Kas yra juodoji medžiaga? tamsiosios materijos teorija

2024 Autorius: Henry Conors | [email protected]. Paskutinį kartą keistas: 2024-02-12 10:30

Kas buvo pirmas: kiaušinis ar vištiena? Viso pasaulio mokslininkai dešimtmečius kovoja su šiuo paprastu klausimu. Panašus klausimas kyla ir apie tai, kas buvo pačioje pradžioje, Visatos kūrimo momentu. Bet ar tai buvo šis kūrinys, ar visatos yra cikliškos ar begalinės? Kas yra juodoji medžiaga erdvėje ir kuo ji skiriasi nuo b altosios? Atmetę įvairias religijas, pabandykime atsakyti į šiuos klausimus moksliniu požiūriu. Per pastaruosius kelerius metus mokslininkams pavyko padaryti neįsivaizduojamą dalyką. Bene pirmą kartą istorijoje fizikų teoriniai skaičiavimai sutapo su eksperimentinių fizikų skaičiavimais. Per daugelį metų mokslo bendruomenei buvo pristatytos kelios skirtingos teorijos. Daugiau ar mažiau tiksliai, empiriniais būdais, kartais kvazimoksliškai, tačiau teoriniai apskaičiuoti duomenys vis dėlto buvo patvirtinti eksperimentais, kai kurie net su vėlavimu daugiau nei keliolika metų (pavyzdžiui, Higso bozonas).

Tamsioji medžiaga – juodoji energija

Yra daug tokių teorijų, pavyzdžiui: stygų teorija, didžiojo sprogimo teorija, ciklinės visatos teorija, lygiagrečios visatos teorija, modifikuota Niutono dinamika (MOND), F. Hoyle ir kiti. Tačiau šiuo metu visuotinai pripažinta laikoma nuolat besiplečiančios ir besivystančios Visatos teorija, kurios tezės puikiai dera į Didžiojo sprogimo koncepcijos rėmus. Tuo pat metu kvaziempiriškai (t. y. empiriškai, bet su didelėmis leistinomis nuokrypomis ir remiantis esamomis šiuolaikinėmis mikrokosmoso sandaros teorijomis) buvo gauti duomenys, kad visos mums žinomos mikrodalelės sudaro tik 4,02% viso kosmoso tūrio. visos Visatos sudėties. Tai vadinamasis „barionų kokteilis“arba barioninė medžiaga. Tačiau didžioji mūsų Visatos dalis (daugiau nei 95%) yra kitokio plano, skirtingos sudėties ir savybių medžiagos. Tai vadinamoji juodoji medžiaga ir juodoji energija. Jie elgiasi skirtingai: skirtingai reaguoja į įvairias reakcijas, nėra fiksuoti esamomis techninėmis priemonėmis ir pasižymi iki tol neištirtomis savybėmis. Iš to galime daryti išvadą, kad arba šios medžiagos paklūsta kitiems fizikos dėsniams (neniutono fizikai, žodiniam neeuklido geometrijos analogui), arba mūsų mokslo ir technikos išsivystymo lygis yra tik pradiniame formavimosi etape.

Kas yra barionai?

Pagal dabartinį stiprios sąveikos kvarko ir gliuono modelį, yra tik šešiolika elementariųjų dalelių (ir neseniai atrastas Higso bozonas tai patvirtina): šeši kvarkų tipai (skoniai), aštuoni gliuonai ir du bozonai. Barionai yra sunkios elementarios dalelės, turinčios stiprią sąveiką. Garsiausi iš jų yra kvarkai, protonai ir neutronai. Tokių medžiagų šeimos, kurios skiriasisukimasis, masės, jų „spalva“, taip pat „užkerėjimo“, „keistumo“skaičiai yra būtent tos, ką vadiname barionine medžiaga, blokai. Juodoji (tamsioji) medžiaga, kuri sudaro 21,8% visos Visatos sudėties, susideda iš kitų dalelių, kurios neskleidžia elektromagnetinės spinduliuotės ir niekaip su ja nereaguoja. Todėl norint bent jau tiesiogiai stebėti tokias medžiagas, o juo labiau registruojant tokias medžiagas, pirmiausia reikia suprasti jų fiziką ir susitarti dėl įstatymų, kuriems jos paklūsta. Daugelis šiuolaikinių mokslininkų šiuo metu tai daro mokslinių tyrimų institutuose visame pasaulyje.

Labiausiai tikėtinas variantas

Kokios medžiagos laikomos galimomis? Pirmiausia reikia pažymėti, kad galimi tik du variantai. Remiantis GR ir SRT (bendrasis ir specialusis reliatyvumas), pagal sudėtį ši medžiaga gali būti ir barioninė, ir nebarioninė tamsioji medžiaga (juodoji). Remiantis pagrindine Didžiojo sprogimo teorija, bet kokia egzistuojanti medžiaga yra pavaizduota barionų pavidalu. Ši disertacija buvo įrodyta itin tiksliai. Šiuo metu mokslininkai išmoko užfiksuoti daleles, susidariusias praėjus minutei po singuliarumo sprogimo, tai yra po supertankios materijos būsenos sprogimo, kai kūno masė linkusi į begalybę, o kūno matmenys siekia nulį. Scenarijus su barioninėmis dalelėmis yra labiausiai tikėtinas, nes būtent iš jų susideda mūsų Visata ir per jas toliau plečiasi. juodoji medžiaga,pagal šią prielaidą jis susideda iš pagrindinių dalelių, kurias visuotinai pripažįsta Niutono fizika, bet kažkodėl silpnai sąveikaujančios elektromagnetiniu būdu. Štai kodėl detektoriai jų neaptinka.

Viskas ne taip sklandžiai

Šis scenarijus tinka daugeliui mokslininkų, tačiau vis tiek yra daugiau klausimų nei atsakymų. Jei juodąją ir b altąją medžiagą vaizduoja tik barionai, tai lengvųjų barionų koncentracija, išreikšta procentais nuo sunkiųjų, dėl pirminės nukleosintezės, pradiniuose Visatos astronominiuose objektuose turėtų skirtis. Ir eksperimentiškai nebuvo nustatyta, kad mūsų galaktikoje yra pakankamai didelių gravitacinių objektų, tokių kaip juodosios skylės ar neutroninės žvaigždės, kad būtų galima subalansuoti mūsų Paukščių Tako aureolės masę. Tačiau tos pačios neutroninės žvaigždės, tamsios galaktikos aureolės, juodosios skylės, b altosios, juodosios ir rudosios nykštukės (žvaigždės skirtinguose jų gyvavimo ciklo etapuose) greičiausiai yra tamsiosios materijos, iš kurios sudaryta tamsioji medžiaga, dalis. Juodoji energija taip pat gali papildyti jų užpildymą, įskaitant numatomus hipotetinius objektus, tokius kaip preonas, kvarkas ir Q žvaigždės.

Nebarioniniai kandidatai

Antrasis scenarijus reiškia ne barioninę kilmę. Čia kaip kandidatės gali veikti kelių tipų dalelės. Pavyzdžiui, lengvieji neutrinai, kurių egzistavimą jau įrodė mokslininkai. Tačiau jų masė yra nuo vienos šimtosios iki vienosdešimties tūkstančių eV (elektronų voltų), praktiškai neįtraukia jas į galimų dalelių, nes nepasiekiamas būtinas kritinis tankis. Tačiau sunkieji neutrinai, suporuoti su sunkiais leptonais, normaliomis sąlygomis praktiškai nepasireiškia silpna sąveika. Tokie neutrinai vadinami steriliais; jų didžiausia masė yra iki dešimtosios eV, todėl labiau tikėtina, kad jie taps tamsiosios medžiagos dalelėmis. Aksionai ir kosmijos buvo dirbtinai įtrauktos į fizines lygtis, siekiant išspręsti kvantinės chromodinamikos ir standartinio modelio problemas. Kartu su kita stabilia supersimetriška dalele (SUSY-LSP) jie gali būti kandidatai, nes nedalyvauja elektromagnetinėje ir stiprioje sąveikoje. Tačiau, skirtingai nei neutrinai, jie vis dar yra hipotetiniai, jų egzistavimą dar reikia įrodyti.

Juodosios medžiagos teorija

Dėl masės trūkumo Visatoje kyla įvairių teorijų apie šį balą, kai kurios iš jų yra gana nuoseklios. Pavyzdžiui, teorija, kad įprasta gravitacija negali paaiškinti keisto ir nepaprastai greito žvaigždžių sukimosi spiralinėse galaktikose. Tokiais greičiais jie tiesiog išskristų iš jo, jei ne kažkokia sulaikymo jėga, kurios dar nepavyksta užregistruoti. Kitos teorijų tezės paaiškina, kad antžeminėmis sąlygomis neįmanoma gauti WIMP (masyvios elektro-silpnai sąveikaujančios dalelės – elementariųjų dalelių partneriai, supersimetriškos ir supersunkios – tai yra idealios kandidatės), nes jos gyvena n matmeniu, kuris skiriasi nuo mūsų trijų. matmenų vienas. Remiantis Kaluza-Klein teorija, tokie matavimai mums neprieinami.

Žvaigždžių keitimas

Kita teorija aprašo, kaip kintamos žvaigždės ir juodoji medžiaga sąveikauja viena su kita. Tokios žvaigždės ryškumas gali keistis ne tik dėl viduje vykstančių metafizinių procesų (pulsacijos, chromosferos aktyvumo, iškilimų išstūmimo, išsiliejimo ir užtemimų dvinarėse žvaigždžių sistemose, supernovos sprogimo), bet ir dėl anomalių tamsiosios medžiagos savybių.

WARP diskas

Remiantis viena teorija, tamsioji medžiaga gali būti naudojama kaip kuras erdvėlaivių, veikiančių pagal hipotetinę WARP technologiją (WARP Engine), pokosminių variklių. Potencialiai tokie varikliai leidžia laivui judėti greičiu, viršijančiu šviesos greitį. Teoriškai jie sugeba išlenkti erdvę priekyje ir už laivo ir joje ją perkelti net greičiau, nei elektromagnetinė banga įsibėgėja vakuume. Pats laivas lokaliai neįsibėgėja – tik prieš jį esantis erdvinis laukas išlinkęs. Daugelyje fantastinių istorijų naudojama ši technologija, pvz., „Star Trek“saga.

Augimas sausumos sąlygomis

Bandymai generuoti ir gauti juodąją medžiagą žemėje dar nebuvo sėkmingi. Šiuo metu eksperimentai atliekami LHC (Large Andron Collider), būtent ten, kur pirmą kartą buvo užfiksuotas Higgso bozonas, taip pat kituose, mažiau galinguose, įskaitant tiesinius greitintuvus, ieškantstabilūs, bet elektromagnetiškai silpnai sąveikaujantys elementariųjų dalelių partneriai. Tačiau nei fototino, nei gravitino, nei higsino, nei sneutrino (neutralino), nei kitų WIMP dar nebuvo gauta. Remiantis preliminariu atsargiu mokslininkų vertinimu, norint gauti vieną miligramą tamsiosios medžiagos antžeminėmis sąlygomis, reikia tiek energijos, kiek JAV suvartojama per metus.