Donkere materie. Zes kosmologische problemen

De bewegingen van objecten op kosmische schaal zijn onderworpen aan de goede oude Newtoniaanse theorie. De ontdekking van Fritz Zwicky in de jaren dertig en de daaropvolgende talrijke waarnemingen van verre sterrenstelsels die sneller ronddraaien dan hun schijnbare massa zou aangeven, hebben astronomen en natuurkundigen er echter toe gebracht de massa van donkere materie te berekenen, die op geen enkel beschikbaar waarnemingsbereik direct kan worden bepaald. naar ons gereedschap. De schatting bleek erg hoog: nu wordt geschat dat bijna 30% van de massa van het heelal uit donkere materie bestaat. Dit is meer dan vijf keer meer dan de “gewone” stof waarover onze waarnemingen beschikken.

Helaas lijkt het erop dat elementaire deeltjes niet het bestaan ​​voorzien van deeltjes die deze mysterieuze massa zouden vormen. Tot nu toe zijn we er niet in geslaagd ze te detecteren of tijdens botsingen energierijke stralen in versnellers te genereren. De laatste hoop van wetenschappers was de ontdekking van ‘steriele’ neutrino’s, die donkere materie zouden kunnen vormen. Tot nu toe zijn pogingen om ze op te sporen echter ook niet succesvol geweest.

donkere energie

Omdat in de jaren negentig werd ontdekt dat de uitdijing van het heelal niet constant is, maar versnelt, was een andere toevoeging aan de berekeningen nodig, dit keer met energie in het heelal. Het bleek dat om deze versnelling te verklaren, extra energie (d.w.z. massa's, omdat ze volgens de speciale relativiteitstheorie hetzelfde zijn) - d.w.z. donkere energie - zou ongeveer 90% van het universum moeten uitmaken.

Dit zou betekenen dat ruim tweederde van het heelal bestaat uit... wie weet wat! Omdat we, net als bij donkere materie, niet in staat zijn geweest de aard ervan vast te leggen of te onderzoeken. Sommigen geloven dat dit vacuümenergie is, dezelfde energie waarbij deeltjes “uit het niets” verschijnen als gevolg van kwantumeffecten. Anderen suggereren dat het ‘kwintessens’ is, de vijfde natuurkracht.

Er is ook een hypothese dat het kosmologische principe helemaal niet van toepassing is: het heelal is heterogeen, heeft verschillende dichtheden in verschillende gebieden, en deze fluctuaties creëren de illusie van een versnelde uitdijing. In dit geval zou het probleem van donkere energie slechts een illusie zijn.

Einstein introduceerde het concept in zijn theorieën en verwijderde het vervolgens kosmologische constantegeassocieerd met donkere energie. Het concept werd voortgezet door theoretici van de kwantummechanica, die probeerden het concept van de kosmologische constante te vervangen kwantumvacuümveldenergie. Deze theorie gaf er echter 10¹²⁰ meer energie dan nodig is om het heelal uit te breiden met de snelheid die we kennen...

inflatie

Теория kosmische inflatie het verklaart veel op bevredigende wijze, maar introduceert een klein (nou ja, niet voor iedereen klein) probleem - het suggereert dat in de vroege periode van zijn bestaan ​​de expansiesnelheid sneller was dan de lichtsnelheid. Dit zou de momenteel zichtbare structuur van ruimtevoorwerpen, hun temperatuur, energie, enz. verklaren. Het punt is echter dat er tot nu toe geen sporen van deze oude gebeurtenis zijn gevonden.

Onderzoekers van het Imperial College London, Londen en de universiteiten van Helsinki en Kopenhagen beschreven in 2014 in Physical Review Letters hoe de zwaartekracht zorgde voor de stabiliteit die het heelal nodig had om de ernstige inflatie vroeg in zijn ontwikkeling te overleven. Het team analyseerde interactie tussen Higgsdeeltjes en zwaartekracht. Wetenschappers hebben aangetoond dat zelfs een kleine interactie van dit type het heelal kan stabiliseren en van een ramp kan redden.

Grafiek van de rotatiesnelheid van spiraalstelsel M33

“Het standaardmodel van de deeltjesfysica, dat wetenschappers gebruiken om de aard van elementaire deeltjes en hun interacties te verklaren, heeft nog steeds geen antwoord gegeven op de vraag waarom het heelal niet onmiddellijk na de oerknal instortte”, merkte de professor op. Terug Rajanti van de afdeling natuurkunde van het Imperial College. “In ons onderzoek hebben we ons gericht op een onbekende parameter van het Standaardmodel, namelijk de interactie tussen Higgsdeeltjes en de zwaartekracht. Deze parameter kan niet worden gemeten in experimenten met deeltjesversnellers, maar heeft wel een sterke invloed op de instabiliteit van Higgs-deeltjes tijdens de inflatiefase. Zelfs een kleine waarde van deze parameter is voldoende om overleving te verklaren."

Donker materieweb verlicht door quasar

Sommige wetenschappers zijn van mening dat de inflatie, als ze eenmaal begint, moeilijk te stoppen is. Ze concluderen dat het gevolg ervan de creatie van nieuwe universums was, fysiek gescheiden van de onze. En dit proces zal tot op de dag van vandaag voortduren. Het multiversum creëert nog steeds nieuwe universums in een inflatiestorm.

Terugkerend naar het principe van de constante snelheid van het licht, suggereren sommige inflatietheoretici dat de snelheid van het licht weliswaar een strikte limiet is, maar geen constante. In het begintijdperk was het hoger, rekening houdend met inflatie. Nu blijft het dalen, maar zo langzaam dat we het niet kunnen opmerken.

Interacties combineren

Huidige balans van gewone materie, donkere materie en donkere energie

Hoewel het Standaardmodel de drie soorten natuurkrachten combineert, combineert het niet tot tevredenheid van alle wetenschappers zwakke en sterke krachten. De zwaartekracht staat aan de zijlijn en kan nog niet worden meegenomen in een algemeen model met de wereld van de elementaire deeltjes. Elke poging om de zwaartekracht met de kwantummechanica te verzoenen levert zoveel oneindigheid in de berekeningen op dat de vergelijkingen hun waarde verliezen.

Kwantumtheorie van de zwaartekracht vereist het verbreken van de verbinding tussen zwaartekrachtmassa en traagheidsmassa, bekend uit het gelijkwaardigheidsprincipe (zie artikel: “Zes principes van het universum”). Schending van dit principe ondermijnt het bouwwerk van de moderne natuurkunde. Een dergelijke theorie, die de weg opent naar een droomtheorie van alles, kan dus ook de tot nu toe bekende natuurkunde vernietigen.

Hoewel de zwaartekracht te zwak is om waarneembaar te zijn op de kleine schaal van kwantuminteracties, is er een plek waar deze sterk genoeg wordt om er toe te doen in de mechanica van kwantumfenomenen. Dit zwarte gaten. De verschijnselen die zich binnen en aan de rand van de stad voordoen, worden echter nog steeds slecht begrepen en bestudeerd.

Het heelal opzetten

Het Standaardmodel kan de omvang van de krachten en massa's die in de wereld van deeltjes ontstaan ​​niet voorspellen. We leren over deze grootheden door gegevens te meten en aan de theorie toe te voegen. Wetenschappers ontdekken voortdurend dat een klein verschil in gemeten hoeveelheden voldoende is om het heelal compleet anders te laten worden.

Het heeft bijvoorbeeld de kleinste massa die nodig is om stabiele materie te ondersteunen van alles wat we weten. De hoeveelheid donkere materie en energie wordt zorgvuldig uitgebalanceerd om sterrenstelsels te vormen.

Een van de meest mysterieuze problemen bij het afstemmen van de parameters van het heelal is voordeel van materie boven antimateriewaardoor alles stabiel kan bestaan. Volgens het Standaardmodel zouden gelijke hoeveelheden materie en antimaterie geproduceerd moeten worden. Vanuit ons standpunt is het natuurlijk goed dat materie een voordeel heeft, aangezien gelijke hoeveelheden een instabiliteit van het heelal impliceren, opgeschud door gewelddadige uitbraken van vernietiging van beide soorten materie.

Visualisatie van het multiversum met uitdijende en samentrekkende universums

Probleem afmetingen

beslissing измерение kwantumobjecten betekent de ineenstorting van de golffunctie, dat wil zeggen de ‘verandering’ van hun toestand van twee (de kat van Schrödinger in een onzekere staat van ‘levend of dood’) naar één (we weten wat er met de kat is gebeurd).

Een van de gedurfdere hypothesen met betrekking tot het meetprobleem is het concept van "vele werelden" - de mogelijkheden waaruit we kiezen bij het meten. De werelden scheiden elk moment. We hebben dus een wereld waarin we met een kat in een doos kijken, en een wereld waarin we niet met een kat in een doos kijken ... In de eerste - de wereld waarin de kat leeft, of die ene waarin hij niet woont etc. d.

hij geloofde dat er iets grondig mis was met de kwantummechanica, en zijn mening mocht niet lichtvaardig worden opgevat.

Vier basisinteracties