Mørk materie. Seks kosmologiske problemer

Bevegelsene til objekter på en kosmisk skala adlyder den gode gamle Newtons teori. Oppdagelsen av Fritz Zwicky på 30-tallet og påfølgende tallrike observasjoner av fjerne galakser som roterer raskere enn deres tilsynelatende masse skulle tilsi, fikk imidlertid astronomer og fysikere til å beregne massen av mørk materie, som ikke kan bestemmes direkte i noe tilgjengelig observasjonsområde. . til våre verktøy. Regningen viste seg å være svært høy – ​​det er nå anslått at nesten 27 % av universets masse er mørk materie. Dette er mer enn fem ganger mer enn den "vanlige" materie som er tilgjengelig for våre observasjoner.

Dessverre ser ikke elementærpartikler ut til å forutsi eksistensen av partikler som vil utgjøre denne gåtefulle massen. Til nå har vi ikke vært i stand til å oppdage dem eller generere høyenergistråler i kolliderende akseleratorer. Det siste håpet til forskerne var oppdagelsen av "sterile" nøytrinoer, som kunne utgjøre mørk materie. Men så langt har forsøk på å oppdage dem også vært mislykket.

mørk energi

Siden det ble oppdaget på 90-tallet at ekspansjonen av universet ikke er konstant, men akselererende, var det nødvendig med enda et tillegg til beregningene, denne gangen med energi i universet. Det viste seg at for å forklare denne akselerasjonen, ekstra energi (dvs. masser, fordi i henhold til den spesielle relativitetsteorien er de de samme) - dvs. mørk energi - bør utgjøre ca 68% av universet.

Det ville bety at mer enn to tredjedeler av universet består av...helvete vet hva! For, som i tilfellet med mørk materie, har vi ikke vært i stand til å fange eller utforske dens natur. Noen tror at dette er energien til vakuumet, den samme energien som partikler «ut av ingenting» oppstår som et resultat av kvanteeffekter. Andre antyder at det er "kvintessensen", den femte naturkraften.

Det er også en hypotese om at det kosmologiske prinsippet ikke fungerer i det hele tatt, universet er inhomogent, har forskjellige tettheter i forskjellige områder, og disse svingningene skaper en illusjon av akselererende ekspansjon. I denne versjonen ville problemet med mørk energi bare være en illusjon.

Einstein introduserte i sine teorier - og fjernet deretter - konseptet kosmologisk konstantassosiert med mørk energi. Konseptet ble videreført av kvantemekanikkteoretikere som prøvde å erstatte forestillingen om den kosmologiske konstanten kvantevakuumfeltenergi. Imidlertid ga denne teorien 10¹²⁰ mer energi enn det som trengs for å utvide universet med den hastigheten vi kjenner...

inflasjon

Теория rominflasjon den forklarer mye på en tilfredsstillende måte, men introduserer et lite (vel, ikke for alle små) problem - det antyder at i den tidlige perioden av eksistensen var ekspansjonshastigheten raskere enn lysets hastighet. Dette vil forklare den nå synlige strukturen til romobjekter, deres temperatur, energi osv. Poenget er imidlertid at ingen spor etter denne eldgamle begivenheten har blitt funnet så langt.

Forskere ved Imperial College London, London og universitetene i Helsinki og København beskrev i 2014 i Physical Review Letters hvordan tyngdekraften ga den stabiliteten som trengs for at universet skulle oppleve alvorlig inflasjon tidlig i utviklingen. Teamet analyserte interaksjon mellom Higgs-partikler og gravitasjon. Forskere har vist at selv en liten interaksjon av denne typen kan stabilisere universet og redde det fra katastrofe.

Graf over rotasjonshastigheten til spiralgalaksen M33

"Standardmodellen for elementærpartikkelfysikk, som forskere bruker for å forklare naturen til elementærpartikler og deres interaksjoner, har ennå ikke svart på spørsmålet om hvorfor universet ikke kollapset umiddelbart etter Big Bang," sa professoren. Artu Rajanti fra fysikkavdelingen ved Imperial College. "I vår studie fokuserte vi på den ukjente parameteren til standardmodellen, det vil si interaksjonen mellom Higgs-partikler og tyngdekraften. Denne parameteren kan ikke måles i partikkelakseleratoreksperimenter, men den har sterk innflytelse på ustabiliteten til Higgs-partikler under oppblåsingsfasen. Selv en liten verdi av denne parameteren er nok til å forklare overlevelsesraten.»

Et nett av mørk materie opplyst av en kvasar

Noen forskere mener at inflasjonen, når den først starter, er vanskelig å stoppe. De konkluderer med at konsekvensen var opprettelsen av nye universer, fysisk atskilt fra vårt. Og denne prosessen vil fortsette frem til i dag. Multiverset skaper fortsatt nye universer i et inflasjonsrush.

For å gå tilbake til prinsippet om konstant lyshastighet, foreslår noen inflasjonsteoretikere at lysets hastighet er, ja, en streng grense, men ikke en konstant. I den tidlige epoken var den høyere, noe som ga inflasjon. Nå fortsetter det å falle, men så sakte at vi ikke klarer å merke det.

Kombinere interaksjoner

Den nåværende balansen mellom vanlig materie, mørk materie og mørk energi

Standardmodellen, mens den forener de tre typene naturkrefter, forener ikke de svake og sterke interaksjonene til tilfredsstillelse for alle vitenskapsmenn. Tyngdekraften står til side og kan ennå ikke inkluderes i den generelle modellen med elementærpartiklers verden. Ethvert forsøk på å forene gravitasjon med kvantemekanikk introduserer så mye uendelighet i beregningene at ligningene mister sin verdi.

kvanteteori om gravitasjon krever et brudd i forbindelsen mellom gravitasjonsmassen og treghetsmassen, kjent fra ekvivalensprinsippet (se artikkelen: «Seks prinsipper for universet»). Brudd på dette prinsippet undergraver byggingen av moderne fysikk. Dermed kan en slik teori, som åpner veien for en teori om drømmer om alt, også ødelegge fysikken som er kjent hittil.

Selv om tyngdekraften er for svak til å være merkbar på de små skalaene til kvanteinteraksjoner, er det et sted hvor den blir sterk nok til å utgjøre en forskjell i mekanikken til kvantefenomener. Dette svarte hull. Imidlertid er fenomenene som oppstår i og i utkanten deres fortsatt lite studert og studert.

Sette opp universet

Standardmodellen kan ikke forutsi størrelsen på kreftene og massene som oppstår i partikkelverdenen. Vi lærer om disse mengdene ved å måle og legge til data til teorien. Forskere oppdager stadig at bare en liten forskjell i målte verdier er nok til å få universet til å se helt annerledes ut.

For eksempel har den den minste massen som trengs for å opprettholde den stabile materie av alt vi kjenner. Mengden mørk materie og energi er nøye balansert for dannelsen av galakser.

Et av de mest forvirrende problemene med å justere parametrene til universet er fordelen med materie fremfor antimateriesom lar alt eksistere stabilt. I følge Standardmodellen skal samme mengde materie og antimaterie produseres. Selvfølgelig, fra vårt synspunkt, er det bra at materie har en fordel, siden like mengder innebærer universets ustabilitet, rystet av voldsomme utslettingsutbrudd av begge typer materie.

Visualisering av multiverset med ekspanderende og kontraherende universer

Måleproblem

beslutning måling kvanteobjekter betyr kollapsen av bølgefunksjonen, dvs. "endring" av deres tilstand fra to (Schrödingers katt i en ubestemt tilstand av "levende eller død") til en enkelt (vi vet hva som skjedde med katten).

En av de dristigere hypotesene knyttet til måleproblemet er begrepet «mange verdener» – mulighetene vi velger fra når vi skal måle. Verdene skiller hvert øyeblikk. Så vi har en verden der vi ser inn i en boks med en katt, og en verden der vi ikke ser inn i en boks med en katt ... I den første - verdenen som katten lever i, eller den ene hvor han ikke bor osv. d.

han mente at noe var dypt galt med kvantemekanikk, og hans mening var ikke å ta lett på.

Fire hovedinteraksjoner