Тамна материја. Шест космолошких проблема

Кретање објеката у космичкој скали покорава се доброј старој Њутновој теорији. Међутим, откриће Фрица Цвикија 30-их и каснија бројна запажања удаљених галаксија које ротирају брже него што би указивала њихова привидна маса, подстакло је астрономе и физичаре да израчунају масу тамне материје, која се не може директно одредити ни у једном доступном опсегу посматрања. . нашим алатима. Рачун се показао веома високим – сада се процењује да скоро 27% масе универзума чини тамна материја. Ово је више од пет пута више од „обичне“ материје доступне нашим запажањима.

Нажалост, чини се да елементарне честице не предвиђају постојање честица које би чиниле ову загонетну масу. До сада нисмо били у могућности да их откријемо или генеришемо високоенергетске зраке у сударајућим акцелераторима. Последња нада научника било је откриће „стерилних“ неутрина, који би могли да чине тамну материју. Међутим, и досадашњи покушаји да се они открију били су неуспешни.

Тамна енергија

Пошто је 90-их откривено да ширење универзума није константно, већ да се убрзава, био је потребан још један додатак прорачунима, овог пута са енергијом у свемиру. Испоставило се да је за објашњење овог убрзања потребна додатна енергија (тј. масе, јер су према специјалној теорији релативности исте) – тј. тамна енергија – требало би да чини око 68% универзума.

То би значило да се више од две трећине универзума састоји од... бог зна чега! Јер, као у случају тамне материје, нисмо били у могућности да ухватимо или истражимо њену природу. Неки верују да је то енергија вакуума, иста енергија при којој се честице "из ничега" појављују као резултат квантних ефеката. Други сугеришу да је то "квинтесенција", пета сила природе.

Постоји и хипотеза да космолошки принцип уопште не функционише, Универзум је нехомоген, има различите густине у различитим областима, а ове флуктуације стварају илузију убрзаног ширења. У овој верзији, проблем тамне енергије био би само илузија.

Ајнштајн је увео у своје теорије – а затим уклонио – концепт космолошка константаповезана са тамном енергијом. Концепт су наставили теоретичари квантне механике који су покушали да замене појам космолошке константе енергија поља квантног вакуума. Међутим, ова теорија је дала 10¹²⁰ више енергије него што је потребно да се универзум прошири брзином коју знамо...

инфлација

Теорија инфлација простора објашњава доста тога на задовољавајући начин, али уводи мали (па, није за сваког мали) проблем - сугерише да је у раном периоду његовог постојања брзина његовог ширења била већа од брзине светлости. Ово би објаснило тренутно видљиву структуру свемирских објеката, њихову температуру, енергију итд. Поента је, међутим, да до сада нису пронађени никакви трагови овог древног догађаја.

Истраживачи са Империјал колеџа у Лондону и Универзитета у Хелсинкију и Копенхагену описали су 2014. године у Пхисицал Ревиев Леттерс како је гравитација обезбедила стабилност потребну да универзум доживи озбиљну инфлацију на почетку свог развоја. Тим је анализирао интеракција између Хигсових честица и гравитације. Научници су показали да чак и мала интеракција овог типа може стабилизовати универзум и спасити га од катастрофе.

Графикон брзине ротације спиралне галаксије М33

„Стандардни модел физике елементарних честица, који научници користе да објасне природу елементарних честица и њихове интеракције, још није одговорио на питање зашто се Универзум није срушио одмах након Великог праска“, рекао је професор. Арту Рајанти са одсека за физику Империјал колеџа. „У нашој студији смо се фокусирали на непознати параметар Стандардног модела, односно интеракцију између Хигсових честица и гравитације. Овај параметар се не може мерити у експериментима са акцелератором честица, али има снажан утицај на нестабилност Хигсових честица током фазе надувавања. Чак и мала вредност овог параметра је довољна да објасни стопу преживљавања."

Мрежа тамне материје осветљена квазаром

Неки научници сматрају да је инфлацију, када једном почне, тешко зауставити. Они закључују да је његова последица било стварање нових универзума, физички одвојених од нашег. И овај процес ће се наставити до данас. Мултиверзум још увек рађа нове универзуме у инфлаторном налету.

Враћајући се принципу константне брзине светлости, неки теоретичари инфлације сугеришу да је брзина светлости, да, стриктно ограничење, али не и константа. У раној ери био је већи, што је дозвољавало инфлацију. Сада наставља да пада, али тако споро да то не можемо приметити.

Комбиновање интеракција

Тренутни баланс обичне материје, тамне материје и тамне енергије

Стандардни модел, иако обједињује три врсте природних сила, не обједињује слабе и јаке интеракције на задовољство свих научника. Гравитација стоји по страни и још се не може укључити у општи модел са светом елементарних честица. Сваки покушај да се помири гравитација са квантном механиком уноси толико бесконачности у прорачуне да једначине губе своју вредност.

квантна теорија гравитације захтева прекид везе између гравитационе масе и инерцијалне масе, познат по принципу еквиваленције (погледати чланак: „Шест принципа универзума“). Кршење овог принципа подрива изградњу модерне физике. Дакле, таква теорија, која отвара пут ка теорији снова о свему, може уништити и до сада познату физику.

Иако је гравитација преслаба да би била приметна на малим скалама квантних интеракција, постоји место где постаје довољно јака да направи разлику у механици квантних феномена. Ово Црне рупе. Међутим, феномени који се дешавају унутар и на њиховим периферијама још увек су мало проучавани и проучавани.

Постављање Универзума

Стандардни модел не може предвидети величину сила и маса које настају у свету честица. О овим величинама учимо мерењем и додавањем података теорији. Научници непрестано откривају да је само мала разлика у измереним вредностима довољна да универзум изгледа потпуно другачије.

На пример, има најмању масу потребну за одржавање стабилне материје од свега што знамо. Количина тамне материје и енергије пажљиво је избалансирана за формирање галаксија.

Један од најзагонетнијих проблема са подешавањем параметара универзума је предност материје у односу на антиматеријушто омогућава да све стабилно постоји. Према Стандардном моделу, требало би да се произведе иста количина материје и антиматерије. Наравно, са наше тачке гледишта, добро је да материја има предност, јер једнаке количине имплицирају нестабилност Универзума, уздрманог насилним изливима анихилације обе врсте материје.

Визуелизација мултиверзума са универзумима који се шире и скупљају

Проблем са мерењем

одлука мерење квантни објекти значи колапс таласне функције, односно „промену“ њиховог стања из два (Шредингерова мачка у неодређеном стању „жива или мртва“) у једно (знамо шта се десило са мачком).

Једна од смелијих хипотеза везаних за проблем мерења је концепт „многих светова” – могућности од којих бирамо приликом мерења. Светови се одвајају сваког тренутка. Дакле, имамо свет у коме гледамо у кутију са мачком, и свет у коме не гледамо у кутију са мачком... У првом – свет у коме мачка живи, или онај у којој не живи итд. д.

веровао је да нешто дубоко није у реду са квантном механиком, и његово мишљење није требало схватити олако.

Четири главне интеракције