Σκοτεινή ύλη. Έξι κοσμολογικά προβλήματα

Οι κινήσεις των αντικειμένων σε κοσμική κλίμακα υπακούουν στην παλιά καλή θεωρία του Νεύτωνα. Ωστόσο, η ανακάλυψη του Fritz Zwicky τη δεκαετία του 30 και οι επακόλουθες πολυάριθμες παρατηρήσεις μακρινών γαλαξιών που περιστρέφονται ταχύτερα από ό,τι θα έδειχνε η φαινόμενη μάζα τους, οδήγησαν τους αστρονόμους και τους φυσικούς να υπολογίσουν τη μάζα της σκοτεινής ύλης, η οποία δεν μπορεί να προσδιοριστεί άμεσα σε κανένα διαθέσιμο εύρος παρατήρησης. . στα εργαλεία μας. Ο λογαριασμός αποδείχθηκε πολύ υψηλός - τώρα υπολογίζεται ότι σχεδόν το 27% της μάζας του σύμπαντος είναι σκοτεινή ύλη. Αυτό είναι περισσότερο από πέντε φορές περισσότερο από το "συνηθισμένο" θέμα που είναι διαθέσιμο στις παρατηρήσεις μας.

Δυστυχώς, τα στοιχειώδη σωματίδια δεν φαίνεται να προβλέπουν την ύπαρξη σωματιδίων που θα αποτελούσαν αυτή τη αινιγματική μάζα. Μέχρι τώρα, δεν μπορέσαμε να τα εντοπίσουμε ή να δημιουργήσουμε δέσμες υψηλής ενέργειας σε επιταχυντές που συγκρούονται. Η τελευταία ελπίδα των επιστημόνων ήταν η ανακάλυψη «στείρων» νετρίνων, τα οποία θα μπορούσαν να αποτελούν τη σκοτεινή ύλη. Ωστόσο, μέχρι στιγμής οι προσπάθειες ανίχνευσής τους ήταν επίσης ανεπιτυχείς.

Σκοτεινή ενέργεια

Δεδομένου ότι ανακαλύφθηκε τη δεκαετία του 90 ότι η διαστολή του σύμπαντος δεν είναι σταθερή, αλλά επιταχυνόμενη, απαιτήθηκε άλλη μια προσθήκη στους υπολογισμούς, αυτή τη φορά με ενέργεια στο σύμπαν. Αποδείχθηκε ότι για να εξηγηθεί αυτή η επιτάχυνση, πρόσθετη ενέργεια (δηλαδή μάζες, επειδή σύμφωνα με την ειδική θεωρία της σχετικότητας είναι ίδιες) - δηλ. σκοτεινή ενέργεια - θα πρέπει να αποτελεί περίπου το 68% του σύμπαντος.

Αυτό θα σήμαινε ότι περισσότερα από τα δύο τρίτα του σύμπαντος αποτελείται από... ένας θεός ξέρει τι! Επειδή, όπως στην περίπτωση της σκοτεινής ύλης, δεν μπορέσαμε να συλλάβουμε ή να εξερευνήσουμε τη φύση της. Μερικοί πιστεύουν ότι αυτή είναι η ενέργεια του κενού, η ίδια ενέργεια στην οποία τα σωματίδια "από το τίποτα" εμφανίζονται ως αποτέλεσμα κβαντικών επιδράσεων. Άλλοι προτείνουν ότι είναι η «πεμπτουσία», η πέμπτη δύναμη της φύσης.

Υπάρχει επίσης η υπόθεση ότι η κοσμολογική αρχή δεν λειτουργεί καθόλου, το Σύμπαν είναι ανομοιογενές, έχει διαφορετική πυκνότητα σε διαφορετικές περιοχές και αυτές οι διακυμάνσεις δημιουργούν την ψευδαίσθηση της επιταχυνόμενης διαστολής. Σε αυτή την έκδοση, το πρόβλημα της σκοτεινής ενέργειας θα ήταν απλώς μια ψευδαίσθηση.

Ο Αϊνστάιν εισήγαγε στις θεωρίες του - και στη συνέχεια αφαίρεσε - την έννοια κοσμολογική σταθεράσυνδέονται με τη σκοτεινή ενέργεια. Η ιδέα συνεχίστηκε από τους θεωρητικούς της κβαντικής μηχανικής που προσπάθησαν να αντικαταστήσουν την έννοια της κοσμολογικής σταθεράς ενέργεια πεδίου κβαντικού κενού. Ωστόσο, αυτή η θεωρία έδωσε 10¹²⁰ περισσότερη ενέργεια από όση χρειάζεται για την επέκταση του σύμπαντος με τον ρυθμό που γνωρίζουμε...

πληθωρισμός

Θεωρία πληθωρισμός του διαστήματος εξηγεί πολλά ικανοποιητικά, αλλά εισάγει ένα μικρό (καλά, όχι για όλους μικρό) πρόβλημα - υποδηλώνει ότι στην πρώιμη περίοδο της ύπαρξής του, ο ρυθμός διαστολής του ήταν μεγαλύτερος από την ταχύτητα του φωτός. Αυτό θα εξηγούσε την επί του παρόντος ορατή δομή των διαστημικών αντικειμένων, τη θερμοκρασία, την ενέργειά τους κ.λπ. Το θέμα, ωστόσο, είναι ότι μέχρι στιγμής δεν έχουν βρεθεί ίχνη αυτού του αρχαίου γεγονότος.

Ερευνητές στο Imperial College του Λονδίνου, στο Λονδίνο και στα Πανεπιστήμια του Ελσίνκι και της Κοπεγχάγης περιέγραψαν το 2014 στο Physical Review Letters πώς η βαρύτητα παρείχε τη σταθερότητα που απαιτείται ώστε το σύμπαν να βιώσει σοβαρό πληθωρισμό νωρίς στην ανάπτυξή του. Η ομάδα ανέλυσε αλληλεπίδραση μεταξύ των σωματιδίων Higgs και της βαρύτητας. Οι επιστήμονες έχουν δείξει ότι ακόμη και μια μικρή αλληλεπίδραση αυτού του τύπου μπορεί να σταθεροποιήσει το σύμπαν και να το σώσει από την καταστροφή.

Γράφημα της ταχύτητας περιστροφής του σπειροειδούς γαλαξία M33

«Το τυπικό μοντέλο της φυσικής των στοιχειωδών σωματιδίων, το οποίο χρησιμοποιούν οι επιστήμονες για να εξηγήσουν τη φύση των στοιχειωδών σωματιδίων και τις αλληλεπιδράσεις τους, δεν έχει απαντήσει ακόμη στο ερώτημα γιατί το Σύμπαν δεν κατέρρευσε αμέσως μετά τη Μεγάλη Έκρηξη», είπε ο καθηγητής. Πίσω ο Ρατζάντι από το Τμήμα Φυσικής του Imperial College. «Στη μελέτη μας, εστιάσαμε στην άγνωστη παράμετρο του Καθιερωμένου Μοντέλου, δηλαδή στην αλληλεπίδραση μεταξύ των σωματιδίων Higgs και της βαρύτητας. Αυτή η παράμετρος δεν μπορεί να μετρηθεί σε πειράματα επιταχυντή σωματιδίων, αλλά έχει ισχυρή επίδραση στην αστάθεια των σωματιδίων Higgs κατά τη φάση του φουσκώματος. Ακόμη και μια μικρή τιμή αυτής της παραμέτρου είναι αρκετή για να εξηγήσει το ποσοστό επιβίωσης».

Ένας ιστός σκοτεινής ύλης που φωτίζεται από ένα κβάζαρ

Ορισμένοι μελετητές πιστεύουν ότι ο πληθωρισμός, μόλις ξεκινήσει, είναι δύσκολο να σταματήσει. Καταλήγουν στο συμπέρασμα ότι η συνέπειά της ήταν η δημιουργία νέων συμπάντων, φυσικά διαχωρισμένων από το δικό μας. Και αυτή η διαδικασία θα συνεχιστεί μέχρι σήμερα. Το πολυσύμπαν εξακολουθεί να γεννά νέα σύμπαντα σε μια πληθωριστική βιασύνη.

Επιστρέφοντας στην αρχή της σταθερής ταχύτητας του φωτός, ορισμένοι θεωρητικοί του πληθωρισμού προτείνουν ότι η ταχύτητα του φωτός είναι, ναι, ένα αυστηρό όριο, αλλά όχι μια σταθερή. Στην πρώιμη εποχή ήταν υψηλότερο, επιτρέποντας τον πληθωρισμό. Τώρα συνεχίζει να πέφτει, αλλά τόσο αργά που δεν μπορούμε να το παρατηρήσουμε.

Συνδυασμός αλληλεπιδράσεων

Η τρέχουσα ισορροπία της συνηθισμένης ύλης, της σκοτεινής ύλης και της σκοτεινής ενέργειας

Το Καθιερωμένο Μοντέλο, ενώ ενοποιεί τους τρεις τύπους δυνάμεων της φύσης, δεν ενοποιεί τις αδύναμες και ισχυρές αλληλεπιδράσεις προς ικανοποίηση όλων των επιστημόνων. Η βαρύτητα βρίσκεται στην άκρη και δεν μπορεί ακόμη να συμπεριληφθεί στο γενικό μοντέλο με τον κόσμο των στοιχειωδών σωματιδίων. Οποιαδήποτε προσπάθεια συμφιλίωσης της βαρύτητας με την κβαντομηχανική εισάγει τόσο πολύ άπειρο στους υπολογισμούς που οι εξισώσεις χάνουν την αξία τους.

κβαντική θεωρία της βαρύτητας απαιτεί μια διακοπή της σύνδεσης μεταξύ της βαρυτικής μάζας και της αδρανειακής μάζας, γνωστή από την αρχή της ισοδυναμίας (βλ. άρθρο: «Έξι Αρχές του Σύμπαντος»). Η παραβίαση αυτής της αρχής υπονομεύει την οικοδόμηση της σύγχρονης φυσικής. Έτσι, μια τέτοια θεωρία, που ανοίγει το δρόμο σε μια θεωρία ονείρων για τα πάντα, μπορεί επίσης να καταστρέψει τη μέχρι τώρα γνωστή φυσική.

Αν και η βαρύτητα είναι πολύ αδύναμη για να είναι αισθητή στις μικρές κλίμακες των κβαντικών αλληλεπιδράσεων, υπάρχει ένα μέρος όπου γίνεται αρκετά ισχυρή ώστε να κάνει τη διαφορά στη μηχανική των κβαντικών φαινομένων. Αυτό μαύρες τρύπες. Ωστόσο, τα φαινόμενα που εμφανίζονται στο εσωτερικό και στις παρυφές τους είναι ακόμη ελάχιστα μελετημένα και μελετημένα.

Ρύθμιση του σύμπαντος

Το Καθιερωμένο Μοντέλο δεν μπορεί να προβλέψει το μέγεθος των δυνάμεων και των μαζών που προκύπτουν στον κόσμο των σωματιδίων. Μαθαίνουμε για αυτές τις ποσότητες μετρώντας και προσθέτοντας δεδομένα στη θεωρία. Οι επιστήμονες ανακαλύπτουν συνεχώς ότι μια μικρή διαφορά στις μετρούμενες τιμές είναι αρκετή για να κάνει το σύμπαν να φαίνεται εντελώς διαφορετικό.

Για παράδειγμα, έχει τη μικρότερη μάζα που χρειάζεται για να υποστηρίξει τη σταθερή ύλη από όλα όσα γνωρίζουμε. Η ποσότητα της σκοτεινής ύλης και ενέργειας είναι προσεκτικά ισορροπημένη για να σχηματίσει γαλαξίες.

Ένα από τα πιο αινιγματικά προβλήματα με τον συντονισμό των παραμέτρων του σύμπαντος είναι πλεονέκτημα της ύλης έναντι της αντιύληςπου επιτρέπει στα πάντα να υπάρχουν σταθερά. Σύμφωνα με το Καθιερωμένο Μοντέλο, θα πρέπει να παράγεται η ίδια ποσότητα ύλης και αντιύλης. Φυσικά, από την άποψή μας, καλό είναι η ύλη να έχει πλεονέκτημα, αφού ίσα ποσά συνεπάγονται την αστάθεια του Σύμπαντος, που κλονίζεται από βίαιες εκρήξεις αφανισμού και των δύο ειδών ύλης.

Οπτικοποίηση του πολυσύμπαντος με σύμπαντα που διαστέλλονται και συστέλλονται

Πρόβλημα μέτρησης

Λύση μέτρηση κβαντικά αντικείμενα σημαίνει την κατάρρευση της κυματικής συνάρτησης, δηλαδή «αλλαγή» της κατάστασής τους από δύο (η γάτα του Σρέντινγκερ σε απροσδιόριστη κατάσταση «ζωντανός ή νεκρός») σε μία (ξέρουμε τι απέγινε η γάτα).

Μία από τις πιο τολμηρές υποθέσεις που σχετίζονται με το πρόβλημα της μέτρησης είναι η έννοια των «πολλών κόσμων» - οι δυνατότητες από τις οποίες επιλέγουμε κατά τη μέτρηση. Οι κόσμοι χωρίζουν κάθε στιγμή. Έτσι, έχουμε έναν κόσμο στον οποίο κοιτάμε ένα κουτί με μια γάτα, και έναν κόσμο στον οποίο δεν κοιτάμε ένα κουτί με μια γάτα ... Στην πρώτη - τον κόσμο στον οποίο ζει η γάτα, ή αυτός στο οποίο δεν ζει κλπ. δ.

πίστευε ότι κάτι δεν πήγαινε καλά με την κβαντομηχανική και η γνώμη του δεν έπρεπε να ληφθεί σοβαρά υπόψη.

Τέσσερις κύριες αλληλεπιδράσεις