Temná hmota. Šesť kozmologických problémov

Pohyby objektov v kozmickom meradle sa riadia starou dobrou Newtonovou teóriou. Avšak objav Fritza Zwickyho v tridsiatych rokoch 30. storočia a následné početné pozorovania vzdialených galaxií, ktoré rotujú rýchlejšie, než by naznačovala ich zdanlivá hmotnosť, podnietili astronómov a fyzikov k výpočtu hmotnosti tmavej hmoty, ktorú nemožno určiť priamo v žiadnom dostupnom rozsahu pozorovania. . k našim nástrojom. Účet sa ukázal byť veľmi vysoký – dnes sa odhaduje, že takmer 27 % hmoty vesmíru tvorí temná hmota. To je viac ako päťkrát viac, než je „bežná“ hmota, ktorú majú naše pozorovania k dispozícii.

Žiaľ, zdá sa, že elementárne častice nepredpokladajú existenciu častíc, ktoré by tvorili túto záhadnú hmotu. Doteraz sme ich nedokázali odhaliť ani generovať vysokoenergetické lúče v kolidujúcich urýchľovačoch. Poslednou nádejou vedcov bol objav „sterilných“ neutrín, ktoré by mohli tvoriť temnú hmotu. Doterajšie pokusy o ich odhalenie sú však tiež neúspešné.

temná energia

Keďže sa v 90. rokoch zistilo, že rozpínanie vesmíru nie je konštantné, ale zrýchľujúce sa, bolo potrebné ďalšie doplnenie výpočtov, tentokrát s energiou vo vesmíre. Ukázalo sa, že na vysvetlenie tohto zrýchlenia je potrebná dodatočná energia (t.j. hmoty, pretože podľa špeciálnej teórie relativity sú rovnaké) – t.j. temná energia – mala by tvoriť asi 68% vesmíru.

To by znamenalo, že viac ako dve tretiny vesmíru tvoria... boh vie čo! Pretože podobne ako v prípade temnej hmoty sa nám nepodarilo zachytiť ani preskúmať jej povahu. Niektorí veria, že ide o energiu vákua, rovnakú energiu, pri ktorej sa častice objavujú „z ničoho“ v dôsledku kvantových efektov. Iní naznačujú, že je to „kvintesencia“, piata sila prírody.

Existuje aj hypotéza, že kozmologický princíp vôbec nefunguje, Vesmír je nehomogénny, má rôzne hustoty v rôznych oblastiach a tieto výkyvy vytvárajú ilúziu zrýchľujúcej sa expanzie. V tejto verzii by bol problém temnej energie len ilúziou.

Einstein zaviedol do svojich teórií - a potom odstránil - tento koncept kozmologická konštantaspojené s temnou energiou. V koncepcii pokračovali teoretici kvantovej mechaniky, ktorí sa pokúsili nahradiť pojem kozmologickej konštanty kvantová energia vákuového poľa. Táto teória však dala 10¹²⁰ viac energie, ako je potrebné na expanziu vesmíru rýchlosťou, ktorú poznáme...

inflácie

Теория vesmírna inflácia veľa uspokojivo vysvetľuje, ale prináša malý (no, nie pre každého malý) problém – naznačuje, že v ranom období jeho existencie bola rýchlosť jeho expanzie vyššia ako rýchlosť svetla. To by vysvetľovalo v súčasnosti viditeľnú štruktúru vesmírnych objektov, ich teplotu, energiu atď. Pointou však je, že doteraz sa nenašli žiadne stopy tejto dávnej udalosti.

Výskumníci z Imperial College London, Londýn a univerzity v Helsinkách a Kodani opísali v roku 2014 v časopise Physical Review Letters, ako gravitácia poskytla stabilitu potrebnú na to, aby vesmír zažil silnú infláciu na začiatku svojho vývoja. Tím analyzoval interakcia medzi Higgsovými časticami a gravitáciou. Vedci dokázali, že aj malá interakcia tohto typu môže stabilizovať vesmír a zachrániť ho pred katastrofou.

Graf rýchlosti rotácie špirálovej galaxie M33

„Štandardný model fyziky elementárnych častíc, ktorý vedci používajú na vysvetlenie podstaty elementárnych častíc a ich interakcií, zatiaľ nezodpovedal otázku, prečo sa vesmír nezrútil hneď po Veľkom tresku,“ povedal profesor. Artu Rajanti z Katedry fyziky Imperial College. „V našej štúdii sme sa zamerali na neznámy parameter štandardného modelu, teda interakciu medzi Higgsovými časticami a gravitáciou. Tento parameter nie je možné merať v experimentoch s urýchľovačom častíc, ale má silný vplyv na nestabilitu Higgsových častíc počas fázy nafukovania. Aj malá hodnota tohto parametra stačí na vysvetlenie miery prežitia.“

Sieť temnej hmoty osvetlená kvazarom

Niektorí vedci sa domnievajú, že keď už inflácia začne, je ťažké ju zastaviť. Dospeli k záveru, že jeho dôsledkom bolo vytvorenie nových vesmírov, fyzicky oddelených od nášho. A tento proces bude pokračovať až dodnes. Multivesmír stále plodí nové vesmíry v inflačnom zhone.

Ak sa vrátime k princípu konštantnej rýchlosti svetla, niektorí inflační teoretici tvrdia, že rýchlosť svetla je, áno, prísny limit, ale nie konštantný. V ranej ére bola vyššia, čo umožnilo infláciu. Teraz klesá, ale tak pomaly, že si to nedokážeme všimnúť.

Kombinovanie interakcií

Súčasná rovnováha bežnej hmoty, temnej hmoty a temnej energie

Štandardný model, hoci zjednocuje tri typy prírodných síl, nezjednocuje slabé a silné interakcie k spokojnosti všetkých vedcov. Gravitácia stojí bokom a zatiaľ ju nemožno zahrnúť do všeobecného modelu so svetom elementárnych častíc. Akýkoľvek pokus o zosúladenie gravitácie s kvantovou mechanikou vnáša do výpočtov toľko nekonečna, že rovnice strácajú svoju hodnotu.

kvantová teória gravitácie vyžaduje prerušenie spojenia medzi gravitačnou hmotnosťou a zotrvačnou hmotnosťou, známeho z princípu ekvivalencie (pozri článok: „Šesť princípov vesmíru“). Porušenie tohto princípu podkopáva budovanie modernej fyziky. Takáto teória, ktorá otvára cestu k teórii snov o všetkom, teda môže zničiť aj doteraz známu fyziku.

Hoci je gravitácia príliš slabá na to, aby bola viditeľná na malých mierkach kvantových interakcií, existuje miesto, kde sa stáva dostatočne silnou na to, aby zmenila mechaniku kvantových javov. Toto čierne diery. Avšak javy vyskytujúce sa vo vnútri a na ich okraji sú stále málo preskúmané a študované.

Nastavenie vesmíru

Štandardný model nedokáže predpovedať veľkosť síl a hmotností, ktoré vznikajú vo svete častíc. O týchto veličinách sa dozvedáme meraním a pridávaním údajov do teórie. Vedci neustále zisťujú, že malý rozdiel v nameraných hodnotách stačí na to, aby vesmír vyzeral úplne inak.

Napríklad má najmenšiu hmotnosť potrebnú na podporu stabilnej hmoty zo všetkého, čo poznáme. Množstvo tmavej hmoty a energie je starostlivo vyvážené, aby sa vytvorili galaxie.

Jedným z najzáhadnejších problémov pri ladení parametrov vesmíru je výhoda hmoty nad antihmotoučo umožňuje všetkému stabilne existovať. Podľa štandardného modelu by sa malo vyrobiť rovnaké množstvo hmoty a antihmoty. Samozrejme, z nášho pohľadu je dobré, že hmota má výhodu, keďže rovnaké množstvá znamenajú nestabilitu Vesmíru, otraseného prudkými výbuchmi anihilácie oboch typov hmoty.

Vizualizácia multivesmíru s rozpínajúcimi sa a zmenšujúcimi sa vesmírmi

Problém s meraním

rozhodnutie meranie kvantové objekty znamená kolaps vlnovej funkcie, teda "zmenu" ich stavu z dvoch (Schrödingerova mačka v neurčitom stave "živá alebo mŕtva") na jediný (vieme, čo sa s mačkou stalo).

Jednou z odvážnejších hypotéz súvisiacich s problémom merania je koncept „mnohých svetov“ – možností, z ktorých si pri meraní vyberáme. Svety sa každú chvíľu oddeľujú. Máme teda svet, v ktorom sa pozeráme do krabice s mačkou, a svet, v ktorom sa nepozeráme do krabice s mačkou ... V prvom - svet, v ktorom žije mačka, alebo ten v ktorej nebýva atď. d.

veril, že niečo nie je v poriadku s kvantovou mechanikou, a jeho názor nemožno brať na ľahkú váhu.

Štyri hlavné interakcie