103. Что такое темная материя? Никто не знает. В отличие от обычной материи (атомов) она не выделяет света или дает слишком мало света для того, чтобы быть обнаруженной с помощью наших лучших современных инструментов.Она перевешивает видимую материю Вселенной - звезд и

Материя как конденсированная энергия Ранее обсуждение вопросов объединения законов природы носило скорее абстрактный характер и осталось бы таким, если бы Эйнштейн не предпринял очередной решающий шаг. Он понял, что если пространство и время можно объединить в одну

IV. Откуда же берутся эти силы? Наш разговор мы начали с того, что фундаментальные силы похожи на игры, однако в нашей игре не хватает одного компонента, без которого ничего не получится: это мяч. Задумайтесь об этом. Без мяча теннис – не более чем конвульсивное размахивание

III. Откуда берутся атомы? Рождение элементов (t = 1 секунда – 3 минуты)Мы уже очень далеко уклонились от первоначального вопроса крошки Билли «Откуда я взялся?», зато теперь готовы дать на него ответ получше. Сначала надо рассказать малышу, из чего он на самом деле сделан.

I. Что такое темная материя? Представляется, что наша Вселенная куда страннее, чем нужно. Например, мы обнаружили, что в ней царит загадочная темная энергия, а большинство остальной массы не имеет к нам никакого отношения, потому что состоит из некоей темной материи,

Откуда берется диск В 1969 году Линден-Белл предположил, что квазары расположены в центрах галактик. Мы не видим галактику вокруг квазара, сказал он, потому что ее свет намного слабее, чем свет самого квазара, квазар затмевает для нас галактику. Спустя десятилетия

Если новую теорию образования Вселенной, опубликованную в журнале ArXiv, признают эксперты, тогда гипотеза Большого взрыва потерпит фиаско.

В новой формулировке говорится, что Вселенная никогда не была плотной и маленькой точкой, состоящей из материи. На самом деле, Вселенная вообще не может иметь начала.

Авторы нового исследования предполагают, что возраст Вселенной - это бесконечность. Новая концепция также предполагает, что - таинственное, невидимое вещество, которое составляет большую часть Вселенной - это фактически и есть Вселенная.

Согласно теории Большого взрыва, Вселенная родилась более 13,8 млрд лет назад. Буквально всё, что существует сегодня, когда-то являлось сплющенной в бесконечно плотной, бесконечно крошечной, ультра-горячей точке под названием сингулярность. От взрыва этого крошечного огненного шара и родилась наша Вселенная.

Данная версия появилась исходя из общей теории относительности Эйнштейна, которая описывает, как масса искривляет пространство-время. Другое уравнение (называемое уравнение Raychaudhuri) предсказывает, будут ли эти траектории с течением времени сходиться или расходится. В соответствии с этими уравнениями до Большого взрыва вся материя во Вселенной находилась в одной точке - сингулярности.

Однако соавторы нового исследования считают, что эти вычисления не совсем верны. Так как согласно законам физики в формулировке Эйнштейна есть неточности, то две самые доминирующие теории (теория относительности и квантовая механика) не могут быть согласованы. Поэтому вполне вероятно, что Вселенная не берёт своё начало с момента Большого взрыва.

Квантовая механика утверждает, что поведение маленьких субатомных частиц принципиально неопределенное. Это идет в разрез с теорией относительности Эйнштейна, которая является строго детерминированной и базируется на том, что как только все законы природы станут известны, будущее будет полностью предопределяться прошлым. Однако теория не объясняет, из чего состоит темная материя (невидимая форма материи, которая оказывает гравитационное притяжение на обычную материю).

Получается, что в теории Большого взрыва существует много противоречий. Соавторы нового исследования решили попытаться найти выход из этой головоломки. Для этой цели исследователи взяли за основу наглядного изображения Бомовскую интерпретацию квантовой механики, которая в отличие от других формулировок, предоставляет возможность рассчитать траекторию субатомных частиц.

Используя эту старомодную форму квантовой теории, исследователи вычислили небольшой коррекционный термин, который может быть включен в теорию Эйнштейна. В результате, согласно новой формулировке возраст нашей Вселенной - бесконечность. Следовательно, её рождения ни когда не было, так как она существовала всегда…

Тем не менее, некоторые учёные уверены, что новые уравнения являются лишь одним из способов сочетания квантовой механики и общей теории относительности. Например, теория «струн» предполагает, что когда-то Вселенная проходила длительную статическую фазу, в то время как другие теории настаивают, что Вселенная - космический "отскок", который время от времени то расширяется, то опять сжимается. (сайт)

МОСКВА, 25 фев - РИА Новости. Возможной причиной практически полного отсутствия антиматерии во Вселенной и преобладания обычной видимой материи могли послужить движения поля Хиггса - особой структуры, где "живут" бозоны Хиггса, заявляют физики в статье, принятой к публикации в журнале Physical Review Letters .

Считается, что в первые мгновения после Большого взрыва существовало равное количество материи и антиматерии. Сегодня мир заполнен материей, и этот факт является физической загадкой, так как частицы материи и антиматерии должны были уничтожить друг друга в тот момент, когда они появились в кварковом "супе" будущей Вселенной. Поэтому возникает вопрос — куда "пропала" антиматерия и почему существует Вселенная.

Российско-американский физик Александр Кусенко из университета Калифорнии в Лос-Анджелесе (США) и его коллеги полагают, что им удалось найти ответ на эту вселенскую загадку в тех данных, которые были собраны Большим Адронным Коллайдером во время первого этапа его работы, когда был обнаружен бозон Хиггса, знаменитая "частица бога".

По теории Хиггса, Вселенную пронизывает особое поле, с которым взаимодействуют все существующие элементарные частицы: чем сильнее они сцепляются с полем, тем выше будет их масса. Если это поле существует, то должны существовать и бозоны Хиггса — особые частицы, отвечающие за его взаимодействие с протонами, электронами и другими проявлениями видимой и темной материи. Как и другие бозоны, кроме фотона, «частица бога» распадается очень быстро — она живет в среднем 0,1 зептосекунды (триллионных долей наносекунды).

Изучая следы этих распадов, группа Кусенко заметила, что поле Хиггса, благодаря особым свойствам "частицы бога", могло временно перейти в относительно нестабильное энергетическое состояние во время первого расширения Вселенной непосредственно после Большого взрыва. Кусенко и его коллеги предположили, что "сдвиги" поля во время этого периода жизни Вселенной могли послужить причиной появления неоднородностей в долях материи и антиматерии.

Руководствуясь этой идеей, авторы статьи провели массу расчетов и построили компьютерную модель будущей Вселенной, которая учитывала нестабильность поля Хиггса. По их расчетам, нет никаких физических препятствий для того, чтобы такой сценарий мог быть осуществлен во время рождения Вселенной.

При достаточно медленном снижении энергии поля Хиггса, оно начнет своеобразным образом "вибрировать", и направление первой, самой сильной такой вибрации определит то, какой тип материи будет населять Вселенную. Это произойдет потому, что в такой момент массы частиц и античастиц будут временно разными, из-за чего формирование одного типа из них будет резко замедленно.

• Перевод

Увидев свою копию, состоящую из антиматерии, которая бежит к вам навстречу, хорошенько подумайте перед тем, как обнимать её.
- Дж. Ричард Готт III

Читатель спрашивает:

Правда ли, что на заре Вселенной материя и антиматерия были созданы в равных количествах? А если нет, известно ли, отчего возникло такое неравенство?
А если их количество было одинаково, почему антиматерии так мало? Есть ли механизм объяснения превалирования материи над антиматерией в видимой части Вселенной?

Вот – часть Вселенной. Сотни миллиардов звёзд и звёздных систем существуют только в нашей галактике. Сотни миллиардов галактик есть в обозримой части Вселенной. Из них всех мы изучили лишь нашу собственную звёздную систему, которая, что неудивительно, оказалось созданной из материи, а не антиматерии.

Но, судя по всему, вся остальная Вселенная также сделана из материи. Точнее сказать, материала во Вселенной полно, и если бы где-то была часть, сделанная из антиматерии, мы бы стали свидетелями грандиозной катастрофы, когда материя и антиматерия встретились бы.

К примеру, пространство между звёзд в галактиках, полно материалом, даже если там нет звёзд. Космос обширен, и плотность материи низка. Можно подсчитать – если бы мы швырнули одну частицу антиматерии (допустим, антипротон) в космосе, сколько бы она прожила перед встречей с частицей из материи и аннигиляцией. В среднем в межзвёздном пространстве нашей галактики она просуществовала бы 300 лет – что по сравнению с возрастом галактики ничто. Это ограничение говорит о том, что среди материи могут присутствовать частицы антиматерии лишь в количестве порядка 1 частицы на 10 15 .

На более крупных масштабах мы нанесли на карту галактики и их кластеры, посмотрели вокруг на разных длинах волн, включая видимый свет, инфракрасные волны, микроволны, радио, ультрафиолет, рентгеновские и гамма-лучи. Конкретно рентгеновские и гамма-лучи очень важны для наблюдений, потому что при аннигиляции материи и антиматерии они испускают характерное высокоэнергетическое излучение, которое мы можем засечь.

Изучив 55 галактических кластеров, на расстояниях от нескольких миллионов световых лет до трёх миллиардов, мы увидели, что и на космических масштабах 99.999%+ всей материи – это обычная материя, а не антиматерия.

И всё-таки это неожиданно. Возможно, вы слышали что-то о формуле E = mc 2 , и вы знаете, что она утверждает, что не только в массе содержится энергия, но что можно создать и частицу, имея на руках достаточное для этого количество энергии. Но это ещё не всё.

Как мы установили в лабораторных опытах на Земле, единственный способ создать материю – взять в два раза больше энергии, чем говорит формула E = mc 2 , и создать одинаковое количество материи и антиматерии. И наоборот, уничтожить материю мы можем, только столкнув её с антиматерией, в результате чего выделяется чистая энергия. И все законы физики говорят, что это справедливо в любое время для любых энергий.

И тем не менее, наша Вселенная перед нами.

Если бы мы начали с Большого взрыва, то в конце инфляции, со всеми нужными начальными условиями и известными законами физики, у нас получилось бы такое состояние:

• Вселенная была бы горячей, плотной, расширяющейся, наполненной излучением и равными долями материи и антиматерии.
• Материя и антиматерия сталкивались бы, аннигилировали, превращаясь в излучение, а высокоэнергетические частицы сталкивались бы друг с другом, спонтанно создавая новые частицы из материи и антиматерии в равных долях, с избытком энергии.
• Вселенная бы расширялась и охлаждалась, и при этом энергия и плотность бы падали.

Но, если энергия падает, высокоэнергетическим частицам становится сложнее производить новые пары материя/антиматерия (b), в результате чего уменьшается количество реакций превращения материи и антиматерии в излучение. Но при падении плотности, парам материя/антиматерия становится сложнее найти друг друга (а), в результате чего количество этих встреч не упадёт до нуля. Всегда найдутся остатки материи и антиматерии.

И тут начинаются странности. По всем вычислениям, исходя из известных законов физики и наших опытов, должно быть 10 20 частиц излучения на каждую частицу материи или антиматерии. Но в нашей вселенной их всего миллиард, 10 9 штук, на одну частицу материи. А антиматерии вообще очень мало.

Так откуда взялась лишняя материя? Почему появилась лишняя материя, но не антиматерия? И когда? И как?

Честно говоря, это – одна из самых больших неразрешённых загадок физики. Но если мы не знаем всего, это не значит, что у нас вообще нет каких-то ключей к разгадке. К примеру, с 1960-х годов известно, что удовлетворив трём следующим условиям:

1. отсутствие равновесия
2. несохранение барионного числа
3. нарушения C- и СР-инвариантности

Можно создать больше материи, чем антиматерии (или наоборот). Более того, асимметрия в этом случае просто неизбежна. И, к счастью, двум из этих критериев легко удовлетворить.

«Отсутствие равновесия» происходит, когда некие события в одной части системы не влияют на другую часть, поскольку информация не успевает дойти до них. Расширяющаяся Вселенная – прекрасный пример системы, в которой по определению отсутствует равновесие, а приведённое описание возникновения и аннигиляции материи и антиматерии при расширении и охлаждении Вселенной – прекрасный пример неравновесного процесса.

Также есть много примеров различия между материей и антиматерией, и нарушения различных симметрий. Одна из них – симметрия зарядового сопряжения, или С-симметрия. Если вы замените все частицы на античастицы, и С-симметрия сохраняется, тогда система будет вести себя точно так же. Ещё одна – симметрия чётности, P-симметрия. Если она сохраняется, то реальная система и её зеркальное отражение должны вести себя одинаково.

Нестабильная частица вроде вращающегося мюона распадётся конкретным способом – испустив электрон в определённую сторону согласно спину. Если отразить это в зеркале (Р), то электрон будет испущен в противоположную сторону, чего в жизни не бывает. Если заменить мюон анти-мюоном (С), он испустит позитрон в изначальном направлении – а этого тоже не бывает. Но если заменить вращающийся мюон зеркальной копией вращающегося анти-мюона (С и Р, СР), можно было бы надеяться, что его распад должен происходить так же надёжно, как и распад мюона в реальном (не зеркальном) мире. Но этого не происходит. Есть и другие примеры нарушения С и СР симметрий, в системах к-мезонов или B-мезонов.

Поэтому, нам осталось только заполучить взаимодействия, не сохраняющие барионное число в достаточных количествах, иначе говоря, создающие барионы там, где их не было (а было нечто другое). К сожалению, тут нужна такая физика, которой в Стандартной модели нет.

Но механизмов таких придумано предостаточно:

• теории великого объединения, содержащие частицы GUT-масштабов
• теории с новыми скалярами, содержащими механизмы Аффлека-Дайна
• расширения Стандартной модели, включающие тяжёлые стерильные нейтрино
• теория избытка лептонов в молодой Вселенной (лептогенезис)
• новая физика электрослабого масштаба, которая может улучшить асимметрию между материей и антиматерией

Я вам подробно расскажу только один пример.

Представьте горячую, плотную, юную Вселенную. В дополнение к излучению и частицам материи и антиматерии, входящих в Стандартную модель, есть ещё одна частица (и античастица), Q (и анти-Q). Q – очень тяжёлая, сильно тяжелее протона, имеет положительный заряд +1 (как у протона) и появляется в изобилии в юной Вселенной, совместно со своими половинками, анти-Q, которые имеют ту же массу и противоположный заряд.

Поскольку они нестабильны, то при остывании Вселенной они прекратят создаваться. Большинство из них найдут друг друга и аннигилируют, а оставшиеся будут распадаться.

Для каждого варианта распада Q должен случиться соответствующий распад у анти-Q. Если Q распадается на протон и нейтрино, анти-Q должна распасться на антипротон и антинейтрино. Если Q распадается на антинейтрон и позитрон, анти-Q должна распасться на нейтрон и электрон.

Это не настоящие частицы, они приведены для примера. Но в разных теориях есть такие частицы, вроде X-и-Y бозонов в GUT и лептокварков в некоторых расширениях Стандартной модели, которые работают по очень похожим правилам.

В отсутствии нарушения СР-симметрии, они будут распадаться так же, как их противоположность.

Пока всё это скучно, этот процесс не создаст избытков массы. Но если мы допустим нарушение СР-симметрии, то разница между частицами и античастицами может быть в количестве распадов. Какой процент от Q распался на протоны и нейтрино, по сравнению с тем, какой процент от анти-Q распался на антипротоны и антинейтрино. У нас может получиться нечто, похожее на следующую картинку, что схоже с тем, что мы наблюдаем в системах с Каонами и B-мезонами. Заметьте различие между распадами Q и анти-Q.

Допустим, что наша Вселенная полна материи и антиматерии в равных долях, и излучений, которые мы проигнорируем. Допустим также, что есть куча Q и анти-Q в равном количестве, которые распадаются в соответствиями с теми нарушениями СР-симметрии, которые описаны выше.

Что останется?

Море протонов, нейтрино, антинейтрино, позитронов, антипротонов, антинейтрино, нейтронов и электронов. Это да. Но протонов и нейтрино будет больше, чем антипротонов и антинейтрино, и будет меньше антинейтронов и позитронов, чем нейтронов и электронов. Если мы проигнорируем лептоны (нейтрино, электроны и их античастицы), то вот, что нам оставит море распадающихся Q и анти-Q частиц.

И после того, как встретятся все пары материи и антиматерии, останется избыток материи по сравнению с антиматерией.

Какой-то вариант такого развития событий однозначно имел место и привёл к тому, что мы имеем разное количество материи и антиматерии, и что плотность материи (но не антиматерии) одинаково везде, где бы мы ни посмотрели. Даже, несмотря на то, что это одна из величайших неразрешённых задач в физике, мы многое про неё знаем, и это достойно пересказа.