Mörk materia. Sex kosmologiska problem

Objektens rörelser i kosmisk skala lyder den gamla goda Newtons teori. Upptäckten av Fritz Zwicky på 30-talet och efterföljande många observationer av avlägsna galaxer som roterar snabbare än deras skenbara massa skulle indikera, fick dock astronomer och fysiker att beräkna massan av mörk materia, som inte kan bestämmas direkt inom något tillgängligt observationsintervall. . till våra verktyg. Notan visade sig vara mycket hög – man uppskattar nu att nästan 27 % av universums massa är mörk materia. Detta är mer än fem gånger mer än den "vanliga" materia som är tillgänglig för våra observationer.

Tyvärr verkar elementarpartiklar inte förutse förekomsten av partiklar som skulle utgöra denna gåtfulla massa. Hittills har vi inte kunnat upptäcka dem eller generera högenergistrålar i kolliderande acceleratorer. Forskarnas sista hopp var upptäckten av "sterila" neutriner, som kunde utgöra mörk materia. Men hittills har försöken att upptäcka dem också misslyckats.

Mörk energi

Eftersom det upptäcktes på 90-talet att universums expansion inte är konstant, utan accelererande, krävdes ytterligare ett tillägg till beräkningarna, denna gång med energi i universum. Det visade sig att för att förklara denna acceleration, extra energi (d.v.s. massor, eftersom de enligt den speciella relativitetsteorin är desamma) - dvs. mörk energi - bör utgöra cirka 68% av universum.

Det skulle innebära att mer än två tredjedelar av universum består av...helvetet vet vad! För, som i fallet med mörk materia, har vi inte kunnat fånga eller utforska dess natur. Vissa tror att detta är vakuumets energi, samma energi som partiklar "ur ingenting" uppstår som ett resultat av kvanteffekter. Andra antyder att det är "kvintessensen", naturens femte kraft.

Det finns också en hypotes om att den kosmologiska principen inte fungerar alls, universum är inhomogent, har olika täthet i olika områden, och dessa fluktuationer skapar en illusion av accelererande expansion. I den här versionen skulle problemet med mörk energi bara vara en illusion.

Einstein introducerade i sina teorier – och tog sedan bort – konceptet kosmologisk konstantförknippas med mörk energi. Konceptet fortsattes av kvantmekanikteoretiker som försökte ersätta föreställningen om den kosmologiska konstanten kvantvakuumfältsenergi. Men denna teori gav 10¹²⁰ mer energi än vad som behövs för att expandera universum i den takt vi känner...

inflation

Теория rymdinflation den förklarar mycket på ett tillfredsställande sätt, men introducerar ett litet (nåja, inte för alla litet) problem - det antyder att dess expansionshastighet var snabbare än ljusets hastighet under den tidiga perioden av dess existens. Detta skulle förklara den för närvarande synliga strukturen hos rymdobjekt, deras temperatur, energi, etc. Poängen är dock att inga spår av denna uråldriga händelse har hittats hittills.

Forskare vid Imperial College London, London och universiteten i Helsingfors och Köpenhamn beskrev 2014 i Physical Review Letters hur gravitationen gav den stabilitet som behövdes för att universum skulle uppleva kraftig inflation tidigt i sin utveckling. Teamet analyserade interaktion mellan Higgspartiklar och gravitation. Forskare har visat att även en liten interaktion av denna typ kan stabilisera universum och rädda det från katastrof.

Graf över rotationshastigheten för spiralgalaxen M33

"Standardmodellen för elementarpartikelfysik, som forskare använder för att förklara elementarpartiklarnas natur och deras interaktioner, har ännu inte svarat på frågan om varför universum inte kollapsade direkt efter Big Bang", sa professorn. Artu Rajanti från Physics Department of Imperial College. "I vår studie fokuserade vi på den okända parametern i standardmodellen, det vill säga interaktionen mellan Higgspartiklar och gravitation. Denna parameter kan inte mätas i experiment med partikelacceleratorer, men den har ett starkt inflytande på Higgspartiklarnas instabilitet under uppblåsningsfasen. Även ett litet värde av denna parameter är tillräckligt för att förklara överlevnadsgraden."

Ett nät av mörk materia upplyst av en kvasar

Vissa forskare tror att inflationen, när den väl börjar, är svår att stoppa. De drar slutsatsen att dess konsekvens var skapandet av nya universum, fysiskt separerade från vårt. Och denna process kommer att fortsätta fram till idag. Multiversum skapar fortfarande nya universum i en inflationsrusning.

För att återgå till principen om konstant ljushastighet, föreslår vissa inflationsteoretiker att ljusets hastighet är, ja, en strikt gräns, men inte en konstant. I den tidiga eran var den högre, med hänsyn till inflationen. Nu fortsätter det att falla, men så långsamt att vi inte kan märka det.

Kombinera interaktioner

Den nuvarande balansen mellan vanlig materia, mörk materia och mörk energi

Standardmodellen, samtidigt som den förenar de tre typerna av naturkrafter, förenar inte de svaga och starka interaktionerna till belåtenhet för alla vetenskapsmän. Tyngdkraften står åt sidan och kan ännu inte inkluderas i den allmänna modellen med elementarpartiklarnas värld. Varje försök att förena gravitation med kvantmekanik introducerar så mycket oändlighet i beräkningarna att ekvationerna förlorar sitt värde.

kvantteori om gravitation kräver ett brott i sambandet mellan gravitationsmassan och tröghetsmassan, känd från ekvivalensprincipen (se artikeln: "Universums sex principer"). Brott mot denna princip undergräver byggandet av modern fysik. Således kan en sådan teori, som öppnar vägen för en teori om drömmar om allt, också förstöra den hittills kända fysiken.

Även om gravitationen är för svag för att märkas på de små skalorna av kvantinteraktioner, finns det en plats där den blir tillräckligt stark för att göra skillnad i kvantfenomenens mekanik. Detta svarta hål. Men de fenomen som uppstår i och i deras utkanter är fortfarande lite studerade och studerade.

Att sätta upp universum

Standardmodellen kan inte förutsäga storleken på de krafter och massor som uppstår i partiklarnas värld. Vi lär oss om dessa storheter genom att mäta och lägga till data till teorin. Forskare upptäcker hela tiden att en liten skillnad i de uppmätta värdena räcker för att få universum att se helt annorlunda ut.

Till exempel har den den minsta massan som behövs för att upprätthålla den stabila materien av allt vi känner till. Mängden mörk materia och energi är noggrant balanserad för bildandet av galaxer.

Ett av de mest förbryllande problemen med att ställa in parametrarna för universum är fördel med materia framför antimateriasom låter allt existera stabilt. Enligt standardmodellen ska samma mängd materia och antimateria produceras. Naturligtvis, från vår synvinkel, är det bra att materia har en fördel, eftersom lika mängder innebär universums instabilitet, skakad av våldsamma utbrott av förintelse av båda typerna av materia.

Visualisering av multiversum med expanderande och sammandragande universum

Mätproblem

beslutet mätning kvantobjekt betyder kollapsen av vågfunktionen, det vill säga "ändring" av deras tillstånd från två (Schrödingers katt i ett obestämt tillstånd av "levande eller död") till en enda (vi vet vad som hände med katten).

En av de djärvare hypoteserna relaterad till mätproblemet är begreppet "många världar" - de möjligheter som vi väljer från när vi mäter. Världarna separerar varje ögonblick. Så vi har en värld där vi tittar in i en låda med en katt, och en värld där vi inte ser in i en låda med en katt ... I den första - världen där katten lever, eller den ena i vilken han inte bor etc. d.

han trodde att något var djupt fel med kvantmekaniken, och hans åsikt var inte att ta lätt på.

Fyra huvudsakliga interaktioner