Materia escura. Seis problemas cosmolóxicos

Os movementos dos obxectos a escala cósmica obedecen á boa vella teoría de Newton. Porén, o descubrimento de Fritz Zwicky na década de 30 e as numerosas observacións posteriores de galaxias distantes que xiran máis rápido do que indicaría a súa masa aparente, levou a astrónomos e físicos a calcular a masa de materia escura, que non se pode determinar directamente en ningún rango de observación dispoñible. . ás nosas ferramentas. A factura resultou moi alta: agora calcúlase que case o 27% da masa do universo é materia escura. Isto é máis de cinco veces máis que a materia "ordinaria" dispoñible para as nosas observacións.

Por desgraza, as partículas elementais non parecen prever a existencia de partículas que conformarían esta enigmática masa. Ata o de agora non puidemos detectalos nin xerar raios de alta enerxía nos aceleradores en colisión. A última esperanza dos científicos foi o descubrimento de neutrinos "estériles", que poderían constituír a materia escura. Non obstante, ata agora os intentos de detectalos tampouco foron infrutuosos.

Enerxía escura

Dende que se descubriu na década de 90 que a expansión do universo non é constante, senón acelerada, foi necesario outro engadido aos cálculos, esta vez con enerxía no universo. Resultou que para explicar esta aceleración, enerxía adicional (é dicir, masas, porque segundo a teoría especial da relatividade son iguais) - é dicir. enerxía escura - debería constituír preto do 68% do universo.

Iso significaría que máis de dous terzos do universo está formado por... sabe Deus que! Porque, como no caso da materia escura, non fomos capaces de captar nin explorar a súa natureza. Algúns cren que esta é a enerxía do baleiro, a mesma enerxía na que aparecen partículas "da nada" como resultado de efectos cuánticos. Outros suxiren que é a "quinta esencia", a quinta forza da natureza.

Tamén existe a hipótese de que o principio cosmolóxico non funciona en absoluto, o Universo é non homoxéneo, ten diferentes densidades en diferentes áreas e estas flutuacións crean a ilusión de acelerar a expansión. Nesta versión, o problema da enerxía escura sería só unha ilusión.

Einstein introduciu nas súas teorías -e despois eliminou- o concepto constante cosmolóxicaasociado coa enerxía escura. O concepto foi continuado polos teóricos da mecánica cuántica que intentaron substituír a noción de constante cosmolóxica. Enerxía de campo cuántico de baleiro. Non obstante, esta teoría deu 10¹²⁰ máis enerxía da necesaria para expandir o universo ao ritmo que coñecemos...

inflación

Teoría inflación espacial explica moito de forma satisfactoria, pero introduce un pequeno (ben, non para todos os pequenos) problema: suxire que no primeiro período da súa existencia, a súa taxa de expansión era máis rápida que a velocidade da luz. Isto explicaría a estrutura visible actualmente dos obxectos espaciais, a súa temperatura, enerxía, etc. A cuestión, con todo, é que non se atoparon rastros deste antigo acontecemento ata agora.

Investigadores do Imperial College London, Londres, e das Universidades de Helsinki e Copenhague describiron en 2014 en Physical Review Letters como a gravidade proporcionaba a estabilidade necesaria para que o universo experimentase unha inflación severa no inicio do seu desenvolvemento. O equipo analizou interacción entre partículas de Higgs e gravidade. Os científicos demostraron que incluso unha pequena interacción deste tipo pode estabilizar o universo e salvalo da catástrofe.

Gráfico da velocidade de rotación da galaxia espiral M33

"O modelo estándar de física de partículas elementais, que os científicos usan para explicar a natureza das partículas elementais e as súas interaccións, aínda non respondeu á pregunta de por que o Universo non colapsou inmediatamente despois do Big Bang", dixo o profesor. Artu Rajanti do Departamento de Física do Imperial College. "No noso estudo centrámonos no parámetro descoñecido do Modelo Estándar, é dicir, a interacción entre as partículas de Higgs e a gravidade. Este parámetro non se pode medir en experimentos con aceleradores de partículas, pero ten unha forte influencia na inestabilidade das partículas de Higgs durante a fase de inflación. Incluso un valor pequeno deste parámetro é suficiente para explicar a taxa de supervivencia".

Unha rede de materia escura iluminada por un quásar

Algúns estudosos cren que a inflación, unha vez que comeza, é difícil de deter. Conclúen que a súa consecuencia foi a creación de novos universos, separados fisicamente do noso. E este proceso continuará ata hoxe. O multiverso aínda está xerando novos universos nunha carreira inflacionista.

Volvendo ao principio da velocidade constante da luz, algúns teóricos da inflación suxiren que a velocidade da luz é, si, un límite estrito, pero non unha constante. Nos primeiros tempos era maior, permitindo a inflación. Agora segue caendo, pero tan lentamente que non somos capaces de notalo.

Combinación de interaccións

O equilibrio actual de materia ordinaria, materia escura e enerxía escura

O Modelo Estándar, aínda que unifica os tres tipos de forzas da natureza, non unifica as interaccións débiles e fortes para satisfacción de todos os científicos. A gravidade está a un lado e aínda non se pode incluír no modelo xeral co mundo das partículas elementais. Calquera intento de conciliar a gravidade coa mecánica cuántica introduce tanto o infinito nos cálculos que as ecuacións perden o seu valor.

teoría cuántica da gravidade require unha ruptura na conexión entre a masa gravitatoria e a masa inercial, coñecida polo principio de equivalencia (ver o artigo: "Seis Principios do Universo"). A violación deste principio socava a construción da física moderna. Así, tal teoría, que abre o camiño a unha teoría dos soños sobre todo, tamén pode destruír a física coñecida ata agora.

Aínda que a gravidade é demasiado débil para ser perceptible nas pequenas escalas das interaccións cuánticas, hai un lugar onde se fai o suficientemente forte como para marcar a diferenza na mecánica dos fenómenos cuánticos. Isto buratos negros. Porén, os fenómenos que ocorren no interior e nos seus arredores aínda son pouco estudados e estudados.

Configurando o universo

O Modelo Estándar non pode predecir a magnitude das forzas e masas que xorden no mundo das partículas. Aprendemos sobre estas cantidades medindo e engadindo datos á teoría. Os científicos están a descubrir constantemente que só unha pequena diferenza nos valores medidos é suficiente para que o universo pareza completamente diferente.

Por exemplo, ten a masa máis pequena necesaria para soportar a materia estable de todo o que coñecemos. A cantidade de materia escura e enerxía é coidadosamente equilibrada para formar galaxias.

Un dos problemas máis desconcertantes para axustar os parámetros do universo é a vantaxe da materia fronte á antimateriaque permite que todo exista de forma estable. Segundo o Modelo Estándar, debería producirse a mesma cantidade de materia e antimateria. Por suposto, dende o noso punto de vista, é bo que a materia teña unha vantaxe, xa que cantidades iguais implican a inestabilidade do Universo, sacudida por violentos arrebatos de aniquilación de ambos os tipos de materia.

Visualización do multiverso con universos en expansión e contracción

Problema de medición

decisión medida obxectos cuánticos significa o colapso da función de onda, é dicir, "cambio" do seu estado de dous (o gato de Schrödinger nun estado indeterminado de "vivo ou morto") a un único (sabemos o que lle pasou ao gato).

Unha das hipóteses máis audaces relacionadas co problema da medición é o concepto de "moitos mundos" -as posibilidades entre as que eliximos á hora de medir. Os mundos sepáranse a cada momento. Entón, temos un mundo no que miramos unha caixa cun gato, e un mundo no que non miramos unha caixa cun gato ... No primeiro - o mundo no que vive o gato, ou aquel no que non vive, etc. d.

cría que algo andaba profundamente mal na mecánica cuántica, e a súa opinión non debía tomarse á lixeira.

Catro interaccións principais