Тъмна материя. Шест космологични проблема

Движенията на обекти в космически мащаб се подчиняват на добрата стара теория на Нютон. Въпреки това, откритието на Фриц Цвики през 30-те години на миналия век и последвалите многобройни наблюдения на далечни галактики, които се въртят по-бързо от видимата им маса, подтикнаха астрономите и физиците да изчислят масата на тъмната материя, която не може да бъде определена директно в нито един наличен диапазон на наблюдение. . към нашите инструменти. Сметката се оказа много висока – сега се смята, че почти 27% от масата на Вселената е тъмна материя. Това е повече от пет пъти повече от "обикновената" материя, достъпна за нашите наблюдения.

За съжаление изглежда, че елементарните частици не предвиждат съществуването на частици, които биха съставили тази загадъчна маса. Досега не успяхме да ги открием или да генерираме високоенергийни лъчи в сблъскващи се ускорители. Последната надежда на учените беше откриването на "стерилни" неутрино, които биха могли да съставят тъмната материя. Досега обаче опитите за откриването им също са неуспешни.

тъмна енергия

Тъй като през 90-те години беше открито, че разширяването на Вселената не е постоянно, а се ускорява, беше необходимо още едно допълнение към изчисленията, този път с енергията във Вселената. Оказа се, че за да се обясни това ускорение, допълнителна енергия (т.е. маси, защото според специалната теория на относителността те са еднакви) - т.е. тъмна енергия - трябва да съставлява около 68% от Вселената.

Това би означавало, че повече от две трети от Вселената се състои от... по дяволите какво! Защото, както в случая с тъмната материя, не успяхме да уловим или изследваме нейната природа. Някои смятат, че това е енергията на вакуума, същата енергия, при която частиците "от нищото" се появяват в резултат на квантови ефекти. Други предполагат, че това е "квинтесенцията", петата сила на природата.

Съществува и хипотеза, че космологичният принцип изобщо не работи, Вселената е нехомогенна, има различна плътност в различни области и тези флуктуации създават илюзията за ускоряване на разширяването. В тази версия проблемът с тъмната енергия би бил просто илюзия.

Айнщайн въвежда в своите теории - и след това премахва - концепцията космологична константасвързани с тъмната енергия. Концепцията е продължена от теоретиците на квантовата механика, които се опитват да заменят понятието космологична константа енергия на квантовото вакуумно поле. Тази теория обаче даде 10¹²⁰ повече енергия, отколкото е необходима за разширяване на Вселената със скоростта, която познаваме...

инфлация

теория космическа инфлация обяснява много задоволително, но въвежда малък (е, не за всеки малък) проблем - предполага, че в ранния период от съществуването му скоростта на разширяване е била по-бърза от скоростта на светлината. Това би обяснило видимата в момента структура на космическите тела, тяхната температура, енергия и т.н. Въпросът обаче е, че досега не са открити следи от това древно събитие.

Изследователи от Imperial College London, Лондон и университетите в Хелзинки и Копенхаген описаха през 2014 г. в Physical Review Letters как гравитацията осигурява стабилността, необходима на Вселената, за да изпита сериозна инфлация в началото на своето развитие. Екипът анализира взаимодействие между частиците на Хигс и гравитацията. Учените са доказали, че дори малко взаимодействие от този тип може да стабилизира Вселената и да я спаси от катастрофа.

Графика на скоростта на въртене на спиралната галактика M33

„Стандартният модел на физиката на елементарните частици, който учените използват, за да обяснят природата на елементарните частици и техните взаимодействия, все още не е отговорил на въпроса защо Вселената не се е сринала веднага след Големия взрив“, каза професорът. Арту Раджанти от Физическия факултет на Imperial College. „В нашето проучване ние се фокусирахме върху неизвестния параметър на Стандартния модел, тоест взаимодействието между частиците на Хигс и гравитацията. Този параметър не може да бъде измерен в експерименти с ускорител на частици, но има силно влияние върху нестабилността на частиците на Хигс по време на фазата на надуване. Дори малка стойност на този параметър е достатъчна, за да обясни степента на оцеляване."

Мрежа от тъмна материя, осветена от квазар

Някои учени смятат, че инфлацията, след като започне, е трудно да се спре. Те заключават, че следствието от него е създаването на нови вселени, физически отделени от нашата. И този процес ще продължи до днес. Мултивселената все още ражда нови вселени в инфлационен прилив.

Връщайки се към принципа на постоянната скорост на светлината, някои теоретици на инфлацията предполагат, че скоростта на светлината е, да, строго ограничение, но не и константа. В ранната ера той е бил по-висок, което позволява инфлация. Сега продължава да пада, но толкова бавно, че не сме в състояние да го забележим.

Комбиниране на взаимодействия

Текущият баланс на обикновена материя, тъмна материя и тъмна енергия

Стандартният модел, въпреки че обединява трите вида природни сили, не обединява слабите и силните взаимодействия за удовлетворяване на всички учени. Гравитацията стои настрана и все още не може да бъде включена в общия модел със света на елементарните частици. Всеки опит за съгласуване на гравитацията с квантовата механика въвежда толкова много безкрайност в изчисленията, че уравненията губят стойността си.

квантовата теория на гравитацията изисква прекъсване на връзката между гравитационната маса и инерционната маса, известна от принципа на еквивалентността (виж статията: „Шестте принципа на Вселената“). Нарушаването на този принцип подкопава изграждането на съвременната физика. Така една такава теория, която отваря пътя към теория на сънищата за всичко, може да разруши и познатата досега физика.

Въпреки че гравитацията е твърде слаба, за да бъде забележима в малките мащаби на квантовите взаимодействия, има място, където става достатъчно силна, за да направи разлика в механиката на квантовите явления. Това черни дупки. Въпреки това, явленията, които се случват вътре и в техните покрайнини, все още са малко проучени и проучени.

Създаване на Вселената

Стандартният модел не може да предвиди величината на силите и масите, които възникват в света на частиците. Ние научаваме за тези количества, като измерваме и добавяме данни към теорията. Учените непрекъснато откриват, че само малка разлика в измерените стойности е достатъчна, за да изглежда Вселената напълно различна.

Например, той има най-малката маса, необходима за поддържане на стабилната материя на всичко, което познаваме. Количеството тъмна материя и енергия са внимателно балансирани за образуването на галактики.

Един от най-озадачаващите проблеми с настройката на параметрите на Вселената е предимство на материята пред антиматериятакоето позволява на всичко да съществува стабилно. Според Стандартния модел трябва да се произвеждат еднакви количества материя и антиматерия. Разбира се, от наша гледна точка е добре материята да има предимство, тъй като равни количества предполагат нестабилността на Вселената, разтърсена от насилствени изблици на анихилация и на двата вида материя.

Визуализация на мултивселената с разширяващи се и свиващи се вселени

Проблем с измерването

Решение измерване квантови обекти означава срив на вълновата функция, т.е. "промяна" на тяхното състояние от две (котка на Шрьодингер в неопределено състояние "жива или мъртва") в едно (знаем какво се е случило с котката).

Една от по-смелите хипотези, свързани с проблема с измерването, е концепцията за „много светове“ – възможностите, от които избираме, когато измерваме. Световете се разделят всеки момент. И така, имаме свят, в който гледаме в кутия с котка, и свят, в който не гледаме в кутия с котка ... В първия - светът, в който живее котката, или този в който не живее и др. d.

той вярваше, че нещо дълбоко не е наред с квантовата механика и неговото мнение не трябва да се приема лекомислено.

Четири основни взаимодействия