. Tačiau esmė ta, kad iki šiol nebuvo rasta jokių šio senovinio įvykio pėdsakų.

Londono imperatoriškojo koledžo, Londono ir Helsinkio bei Kopenhagos universitetų mokslininkai 2014 m. žurnale Physical Review Letters aprašė, kaip gravitacija užtikrino stabilumą, reikalingą visatai, kad jos vystymosi pradžioje patirtų didelę infliaciją. Komanda analizavo Higgso dalelių ir gravitacijos sąveika. Mokslininkai įrodė, kad net nedidelė tokio tipo sąveika gali stabilizuoti visatą ir išgelbėti ją nuo katastrofos.

Spiralinės galaktikos M33 sukimosi greičio grafikas

„Standartinis elementariųjų dalelių fizikos modelis, kurį mokslininkai naudoja aiškindami elementariųjų dalelių prigimtį ir jų sąveiką, dar neatsakė į klausimą, kodėl Visata nesugriuvo iškart po Didžiojo sprogimo“, – sakė profesorius. Artu Rajanti iš Imperatoriškojo koledžo fizikos katedros. „Savo tyrime daugiausia dėmesio skyrėme nežinomam standartinio modelio parametrui, tai yra Higgso dalelių ir gravitacijos sąveikai. Šio parametro negalima išmatuoti atliekant dalelių greitintuvo eksperimentus, tačiau jis turi didelę įtaką Higgso dalelių nestabilumui pripūtimo fazės metu. Net ir nedidelės šio parametro reikšmės pakanka paaiškinti išgyvenamumo rodiklį.

Tamsiosios medžiagos tinklas, apšviestas kvazaro

Kai kurie mokslininkai mano, kad prasidėjus infliacijai sunku sustabdyti. Jie daro išvadą, kad jos pasekmė buvo naujų visatų, fiziškai atskirtų nuo mūsų, sukūrimas. Ir šis procesas tęsis iki šiol. Multivisata vis dar kuria naujas visatas infliaciniu greičiu.

Grįžtant prie pastovaus šviesos greičio principo, kai kurie infliacijos teoretikai teigia, kad šviesos greitis, taip, yra griežta riba, bet ne konstanta. Ankstyvoje eroje jis buvo didesnis, todėl galėjo kilti infliacija. Dabar jis toliau krenta, bet taip lėtai, kad negalime to pastebėti.

Sąveikų derinimas

Dabartinė įprastos materijos, tamsiosios medžiagos ir tamsiosios energijos pusiausvyra

Standartinis modelis, nors ir suvienija tris gamtos jėgų tipus, nesuvienija silpnos ir stiprios sąveikos taip, kad būtų patenkinti visi mokslininkai. Gravitacija stovi nuošalyje ir dar negali būti įtraukta į bendrą modelį su elementariųjų dalelių pasauliu. Bet koks bandymas suderinti gravitaciją su kvantine mechanika įveda į skaičiavimus tiek begalybės, kad lygtys praranda savo vertę.

kvantinė gravitacijos teorija reikalauja nutraukti ryšį tarp gravitacinės masės ir inercinės masės, žinomos iš lygiavertiškumo principo (žr. straipsnį: „Šeši Visatos principai“). Šio principo pažeidimas kenkia šiuolaikinės fizikos kūrimui. Taigi tokia teorija, atverianti kelią į sapnų apie viską teoriją, gali sugriauti ir iki šiol žinomą fiziką.

Nors gravitacija yra per silpna, kad būtų pastebima mažose kvantinės sąveikos masteliuose, yra vieta, kur ji tampa pakankamai stipri, kad pakeistų kvantinių reiškinių mechaniką. Tai Juodosios skylės. Tačiau jų viduje ir pakraščiuose vykstantys reiškiniai vis dar mažai tyrinėti ir tyrinėti.

Visatos nustatymas

Standartinis modelis negali numatyti dalelių pasaulyje atsirandančių jėgų ir masių dydžio. Apie šiuos dydžius sužinome matuodami ir įtraukdami duomenis į teoriją. Mokslininkai nuolat atranda, kad pakanka tik nedidelio išmatuotų verčių skirtumo, kad visata atrodytų visiškai kitaip.

Pavyzdžiui, ji turi mažiausią masę, reikalingą palaikyti stabilią visko, ką mes žinome, materiją. Tamsiosios medžiagos ir energijos kiekis yra kruopščiai subalansuotas, kad susidarytų galaktikos.

Viena mįslingiausių problemų, susijusių su visatos parametrų derinimu, yra materijos pranašumas prieš antimaterijąkuri leidžia viskam stabiliai egzistuoti. Pagal standartinį modelį turėtų būti gaminamas toks pat medžiagos ir antimedžiagos kiekis. Žinoma, mūsų požiūriu, gerai, kad materija turi pranašumą, nes vienodi kiekiai reiškia Visatos nestabilumą, kurį supurto žiaurūs abiejų tipų materijos naikinimo protrūkiai.

Multivisatos vizualizacija su besiplečiančiomis ir besitraukiančiomis visatomis

Matavimo problema

sprendimas matavimas kvantiniai objektai reiškia bangos funkcijos žlugimą, t. y. jų būsenos „pakeitimą“ iš dviejų (Schrödingerio katė neapibrėžtoje būsenoje „gyvas ar miręs“) į vieną (žinome, kas nutiko katei).

Viena iš drąsesnių hipotezių, susijusių su matavimo problema, yra „daugelio pasaulių“ samprata – galimybės, iš kurių renkamės matuodami. Pasauliai išsiskiria kiekvieną akimirką. Taigi, mes turime pasaulį, kuriame žiūrime į dėžę su kate, ir pasaulį, kuriame nežiūrime į dėžę su kate... Pirmame – pasaulį, kuriame gyvena katė, arba tą, kurioje negyvena ir pan. d.

jis tikėjo, kad kvantinėje mechanikoje kažkas labai negerai, ir į jo nuomonę nereikėtų žiūrėti lengvai.

Keturios pagrindinės sąveikos