Tamna materija. Šest kozmoloških problema

Kretanja objekata na kozmičkoj skali pokoravaju se dobroj staroj Newtonovoj teoriji. Međutim, otkriće Fritza Zwickyja 30-ih i naknadna brojna promatranja udaljenih galaksija koje rotiraju brže nego što bi to upućivala na njihovu prividnu masu, potaknulo je astronome i fizičare da izračunaju masu tamne tvari, koja se ne može izravno odrediti ni u jednom dostupnom rasponu promatranja. . našim alatima. Račun se pokazao vrlo visokim – sada se procjenjuje da gotovo 27% mase svemira čini tamna tvar. To je više od pet puta više od "obične" materije dostupne našim opažanjima.

Nažalost, čini se da elementarne čestice ne predviđaju postojanje čestica koje bi činile ovu zagonetnu masu. Do sada ih nismo uspjeli otkriti niti generirati visokoenergetske zrake u sudarajućim akceleratorima. Posljednja nada znanstvenika bilo je otkriće "sterilnih" neutrina, koji bi mogli sačinjavati tamnu tvar. Međutim, i dosadašnji pokušaji njihovog otkrivanja također su bili neuspješni.

Tamna energija

Budući da je 90-ih otkriveno da širenje svemira nije konstantno, već ubrzano, bio je potreban još jedan dodatak izračunima, ovaj put s energijom u svemiru. Pokazalo se da je za objašnjenje ovog ubrzanja potrebna dodatna energija (tj. mase, jer su po specijalnoj teoriji relativnosti iste) - tj. tamna energija – trebala bi činiti oko 68% svemira.

To bi značilo da se više od dvije trećine svemira sastoji od... bog zna čega! Jer, kao u slučaju tamne tvari, nismo uspjeli uhvatiti ili istražiti njezinu 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 kozmološki princip uopće ne funkcionira, Svemir 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.

Einstein je u svoje teorije uveo – a potom i uklonio – koncept kozmološka konstantapovezana s tamnom energijom. Koncept su nastavili teoretičari kvantne mehanike koji su pokušali zamijeniti pojam kozmološke konstante kvantna energija polja vakuuma. Međutim, ova teorija je dala 10¹²⁰ više energije nego što je potrebno da se svemir proširi brzinom koju poznajemo...

inflacija

teorija inflacija prostora objašnjava mnogo toga na zadovoljavajući način, ali uvodi mali (dobro, ne za svakoga mali) problem - sugerira da je u ranom razdoblju njegovog postojanja brzina širenja bila brža od brzine svjetlosti. To bi objasnilo trenutno vidljivu strukturu svemirskih tijela, njihovu temperaturu, energiju itd. Stvar je, međutim, u tome da do sada nisu pronađeni nikakvi tragovi ovog drevnog događaja.

Istraživači s Imperial College London, London i sveučilišta u Helsinkiju i Kopenhagenu opisali su 2014. u Physical Review Letters kako je gravitacija osigurala stabilnost potrebnu da svemir doživi ozbiljnu inflaciju u ranoj fazi razvoja. Tim je analizirao interakcija između Higgsovih čestica i gravitacije. Znanstvenici 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 znanstvenici koriste da objasne prirodu elementarnih čestica i njihove interakcije, još nije odgovorio na pitanje zašto se Svemir nije srušio odmah nakon Velikog praska”, rekao je profesor. Artu Rajanti s Odsjeka za fiziku Imperial Collegea. “U našem istraživanju 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 tijekom faze napuhavanja. Čak i mala vrijednost ovog parametra dovoljna je da objasni stopu preživljavanja.”

Mreža tamne tvari osvijetljena kvazarom

Neki znanstvenici vjeruju da je inflaciju, nakon što ona počne, teško zaustaviti. Zaključuju da je njegova posljedica stvaranje novih svemira, fizički odvojenih od našeg. I taj će se proces 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, stroga granica, ali ne i konstanta. U ranoj eri bio je veći, što je dopuštalo inflaciju. Sada nastavlja padati, ali tako polako da to ne možemo primijetiti.

Kombiniranje interakcija

Trenutna ravnoteža obične materije, tamne tvari i tamne energije

Standardni model, iako ujedinjuje tri vrste prirodnih sila, ne ujedinjuje slabe i jake interakcije na zadovoljstvo svih znanstvenika. Gravitacija stoji po strani i još se ne može uključiti u opći model sa svijetom elementarnih čestica. Svaki pokušaj pomirenja gravitacije s kvantnom mehanikom unosi toliko beskonačnosti u izračune da jednadžbe gube svoju vrijednost.

kvantna teorija gravitacije zahtijeva prekid veze između gravitacijske mase i inercijalne mase, poznat po principu ekvivalencije (vidi članak: "Šest principa svemira"). Kršenje ovog principa potkopava izgradnju moderne fizike. Dakle, takva teorija, koja otvara put ka teoriji snova o svemu, može uništiti i dosad 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. Ovaj Crne rupe. Međutim, fenomeni koji se događaju unutar i na njihovim periferijama još su malo proučavani i proučavani.

Postavljanje svemira

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

Na primjer, ima najmanju masu potrebnu da podupre stabilnu materiju od svega što znamo. Količina tamne tvari i energije pažljivo je uravnotežena kako bi se formirale galaksije.

Jedan od najzagonetnijih problema s podešavanjem parametara svemira je prednost materije u odnosu na antimaterijušto omogućuje da sve stabilno postoji. Prema Standardnom modelu, trebala bi se proizvesti ista količina materije i antimaterije. Naravno, s naše točke gledišta, dobro je da materija ima prednost, jer jednake količine impliciraju nestabilnost Svemira, potresanog nasilnim izljevima uništenja obje vrste materije.

Vizualizacija multiverzuma s svemirima koji se šire i skupljaju

Problem mjerenja

odluka mjerenje kvantnih objekata znači kolaps valne funkcije, tj. "promjenu" njihovog stanja iz dva (Schrödingerova mačka u neodređenom stanju "živa ili mrtva") u jedno (znamo što se dogodilo s mačkom).

Jedna od hrabrijih hipoteza vezanih uz problem mjerenja je koncept "mnogo svjetova" - mogućnosti između kojih biramo prilikom mjerenja. Svjetovi se razdvajaju svakog trenutka. Dakle, imamo svijet u kojem gledamo u kutiju s mačkom, i svijet u kojem ne gledamo u kutiju s mačkom... U prvom - svijet u kojem živi mačka, odnosno onaj u kojoj ne živi itd. d.

vjerovao je da nešto duboko nije u redu s kvantnom mehanikom, a njegovo mišljenje ne treba uzeti olako.

Četiri glavne interakcije