Цёмная матэрыя. Шэсць касмалагічных праблем

Рухі аб'ектаў у касмічным маштабе падпарадкоўваюцца старой добрай тэорыі Ньютана. Аднак адкрыццё Фрыца Цвікі ў 30-х гадах і наступныя шматлікія назіранні далёкіх галактык, якія круцяцца хутчэй, чым паказвала б іх уяўная маса, заахвоцілі астраномаў і фізікаў падлічыць масу цёмнай матэрыі, якую немагчыма вызначыць наўпрост у любым даступным дыяпазоне назірання. да нашых інструментаў. Рахунак апынуўся вельмі высокім - цяпер падлічана, што амаль 27% масы Сусвету складае цёмная матэрыя. Гэта больш за ў пяць разоў больш, чым «звычайнае» рэчыва, даступнае нашым назіранням.

Нажаль, здаецца, што элементарныя часціцы не прадбачаць існаванні часціц, якія склалі б гэтую загадкавую масу. Да гэтага часу нам не ўдавалася іх выявіць або генераваць пучкі высокіх энергій у паскаральніках пры сутыкненнях. Апошняй надзеяй навукоўцаў было адкрыццё "стэрыльных" нейтрына, якія маглі б скласці цёмную матэрыю. Аднак да гэтага часу спробы выявіць іх таксама не ўвянчаліся поспехам.

Цёмная энергія

Паколькі ў 90-х гадах было выяўлена, што пашырэнне Сусвету не ўвесь час, а паскараецца, запатрабаваўся яшчэ адзін дадатак да разлікаў, на гэты раз з энергіяй у Сусвеце. Аказалася, што для тлумачэння гэтага паскарэння дадатковая энергія (г.зн. масы, таму што паводле спецыяльнай тэорыі адноснасці яны аднолькавыя) - г.зн. цёмная энергія - павінна складаць каля 68% у Сусвеце.

Гэта азначала б, што больш за дзве трэці Сусвету складаецца з… чорт ведае чаго! Таму што, як і ў выпадку з цёмнай матэрыяй, нам не ўдалося ні ахапіць, ні даследаваць яе прыроду. Некаторыя лічаць, што гэта энергія вакууму, тая самая энергія, пры якой часціцы "з нічога" з'яўляюцца ў выніку квантавых эфектаў. Іншыя мяркуюць, што гэта "квінтэсенцыя", пятая сіла прыроды.

Існуе таксама гіпотэза, што касмалагічны прынцып наогул не дзейнічае, Сусвет неаднародны, мае розную шчыльнасць у розных галінах, і гэтыя флуктуацыі ствараюць ілюзію паскарэння пашырэння. У такім варыянце праблема цёмнай энергіі была б толькі ілюзіяй.

Эйнштэйн увёў у свае тэорыі - а затым канфіскаваў - паняцце касмалагічная пастаянная, звязаны з цёмнай энергіяй. Канцэпцыя была працягнута тэарэтыкамі квантавай механікі, якія спрабавалі замяніць паняцце касмалагічнай сталай энергія квантавага вакуумнага поля. Аднак гэтая тэорыя дала 10¹²⁰ больш энергіі, чым неабходна для пашырэння Сусвету ў вядомым нам тэмпе…

інфляцыя

Тэорыя касмічная інфляцыя яна шматлікае тлумачыць здавальняюча, але прыўносіць невялікую (добра, не для ўсіх маленькую) праблему - мяркуе, што ў ранні перыяд яе існавання хуткасць яе пашырэння была больш хуткасці святла. Гэта растлумачыла б бачную ў цяперашні час структуру касмічных аб'ектаў, іх тэмпературу, энергію і г. д. Справа, аднак, у тым, што да гэтага часу не знойдзена ніякіх слядоў гэтай старажытнай падзеі.

Даследнікі з Імперскага каледжа Лондана, Лондана і універсітэтаў Хельсінкі і Капенгагена ў 2014 годзе апісалі ў Physical Review Letters, як гравітацыя забяспечвала стабільнасць, неабходную для таго, каб Сусвет перажыў моцную інфляцыю на ранняй стадыі свайго развіцця. Каманда прааналізавала узаемадзеянне паміж часціцамі Хігса і гравітацыяй. Навукоўцы паказалі, што нават невялікае ўзаемадзеянне такога тыпу здольна стабілізаваць Сусвет і выратаваць яго ад катастрофы.

Графік хуткасці кручэння спіральнай галактыкі M33

"Стандартная мадэль фізікі элементарных часціц, якую вучоныя выкарыстоўваюць для тлумачэння прыроды элементарных часціц і іх узаемадзеянняў, да гэтага часу не дала адказу на пытанне, чаму Сусвет не разбурыўся адразу пасля Вялікага выбуху", - адзначыў прафесар. Назад Раджанці з фізічнага факультэта Імперскага каледжа. «У нашым даследаванні мы засяродзіліся на невядомым параметры Стандартнай мадэлі, гэта значыць на ўзаемадзеянні паміж часціцамі Хігса і гравітацыяй. Гэты параметр нельга вымераць у эксперыментах на паскаральніках часціц, але ён аказвае моцны ўплыў на нестабільнасць часціц Хігса падчас фазы інфляцыі. Нават невялікага значэння гэтага параметра дастаткова, каб растлумачыць выжывальнасць».

Павуцінне цёмнай матэрыі, асветленае квазарам

Некаторыя навукоўцы лічаць, што інфляцыю, пачаўшыся, цяжка спыніць. Яны заключаюць, што яе следствам стала стварэнне новых сусветаў, фізічна аддзеленых ад нашага. І гэты працэс будзе працягвацца да сёньняшняга дня. Мультысусвет усё яшчэ спараджае новыя сусветы ў інфляцыйным парыве.

Вяртаючыся да прынцыпу сталай хуткасці святла, некаторыя прыхільнікі тэорыі інфляцыі мяркуюць, што хуткасць святла, так, з'яўляецца строгай мяжой, але не канстантай. У раннюю эпоху ён быў вышэйшы, што дапускала інфляцыю. Цяпер ён працягвае падаць, але настолькі павольна, што мы не ў стане гэта заўважыць.

Аб'яднанне ўзаемадзеянняў

Бягучы баланс звычайнай матэрыі, цёмнай матэрыі і цёмнай энергіі

Стандартная мадэль, хоць і аб'ядноўвае тры тыпы сіл прыроды, не аб'ядноўвае слабыя і моцныя ўзаемадзеянні да задавальнення ўсіх вучоных. Гравітацыя стаіць у баку і пакуль не можа быць уключана ў агульную мадэль са светам элементарных часціц. Любая спроба прымірыць гравітацыю з квантавай механікай дае столькі бясконцасці ў разліках, што ўраўненні губляюць сваю каштоўнасць.

Квантавая тэорыя гравітацыі патрабуе разрыву сувязі паміж гравітацыйнай масай і інэртнай масай, вядомай з прынцыпу эквівалентнасці (гл. артыкул: "Шэсць прынцыпаў светабудовы"). Парушэнне гэтага прынцыпу падрывае будынак сучаснай фізікі. Такім чынам, такая тэорыя, якая адкрывае шлях да тэорыі сноў пра ўсё, можа таксама разбурыць вядомую да гэтага часу фізіку.

Хоць гравітацыя занадта слабая, каб быць прыкметнай у малых маштабах квантавых узаемадзеянняў, ёсць месца, дзе яна становіцца дастаткова моцнай, каб мець значэнне ў механіцы квантавых з'яў. Гэты чорныя дзіркі. Аднак з'явы, якія адбываюцца ўнутры і на іх ускраінах, да гэтага часу мала вывучаны і вывучаны.

Настройка Сусвету

Стандартная мадэль не можа прадказаць велічыню сіл і мас, якія ўзнікаюць у свеце часціц. Мы даведаемся аб гэтых велічынях, вымяраючы і дадаючы дадзеныя да тэорыі. Навукоўцы ўвесь час выяўляюць, што досыць невялікі розніцы ў вымераных велічынях, каб Сусвет стаў зусім іншы.

Напрыклад, у яго найменшая маса, неабходная для падтрымання стабільнай матэрыі за ўсё, што мы ведаем. Колькасць цёмнай матэрыі і энергіі старанна збалансавана для фарміравання галактык.

Адной з самых загадкавых праблем з наладай параметраў Сусвету з'яўляецца перавага матэрыі над антыматэрыяйшто дазваляе ўсяму існаваць стабільна. Згодна з Стандартнай мадэлі, павінна рабіцца аднолькавая колькасць матэрыі і антыматэрыі. Вядома, з нашага пункта гледжання, добра, што матэрыя мае перавагу, бо роўныя колькасці маюць на ўвазе нестабільнасць Сусвету, скалынае бурнымі выбліскамі анігіляцыі абодвух тыпаў матэрыі.

Візуалізацыя мультысусвету з якія пашыраюцца і якія сціскаюцца сусветамі

Праблема вымярэння

рашэнне вымярэнне квантавыя аб'екты азначае калапс хвалевай функцыі, гэта значыць "змена" іх стану ад двух (кот Шрёдзінгера ў нявызначаным стане "жывы ці мёртвы") да адзінага (мы ведаем, што здарылася з катом).

Адной з больш смелых гіпотэз, звязаных з праблемай вымярэння, з'яўляецца канцэпцыя "мноства светаў" - магчымасцяў, з якіх мы выбіраем пры вымярэнні. Міры падзяляюцца ў кожны момант. Такім чынам, у нас ёсць свет, у якім мы глядзім у скрынку з катом, і свет, у якім мы не глядзім у скрыню з катом… У першым - свет, у якім жыве кот, ці той, у якім ён не жыве і т.д. в.

ён лічыў, што з квантавай механікай нешта глыбока не так, і на яго думку нельга было ставіцца легкадумна.

Чатыры асноўныя ўзаемадзеянні