Tume aine. Kuus kosmoloogilist probleemi

Objektide liikumine kosmilisel skaalal järgib vana hea Newtoni teooriat. Kuid Fritz Zwicky avastamine 30. aastatel ja sellele järgnenud arvukad vaatlused kaugete galaktikate kohta, mis pöörlevad nende näivast massist kiiremini, ajendasid astronoome ja füüsikuid arvutama tumeaine massi, mida ei saa üheski olemasolevas vaatlusvahemikus otse määrata. . meie tööriistadele. Arve osutus väga suureks – praegu on hinnanguliselt ligi 27% universumi massist tumeaine. Seda on enam kui viis korda rohkem kui meie vaatluste jaoks kättesaadav "tavaline" aine.

Kahjuks näib, et elementaarosakesed ei näe ette osakeste olemasolu, mis moodustaksid selle mõistatusliku massi. Siiani pole meil õnnestunud neid tuvastada ega tekitada kokkupõrkes kiirendites suure energiaga kiiri. Teadlaste viimane lootus oli "steriilsete" neutriinode avastamine, mis võivad moodustada tumeaine. Senised katsed neid avastada on aga samuti ebaõnnestunud.

Tume energia

Kuna 90. aastatel avastati, et universumi paisumine ei ole pidev, vaid kiirenev, oli arvutustesse vaja veel üks täiendus, seekord energiaga universumis. Selgus, et selle kiirenduse seletamiseks lisaenergia (ehk massid, sest erirelatiivsusteooria järgi on need samad) - s.t. tume energia – peaks moodustama umbes 68% universumist.

See tähendaks, et enam kui kaks kolmandikku universumist koosneb... jumal teab millest! Sest nagu tumeaine puhul, pole meil õnnestunud selle olemust jäädvustada ega uurida. Mõned usuvad, et see on vaakumi energia, sama energia, mille juures tekivad kvantefektide tulemusena osakesed "eimillestki". Teised viitavad sellele, et see on "kvintessents", viies loodusjõud.

Samuti on hüpotees, et kosmoloogiline printsiip ei tööta üldse, Universum on ebahomogeenne, eri piirkondades erineva tihedusega ning need kõikumised loovad illusiooni paisumise kiirenemisest. Selles versioonis oleks tumeenergia probleem vaid illusioon.

Einstein tutvustas oma teooriatesse – ja seejärel eemaldas – selle kontseptsiooni kosmoloogiline konstantseotud tumeda energiaga. Seda kontseptsiooni jätkasid kvantmehaanika teoreetikud, kes püüdsid asendada kosmoloogilise konstandi mõiste kvantvaakumvälja energia. See teooria andis aga 10¹²⁰ rohkem energiat, kui on vaja universumi paisutamiseks meile teadaoleva kiirusega...

inflatsioon

Теория ruumi inflatsioon see selgitab palju rahuldavalt, kuid toob sisse väikese (noh, mitte kõigi jaoks väikese) probleemi - see viitab sellele, et selle eksisteerimise algperioodil oli selle paisumiskiirus suurem kui valguse kiirus. See seletaks praegu nähtavat kosmoseobjektide struktuuri, nende temperatuuri, energiat jne. Asi on aga selles, et sellest iidsest sündmusest pole seni leitud jälgi.

Londoni Imperial College'i ning Helsingi ja Kopenhaageni ülikoolide teadlased kirjeldasid 2014. aastal Physical Review Lettersis, kuidas gravitatsioon tagas stabiilsuse, mis on vajalik universumile, et kogeda varases arengujärgus tõsist inflatsiooni. Meeskond analüüsis Higgsi osakeste ja gravitatsiooni vastastikmõju. Teadlased on näidanud, et isegi väike seda tüüpi interaktsioon võib universumit stabiliseerida ja katastroofi eest päästa.

Spiraalgalaktika M33 pöörlemiskiiruse graafik

"Elementaarosakeste füüsika standardmudel, mida teadlased kasutavad elementaarosakeste olemuse ja nende vastasmõju selgitamiseks, ei ole veel vastanud küsimusele, miks universum ei kukkunud kokku kohe pärast Suurt Pauku," ütles professor. Artu Rajanti Imperial College'i füüsikaosakonnast. "Oma uuringus keskendusime standardmudeli tundmatule parameetrile, see tähendab Higgsi osakeste ja gravitatsiooni vastasmõjule. Seda parameetrit ei saa mõõta osakeste kiirendi katsetes, kuid sellel on tugev mõju Higgsi osakeste ebastabiilsusele inflatsioonifaasis. Isegi selle parameetri väikesest väärtusest piisab ellujäämise määra selgitamiseks.

Tumeaine võrk, mida valgustab kvasar

Mõned teadlased usuvad, et inflatsiooni, kui see algab, on raske peatada. Nad järeldavad, et selle tagajärjeks oli uute, meie omast füüsiliselt eraldatud universumite loomine. Ja see protsess kestab tänaseni. Multiversum tekitab endiselt inflatsioonihoos uusi universumeid.

Tulles tagasi konstantse valguse kiiruse printsiibi juurde, väidavad mõned inflatsiooniteoreetikud, et valguse kiirus on jah, range piir, kuid mitte konstant. Varasel ajastul oli see kõrgem, võimaldades inflatsiooni. Nüüd langeb see jätkuvalt, kuid nii aeglaselt, et me ei suuda seda märgata.

Interaktsioonide kombineerimine

Tavalise aine, tumeaine ja tumeenergia praegune tasakaal

Kuigi standardmudel ühendab kolme tüüpi loodusjõude, ei ühenda see nõrka ja tugevat vastasmõju kõiki teadlasi rahuldavalt. Gravitatsioon jääb kõrvale ja seda ei saa veel lisada elementaarosakeste maailma üldmudelisse. Iga katse ühildada gravitatsiooni kvantmehaanikaga toob arvutustesse nii palju lõpmatust, et võrrandid kaotavad oma väärtuse.

gravitatsiooni kvantteooria eeldab samaväärsuse printsiibist tuntud gravitatsioonimassi ja inertsiaalmassi ühenduse katkemist (vt artiklit: "Universumi kuus printsiipi"). Selle põhimõtte rikkumine õõnestab kaasaegse füüsika ülesehitamist. Seega võib selline teooria, mis avab tee kõige kohta unenägude teooriale, hävitada ka seni tuntud füüsika.

Kuigi gravitatsioon on liiga nõrk, et seda kvantinteraktsioonide väikestel skaaladel märgata, on koht, kus see muutub piisavalt tugevaks, et muuta kvantnähtuste mehaanikat. See mustad augud. Nende sees ja äärealadel esinevaid nähtusi on aga veel vähe uuritud ja uuritud.

Universumi seadistamine

Standardmudel ei suuda ennustada osakeste maailmas tekkivate jõudude ja masside suurust. Neid suurusi saame teada mõõtes ja teooriasse andmeid lisades. Teadlased avastavad pidevalt, et piisab vaid väikesest erinevusest mõõdetud väärtustes, et universum näeks välja täiesti erinev.

Näiteks on sellel väikseim mass, mis on vajalik stabiilse aine toetamiseks kõigest, mida me teame. Tumeaine ja energia hulk on galaktikate moodustamiseks hoolikalt tasakaalustatud.

Üks mõistatuslikumaid probleeme universumi parameetrite häälestamisel on mateeria eelis antiaine eesmis võimaldab kõigel stabiilselt eksisteerida. Standardmudeli järgi tuleks toota sama palju ainet ja antiainet. Muidugi on meie vaatevinklist hea, et ainel on eelis, kuna võrdsed kogused viitavad universumi ebastabiilsusele, mida raputavad mõlemat tüüpi mateeria vägivaldsed hävitamise puhangud.

Multiversumi visualiseerimine laienevate ja kahanevate universumitega

Mõõtmisprobleem

otsus mõõtmine kvantobjektid tähendab lainefunktsiooni kokkuvarisemist, st nende oleku "muutust" kahest (Schrödingeri kass määramatus olekus "elus või surnud") üheks (me teame, mis kassiga juhtus).

Üks julgemaid hüpoteese, mis on seotud mõõtmisprobleemiga, on mõiste "paljud maailmad" - võimalused, mille hulgast me mõõtmisel valime. Maailmad lähevad iga hetk lahku. Niisiis, meil on maailm, kus me vaatame kasti kassiga, ja maailm, kus me ei vaata kassi kassi... Esiteks – maailm, milles kass elab või see milles ta ei ela jne d.

ta uskus, et kvantmehaanikaga on midagi väga valesti ja tema arvamust ei tohi kergelt võtta.

Neli peamist interaktsiooni