Pimeä aine. Kuusi kosmologista ongelmaa

Esineiden liikkeet kosmisessa mittakaavassa noudattavat vanhaa kunnon Newtonin teoriaa. Fritz Zwickyn löytö 30-luvulla ja sitä seuranneet lukuisat havainnot kaukaisista galakseista, jotka pyörivät nopeammin kuin niiden näennäinen massa olisi osoittanut, sai tähtitieteilijät ja fyysikot laskemaan pimeän aineen massan, jota ei voida määrittää suoraan millään käytettävissä olevalla havaintoalueella. . työkaluihimme. Lasku osoittautui erittäin korkeaksi - nyt on arvioitu, että melkein 27% maailmankaikkeuden massasta on pimeää ainetta. Tämä on yli viisi kertaa enemmän kuin havainnojemme käytettävissä oleva "tavallinen" aine.

Valitettavasti alkuainehiukkaset eivät näytä ennakoivan hiukkasten olemassaoloa, jotka muodostaisivat tämän arvoituksellisen massan. Toistaiseksi emme ole pystyneet havaitsemaan niitä tai synnyttämään suurienergisiä säteitä törmäyskiihdytinissä. Tutkijoiden viimeinen toivo oli "steriilien" neutriinojen löytäminen, jotka voisivat muodostaa pimeää ainetta. Toistaiseksi yritykset havaita niitä ovat kuitenkin myös epäonnistuneet.

Tumma energia

Koska 90-luvulla havaittiin, että maailmankaikkeuden laajeneminen ei ole jatkuvaa, vaan kiihtyvää, laskelmiin tarvittiin toinen lisäys, tällä kertaa universumin energialla. Kävi ilmi, että tämän kiihtyvyyden selittämiseen tarvitaan lisäenergiaa (eli massat, koska ne ovat erityisen suhteellisuusteorian mukaan samat) - ts. pimeää energiaa - sen pitäisi muodostaa noin 68% maailmankaikkeudesta.

Se tarkoittaisi, että yli kaksi kolmasosaa maailmankaikkeudesta koostuu... luoja tietää mistä! Koska, kuten pimeän aineen tapauksessa, emme ole pystyneet vangitsemaan tai tutkimaan sen luontoa. Jotkut uskovat, että tämä on tyhjiön energiaa, sama energia, jolla hiukkaset ilmaantuvat "tyhjältä" kvanttivaikutusten seurauksena. Toiset ehdottavat, että se on "kvintessenssi", luonnon viides voima.

On myös hypoteesi, että kosmologinen periaate ei toimi ollenkaan, maailmankaikkeus on epähomogeeninen, sen tiheydet eri alueilla ovat erilaisia, ja nämä vaihtelut luovat illuusion kiihtyvästä laajenemisesta. Tässä versiossa pimeän energian ongelma olisi vain illuusio.

Einstein otti teorioihinsa - ja sitten poisti - käsitteen kosmologinen vakioliittyy pimeään energiaan. Käsitettä jatkoivat kvanttimekaniikan teoreetikot, jotka yrittivät korvata käsitteen kosmologisesta vakiosta kvanttityhjiökentän energia. Tämä teoria antoi kuitenkin 10¹²⁰ enemmän energiaa kuin tarvitaan universumin laajentamiseen tuntemallamme nopeudella...

inflaatio

teoria avaruuden inflaatio se selittää paljon tyydyttävästi, mutta tuo esiin pienen (no, ei kaikille pienen) ongelman - se viittaa siihen, että sen olemassaolon alkuvaiheessa sen laajenemisnopeus oli nopeampi kuin valon nopeus. Tämä selittäisi tällä hetkellä näkyvän avaruusobjektien rakenteen, niiden lämpötilan, energian jne. Asia on kuitenkin siinä, ettei tästä ikivanhasta tapahtumasta ole toistaiseksi löydetty jälkiä.

Lontoon Imperial Collegen, Lontoon sekä Helsingin ja Kööpenhaminan yliopistojen tutkijat kuvailivat vuonna 2014 Physical Review Lettersissä, kuinka painovoima tarjosi vakauden, joka tarvitaan maailmankaikkeudelle kokeakseen vakavan inflaation varhaisessa kehitysvaiheessaan. Ryhmä analysoi Higgs-hiukkasten ja painovoiman välinen vuorovaikutus. Tiedemiehet ovat osoittaneet, että jopa pieni tämäntyyppinen vuorovaikutus voi vakauttaa maailmankaikkeuden ja pelastaa sen katastrofilta.

Kaavio spiraaligalaksin M33 pyörimisnopeudesta

"Alkuainehiukkasfysiikan standardimalli, jota tutkijat käyttävät selittääkseen alkuainehiukkasten luonnetta ja niiden vuorovaikutusta, ei ole vielä vastannut kysymykseen, miksi universumi ei romahtanut heti alkuräjähdyksen jälkeen", professori sanoi. Artu Rajanti Imperial Collegen fysiikan laitokselta. ”Tutkimuksessamme keskityimme standardimallin tuntemattomaan parametriin eli Higgs-hiukkasten ja painovoiman väliseen vuorovaikutukseen. Tätä parametria ei voida mitata hiukkaskiihdytinkokeissa, mutta sillä on vahva vaikutus Higgs-hiukkasten epävakauteen täyttövaiheen aikana. Tämän parametrin pienikin arvo riittää selittämään eloonjäämisasteen."

Kvasaarin valaisema pimeän aineen verkko

Jotkut tutkijat uskovat, että kun inflaatio alkaa, sitä on vaikea pysäyttää. He päättelevät, että sen seuraus oli uusien universumien luominen, jotka ovat fyysisesti erillään meidän universumeistamme. Ja tämä prosessi jatkuu tähän päivään asti. Multiversumi synnyttää edelleen uusia universumeja inflaatiokiihdytyksessä.

Palatakseni valon vakionopeuden periaatteeseen, jotkut inflaatioteoreetikot ehdottavat, että valon nopeus on kyllä, tiukka raja, mutta ei vakio. Alkukaudella se oli korkeampi, mikä mahdollisti inflaation. Nyt se laskee edelleen, mutta niin hitaasti, että emme pysty huomaamaan sitä.

Vuorovaikutusten yhdistäminen

Tavallisen aineen, pimeän aineen ja pimeän energian nykyinen tasapaino

Vakiomalli, vaikka se yhdistää kolme luonnonvoimaa, ei yhdistä heikkoja ja vahvoja vuorovaikutuksia kaikkia tutkijoita tyydyttävällä tavalla. Painovoima on sivussa, eikä sitä voida vielä sisällyttää perushiukkasten maailman yleiseen malliin. Kaikki yritykset sovittaa yhteen painovoima kvanttimekaniikan kanssa tuovat laskelmiin niin paljon ääretöntä, että yhtälöt menettävät arvonsa.

painovoiman kvanttiteoria vaatii katkaisun gravitaatiomassan ja inertiamassan välisessä yhteydessä, joka tunnetaan ekvivalenssiperiaatteesta (katso artikkeli: "Universumin kuusi periaatetta"). Tämän periaatteen rikkominen heikentää modernin fysiikan rakentamista. Siten tällainen teoria, joka avaa tien teorialle kaikesta unelmista, voi myös tuhota tähän mennessä tunnetun fysiikan.

Vaikka painovoima on liian heikko havaittavaksi kvanttivuorovaikutusten pienissä mittakaavassa, on olemassa paikka, jossa siitä tulee tarpeeksi vahva muuttaakseen kvanttiilmiöiden mekaniikkaa. Tämä mustat aukot. Sisällä ja niiden laitamilla esiintyviä ilmiöitä on kuitenkin vielä vähän tutkittu ja tutkittu.

Universumin perustaminen

Standardimalli ei voi ennustaa hiukkasten maailmassa syntyvien voimien ja massojen suuruutta. Opimme näistä suureista mittaamalla ja lisäämällä tietoja teoriaan. Tiedemiehet huomaavat jatkuvasti, että vain pieni ero mitatuissa arvoissa riittää saamaan maailmankaikkeuden näyttämään täysin erilaiselta.

Sillä on esimerkiksi pienin massa, joka tarvitaan ylläpitämään vakaata materiaalia kaikesta, mitä tiedämme. Pimeän aineen ja energian määrä tasapainotetaan huolellisesti galaksien muodostamiseksi.

Yksi hämmentävämmistä ongelmista maailmankaikkeuden parametrien virittämisessä on aineen etu antimateriaaliin verrattunajoka mahdollistaa kaiken olemassaolon vakaasti. Standardimallin mukaan ainetta ja antimateriaalia tulisi tuottaa sama määrä. Meidän näkökulmastamme on tietysti hyvä, että aineella on etu, koska yhtä suuret määrät viittaavat universumin epävakauteen, jota ravistelevat molempien ainetyyppien väkivaltaiset tuhoutumispurkaukset.

Multiversumien visualisointi laajenevien ja supistuvien universumien kanssa

Mittausongelma

päätös mittaus kvanttiobjektit tarkoittaa aaltofunktion romahtamista, eli niiden tilan "muutosta" kahdesta (Schrödingerin kissa määrittelemättömässä tilassa "elävä tai kuollut") yhdeksi (tiedämme mitä kissalle tapahtui).

Yksi rohkeimmista mittausongelmaan liittyvistä hypoteeseista on käsite "monet maailmat" - mahdollisuudet, joista valitsemme mitattaessa. Maailmat erottuvat joka hetki. Meillä on siis maailma, jossa katsomme laatikkoon kissan kanssa, ja maailma, jossa emme katso laatikkoon kissan kanssa... Ensinnäkin - maailma, jossa kissa asuu, tai se yksi. jossa hän ei asu jne. d.

hän uskoi, että kvanttimekaniikassa oli jotain pahasti vialla, eikä hänen mielipidettään pitänyt ottaa kevyesti.

Neljä tärkeintä vuorovaikutusta