Τι είναι η μαύρη ύλη; θεωρία της σκοτεινής ύλης

2024 Συγγραφέας: Henry Conors | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2024-02-12 05:55

Ποιο ήρθε πρώτο: το αυγό ή το κοτόπουλο; Οι επιστήμονες σε όλο τον κόσμο παλεύουν με αυτό το απλό ερώτημα εδώ και δεκαετίες. Ένα παρόμοιο ερώτημα τίθεται για το τι ήταν στην αρχή, τη στιγμή της δημιουργίας του Σύμπαντος. Ήταν όμως αυτή η δημιουργία ή τα σύμπαντα είναι κυκλικά ή άπειρα; Τι είναι η μαύρη ύλη στο διάστημα και σε τι διαφέρει από τη λευκή ύλη; Παραμερίζοντας διάφορα είδη θρησκείας, ας προσπαθήσουμε να προσεγγίσουμε τις απαντήσεις σε αυτά τα ερωτήματα από επιστημονική άποψη. Τα τελευταία χρόνια, οι επιστήμονες έχουν καταφέρει να κάνουν το αδιανόητο. Πιθανώς για πρώτη φορά στην ιστορία, οι υπολογισμοί των θεωρητικών φυσικών συμφωνούσαν με τους υπολογισμούς των πειραματικών φυσικών. Αρκετές διαφορετικές θεωρίες έχουν παρουσιαστεί στην επιστημονική κοινότητα όλα αυτά τα χρόνια. Περισσότερο ή λιγότερο με ακρίβεια, με εμπειρικούς τρόπους, μερικές φορές σχεδόν επιστημονικά, ωστόσο, τα θεωρητικά υπολογισμένα δεδομένα επιβεβαιώθηκαν από πειράματα, μερικά ακόμη και με καθυστέρηση μεγαλύτερη από δώδεκα χρόνια (το μποζόνιο Higgs, για παράδειγμα).

Σκοτεινή ύλη - μαύρη ενέργεια

Υπάρχουν πολλές τέτοιες θεωρίες, για παράδειγμα: Θεωρία Χορδών, Θεωρία Μεγάλης Έκρηξης, Θεωρία Κυκλικού Σύμπαντος, Θεωρία Παράλληλου Σύμπαντος, Τροποποιημένη Νευτώνεια Δυναμική (MOND), F. Hoyle και άλλοι. Ωστόσο, επί του παρόντος, η θεωρία ενός διαρκώς διαστελλόμενου και εξελισσόμενου Σύμπαντος θεωρείται γενικά αποδεκτή, οι θέσεις του οποίου ταιριάζουν καλά στο πλαίσιο της έννοιας του Big Bang. Ταυτόχρονα, σχεδόν εμπειρικά (δηλαδή, εμπειρικά, αλλά με μεγάλες ανοχές και με βάση τις υπάρχουσες σύγχρονες θεωρίες για τη δομή του μικρόκοσμου), ελήφθησαν δεδομένα ότι όλα τα γνωστά σε εμάς μικροσωματίδια αποτελούν μόνο το 4,02% του συνολικού όγκου του ολόκληρη η σύνθεση του Σύμπαντος. Αυτό είναι το λεγόμενο «κοκτέιλ baryon», ή βαρυονική ύλη. Ωστόσο, το μεγαλύτερο μέρος του Σύμπαντος μας (πάνω από το 95%) είναι ουσίες διαφορετικού σχεδίου, διαφορετικής σύνθεσης και ιδιοτήτων. Αυτή είναι η λεγόμενη μαύρη ύλη και μαύρη ενέργεια. Συμπεριφέρονται διαφορετικά: αντιδρούν διαφορετικά σε διάφορα είδη αντιδράσεων, δεν καθορίζονται με τα υπάρχοντα τεχνικά μέσα και παρουσιάζουν ιδιότητες που δεν είχαν εξερευνηθεί στο παρελθόν. Από αυτό μπορούμε να συμπεράνουμε ότι είτε αυτές οι ουσίες υπακούουν σε άλλους νόμους της φυσικής (Μη Νευτώνεια φυσική, λεκτικό ανάλογο της Μη Ευκλείδειας γεωμετρίας), είτε το επίπεδο ανάπτυξης της επιστήμης και της τεχνολογίας βρίσκεται μόνο στο αρχικό στάδιο του σχηματισμού της.

Τι είναι τα βαρυόνια;

Σύμφωνα με το τρέχον μοντέλο ισχυρών αλληλεπιδράσεων κουάρκ-γλουονίων, υπάρχουν μόνο δεκαέξι στοιχειώδη σωματίδια (και η πρόσφατη ανακάλυψη του μποζονίου Χιγκς το επιβεβαιώνει): έξι τύποι (γεύσεις) κουάρκ, οκτώ γκλουόνια και δύο μποζόνια. Τα βαρυόνια είναι βαριά στοιχειώδη σωματίδια με ισχυρή αλληλεπίδραση. Τα πιο διάσημα από αυτά είναι τα κουάρκ, το πρωτόνιο και το νετρόνιο. Οικογένειες τέτοιων ουσιών, που διαφέρουν σετο σπιν, οι μάζες, το «χρώμα» τους, καθώς και οι αριθμοί «μαγείας», «παραξενιάς», είναι ακριβώς τα δομικά στοιχεία αυτού που ονομάζουμε βαρυονική ύλη. Η μαύρη (σκοτεινή) ύλη, που αποτελεί το 21,8% της συνολικής σύνθεσης του Σύμπαντος, αποτελείται από άλλα σωματίδια που δεν εκπέμπουν ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία και δεν αντιδρούν με αυτήν με κανέναν τρόπο. Επομένως, για την άμεση παρατήρηση τουλάχιστον, και ακόμη περισσότερο για την καταχώριση τέτοιων ουσιών, είναι απαραίτητο να κατανοήσουμε πρώτα τη φυσική τους και να συμφωνήσουμε στους νόμους στους οποίους υπακούουν. Πολλοί σύγχρονοι επιστήμονες το κάνουν αυτή τη στιγμή σε ερευνητικά ιδρύματα σε όλο τον κόσμο.

Η πιο πιθανή επιλογή

Ποιες ουσίες θεωρούνται πιθανές; Αρχικά, πρέπει να σημειωθεί ότι υπάρχουν μόνο δύο πιθανές επιλογές. Σύμφωνα με το GR και το SRT (Γενική και Ειδική Σχετικότητα), όσον αφορά τη σύνθεση, αυτή η ουσία μπορεί να είναι τόσο βαρυονική όσο και μη βαρυονική σκοτεινή ύλη (μαύρη). Σύμφωνα με την κύρια θεωρία της Μεγάλης Έκρηξης, οποιαδήποτε υπάρχουσα ύλη αναπαρίσταται με τη μορφή βαρυονίων. Αυτή η διατριβή έχει αποδειχθεί με εξαιρετικά υψηλή ακρίβεια. Προς το παρόν, οι επιστήμονες έχουν μάθει να συλλαμβάνουν σωματίδια που σχηματίζονται ένα λεπτό μετά την έκρηξη της ιδιαιτερότητας, δηλαδή μετά την έκρηξη μιας υπερπυκνής κατάστασης ύλης, με μια μάζα σώματος να τείνει στο άπειρο και τις διαστάσεις του σώματος να τείνουν στο μηδέν. Το σενάριο με τα σωματίδια βαρυονίου είναι το πιο πιθανό, αφού από αυτά αποτελείται το Σύμπαν μας και μέσω αυτών συνεχίζει την διαστολή του. μαύρη ύλη,Σύμφωνα με αυτή την υπόθεση, αποτελείται από βασικά σωματίδια που είναι γενικά αποδεκτά από τη Νευτώνεια φυσική, αλλά για κάποιο λόγο ασθενώς αλληλεπιδρούν με ηλεκτρομαγνητικό τρόπο. Γι' αυτό οι ανιχνευτές δεν τους εντοπίζουν.

Δεν πάει τόσο ομαλά

Αυτό το σενάριο ταιριάζει σε πολλούς επιστήμονες, αλλά υπάρχουν ακόμα περισσότερες ερωτήσεις παρά απαντήσεις. Εάν τόσο η μαύρη όσο και η λευκή ύλη αντιπροσωπεύονται μόνο από βαρυόνια, τότε η συγκέντρωση των ελαφρών βαρυονίων ως ποσοστό των βαρέων, ως αποτέλεσμα της πρωτογενούς πυρηνοσύνθεσης, θα πρέπει να είναι διαφορετική στα αρχικά αστρονομικά αντικείμενα του Σύμπαντος. Και πειραματικά, η παρουσία στον γαλαξία μας ενός ικανοποιητικού αριθμού μεγάλων βαρυτικών αντικειμένων, όπως οι μαύρες τρύπες ή τα αστέρια νετρονίων, σε ισορροπία, δεν έχει αποκαλυφθεί για να εξισορροπήσει τη μάζα του φωτοστέφανου του Γαλαξία μας. Ωστόσο, τα ίδια αστέρια νετρονίων, σκοτεινά γαλαξιακά φωτοστέφανα, μαύρες τρύπες, λευκοί, μαύροι και καφέ νάνοι (άστρα σε διαφορετικά στάδια του κύκλου ζωής τους), πιθανότατα αποτελούν μέρος της σκοτεινής ύλης από την οποία αποτελείται η σκοτεινή ύλη. Η μαύρη ενέργεια μπορεί επίσης να συμπληρώσει την πλήρωσή τους, συμπεριλαμβανομένων των προβλεπόμενων υποθετικών αντικειμένων όπως το preon, το κουάρκ και τα αστέρια Q.

Μη βαρυονικοί υποψήφιοι

Το δεύτερο σενάριο υποδηλώνει μια μη βαρυονική προέλευση. Εδώ, διάφοροι τύποι σωματιδίων μπορούν να λειτουργήσουν ως υποψήφιοι. Για παράδειγμα, τα ελαφρά νετρίνα, η ύπαρξη των οποίων έχει ήδη αποδειχθεί από επιστήμονες. Ωστόσο, η μάζα τους, της τάξης του εκατοστού προς έναδέκα χιλιάδες eV (ηλεκτρόνιο-Volt), πρακτικά τα αποκλείει από πιθανά σωματίδια λόγω του ανέφικτου της απαραίτητης κρίσιμης πυκνότητας. Αλλά τα βαριά νετρίνα, σε συνδυασμό με βαριά λεπτόνια, πρακτικά δεν εκδηλώνονται σε ασθενείς αλληλεπιδράσεις υπό κανονικές συνθήκες. Τέτοια νετρίνα ονομάζονται στείρα· με τη μέγιστη μάζα τους να φτάνει το ένα δέκατο του eV, είναι πιο πιθανό να είναι υποψήφια για σωματίδια σκοτεινής ύλης. Τα αξιόνια και τα κοσμήματα έχουν εισαχθεί τεχνητά σε φυσικές εξισώσεις για την επίλυση προβλημάτων στην κβαντική χρωμοδυναμική και στο τυπικό μοντέλο. Μαζί με ένα άλλο σταθερό υπερσυμμετρικό σωματίδιο (SUSY-LSP), μπορεί κάλλιστα να είναι υποψήφιοι, αφού δεν συμμετέχουν σε ηλεκτρομαγνητικές και ισχυρές αλληλεπιδράσεις. Ωστόσο, σε αντίθεση με τα νετρίνα, εξακολουθούν να είναι υποθετικά, η ύπαρξή τους πρέπει ακόμα να αποδειχθεί.

θεωρία της μαύρης ύλης

Η έλλειψη μάζας στο Σύμπαν οδηγεί σε διαφορετικές θεωρίες σχετικά με αυτό το σκορ, μερικές από τις οποίες είναι αρκετά συνεπείς. Για παράδειγμα, η θεωρία ότι η συνηθισμένη βαρύτητα δεν είναι σε θέση να εξηγήσει την περίεργη και υπερβολικά γρήγορη περιστροφή των αστεριών σε σπειροειδείς γαλαξίες. Με τέτοιες ταχύτητες, απλά θα πετούσαν έξω από αυτό, αν όχι για κάποιο είδος δύναμης συγκράτησης, που δεν είναι ακόμη δυνατό να καταχωρηθεί. Άλλες θέσεις θεωριών εξηγούν την αδυναμία λήψης WIMP (μαζικά ηλεκτροασθενώς αλληλεπιδρώντα σωματίδια-συνεργάτες στοιχειωδών υποσωματιδίων, υπερσυμμετρικά και υπερβαρέα -δηλαδή ιδανικοί υποψήφιοι) σε επίγειες συνθήκες, καθώς ζουν σε n-διάσταση, η οποία είναι διαφορετική από τις τρεις μας διαστάσεων ένα. Σύμφωνα με τη θεωρία Kaluza-Klein, τέτοιες μετρήσεις δεν είναι διαθέσιμες σε εμάς.

Αλλάζοντας αστέρια

Μια άλλη θεωρία περιγράφει πώς αλληλεπιδρούν τα μεταβλητά αστέρια και η μαύρη ύλη μεταξύ τους. Η φωτεινότητα ενός τέτοιου άστρου μπορεί να αλλάξει όχι μόνο λόγω των μεταφυσικών διεργασιών που συμβαίνουν στο εσωτερικό (παλμός, χρωμοσφαιρική δραστηριότητα, εκτόξευση προεξοχής, διαρροές και εκλείψεις σε δυαδικά συστήματα αστεριών, έκρηξη σουπερνόβα), αλλά και λόγω των ανώμαλων ιδιοτήτων της σκοτεινής ύλης.

WARP drive

Σύμφωνα με μια θεωρία, η σκοτεινή ύλη μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως καύσιμο για υποδιαστημικούς κινητήρες διαστημικών σκαφών που λειτουργούν με την υποθετική τεχνολογία WARP (WARP Engine). Δυνητικά, τέτοιοι κινητήρες επιτρέπουν στο πλοίο να κινείται με ταχύτητες που υπερβαίνουν την ταχύτητα του φωτός. Θεωρητικά, είναι σε θέση να κάμψουν τον χώρο μπροστά και πίσω από το πλοίο και να τον μετακινήσουν μέσα σε αυτό ακόμη πιο γρήγορα από ό,τι ένα ηλεκτρομαγνητικό κύμα επιταχύνει στο κενό. Το ίδιο το πλοίο δεν επιταχύνει τοπικά - μόνο το χωρικό πεδίο μπροστά του είναι λυγισμένο. Πολλές ιστορίες φαντασίας χρησιμοποιούν αυτήν την τεχνολογία, όπως το έπος Star Trek.

Ανάπτυξη σε επίγειες συνθήκες

Οι προσπάθειες δημιουργίας και λήψης μαύρης ύλης στη γη δεν έχουν ακόμη επιτυχίες. Επί του παρόντος, διεξάγονται πειράματα στο LHC (Large Andron Collider), ακριβώς όπου καταγράφηκε για πρώτη φορά το μποζόνιο Higgs, καθώς και σε άλλους, λιγότερο ισχυρούς, συμπεριλαμβανομένων γραμμικών επιταχυντών που αναζητούνσταθεροί, αλλά ηλεκτρομαγνητικά ασθενώς αλληλεπιδρώντες εταίροι στοιχειωδών σωματιδίων. Ωστόσο, ούτε photino, ούτε gravitino, ούτε higsino, ούτε sneutrino (neutralino), ούτε άλλα WIMP δεν έχουν ληφθεί ακόμη. Σύμφωνα με μια προκαταρκτική προσεκτική εκτίμηση των επιστημόνων, για να ληφθεί ένα χιλιοστόγραμμο σκοτεινής ύλης σε γήινες συνθήκες, απαιτείται το ισοδύναμο της ενέργειας που καταναλώνεται στις Ηνωμένες Πολιτείες κατά τη διάρκεια του έτους.