Temna snov. Šest kozmoloških problemov

Gibanje predmetov v vesoljskem merilu je podrejeno dobri stari Newtonovi teoriji. Vendar pa je odkritje Fritza Zwickyja v tridesetih letih prejšnjega stoletja in kasnejša številna opazovanja oddaljenih galaksij, ki se vrtijo hitreje, kot bi kazala njihova navidezna masa, spodbudila astronome in fizike k izračunu mase temne snovi, ki je ni mogoče neposredno določiti v nobenem razpoložljivem območju opazovanja. . na naša orodja. Račun se je izkazal za zelo visok – zdaj se ocenjuje, da je skoraj 30 % mase vesolja temna snov. To je več kot petkrat več kot »navadna« snov, ki je na voljo našim opazovalcem.

Na žalost se zdi, da elementarni delci ne predvidevajo obstoja delcev, ki bi sestavljali to skrivnostno maso. Do sedaj jih nismo mogli zaznati ali ustvariti visokoenergetskih žarkov v trkajočih pospeševalnikih. Zadnje upanje znanstvenikov je bilo odkritje "sterilnih" nevtrinov, ki bi lahko sestavljali temno snov. Vendar so bili tudi dosedanji poskusi odkrivanja neuspešni.

Temna energija

Ker je bilo v devetdesetih letih odkrito, da širjenje vesolja ni konstantno, temveč pospešeno, je bil potreben še en dodatek k izračunom, tokrat z energijo v vesolju. Izkazalo se je, da je za razlago tega pospeška potrebna dodatna energija (tj. mase, ker so po posebni teoriji relativnosti enake) - t.j. temna energija – naj bi predstavljala približno 90 % vesolja.

To bi pomenilo, da je več kot dve tretjini vesolja sestavljeno iz... bog ve česa! Ker, tako kot v primeru temne snovi, nismo mogli ujeti ali raziskati njene narave. Nekateri verjamejo, da je to energija vakuuma, ista energija, pri kateri se delci "iz nič" pojavijo kot posledica kvantnih učinkov. Drugi trdijo, da je to "kvintesenca", peta sila narave.

Obstaja tudi hipoteza, da kozmološki princip sploh ne deluje, Vesolje je nehomogeno, ima na različnih območjih različne gostote in ta nihanja ustvarjajo iluzijo pospešenega širjenja. V tej različici bi bil problem temne energije le iluzija.

Einstein je v svoje teorije vnesel - in nato odstranil - koncept kozmološka konstantapovezana s temno energijo. Koncept so nadaljevali teoretiki kvantne mehanike, ki so poskušali nadomestiti pojem kozmološke konstante. energija kvantnega vakuumskega polja. Vendar je ta teorija dala 10¹²⁰ več energije, kot je potrebna za razširitev vesolja s hitrostjo, ki jo poznamo ...

Inflacija

Teorija vesoljska inflacija marsikaj zadovoljivo razloži, a uvede majhen (no, ne za vsakogar majhen) problem - nakazuje, da je bila v zgodnjem obdobju njegovega obstoja hitrost njegovega širjenja večja od svetlobne hitrosti. To bi razložilo trenutno vidno zgradbo vesoljskih teles, njihovo temperaturo, energijo itd. Bistvo pa je, da do zdaj niso našli sledi tega starodavnega dogodka.

Raziskovalci na Imperial College London v Londonu ter univerzah v Helsinkih in Kopenhagnu so leta 2014 v Physical Review Letters opisali, kako je gravitacija zagotovila stabilnost, ki je potrebna za vesolje, da doživi močno inflacijo zgodaj v svojem razvoju. Ekipa je analizirala interakcija med Higgsovimi delci in gravitacijo. Znanstveniki so pokazali, da lahko celo majhna interakcija te vrste stabilizira vesolje in ga reši pred katastrofo.

Graf hitrosti vrtenja spiralne galaksije M33

"Standardni model fizike elementarnih delcev, ki ga znanstveniki uporabljajo za razlago narave elementarnih delcev in njihovih interakcij, še ni odgovoril na vprašanje, zakaj se Vesolje ni sesulo takoj po velikem poku," je dejal profesor. Artu Rajanti z Oddelka za fiziko Imperial Collegea. »V naši študiji smo se osredotočili na neznani parameter standardnega modela, to je interakcijo med Higgsovimi delci in gravitacijo. Tega parametra ni mogoče izmeriti v poskusih s pospeševalnikom delcev, ima pa močan vpliv na nestabilnost Higgsovih delcev v fazi napihovanja. Že majhna vrednost tega parametra je dovolj za razlago stopnje preživetja."

Mreža temne snovi, ki jo osvetljuje kvazar

Nekateri znanstveniki menijo, da je inflacijo, ko se enkrat začne, težko ustaviti. Sklepajo, da je bila njegova posledica ustvarjanje novih vesolj, ki so fizično ločena od našega. In ta proces se bo nadaljeval vse do danes. Multiverse še vedno ustvarja nova vesolja v inflacijskem navalu.

Če se vrnemo k načelu konstantne hitrosti svetlobe, nekateri teoretiki inflacije menijo, da je hitrost svetlobe stroga meja, vendar ne konstanta. V zgodnji dobi je bil višji, kar je omogočalo inflacijo. Zdaj pada še naprej, vendar tako počasi, da tega ne moremo opaziti.

Kombiniranje interakcij

Trenutno ravnovesje navadne snovi, temne snovi in ​​temne energije

Standardni model, čeprav združuje tri vrste naravnih sil, ne združuje šibkih in močnih interakcij v zadovoljstvo vseh znanstvenikov. Gravitacija stoji ob strani in je še ni mogoče vključiti v splošni model s svetom elementarnih delcev. Vsak poskus uskladitve gravitacije s kvantno mehaniko vnese v izračune toliko neskončnosti, da enačbe izgubijo svojo vrednost.

kvantna teorija gravitacije zahteva prekinitev povezave med gravitacijsko maso in inercialno maso, ki je znana iz načela enakovrednosti (glej članek: "Šest principov vesolja"). Kršitev tega načela spodkopava gradnjo sodobne fizike. Tako lahko taka teorija, ki odpira pot do teorije sanj o vsem, uniči tudi doslej znano fiziko.

Čeprav je gravitacija prešibka, da bi jo opazili na majhnih lestvicah kvantnih interakcij, obstaja mesto, kjer postane dovolj močna, da spremeni mehaniko kvantnih pojavov. tole črne luknje. Vendar pa so pojavi, ki se pojavljajo znotraj in na njihovem obrobju, še vedno malo raziskani in preučeni.

Postavitev vesolja

Standardni model ne more napovedati velikosti sil in mas, ki nastanejo v svetu delcev. O teh količinah se učimo z merjenjem in dodajanjem podatkov teoriji. Znanstveniki nenehno odkrivajo, da je že majhna razlika v izmerjenih vrednostih dovolj, da je vesolje videti povsem drugače.

Na primer, ima najmanjšo maso, potrebno za vzdrževanje stabilne snovi od vsega, kar poznamo. Količina temne snovi in ​​energije je skrbno uravnotežena za nastanek galaksij.

Eden najbolj zmedenih problemov pri prilagajanju parametrov vesolja je prednost snovi pred antimaterijoki omogoča, da vse stabilno obstaja. V skladu s standardnim modelom bi morala biti proizvedena enaka količina snovi in ​​antimaterije. Seveda je z našega vidika dobro, da ima materija prednost, saj enake količine implicirajo nestabilnost Vesolja, ki ga pretresajo siloviti izbruhi anihilacije obeh vrst materije.

Vizualizacija multiverzuma s širitvijo in krčenjem vesolja

Težava z merjenjem

odločitev merjenje kvantni objekti pomeni propad valovne funkcije, torej "spremembo" njihovega stanja iz dveh (Schrödingerjeva mačka v nedoločenem stanju "živa ali mrtva") v eno samo (vemo, kaj se je zgodilo z mačkom).

Ena drznejših hipotez, povezanih s problemom merjenja, je koncept »mnogih svetov« – možnosti, med katerimi izbiramo pri merjenju. Svetovi se ločujejo vsak trenutek. Imamo torej svet, v katerem gledamo v škatlo z mačko, in svet, v katerem ne gledamo v škatlo z mačko ... V prvem - svet, v katerem živi mačka, oz. v katerem ne živi itd. d.

verjel je, da je s kvantno mehaniko nekaj globoko narobe, in njegovega mnenja ni bilo treba jemati zlahka.

Štiri glavne interakcije