Sötét anyag. Hat kozmológiai probléma

A tárgyak kozmikus léptékű mozgása a jó öreg Newton elméletének engedelmeskedik. Azonban Fritz Zwicky felfedezése az 30-as években, majd számos távoli galaxisok megfigyelése, amelyek a látszólagos tömegüknél gyorsabban forognak, arra késztette a csillagászokat és fizikusokat, hogy kiszámítsák a sötét anyag tömegét, amely nem határozható meg közvetlenül egyetlen megfigyelési tartományban sem. . eszközeinkhez. A számla nagyon magasnak bizonyult – a jelenlegi becslések szerint az univerzum tömegének csaknem 27%-a sötét anyag. Ez több mint ötször több, mint a megfigyeléseink számára rendelkezésre álló „hétköznapi” anyag.

Sajnos úgy tűnik, hogy az elemi részecskék nem látják előre olyan részecskék létezését, amelyek ezt a rejtélyes tömeget alkotnák. Eddig nem tudtuk észlelni őket, és nem tudtuk nagy energiájú nyalábokat generálni az ütköző gyorsítókban. A tudósok utolsó reménye a "steril" neutrínók felfedezése volt, amelyek sötét anyagot alkothatnak. Eddig azonban a felderítésükre tett kísérletek sem jártak sikerrel.

Sötét energia

Mivel az 90-es években kiderült, hogy az univerzum tágulása nem állandó, hanem gyorsul, újabb kiegészítésre volt szükség a számításokhoz, ezúttal az univerzumban lévő energiával. Kiderült, hogy ennek a gyorsulásnak a magyarázatára járulékos energia (vagyis tömegek, mert a speciális relativitáselmélet szerint azonosak) - pl. sötét energia – az univerzum körülbelül 68%-át kell kitennie.

Ez azt jelentené, hogy az univerzum több mint kétharmada... isten tudja miből áll! Mert a sötét anyaghoz hasonlóan nem tudtuk megragadni vagy feltárni a természetét. Egyesek úgy vélik, hogy ez a vákuum energiája, ugyanaz az energia, amelynél a részecskék "a semmiből" megjelennek a kvantumhatások eredményeként. Mások szerint ez a „kvintesszencia”, a természet ötödik ereje.

Van egy olyan hipotézis is, hogy a kozmológiai elv egyáltalán nem működik, az Univerzum inhomogén, különböző területeken eltérő sűrűségű, és ezek az ingadozások a gyorsuló tágulás illúzióját keltik. Ebben a változatban a sötét energia problémája csak illúzió lenne.

Einstein bevezette elméleteibe – majd eltávolította – a fogalmat kozmológiai állandósötét energiához kötődik. A koncepciót a kvantummechanika teoretikusai folytatták, akik megpróbálták helyettesíteni a kozmológiai állandó fogalmát. kvantum vákuumtér energia. Ez az elmélet azonban 10-et adott¹²⁰ több energia, mint amennyi az univerzum általunk ismert ütemű kitágításához szükséges...

infláció

elmélet térinfláció sok mindent kielégítően megmagyaráz, de bevezet egy apró (na jó, nem mindenkinek kicsi) problémát - arra utal, hogy létezésének korai időszakában a tágulási sebessége gyorsabb volt, mint a fénysebesség. Ez megmagyarázná az űrobjektumok jelenleg látható szerkezetét, hőmérsékletüket, energiájukat stb. A lényeg azonban az, hogy ennek az ősi eseménynek eddig nem találtak nyomát.

A londoni Imperial College, valamint a Helsinki és Koppenhágai Egyetem kutatói 2014-ben a Physical Review Letters-ben leírták, hogy a gravitáció milyen stabilitást biztosított ahhoz, hogy az univerzum fejlődésének korai szakaszában súlyos inflációt tapasztaljon. A csapat elemezte A Higgs-részecskék és a gravitáció közötti kölcsönhatás. A tudósok kimutatták, hogy még egy ilyen kis kölcsönhatás is stabilizálja az univerzumot és megmentheti a katasztrófától.

Az M33 spirálgalaxis forgási sebességének grafikonja

„Az elemi részecskefizika standard modellje, amellyel a tudósok az elemi részecskék természetét és kölcsönhatásaikat magyarázzák, még nem adott választ arra a kérdésre, hogy miért nem omlott össze az Univerzum közvetlenül az Ősrobbanás után” – mondta a professzor. Artu Rajanti az Imperial College Fizika Tanszékéről. „Tanulmányunkban a Standard Modell ismeretlen paraméterére, vagyis a Higgs-részecskék és a gravitáció közötti kölcsönhatásra összpontosítottunk. Ez a paraméter részecskegyorsító kísérletekben nem mérhető, de erősen befolyásolja a Higgs-részecskék instabilitását az inflációs fázisban. Ennek a paraméternek egy kis értéke is elegendő a túlélési arány magyarázatához.”

Egy kvazár által megvilágított sötét anyag hálója

Egyes tudósok úgy vélik, hogy az inflációt, ha egyszer elkezdődik, nehéz megállítani. Arra a következtetésre jutottak, hogy ennek következménye új univerzumok létrejötte volt, amelyek fizikailag elkülönültek a miénktől. És ez a folyamat a mai napig tart. A multiverzum még mindig új univerzumokat szül, inflációs rohanásban.

Visszatérve az állandó fénysebesség elvéhez, egyes inflációs teoretikusok azt sugallják, hogy a fénysebesség szigorú határérték, de nem állandó. A korai időszakban magasabb volt, ami lehetővé tette az inflációt. Most tovább esik, de olyan lassan, hogy nem tudjuk észrevenni.

Interakciók kombinálása

A közönséges anyag, a sötét anyag és a sötét energia jelenlegi egyensúlya

A Standard Modell, bár egyesíti a természet három típusát, nem egyesíti a gyenge és erős kölcsönhatásokat minden tudós megelégedésére. A gravitáció félreáll, és az elemi részecskék világával még nem illeszthető be az általános modellbe. A gravitáció és a kvantummechanika összeegyeztetésére tett minden kísérlet annyi végtelent visz be a számításokba, hogy az egyenletek elvesztik értéküket.

a gravitáció kvantumelmélete meg kell szakítani a gravitációs tömeg és a tehetetlenségi tömeg közötti kapcsolatot, ami az ekvivalencia elvéből ismert (lásd a cikket: "Az Univerzum hat alapelve"). Ennek az elvnek a megsértése aláássa a modern fizika felépítését. Így egy ilyen elmélet, amely utat nyit a mindenről szóló álmok elmélete felé, az eddig ismert fizikát is tönkreteheti.

Bár a gravitáció túl gyenge ahhoz, hogy észrevehető legyen a kvantumkölcsönhatások kis léptékén, van egy hely, ahol elég erőssé válik ahhoz, hogy változást hozzon a kvantumjelenségek mechanikájában. Ez fekete lyukak. A bent és a külterületükön előforduló jelenségeket azonban még mindig kevéssé tanulmányozzák és tanulmányozzák.

Az Univerzum felállítása

A Standard Modell nem tudja megjósolni a részecskék világában fellépő erők és tömegek nagyságát. Ezeket a mennyiségeket úgy ismerjük meg, hogy mérjük és adatokat adunk az elmélethez. A tudósok folyamatosan felfedezik, hogy a mért értékek kis eltérése is elegendő ahhoz, hogy az univerzum teljesen másképp nézzen ki.

Például ennek van a legkisebb tömege, amely ahhoz szükséges, hogy fenntartsa minden általunk ismert anyag stabil anyagát. A sötét anyag és az energia mennyiségét gondosan kiegyensúlyozzák, hogy galaxisokat alkossanak.

Az univerzum paramétereinek hangolásával kapcsolatos egyik legrejtélyesebb probléma az az anyag előnye az antianyaggal szembenamely lehetővé teszi, hogy minden stabilan létezzen. A Standard Modell szerint azonos mennyiségű anyagot és antianyagot kell előállítani. Természetesen a mi szempontunkból jó, ha az anyagnak van előnye, hiszen az egyenlő mennyiségek az Univerzum instabilitását jelentik, amelyet mindkét anyagtípus heves megsemmisülési kitörései megráznak.

A multiverzum vizualizálása táguló és összehúzódó univerzumokkal

Mérési probléma

döntés mérés kvantum objektumok a hullámfüggvény összeomlását jelenti, azaz állapotuk kettőről (Schrödinger macskája határozatlan "élő vagy holt" állapotban) egyetlen állapotba (tudjuk mi történt a macskával).

A mérés problémájával kapcsolatos egyik merészebb hipotézis a „sok világ” fogalma – azok a lehetőségek, amelyek közül a mérés során választunk. A világok minden pillanatban elválik egymástól. Tehát van egy világunk, amelyben belenézünk egy dobozba egy macskával, és egy olyan világunk, amelyben nem nézünk be egy dobozba egy macskával... Az elsőben a világ, amelyben a macska él, vagy az amelyben nem lakik stb. d.

úgy vélte, hogy valami mélyen nincs rendben a kvantummechanikával, és véleményét nem szabad félvállról venni.

Négy fő interakció