Рейтинг:  5 / 5

Звезда активнаЗвезда активнаЗвезда активнаЗвезда активнаЗвезда активна
 

Тёмная материя и тёмная энергия: как наука блуждает во тьме

Я уже рассказывал о том, как благодаря физике учёные смогли заглянуть в далёкое прошлое, будущее и открыть многие тайны. Могущество человеческого разума поразительно, однако иногда создаётся ощущение, что чем больше мы узнаём, тем больше вопросов у нас возникает. Вы удивитесь, но на данный момент считается, что наша Вселенная на 96% состоит из тёмной материи и тёмной энергии, которые существуют лишь гипотетически и природа которых нам не ясна! Большая часть Вселенной почти неподвластна нашему пониманию! Но тут ключевое слово «почти». Всё же есть гипотезы, которые в какой-то степени объясняют нам суть этих явлений, и их я рассмотрю в этой статье. 

Darkenergy.png

 

История обнаружения

Пожалуй, у вас возник вопрос: с чего это учёные решили, что во Вселенной есть такая большая скрытая масса? Первым тёмную материю заметил Фриц Цвикки ещё в 1933 году. Он наблюдал за скоплением галактик в Волосах Вероники и пришёл к выводу, что масса видимой части этого скопления намного меньше той, которая должна быть по расчётам. Недостающую массу он назвал тёмной материей. Однако его идея была забыта до 1970 года, в котором существование тёмной материи было доказано. Группа астрономов выяснила, что масса объектов, обращающихся вокруг центра галактик, не уменьшается и даже увеличивается с радиусом, хотя количество звёзд и других объектов с радиусом уменьшается. Так и появилась на свет тёмная материя.

С тёмной энергией всё намного сложнее – это гипотетическая субстанция, которая была введена учёными для объяснения ускорения расширения Вселенной. Она является новым воплощением космологической постоянной, которую Эйнштейн когда-то ввёл в свои уравнения для того, чтобы объяснить статичность Вселенной (а он был уверен в том, что Вселенная не расширяется), и которую он выбросил на свалку истории и назвал своей главной ошибкой, когда было доказано расширение Вселенной. Тёмная энергия было в 1998 году, и она ещё непонятнее, чем тёмная материя, о чём я расскажу позже.

Что такое тёмная материя?

Существует несколько теорий, которые объясняют, что это такое.

1.       Это обычная барионная материя, проще говоря, это объекты, которые сложно увидеть. Это могут быть коричневые карлики, чёрные дыры, большие планеты. Однако, сколько бы их не было, их массы хватит разве что на 5% от массы Вселенной, а масса тёмной материи равна 22%.  

2.       Это нейтрино. Они существуют, они невидимы – почему бы и нет? Но и их масса, к сожалению, слишком мала – максимум 3% от массы Вселенной. 

3.       Это аксионы. Их массы может хватить для объяснения явления тёмной материи, но их недостатком является их гипотетичность. Они были введены в квантовую физику для того, чтобы объяснить нарушение СР-симметрии. Дело в том, что в физике элементарных частиц важную роль играют принципы симметрии. Суть этих принципов: если заменить все частицы на античастицы, инверсировать знаки всех пространственных координат или обратить время вспять, то законы физики должны сохраняться. Первая симметрия обозначается буквой С (charge — заряд), вторая — Р (parity — четность), третья — Т (time — время). Иногда в квантовой физике рассматривают несколько преобразований. Была обнаружена проблема: в теории, если совершить CP-преобразование (т.е заменить частицы на античастицы и инверсировать знаки пространственных координат), то нарушатся сильные ядерные взаимодействия. При этом эксперименты не обнаружили такого нарушения. Всё бы ничего, но выяснилось, что если бы сильные ядерные взаимодействия не нарушились при CP-преобразовании, которое произошло во время Большого Взрыва, то во Вселенной было бы поровну материи и антиматерии, что означало бы аннигиляцию всех частиц во Вселенной, а это уже серьёзно. Тогда для объяснения этих несоответствий была создана теория Печчеи-Квинн. Про неё я не смог найти понятной информации, но, в любом случае, для того, чтобы эта теория работала, необходимо существование новой частицы – аксиона. Аксион обладает замечательной способностью превращаться в фотоны и обратно, что позволяет доказать его существование. По идее, аксионы должны распадаться на фотоны ещё в горячем ядре Солнца, и доходить до Земли они должны в виде рентгеновских лучей. Однако в космосе есть много других источников рентгеновского излучения, например, взрывы сверхновых, и отличить аксионное излучение от излучения, появившегося другим путём, очень сложно. К тому же они взаимодействуют с магнитным полем, что означает, что их можно поймать в магнитную ловушку. Пока существование аксионов остаётся лишь гипотезой, но если она подтвердится, то будут решены сразу два важных вопроса физики: «Что такое тёмная материя?» и «Почему при Большом Взрыве количество материи превысило количество антиматерии?». 

4.       Это WIMP (Weakly Interacting Massive Particle, или слабовзаимодействующая массивная частица). Вимпы являются ещё более гипотетическими частицами, чем аксионы – они имеют огромную для частиц массу, проходят через нас каждую секунду, однако взаимодействуют с этим бренным миров только через гравитацию да слабые ядерные взаимодействия, что делает их обнаружение крайне сложным. Единственный способ доказать их существование – зарегистрировать точное попадание вимпа в обычную частицу, при котором выделяются фотоны. Вероятность такого события очень мала, что делает обнаружение аксионов очень сложным. На данный момент учёные смогли лишь поточнее определить её массу. 

5.       Это частицы Калуцы-Клейна. Они являются порождениями теории Калуцы-Клейна. Ещё в 1919 году малоизвестный математик Теодор Калуца написал Эйнштейну письмо, в котором предложил оригинальный способ объединения теории гравитации Эйнштейна с теорией света Максвелла – введение пятого измерения. Эйнштейн отправил эту статью на публикацию в Прусскую академию наук. Позже её дополнил Оскар Клейн – он доказал, что пятое измерение, в теории, может существовать. Эта теория объединила гравитацию и электромагнетизм, стала первой успешной теорией объединения и нашла своё применение в теории струн, которая к этим пяти измерениям добавила ещё 6. Что касается частиц, то они имеют массу в 440-660 раз больше массы протона, и это всё, что можно о них сказать. Они скрыты в пятом измерении, однако их существование можно доказать экспериментальным путём, так как при распаде они должны образовывать нейтрино и фотоны. Следы такого распада ищут в Большом Адроном Коллайдере.  

Впрочем, вряд ли тёмная материя состоит из чего-то одного, и в ней есть всего понемножку: и плохо видимые объекты, и нейтрино, и гипотетические частицы.

.jpg

Тёмная энергия

Как я и говорил, про тёмную энергию мы знаем ещё меньше, чем про тёмную материю. Она может быть особым полем, вроде электрического. Возможно, что тёмной энергией является энергия колебания вакуума. А может быть, это просто неизвестное свойство гравитации. Да и возможно, что никакой тёмной энергии не существует – на самом деле ускорение расширения Вселенной является следствием неустойчивости уравнений Фридмана (человека, который открыл расширение Вселенной, решив уравнения Эйнштейна без космологической постоянной). Неустойчивость уравнений – это когда при небольшом изменении параметров системы результат решения уравнения может быть совершенно другим. Математики Джоэль Смоллер, Блейк Темпл и Зик Воглер доказали, что уравнения Фридмана неустойчивы относительно изменения средней плотности Вселенной. То есть, при небольшом изменении средней плотности вещества во Вселенной уравнения могут преобразоваться таким образом, что Вселенная станет расширяться с ускорением. Гипотезу, которую выдвинули математики, можно подтвердить – в их модели скорость расширения Вселенной ведёт себя иначе, чем ей предписывается тёмной энергией.

Край познания

Я понимаю, что статья довольно сложна для восприятия. Кое-что не понял я, многое не знают сами учёные. Мы с вами только что побывали на периферии науки, на которой трудятся самые выдающиеся умы человечества. Мы побывали на краю познания мира. Этот край состоит из очень ненадёжной материи – гипотез. В любой момент они могут быть опровергнуты и заменены на новые. Или же они могут подтвердиться и стать полноценной частью человеческого знания. Наука постоянно меняется, расширяет свои границы и эволюционирует под действием новых фактов. В ней всё может быть поставлено под сомнение – вплоть до основ, и благодаря этому наука постепенно приближается к истине, а не ударяется в мракобесие. Поэтому научное мышление – это критическое мышление. Берите пример с учёных, и никогда не верьте тому, у чего нет надёжного подтверждения.

 

Для amp версии:

 

Поделиться в вк

 

Поделиться в фейсбуке

 

Поделиться в одноклассниках

 

Поделиться в твиттере

 

Поделиться в телеграме