Materia oscura. Sei problemi cosmologici

I movimenti degli oggetti su scala cosmica obbediscono alla buona vecchia teoria di Newton. Tuttavia, la scoperta di Fritz Zwicky negli anni '30 e le successive numerose osservazioni di galassie lontane che ruotano più velocemente di quanto indicherebbe la loro massa apparente, hanno spinto astronomi e fisici a calcolare la massa della materia oscura, che non può essere determinata direttamente in nessun campo di osservazione disponibile . ai nostri strumenti. Il conto si è rivelato molto alto: ora si stima che quasi il 27% della massa dell'universo sia materia oscura. Questo è più di cinque volte più della materia "ordinaria" a disposizione delle nostre osservazioni.

Sfortunatamente, le particelle elementari non sembrano prevedere l'esistenza di particelle che costituirebbero questa massa enigmatica. Finora non siamo stati in grado di rilevarli o generare raggi ad alta energia in acceleratori in collisione. L'ultima speranza degli scienziati era la scoperta di neutrini "sterili", che potrebbero costituire la materia oscura. Tuttavia, anche i tentativi di rilevarli finora non hanno avuto successo.

energia oscura

Poiché negli anni '90 è stato scoperto che l'espansione dell'universo non è costante, ma in accelerazione, è stata necessaria un'altra aggiunta ai calcoli, questa volta con l'energia nell'universo. Si è scoperto che per spiegare questa accelerazione, energia aggiuntiva (cioè masse, perché secondo la teoria della relatività speciale sono la stessa cosa) - cioè energia oscura - dovrebbe costituire circa il 68% dell'universo.

Ciò significherebbe che più di due terzi dell'universo è composto da... dio sa cosa! Perché, come nel caso della materia oscura, non siamo stati in grado di catturarne o esplorarne la natura. Alcuni credono che questa sia l'energia del vuoto, la stessa energia alla quale le particelle "dal nulla" appaiono come risultato di effetti quantistici. Altri suggeriscono che sia la "quintessenza", la quinta forza della natura.

C'è anche un'ipotesi che il principio cosmologico non funzioni affatto, l'Universo è disomogeneo, ha densità diverse in aree diverse e queste fluttuazioni creano l'illusione di un'espansione accelerata. In questa versione, il problema dell'energia oscura sarebbe solo un'illusione.

Einstein introdusse nelle sue teorie - e poi rimosse - il concetto costante cosmologicaassociato all'energia oscura. Il concetto è stato continuato dai teorici della meccanica quantistica che hanno cercato di sostituire la nozione di costante cosmologica energia di campo del vuoto quantistico. Tuttavia, questa teoria ha dato 10¹²⁰ più energia di quella necessaria per espandere l'universo alla velocità che conosciamo...

inflazione

Teoria inflazione spaziale spiega molto in modo soddisfacente, ma introduce un piccolo (beh, non per tutti piccolo) problema: suggerisce che nel primo periodo della sua esistenza, il suo tasso di espansione era più veloce della velocità della luce. Ciò spiegherebbe la struttura attualmente visibile degli oggetti spaziali, la loro temperatura, energia, ecc. Il punto, tuttavia, è che finora non sono state trovate tracce di questo antico evento.

I ricercatori dell'Imperial College di Londra, Londra e delle Università di Helsinki e Copenaghen hanno descritto nel 2014 in Physical Review Letters come la gravità fornisse la stabilità necessaria affinché l'universo subisse una grave inflazione all'inizio del suo sviluppo. La squadra ha analizzato interazione tra particelle di Higgs e gravità. Gli scienziati hanno dimostrato che anche una piccola interazione di questo tipo può stabilizzare l'universo e salvarlo dalla catastrofe.

Grafico della velocità di rotazione della galassia a spirale M33

"Il modello standard della fisica delle particelle elementari, che gli scienziati usano per spiegare la natura delle particelle elementari e le loro interazioni, non ha ancora risposto alla domanda sul perché l'Universo non sia collassato subito dopo il Big Bang", ha affermato il professore. Artù Rajanti dal Dipartimento di Fisica dell'Imperial College. “Nel nostro studio, ci siamo concentrati sul parametro sconosciuto del Modello Standard, ovvero l'interazione tra le particelle di Higgs e la gravità. Questo parametro non può essere misurato negli esperimenti con l'acceleratore di particelle, ma ha una forte influenza sull'instabilità delle particelle di Higgs durante la fase di gonfiaggio. Anche un piccolo valore di questo parametro è sufficiente per spiegare il tasso di sopravvivenza”.

Una rete di materia oscura illuminata da un quasar

Alcuni studiosi ritengono che l'inflazione, una volta iniziata, sia difficile da fermare. Concludono che la sua conseguenza è stata la creazione di nuovi universi, fisicamente separati dal nostro. E questo processo continuerà fino ad oggi. Il multiverso sta ancora generando nuovi universi in una corsa inflazionistica.

Tornando al principio della velocità costante della luce, alcuni teorici dell'inflazione suggeriscono che la velocità della luce è, sì, un limite rigoroso, ma non una costante. All'inizio era più alto, tenendo conto dell'inflazione. Ora continua a cadere, ma così lentamente che non ce ne accorgiamo.

Combinazione di interazioni

L'attuale equilibrio di materia ordinaria, materia oscura ed energia oscura

Il Modello Standard, pur unificando i tre tipi di forze della natura, non unifica le interazioni deboli e forti con soddisfazione di tutti gli scienziati. La gravità è da parte e non può ancora essere inclusa nel modello generale con il mondo delle particelle elementari. Qualsiasi tentativo di conciliare la gravità con la meccanica quantistica introduce così tanto infinito nei calcoli che le equazioni perdono il loro valore.

teoria quantistica della gravità richiede una rottura della connessione tra la massa gravitazionale e la massa inerziale, nota dal principio di equivalenza (vedi l'articolo: "Sei principi dell'universo"). La violazione di questo principio mina la costruzione della fisica moderna. Quindi, una tale teoria, che apre la strada a una teoria dei sogni su tutto, può anche distruggere la fisica finora conosciuta.

Sebbene la gravità sia troppo debole per essere rilevabile sulle piccole scale delle interazioni quantistiche, c'è un punto in cui diventa abbastanza forte da fare la differenza nella meccanica dei fenomeni quantistici. Questo buchi neri. Tuttavia, i fenomeni che si verificano dentro e fuori le loro periferie sono ancora poco studiati e studiati.

Preparare l'Universo

Il Modello Standard non può prevedere l'entità delle forze e delle masse che sorgono nel mondo delle particelle. Impariamo queste quantità misurando e aggiungendo dati alla teoria. Gli scienziati scoprono costantemente che basta una piccola differenza nei valori misurati per far sembrare l'universo completamente diverso.

Ad esempio, ha la massa più piccola necessaria per mantenere la materia stabile di tutto ciò che conosciamo. La quantità di materia oscura ed energia è accuratamente bilanciata per formare le galassie.

Uno dei problemi più sconcertanti con l'ottimizzazione dei parametri dell'universo è il vantaggio della materia sull'antimateriache permette a tutto di esistere stabilmente. Secondo il Modello Standard, dovrebbe essere prodotta la stessa quantità di materia e antimateria. Naturalmente, dal nostro punto di vista, è bene che la materia abbia un vantaggio, poiché quantità uguali implicano l'instabilità dell'Universo, scosso da violenti scoppi di annientamento di entrambi i tipi di materia.

Visualizzazione del multiverso con universi in espansione e in contrazione

Problema di misurazione

Soluzione измерение oggetti quantistici significa il collasso della funzione d'onda, cioè il "cambiamento" del loro stato da due (il gatto di Schrödinger in uno stato indeterminato di "vivo o morto") a uno solo (sappiamo cosa è successo al gatto).

Una delle ipotesi più audaci relative al problema della misurazione è il concetto di "molti mondi" - le possibilità da cui scegliamo quando misuriamo. I mondi si separano in ogni momento. Quindi, abbiamo un mondo in cui guardiamo in una scatola con un gatto e un mondo in cui non guardiamo in una scatola con un gatto ... Nel primo - il mondo in cui vive il gatto, o quello in cui non vive, ecc. d.

credeva che qualcosa fosse profondamente sbagliato nella meccanica quantistica e la sua opinione non doveva essere presa alla leggera.

Quattro interazioni principali