Materia oscura. Seis problemas cosmológicos

Los movimientos de los objetos a escala cósmica obedecen a la vieja teoría de Newton. Sin embargo, el descubrimiento de Fritz Zwicky en la década de 30 y las numerosas observaciones posteriores de galaxias distantes que giran más rápido de lo que indicaría su masa aparente, llevaron a los astrónomos y físicos a calcular la masa de la materia oscura, que no se puede determinar directamente en ningún rango de observación disponible. . a nuestras herramientas. La factura resultó ser muy alta: ahora se estima que casi el 27% de la masa del universo es materia oscura. Esto es más de cinco veces más que la materia "ordinaria" disponible para nuestras observaciones.

Desgraciadamente, las partículas elementales no parecen prever la existencia de las partículas que conformarían esta enigmática masa. Hasta ahora, no hemos podido detectarlos ni generar rayos de alta energía en los aceleradores en colisión. La última esperanza de los científicos era el descubrimiento de neutrinos "estériles", que podrían formar materia oscura. Sin embargo, hasta ahora los intentos de detectarlos tampoco han tenido éxito.

Energía oscura

Dado que se descubrió en la década de 90 que la expansión del universo no es constante, sino que se acelera, se requirió otra adición a los cálculos, esta vez con energía en el universo. Resultó que para explicar esta aceleración, energía adicional (es decir, masas, porque según la teoría especial de la relatividad son lo mismo), es decir, energía oscura - debería constituir alrededor del 68% del universo.

Eso significaría que más de dos tercios del universo está formado por... ¡Dios sabe qué! Porque, como en el caso de la materia oscura, no hemos podido captar ni explorar su naturaleza. Algunos creen que esta es la energía del vacío, la misma energía en la que las partículas "de la nada" aparecen como resultado de los efectos cuánticos. Otros sugieren que es la "quintaesencia", la quinta fuerza de la naturaleza.

También existe la hipótesis de que el principio cosmológico no funciona en absoluto, el Universo no es homogéneo, tiene diferentes densidades en diferentes áreas y estas fluctuaciones crean la ilusión de una expansión acelerada. En esta versión, el problema de la energía oscura sería solo una ilusión.

Einstein introdujo en sus teorías -y luego eliminó- el concepto constante cosmológicaasociado con la energía oscura. El concepto fue continuado por los teóricos de la mecánica cuántica que intentaron reemplazar la noción de la constante cosmológica energía de campo de vacío cuántico. Sin embargo, esta teoría dio 10¹²⁰ más energía de la que se necesita para expandir el universo al ritmo que conocemos...

inflación

Теория inflación espacial explica muchas cosas satisfactoriamente, pero presenta un pequeño (bueno, no para todos pequeño) problema: sugiere que en el período inicial de su existencia, su tasa de expansión fue más rápida que la velocidad de la luz. Esto explicaría la estructura actualmente visible de los objetos espaciales, su temperatura, energía, etc. El punto, sin embargo, es que hasta ahora no se han encontrado rastros de este antiguo evento.

Investigadores del Imperial College London, Londres y las universidades de Helsinki y Copenhague describieron en 2014 en Physical Review Letters cómo la gravedad proporcionó la estabilidad necesaria para que el universo experimentara una inflación severa al principio de su desarrollo. El equipo analizó interacción entre las partículas de Higgs y la gravedad. Los científicos han demostrado que incluso una pequeña interacción de este tipo puede estabilizar el universo y salvarlo de una catástrofe.

Gráfico de la velocidad de rotación de la galaxia espiral M33

“El modelo estándar de física de partículas elementales, que los científicos utilizan para explicar la naturaleza de las partículas elementales y sus interacciones, aún no ha respondido a la pregunta de por qué el Universo no colapsó inmediatamente después del Big Bang”, dijo el profesor. artu rajanti del Departamento de Física del Imperial College. “En nuestro estudio, nos enfocamos en el parámetro desconocido del Modelo Estándar, es decir, la interacción entre las partículas de Higgs y la gravedad. Este parámetro no se puede medir en experimentos con aceleradores de partículas, pero tiene una fuerte influencia en la inestabilidad de las partículas de Higgs durante la fase de inflación. Incluso un pequeño valor de este parámetro es suficiente para explicar la tasa de supervivencia”.

Una red de materia oscura iluminada por un cuásar

Algunos académicos creen que la inflación, una vez que comienza, es difícil de detener. Concluyen que su consecuencia fue la creación de nuevos universos, separados físicamente del nuestro. Y este proceso continuará hasta hoy. El multiverso todavía está generando nuevos universos en una carrera inflacionaria.

Volviendo al principio de la velocidad constante de la luz, algunos teóricos de la inflación sugieren que la velocidad de la luz es, sí, un límite estricto, pero no una constante. En la era temprana era más alto, lo que permitía la inflación. Ahora sigue cayendo, pero tan lentamente que no podemos notarlo.

Combinar interacciones

El balance actual de materia ordinaria, materia oscura y energía oscura

El Modelo Estándar, aunque unifica los tres tipos de fuerzas de la naturaleza, no unifica las interacciones débiles y fuertes a satisfacción de todos los científicos. La gravedad se hace a un lado y aún no puede ser incluida en el modelo general con el mundo de las partículas elementales. Cualquier intento de reconciliar la gravedad con la mecánica cuántica introduce tanto infinito en los cálculos que las ecuaciones pierden su valor.

teoría cuántica de la gravedad requiere una ruptura en la conexión entre la masa gravitacional y la masa inercial, conocida por el principio de equivalencia (ver el artículo: "Seis Principios del Universo"). La violación de este principio socava la construcción de la física moderna. Así, tal teoría, que abre el camino a una teoría de los sueños sobre todo, también puede destruir la física conocida hasta ahora.

Aunque la gravedad es demasiado débil para ser perceptible en las escalas pequeñas de las interacciones cuánticas, hay un lugar donde se vuelve lo suficientemente fuerte como para marcar una diferencia en la mecánica de los fenómenos cuánticos. Este agujeros negros. Sin embargo, los fenómenos que ocurren en su interior y en su periferia son aún poco estudiados y estudiados.

configurando el universo

El Modelo Estándar no puede predecir la magnitud de las fuerzas y masas que surgen en el mundo de las partículas. Aprendemos sobre estas cantidades midiendo y agregando datos a la teoría. Los científicos descubren constantemente que solo una pequeña diferencia en los valores medidos es suficiente para hacer que el universo se vea completamente diferente.

Por ejemplo, tiene la masa más pequeña necesaria para mantener la materia estable de todo lo que conocemos. La cantidad de materia oscura y energía se equilibra cuidadosamente para la formación de galaxias.

Uno de los problemas más desconcertantes con el ajuste de los parámetros del universo es la ventaja de la materia sobre la antimateriaque permite que todo exista de manera estable. Según el Modelo Estándar, se debería producir la misma cantidad de materia y antimateria. Desde luego, desde nuestro punto de vista, es bueno que la materia tenga ventaja, ya que cantidades iguales implican la inestabilidad del Universo, sacudido por violentos estallidos de aniquilación de ambos tipos de materia.

Visualización del multiverso con universos en expansión y contracción

Problema de medición

Solución dimensión objetos cuánticos significa el colapso de la función de onda, es decir, "cambio" de su estado de dos (el gato de Schrödinger en un estado indeterminado de "vivo o muerto") a uno solo (sabemos lo que le pasó al gato).

Una de las hipótesis más audaces relacionadas con el problema de la medición es el concepto de "muchos mundos": las posibilidades entre las que elegimos al medir. Los mundos se están separando a cada instante. Entonces, tenemos un mundo en el que miramos dentro de una caja con un gato, y un mundo en el que no miramos dentro de una caja con un gato... En el primero, el mundo en el que vive el gato, o el que en que no vive, etc. d.

creía que algo andaba profundamente mal con la mecánica cuántica, y su opinión no debía tomarse a la ligera.

Cuatro interacciones principales