Matéria escura. Seis problemas cosmológicos

Os movimentos dos objetos em escala cósmica obedecem à boa e velha teoria de Newton. No entanto, a descoberta de Fritz Zwicky na década de 30 e as numerosas observações subsequentes de galáxias distantes que giram mais rápido do que sua massa aparente indicaria, levou astrônomos e físicos a calcular a massa da matéria escura, que não pode ser determinada diretamente em qualquer faixa de observação disponível. . às nossas ferramentas. A conta acabou sendo muito alta - estima-se agora que quase 27% da massa do universo é matéria escura. Isso é mais de cinco vezes mais do que a matéria "comum" disponível para nossas observações.

Infelizmente, as partículas elementares não parecem prever a existência de partículas que comporiam essa massa enigmática. Até agora, não conseguimos detectá-los ou gerar feixes de alta energia em aceleradores em colisão. A última esperança dos cientistas era a descoberta de neutrinos "estéreis", que poderiam compor a matéria escura. No entanto, até agora as tentativas de detectá-los também não foram bem sucedidas.

energia escura

Como foi descoberto na década de 90 que a expansão do universo não é constante, mas acelerada, foi necessário outro acréscimo aos cálculos, desta vez com a energia do universo. Descobriu-se que, para explicar essa aceleração, energia adicional (ou seja, massas, porque de acordo com a teoria especial da relatividade são iguais) - ou seja, energia escura - deve constituir cerca de 68% do universo.

Isso significaria que mais de dois terços do universo é composto de... Deus sabe o quê! Porque, como no caso da matéria escura, não conseguimos capturar ou explorar sua natureza. Alguns acreditam que esta é a energia do vácuo, a mesma energia na qual as partículas "do nada" aparecem como resultado de efeitos quânticos. Outros sugerem que é a "quintessência", a quinta força da natureza.

Há também a hipótese de que o princípio cosmológico não funciona, o Universo é não homogêneo, tem densidades diferentes em diferentes áreas, e essas flutuações criam a ilusão de expansão acelerada. Nesta versão, o problema da energia escura seria apenas uma ilusão.

Einstein introduziu em suas teorias - e depois removeu - o conceito constante cosmológicaassociada à energia escura. O conceito foi continuado por teóricos da mecânica quântica que tentaram substituir a noção de constante cosmológica energia de campo de vácuo quântico. No entanto, esta teoria deu 10¹²⁰ mais energia do que é necessária para expandir o universo na taxa que conhecemos...

inflação

Теория inflação do espaço explica muito satisfatoriamente, mas introduz um pequeno (bem, não pequeno para todos) problema - sugere que no período inicial de sua existência, sua taxa de expansão era mais rápida que a velocidade da luz. Isso explicaria a estrutura atualmente visível dos objetos espaciais, sua temperatura, energia, etc. O ponto, entretanto, é que nenhum vestígio desse evento antigo foi encontrado até agora.

Pesquisadores do Imperial College London, Londres, e das Universidades de Helsinque e Copenhague descreveram em 2014 na Physical Review Letters como a gravidade forneceu a estabilidade necessária para o universo experimentar uma inflação severa no início de seu desenvolvimento. A equipe analisou interação entre partículas de Higgs e gravidade. Os cientistas mostraram que mesmo uma pequena interação desse tipo pode estabilizar o universo e salvá-lo da catástrofe.

Gráfico da velocidade de rotação da galáxia espiral M33

“O modelo padrão da física de partículas elementares, que os cientistas usam para explicar a natureza das partículas elementares e suas interações, ainda não respondeu à pergunta de por que o Universo não entrou em colapso imediatamente após o Big Bang”, disse o professor. Artu Rajanti do Departamento de Física do Imperial College. “Em nosso estudo, focamos no parâmetro desconhecido do Modelo Padrão, ou seja, a interação entre as partículas de Higgs e a gravidade. Este parâmetro não pode ser medido em experimentos com aceleradores de partículas, mas tem forte influência na instabilidade das partículas de Higgs durante a fase de inflação. Mesmo um pequeno valor desse parâmetro é suficiente para explicar a taxa de sobrevivência.”

Uma teia de matéria escura iluminada por um quasar

Alguns estudiosos acreditam que a inflação, uma vez iniciada, é difícil de parar. Eles concluem que sua consequência foi a criação de novos universos, fisicamente separados do nosso. E esse processo continuará até hoje. O multiverso ainda está gerando novos universos em uma corrida inflacionária.

Voltando ao princípio da velocidade constante da luz, alguns teóricos da inflação sugerem que a velocidade da luz é, sim, um limite estrito, mas não uma constante. No início era mais alto, permitindo a inflação. Agora continua a cair, mas tão lentamente que não conseguimos percebê-lo.

Combinando interações

O equilíbrio atual da matéria comum, matéria escura e energia escura

O Modelo Padrão, embora unifique os três tipos de forças da natureza, não unifica as interações fracas e fortes para a satisfação de todos os cientistas. A gravidade fica de lado e ainda não pode ser incluída no modelo geral com o mundo das partículas elementares. Qualquer tentativa de conciliar a gravidade com a mecânica quântica introduz tanta infinidade nos cálculos que as equações perdem seu valor.

teoria quântica da gravidade requer uma ruptura na ligação entre a massa gravitacional e a massa inercial, conhecida a partir do princípio da equivalência (ver o artigo: "Seis Princípios do Universo"). A violação deste princípio mina a construção da física moderna. Assim, tal teoria, que abre caminho para uma teoria dos sonhos sobre tudo, também pode destruir a física conhecida até agora.

Embora a gravidade seja muito fraca para ser perceptível nas pequenas escalas das interações quânticas, há um lugar onde ela se torna forte o suficiente para fazer a diferença na mecânica dos fenômenos quânticos. este buracos negros. No entanto, os fenômenos que ocorrem dentro e em suas periferias ainda são pouco estudados e estudados.

Configurando o universo

O Modelo Padrão não pode prever a magnitude das forças e massas que surgem no mundo das partículas. Aprendemos sobre essas quantidades medindo e adicionando dados à teoria. Os cientistas estão constantemente descobrindo que uma pequena diferença nos valores medidos é suficiente para fazer o universo parecer completamente diferente.

Por exemplo, tem a menor massa necessária para sustentar a matéria estável de tudo o que conhecemos. A quantidade de matéria escura e energia é cuidadosamente equilibrada para formar galáxias.

Um dos problemas mais intrigantes com o ajuste dos parâmetros do universo é a vantagem da matéria sobre a antimatériaque permite que tudo exista de forma estável. De acordo com o Modelo Padrão, a mesma quantidade de matéria e antimatéria deve ser produzida. Claro que, do nosso ponto de vista, é bom que a matéria leve vantagem, pois quantidades iguais implicam a instabilidade do Universo, abalado por violentos surtos de aniquilação de ambos os tipos de matéria.

Visualização do multiverso com universos em expansão e contração

Problema de medição

Solução medição objetos quânticos significa o colapso da função de onda, ou seja, "mudança" de seu estado de dois (o gato de Schrödinger em um estado indeterminado de "vivo ou morto") para um único (sabemos o que aconteceu com o gato).

Uma das hipóteses mais ousadas relacionadas ao problema da medição é o conceito de "muitos mundos" - as possibilidades a partir das quais escolhemos ao medir. Os mundos estão se separando a cada momento. Então, temos um mundo em que olhamos para uma caixa com um gato, e um mundo em que não olhamos para uma caixa com um gato ... No primeiro - o mundo em que vive o gato, ou aquele em que ele não vive, etc. d.

ele acreditava que algo estava profundamente errado com a mecânica quântica, e sua opinião não deveria ser tomada de ânimo leve.

Quatro interações principais