Dunkle Materie. Sechs kosmologische Probleme

Die Bewegungen von Objekten im kosmischen Maßstab unterliegen der guten alten Newtonschen Theorie. Allerdings haben Fritz Zwickys Entdeckung in den 30er Jahren und die anschließenden zahlreichen Beobachtungen entfernter Galaxien, die sich schneller drehen, als ihre scheinbare Masse vermuten lässt, Astronomen und Physiker dazu veranlasst, die Masse der Dunklen Materie zu berechnen, die in keinem verfügbaren Beobachtungsbereich direkt bestimmt werden kann. zu unseren Werkzeugen. Die Schätzung erwies sich als sehr hoch – mittlerweile wird geschätzt, dass fast 27 % der Masse des Universums dunkle Materie sind. Das ist mehr als das Fünffache der für unsere Beobachtungen verfügbaren „normalen“ Substanz.

Leider scheint es, dass Elementarteilchen die Existenz von Teilchen, aus denen diese mysteriöse Masse bestehen würde, nicht vorhersehen können. Bisher ist es uns nicht gelungen, sie nachzuweisen oder bei Kollisionen in Beschleunigern hochenergetische Strahlen zu erzeugen. Die letzte Hoffnung der Wissenschaftler war die Entdeckung „steriler“ Neutrinos, aus denen Dunkle Materie bestehen könnte. Bisher waren jedoch auch Versuche, sie aufzuspüren, erfolglos.

dunkle Energie

Seit in den 90er Jahren entdeckt wurde, dass die Expansion des Universums nicht konstant ist, sondern sich beschleunigt, war eine weitere Ergänzung der Berechnungen erforderlich, diesmal mit Energie im Universum. Es stellte sich heraus, dass zur Erklärung dieser Beschleunigung zusätzliche Energie (also Massen, weil sie nach der speziellen Relativitätstheorie gleich sind) – also Dunkle Energie - sollte etwa 68% des Universums ausmachen.

Das würde bedeuten, dass mehr als zwei Drittel des Universums aus ... wer weiß was besteht! Denn wie bei der Dunklen Materie konnten wir ihre Natur weder erfassen noch erforschen. Einige glauben, dass es sich dabei um Vakuumenergie handelt, also um dieselbe Energie, bei der Teilchen aufgrund von Quanteneffekten „aus dem Nichts“ erscheinen. Andere meinen, es handele sich um die „Quintessenz“, die fünfte Kraft der Natur.

Es gibt auch die Hypothese, dass das kosmologische Prinzip überhaupt nicht gilt, das Universum heterogen ist, in verschiedenen Bereichen unterschiedliche Dichten aufweist und diese Schwankungen die Illusion einer beschleunigten Expansion erzeugen. In diesem Fall wäre das Problem der dunklen Energie nur eine Illusion.

Einstein führte das Konzept in seine Theorien ein – und entfernte es dann kosmologische Konstantemit dunkler Energie verbunden. Das Konzept wurde von Theoretikern der Quantenmechanik fortgeführt, die versuchten, das Konzept der kosmologischen Konstante zu ersetzen Quantenvakuumfeldenergie. Diese Theorie ergab jedoch 10¹²⁰ mehr Energie als nötig ist, um das Universum mit der uns bekannten Geschwindigkeit auszudehnen ...

Inflation

Теория kosmische Inflation es erklärt vieles zufriedenstellend, führt aber zu einem kleinen (naja, nicht für jeden kleinen) Problem - es deutet darauf hin, dass seine Expansionsrate in der frühen Phase seiner Existenz schneller als die Lichtgeschwindigkeit war. Dies würde die derzeit sichtbare Struktur von Weltraumobjekten, ihre Temperatur, Energie usw. erklären. Der Punkt ist jedoch, dass bisher keine Spuren dieses alten Ereignisses gefunden wurden.

Forscher des Imperial College London, London und der Universitäten Helsinki und Kopenhagen beschrieben 2014 in Physical Review Letters, wie die Schwerkraft für die Stabilität sorgte, die das Universum brauchte, um eine starke Inflation zu Beginn seiner Entwicklung zu überstehen. Das Team analysierte Wechselwirkung zwischen Higgs-Teilchen und Schwerkraft. Wissenschaftler haben gezeigt, dass selbst eine kleine Interaktion dieser Art das Universum stabilisieren und vor einer Katastrophe bewahren kann.

Diagramm der Rotationsgeschwindigkeit der Spiralgalaxie M33

„Das Standardmodell der Teilchenphysik, mit dem Wissenschaftler die Natur der Elementarteilchen und ihre Wechselwirkungen erklären, hat die Frage, warum das Universum nicht unmittelbar nach dem Urknall kollabierte, immer noch nicht beantwortet“, stellte der Professor fest. Zurück Rajanti vom Fachbereich Physik am Imperial College. „In unserer Studie haben wir uns auf einen unbekannten Parameter des Standardmodells konzentriert, nämlich die Wechselwirkung zwischen Higgs-Teilchen und der Schwerkraft. Dieser Parameter kann in Teilchenbeschleunigerexperimenten nicht gemessen werden, hat aber einen starken Einfluss auf die Instabilität von Higgs-Teilchen während der Inflationsphase. Schon ein kleiner Wert dieses Parameters reicht aus, um das Überleben zu erklären.“

Von einem Quasar beleuchtetes Netz aus Dunkler Materie

Einige Wissenschaftler glauben, dass die Inflation, wenn sie erst einmal begonnen hat, schwer zu stoppen ist. Sie kommen zu dem Schluss, dass die Folge die Schaffung neuer Universen war, die physisch von unserem getrennt waren. Und dieser Prozess wird bis heute andauern. Das Multiversum erschafft immer noch in einem Inflationsrausch neue Universen.

Um auf das Prinzip der konstanten Lichtgeschwindigkeit zurückzukommen: Einige Inflationstheoretiker schlagen vor, dass die Lichtgeschwindigkeit zwar eine strenge Grenze, aber keine Konstante sei. In der frühen Ära war es höher, unter Berücksichtigung der Inflation. Jetzt sinkt es weiter, aber so langsam, dass wir es nicht bemerken.

Interaktionen kombinieren

Aktuelles Gleichgewicht zwischen gewöhnlicher Materie, dunkler Materie und dunkler Energie

Obwohl das Standardmodell die drei Arten von Naturkräften kombiniert, kombiniert es schwache und starke Kräfte nicht zur Zufriedenheit aller Wissenschaftler. Die Schwerkraft steht am Rande und kann noch nicht in ein allgemeines Modell mit der Welt der Elementarteilchen einbezogen werden. Jeder Versuch, die Schwerkraft mit der Quantenmechanik in Einklang zu bringen, führt zu so viel Unendlichkeit in den Berechnungen, dass die Gleichungen ihren Wert verlieren.

Quantentheorie der Schwerkraft erfordert das Aufbrechen der aus dem Äquivalenzprinzip bekannten Verbindung zwischen schwerer Masse und träger Masse (siehe Artikel: „Sechs Prinzipien des Universums“). Die Verletzung dieses Prinzips untergräbt das Gebäude der modernen Physik. Somit kann eine solche Theorie, die den Weg zu einer Traumtheorie von allem öffnet, auch die bisher bekannte Physik zerstören.

Obwohl die Schwerkraft zu schwach ist, um auf der kleinen Skala von Quantenwechselwirkungen spürbar zu sein, gibt es einen Punkt, an dem sie stark genug wird, um in der Mechanik von Quantenphänomenen eine Rolle zu spielen. Das Schwarze Löcher. Allerdings werden die Phänomene, die innerhalb und außerhalb der Region auftreten, noch immer kaum verstanden und untersucht.

Das Universum aufbauen

Das Standardmodell kann die Größe der Kräfte und Massen, die in der Welt der Teilchen entstehen, nicht vorhersagen. Wir lernen diese Größen kennen, indem wir Daten messen und zur Theorie hinzufügen. Wissenschaftler entdecken immer wieder, dass ein kleiner Unterschied in den gemessenen Größen ausreicht, damit das Universum völlig anders wird.

Beispielsweise hat es von allem, was wir wissen, die kleinste Masse, die erforderlich ist, um stabile Materie zu tragen. Die Menge an dunkler Materie und Energie wird sorgfältig ausbalanciert, um Galaxien zu bilden.

Eines der mysteriösesten Probleme bei der Abstimmung der Parameter des Universums ist Vorteil der Materie gegenüber der Antimateriewodurch alles stabil existieren kann. Nach dem Standardmodell sollten gleiche Mengen an Materie und Antimaterie produziert werden. Aus unserer Sicht ist es natürlich gut, dass Materie einen Vorteil hat, da gleiche Mengen eine Instabilität des Universums bedeuten, das durch heftige Ausbrüche der Vernichtung beider Arten von Materie erschüttert wird.

Visualisierung des Multiversums mit expandierenden und kontrahierenden Universen

Messproblem

Lösung Dimension Quantenobjekte bedeutet den Zusammenbruch der Wellenfunktion, also die „Änderung“ ihres Zustands von zwei (Schrödingers Katze in einem ungewissen Zustand von „lebendig oder tot“) zu eins (wir wissen, was mit der Katze passiert ist).

Eine der gewagteren Hypothesen im Zusammenhang mit dem Messproblem ist das Konzept der „vielen Welten“ – der Möglichkeiten, aus denen wir beim Messen auswählen. Die Welten trennen sich jeden Moment. Wir haben also eine Welt, in der wir mit einer Katze in eine Kiste schauen, und eine Welt, in der wir nicht mit einer Katze in eine Kiste schauen ... In der ersten - die Welt, in der die Katze lebt, oder die eine in dem er nicht wohnt usw. d.

Er glaubte, dass mit der Quantenmechanik etwas zutiefst nicht stimmte, und seine Meinung sollte nicht auf die leichte Schulter genommen werden.

Vier grundlegende Interaktionen