Matière noire. Six problèmes cosmologiques

Les mouvements des objets à l'échelle cosmique obéissent à la bonne vieille théorie de Newton. Cependant, la découverte de Fritz Zwicky dans les années 30 et les nombreuses observations ultérieures de galaxies lointaines qui tournent plus vite que leur masse apparente ne l'indiquent, ont incité les astronomes et les physiciens à calculer la masse de matière noire, qui ne peut être déterminée directement dans aucune plage d'observation disponible. . à nos outils. La facture s'est avérée très élevée - on estime aujourd'hui que près de 27% de la masse de l'univers est de la matière noire. C'est plus de cinq fois plus que la matière « ordinaire » dont disposent nos observations.

Malheureusement, les particules élémentaires ne semblent pas prévoir l'existence de particules qui composeraient cette masse énigmatique. Jusqu'à présent, nous n'avons pas été en mesure de les détecter ou de générer des faisceaux de haute énergie dans des accélérateurs en collision. Le dernier espoir des scientifiques était la découverte de neutrinos "stériles", qui pourraient constituer la matière noire. Cependant, jusqu'à présent, les tentatives pour les détecter ont également échoué.

énergie noire

Depuis qu'il a été découvert dans les années 90 que l'expansion de l'univers n'est pas constante, mais s'accélère, un autre ajout aux calculs a été nécessaire, cette fois avec l'énergie dans l'univers. Il s'est avéré que pour expliquer cette accélération, de l'énergie supplémentaire (c'est-à-dire des masses, car selon la théorie de la relativité restreinte, elles sont identiques) - c'est-à-dire énergie noire - devrait représenter environ 68% de l'univers.

Cela signifierait que plus des deux tiers de l'univers sont constitués de… l'enfer sait quoi ! Parce que, comme dans le cas de la matière noire, nous n'avons pas été en mesure de capturer ou d'explorer sa nature. Certains pensent qu'il s'agit de l'énergie du vide, la même énergie à laquelle des particules « à partir de rien » apparaissent à la suite d'effets quantiques. D'autres suggèrent que c'est la "quintessence", la cinquième force de la nature.

Il existe également une hypothèse selon laquelle le principe cosmologique ne fonctionne pas du tout, l'Univers est inhomogène, a des densités différentes dans différentes zones, et ces fluctuations créent l'illusion d'une expansion accélérée. Dans cette version, le problème de l'énergie noire ne serait qu'une illusion.

Einstein a introduit dans ses théories - puis supprimé - le concept constante cosmologiqueassocié à l'énergie noire. Le concept a été poursuivi par les théoriciens de la mécanique quantique qui ont tenté de remplacer la notion de constante cosmologique énergie quantique du champ du vide. Cependant, cette théorie a donné 10¹²⁰ plus d'énergie qu'il n'en faut pour étendre l'univers au rythme que nous connaissons...

l'inflation

Теория inflation de l'espace il explique beaucoup de choses de manière satisfaisante, mais introduit un petit problème (enfin, pas pour tout le monde petit) - il suggère qu'au début de son existence, son taux d'expansion était plus rapide que la vitesse de la lumière. Cela expliquerait la structure actuellement visible des objets spatiaux, leur température, leur énergie, etc. Le fait, cependant, est qu'aucune trace de cet événement ancien n'a été trouvée jusqu'à présent.

Des chercheurs de l'Imperial College de Londres, de Londres, et des universités d'Helsinki et de Copenhague ont décrit en 2014 dans Physical Review Letters comment la gravité a fourni la stabilité nécessaire pour que l'univers connaisse une forte inflation au début de son développement. L'équipe a analysé interaction entre les particules de Higgs et la gravité. Les scientifiques ont montré que même une petite interaction de ce type peut stabiliser l'univers et le sauver d'une catastrophe.

Graphique de la vitesse de rotation de la galaxie spirale M33

"Le modèle standard de la physique des particules élémentaires, que les scientifiques utilisent pour expliquer la nature des particules élémentaires et leurs interactions, n'a pas encore répondu à la question de savoir pourquoi l'Univers ne s'est pas effondré immédiatement après le Big Bang", a déclaré le professeur. Artu Rajanti du département de physique de l'Imperial College. « Dans notre étude, nous nous sommes concentrés sur le paramètre inconnu du modèle standard, c'est-à-dire l'interaction entre les particules de Higgs et la gravité. Ce paramètre ne peut pas être mesuré dans les expériences d'accélérateur de particules, mais il a une forte influence sur l'instabilité des particules de Higgs pendant la phase de gonflage. Même une petite valeur de ce paramètre suffit à expliquer le taux de survie.

Une toile de matière noire éclairée par un quasar

Certains chercheurs pensent que l'inflation, une fois qu'elle a commencé, est difficile à arrêter. Ils concluent que sa conséquence a été la création de nouveaux univers, physiquement séparés du nôtre. Et ce processus se poursuivra jusqu'à aujourd'hui. Le multivers engendre toujours de nouveaux univers dans une ruée vers l'inflation.

Revenant au principe de la vitesse constante de la lumière, certains théoriciens de l'inflation suggèrent que la vitesse de la lumière est, oui, une limite stricte, mais pas une constante. Au début, il était plus élevé, compte tenu de l'inflation. Maintenant, il continue de tomber, mais si lentement que nous ne pouvons pas le remarquer.

Combiner les interactions

L'équilibre actuel de la matière ordinaire, de la matière noire et de l'énergie noire

Le modèle standard, tout en unifiant les trois types de forces de la nature, n'unifie pas les interactions faibles et fortes à la satisfaction de tous les scientifiques. La gravité reste à l'écart et ne peut pas encore être incluse dans le modèle général avec le monde des particules élémentaires. Toute tentative de concilier la gravité avec la mécanique quantique introduit tellement d'infini dans les calculs que les équations perdent leur valeur.

théorie quantique de la gravité nécessite une rupture de la liaison entre la masse gravitationnelle et la masse inertielle, connue du principe d'équivalence (voir l'article : « Les Six Principes de l'Univers »). La violation de ce principe mine la construction de la physique moderne. Ainsi, une telle théorie, qui ouvre la voie à une théorie des rêves sur tout, peut aussi détruire la physique connue jusqu'à présent.

Bien que la gravité soit trop faible pour être perceptible aux petites échelles des interactions quantiques, il existe un endroit où elle devient suffisamment forte pour faire une différence dans la mécanique des phénomènes quantiques. Cette trous noirs. Cependant, les phénomènes se produisant à l'intérieur et à leur périphérie sont encore peu étudiés et étudiés.

Mise en place de l'univers

Le modèle standard ne peut pas prédire l'ampleur des forces et des masses qui surviennent dans le monde des particules. Nous apprenons ces quantités en mesurant et en ajoutant des données à la théorie. Les scientifiques découvrent constamment qu'une petite différence dans les valeurs mesurées suffit à rendre l'univers complètement différent.

Par exemple, il a la plus petite masse nécessaire pour maintenir la matière stable de tout ce que nous connaissons. La quantité de matière noire et d'énergie est soigneusement équilibrée pour la formation des galaxies.

L'un des problèmes les plus déroutants avec le réglage des paramètres de l'univers est l'avantage de la matière sur l'antimatièrequi permet à tout d'exister de manière stable. Selon le modèle standard, la même quantité de matière et d'antimatière devrait être produite. Bien sûr, de notre point de vue, il est bon que la matière ait un avantage, puisque des quantités égales impliquent l'instabilité de l'Univers, secoué par de violentes explosions d'annihilation des deux types de matière.

Visualisation du multivers avec des univers en expansion et en contraction

Problème de mesure

décision mesure objets quantiques signifie l'effondrement de la fonction d'onde, c'est-à-dire le "changement" de leur état de deux (le chat de Schrödinger dans un état indéterminé de "vivant ou mort") à un seul (nous savons ce qui est arrivé au chat).

L'une des hypothèses les plus audacieuses liées au problème de la mesure est le concept de "plusieurs mondes" - les possibilités parmi lesquelles nous choisissons lors de la mesure. Les mondes se séparent à chaque instant. Ainsi, nous avons un monde dans lequel nous regardons dans une boîte avec un chat, et un monde dans lequel nous ne regardons pas dans une boîte avec un chat ... Dans le premier - le monde dans lequel vit le chat, ou celui dans lequel il ne vit pas, etc. d.

il croyait que quelque chose n'allait pas du tout dans la mécanique quantique, et son opinion ne devait pas être prise à la légère.

Quatre interactions principales