რა არის შავი მატერია? ბნელი მატერიის თეორია

2024 ავტორი: Henry Conors | [email protected]. ბოლოს შეცვლილი: 2024-02-12 09:39

რომელი იყო პირველი: კვერცხი თუ ქათამი? მეცნიერები მთელ მსოფლიოში ათწლეულების განმავლობაში ებრძვიან ამ მარტივ კითხვას. მსგავსი კითხვა ჩნდება იმის შესახებ, თუ რა იყო თავიდანვე, სამყაროს შექმნის მომენტში. მაგრამ იყო ეს, ეს ქმნილება, თუ სამყაროები ციკლურია თუ უსასრულო? რა არის შავი მატერია სივრცეში და რით განსხვავდება იგი თეთრი მატერიისგან? სხვადასხვა სახის რელიგია რომ გადავდოთ, შევეცადოთ ამ კითხვებზე პასუხებს მეცნიერული თვალსაზრისით მივუდგეთ. ბოლო რამდენიმე წლის განმავლობაში მეცნიერებმა შეძლეს წარმოუდგენელი რამის გაკეთება. ალბათ ისტორიაში პირველად, თეორიული ფიზიკოსების გამოთვლები ეთანხმებოდა ექსპერიმენტული ფიზიკოსების გამოთვლებს. წლების განმავლობაში სამეცნიერო საზოგადოებას წარედგინა რამდენიმე განსხვავებული თეორია. მეტ-ნაკლებად ზუსტად, ემპირიული გზებით, ზოგჯერ კვაზიმეცნიერულად, თუმცა, თეორიული გამოთვლილი მონაცემები მაინც დადასტურდა ექსპერიმენტებით, ზოგიც კი ათზე მეტი წლის დაგვიანებით (მაგალითად, ჰიგსის ბოზონი).

ბნელი მატერია - შავი ენერგია

არის ბევრი ასეთი თეორია, მაგალითად: სიმების თეორია, დიდი აფეთქების თეორია, ციკლური სამყაროს თეორია, პარალელური სამყაროს თეორია, მოდიფიცირებული ნიუტონის დინამიკა (MOND), F.ჰოილი და სხვები. თუმცა, ამჟამად ზოგადად მიღებულად ითვლება მუდმივად გაფართოებული და განვითარებადი სამყაროს თეორია, რომლის თეზისები კარგად ჯდება დიდი აფეთქების კონცეფციის ფარგლებში. ამავდროულად, კვაზი-ემპირიულად (ანუ ემპირიულად, მაგრამ დიდი ტოლერანტობით და მიკროკოსმოსის სტრუქტურის არსებული თანამედროვე თეორიების საფუძველზე), მიღებული იქნა მონაცემები, რომ ჩვენთვის ცნობილი ყველა მიკრონაწილაკი შეადგენს მთლიანი მოცულობის მხოლოდ 4,02%-ს. სამყაროს მთელი შემადგენლობა. ეს არის ეგრეთ წოდებული "ბარიონის კოქტეილი", ანუ ბარიონული მატერია. თუმცა, ჩვენი სამყაროს უმეტესი ნაწილი (95%-ზე მეტი) განსხვავებული გეგმის, განსხვავებული შემადგენლობისა და თვისებების ნივთიერებებია. ეს არის ეგრეთ წოდებული შავი მატერია და შავი ენერგია. ისინი განსხვავებულად იქცევიან: ისინი განსხვავებულად რეაგირებენ სხვადასხვა სახის რეაქციაზე, არ ფიქსირდება არსებული ტექნიკური საშუალებებით და ავლენენ ადრე შეუსწავლელ თვისებებს. აქედან შეგვიძლია დავასკვნათ, რომ ან ეს ნივთიერებები ემორჩილებიან ფიზიკის სხვა კანონებს (არა-ნიუტონის ფიზიკა, არაევკლიდური გეომეტრიის ვერბალური ანალოგი), ან მეცნიერებისა და ტექნოლოგიების ჩვენი განვითარების დონე მხოლოდ მისი ფორმირების საწყის ეტაპზეა.

რა არის ბარიონები?

მძლავრი ურთიერთქმედების კვარკ-გლუონის ამჟამინდელი მოდელის მიხედვით, არსებობს მხოლოდ თექვსმეტი ელემენტარული ნაწილაკი (და ამას ადასტურებს ჰიგსის ბოზონის ბოლო აღმოჩენა): კვარკების ექვსი ტიპი (არომატი), რვა გლუონი და ორი ბოზონი. ბარიონები არის მძიმე ელემენტარული ნაწილაკები ძლიერი ურთიერთქმედებით. მათგან ყველაზე ცნობილია კვარკები, პროტონი და ნეიტრონი. ასეთი ნივთიერებების ოჯახები, რომლებიც განსხვავდებასპინი, მასები, მათი "ფერი", ისევე როგორც "მოჯადოების", "უცნაურობის" რიცხვები სწორედ ისაა, რასაც ჩვენ ბარიონულ მატერიას ვუწოდებთ. შავი (ბნელი) მატერია, რომელიც შეადგენს სამყაროს მთლიანი შემადგენლობის 21,8%-ს, შედგება სხვა ნაწილაკებისგან, რომლებიც არ ასხივებენ ელექტრომაგნიტურ გამოსხივებას და არანაირად არ რეაგირებენ მასთან. ამიტომ, ყოველ შემთხვევაში, პირდაპირი დაკვირვებისთვის და მით უმეტეს, ასეთი ნივთიერებების რეგისტრაციისთვის, საჭიროა ჯერ მათი ფიზიკის გააზრება და იმ კანონების შეთანხმება, რომლებსაც ისინი ემორჩილებიან. ბევრი თანამედროვე მეცნიერი ამჟამად აკეთებს ამას მსოფლიოს კვლევით ინსტიტუტებში.

ყველაზე სავარაუდო ვარიანტი

რა ნივთიერებები განიხილება შესაძლებლად? დასაწყისისთვის, უნდა აღინიშნოს, რომ არსებობს მხოლოდ ორი შესაძლო ვარიანტი. GR-ისა და SRT-ის (ზოგადი და სპეციალური ფარდობითობა) მიხედვით, შემადგენლობის თვალსაზრისით, ეს ნივთიერება შეიძლება იყოს როგორც ბარიონული, ასევე არაბარიონული ბნელი მატერია (შავი). დიდი აფეთქების მთავარი თეორიის მიხედვით, ნებისმიერი არსებული მატერია წარმოდგენილია ბარიონის სახით. ეს დისერტაცია დადასტურებულია ძალიან მაღალი სიზუსტით. ამჟამად მეცნიერებმა ისწავლეს სინგულარობის აფეთქებიდან ერთი წუთის შემდეგ წარმოქმნილი ნაწილაკების დაჭერა, ანუ მატერიის ზემკვრივი მდგომარეობის აფეთქების შემდეგ, სხეულის მასით უსასრულობისკენ მიდრეკილი და სხეულის ზომები ნულისკენ. ბარიონის ნაწილაკების სცენარი ყველაზე სავარაუდოა, რადგან სწორედ მათგან შედგება ჩვენი სამყარო და მათი მეშვეობით აგრძელებს გაფართოებას. შავი მატერია,ამ ვარაუდის თანახმად, იგი შედგება ნიუტონის ფიზიკის მიერ ზოგადად მიღებული ძირითადი ნაწილაკებისგან, მაგრამ რატომღაც სუსტად ურთიერთქმედებენ ელექტრომაგნიტური გზით. ამიტომაც დეტექტორები მათ ვერ ამჩნევენ.

ეს არც ისე მშვიდად მიდის

ეს სცენარი ბევრ მეცნიერს უხდება, მაგრამ ჯერ კიდევ უფრო მეტი კითხვაა, ვიდრე პასუხები. თუ შავი და თეთრი მატერია წარმოდგენილია მხოლოდ ბარიონებით, მაშინ მსუბუქი ბარიონების კონცენტრაცია მძიმეების პროცენტულად, პირველადი ნუკლეოსინთეზის შედეგად, განსხვავებული უნდა იყოს სამყაროს საწყის ასტრონომიულ ობიექტებში. და ექსპერიმენტულად, ჩვენს გალაქტიკაში წონასწორობის საკმარისი რაოდენობის დიდი გრავიტაციული ობიექტების არსებობა, როგორიცაა შავი ხვრელები ან ნეიტრონული ვარსკვლავები, არ გამოვლენილა ჩვენი ირმის ნახტომის ჰალოს მასის დასაბალანსებლად. თუმცა, იგივე ნეიტრონული ვარსკვლავები, ბნელი გალაქტიკური ჰალოები, შავი ხვრელები, თეთრი, შავი და ყავისფერი ჯუჯები (ვარსკვლავები მათი ცხოვრების ციკლის სხვადასხვა ეტაპზე), სავარაუდოდ, ბნელი მატერიის ნაწილია, საიდანაც ბნელი მატერია შედგება. შავ ენერგიას ასევე შეუძლია შეავსოს მათი შევსება, მათ შორის სავარაუდო ჰიპოთეტური ობიექტები, როგორიცაა პრეონი, კვარკი და Q ვარსკვლავები.

არაბარიონული კანდიდატები

მეორე სცენარი გულისხმობს არაბარიონულ წარმოშობას. აქ რამდენიმე ტიპის ნაწილაკს შეუძლია იმოქმედოს როგორც კანდიდატი. მაგალითად, მსუბუქი ნეიტრინოები, რომელთა არსებობა მეცნიერებმა უკვე დაამტკიცეს. თუმცა, მათი მასა, მეასედიდან ერთამდეათი ათასი ევ (ელექტრონ-ვოლტი), პრაქტიკულად გამორიცხავს მათ შესაძლო ნაწილაკებისგან აუცილებელი კრიტიკული სიმკვრივის მიუღწევლობის გამო. მაგრამ მძიმე ნეიტრინოები, მძიმე ლეპტონებთან დაწყვილებული, პრაქტიკულად არ ვლინდება სუსტი ურთიერთქმედებით ნორმალურ პირობებში. ასეთ ნეიტრინოებს სტერილურს უწოდებენ; მათი მაქსიმალური მასით eV-ის მეათედამდე, ისინი უფრო სავარაუდოა, რომ იყვნენ ბნელი მატერიის ნაწილაკების კანდიდატები. აქსიონები და კოსმიონები ხელოვნურად იქნა შეყვანილი ფიზიკურ განტოლებებში კვანტურ ქრომოდინამიკაში და სტანდარტულ მოდელში ამოცანების გადასაჭრელად. სხვა მდგრად სუპერსიმეტრიულ ნაწილაკთან ერთად (SUSY-LSP), ისინი შეიძლება კვალიფიცირებულნი იყვნენ როგორც კანდიდატები, რადგან ისინი არ მონაწილეობენ ელექტრომაგნიტურ და ძლიერ ურთიერთქმედებებში. თუმცა, ნეიტრინოებისგან განსხვავებით, ისინი ჯერ კიდევ ჰიპოთეტურია, მათი არსებობა ჯერ კიდევ დასამტკიცებელია.

შავი მატერიის თეორია

სამყაროში მასის ნაკლებობა წარმოშობს სხვადასხვა თეორიებს ამ კუთხით, რომელთაგან ზოგიერთი საკმაოდ თანმიმდევრულია. მაგალითად, თეორია, რომ ჩვეულებრივ გრავიტაციას არ შეუძლია ახსნას სპირალურ გალაქტიკებში ვარსკვლავების უცნაური და უზომოდ სწრაფი ბრუნვა. ასეთი სიჩქარით ისინი უბრალოდ გაფრინდნენ მისგან, რომ არა რაიმე სახის დამჭერი ძალა, რომლის რეგისტრაცია ჯერაც შეუძლებელია. თეორიების სხვა თეზისები ხსნის WIMP-ების (მასიური ელექტროსუსტად ურთიერთქმედების ნაწილაკები - ელემენტარული ქვენაწილაკების პარტნიორები, სუპერსიმეტრიული და სუპერმძიმეები - ანუ იდეალური კანდიდატები) მიღების შეუძლებლობას ხმელეთის პირობებში, რადგან ისინი ცხოვრობენ n-განზომილებაში, რომელიც განსხვავდება ჩვენი სამგან. განზომილებიანი ერთი.კალუზა-კლეინის თეორიის მიხედვით, ასეთი გაზომვები ჩვენთვის მიუწვდომელია.

ცვალებადი ვარსკვლავები

სხვა თეორია აღწერს, თუ როგორ ურთიერთქმედებენ ცვლადი ვარსკვლავები და შავი მატერია ერთმანეთთან. ასეთი ვარსკვლავის სიკაშკაშე შეიძლება შეიცვალოს არა მხოლოდ შიგნით მიმდინარე მეტაფიზიკური პროცესების გამო (პულსაცია, ქრომოსფერული აქტივობა, ამოფრქვევა, ორობითი ვარსკვლავური სისტემებში დაღვრა და დაბნელება, სუპერნოვას აფეთქება), არამედ ბნელი მატერიის ანომალიური თვისებების გამო.

WARP დისკი

ერთი თეორიის თანახმად, ბნელი მატერია შეიძლება გამოყენებულ იქნას როგორც საწვავი კოსმოსური ხომალდების ქვეკოსმოსური ძრავებისთვის, რომლებიც მუშაობენ ჰიპოთეტური WARP ტექნოლოგიით (WARP Engine). პოტენციურად, ასეთი ძრავები გემს საშუალებას აძლევს მოძრაობდეს სინათლის სიჩქარეზე მეტი სიჩქარით. თეორიულად, მათ შეუძლიათ გემის წინ და უკან სივრცის მოხრა და მასში გადაადგილება კიდევ უფრო სწრაფად, ვიდრე ელექტრომაგნიტური ტალღა აჩქარებს ვაკუუმში. თავად ხომალდი ადგილობრივად არ აჩქარებს - მხოლოდ მის წინ მდებარე სივრცითი ველია მოხრილი. ბევრი ფანტასტიკური ისტორია იყენებს ამ ტექნოლოგიას, როგორიცაა Star Trek საგა.

ზრდა ხმელეთის პირობებში

მიწაზე შავი მატერიის გენერირებისა და მოპოვების მცდელობები ჯერ არ ყოფილა წარმატებული. ამჟამად ექსპერიმენტები ტარდება LHC-ზე (დიდი ანდრონის კოლაიდერი), ზუსტად იქ, სადაც პირველად დაფიქსირდა ჰიგსის ბოზონი, ისევე როგორც სხვა, ნაკლებად მძლავრ, მათ შორის ხაზოვან კოლაიდერებზე.ელემენტარული ნაწილაკების სტაბილური, მაგრამ ელექტრომაგნიტურად სუსტად ურთიერთქმედება პარტნიორები. თუმცა, არც ფოტინო, არც გრავიტინო, არც ჰიგსინო, არც სნეიტრინო (ნეიტრალინო) და არც სხვა WIMP ჯერ არ არის მიღებული. მეცნიერთა წინასწარი ფრთხილი შეფასებით, ხმელეთის პირობებში ერთი მილიგრამი ბნელი მატერიის მისაღებად საჭიროა შეერთებულ შტატებში წლის განმავლობაში მოხმარებული ენერგიის ექვივალენტი.