Temná hmota. Šest kosmologických problémů

Pohyby objektů v kosmickém měřítku se řídí starou dobrou Newtonovou teorií. Nicméně objev Fritze Zwickyho ve 30. letech 27. století a následná četná pozorování vzdálených galaxií, které rotují rychleji, než by naznačovala jejich zdánlivá hmotnost, vedlo astronomy a fyziky k výpočtu hmotnosti temné hmoty, kterou nelze přímo určit v žádném dostupném rozsahu pozorování. . k našim nástrojům. Účet se ukázal být velmi vysoký – nyní se odhaduje, že téměř XNUMX % hmoty vesmíru tvoří temná hmota. To je více než pětkrát více, než je „běžná“ hmota dostupná pro naše pozorování.

Bohužel se zdá, že elementární částice nepředvídají existenci částic, které by tuto záhadnou hmotu tvořily. Až dosud jsme je nebyli schopni detekovat nebo generovat vysokoenergetické paprsky v kolidujících urychlovačích. Poslední nadějí vědců byl objev „sterilních“ neutrin, která by mohla tvořit temnou hmotu. Dosavadní pokusy o jejich odhalení jsou však také neúspěšné.

temná energie

Protože se v 90. letech zjistilo, že rozpínání vesmíru není konstantní, ale zrychlující se, bylo zapotřebí další doplnění výpočtů, tentokrát s energií ve vesmíru. Ukázalo se, že pro vysvětlení tohoto zrychlení je potřeba dodatečná energie (tj. hmotnosti, protože podle speciální teorie relativity jsou stejné) - tzn. temná energie – měla by tvořit asi 68 % vesmíru.

To by znamenalo, že více než dvě třetiny vesmíru tvoří... bůh ví co! Protože stejně jako v případě temné hmoty se nám nepodařilo zachytit ani prozkoumat její povahu. Někteří věří, že se jedná o energii vakua, stejnou energii, při které se částice „z ničeho“ objevují v důsledku kvantových efektů. Jiní naznačují, že jde o „kvintesenci“, pátou sílu přírody.

Existuje také hypotéza, že kosmologický princip vůbec nefunguje, Vesmír je nehomogenní, má různou hustotu v různých oblastech a tyto výkyvy vytvářejí iluzi zrychlující se expanze. V této verzi by byl problém temné energie pouhou iluzí.

Einstein zavedl do svých teorií - a pak odstranil - tento koncept kosmologická konstantaspojené s temnou energií. V konceptu pokračovali teoretici kvantové mechaniky, kteří se pokusili nahradit pojem kosmologické konstanty energie kvantového vakuového pole. Tato teorie však dala 10¹²⁰ více energie, než je potřeba k rozpínání vesmíru rychlostí, kterou známe...

inflace

Teorie vesmírná inflace mnohé uspokojivě vysvětluje, ale přináší malý (no, ne pro každého malý) problém – naznačuje, že v raném období jeho existence byla rychlost jeho expanze rychlejší než rychlost světla. To by vysvětlovalo v současnosti viditelnou strukturu vesmírných objektů, jejich teplotu, energii atd. Jde však o to, že dosud nebyly nalezeny žádné stopy této dávné události.

Výzkumníci z Imperial College London, Londýn a University of Helsinki a Copenhagen popsali v roce 2014 ve Physical Review Letters, jak gravitace poskytla stabilitu potřebnou k tomu, aby vesmír prodělal silnou inflaci na počátku svého vývoje. Tým analyzoval interakce mezi Higgsovými částicemi a gravitací. Vědci prokázali, že i malá interakce tohoto typu může stabilizovat vesmír a zachránit ho před katastrofou.

Graf rychlosti rotace spirální galaxie M33

„Standardní model fyziky elementárních částic, který vědci používají k vysvětlení podstaty elementárních částic a jejich interakcí, dosud neodpověděl na otázku, proč se vesmír nezhroutil bezprostředně po velkém třesku,“ řekl profesor. Zpět Rajanti z katedry fyziky Imperial College. „V naší studii jsme se zaměřili na neznámý parametr Standardního modelu, tedy interakci mezi Higgsovými částicemi a gravitací. Tento parametr nelze měřit v experimentech s urychlovačem částic, ale má silný vliv na nestabilitu Higgsových částic během fáze nafukování. I malá hodnota tohoto parametru stačí k vysvětlení míry přežití.“

Síť temné hmoty osvětlená kvasarem

Někteří učenci se domnívají, že jakmile inflace začne, je těžké ji zastavit. Docházejí k závěru, že jeho důsledkem bylo vytvoření nových vesmírů, fyzicky oddělených od našeho. A tento proces bude pokračovat dodnes. Multivesmír stále plodí nové vesmíry v inflačním spěchu.

Vrátíme-li se k principu konstantní rychlosti světla, někteří inflační teoretici tvrdí, že rychlost světla je, ano, přísný limit, ale ne konstantní. V rané éře byla vyšší, což umožnilo inflaci. Nyní klesá, ale tak pomalu, že si toho nejsme schopni všimnout.

Kombinace interakcí

Současná rovnováha běžné hmoty, temné hmoty a temné energie

Standardní model, i když sjednocuje tři typy přírodních sil, nesjednocuje slabé a silné interakce ke spokojenosti všech vědců. Gravitace stojí stranou a nelze ji zatím zahrnout do obecného modelu se světem elementárních částic. Jakýkoli pokus o sladění gravitace s kvantovou mechanikou vnáší do výpočtů tolik nekonečna, že rovnice ztrácejí svou hodnotu.

kvantová teorie gravitace vyžaduje přerušení spojení mezi gravitační hmotou a inerciální hmotou, známou z principu ekvivalence (viz článek: "Šest principů vesmíru"). Porušení tohoto principu podkopává budování moderní fyziky. Taková teorie, která otevírá cestu k teorii snů o všem, tedy může zničit i dosud známou fyziku.

Ačkoli je gravitace příliš slabá na to, aby byla patrná na malých měřítcích kvantových interakcí, existuje místo, kde se stává dostatečně silnou, aby způsobila rozdíl v mechanice kvantových jevů. Tento černé díry. Jevy vyskytující se uvnitř a na jejich okraji jsou však stále málo prozkoumány a prozkoumány.

Nastavení vesmíru

Standardní model nemůže předpovědět velikost sil a hmotností, které vznikají ve světě částic. O těchto veličinách se dozvídáme měřením a přidáváním dat do teorie. Vědci neustále zjišťují, že stačí malý rozdíl v naměřených hodnotách, aby vesmír vypadal úplně jinak.

Například má nejmenší hmotnost potřebnou k podpoře stabilní hmoty ze všeho, co známe. Množství temné hmoty a energie je pečlivě vyváženo, aby se vytvořily galaxie.

Jedním z nejzáhadnějších problémů s laděním parametrů vesmíru je výhoda hmoty nad antihmotoukterý umožňuje všemu stabilně existovat. Podle Standardního modelu by mělo být vyrobeno stejné množství hmoty a antihmoty. Z našeho pohledu je samozřejmě dobře, že hmota má výhodu, protože stejná množství implikují nestabilitu Vesmíru, otřeseného prudkými výbuchy anihilace obou typů hmoty.

Vizualizace multivesmíru s rozpínajícími se a smršťujícími se vesmíry

Problém s měřením

rozhodnutí měření kvantové objekty znamená kolaps vlnové funkce, tedy "změnu" jejich stavu ze dvou (Schrödingerova kočka v neurčitém stavu "živá nebo mrtvá") na jediný (víme, co se s kočkou stalo).

Jednou z odvážnějších hypotéz souvisejících s problémem měření je koncept „mnoha světů“ – možností, ze kterých při měření vybíráme. Světy se každým okamžikem oddělují. Máme tedy svět, ve kterém se díváme do krabice s kočkou, a svět, ve kterém se nedíváme do krabice s kočkou... V prvním - svět, ve kterém žije kočka, nebo ten ve kterém nebydlí atd. d.

věřil, že s kvantovou mechanikou je něco hluboce špatně, a jeho názor nelze brát na lehkou váhu.

Čtyři hlavní interakce