Πράγματα που αυτή τη στιγμή είναι αόρατα

Τα πράγματα που η επιστήμη γνωρίζει και βλέπει είναι μόνο ένα μικρό μέρος αυτού που πιθανώς υπάρχει. Φυσικά, η επιστήμη και η τεχνολογία δεν πρέπει να παίρνουν το «όραμα» κυριολεκτικά. Αν και τα μάτια μας δεν μπορούν να τα δουν, η επιστήμη έχει από καιρό μπορέσει να «βλέπει» πράγματα όπως ο αέρας και το οξυγόνο που περιέχει, τα ραδιοκύματα, το υπεριώδες φως, η υπέρυθρη ακτινοβολία και τα άτομα.

Βλέπουμε επίσης κατά μία έννοια αντιύληόταν αλληλεπιδρά βίαια με τη συνηθισμένη ύλη, και αυτό γενικά είναι πιο δύσκολο πρόβλημα, γιατί αν και το είδαμε αυτό στα αποτελέσματα της αλληλεπίδρασης, με μια πιο ολιστική έννοια, ως δονήσεις, ήταν άπιαστο για εμάς μέχρι το 2015.

Ωστόσο, εξακολουθούμε κατά μία έννοια να μην "βλέπουμε" τη βαρύτητα, επειδή δεν έχουμε ανακαλύψει ακόμη έναν μόνο φορέα αυτής της αλληλεπίδρασης (δηλ., για παράδειγμα, ένα υποθετικό σωματίδιο που ονομάζεται graviton). Αξίζει να αναφέρουμε εδώ ότι υπάρχει κάποια αναλογία μεταξύ της ιστορίας της βαρύτητας και της .

Βλέπουμε τη δράση του τελευταίου, αλλά δεν την παρατηρούμε άμεσα, δεν ξέρουμε από τι αποτελείται. Ωστόσο, υπάρχει μια θεμελιώδης διαφορά μεταξύ αυτών των «αόρατων» φαινομένων. Κανείς δεν αμφισβήτησε ποτέ τη βαρύτητα. Αλλά με τη σκοτεινή ύλη (1) είναι διαφορετικά.

Πώς g σκοτεινή ενέργειαπου λέγεται ότι περιέχει ακόμη περισσότερα από τη σκοτεινή ύλη. Η ύπαρξή του συνάγεται ως υπόθεση που βασίζεται στη συμπεριφορά του σύμπαντος στο σύνολό του. Το να το «βλέπουμε» είναι πιθανό να είναι ακόμη πιο δύσκολο από τη σκοτεινή ύλη, μόνο και μόνο επειδή η κοινή μας εμπειρία μας διδάσκει ότι η ενέργεια, από τη φύση της, παραμένει κάτι λιγότερο προσιτό στις αισθήσεις (και στα όργανα παρατήρησης) από την ύλη.

Σύμφωνα με τις σύγχρονες υποθέσεις, και οι δύο σκοτεινές θα πρέπει να αποτελούν το 96% του περιεχομένου του.

Έτσι, στην πραγματικότητα, ακόμη και το ίδιο το σύμπαν είναι σε μεγάλο βαθμό αόρατο σε εμάς, για να μην αναφέρουμε ότι όταν πρόκειται για τα όριά του, γνωρίζουμε μόνο εκείνα που καθορίζονται από την ανθρώπινη παρατήρηση και όχι αυτά που θα ήταν τα πραγματικά άκρα του - αν υπάρχουν καθόλου.

Κάτι μας τραβάει μαζί με ολόκληρο τον γαλαξία

Η αορατότητα ορισμένων πραγμάτων στο διάστημα μπορεί να είναι οδυνηρή, όπως το γεγονός ότι 100 γειτονικοί γαλαξίες κινούνται συνεχώς προς ένα μυστηριώδες σημείο στο σύμπαν που είναι γνωστό ως Μεγάλος ελκυστήρας. Αυτή η περιοχή βρίσκεται περίπου 220 εκατομμύρια έτη φωτός μακριά και οι επιστήμονες την αποκαλούν βαρυτική ανωμαλία. Πιστεύεται ότι ο Μεγάλος Ελκυστήρας έχει μια μάζα από τετράδισεκα ήλιους.

Ας ξεκινήσουμε από το γεγονός ότι επεκτείνεται. Αυτό συμβαίνει από τη Μεγάλη Έκρηξη και η τρέχουσα ταχύτητα αυτής της διαδικασίας υπολογίζεται στα 2,2 εκατομμύρια χιλιόμετρα την ώρα. Αυτό σημαίνει ότι ο γαλαξίας μας και ο γειτονικός του γαλαξίας της Ανδρομέδας πρέπει επίσης να κινούνται με αυτή την ταχύτητα, σωστά; Όχι πραγματικά.

Στη δεκαετία του '70 δημιουργήσαμε λεπτομερείς χάρτες του διαστήματος. Φόντο μικροκυμάτων (CMB) Σύμπαν και παρατηρήσαμε ότι η μία πλευρά του Γαλαξία μας είναι θερμότερη από την άλλη. Η διαφορά ήταν μικρότερη από το ένα εκατοστό του βαθμού Κελσίου, αλλά αρκούσε για να καταλάβουμε ότι κινούμασταν με ταχύτητα 600 χλμ. το δευτερόλεπτο προς τον αστερισμό του Κενταύρου.

Λίγα χρόνια αργότερα, ανακαλύψαμε ότι όχι μόνο εμείς, αλλά όλοι όσοι βρίσκονται σε απόσταση εκατό εκατομμυρίων ετών φωτός από εμάς κινούμασταν προς την ίδια κατεύθυνση. Υπάρχει μόνο ένα πράγμα που μπορεί να αντισταθεί στην διαστολή σε τέτοιες τεράστιες αποστάσεις, και αυτό είναι η βαρύτητα.

Η Ανδρομέδα, για παράδειγμα, πρέπει να απομακρυνθεί από εμάς, αλλά σε 4 δισεκατομμύρια χρόνια θα πρέπει να... συγκρουστούμε μαζί της. Η επαρκής μάζα μπορεί να αντισταθεί στη διαστολή. Στην αρχή, οι επιστήμονες νόμιζαν ότι αυτή η ταχύτητα οφειλόταν στην τοποθεσία μας στα περίχωρα του λεγόμενου Τοπικού Υπερσμήνου.

Γιατί είναι τόσο δύσκολο για εμάς να δούμε αυτόν τον μυστηριώδη Μεγάλο Ελκυστήρα; Δυστυχώς, αυτός είναι ο δικός μας γαλαξίας, που εμποδίζει την όρασή μας. Μέσα από τη ζώνη του Γαλαξία, δεν μπορούμε να δούμε περίπου το 20% του σύμπαντος. Τυχαίνει να πάει ακριβώς εκεί που είναι ο Μεγάλος Ελκυστής. Είναι θεωρητικά δυνατό να διεισδύσουμε σε αυτό το πέπλο με παρατηρήσεις ακτίνων Χ και υπέρυθρων, αλλά αυτό δεν δίνει σαφή εικόνα.

Παρά αυτές τις δυσκολίες, διαπιστώθηκε ότι σε μια περιοχή του Μεγάλου Ελκυστή, σε απόσταση 150 εκατομμυρίων ετών φωτός, υπάρχει ένας γαλαξιακός Cluster Norma. Πίσω από αυτό βρίσκεται ένα ακόμη πιο τεράστιο υπερσμήνος, 650 εκατομμύρια έτη φωτός μακριά, που περιέχει μάζα 10. γαλαξίας, ένα από τα μεγαλύτερα αντικείμενα στο σύμπαν που γνωρίζουμε.

Έτσι, οι επιστήμονες προτείνουν ότι ο Μεγάλος Ελκυστής κέντρο βαρύτητας πολλά υπερσμήνη γαλαξιών, συμπεριλαμβανομένου του δικού μας - περίπου 100 αντικείμενα συνολικά, όπως ο Γαλαξίας. Υπάρχουν επίσης θεωρίες ότι είναι μια τεράστια συλλογή σκοτεινής ενέργειας ή μια περιοχή υψηλής πυκνότητας με τεράστια βαρυτική έλξη.

Ορισμένοι ερευνητές πιστεύουν ότι αυτό είναι απλώς μια πρόγευση του οριστικού... τέλους του σύμπαντος. Η Μεγάλη Ύφεση θα σημαίνει ότι το σύμπαν θα πυκνώσει σε λίγα τρισεκατομμύρια χρόνια, όταν η διαστολή επιβραδύνεται και αρχίζει να αντιστρέφεται. Με την πάροδο του χρόνου, αυτό θα οδηγούσε σε ένα υπερμεγέθη που θα έτρωγε τα πάντα, συμπεριλαμβανομένου του εαυτού του.

Ωστόσο, όπως σημειώνουν οι επιστήμονες, η διαστολή του Σύμπαντος θα νικήσει τελικά τη δύναμη του Μεγάλου Ελκυστή. Η ταχύτητά μας προς αυτήν είναι μόνο το ένα πέμπτο της ταχύτητας με την οποία τα πάντα διαστέλλονται. Η τεράστια τοπική δομή της Laniakea (2) της οποίας είμαστε μέρος θα πρέπει μια μέρα να διαλυθεί, όπως και πολλές άλλες κοσμικές οντότητες.

Η πέμπτη δύναμη της φύσης

Κάτι που δεν μπορούμε να δούμε, αλλά για το οποίο υποψιαζόμαστε σοβαρά τελευταία, είναι η λεγόμενη πέμπτη πρόσκρουση.

Η ανακάλυψη όσων αναφέρονται στα μέσα ενημέρωσης περιλαμβάνει εικασίες για ένα υποθετικό νέο σωματίδιο με ένα ενδιαφέρον όνομα. X17μπορεί να βοηθήσει στην εξήγηση του μυστηρίου της σκοτεινής ύλης και της σκοτεινής ενέργειας.

Τέσσερις αλληλεπιδράσεις είναι γνωστές: βαρύτητα, ηλεκτρομαγνητισμός, ισχυρές και ασθενείς ατομικές αλληλεπιδράσεις. Η επίδραση των τεσσάρων γνωστών δυνάμεων στην ύλη, από το μικρο-βασίλειο των ατόμων έως την κολοσσιαία κλίμακα των γαλαξιών, είναι καλά τεκμηριωμένη και στις περισσότερες περιπτώσεις κατανοητή. Ωστόσο, αν σκεφτεί κανείς ότι περίπου το 96% της μάζας του σύμπαντος αποτελείται από σκοτεινά, ανεξήγητα πράγματα που ονομάζονται σκοτεινή ύλη και σκοτεινή ενέργεια, δεν αποτελεί έκπληξη το γεγονός ότι οι επιστήμονες υποψιάζονταν εδώ και καιρό ότι αυτές οι τέσσερις δυνάμεις δεν αντιπροσωπεύουν τα πάντα στο σύμπαν. . συνεχίζεται.

Μια προσπάθεια να περιγραφεί μια νέα δύναμη, ο συγγραφέας της οποίας είναι μια ομάδα με επικεφαλής Attila Krasnagorskaya (3), η φυσική στο Ινστιτούτο Πυρηνικών Ερευνών (ATOMKI) της Ουγγρικής Ακαδημίας Επιστημών για την οποία ακούσαμε το περασμένο φθινόπωρο δεν ήταν η πρώτη ένδειξη ότι υπάρχουν μυστηριώδεις δυνάμεις.

Οι ίδιοι επιστήμονες έγραψαν για πρώτη φορά για την «πέμπτη δύναμη» το 2016, αφού διεξήγαγαν ένα πείραμα για να μετατρέψουν τα πρωτόνια σε ισότοπα, τα οποία είναι παραλλαγές χημικών στοιχείων. Οι ερευνητές παρακολούθησαν καθώς τα πρωτόνια μετέτρεπαν ένα ισότοπο γνωστό ως λίθιο-7 σε έναν ασταθή τύπο ατόμου που ονομάζεται βηρύλλιο-8.

3. Καθ. Attila Krasnahorkay (δεξιά)

Όταν το βηρύλλιο-8 διασπάστηκε, σχηματίστηκαν ζεύγη ηλεκτρονίων και ποζιτρονίων, τα οποία απωθούνταν το ένα το άλλο, προκαλώντας τα σωματίδια να πετάξουν έξω υπό γωνία. Η ομάδα περίμενε να δει μια συσχέτιση μεταξύ της φωτεινής ενέργειας που εκπέμπεται κατά τη διαδικασία αποσύνθεσης και των γωνιών στις οποίες τα σωματίδια διαχωρίζονται. Αντίθετα, τα ηλεκτρόνια και τα ποζιτρόνια εκτρέπονταν 140 μοίρες σχεδόν επτά φορές πιο συχνά από ό,τι προέβλεπαν τα μοντέλα τους, ένα απροσδόκητο αποτέλεσμα.

«Όλη μας η γνώση για τον ορατό κόσμο μπορεί να περιγραφεί χρησιμοποιώντας το λεγόμενο Καθιερωμένο Μοντέλο της Φυσικής των Σωματιδίων», γράφει ο Krasnagorkay. «Ωστόσο, δεν προβλέπει κανένα σωματίδιο βαρύτερο από ένα ηλεκτρόνιο και ελαφρύτερο από ένα μιόνιο, το οποίο είναι 207 φορές βαρύτερο από ένα ηλεκτρόνιο. Εάν βρούμε ένα νέο σωματίδιο στο παραπάνω παράθυρο μάζας, αυτό θα υποδηλώνει κάποια νέα αλληλεπίδραση που δεν περιλαμβάνεται στο Καθιερωμένο μοντέλο.

Το μυστηριώδες αντικείμενο ονομάζεται X17 λόγω της εκτιμώμενης μάζας του 17 megaelectrovolt (MeV), περίπου 34 φορές μεγαλύτερη από αυτή ενός ηλεκτρονίου. Οι ερευνητές παρακολούθησαν τη διάσπαση του τριτίου σε ήλιο-4 και παρατήρησαν για άλλη μια φορά μια παράξενη διαγώνια εκκένωση, που δείχνει ένα σωματίδιο με μάζα περίπου 17 MeV.

"Το φωτόνιο μεσολαβεί στην ηλεκτρομαγνητική δύναμη, το γλουόνιο μεσολαβεί στην ισχυρή δύναμη και τα μποζόνια W και Z μεσολαβούν στην ασθενή δύναμη", εξήγησε ο Krasnahorkai.

«Το σωματίδιο μας X17 πρέπει να μεσολαβήσει σε μια νέα αλληλεπίδραση, την πέμπτη. Το νέο αποτέλεσμα μειώνει την πιθανότητα ότι το πρώτο πείραμα ήταν απλώς μια σύμπτωση ή ότι τα αποτελέσματα προκάλεσαν ένα σφάλμα συστήματος».

Σκοτεινή ύλη κάτω από τα πόδια

Από το μεγάλο Σύμπαν, από το ασαφές βασίλειο των γρίφων και των μυστηρίων της μεγάλης φυσικής, ας επιστρέψουμε στη Γη. Εδώ βρισκόμαστε αντιμέτωποι με ένα μάλλον εκπληκτικό πρόβλημα... με το να βλέπουμε και να απεικονίζουμε με ακρίβεια οτιδήποτε υπάρχει μέσα (4).

Πριν από μερικά χρόνια είχαμε γράψει στο MT για το μυστήριο του πυρήνα της γηςότι ένα παράδοξο συνδέεται με τη δημιουργία του και δεν είναι γνωστό ποια ακριβώς είναι η φύση και η δομή του. Έχουμε μεθόδους όπως δοκιμή με σεισμικά κύματα, κατάφερε επίσης να αναπτύξει ένα μοντέλο της εσωτερικής δομής της Γης, για το οποίο υπάρχει επιστημονική συμφωνία.

αλλά Σε σύγκριση με τα μακρινά αστέρια και τους γαλαξίες, για παράδειγμα, η κατανόησή μας για το τι βρίσκεται κάτω από τα πόδια μας είναι αδύναμη. Διαστημικά αντικείμενα, ακόμα και πολύ μακρινά, απλά βλέπουμε. Δεν μπορεί να ειπωθεί το ίδιο για τον πυρήνα, τα στρώματα του μανδύα ή ακόμα και για τα βαθύτερα στρώματα του φλοιού της γης..

Μόνο η πιο άμεση έρευνα είναι διαθέσιμη. Οι ορεινές κοιλάδες εκθέτουν βράχους σε βάθος πολλών χιλιομέτρων. Τα βαθύτερα εξερευνητικά πηγάδια εκτείνονται σε βάθος λίγο περισσότερο από 12 km.

Πληροφορίες για πετρώματα και ορυκτά που χτίζουν βαθύτερα παρέχονται από ξενολίθους, δηλ. θραύσματα πετρωμάτων που ξεσκίστηκαν και απομακρύνθηκαν από τα έγκατα της Γης ως αποτέλεσμα ηφαιστειακών διεργασιών. Στη βάση τους, οι πετρολόγοι μπορούν να προσδιορίσουν τη σύνθεση των ορυκτών σε βάθος αρκετών εκατοντάδων χιλιομέτρων.

Η ακτίνα της Γης είναι 6371 χλμ., κάτι που δεν είναι εύκολο μονοπάτι για όλους τους «διηθητικούς» μας. Λόγω της τεράστιας πίεσης και της θερμοκρασίας που φτάνουν περίπου τους 5 βαθμούς Κελσίου, είναι δύσκολο να αναμένεται ότι το βαθύτερο εσωτερικό θα γίνει προσβάσιμο για άμεση παρατήρηση στο άμεσο μέλλον.

Πώς λοιπόν γνωρίζουμε αυτά που γνωρίζουμε για τη δομή του εσωτερικού της Γης; Τέτοιες πληροφορίες παρέχονται από σεισμικά κύματα που δημιουργούνται από σεισμούς, δηλ. ελαστικά κύματα που διαδίδονται σε ελαστικό μέσο.

Πήραν το όνομά τους από το γεγονός ότι δημιουργούνται από χτυπήματα. Δύο τύποι ελαστικών (σεισμικών) κυμάτων μπορούν να διαδοθούν σε ένα ελαστικό (ορεινό) μέσο: ταχύτερα - διαμήκη και πιο αργά - εγκάρσια. Οι πρώτες είναι ταλαντώσεις του μέσου που συμβαίνουν κατά τη διεύθυνση διάδοσης του κύματος, ενώ σε εγκάρσιες ταλαντώσεις του μέσου συμβαίνουν κάθετα προς την κατεύθυνση διάδοσης του κύματος.

Τα διαμήκη κύματα καταγράφονται πρώτα (lat. primae), και τα εγκάρσια κύματα καταγράφονται δεύτερα (lat. secundae), εξ ου και η παραδοσιακή τους σήμανση στη σεισμολογία - διαμήκη κύματα p και εγκάρσια s. Τα κύματα P είναι περίπου 1,73 φορές πιο γρήγορα από το s.

Οι πληροφορίες που παρέχουν τα σεισμικά κύματα καθιστούν δυνατή την κατασκευή ενός μοντέλου του εσωτερικού της Γης με βάση τις ελαστικές ιδιότητες. Μπορούμε να ορίσουμε άλλες φυσικές ιδιότητες με βάση βαρυτικό πεδίο (πυκνότητα, πίεση), παρατήρηση μαγνητοτελλουρικά ρεύματα που παράγεται στον μανδύα της Γης (κατανομή της ηλεκτρικής αγωγιμότητας) ή αποσύνθεση της ροής θερμότητας της Γης.

Η πετρολογική σύνθεση μπορεί να προσδιοριστεί με βάση τη σύγκριση με εργαστηριακές μελέτες των ιδιοτήτων ορυκτών και πετρωμάτων σε συνθήκες υψηλών πιέσεων και θερμοκρασιών.

Η γη εκπέμπει θερμότητα και δεν είναι γνωστό από πού προέρχεται. Πρόσφατα, εμφανίστηκε μια νέα θεωρία που σχετίζεται με τα πιο άπιαστα στοιχειώδη σωματίδια. Πιστεύεται ότι σημαντικές ενδείξεις για το μυστήριο της θερμότητας που εκπέμπεται από τον πλανήτη μας μπορεί να παρέχονται από τη φύση. νετρίνο - σωματίδια εξαιρετικά μικρής μάζας - που εκπέμπονται από ραδιενεργές διεργασίες που συμβαίνουν στα έγκατα της Γης.

Οι κύριες γνωστές πηγές ραδιενέργειας είναι το ασταθές θόριο και κάλιο, όπως γνωρίζουμε από δείγματα πετρωμάτων έως και 200 ​​km κάτω από την επιφάνεια της γης. Το τι βρίσκεται πιο βαθιά είναι ήδη άγνωστο.

Το ξέρουμε γεωνετρίνο αυτά που εκπέμπονται κατά τη διάσπαση του ουρανίου έχουν περισσότερη ενέργεια από αυτά που εκπέμπονται κατά τη διάσπαση του καλίου. Έτσι, μετρώντας την ενέργεια των γεωνετρίνων, μπορούμε να μάθουμε από ποιο ραδιενεργό υλικό προέρχονται.

Δυστυχώς, τα γεωνετρίνα είναι πολύ δύσκολο να εντοπιστούν. Ως εκ τούτου, η πρώτη τους παρατήρηση το 2003 απαιτούσε έναν τεράστιο υπόγειο ανιχνευτή γεμάτο με περίπου. τόνους υγρού. Αυτοί οι ανιχνευτές μετρούν τα νετρίνα ανιχνεύοντας συγκρούσεις με άτομα σε ένα υγρό.

Έκτοτε, τα γεωνετρίνα έχουν παρατηρηθεί μόνο σε ένα πείραμα χρησιμοποιώντας αυτήν την τεχνολογία (5). Και οι δύο μετρήσεις το δείχνουν Περίπου το ήμισυ της θερμότητας της Γης από τη ραδιενέργεια (20 τεραβάτ) μπορεί να εξηγηθεί από τη διάσπαση του ουρανίου και του θορίου. Η πηγή του υπόλοιπου 50%... δεν είναι ακόμη γνωστό τι.

5. Πρότυπο χάρτη της έντασης των εκπομπών γεωνετρίνο στη Γη - προβλέψεις

Τον Ιούλιο του 2017 ξεκίνησε η κατασκευή του κτιρίου, γνωστό και ως ΑΜΜΟΛΟΦΟΣέχει προγραμματιστεί να ολοκληρωθεί γύρω στο 2024. Η εγκατάσταση θα βρίσκεται σχεδόν 1,5 km υπόγεια στο πρώην Homestack, στη Νότια Ντακότα.

Οι επιστήμονες σχεδιάζουν να χρησιμοποιήσουν το DUNE για να απαντήσουν στις πιο σημαντικές ερωτήσεις στη σύγχρονη φυσική μελετώντας προσεκτικά τα νετρίνα, ένα από τα λιγότερο κατανοητά θεμελιώδη σωματίδια.

Τον Αύγουστο του 2017, μια διεθνής ομάδα επιστημόνων δημοσίευσε ένα άρθρο στο περιοδικό Physical Review D προτείνοντας μια αρκετά καινοτόμο χρήση του DUNE ως σαρωτή για τη μελέτη του εσωτερικού της Γης. Στα σεισμικά κύματα και τις γεωτρήσεις θα προστεθεί μια νέα μέθοδος μελέτης του εσωτερικού του πλανήτη, η οποία, ίσως, θα μας έδειχνε μια εντελώς νέα εικόνα του. Ωστόσο, αυτή είναι μόνο μια ιδέα προς το παρόν.

Από την κοσμική σκοτεινή ύλη, φτάσαμε στο εσωτερικό του πλανήτη μας, όχι λιγότερο σκοτεινό για εμάς. και η αδιαπερατότητα αυτών των πραγμάτων είναι ανησυχητική, αλλά όχι τόσο όσο το άγχος ότι δεν βλέπουμε όλα τα αντικείμενα που βρίσκονται σχετικά κοντά στη Γη, ειδικά εκείνα που βρίσκονται στο μονοπάτι της σύγκρουσης με αυτήν.

Ωστόσο, αυτό είναι ένα ελαφρώς διαφορετικό θέμα, το οποίο συζητήσαμε πρόσφατα λεπτομερώς στο MT. Η επιθυμία μας να αναπτύξουμε μεθόδους παρατήρησης είναι πλήρως δικαιολογημένη σε όλα τα πλαίσια.