Zostań w domu, zamów taniej!
Nie wychodź z domu i zamów online swoje ulubione pisma 20% taniej. Skorzystaj z kodu rabatowego: czytajwdomu

Ciemna materia. Sześć problemów kosmologicznych

Ciemna materia. Sześć problemów kosmologicznych
Ruchami obiektów w skali kosmicznej rządzi stara dobra teoria Newtona. Jednak odkrycie Fritza Zwicky’ego z lat 30. XX wieku i późniejsze wielokrotne obserwacje odległych galaktyk, które obracają się szybciej, niż wskazywałaby na to ilość ich widocznej masy, skłoniły astronomów i fizyków do doliczenia do rachunku masy ciemnej materii, której bezpośrednio nie da się zidentyfikować w żadnym dostępnym naszym przyrządom zakresie obserwacji. Rachunek wyszedł bardzo wysoki - jak obecnie się szacuje, prawie 27% masy Wszechświata stanowi ciemna materia. To ponad pięć razy więcej niż dostępna naszym obserwacjom "zwykła" materia.

Niestety, wygląda na to, że Model Standardowy cząstek elementarnych nie przewiduje istnienia takich, które tworzyłyby tę tajemniczą masę. Nie udaje się nam, jak do tej pory, ani ich detekcja, ani wytworzenie w zderzeniach wysokoenergetycznych wiązek w akceleratorach. Najnowszą nadzieją naukowców stanowiło wykrycie „sterylnych” neutrin, które mogłyby tworzyć ciemną materię. Na razie jednak próby ich detekcji również się nie powiodły.

 

Ciemna energia

Fritz Zwicky
Fritz Zwicky

Ponieważ w latach 90. ubiegłego wieku odkryto, że ekspansja Wszechświata nie jest stała, lecz przyspiesza, potrzebne było kolejne dodawanie do rachunku, tym razem energii we Wszechświecie. Okazało się, że aby wytłumaczyć to przyspieszenie, dodatkowej energii (czyli masy, bo zgodnie ze szczególną teorią względności są one tym samym) - tzn. ciemnej energii - musi być we Wszechświecie ok. 68%.

Oznaczałoby to, że ponad dwie trzecie Wszechświata składa się z… nie wiadomo czego! Bo podobnie jak ciemnej materii, owej tajemniczej energii nie udało nam się ani nakryć, ani zbadać jej natury. Jedni uważają, że to energia próżni, tej samej, w której wskutek efektów kwantowych pojawiają się cząstki "z niczego". Inni spekulują, że chodzi o "kwintesencję", piątą siłę natury.

Jest też hipoteza głosząca, że zasada kosmologiczna wcale nie obowiązuje, Wszechświat nie jest jednorodny, ma różną gęstość w różnych obszarach i fluktuacje te wytwarzają iluzję przyspieszania ekspansji. W takiej opcji problem ciemnej energii byłby jedynie złudzeniem.

Einstein wprowadził do swoich teorii - a potem wycofał - pojęcie stałej kosmologicznej, kojarzące się z ciemną energią. Koncepcję kontynuowali teoretycy mechaniki kwantowej, którzy próbowali zamienić pojęcie stałej kosmologicznej na energię pola kwantowego próżni. Jednak teoria ta dawała z kolei 10120 więcej energii, niż potrzeba do ekspansji Wszechświata w znanym nam tempie...

 

Inflacja

Teoria kosmicznej inflacji zadowalająco tłumaczy sporo rzeczy, przynosi jednak pewien drobny (no dobrze, nie dla każdego drobny) problem - zakłada, że we wczesnym okresie istnienia Wszechświata tempo jego rozszerzania się było większe niż prędkość światła. To wyjaśniałoby co prawda widoczną obecnie strukturę kosmicznych obiektów, ich temperaturę, energię itp. Rzecz jednak w tym, że na razie nie znaleziono żadnych śladów tego przedwiecznego wydarzenia.

Uczeni z londyńskiego Imperial College London oraz Uniwersytetów w Helsinkach i Kopenhadze opisali w 2014 r. na łamach magazynu "Physical Review Letters", jak grawitacja zapewniła stabilność potrzebną, by Wszechświat przetrwał gwałtowną inflację na wczesnym etapie swego rozwoju. Zespół analizował interakcję pomiędzy cząstkami Higgsa i grawitacją. Uczeni wykazali, że nawet niewielka interakcja tego typu była w stanie ustabilizować Wszechświat i uchronić go przed katastrofą.

Wykres prędkości rotacji dla galaktyki spiralnej M33
Wykres prędkości rotacji dla galaktyki spiralnej M33

"Model Standardowy fizyki cząstek, który naukowcy wykorzystują do wyjaśnienia natury cząstek elementarnych i ich oddziaływań, do tej pory nie dostarczył odpowiedzi na to, dlaczego Wszechświat nie zapadł się zaraz po Wielkim Wybuchu", zauważył w publikacji prof. Arttu Rajantie z Wydziału Fizyki Imperial College. "W naszych badaniach skupiliśmy się na nieznanym parametrze Modelu Standardowego, czyli na interakcji między cząstkami Higgsa a grawitacją. Ten parametr nie może być mierzony w doświadczeniach z wykorzystaniem akceleratora cząstek, ale ma duży wpływ na niestabilność cząstek Higgsa podczas fazy inflacji. Nawet niewielka wartość tego parametru wystarczy, by wyjaśnić przetrwanie Wszechświata".

 

Sieć ciemnej materii oświetlona przez kwazar

Niektórzy uczeni uważają, że inflacja, jeśli już się zacznie, jest trudna do zatrzymania. Wnioskują, że jej konsekwencją było powstanie kolejnych wszechświatów, oderwanych fizycznie od naszego. I proces ten miałby trwać do dziś. Multiwersum wciąż pączkuje kolejnym wszechświatami w inflacyjnym pędzie.

Wracając do zasady stałej prędkości światła, niektórzy zwolennicy teorii inflacji spekulują, że prędkość światła, owszem, stanowi nieprzekraczalny limit, ale nie jest stała. W epoce wczesnego Wszechświata była wyższa, co pozwoliło na inflację. Teraz ciągle spada, lecz w tempie tak powolnym, że nie umiemy tego zarejestrować.

 

Unifikacja oddziaływań

Obecny bilans zwykłej materii, ciemnej materii i ciemnej energii
Obecny bilans zwykłej materii, ciemnej materii i ciemnej energii

Model Standardowy, choć łączy trzy rodzaje sił natury, nie unifikuje oddziaływań słabych i silnych w zadowalający wszystkich uczonych sposób. Grawitacja stoi z boku i na razie w żaden sposób nie daje się włączyć do wspólnego modelu ze światem cząstek elementarnych. Wszelkie próby pogodzenia grawitacji z mechaniką kwantową dają w rachunkach tyle nieskończoności, że równania tracą wartość.

Kwantowa teoria grawitacji wymaga złamania związku masy grawitacyjnej z masą inercyjną, znanego z zasady równoważności (patrz artykuł: "Sześć zasad Wszechświata"). Rozbicie tej zasady podkopuje gmach współczesnej fizyki. Zatem taka teoria, otwierając drogę do wymarzonej teorii wszystkiego, może zniszczyć zarazem fizykę znaną dotychczas.

Choć grawitacja jest zbyt słaba, aby w małych skalach kwantowych oddziaływań mogła być zauważalna, istnieje miejsce, gdzie staje się na tyle silna, że może mieć znaczenie w mechanice zjawisk kwantowych. To czarne dziury. Jednak zjawiska, które zachodzą wewnątrz nich i na ich obrzeżach, są wciąż mało znane i rozumiane.

 

Dostrojenie Wszechświata

Model Standardowy nie potrafi przewidzieć wielkości sił i mas powstających w świecie cząstek. Dowiadujemy się o tych wielkościach za pomocą pomiaru i dołączamy dane do teorii. Naukowcy cały czas odkrywają, iż wystarczyłyby niewielkie różnice w mierzonych wielkościach, aby Wszechświat był zupełnie inny.

Przykładowo, bozon Higgsa ma najmniejszą masę, wymaganą do utrzymania materii wszystkiego, co znamy w stanie stabilnym. Ilości ciemnej materii i energii są zbalansowane dokładnie tak, aby mogły powstać galaktyki.

Jednym z najbardziej zagadkowych problemów związanych z dostrojeniem parametrów Wszechświata jest przewaga materii nad antymaterią, która pozwala na stabilne istnienie wszystkiego. Według Modelu Standardowego materii i antymaterii powinno powstawać tyle samo. Oczywiście z naszego punktu widzenia to dobrze, że materia ma przewagę, gdyż równe ilości oznaczałyby brak stabilności Wszechświata wstrząsanego gwałtownymi wybuchami anihilacji obu rodzajów materii.

Wizualizacja multiwszechświata z ekspandującymi i kurczącymi się wszechświatami

Wizualizacja multiwszechświata z ekspandującymi i kurczącymi się wszechświatami

 

Problem pomiaru

Decyzja pomiaru obiektów kwantowych oznacza kolaps funkcji falowej, a inaczej mówiąc "zmianę" ich stanu, z dwojakiego (kot Schrödingera w stanie nieokreślonym "żywym-lub-martwym") na jednoznaczny (wiemy, co się stało z kotem).

Jedną ze śmielszych hipotez związanych z problemem pomiaru jest koncepcja "wielu światów" - możliwości, spośród których wybieramy, dokonując pomiaru. W każdej chwili następuje rozdzielenie światów. Mamy więc świat, w którym zaglądamy do pudełka z kotem i świat, w którym nie zaglądamy do pudełka z kotem... W tym pierwszym zaś - świat, w którym kot żyje, lub taki, w którym nie żyje itd.

Einstein uważał, że coś jest głęboko nie tak z mechaniką kwantową i jego opinii nie sposób zlekceważyć.

Cztery podstawowe oddziaływania