Perkara gelap. Enam masalah kosmologi

Pergerakan objek pada skala kosmik mematuhi teori Newton lama yang baik. Walau bagaimanapun, penemuan Fritz Zwicky pada tahun 30-an dan beberapa pemerhatian seterusnya ke atas galaksi jauh yang berputar lebih cepat daripada jisim ketara mereka akan menunjukkan, mendorong ahli astronomi dan ahli fizik untuk mengira jisim jirim gelap, yang tidak dapat ditentukan secara langsung dalam mana-mana julat pemerhatian yang tersedia. . kepada alatan kami. Rang undang-undang itu ternyata sangat tinggi - kini dianggarkan hampir 27% daripada jisim alam semesta adalah jirim gelap. Ini adalah lebih daripada lima kali ganda daripada perkara "biasa" yang tersedia untuk pemerhatian kami.

Malangnya, zarah asas nampaknya tidak meramalkan kewujudan zarah yang akan membentuk jisim misteri ini. Sehingga kini, kami tidak dapat mengesannya atau menjana pancaran tenaga tinggi dalam pemecut berlanggar. Harapan terakhir saintis ialah penemuan neutrino "steril", yang boleh membentuk jirim gelap. Bagaimanapun, setakat ini percubaan untuk mengesan mereka juga tidak berjaya.

tenaga gelap

Sejak ditemui pada tahun 90-an bahawa pengembangan alam semesta tidak tetap, tetapi mempercepatkan, satu lagi tambahan kepada pengiraan diperlukan, kali ini dengan tenaga di alam semesta. Ternyata untuk menjelaskan pecutan ini, tenaga tambahan (iaitu jisim, kerana menurut teori relativiti khas mereka adalah sama) - i.e. tenaga gelap - sepatutnya membentuk kira-kira 68% daripada alam semesta.

Ini bermakna lebih daripada dua pertiga alam semesta terdiri daripada... tuhan tahu apa! Kerana, seperti dalam kes jirim gelap, kita tidak dapat menangkap atau meneroka sifatnya. Sesetengah percaya bahawa ini adalah tenaga vakum, tenaga yang sama di mana zarah "daripada tiada" muncul akibat kesan kuantum. Yang lain mencadangkan bahawa ia adalah "quintessence", kuasa kelima alam.

Terdapat juga hipotesis bahawa prinsip kosmologi tidak berfungsi sama sekali, Alam Semesta tidak homogen, mempunyai ketumpatan yang berbeza di kawasan yang berbeza, dan turun naik ini mencipta ilusi pengembangan yang mempercepatkan. Dalam versi ini, masalah tenaga gelap hanyalah ilusi.

Einstein memperkenalkan teorinya - dan kemudian mengeluarkan - konsep itu pemalar kosmologidikaitkan dengan tenaga gelap. Konsep ini diteruskan oleh ahli teori mekanik kuantum yang cuba menggantikan tanggapan pemalar kosmologi tenaga medan vakum kuantum. Walau bagaimanapun, teori ini memberikan 10¹²⁰ lebih banyak tenaga daripada yang diperlukan untuk mengembangkan alam semesta pada kadar yang kita tahu...

inflasi

Teori inflasi ruang ia menerangkan banyak perkara dengan memuaskan, tetapi memperkenalkan masalah kecil (baik, bukan untuk semua orang kecil) - ia menunjukkan bahawa pada tempoh awal kewujudannya, kadar pengembangannya lebih cepat daripada kelajuan cahaya. Ini akan menjelaskan struktur objek angkasa yang boleh dilihat pada masa ini, suhu, tenaga, dll. Intinya, bagaimanapun, ialah tiada kesan peristiwa purba ini ditemui setakat ini.

Penyelidik di Imperial College London, London dan Universiti Helsinki dan Copenhagen menerangkan pada 2014 dalam Surat Kajian Fizikal bagaimana graviti memberikan kestabilan yang diperlukan untuk alam semesta mengalami inflasi yang teruk pada awal perkembangannya. Pasukan itu menganalisis interaksi antara zarah Higgs dan graviti. Para saintis telah menunjukkan bahawa walaupun interaksi kecil jenis ini dapat menstabilkan alam semesta dan menyelamatkannya daripada malapetaka.

Graf kelajuan putaran galaksi lingkaran M33

"Model piawai fizik zarah asas, yang digunakan saintis untuk menerangkan sifat zarah asas dan interaksinya, belum lagi menjawab persoalan mengapa Alam Semesta tidak runtuh serta-merta selepas Big Bang," kata profesor itu. Artu Rajanti daripada Jabatan Fizik Kolej Imperial. "Dalam kajian kami, kami memberi tumpuan kepada parameter yang tidak diketahui Model Standard, iaitu interaksi antara zarah Higgs dan graviti. Parameter ini tidak boleh diukur dalam eksperimen pemecut zarah, tetapi ia mempunyai pengaruh yang kuat terhadap ketidakstabilan zarah Higgs semasa fasa inflasi. Walaupun nilai kecil parameter ini sudah cukup untuk menjelaskan kadar kelangsungan hidup."

Jaring jirim gelap yang diterangi oleh quasar

Sesetengah sarjana percaya bahawa inflasi, apabila ia bermula, sukar untuk dihentikan. Mereka menyimpulkan bahawa akibatnya adalah penciptaan alam semesta baru, secara fizikal dipisahkan daripada kita. Dan proses ini akan berterusan sehingga hari ini. Multiverse masih melahirkan alam semesta baru dalam tergesa-gesa inflasi.

Berbalik kepada prinsip kelajuan malar cahaya, sesetengah ahli teori inflasi mencadangkan bahawa kelajuan cahaya adalah, ya, had yang ketat, tetapi bukan tetap. Pada era awal ia lebih tinggi, membolehkan inflasi. Sekarang ia terus jatuh, tetapi perlahan-lahan sehingga kita tidak dapat menyedarinya.

Menggabungkan Interaksi

Imbangan semasa jirim biasa, jirim gelap dan tenaga gelap

Model Standard, sambil menyatukan tiga jenis daya alam, tidak menyatukan interaksi yang lemah dan kuat untuk kepuasan semua saintis. Graviti diketepikan dan belum boleh dimasukkan dalam model umum dengan dunia zarah asas. Sebarang percubaan untuk menyelaraskan graviti dengan mekanik kuantum memperkenalkan begitu banyak infiniti ke dalam pengiraan sehingga persamaan kehilangan nilainya.

teori kuantum graviti memerlukan pemecahan dalam hubungan antara jisim graviti dan jisim inersia, yang diketahui dari prinsip kesetaraan (lihat artikel: "Enam Prinsip Alam Semesta"). Pelanggaran prinsip ini menjejaskan pembinaan fizik moden. Oleh itu, teori sedemikian, yang membuka jalan kepada teori mimpi tentang segala-galanya, juga boleh memusnahkan fizik yang diketahui setakat ini.

Walaupun graviti terlalu lemah untuk dilihat pada skala kecil interaksi kuantum, terdapat tempat di mana ia menjadi cukup kuat untuk membuat perbezaan dalam mekanik fenomena kuantum. ini lubang hitam. Walau bagaimanapun, fenomena yang berlaku di dalam dan di pinggir mereka masih kurang dikaji dan dikaji.

Menetapkan alam semesta

Model Piawai tidak boleh meramalkan magnitud daya dan jisim yang timbul dalam dunia zarah. Kami belajar tentang kuantiti ini dengan mengukur dan menambah data kepada teori. Para saintis sentiasa mendapati bahawa perbezaan kecil dalam nilai yang diukur sudah cukup untuk menjadikan alam semesta kelihatan berbeza sama sekali.

Contohnya, ia mempunyai jisim terkecil yang diperlukan untuk menyokong jirim stabil semua yang kita ketahui. Jumlah jirim gelap dan tenaga diimbangi dengan teliti untuk membentuk galaksi.

Salah satu masalah yang paling membingungkan dengan penalaan parameter alam semesta ialah kelebihan jirim berbanding antijirimyang membolehkan segala-galanya wujud secara stabil. Menurut Model Standard, jumlah jirim dan antijirim yang sama harus dihasilkan. Sudah tentu, dari sudut pandangan kami, adalah baik bahawa jirim mempunyai kelebihan, kerana jumlah yang sama membayangkan ketidakstabilan Alam Semesta, digoncang oleh ledakan ganas pemusnahan kedua-dua jenis jirim.

Visualisasi multiverse dengan mengembang dan mengecut alam semesta

Masalah ukuran

keputusan pengukuran objek kuantum bermaksud keruntuhan fungsi gelombang, iaitu "perubahan" keadaan mereka daripada dua (kucing Schrödinger dalam keadaan tidak tentu "hidup atau mati") kepada satu (kita tahu apa yang berlaku kepada kucing).

Salah satu hipotesis yang lebih berani berkaitan dengan masalah pengukuran ialah konsep "banyak dunia" - kemungkinan yang kita pilih semasa mengukur. Dunia memisahkan setiap saat. Jadi, kita mempunyai dunia di mana kita melihat ke dalam kotak dengan kucing, dan dunia di mana kita tidak melihat ke dalam kotak dengan kucing ... Pada yang pertama - dunia di mana kucing itu hidup, atau yang satu di mana dia tidak tinggal, dsb.

dia percaya ada sesuatu yang tidak kena dengan mekanik kuantum, dan pendapatnya tidak boleh dipandang ringan.

Empat interaksi utama