Темна матерія. Шість космологічних проблем
Рухи об'єктів у космічному масштабі підпорядковуються старої доброї теорії Ньютона. Однак відкриття Фріца Цвіккі в 30-х роках і подальші численні спостереження далеких галактик, які обертаються швидше, ніж вказувала б їхня маса, що здається, спонукали астрономів і фізиків підрахувати масу темної матерії, яку неможливо визначити безпосередньо в будь-якому доступному діапазоні спостереження. до наших інструментів. Рахунок виявився дуже високим - зараз підраховано, що майже 27% маси Всесвіту складає темна матерія. Це більш ніж у п'ять разів більше, ніж "звичайна" речовина, доступна нашим спостереженням.
На жаль, здається, що елементарні частинки не передбачають існування частинок, які б склали цю загадкову масу. Досі нам не вдавалося їх виявити або генерувати високі енергії в прискорювачах при зіткненнях. Останньою надією вчених було відкриття «стерильних» нейтрино, які б скласти темну матерію. Однак досі спроби виявити їх також не мали успіху.
Темна енергія
Оскільки в 90-х роках було виявлено, що розширення Всесвіту не завжди, а прискорюється, потрібно ще одне доповнення до розрахунків, цього разу з енергією у Всесвіті. Виявилося, що з пояснення цього прискорення додаткова енергія (тобто. маси, оскільки відповідно до спеціальної теорії відносності вони однакові) – тобто. темна енергія – становитиме близько 68% у Всесвіті.
Це означало б, що понад дві третини Всесвіту складається з… чорт знає чого! Тому що, як і у випадку із темною матерією, нам не вдалося ні охопити, ні досліджувати її природу. Деякі вважають, що це енергія вакууму, та сама енергія, за якої частки «з нічого» з'являються в результаті квантових ефектів. Інші припускають, що це "квінтесенція", п'ята сила природи.
Існує також гіпотеза, що космологічний принцип взагалі не діє, Всесвіт неоднорідний, має різну щільність у різних областях, і ці флуктуації створюють ілюзію розширення, що прискорюється. У такому варіанті проблема темної енергії була б лише ілюзією.
Ейнштейн ввів у свої теорії - а потім вилучив - поняття космологічна постійна, пов'язаний із темною енергією. Концепція була продовжена теоретиками квантової механіки, які намагалися замінити поняття космологічної постійної. енергія квантового вакуумного поля. Проте ця теорія дала 10120 більше енергії, ніж необхідно для розширення Всесвіту у відомому нам темпі.
інфляція
Теорія космічна інфляція вона багато пояснює задовільно, але привносить невелику (добре, не всім маленьку) проблему – передбачає, що у ранній період її існування швидкість її розширення була більша за швидкість світла. Це пояснило б видиму нині структуру космічних об'єктів, їх температуру, енергію тощо. д. Справа, однак, у тому, що досі не знайдено жодних слідів цієї давньої події.
Дослідники з Імперського коледжу Лондона, Лондона та університетів Гельсінкі та Копенгагена у 2014 році описали у Physical Review Letters, як гравітація забезпечувала стабільність, необхідну для того, щоб Всесвіт пережив сильну інфляцію на ранній стадії свого розвитку. Команда проаналізувала взаємодія між частинками Хігса та гравітацією. Вчені показали, що навіть невелика взаємодія такого типу здатна стабілізувати Всесвіт і врятувати його від катастрофи.
Графік швидкості обертання спіральної галактики M33
"Стандартна модель фізики елементарних частинок, яку вчені використовують для пояснення природи елементарних частинок та їх взаємодій, досі не дала відповіді на запитання, чому Всесвіт не зруйнувався відразу після Великого вибуху", - зазначив професор. Арту Раджанті з фізичного факультету Імперського коледжу. «У нашому дослідженні ми зосередилися на невідомому параметрі Стандартної моделі, тобто на взаємодії між частинками Хігса та гравітацією. Цей параметр не можна виміряти в експериментах на прискорювачах частинок, але він дуже впливає на нестабільність частинок Хіггса під час фази інфляції. Навіть невеликого значення цього параметра достатньо, щоб пояснити виживання».
Павутина темної матерії, освітлена квазаром
Деякі вчені вважають, що інфляцію, розпочавшись, важко зупинити. Вони укладають, що її наслідком стало створення нових всесвітів, фізично відокремлених від нашого. І цей процес триватиме до сьогодні. Мультивселен все ще породжує нові всесвіти в інфляційному пориві.
Повертаючись до принципу постійної швидкості світла, деякі прибічники теорії інфляції припускають, що швидкість світла є суворою межею, але не константою. У ранню епоху він був вищим, що допускало інфляцію. Тепер він продовжує падати, але настільки повільно, що ми не можемо це помітити.
Об'єднання взаємодій
Поточний баланс звичайної матерії, темної матерії та темної енергії
Стандартна модель, хоч і поєднує три типи сил природи, не поєднує слабкі та сильні взаємодії для задоволення всіх учених. Гравітація стоїть осторонь і поки що не може бути включена до загальної моделі зі світом елементарних частинок. Будь-яка спроба примирити гравітацію з квантовою механікою дає стільки нескінченності у розрахунках, що рівняння втрачають свою цінність.
Квантова теорія гравітації вимагає розриву зв'язку між гравітаційною масою та інертною масою, відомою із принципу еквівалентності (див. статтю: «Шість принципів світобудови»). Порушення цього принципу підриває будівлю сучасної фізики. Таким чином, така теорія, що відкриває шлях до теорії сновидінь про все, може також зруйнувати відому фізику.
Хоча гравітація надто слабка, щоб бути помітною у малих масштабах квантових взаємодій, є місце, де вона стає досить сильною, щоб мати значення у механіці квантових явищ. Цей чорні діри. Однак явища, що відбуваються всередині та на їх околицях, досі мало вивчені та вивчені.
Налаштування Всесвіту
Стандартна модель не може передбачити величину сил і мас, що виникають у світі частинок. Ми дізнаємося про ці величини, вимірюючи та додаючи дані до теорії. Вчені постійно виявляють, що досить невелика різниця у виміряних величинах, щоб Всесвіт став зовсім іншим.
Наприклад, у нього найменша маса, необхідна підтримки стабільної матерії всього, що ми знаємо. Кількість темної матерії та енергії ретельно збалансована для формування галактик.
Однією з найзагадковіших проблем із настроюванням параметрів Всесвіту є перевага матерії над антиречовиноющо дозволяє усьому існувати стабільно. Згідно зі стандартною моделлю, має проводитися однакова кількість матерії та антиматерії. Звичайно, з нашого погляду, добре, що матерія має перевагу, тому що рівні кількості мають на увазі нестабільність Всесвіту, стрясається бурхливими спалахами анігіляції обох типів матерії.
Візуалізація мультивсесвіту з всесвітами, що розширюються і стискаються.
Проблема виміру
Рішення вимір квантові об'єкти означає колапс хвильової функції, тобто «зміна» їхнього стану від двох (кіт Шредінгера в невизначеному стані «живий чи мертвий») до єдиного (ми знаємо, що сталося з котом).
Однією з сміливіших гіпотез, пов'язаних із проблемою виміру, є концепція «множини світів» — можливостей, з яких ми вибираємо при вимірі. Світи поділяються у кожний момент. Отже, у нас є світ, у якому ми дивимося в коробку з котом, і світ, у якому ми не дивимося в ящик з котом… У першому – світ, у якому живе кіт, або той, у якому він не живе тощо. буд.
він вважав, що з квантовою механікою щось глибоко не так, і на його думку не можна було легковажно ставитися.
Чотири основні взаємодії
