Mørkt stof. Seks kosmologiske problemer

Objekternes bevægelser på en kosmisk skala adlyder den gode gamle Newtons teori. Opdagelsen af ​​Fritz Zwicky i 30'erne og efterfølgende adskillige observationer af fjerne galakser, der roterer hurtigere end deres tilsyneladende masse ville indikere, fik imidlertid astronomer og fysikere til at beregne massen af ​​mørkt stof, som ikke kan bestemmes direkte i noget tilgængeligt observationsområde. . til vores værktøjer. Regningen viste sig at være meget høj – det anslås nu, at næsten 27 % af universets masse er mørkt stof. Dette er mere end fem gange mere end det "almindelige" stof, der er tilgængeligt for vores observationer.

Desværre ser elementærpartikler ikke ud til at forudse eksistensen af ​​partikler, der ville udgøre denne gådefulde masse. Indtil nu har vi ikke været i stand til at opdage dem eller generere højenergistråler i kolliderende acceleratorer. Det sidste håb for videnskabsmænd var opdagelsen af ​​"sterile" neutrinoer, som kunne udgøre mørkt stof. Men indtil videre har forsøg på at opdage dem også været forgæves.

Mørk energi

Siden det blev opdaget i 90'erne, at universets udvidelse ikke er konstant, men accelererende, var der behov for endnu en tilføjelse til beregningerne, denne gang med energi i universet. Det viste sig, at for at forklare denne acceleration, blev yderligere energi (dvs. masser, fordi de ifølge den specielle relativitetsteori er de samme) - dvs. mørk energi - bør udgøre omkring 68% af universet.

Det ville betyde, at mere end to tredjedele af universet består af... gud ved hvad! For, som i tilfældet med mørkt stof, har vi ikke været i stand til at fange eller udforske dets natur. Nogle mener, at dette er energien i vakuumet, den samme energi, hvor partikler "ud af ingenting" opstår som et resultat af kvanteeffekter. Andre antyder, at det er "kvintessensen", den femte naturkraft.

Der er også en hypotese om, at det kosmologiske princip slet ikke virker, universet er inhomogent, har forskellige tætheder i forskellige områder, og disse udsving skaber illusionen om accelererende ekspansion. I denne version ville problemet med mørk energi kun være en illusion.

Einstein introducerede i sine teorier - og fjernede derefter - begrebet kosmologisk konstantforbundet med mørk energi. Konceptet blev videreført af kvantemekanik-teoretikere, der forsøgte at erstatte forestillingen om den kosmologiske konstant kvantevakuumfeltenergi. Imidlertid gav denne teori 10¹²⁰ mere energi, end der er nødvendigt for at udvide universet med den hastighed, vi kender...

inflation

Теория ruminflation det forklarer meget tilfredsstillende, men introducerer et lille (nå, ikke for alle små) problem - det antyder, at i den tidlige periode af dets eksistens var dets ekspansionshastighed hurtigere end lysets hastighed. Dette ville forklare den aktuelt synlige struktur af rumobjekter, deres temperatur, energi osv. Pointen er dog, at der hidtil ikke er fundet spor af denne ældgamle begivenhed.

Forskere ved Imperial College London, London og universiteterne i Helsinki og København beskrev i 2014 i Physical Review Letters, hvordan tyngdekraften gav den nødvendige stabilitet for, at universet kunne opleve alvorlig inflation tidligt i sin udvikling. Holdet analyserede interaktion mellem Higgs-partikler og tyngdekraften. Forskere har vist, at selv en lille interaktion af denne type kan stabilisere universet og redde det fra en katastrofe.

Graf over rotationshastigheden for spiralgalaksen M33

"Standardmodellen for elementarpartikelfysik, som videnskabsmænd bruger til at forklare arten af ​​elementarpartikler og deres interaktioner, har endnu ikke besvaret spørgsmålet om, hvorfor universet ikke kollapsede umiddelbart efter Big Bang," sagde professoren. Artu Rajanti fra fysikafdelingen på Imperial College. ”I vores undersøgelse fokuserede vi på den ukendte parameter i Standardmodellen, det vil sige samspillet mellem Higgs-partikler og tyngdekraften. Denne parameter kan ikke måles i partikelacceleratorforsøg, men den har en stærk indflydelse på Higgs-partiklernes ustabilitet under oppustningsfasen. Selv en lille værdi af denne parameter er nok til at forklare overlevelsesraten."

Et net af mørkt stof oplyst af en kvasar

Nogle forskere mener, at inflationen, når den først starter, er svær at stoppe. De konkluderer, at dens konsekvens var skabelsen af ​​nye universer, fysisk adskilt fra vores. Og denne proces vil fortsætte indtil i dag. Multiverset afføder stadig nye universer i et inflationært hastværk.

For at vende tilbage til princippet om konstant lyshastighed, foreslår nogle inflationsteoretikere, at lysets hastighed er, ja, en streng grænse, men ikke en konstant. I den tidlige æra var den højere, hvilket gav mulighed for inflation. Nu fortsætter det med at falde, men så langsomt, at vi ikke kan mærke det.

Kombinere interaktioner

Den nuværende balance mellem almindeligt stof, mørkt stof og mørk energi

Standardmodellen, mens den forener de tre typer af naturkræfter, forener ikke de svage og stærke interaktioner til tilfredshed for alle videnskabsmænd. Tyngdekraften står til side og kan endnu ikke indgå i den generelle model med elementarpartiklernes verden. Ethvert forsøg på at forene tyngdekraften med kvantemekanikken introducerer så meget uendelighed i beregningerne, at ligningerne mister deres værdi.

kvanteteori om tyngdekraft kræver et brud i forbindelsen mellem gravitationsmassen og inertialmassen, kendt fra ækvivalensprincippet (se artiklen: "Universets seks principper"). Overtrædelse af dette princip underminerer opbygningen af ​​moderne fysik. En sådan teori, som åbner vejen for en teori om drømme om alting, kan således også ødelægge den hidtil kendte fysik.

Selvom tyngdekraften er for svag til at kunne mærkes på de små skalaer af kvanteinteraktioner, er der et sted, hvor den bliver stærk nok til at gøre en forskel i kvantefænomenernes mekanik. Dette sorte huller. Imidlertid er de fænomener, der forekommer inden for og i deres udkanter, stadig lidt studeret og studeret.

Opsætning af universet

Standardmodellen kan ikke forudsige størrelsen af ​​de kræfter og masser, der opstår i partiklernes verden. Vi lærer om disse størrelser ved at måle og tilføje data til teorien. Forskere opdager konstant, at en lille forskel i de målte værdier er nok til at få universet til at se helt anderledes ud.

For eksempel har den den mindste masse, der er nødvendig for at understøtte det stabile stof af alt, hvad vi kender. Mængden af ​​mørkt stof og energi er nøje afbalanceret for at danne galakser.

Et af de mest forvirrende problemer med at indstille universets parametre er materiens fordel frem for antistofsom tillader alt at eksistere stabilt. Ifølge standardmodellen skal den samme mængde stof og antistof produceres. Fra vores synspunkt er det selvfølgelig godt, at stof har en fordel, da lige store mængder indebærer universets ustabilitet, rystet af voldsomme udslettelsesudbrud af begge typer stof.

Visualisering af multiverset med ekspanderende og sammentrækkende universer

Måleproblem

beslutning måling kvanteobjekter betyder sammenbruddet af bølgefunktionen, dvs. "ændring" af deres tilstand fra to (Schrödingers kat i en ubestemt tilstand af "levende eller død") til en enkelt (vi ved, hvad der skete med katten).

En af de dristigere hypoteser relateret til måleproblemet er begrebet "mange verdener" - de muligheder, vi vælger fra, når vi måler. Verderne skiller hvert øjeblik. Så vi har en verden, hvor vi ser ind i en kasse med en kat, og en verden, hvor vi ikke ser ind i en kasse med en kat ... I den første - den verden, som katten lever i, eller den ene hvori han ikke bor osv. d.

han mente, at noget var dybt galt med kvantemekanikken, og hans mening var ikke at tage let på.

Fire hovedinteraktioner