Темные материя и энергия.
Надеюсь, что вам не нужно это объяснять, но всё же.
В ходе спектроскопического анализа скорости вращения галактик выясняется, что скорость эта зависит от расстояния до центра галактики не так, как это должно вытекать из распределения видимого вещества.
Желая сохранить прежние уравнения гравитации, которые уж очень хорошо работают во многих других случаях, мы вынуждены предположить, что во вселенной существует масса, не взаимодействующая или во всяком случае очень слабо взаимодействующая с электромагнитным излучением, и что самое интересное, этой массы очень много.
Вообще, более удачным термином была бы «прозрачная материя», потому что тёмное (поглощающее) в телескопы вполне видно. Причём прозрачная во всех диапазонах. Но такой уж термин исторически сложился.
Другая проблема связана с поведением крупномасштабной вселенной. Поскольку в мире есть гравитация, космос не может быть стационарным. Мир должен разлетаться, а гравитация — его тормозить. Но здесь возможно три качественно разных сценария. Либо гравитация в какой-то момент затормозит расширение и обратит его вспять (средняя плотность Вселенной больше порога), либо расширение будет вечно продолжаться с конечной положительной скоростью (средняя плотность Вселенной меньше порога), либо же расширение будет асимптотически замедляться до нуля, но никогда его не достигнет (средняя плотность Вселенной равна пороговому значению).
Потрясающий факт в том, что последний случай, весьма маловероятный если константы Вселенной подстроены только случаем, фактически единственный благоприятствует развитию разумной жизни, к чему мы ещё вернёмся.
Даже не очень большие отклонения от порога привели бы либо к схлопыванию, либо к разлёту вселенной в унылую пыль ещё в далёком прошлом. Наблюдения за прошлым далёких галактик позволяют проверить, по какому же из этих сценариев живёт вселенная.
Случится ли великое сжатие, великий разрыв или мы живём в тонко подстроенной «плоской» Вселенной? Но результаты наблюдений дали странный результат, что реализуется четвёртый случай:
на нынешнем масштабе времени наша Вселенная близка к плоской, но тем не менее она расширяется с ускорением, как будто её масса вообще отрицательна. Такой эффект возможен только при наличии во Вселенной колоссальных количеств некой антигравитирующей субстанции, которую и назвали «тёмной энергией».
Теория всего.
Теорией всего как правило называется физическая теория, которая смогла бы объединить в некую однородную систему все четыре фундаментальных взаимодействия.
После того как стандартная модель смогла объединить электромагнитное взаимодействие со слабым (а ещё прежде электрические и магнитные эффекты были объединены в одну систему электромагнитных), всем очень хочется свести в единое уравнение вообще всё.
На 208 пути присоединения к электрослабому взаимодействию сильного есть довольно многообещающие результаты, а вот с гравитацией беда, потому что она вообще несколько выбивается из квантовой теории. Подробно обо всём этом можно почитать у Вайнберга, но это книжка часов на 6, поэтому если вы её не читали в семестре — будет трудно. Хотя в принципе, вы сами всё это гораздо лучше философов знаете.
Здесь, наверное, стоит упомянуть о суперсимметрии. Если кратно, то вся современная физика частиц построена на разных симметриях: преобразованиях, переводящих одни частицы в другие. Например, u− и d− кварки, а следовательно — и протоны с нейтронами отличаются друг от друга только поворотом в пространстве изоспина. Это симметрия. Так вот, есть гипотеза, что существует специфическая симметрия, переводящая бозоны в фермионы и обратно.
Эта гипотеза предсказывает также существование у каждой частицы так называемого «суперсимметричного партнёра», ну вроде как у каждой частицы есть античастица (но это другое, просто аналогия). Вот эти партнёры должны быть тяжёлыми как родовая травма Гришунина, поэтому если они и есть, найти их трудно.
Одной из главных задач БАКа было их отыскать, но не справился. Может быть, потому что их нет. Может быть, потому что они ещё тяжелее. Суперсимметрия — ещё не теория всего, но она неких шаг на пути к этой теории. Зачем она нам нужна?
Кандидаты на роль тёмной материи.
Мы не знаем, что такое тёмная материя, но у нас есть масса версий. Среди них самые важные:
- Барионная тёмная материя. Это тупо старые звёзды или планеты, которые не светят, и слишком маленькие, чтобы их видеть. Самая простая, но неубедительная версия, потому что не складывается с темпами звездообразования.
- Лёгкие нейтрино. Свойства тёмной материи похожи на свойства нейтрино. Этих ребят тоже хрен поймаешь. Но несмотря на кажущуюся простоту, эта версия при тщательных подсчётах тоже не оправдывает себя.
- Суперсимметричные частицы. Вот поэтому мы о них и говорили. Обнаружение супперсимметричных частиц помогло бы в поисках и тёмной материи, но пока, увы, всё не так однозначно.
- Первичные чёрные дыры. Есть версия, что в первые мгновения от большого взрыва образовался ворох мелких чёрных дыр, которые из-за своих ничтожных размеров больше не подвержены излучению Хоккинга, и потому стабильны.
- И много более извращённых версий, таких как топологические дефекты самого пространства-времени (типа разрывы, складки, всякое такое) и менее интересные наборы гипотетических частиц.
В тёмную энергию кандидатов толком нет, вообще непонятно, что это. Может быть какая-то особая сущность, а может быть и просто неучтённый член в уравнениях ОТО.
Вклады в общую энергию Вселенной:
- Звёзды и планеты 0.4%
- Межгалактический газ 3.6%
- Тёмная материя 22%
- Тёмная энергия 74%.
Заключение
Тот факт, что мы не понимаем 96% нашей Вселенной действительно можно считать проблемой физики. Правда, я не пойму, почему философы, не понимающие 100%, ставят это нам в упрёк.
