Kas ir melnā viela? tumšās vielas teorija

2024 Autors: Henry Conors | [email protected]. Pēdējoreiz modificēts: 2024-02-12 10:43

Kas bija pirmais: ola vai vista? Zinātnieki visā pasaulē gadu desmitiem ir cīnījušies ar šo vienkāršo jautājumu. Līdzīgs jautājums rodas par to, kas bija pašā sākumā, Visuma radīšanas brīdī. Bet vai tas bija šis radījums, vai arī Visumi ir cikliski vai bezgalīgi? Kas ir melnā viela kosmosā un kā tā atšķiras no b altās vielas? Atmetot dažādus reliģijas veidus, mēģināsim pieiet atbildes uz šiem jautājumiem no zinātniskā viedokļa. Dažu pēdējo gadu laikā zinātniekiem ir izdevies paveikt neiedomājamo. Iespējams, pirmo reizi vēsturē teorētisko fiziķu aprēķini sakrita ar eksperimentālo fiziķu aprēķiniem. Gadu gaitā zinātnieku aprindām ir prezentētas vairākas dažādas teorijas. Vairāk vai mazāk precīzi, empīriski, dažkārt arī kvazizinātniski, tomēr teorētiskie aprēķinātie dati tomēr tika apstiprināti ar eksperimentiem, daži pat ar vairāk nekā desmit gadu nokavēšanos (piemēram, Higsa bozons).

Tumšā viela - melnā enerģija

Ir daudz šādu teoriju, piemēram: Stīgu teorija, Lielā sprādziena teorija, Cikliskā Visuma teorija, Paralēlā Visuma teorija, Modificētā Ņūtona dinamika (MOND), F. Hoils un citi. Taču šobrīd par vispārpieņemtu tiek uzskatīta nepārtraukti paplašinās un attīstās Visuma teorija, kuras tēzes labi iederas Lielā sprādziena koncepcijas ietvaros. Tajā pašā laikā kvaziempīriski (t.i., empīriski, bet ar lielām pielaidēm un balstoties uz esošajām mūsdienu teorijām par mikrokosmosa uzbūvi) tika iegūti dati, ka visas mums zināmās mikrodaļiņas veido tikai 4,02% no kopējā kosmosa tilpuma. visu Visuma sastāvu. Tas ir tā sauktais "barionu kokteilis" jeb barioniskā viela. Tomēr mūsu Visuma lielākā daļa (vairāk nekā 95%) ir vielas ar citu plānu, atšķirīgu sastāvu un īpašībām. Tā ir tā sauktā melnā viela un melnā enerģija. Viņi uzvedas atšķirīgi: atšķirīgi reaģē uz dažāda veida reakcijām, nav fiksēti ar esošajiem tehniskajiem līdzekļiem, un tiem piemīt iepriekš neizpētītas īpašības. No tā mēs varam secināt, ka vai nu šīs vielas pakļaujas citiem fizikas likumiem (neņūtona fizika, ne-eiklīda ģeometrijas verbālais analogs), vai arī mūsu zinātnes un tehnikas attīstības līmenis ir tikai tā veidošanās sākuma stadijā.

Kas ir barioni?

Saskaņā ar pašreizējo spēcīgas mijiedarbības kvarka-gluona modeli ir tikai sešpadsmit elementārdaļiņas (un nesenais Higsa bozona atklājums to apstiprina): seši kvarku veidi (garšas), astoņi gluoni un divi bozoni. Barioni ir smagas elementārdaļiņas ar spēcīgu mijiedarbību. Slavenākie no tiem ir kvarki, protoni un neitroni. Šādu vielu ģimenes, kas atšķirasgriešanās, masas, to "krāsa", kā arī "burvības", "dīvainuma" skaitļi ir tieši tā, ko mēs saucam par barionisko matēriju, celtniecības bloki. Melnā (tumšā) matērija, kas veido 21,8% no kopējā Visuma sastāva, sastāv no citām daļiņām, kas neizstaro elektromagnētisko starojumu un nekādi ar to nereaģē. Tāpēc vismaz tiešai novērošanai un vēl jo vairāk šādu vielu reģistrācijai vispirms ir jāsaprot to fizika un jāvienojas par likumiem, kuriem tās pakļaujas. Pašlaik daudzi mūsdienu zinātnieki to dara pētniecības institūtos visā pasaulē.

Visticamākais variants

Kādas vielas tiek uzskatītas par iespējamām? Vispirms jāatzīmē, ka ir tikai divas iespējamās iespējas. Saskaņā ar GR un SRT (vispārējā un īpašā relativitāte), pēc sastāva šī viela var būt gan bariona, gan nebariona tumšā viela (melna). Saskaņā ar Lielā sprādziena galveno teoriju jebkura esošā matērija ir attēlota barionu formā. Šī tēze ir pierādīta ar ārkārtīgi augstu precizitāti. Šobrīd zinātnieki ir iemācījušies notvert daļiņas, kas izveidojušās minūti pēc singularitātes pārsprāgšanas, tas ir, pēc superblīvas vielas stāvokļa eksplozijas ar ķermeņa masu līdz bezgalībai un ķermeņa izmēriem līdz nullei. Visticamākais ir scenārijs ar barionu daļiņām, jo tieši no tām sastāv mūsu Visums un caur tām turpina savu paplašināšanos. melnā viela,saskaņā ar šo pieņēmumu tas sastāv no Ņūtona fizikas vispārpieņemtām pamatdaļiņām, bet nez kāpēc vāji mijiedarbojas elektromagnētiskā veidā. Tāpēc detektori tos neatklāj.

Tas neiet tik gludi

Šis scenārijs ir piemērots daudziem zinātniekiem, taču joprojām ir vairāk jautājumu nekā atbilžu. Ja gan melno, gan b alto vielu attēlo tikai barioni, tad vieglo barionu koncentrācijai procentos no smagajiem primārās nukleosintēzes rezultātā Visuma sākotnējos astronomiskajos objektos vajadzētu būt atšķirīgai. Un eksperimentāli nav atklāts, ka mūsu galaktikā ir līdzsvarots pietiekams skaits lielu gravitācijas objektu, piemēram, melno caurumu vai neitronu zvaigznēm, lai līdzsvarotu mūsu Piena ceļa oreola masu. Tomēr tās pašas neitronu zvaigznes, tumšie galaktikas oreoli, melnie caurumi, b altie, melnie un brūnie punduri (zvaigznes dažādos to dzīves cikla posmos), visticamāk, ir daļa no tumšās matērijas, no kuras sastāv tumšā matērija. Melnā enerģija var arī papildināt to piepildījumu, tostarp paredzamos hipotētiskos objektus, piemēram, preonu, kvarku un Q zvaigznes.

Nebariona kandidāti

Otrais scenārijs nozīmē nebarionisku izcelsmi. Šeit kā kandidāti var darboties vairāku veidu daļiņas. Piemēram, vieglie neitrīni, kuru esamību jau ir pierādījuši zinātnieki. Tomēr to masa ir no vienas simtdaļas līdz vienaidesmit tūkstošdaļas eV (elektronu voltu), praktiski izslēdz tos no iespējamām daļiņām, jo nav sasniedzams vajadzīgā kritiskā blīvuma. Bet smagie neitrīno, kas savienoti pārī ar smagajiem leptoniem, normālos apstākļos praktiski neizpaužas vājā mijiedarbībā. Šādus neitrīnus sauc par steriliem; ar to maksimālo masu līdz vienai desmitdaļai eV tie, visticamāk, ir tumšās vielas daļiņu kandidāti. Aksijas un kosmijas ir mākslīgi ieviestas fiziskajos vienādojumos, lai atrisinātu problēmas kvantu hromodinamikā un standarta modelī. Kopā ar citu stabilu supersimetrisku daļiņu (SUSY-LSP) tās var labi kvalificēties kā kandidātus, jo tās nepiedalās elektromagnētiskā un spēcīgā mijiedarbībā. Tomēr atšķirībā no neitrīniem tie joprojām ir hipotētiski, to eksistence vēl ir jāpierāda.

Melnās vielas teorija

Masas trūkums Visumā rada dažādas teorijas par šo punktu, no kurām dažas ir diezgan konsekventas. Piemēram, teorija, ka parastā gravitācija nespēj izskaidrot dīvaino un pārmērīgi ātro zvaigžņu rotāciju spirālveida galaktikās. Pie tādiem ātrumiem viņi no tā vienkārši izlidotu, ja ne kaut kāds turēšanas spēks, ko vēl nav iespējams reģistrēt. Citas teoriju tēzes skaidro neiespējamību iegūt WIMP (masīvas elektrovāji mijiedarbīgas daļiņas-elementāru apakšdaļiņu partneri, supersimetriskas un supersmagas - tas ir, ideāli kandidāti) zemes apstākļos, jo tie dzīvo n-dimensijā, kas atšķiras no mūsu trīs. dimensiju viens. Saskaņā ar Kaļuza-Kleina teoriju šādi mērījumi mums nav pieejami.

Mainās zvaigznes

Cita teorija apraksta, kā mainīgās zvaigznes un melnā viela mijiedarbojas viena ar otru. Šādas zvaigznes spilgtums var mainīties ne tikai iekšienē notiekošo metafizisko procesu dēļ (pulsācija, hromosfēras aktivitāte, prominences izgrūšana, izplūde un aptumsumi bināro zvaigžņu sistēmās, supernovas sprādziens), bet arī tumšās vielas anomālo īpašību dēļ.

WARP disks

Saskaņā ar vienu teoriju tumšo vielu var izmantot kā degvielu kosmosa kuģu apakštelpas dzinējiem, kas darbojas ar hipotētisko WARP tehnoloģiju (WARP Engine). Potenciāli šādi dzinēji ļauj kuģim pārvietoties ar ātrumu, kas pārsniedz gaismas ātrumu. Teorētiski tie spēj saliekt telpu kuģa priekšā un aiz muguras un pārvietot to tajā pat ātrāk, nekā elektromagnētiskais vilnis paātrinās vakuumā. Pats kuģis lokāli nepaātrinās – saliekts tikai telpiskais lauks tā priekšā. Daudzi fantāzijas stāsti izmanto šo tehnoloģiju, piemēram, Star Trek sāga.

Izaugsme sauszemes apstākļos

Mēģinājumi radīt un iegūt melno vielu uz Zemes vēl nav bijuši veiksmīgi. Pašlaik eksperimenti tiek veikti LHC (Large Andron Collider), tieši tur, kur pirmo reizi tika reģistrēts Higsa bozons, kā arī citos, mazāk jaudīgos, tostarp lineārajos sadursmēs, meklējotstabili, bet elektromagnētiski vāji mijiedarbojoši elementārdaļiņu partneri. Tomēr vēl nav iegūti ne fototino, ne gravitino, ne higsino, ne sneutrino (neutralino), ne citi WIMP. Saskaņā ar zinātnieku provizoriskiem piesardzīgiem aprēķiniem, lai iegūtu vienu miligramu tumšās vielas sauszemes apstākļos, ir nepieciešams ekvivalents enerģijas patēriņam Amerikas Savienotajās Valstīs gada laikā.