Может ли новая частица изменить судьбу Вселенной?
Все знают, что Вселенная постоянно расширяется, однако никто не знает, как быстро она это делает. С тех пор, как наше мироздание возникло в результате взрыва крошечного пятнышка, которое буквально за долю секунду превратилось в окружающий нас с вами мир, Вселенная продолжает раздуваться, при этом постоянно ускоряясь с неизвестной нам скоростью. Вопрос о скорости расширения Вселенной заставляет не утихать вечные дебаты ученых, у каждого из которых имеется свое собственное мнение по данному вопросу. Согласно статье, опубликованной на портале livescience.com, на скорость расширения Вселенной может влиять пока еще не открытая частица, обнаружение которой может изменить судьбу всего нашего мироздания.
Гипотетическая частица может изменить судьбу Вселенной
Что такое аксионы?
На сегодняшний день астрономы изобрели уже немалое количество различных хитроумных способов измерения того, что называют постоянной Хаббла, которая, кстати говоря, являет собой скорость расширения Вселенной в настоящее время.
Для того, чтобы измерить скорость расширения нашего мироздания, нам необходимо посмотреть на близлежащие сверхновые, оставившие после себя следы из газа и пыли. Существует особый вид сверхновых, обладающих очень специфической яркостью, которые позволяют нам сравнить их сияние с той яркостью, какую они должны иметь на самом деле. Столь оригинальный способ позволяет вычислить не только расстояние до звезды, но и скорость удаления от нас далеких небесных объектов. Таким образом, сложив все кусочки вместе, мы можем вычислить скорость расширения Вселенной.
Главной идеей, которая доминирует в настоящее время в научной среде, является идея о наличии во Вселенной таинственной субстанции, которую называют темной энергией. Несмотря на то, что существование темной энергии в настоящее время еще не подтверждено, таинственная сила, заставляющая мироздание менять свои размеры, при этом никак с ним не взаимодействуя, уже будоражит умы современных исследователей космоса.
У физиков есть тайное подозрение, что темная энергия имеет какое-то отношение к энергии, запертой в вакууме пространства-времени. Считается, что эта энергия исходит из так называемых “квантовых полей”, которые пронизывают нашу Вселенную. Кстати говоря, обсудить эту статью и многие другие вы можете в нашем официальном чате в Telegram.
Квантовые поля могут пронизывать всю нашу Вселенную
В современной физике каждый вид частиц привязан к своему определенному квантовому полю. Такие поля пронизывают насквозь все пространство и время, иногда превращаясь в знакомые нам частицы — электроны, кварки и нейтрино, при этом все электроны принадлежат электронному полю, все нейтрино принадлежат нейтринному полю, а кварки — кварковому. Взаимодействие этих полей между собой составляет фундаментальную основу нашего понимания квантового мира.
Независимо от того, что именно вы рассматриваете в данный момент во Вселенной, вы не можете не натолкнуться на квантовые поля. По сути, они несут в себе огромное количество фундаментальной энергии, которая связана с ними даже в абсолютно пустом вакууме. Несмотря на то, что нам очень трудно понять темную энергию на языке вакуумной энергии пространства-времени, исследователи пришли к выводу, что темная энергия может меняться, по какой-то причине время от времени изменяя свои характеристики и свойства.
Как утверждает журнал Journal arXiv, исследователь Массомо Сердонио из Университета Падуи смог вычислить количество изменений в квантовых полях, необходимых для учета изменений темной энергии. Ученый считает, что если существует новое квантовое поле, ответственное за изменение темной энергии, то этот факт может означать, что во Вселенной скрывается некая таинственная частица, ответственная за множество происходящих процессов внутри нашего мироздания. Величина изменения темной энергии, рассчитанная Сердонио, требует нахождения некоторой частицы, которая обладает схожими характеристиками с так называемыми аксионами. В свое время физики изобрели эту теоретическую частицу для того, чтобы ее помощью попробовать решить некоторые проблемы с нашим квантовым пониманием сильного ядерного взаимодействия.
Согласно исследованиям, аксионы появились еще в очень древней Вселенной, до недавнего времени скрываясь на заднем плане и позволяя другим силам и частицам полностью контролировать расширение мироздания. Спустя 14,5 миллиардов лет после рождения Вселенной, аксионы по неизвестной причине могли активизироваться вновь. Но только что же именно могло вызвать столь неожиданное пробуждение? Кажется, у ученых только что появился новый повод для бессонницы.
Источник
Физики переосмысли строение Вселенной. Темная энергия больше не нужна?
Подобно тесту с изюмом, поднимающимся в разгоряченной печи, в наблюдаемом пространстве (то есть Вселенной) галактики и даже целые скопления разлетаются друг от друга. Заметил это еще в 1920 году астроном по имени Эдвин Хаббл; его открытие в конечном итоге привело ученых к современной картине расширения Вселенной. Считается, что за этот процесс ответственна таинственная темная энергия – гипотетическая форма энергии, которая равномерно заполняет пространство и составляет 70 процентов Вселенной. Однако сомнения в ее существовании были всегда, даже у самого Эйнштейна. Недавно ученые из Копенгагенского университета удалили из уравнения темную энергию и с помощью компьютерного моделирования посмотрели, может ли Вселенная расширяться без нее. Полученные результаты показали, что расширение Вселенной связано с темной материей, имеющей определенную магнетическую силу. Новое открытие может изменить наше понимание Вселенной.
Вот уже два десятилетия физики знают, что наша Вселенная расширяется с ускорением.
Из чего состоит Вселенная?
Все, кто интересуется устройством Вселенной знают, что она всего на 5% состоит из привычной нам материи. Еще примерно четверть составляет темная материя – загадочная субстанция, о которой не так много известно, так как она недоступна прямому наблюдению. Оставшиеся две трети приходятся на еще более таинственную темную энергию, которая заставляет нашу Вселенную расширяться со все возрастающей скоростью.
Отметим, что по состоянию на 2020 год существование темной энергии подтверждают измерения реликтового излучения – теплового излучения, возникшего в ранней Вселенной и равномерно заполняющего пространство.
Так, команда астрофизиков из Физико-математического института им. Кавли (IPMU) установила, что в реликтовом излучении наблюдаются признаки нарушения так называемой пространственной четности – одного из фундаментальных свойств мироздания, которое не предсказывает Стандартная модель. По мнению авторов исследования, темная материя и темная энергия нарушают принцип четности, что может указывать на существование «новой физики».
В ходе нового исследования физики решили удалить из уравнения темную энергию.
Еще одним «звоночком» в пользу пересмотра современных представлений о Вселенной стала работа южноафриканских ученых 2019 года. В ней исследователи и вовсе предположили, что темной энергии не существует, так как сама гипотеза о разлетающихся на бешеной скорости галактиках основана на «ложных догадках и некорректных расчетах». Как отмечают авторы научной работы, опубликованной в журнале Physical Review Letters, чтобы доказать это, понадобится гораздо больше данных наблюдения за реликтовым излучением.
Любите космос и все что с ним связано? Подписывайтесь на наш канал в Telegram – там вы найдете еще больше интересных статей о последних научных открытиях в этой области!
Темная энергия больше не нужна
Учитывая, что разговоры о «новой физике» не утихают, датские ученые бросились во все тяжкие и вообще убрали из уравнений темную энергию. В ходе работы они проверили модель, согласно которой расширение Вселенной на самом деле происходит из-за формы темной материи, в которой доминирует особый тип магнитной силы.
Как отмечают авторы исследования, они добавили к темной материи еще несколько свойств, с помощью которых она может оказывать непосредственное воздействие на расширение космоса (вместо темной энергии). Поскольку последняя не может быть измерена, а большинство ее характеристик неизвестны, новая теория не кажется надуманной. Для Стина Хансена, одного из авторов исследования, «реальность такова, что мы не слишком много знаем о темной материи, только то, что она состоит из медленных и тяжелых частиц».
Несмотря на все достижения человечества, мы по-прежнему мало знаем о Вселенной.
«Возможно, темная материя обладает неким качеством, аналогичным магнетизму. Таким образом, нечто подобное тому, что происходит с обычными частицами, может происходить во Вселенной, когда они движутся и создают магнетизм, или когда магниты притягивают или отталкивают другие магниты. Это постоянное расширение темной материи, вероятно, вызвано какой-то магнитной силой», – слова ученого приводит издание Phys.org.
Магнитная сила – ключ к тайне расширения Вселенной
В ходе работы ученые разработали компьютерную имитационную модель, которая включала такие переменные, как гравитация, скорость расширения Вселенной и X – неизвестная сила, которая расширяет космос и является основой темной энергии.
Предполагая, что частицы темной материи обладают особым типом магнитной силы, модель, разработанная учеными, определила, что эта сила будет иметь точно такое же влияние на скорость расширения Вселенной, как и темная энергия в настоящее время.
Не исключено, что уже совсем скоро ученые смогут ответить на вопрос о том, существует ли темная энергия.
Учитывая, что исследование может изменить современное понимание Вселенной, астрофизики были осторожны в своих выводах и указали, что «необходимы дополнительные доказательства, основанные на более глубоких исследованиях, чтобы окончательно подтвердить полученные выводы. Если дальнейшие исследования подтвердят полученные датчанами данные, то с темной энергией придется попрощаться, потому что в ее существовании не будет никакого смысла.
Новости, статьи и анонсы публикаций
Свободное общение и обсуждение материалов
Космос прекрасен, но, вообще, весьма странный. Планеты вращаются вокруг звезд, которые умирают и снова гаснут, а все в галактике вращается вокруг сверхмассив…
Сусана Занелло — эксперт по адаптации людей к жизни в космосе. Приглашенная в качестве гостя в Федеральную политехническую школу Лозанны (EPFL), она поделила…
Что бы там ни говорили, за десять тысяч лет человечество почти не оказало никакого влияния на нашу планету и окружающую среду. Даже крупнейшие пожары, войны …
Источник
Какой конец ждет Вселенную и сможет ли кто-нибудь спастись?
Наука выделяет четыре основных пути, на которых Вселенная может встретить свою судьбу. Это Большое Замерзание, Большой Хруст, Большое Изменение и Большой Разрыв. Если вам эти названия ничего не говорят, сейчас все поймете. Вас не должен удивить факт того, что наша планета обречена. Пройдет немного времени, всего 6 миллиардов лет, и Земля, скорее всего, испарится, когда Солнце расширится до красного гиганта и поглотит нашу планету.
Но Земля — это просто планета в Солнечной системе, Солнце — одна из сотен миллиардов звезд в галактике, и в наблюдаемой Вселенной скрываются сотни миллиардов галактик. Что уготовлено для них для всех? Как закончит свои дни Вселенная?
Наука может только догадываться о том, как это произойдет. Мы даже не уверены, как именно Вселенная погибнет, определенным образом или просто медленно сойдет на нет. Наше лучшее понимание физики приводит нас к нескольким вариантам глобального апокалипсиса. Также оно дает нам несколько советов о том, как это в принципе можно было бы пережить.
Несмотря на свое название, тепловая смерть Вселенной не представляется огненным адом. Напротив, это смерть всех уровней тепла. Звучит не очень страшно, но тепловая смерть — это хуже, чем запечься до корочки. Это потому, что почти все в повседневной жизни требует определенных разниц температур, прямо или косвенно.
К примеру, ваш автомобиль работает, потому что внутри двигателя они теплее, чем снаружи. Компьютер работает на электричестве от местной электростанции, которая, вероятно, работает путем нагрева воды и отвода тепла к турбине. Вы питаетесь едой, которая своим существованием обязана гигантской разнице температур между Солнцем и остальной частью Вселенной.
Когда Вселенная достигнет тепловой смерти, везде будет одна температура. Это означает, что ничего интересного больше никогда не произойдет. Все звезды умрут, вся материя распадется, все превратится в редкий бульон из частиц и излучения. Даже энергия этого бульона будет уменьшаться с течением времени в результате расширения Вселенной, оставляя все с температурой едва ли выше абсолютного нуля.
В этом процессе Большого Замерзания Вселенная станет равномерно холодной, мертвой и пустой.
После разработки теории термодинамики в начале 1800-х годов, тепловая смерть выглядит как единственным возможным путем конца Вселенной. Но через 100 лет общая теория относительности Эйнштейна провозгласила, что у Вселенной может быть куда более интересная судьба.
Общая теория относительности говорит, что материя и энергия искривляют пространство и время. Это отношение между пространством-временем и материей-энергии — между сценой и актерами на ней — распространяется на всю Вселенную. Все, что есть во Вселенной, по мнению Эйнштейна, определяет конечную судьбу самой Вселенной.
Теория предсказывает, что Вселенная в целом должна либо расширяться, либо сжиматься. Она не может оставаться в прежнем размере. Эйнштейн понял это в 1917 году и так не хотел это признавать, что отказался от собственной теории.
Тогда в 1929 году американский астроном Эдвин Хаббл обнаружил неопровержимые доказательства того, что Вселенная расширяется. Эйнштейн изменил свое мнение, назвав свою предыдущую настойчивость относительно статической Вселенной «величайшей ошибкой» своей карьеры.
Если Вселенная расширяется, когда-то она должна была быть меньше, чем сейчас. Понимание этого привело к появлению теории Большого Взрыва: идеи о том, что Вселенная началась с невероятно малой точки и быстро расширилась. Мы можем увидеть это по «послесвечению» Большого Взрыва — в качестве космического микроволнового фона — постоянного потока радиоволн, идущих со всех направлений в небе.
Для Вселенной, содержащей обычную «начинку» — материю и свет, — ответ на вопрос зависит от количества этой начинки. Больше начинки — значит, больше гравитации, которая стягивает все назад и замедляет расширение. Пока количество начинки не превосходит критический порог, Вселенная будет расширяться вечно и в конечном итоге умрет тепловой смертью.
Но если начинки будет слишком много, расширение Вселенной замедлится и остановится. Тогда Вселенная начнет сжиматься. Сокращающаяся Вселенная будет становиться все меньше и меньше, плотнее и горячее, пока все не закончится в красочном компактном аду, противоположном Большому Взрыву и известном как Большое Сжатие.
На протяжении большей части 20 века астрофизики не были уверены, какой из этих сценариев возымеет действие. Большое Замерзание или Большое Сжатие? Лед или огонь? Они пытались провести космическую перепись, подсчитав количество начинки в нашей Вселенной. Оказалось, что мы до странного близко находимся к критическому порогу, и наша судьба остается под вопросом.
В конце 20 века все изменилось. В 1998 году две соперничающих группы астрофизиков сделали невероятное заявление: расширение вселенной ускоряется.
Обычная материя и энергия не могли бы повлиять на Вселенную таким образом. Это стало первым свидетельством существования нового фундаментального вида энергии, «темной энергии», поведение которой совершенно загадочно для нас.
Но это не означает, что и Большое Замерзание неизбежно. Есть и другие возможные исходы.
Один из них произошел не в процессе изучения космоса, а из мира субатомных частиц. Это, пожалуй, наиболее странная из возможных судеб Вселенной: что-то фантастическое и при этом вероятное.
В классическом научно-фантастическом романе Курта Воннегута «Колыбель для кошки», «лед-девять» представляет собой новую форму водяного льда с интересными свойствами: он образуется при температуре 46 градусов, а не 0. Если кристалл льда-девять уронить в стакан с водой, вода вокруг кристалла примет его форму, так как его энергия ниже, чем у жидкой воды. Новые кристаллы льда-девять будут проделывать то же самое с водой вокруг себя, и в мгновение ока цепная реакция превратит всю воду в стакане — или в океанах Земли — в твердый лед-девять.
То же самое может случиться в реальной жизни с нормальным льдом и нормальной водой. Если вы наберете в очень чистый стакан очень чистой воды и охладите ее ниже нуля градусов, вода станет переохлажденной: она будет оставаться жидкой ниже естественной точки замерзания. В воде нет никаких примесей, а в стакане нет неровностей, чтобы начал образовываться лед. Но если вы уроните кристалл льда в воду, вода быстро замерзнет, как лед-девять.
Лед-девять и переохлажденная вода могут показаться мало связанными с судьбой Вселенной. Но что-то похожее происходит с самим пространством. Квантовая физика гласит, что даже в абсолютном вакууме присутствует небольшое количество энергии. Но тогда должен существовать другой тип вакуума, содержащий меньше энергии. Если это так, тогда вся Вселенная похожа на стакан с переохлажденной водой. И будет оставаться таковой, пока не покажется «пузырь» вакуума с низкой энергией.
К счастью, мы не знаем таких пузырей. К несчастью, квантовая физика утверждает, что если низкоэнергетический вакуум возможен, пузырь с таким вакуумом неизбежно появится где-то во Вселенной. Когда это произойдет, то подобно истории со льдом-девять новый вакуум «преобразует» старый вакуум вокруг себя. Пузырь будет расти со скоростью света, и мы никогда не увидим его приближения. Внутри пузыря все будет совершенно другим и явно не гостеприимным. Свойства фундаментальных частиц вроде электронов и кварков могут быть совершенно другими, переписывающими правила химии и, возможно, препятствующими образованию атомов. Люди, планеты и даже сами звезды могут быть уничтожены в процессе этого Большого Изменения. В работе 1980 года физики Сидни Коулман и Франк де Люччия назвали его «глобальной экологической катастрофой».
Есть и четвертая возможность, и опять темная энергия занимает центральное место. Эта идея очень спорная и невероятная, но не стоит сбрасывать ее со счетов. Темная энергия может быть намного мощнее, чем мы думаем, и сама по себе привести Вселенную к концу без всяких Больших Изменений, Замерзаний и Сжатий.
У темной энергии есть своеобразное свойство. Когда Вселенная расширяется, ее плотность остается постоянной. Это означает, что со временем она разрастается, чтобы идти в ногу с увеличением объема Вселенной. Это необычно, хотя и не нарушает законы физики.
Тем не менее все может быть намного страннее. Что, если плотность темной энергии увеличивается по мере расширения Вселенной? Точнее, что, если количество темной энергии во Вселенной увеличивается быстрее, чем расширяется сама Вселенная?
Эту идею выдвинул Роберт Колдуэлл из Дартмутского колледжа в Ганновере, Нью-Гемпшир. Он назвал это «фантомной темной энергией». И она приводит нас к невероятно странной судьбе Вселенной.
Если фантомная темная энергия существует, тогда нас ждет темная сторона силы, выражаясь языком «Звездных войн». Сейчас плотность темной энергии чрезвычайно низка, намного ниже плотности материи на Земле или даже плотности галактики Млечный Путь, которая намного менее плотная, чем Земля. Однако с течением времени плотность фантомной темной энергии может нарастать и разрывать Вселенную на части. В работе 2003 года Колдуэлл и его коллеги представили сценарий под названием «космический конец света». Как только фантомная темная энергия становится более плотной, чем конкретный объект, этот объект разрывается в клочья.
Сначала фантомная темная энергия разорвет Млечный Путь, отправив его звезды в полет. Затем разорвется Солнечная система, поскольку притяжение темной энергии станет мощнее, чем притяжение Солнца относительно Земли. Наконец, за несколько минут Земля просто взорвется. Сами атомы начнут распадаться, и уже через секунду Вселенная будет разорвана. Колдуэлл называет это Большим Разрывом. Большой Разрыв, по признанию самого Колдуэлла, «весьма диковинный» сценарий.
Фантомная темная энергия бросает вызов фундаментальным идеям Вселенной, вроде допущения о том, что материя и энергия не могут двигаться быстрее скорости света. Это хорошие аргументы против Большого Разрыва. Наблюдения за расширением Вселенной, а также эксперименты с физикой частиц показывают, что в качестве конца света более вероятно Большое Замерзание, за которым последует Большое Изменение, а затем и Большое Сжатие.
Очевидно, конкретно у нас нет причин переживать о конце Вселенной. Все эти события произойдут через триллионы лет в будущем, за исключением разве что Большого Изменения, так что пока все идет по плану. Также нет причин беспокоиться за человечество. Если не случится иное, генетический разрыв изменит наших потомков до неузнаваемости задолго до этого. Однако смогут ли разумные существа любого вида, люди или нет, выжить в принципе?
Физик Фримен Дайсон из Института перспективных исследований в Принстоне, Нью-Джерси, рассмотрел этот вопрос в классической работе 1979 года. В то время он пришел к выводу, что жизнь сможет изменить себя, чтобы пережить Большое Замерзание, которое, как считал физик, будет менее проблемным, чем ад Большого Сжатия. Но в наши дни он менее оптимистичен, благодаря открытию темной энергии.
«Если Вселенная ускоряется, это плохие новости, — говорит Дайсон. Ускоренное расширение означает, что мы в конечном итоге потеряем контакт со всем, кроме горстки галактик, что резко ограничит количество доступной нам энергии. — В долгосрочной перспективе такая ситуация будет весьма печальной».
Однако положение вещей может измениться. «Мы на самом деле не знаем, будет ли расширение продолжаться и почему оно ускоряется, — говорит Дайсон. — Оптимистичный взгляд на вещи состоит в том, что ускорение будет замедляться по мере расширения Вселенной. Если это произойдет, будущее будет более благоприятным».
Но что, если расширение не будет замедляться или станет известно, что грядет Большое Изменение? Некоторые физики предлагают решение, безумное в принципе. Чтобы избежать конца Вселенной, мы должны построить собственную Вселенную в лаборатории и удрать в нее.
Один из физиков, работавших над этой идее, это небезызвестный Алан Гут из Массачусетского технологического института в Кембридже; он известен своими работами на тему юной Вселенной.
«Не могу сказать, что законы физики допускают возможность такого, — говорит Гут. — Если это возможно, потребуются технологии, выходящие за пределы всего, что мы можем представить. Это потребует гигантского количества энергии, которую еще нужно будет добыть и удержать».
По сути, вы провоцируете скачок создания совершенно новой Вселенной. По мере расширения области пространства, граница будет сокращаться, создавая пузырь искривленного пространства внутри чего-то большего. Фанатам «Доктора Кто» это может показаться знакомым, и по словам Гута, TARDIS это довольно точная аналогия того, о чем идет речь. В конце концов, «снаружи» сожмется до нуля, и новорожденная Вселенная начнет собственное существование, независимое от судьбы предыдущей Вселенной. Очевидно, как эта схема сработает на самом деле, совершенно непонятно. Мы даже не знаем, возможно это или нет.
Впрочем, у Гута есть другой источник надежды на лучшую судьбу для нашего мира — проблеск надежды. Гут первым предположил, что в самой юности Вселенная расширилась чрезвычайно быстро за долю секунды, эта идея известна как «инфляция». Многие космологи считают, что инфляция является самым точным описанием расширения юной Вселенной, и Гут предлагает создать новую Вселенную, опираясь именно на этот процесс быстрого расширения.
Инфляция имеет интригующие последствия для конечной судьбы Вселенной. Согласно этой теории, наша Вселенная — это малая часть мультивселенной, множества карманных вселенных, которые плавают вокруг.
«В таком случае, даже если мы убедимся, что наша отдельная Вселенная умрет в процессе замерзания, мультивселенная будет жить вечно, и новая жизнь будет рождаться в каждой отдельной карманной Вселенной, — говорит Гут. — Мультивселенная воистину бесконечная, а в бесконечном будущем отдельные Вселенные могут жить и умирать сколько им вздумается».
Источник