Человечество уже собрало огромное количество информации о нашей Вселенной и о том, как она устроена. Люди гордятся тем, что являются самым умным видом на Земле и во всей Вселенной (по крайней мере, той части, которую изучили).
Однако информация, которую люди знают о структуре нашей Вселенной, получена только на основании 4 процентов, которые ученые могут наблюдать, измерять и анализировать — обычной материи. Остальные 96 процентов — это «темные» субстанции. В этом обзоре 10 лучших теорий о том, что может быть темной энергией.
10 теорий о темной материи
Их назвали темными, потому что о них ничего не известно, да и увидеть их никто не смог. Из этих 96 процентов примерно 68 процентов составляет темная энергия (а остальное — так называемая темная материя). Это делает ее самой большой составляющей Вселенной, и на данный момент, самой загадочной. Тысячи ученых во всем мире работают над тем, чтобы расшифровать эту загадочную энергию, которая, как представляется, определяет то, как наша Вселенная создает большие структуры. Без темной энергии Вселенная в конечном итоге «схлопнулась» бы и рухнула сама в себя под воздействием собственной гравитации.
1. Космологическая постоянная
10 теорий о темной материи
Эта теория проистекает из теории гравитации Эйнштейна, в частности, из того факта, что «пустое пространство» может иметь свою собственную энергию, называемую «космологической постоянной». Эйнштейн также полагал, что пространство может возникнуть из ничего, а поскольку создается больше пространства, следовательно, в нем может быть больше энергии.
Это объясняет быстрое расширение Вселенной, которое сейчас наблюдают ученые. Подобный тип Вселенной будет продолжать расширяться всегда, пока каждый объект во Вселенной не окажется настолько далеко от любого другого объекта, что все погрузится в тьму и холод.
2. Теория всего
10 теорий о темной материи
Многие астрономы считают, что поиск темной энергии бесполезен. По их мнению, разработка неуловимой «теории всего» решит проблему темной энергии.Эта теория должна быть способна объяснить поведение всех объектов во Вселенной — от очень больших до невероятно малых. Пока что все теории о том, как работает Вселенная, делятся на крупномасштабные теории (например, теория гравитации) и мелкие теории (например, квантовая механика).
Хотя решение проблемы темной энергии таким образом логически обосновано, нахождение этой теории оказалось невозможным даже для самых ярких умов в физике. Обычные законы физики, похоже, «ломаются», когда достигают квантового уровня. Поиск продолжается.
3. Фундаментальная сила
10 теорий о темной материи
Фундаментальные силы, которые все знают (гравитация, электромагнетизм, слабое и сильное взаимодействия), действуют в разных диапазонах. Некоторые затрагивают только объекты атомарного размера, в то время как другие вызывают движения планет и провоцируют образование галактик.
Теория темной энергии утверждает, что существует фундаментальная сила, которую еще не обнаружили, воздействующая на огромные масштабы. Она может наблюдаться только тогда, когда Вселенная достигает определенного размера. Якобы она работает в противовес гравитации и таким образом «растаскивает» объекты во Вселенной друг от друга.
Ученые утверждают, что, поскольку эта сила действует в таких больших масштабах, люди еще не сталкивались с ней в своей повседневной жизни, а на измерения, сделанные на Земле, она не влияет. Никто не знает, будет ли эта сила временной или постоянной. Тем не менее, в зависимости от этого, Вселенная будет либо расширяться всегда, становясь холоднее, либо будет периодически расширяться и сокращаться.
4. Холодная Вселенная
10 теорий о темной материи
Сложно даже представить, как можно доказать физикам, что их самая известная теория ошибочна. Теория относительности Эйнштейна утверждает, что каждое тело во Вселенной притягивается к любому другому телу, причем сила этого притяжения зависит исключительно от масс объектов и расстояния между их центрами. Однако некоторые физики утверждают, что эта теория может быть неправильной, и разрабатывают новые теории гравитации, которые могли бы объяснить темную энергию.
В этих теориях влияние гравитации в крупных масштабах становится обратным, так что объекты отталкиваются друг от друга. Хотя эти теории не имеют большой экспериментальной поддержки, они объясняют, почему Вселенная расширяется. Согласно этим новым моделям гравитации, наша Вселенная снова достигнет состояния холодной тьмы после состояния быстрого расширения.
5. Замедление времени
10 теорий о темной материи
Те, кто видел фильм «Интерстеллар», вероятно, слышали о замедлении времени. Это явление происходит, когда объекты движутся со скоростью, близкой к световой, при этом время замедляется. Это та же самая идея, которая представлена в парадоксе двойников: когда один близнец летит на космическом корабле со скоростью, близкой к скорости света, а его брат остается на Земле. Когда они снова встречаются после нескольких лет, близнец на Земле будет значительно старше своего брата-космонавта.
В недавней статье профессора Университета Джорджии Эдварда Кипраса утверждается, что только движущийся объект сам подвергается замедлению времени. А это означало бы, что в прошлом время текло быстрее. Это устраняет необходимость иметь отталкивающую силу или вещество, поскольку кажущееся расширение Вселенной будет простым просчетом расстояний, которые были затронуты замедлением времени.
Если эта теория верна, то она не только противоречит другой известной теории Эйнштейна (специальной теории относительности), но также подразумевает, что наша Вселенная будет продолжать расширяться из-за эффектов постоянной Хаббла.
6. Экзотическая частица
10 теорий о темной материи
Идея о частицах и полях существует уже столетия. Как известно, электрон создает электрическое поле, а в последнее время гравитационное поле начали ассоциировать с «силовой частицей гравитации» — гравитоном. Теоретики физики частиц согласны с идеей о том, что энергия отдельного поля должна передаваться силовыми частицами, а не самим полем. Эту концепцию можно применить и к темной энергии, причем темная материя (остальные 27 процентов вселенной) является ее силовой частицей.
Эта идея кажется правдоподобной, особенно потому, что некоторые силовые частицы ненаблюдаемы (тот же гравитон). Тем не менее, мало доказательств, подтверждающих эту теорию, поскольку пока не существует способа измерить какие-либо свойства, связанные с темной энергией или темной материей.
7. Текущая кривизна Вселенной
10 теорий о темной материи
Теории f (R) — модели текущей кривизны Вселенной (кривизна обозначается как R). В 2007 году исследователи из Чикагского университета показали, что при определенном значении R создается модель Вселенной, в которой не требуется темной энергии для объяснения расширения Вселенной.
Этот тип Вселенной сглаживает себя таким образом, который сводит к минимуму его общую кривизну, создавая сверхгравитационную силу, которая может либо притягивать, либо отталкивать объекты, в зависимости от набора условий.
Теоретики Университета Чикаго согласны с тем, что для сохранения этой теории подобная дополнительная сила должна исчезать, когда сила гравитации становится относительно большой (например, в масштабах планет и галактик), а проявляется она только в самых больших масштабах.
8. Константа космологической энергии
10 теорий о темной материи
Одной из величайших неудач современной физики является предсказание фактического количества темной энергии. Квантовая теория предсказывает очень небольшое ее число, но физики вычислили число, которое в 10 в 120 степени раз больше (это количество темной энергии является космологической константой).
Именно здесь стоит вспомнить об антропном принципе: идее о том, что фундаментальные константы физики и химии (такие как скорость света, гравитационная постоянная и т. д.) являются «правильными» для поддержания жизни в нашей конкретной Вселенной, но могут иметь разные значения в других Вселенных.
В бесконечном множестве параллельных вселенных кажется вероятным, что наша Вселенная просто оказывается той, у которой есть «правильное количество» темной энергии, позволяющее формировать жизнь.
9. Виртуальная частица
10 теорий о темной материи
Квантовая механика весьма странная. Она позволяет вещам появляться и исчезать, разрушая все концепции, которую все изучали в школьном курсе физики. Всем вбивали в голову, что «материя не может быть создана или уничтожена». Следующая теория использует идею виртуальных частиц — маленьких частиц материи, которые появляются, а затем исчезают. Это постоянное появление и исчезновение частиц высвобождает энергию, потому что материя преобразуется в энергию, когда частицы исчезают.
Физики считают, что подобным образом само пространство может выработать достаточное количество энергии, чтобы создать «отрицательное давление», которое вызывает расширение Вселенной. Если эта теория верна, то энергетическое пространство, остающееся после виртуальных частиц, может быть таинственной темной энергией, а наша Вселенная будет продолжать расширяться до тех пор, пока происходит подобный процесс.
10. Фантомная энергия
10 теорий о темной материи
Число теорий в этом списке показывает, насколько далеки люди от понимания двух третей нашей Вселенной. Расшифровка загадочной темной энергии может породить совершенно новую отрасль физики или радикально изменить существующие. Именно поэтому так много физиков и астрономов сегодня ставят под сомнение это «таинственное темное нечто», которое руководит эволюцией всей вселенной.
Последняя теория темной энергии, безусловно, самая странная. Вселенная, в которой доминирует «квинтэссенция», является полной «энергетической жидкости». Другие физики называют эту энергию «фантомной энергией». Идея всего этого заключается в том, что квинтэссенция изменяется со временем и местоположением и что ее плотность энергии увеличивается с течением времени. Подобная Вселенная закончится «Большим разрывом» и буквально взорвется, поскольку атомы не могут справиться с тем, как быстро их раздвигают и растягивают.
