Materi gelap. Enam masalah kosmologis

Pergerakan benda-benda pada skala kosmik mematuhi teori Newton lama yang baik. Namun, penemuan Fritz Zwicky pada tahun 30-an dan berbagai pengamatan selanjutnya terhadap galaksi-galaksi jauh yang berotasi lebih cepat daripada yang ditunjukkan oleh massa nyatanya, mendorong para astronom dan fisikawan untuk menghitung massa materi gelap, yang tidak dapat ditentukan secara langsung dalam rentang pengamatan yang tersedia. . ke alat kami. Tagihannya ternyata sangat tinggi - sekarang diperkirakan hampir 27% massa alam semesta adalah materi gelap. Ini lebih dari lima kali lebih banyak daripada materi "biasa" yang tersedia untuk pengamatan kami.

Sayangnya, partikel elementer tampaknya tidak meramalkan keberadaan partikel yang akan membentuk massa misterius ini. Sampai sekarang, kami belum dapat mendeteksinya atau menghasilkan sinar energi tinggi pada akselerator yang bertabrakan. Harapan terakhir para ilmuwan adalah penemuan neutrino "steril", yang dapat menyusun materi gelap. Namun, sejauh ini upaya untuk mendeteksi mereka juga tidak berhasil.

energi gelap

Sejak ditemukan pada tahun 90an bahwa perluasan Alam Semesta tidaklah konstan, melainkan semakin cepat, maka diperlukan tambahan perhitungan lain, kali ini dengan energi di Alam Semesta. Ternyata untuk menjelaskan percepatan ini, diperlukan energi tambahan (yaitu massa, karena menurut teori relativitas khusus keduanya sama) - yaitu. energi gelap – seharusnya mencakup sekitar 68% alam semesta.

Itu berarti bahwa lebih dari dua pertiga alam semesta terdiri dari... entah apa! Karena, seperti dalam kasus materi gelap, kita belum bisa menangkap atau menjelajahi sifatnya. Beberapa percaya bahwa ini adalah energi ruang hampa, energi yang sama di mana partikel "dari ketiadaan" muncul sebagai akibat dari efek kuantum. Yang lain menyarankan bahwa itu adalah "intisari", kekuatan kelima alam.

Ada juga hipotesis bahwa prinsip kosmologis tidak bekerja sama sekali, Semesta tidak homogen, memiliki kepadatan berbeda di berbagai area, dan fluktuasi ini menciptakan ilusi percepatan ekspansi. Dalam versi ini, masalah energi gelap hanya akan menjadi ilusi.

Einstein memperkenalkan teorinya - dan kemudian menghapus - konsepnya konstanta kosmologisberhubungan dengan energi gelap. Konsep tersebut dilanjutkan oleh para ahli teori mekanika kuantum yang mencoba menggantikan gagasan tentang konstanta kosmologis energi medan vakum kuantum. Namun, teori ini memberi 10¹²⁰ lebih banyak energi daripada yang dibutuhkan untuk memperluas alam semesta pada tingkat yang kita tahu ...

inflasi

Teori inflasi ruang ia menjelaskan banyak hal dengan memuaskan, tetapi menimbulkan masalah kecil (oke, tidak kecil untuk semua orang) - ia menunjukkan bahwa pada periode awal keberadaannya, kecepatan pemuaiannya lebih besar daripada kecepatan cahaya. Hal ini akan menjelaskan struktur benda-benda kosmik yang terlihat saat ini, suhunya, energinya, dll. Namun, faktanya adalah belum ada jejak peristiwa kuno ini yang ditemukan.

Para peneliti di Imperial College London, London dan Universitas Helsinki dan Kopenhagen menjelaskan pada tahun 2014 dalam Physical Review Letters bagaimana gravitasi memberikan stabilitas yang dibutuhkan alam semesta untuk mengalami inflasi parah di awal perkembangannya. Tim menganalisis interaksi antara partikel Higgs dan gravitasi. Para ilmuwan telah menunjukkan bahwa bahkan interaksi kecil dari jenis ini dapat menstabilkan alam semesta dan menyelamatkannya dari bencana.

Grafik kecepatan rotasi galaksi spiral M33

“Model standar fisika partikel elementer, yang digunakan para ilmuwan untuk menjelaskan sifat partikel elementer dan interaksinya, belum menjawab pertanyaan mengapa alam semesta tidak runtuh segera setelah Big Bang,” kata profesor. Artu Rajanti dari Departemen Fisika Imperial College. “Dalam penelitian kami, kami fokus pada parameter Model Standar yang tidak diketahui, yaitu interaksi antara partikel Higgs dan gravitasi. Parameter ini tidak dapat diukur dalam eksperimen akselerator partikel, tetapi memiliki pengaruh yang kuat terhadap ketidakstabilan partikel Higgs selama fase inflasi. Bahkan nilai kecil dari parameter ini sudah cukup untuk menjelaskan tingkat kelangsungan hidup.”

Jaringan materi gelap yang diterangi oleh quasar

Beberapa ahli percaya bahwa inflasi, begitu dimulai, sulit dihentikan. Mereka menyimpulkan bahwa konsekuensinya adalah penciptaan alam semesta baru, yang secara fisik terpisah dari alam semesta kita. Dan proses ini akan terus berlanjut hingga hari ini. Multiverse masih menelurkan alam semesta baru dalam aliran inflasi.

Kembali ke prinsip kecepatan cahaya konstan, beberapa ahli teori inflasi menyarankan bahwa kecepatan cahaya, ya, batas yang ketat, tetapi tidak konstan. Di era awal itu lebih tinggi, memungkinkan untuk inflasi. Sekarang terus turun, tetapi sangat lambat sehingga kita tidak dapat menyadarinya.

Menggabungkan Interaksi

Keseimbangan materi biasa, materi gelap, dan energi gelap saat ini

Model Standar, sementara menyatukan tiga jenis kekuatan alam, tidak menyatukan interaksi yang lemah dan kuat untuk kepuasan semua ilmuwan. Gravitasi berdiri di samping dan belum dapat dimasukkan dalam model umum dengan dunia partikel elementer. Setiap upaya untuk mendamaikan gravitasi dengan mekanika kuantum memasukkan begitu banyak ketidakterbatasan ke dalam perhitungan sehingga persamaan kehilangan nilainya.

teori gravitasi kuantum memerlukan pemutusan hubungan antara massa gravitasi dan massa inersia, yang diketahui dari prinsip ekivalensi (lihat artikel: "Enam Prinsip Alam Semesta"). Pelanggaran prinsip ini merusak bangunan fisika modern. Jadi, teori semacam itu, yang membuka jalan bagi teori mimpi tentang segala sesuatu, juga dapat menghancurkan fisika yang dikenal selama ini.

Meskipun gravitasi terlalu lemah untuk terlihat pada skala kecil interaksi kuantum, ada tempat di mana ia menjadi cukup kuat untuk membuat perbedaan dalam mekanisme fenomena kuantum. Ini lubang hitam. Namun, fenomena yang terjadi di dalam dan di luarnya masih sedikit dipelajari dan dipelajari.

Menyiapkan alam semesta

Model Standar tidak dapat memprediksi besarnya gaya dan massa yang muncul di dunia partikel. Kami belajar tentang jumlah ini dengan mengukur dan menambahkan data ke teori. Para ilmuwan terus-menerus menemukan bahwa perbedaan kecil dalam nilai terukur saja sudah cukup untuk membuat alam semesta terlihat sangat berbeda.

Misalnya, ia memiliki massa terkecil yang dibutuhkan untuk menjaga kestabilan materi dari semua yang kita ketahui. Jumlah materi gelap dan energi secara hati-hati diseimbangkan untuk membentuk galaksi.

Salah satu masalah yang paling membingungkan dalam menyetel parameter alam semesta adalah kelebihan materi dibandingkan antimateriyang memungkinkan segala sesuatu untuk eksis secara stabil. Menurut Model Standar, jumlah materi dan antimateri yang sama harus diproduksi. Tentu saja, dari sudut pandang kami, adalah baik bahwa materi memiliki keuntungan, karena jumlah yang sama menyiratkan ketidakstabilan Semesta, yang diguncang oleh ledakan dahsyat penghancuran kedua jenis materi.

Visualisasi multiverse dengan alam semesta yang mengembang dan menyempit

Masalah pengukuran

keputusan pengukuran objek kuantum berarti runtuhnya fungsi gelombang, yaitu "perubahan" statusnya dari dua (kucing Schrödinger dalam status tak tentu "hidup atau mati") menjadi satu (kita tahu apa yang terjadi pada kucing).

Salah satu hipotesis paling berani terkait masalah pengukuran adalah konsep “banyak dunia”—kemungkinan yang kita pilih saat mengukur. Dunia terpisah setiap saat. Jadi, kita punya dunia di mana kita melihat ke dalam kotak yang ada kucingnya, dan dunia di mana kita tidak melihat ke dalam kotak yang ada kucingnya... Yang pertama, dunia tempat tinggal kucing, atau dunia yang di dalamnya yang tidak dijalaninya, dsb. d.

dia percaya bahwa ada sesuatu yang sangat salah dengan mekanika kuantum, dan pendapatnya tidak bisa dianggap enteng.

Empat interaksi utama