Matèria fosca. Sis problemes cosmològics

Els moviments dels objectes a escala còsmica obeeixen a la bona vella teoria de Newton. Tanmateix, el descobriment de Fritz Zwicky a la dècada de 30 i nombroses observacions posteriors de galàxies llunyanes que giren més ràpid del que indicarien la seva massa aparent, van impulsar astrònoms i físics a calcular la massa de matèria fosca, que no es pot determinar directament en cap rang d'observació disponible. . a les nostres eines. La factura va resultar molt alta: ara s'estima que gairebé el 27% de la massa de l'univers és matèria fosca. Això és més de cinc vegades més que la matèria "ordinària" disponible per a les nostres observacions.

Malauradament, les partícules elementals no semblen preveure l'existència de partícules que formarien aquesta massa enigmàtica. Fins ara, no hem estat capaços de detectar-los ni de generar feixos d'alta energia en acceleradors de col·lisió. L'última esperança dels científics va ser el descobriment de neutrins "estèrils", que podrien constituir matèria fosca. Tanmateix, fins ara els intents de detectar-los tampoc no han tingut èxit.

Energia fosca

Des que als anys noranta es va descobrir que l'expansió de l'univers no és constant, sinó que s'accelera, es va necessitar una altra incorporació als càlculs, aquesta vegada amb energia a l'univers. Va resultar que per explicar aquesta acceleració, energia addicional (és a dir, masses, perquè segons la teoria especial de la relativitat són iguals), és a dir. energia fosca - hauria de constituir al voltant del 90% de l'univers.

Això voldria dir que més de dos terços de l'univers està format per... Déu sap què! Perquè, com en el cas de la matèria fosca, no hem sabut captar ni explorar la seva naturalesa. Alguns creuen que aquesta és l'energia del buit, la mateixa energia a la qual apareixen les partícules "del no-res" com a resultat d'efectes quàntics. Altres suggereixen que és la "quintessència", la cinquena força de la natura.

També hi ha la hipòtesi que el principi cosmològic no funciona en absolut, l'Univers és poc homogeni, té diferents densitats en diferents zones i aquestes fluctuacions creen la il·lusió d'accelerar l'expansió. En aquesta versió, el problema de l'energia fosca seria només una il·lusió.

Einstein va introduir a les seves teories -i després va eliminar- el concepte constant cosmològicaassociada a l'energia fosca. El concepte va ser continuat pels teòrics de la mecànica quàntica que van intentar substituir la noció de constant cosmològica. energia de camp de buit quàntic. Tanmateix, aquesta teoria va donar 10¹²⁰ més energia de la que es necessita per expandir l'univers al ritme que coneixem...

inflació

Теория inflació espacial explica molt satisfactòriament, però introdueix un petit (bé, no per a tothom petit) problema: suggereix que en el primer període de la seva existència, la seva velocitat d'expansió era més ràpida que la velocitat de la llum. Això explicaria l'estructura visible actualment dels objectes espacials, la seva temperatura, energia, etc. La qüestió, però, és que fins ara no s'han trobat rastres d'aquest antic esdeveniment.

Investigadors de l'Imperial College de Londres, Londres i les Universitats d'Hèlsinki i Copenhaguen van descriure el 2014 a Physical Review Letters com la gravetat proporcionava l'estabilitat necessària perquè l'univers experimentés una inflació severa al principi del seu desenvolupament. L'equip va analitzar interacció entre les partícules de Higgs i la gravetat. Els científics han demostrat que fins i tot una petita interacció d'aquest tipus pot estabilitzar l'univers i salvar-lo de la catàstrofe.

Gràfic de la velocitat de rotació de la galàxia espiral M33

"El model estàndard de la física de partícules elementals, que els científics utilitzen per explicar la naturalesa de les partícules elementals i les seves interaccions, encara no ha respost la pregunta de per què l'Univers no es va col·lapsar immediatament després del Big Bang", va dir el professor. Artu Rajanti del Departament de Física de l'Imperial College. "En el nostre estudi, ens vam centrar en el paràmetre desconegut del model estàndard, és a dir, la interacció entre les partícules de Higgs i la gravetat. Aquest paràmetre no es pot mesurar en experiments amb acceleradors de partícules, però té una forta influència en la inestabilitat de les partícules de Higgs durant la fase d'inflació. Fins i tot un petit valor d'aquest paràmetre és suficient per explicar la taxa de supervivència".

Una xarxa de matèria fosca il·luminada per un quàsar

Alguns estudiosos creuen que la inflació, un cop comença, és difícil d'aturar. Conclouen que la seva conseqüència va ser la creació de nous universos, físicament separats del nostre. I aquest procés continuarà fins avui. El multivers encara està generant nous universos en una carrera inflacionista.

Tornant al principi de la velocitat constant de la llum, alguns teòrics de la inflació suggereixen que la velocitat de la llum és, sí, un límit estricte, però no una constant. A les primeres èpoques era més alt, permetent la inflació. Ara segueix caient, però tan lentament que no ens adonem.

Combinació d'interaccions

L'equilibri actual de matèria ordinària, matèria fosca i energia fosca

El Model Estàndard, tot i que unifica els tres tipus de forces de la natura, no unifica les interaccions febles i fortes per a la satisfacció de tots els científics. La gravetat està a un costat i encara no es pot incloure en el model general amb el món de les partícules elementals. Qualsevol intent de conciliar la gravetat amb la mecànica quàntica introdueix tanta infinitat en els càlculs que les equacions perden el seu valor.

teoria quàntica de la gravetat requereix un trencament de la connexió entre la massa gravitatòria i la massa inercial, conegut pel principi d'equivalència (vegeu l'article: "Sis principis de l'Univers"). La violació d'aquest principi soscava la construcció de la física moderna. Així, aquesta teoria, que obre el camí a una teoria dels somnis sobre tot, també pot destruir la física coneguda fins ara.

Tot i que la gravetat és massa feble per ser perceptible a les petites escales de les interaccions quàntiques, hi ha un lloc on es fa prou forta com per marcar la diferència en la mecànica dels fenòmens quàntics. Això forats negres. No obstant això, els fenòmens que ocorren dins i als seus afores encara són poc estudiats i estudiats.

Configurant l'univers

El model estàndard no pot predir la magnitud de les forces i masses que sorgeixen al món de les partícules. Aprenem sobre aquestes magnituds mesurant i afegint dades a la teoria. Els científics estan descobrint constantment que una petita diferència en els valors mesurats és suficient per fer que l'univers sembli completament diferent.

Per exemple, té la massa més petita necessària per mantenir la matèria estable de tot el que coneixem. La quantitat de matèria fosca i d'energia està acuradament equilibrada per a la formació de galàxies.

Un dels problemes més desconcertants per ajustar els paràmetres de l'univers és l'avantatge de la matèria sobre l'antimatèriaque permet que tot existeixi de manera estable. Segons el model estàndard, s'hauria de produir la mateixa quantitat de matèria i antimatèria. Per descomptat, des del nostre punt de vista, és bo que la matèria tingui un avantatge, ja que quantitats iguals impliquen la inestabilitat de l'Univers, sacsejada per violents esclats d'aniquilació d'ambdós tipus de matèria.

Visualització del multivers amb universos en expansió i contracció

Problema de mesura

decisió mesurament objectes quàntics significa el col·lapse de la funció d'ona, és a dir, "canvi" del seu estat de dos (el gat de Schrödinger en un estat indeterminat de "viu o mort") a un sol (sabem què li va passar al gat).

Una de les hipòtesis més atrevides relacionades amb el problema de la mesura és el concepte de "molts mons", les possibilitats entre les quals escollim a l'hora de mesurar. Els mons es separen a cada moment. Per tant, tenim un món en què mirem una capsa amb un gat, i un món en què no mirem una capsa amb un gat... En el primer, el món en què viu el gat, o aquell en què no viu, etc. d.

creia que alguna cosa anava profundament malament amb la mecànica quàntica, i la seva opinió no s'havia de prendre a la lleugera.

Quatre interaccions principals