المادة المظلمة. ست مشاكل كونية
تخضع حركات الأشياء على نطاق كوني لنظرية نيوتن القديمة الجيدة. ومع ذلك ، فإن اكتشاف فريتز زويكي في الثلاثينيات وما تلاه من ملاحظات عديدة للمجرات البعيدة التي تدور أسرع مما تشير إليه كتلتها الظاهرة ، دفع علماء الفلك والفيزيائيين إلى حساب كتلة المادة المظلمة ، والتي لا يمكن تحديدها مباشرة في أي نطاق متاح للرصد. . لأدواتنا. تبين أن الفاتورة عالية جدًا - يقدر الآن أن ما يقرب من 30 ٪ من كتلة الكون عبارة عن مادة مظلمة. هذا أكثر من خمس مرات أكثر من "العادي" المتاحة لملاحظاتنا.
لسوء الحظ ، لا يبدو أن الجسيمات الأولية تتنبأ بوجود جسيمات من شأنها أن تشكل هذه الكتلة الغامضة. حتى الآن ، لم نتمكن من اكتشافها أو توليد حزم عالية الطاقة في مسرعات الاصطدام. كان الأمل الأخير للعلماء هو اكتشاف النيوترينوات "العقيمة" ، التي يمكن أن تشكل المادة المظلمة. ومع ذلك ، لم تنجح محاولات اكتشافها حتى الآن.
الطاقة المظلمة
منذ أن اكتشف في التسعينيات أن تمدد الكون ليس ثابتًا ، بل متسارعًا ، كانت هناك حاجة إلى إضافة أخرى للحسابات ، هذه المرة مع الطاقة في الكون. اتضح أنه لشرح هذا التسارع ، فإن الطاقة الإضافية (أي الكتل ، لأنها وفقًا لنظرية النسبية الخاصة هي نفسها) - أي الطاقة المظلمة - يجب أن تشكل حوالي 90٪ من الكون.
هذا يعني أن أكثر من ثلثي الكون مكون من ... الله أعلم ماذا! لأنه ، كما في حالة المادة المظلمة ، لم نتمكن من التقاط أو استكشاف طبيعتها. يعتقد البعض أن هذه هي طاقة الفراغ ، نفس الطاقة التي تظهر فيها الجسيمات "من لا شيء" كنتيجة للتأثيرات الكمومية. يقترح البعض الآخر أن هذا هو "جوهر" ، القوة الخامسة للطبيعة.
هناك أيضًا فرضية مفادها أن المبدأ الكوني لا يعمل على الإطلاق ، والكون غير متجانس ، وله كثافات مختلفة في مناطق مختلفة ، وهذه التقلبات تخلق وهمًا بالتوسع المتسارع. في هذا الإصدار ، ستكون مشكلة الطاقة المظلمة مجرد وهم.
أدخل أينشتاين في نظرياته - ثم أزال - المفهوم الثابت الكونيالمرتبطة بالطاقة المظلمة. استمر هذا المفهوم من قبل منظري ميكانيكا الكم الذين حاولوا استبدال فكرة الثابت الكوني طاقة مجال الفراغ الكمي. ومع ذلك ، أعطت هذه النظرية 10120 طاقة أكثر مما هو مطلوب لتوسيع الكون بالمعدل الذي نعرفه ...
التضخم
نظرية تضخم الفضاء إنه يفسر الكثير بشكل مرضٍ ، لكنه يقدم مشكلة صغيرة (حسناً ، ليست صغيرة للجميع) - تشير إلى أنه في الفترة المبكرة من وجودها ، كان معدل تمددها أسرع من سرعة الضوء. هذا من شأنه أن يفسر الهيكل المرئي حاليًا للأجسام الفضائية ، ودرجة حرارتها ، وطاقتها ، وما إلى ذلك. ومع ذلك ، فإن النقطة هي أنه لم يتم العثور على أي أثر لهذا الحدث القديم حتى الآن.
وصف الباحثون في إمبريال كوليدج لندن ولندن وجامعات هلسنكي وكوبنهاجن في 2014 في رسائل المراجعة الفيزيائية كيف وفرت الجاذبية الاستقرار اللازم للكون لتجربة التضخم الحاد في وقت مبكر من تطوره. حلل الفريق التفاعل بين جسيمات هيغز والجاذبية. أظهر العلماء أنه حتى تفاعل صغير من هذا النوع يمكن أن يثبّت الكون وينقذه من كارثة.
رسم بياني لسرعة دوران المجرة الحلزونية M33
قال البروفيسور: "إن النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات الأولية ، الذي يستخدمه العلماء لشرح طبيعة الجسيمات الأولية وتفاعلاتها ، لم يجيب بعد على سؤال لماذا لم ينهار الكون فورًا بعد الانفجار العظيم". أرتو راجانتي من قسم الفيزياء في إمبريال كوليدج. "في دراستنا ، ركزنا على المعلمة غير المعروفة للنموذج القياسي ، أي التفاعل بين جسيمات هيغز والجاذبية. لا يمكن قياس هذه المعلمة في تجارب معجل الجسيمات ، ولكن لها تأثير قوي على عدم استقرار جسيمات هيغز أثناء مرحلة التضخم. حتى قيمة صغيرة من هذه المعلمة كافية لشرح معدل البقاء ".
شبكة من المادة المظلمة مضاءة بكوازار
يعتقد بعض العلماء أن التضخم ، بمجرد أن يبدأ ، يصعب إيقافه. وخلصوا إلى أن نتيجته كانت خلق أكوان جديدة منفصلة جسديًا عن كوننا. وستستمر هذه العملية حتى اليوم. لا يزال الكون المتعدد يولد أكوانًا جديدة في ظل اندفاع تضخمي.
بالعودة إلى مبدأ السرعة الثابتة للضوء ، يقترح بعض منظري التضخم أن سرعة الضوء ، نعم ، حد صارم ، لكنها ليست ثابتة. في العصر المبكر كان أعلى ، مما يسمح بالتضخم. الآن يستمر في السقوط ، لكن ببطء شديد لدرجة أننا لا نستطيع ملاحظته.
الجمع بين التفاعلات
التوازن الحالي للمادة العادية والمادة المظلمة والطاقة المظلمة
النموذج القياسي ، بينما يوحد الأنواع الثلاثة لقوى الطبيعة ، لا يوحد التفاعلات الضعيفة والقوية بما يرضي جميع العلماء. تقف الجاذبية جانبًا ولا يمكن تضمينها في النموذج العام مع عالم الجسيمات الأولية. أي محاولة للتوفيق بين الجاذبية وميكانيكا الكم تقدم الكثير من اللانهاية في الحسابات بحيث تفقد المعادلات قيمتها.
نظرية الكم للجاذبية يتطلب قطيعة في العلاقة بين كتلة الجاذبية والكتلة بالقصور الذاتي ، والمعروف من مبدأ التكافؤ (انظر مقال: "المبادئ الستة للكون"). إن انتهاك هذا المبدأ يقوض بناء الفيزياء الحديثة. وهكذا ، فإن مثل هذه النظرية ، التي تفتح الطريق أمام نظرية الأحلام حول كل شيء ، يمكن أن تدمر أيضًا الفيزياء المعروفة حتى الآن.
على الرغم من أن الجاذبية أضعف من أن تكون ملحوظة على المقاييس الصغيرة للتفاعلات الكمية ، إلا أن هناك مكانًا تصبح فيه قوية بما يكفي لإحداث فرق في ميكانيكا الظواهر الكمومية. هذه الثقوب السوداء. ومع ذلك ، فإن الظواهر التي تحدث في الداخل وعلى أطرافها لا تزال قليلة الدراسة والدراسة.
إنشاء الكون
لا يستطيع النموذج القياسي التنبؤ بحجم القوى والكتل التي تنشأ في عالم الجسيمات. نتعرف على هذه الكميات عن طريق القياس وإضافة البيانات إلى النظرية. يكتشف العلماء باستمرار أن مجرد اختلاف بسيط في القيم المقاسة يكفي لجعل الكون يبدو مختلفًا تمامًا.
على سبيل المثال ، لديها أصغر كتلة مطلوبة لدعم المادة المستقرة لكل شيء نعرفه. يتم موازنة كمية المادة المظلمة والطاقة بعناية لتكوين المجرات.
واحدة من أكثر المشاكل المحيرة في ضبط بارامترات الكون هي ميزة المادة على المادة المضادةمما يسمح لكل شيء بالوجود بشكل مستقر. وفقًا للنموذج القياسي ، يجب إنتاج نفس الكمية من المادة والمادة المضادة. بالطبع ، من وجهة نظرنا ، من الجيد أن تتمتع المادة بميزة ، لأن الكميات المتساوية تدل على عدم استقرار الكون ، الذي تهتزه نوبات عنيفة من إبادة كلا النوعين من المادة.
تصور الكون المتعدد مع الأكوان المتوسعة والمتقلصة
مشكلة القياس
حل قياس كائنات كمومية يعني انهيار الدالة الموجية ، أي "تغيير" حالتها من اثنين (قطة شرودنغر في حالة غير محددة "حية أو ميتة") إلى حالة واحدة (نعرف ما حدث للقط).
إحدى الفرضيات الأكثر جرأة المتعلقة بمشكلة القياس هي مفهوم "عوالم متعددة" - الاحتمالات التي نختار منها عند القياس. تفصل العوالم كل لحظة. إذن ، لدينا عالم ننظر فيه إلى صندوق به قطة ، وعالم لا ننظر فيه إلى صندوق به قطة ... في الأول - العالم الذي تعيش فيه القطة ، أو العالم الذي الذي لا يعيش فيه ، وما إلى ذلك د.
لقد اعتقد أن شيئًا ما كان خطأً عميقًا في ميكانيكا الكم ، ولم يكن لرأيه أن يؤخذ على محمل الجد.
أربعة تفاعلات رئيسية
