Mikä on musta aine? pimeän aineen teoria

2024 Kirjoittaja: Henry Conors | [email protected]. Viimeksi muokattu: 2024-02-12 06:53

Kumpi oli ensin: muna vai kana? Tiedemiehet kaikkialla maailmassa ovat kamppailleet tämän yksinkertaisen kysymyksen kanssa vuosikymmeniä. Samanlainen kysymys herää siitä, mitä oli aivan alussa, maailmankaikkeuden luomishetkellä. Mutta oliko se tämä luomus vai ovatko universumit syklisiä vai äärettömiä? Mitä on musta aine avaruudessa ja miten se eroaa valkoisesta aineesta? Erilaiset uskonnot syrjään yritetään lähestyä vastauksia näihin kysymyksiin tieteellisestä näkökulmasta. Muutaman viime vuoden aikana tiedemiehet ovat onnistuneet tekemään käsittämättömän. Todennäköisesti ensimmäistä kertaa historiassa teoreettisten fyysikkojen laskelmat yhtyivät kokeellisten fyysikkojen laskelmiin. Tiedeyhteisölle on vuosien varrella esitelty useita erilaisia teorioita. Enemmän tai vähemmän tarkasti, empiirisesti, joskus näennäisesti tieteellisesti, teoreettiset lasketut tiedot kuitenkin vahvistettiin kokein, jotkut jopa yli kymmenen vuoden viiveellä (esimerkiksi Higgsin bosoni).

Pimeä aine - musta energia

Tällaisia teorioita on monia, esimerkiksi: String Theory, Big Bang Theory, Cyclic Universe Theory, Parallel Universe Theory, Modified Newtonin Dynamics (MOND), F. Hoyle ja muut. Tällä hetkellä kuitenkin yleisesti hyväksyttynä pidetään teoriaa jatkuvasti laajenevasta ja kehittyvästä universumista, jonka teesit sopivat hyvin Big Bang -konseptin kehykseen. Samalla saatiin kvasiempiirisesti (eli empiirisesti, mutta suurilla toleransseilla ja perustuen olemassa oleviin nykyaikaisiin teorioihin mikrokosmoksen rakenteesta) tietoa siitä, että kaikki meille tunnetut mikrohiukkaset muodostavat vain 4,02 % kokonaistilavuudesta. koko maailmankaikkeuden koostumus. Tämä on niin kutsuttu "baryoncocktail" tai baryoninen aine. Suurin osa maailmankaikkeudesta (yli 95 %) on kuitenkin aineita, joilla on erilainen suunnitelma, eri koostumus ja ominaisuudet. Tämä on niin kutsuttu musta aine ja musta energia. Ne käyttäytyvät eri tavalla: ne reagoivat eri tavalla erilaisiin reaktioihin, niitä ei ole vahvistettu olemassa olevilla teknisillä keinoilla ja niillä on aiemmin tutkimattomia ominaisuuksia. Tästä voimme päätellä, että joko nämä aineet noudattavat muita fysiikan lakeja (ei-newtonilainen fysiikka, ei-euklidisen geometrian sanallinen analogi), tai tieteen ja teknologian kehitystasomme on vasta muodostumisensa alkuvaiheessa.

Mitä baryonit ovat?

Nykyisen vahvan vuorovaikutuksen kvarkki-gluonimallin mukaan alkuainehiukkasia on vain kuusitoista (ja äskettäinen Higgsin bosonin löytö vahvistaa tämän): kuusi kvarkkityyppiä (makua), kahdeksan gluonia ja kaksi bosonia. Baryonit ovat raskaita alkuainehiukkasia, joilla on vahva vuorovaikutus. Tunnetuimmat niistä ovat kvarkit, protonit ja neutronit. Tällaisten aineiden perheet, jotka eroavat toisistaanpyöritys, massat, niiden "väri", samoin kuin "lumouksen", "outollisuuden" numerot ovat juuri baryonisen aineen rakennuspalikoita. Musta (pimeä) aine, joka muodostaa 21,8% maailmankaikkeuden kokonaiskoostumuksesta, koostuu muista hiukkasista, jotka eivät lähetä sähkömagneettista säteilyä eivätkä reagoi sen kanssa millään tavalla. Siksi ainakin suoraa tarkkailua varten ja vielä enemmän tällaisten aineiden rekisteröintiä varten on ensin ymmärrettävä niiden fysiikka ja sopia laeista, joita ne noudattavat. Monet nykyajan tiedemiehet tekevät tätä tällä hetkellä tutkimuslaitoksissa ympäri maailmaa.

Todennäköisin vaihtoehto

Mitä aineita pidetään mahdollisina? Aluksi on huomattava, että vaihtoehtoja on vain kaksi. GR:n ja SRT:n (General and Special Relativity) mukaan tämä aine voi koostumuksensa suhteen olla sekä baryonista että ei-baryonista pimeää ainetta (mustaa). Alkuräjähdyksen pääteorian mukaan mikä tahansa olemassa oleva aine on edustettuna baryonien muodossa. Tämä opinnäytetyö on todistettu erittäin suurella tarkkuudella. Tällä hetkellä tiedemiehet ovat oppineet vangitsemaan hiukkasia, jotka muodostuvat minuutti singulaarisuuden puhkeamisen jälkeen, eli supertiheän aineen tilan räjähdyksen jälkeen, jolloin kehon massa pyrkii äärettömyyteen ja kehon mitat nollaan. Baryonihiukkasten skenaario on todennäköisin, koska niistä universumimme koostuu ja jatkaa niiden kautta laajentumistaan. musta aine,tämän oletuksen mukaan se koostuu newtonilaisen fysiikan yleisesti hyväksymistä perushiukkasista, jotka ovat jostain syystä heikosti vuorovaikutuksessa sähkömagneettisesti. Tästä syystä ilmaisimet eivät tunnista niitä.

Ei suju niin sujuvasti

Tämä skenaario sopii monille tutkijoille, mutta kysymyksiä on edelleen enemmän kuin vastauksia. Jos sekä mustaa että valkoista ainetta edustavat vain baryonit, niin kevyiden baryonien pitoisuuden prosenttiosuutena raskaista primaarisen nukleosynteesin seurauksena pitäisi olla erilainen universumin alkutähtikohteissa. Eikä kokeellisesti ole havaittu, että galaksissamme on tasapainossa riittävä määrä suuria gravitaatiokohteita, kuten mustia aukkoja tai neutronitähtiä, jotka tasapainottaisivat Linnunrattamme halon massaa. Samat neutronitähdet, tummat galaktiset halot, mustat aukot, valkoiset, mustat ja ruskeat kääpiöt (tähdet elinkaarensa eri vaiheissa) ovat kuitenkin todennäköisesti osa pimeää ainetta, josta pimeä aine koostuu. Musta energia voi myös täydentää niiden täyttöä, mukaan lukien ennustetut hypoteettiset esineet, kuten preon, kvarkki ja Q-tähdet.

Ei-baryoniset ehdokkaat

Toinen skenaario viittaa ei-baryoniseen alkuperään. Tässä usean tyyppiset hiukkaset voivat toimia ehdokkaina. Esimerkiksi kevyet neutriinot, joiden olemassaolon tiedemiehet ovat jo todistaneet. Kuitenkin niiden massa, luokkaa sadasosa yhteenkymmenentuhannen eV (elektronivoltti), sulkee ne käytännössä pois mahdollisista hiukkasista, koska tarvittavaa kriittistä tiheyttä ei saavuteta. Mutta raskaat neutriinot yhdessä raskaiden leptonien kanssa eivät käytännössä ilmene heikkoina vuorovaikutuksina normaaleissa olosuhteissa. Tällaisia neutriinoja kutsutaan steriileiksi; niiden enimmäismassa on jopa eV:n kymmenesosa, joten ne ovat todennäköisemmin ehdokkaita pimeän aineen hiukkasille. Aksionit ja kosmiot on lisätty keinotekoisesti fysikaalisiin yhtälöihin kvanttikromodynamiikan ja standardimallin ongelmien ratkaisemiseksi. Yhdessä toisen stabiilin supersymmetrisen hiukkasen (SUSY-LSP) kanssa ne voivat hyvinkin päteä ehdokkaiksi, koska ne eivät osallistu sähkömagneettiseen ja voimakkaaseen vuorovaikutukseen. Toisin kuin neutriinot, ne ovat kuitenkin edelleen hypoteettisia, ja niiden olemassaolo on vielä todistettava.

Mustan aineen teoria

Massan puute maailmankaikkeudessa synnyttää erilaisia teorioita tästä pisteestä, joista jotkut ovat melko johdonmukaisia. Esimerkiksi teoria, jonka mukaan tavallinen painovoima ei pysty selittämään tähtien outoa ja kohtuuttoman nopeaa pyörimistä spiraaligalakseissa. Tällaisilla nopeuksilla ne yksinkertaisesti lensivät sieltä ulos, ellei jonkinlainen pitovoima, jota ei ole vielä mahdollista rekisteröidä. Muut teorioiden teesit selittävät WIMP-hiukkasten (massiiviset sähköheikosti vuorovaikuttavat hiukkaset - alkeishiukkasten kumppaneita, supersymmetrisiä ja superraskaita - eli ihanteellisia ehdokkaita) mahdottomuus saada maanpäällisissä olosuhteissa, koska ne elävät n-ulotteisessa, joka eroaa meidän kolmiulotteisuudestamme. mittainen yksi. Kaluza-Kleinin teorian mukaan tällaiset mittaukset eivät ole käytettävissämme.

Vaihtuvat tähdet

Toinen teoria kuvaa kuinka muuttuvat tähdet ja musta aine ovat vuorovaikutuksessa toistensa kanssa. Tällaisen tähden kirkkaus voi muuttua paitsi sisällä tapahtuvien metafyysisten prosessien (pulsaatio, kromosfäärin aktiivisuus, näkyvyyden ejektio, spilloverit ja pimennykset kaksoistähtijärjestelmissä, supernovaräjähdys), vaan myös pimeän aineen poikkeavien ominaisuuksien vuoksi.

WARP-asema

Yhden teorian mukaan pimeää ainetta voidaan käyttää hypoteettisella WARP-tekniikalla (WARP Engine) toimivien avaruusalusten polttoaineena. Mahdollisesti tällaiset moottorit antavat aluksen liikkua valonnopeuden ylittävällä nopeudella. Teoriassa ne pystyvät taivuttamaan tilan laivan edessä ja takana ja liikuttamaan sitä jopa nopeammin kuin sähkömagneettinen a alto kiihtyy tyhjiössä. Laiva itsessään ei kiihdy paikallisesti - vain sen edessä oleva tilakenttä on taipunut. Monet fantasiatarinat käyttävät tätä tekniikkaa, kuten Star Trek -saaga.

Kasvu maanpäällisissä olosuhteissa

Yritykset luoda ja hankkia mustaa ainetta maan päällä eivät ole vielä onnistuneet. Tällä hetkellä kokeita suoritetaan LHC:ssä (Large Andron Collider), tarkalleen missä Higgsin bosoni tallennettiin ensimmäisen kerran, sekä muissa, vähemmän tehokkaissa, mukaan lukien lineaariset törmäajat etsimäänstabiileja, mutta sähkömagneettisesti heikosti vuorovaikuttavia alkuainehiukkasten kumppaneita. Kuitenkaan ei ole vielä saatu fototinoa, gravitinoa, higsinoa, sneutrinoa (neutralinoa) eikä muitakaan WIMP:itä. Tiedemiesten alustavan varovaisen arvion mukaan yhden milligramman pimeää ainetta saamiseksi maanpäällisissä olosuhteissa tarvitaan Yhdysvalloissa vuoden aikana kulutetun energian verran.