สสารสีดำคืออะไร? ทฤษฎีสสารมืด

2024 ผู้เขียน: Henry Conors | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2024-02-12 13:43

อะไรเกิดก่อน ไข่หรือไก่? นักวิทยาศาสตร์ทั่วโลกต่างดิ้นรนกับคำถามง่ายๆ นี้มานานหลายทศวรรษ คำถามที่คล้ายกันเกิดขึ้นเกี่ยวกับสิ่งที่เป็นจุดเริ่มต้นในขณะที่สร้างจักรวาล แต่การสร้างสรรค์นี้ หรือจักรวาลเป็นวัฏจักรหรืออนันต์? สสารสีดำในอวกาศคืออะไรและแตกต่างจากสสารสีขาวอย่างไร ละเว้นศาสนาประเภทต่าง ๆ ลองหาคำตอบสำหรับคำถามเหล่านี้จากมุมมองทางวิทยาศาสตร์ ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา นักวิทยาศาสตร์สามารถทำสิ่งที่คิดไม่ถึงได้สำเร็จ อาจเป็นครั้งแรกในประวัติศาสตร์ที่การคำนวณของนักฟิสิกส์เชิงทฤษฎีเห็นด้วยกับการคำนวณของนักฟิสิกส์ทดลอง มีการนำเสนอทฤษฎีต่างๆ มากมายต่อชุมชนวิทยาศาสตร์ตลอดหลายปีที่ผ่านมา แม่นยำมากหรือน้อยในเชิงประจักษ์ บางครั้งในเชิงวิทยาศาสตร์ อย่างไรก็ตาม ข้อมูลที่คำนวณตามทฤษฎียังคงได้รับการยืนยันจากการทดลอง บางอย่างถึงแม้จะล่าช้ากว่าสิบปี (เช่น ฮิกส์โบซอน เป็นต้น)

สสารมืด - พลังงานสีดำ

มีหลายทฤษฎี เช่น ทฤษฎีสตริง, ทฤษฎีบิ๊กแบง, ทฤษฎีวัฏจักรจักรวาล, ทฤษฎีจักรวาลคู่ขนาน, นิวโทเนียนไดนามิกดัดแปลง (MOND), F.ฮอยล์และอื่น ๆ อย่างไรก็ตาม ในปัจจุบัน ทฤษฎีของจักรวาลที่กำลังขยายตัวและพัฒนาอย่างต่อเนื่องนั้นเป็นที่ยอมรับกันโดยทั่วไป ซึ่งวิทยานิพนธ์เหล่านี้เข้ากันได้ดีกับกรอบแนวคิดของบิกแบง ในเวลาเดียวกัน กึ่งประจักษ์ (กล่าวคือ เชิงประจักษ์ แต่ด้วยความคลาดเคลื่อนขนาดใหญ่และตามทฤษฎีสมัยใหม่ที่มีอยู่ของโครงสร้างของพิภพเล็ก) ได้ข้อมูลมาว่าอนุภาคขนาดเล็กทั้งหมดที่เรารู้จักคิดเป็น 4.02% ของปริมาตรรวมของ องค์ประกอบทั้งหมดของจักรวาล นี่คือสิ่งที่เรียกว่า "แบริออนค็อกเทล" หรือเรื่องแบริออน อย่างไรก็ตาม จักรวาลส่วนใหญ่ของเรา (มากกว่า 95%) เป็นสารที่มีแผนผังต่างกัน องค์ประกอบและคุณสมบัติต่างกัน นี่คือสิ่งที่เรียกว่าสสารดำและพลังงานสีดำ พวกเขาทำงานแตกต่างกัน: พวกเขาตอบสนองต่อปฏิกิริยาประเภทต่างๆ ไม่ได้รับการแก้ไขโดยวิธีการทางเทคนิคที่มีอยู่ และแสดงคุณสมบัติที่ยังไม่ได้สำรวจก่อนหน้านี้ จากนี้เราสามารถสรุปได้ว่าสารเหล่านี้เป็นไปตามกฎฟิสิกส์อื่น (ฟิสิกส์ที่ไม่ใช่ของนิวตัน, อะนาล็อกทางวาจาของเรขาคณิตที่ไม่ใช่แบบยุคลิด) หรือระดับการพัฒนาวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีของเราอยู่ในขั้นเริ่มต้นของการก่อตัวเท่านั้น

baryons คืออะไร

ตามแบบจำลองควาร์ก-กลูออนในปัจจุบันของการโต้ตอบที่รุนแรง มีเพียงสิบหกอนุภาคมูลฐาน (และการค้นพบโบซอนฮิกส์เมื่อเร็วๆ นี้ยืนยันสิ่งนี้): ควาร์ก (รส) หกชนิด กลูออน 8 กลูออน และโบซอน 2 ตัว แบริออนเป็นอนุภาคมูลฐานหนักที่มีปฏิสัมพันธ์รุนแรง ที่มีชื่อเสียงที่สุดคือควาร์กโปรตอนและนิวตรอน ครอบครัวของสารดังกล่าวที่แตกต่างกันในการหมุน มวล และ "สี" ของพวกมัน รวมถึงตัวเลขของ "ความลุ่มหลง" "ความแปลกประหลาด" ล้วนเป็นส่วนประกอบสำคัญของสิ่งที่เราเรียกว่าสสารแบริออน สสารสีดำ (มืด) ซึ่งคิดเป็น 21.8% ขององค์ประกอบทั้งหมดของจักรวาลประกอบด้วยอนุภาคอื่น ๆ ที่ไม่ปล่อยรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าและไม่ทำปฏิกิริยากับมันในทางใดทางหนึ่ง ดังนั้นอย่างน้อยที่สุดสำหรับการสังเกตโดยตรงและยิ่งกว่านั้นสำหรับการลงทะเบียนของสารดังกล่าว จำเป็นต้องเข้าใจฟิสิกส์ของสารดังกล่าวก่อนและเห็นด้วยกับกฎหมายที่พวกเขาปฏิบัติตาม นักวิทยาศาสตร์สมัยใหม่หลายคนกำลังทำสิ่งนี้ในสถาบันวิจัยทั่วโลก

ตัวเลือกที่มีโอกาสมากที่สุด

สารใดบ้างที่ถือว่าเป็นไปได้? ในการเริ่มต้น ควรสังเกตว่ามีเพียงสองตัวเลือกที่เป็นไปได้ ตาม GR และ SRT (ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปและพิเศษ) ในแง่ขององค์ประกอบ สารนี้สามารถเป็นได้ทั้งสสารมืดแบริออนและที่ไม่ใช่แบริออน (สีดำ) ตามทฤษฎีหลักของบิกแบง สสารที่มีอยู่จะแสดงในรูปของแบริออน วิทยานิพนธ์นี้ได้รับการพิสูจน์ด้วยความแม่นยำสูงมาก ในปัจจุบัน นักวิทยาศาสตร์ได้เรียนรู้ที่จะจับอนุภาคที่ก่อตัวขึ้นหลังจากภาวะภาวะภาวะภาวะภาวะภาวะภาวะภาวะภาวะภาวะภาวะภาวะภาวะภาวะภาวะภาวะออกซิเจนเฉพาะกิจ (singularity) แตกออกเป็นเวลาหนึ่งนาที ซึ่งก็คือหลังจากการระเบิดของสถานะของสสารที่มีความหนาแน่นสูงมาก โดยมีมวลกายพุ่งไปที่อนันต์และขนาดของร่างกายมีแนวโน้มเป็นศูนย์ สถานการณ์ที่มีอนุภาคแบริออนน่าจะเป็นไปได้มากที่สุดเนื่องจากมาจากอนุภาคเหล่านี้ที่จักรวาลของเราประกอบด้วยและผ่านการขยายตัวต่อไป สสารดำ,ตามสมมติฐานนี้ ประกอบด้วยอนุภาคพื้นฐานที่ฟิสิกส์ของนิวตันยอมรับโดยทั่วไป แต่ด้วยเหตุผลบางอย่างมีปฏิสัมพันธ์เล็กน้อยในทางแม่เหล็กไฟฟ้า นั่นคือสาเหตุที่เครื่องตรวจจับตรวจไม่พบ

มันไม่ได้ราบรื่นขนาดนั้น

สถานการณ์นี้เหมาะกับนักวิทยาศาสตร์หลายคน แต่ก็ยังมีคำถามมากกว่าคำตอบ หากทั้งสสารขาวดำแสดงโดยแบริออนเท่านั้น ความเข้มข้นของแบริออนแสงเป็นเปอร์เซ็นต์ของมวลหนัก อันเป็นผลมาจากการสังเคราะห์นิวคลีโอสเบื้องต้น ควรจะแตกต่างกันในวัตถุทางดาราศาสตร์เริ่มต้นของจักรวาล และจากการทดลอง การมีอยู่ของวัตถุโน้มถ่วงขนาดใหญ่จำนวนเพียงพอในกาแลคซีของเรา เช่น หลุมดำหรือดาวนิวตรอน ไม่ได้รับการเปิดเผยเพื่อทำให้มวลของรัศมีของทางช้างเผือกสมดุล อย่างไรก็ตาม ดาวนิวตรอนเดียวกัน ดาราจักรมืดรัศมี หลุมดำ ดาวแคระขาว ดำ และน้ำตาล (ดาวในระยะต่างๆ ของวงจรชีวิต) น่าจะเป็นส่วนหนึ่งของสสารมืดที่เกิดจากสสารมืด พลังงานสีดำยังสามารถเสริมการเติม รวมถึงวัตถุสมมุติที่คาดการณ์ไว้ เช่น preon, quark และ Q stars

ผู้สมัครที่ไม่ใช่แบริออน

สถานการณ์ที่สองบอกเป็นนัยถึงแหล่งกำเนิดที่ไม่ใช่แบริออน ที่นี่อนุภาคหลายประเภทสามารถทำหน้าที่เป็นผู้สมัครได้ ตัวอย่างเช่น ไลท์นิวทริโน ซึ่งนักวิทยาศาสตร์ได้พิสูจน์ให้เห็นแล้วว่ามีอยู่จริง อย่างไรก็ตามมวลของพวกเขาในลำดับหนึ่งร้อยต่อหนึ่งหนึ่งหมื่น eV (อิเล็กตรอน - โวลต์) แทบจะแยกพวกมันออกจากอนุภาคที่เป็นไปได้เนื่องจากความหนาแน่นวิกฤตที่จำเป็นไม่สามารถบรรลุได้ แต่นิวตริโนหนักที่จับคู่กับเลปตอนหนัก แทบไม่ปรากฏให้เห็นในปฏิกิริยาที่อ่อนแอภายใต้สภาวะปกติ นิวตริโนดังกล่าวเรียกว่าเป็นหมัน (sterile) ด้วยมวลสูงสุดของพวกมันถึงหนึ่งในสิบของ eV พวกมันจึงมีแนวโน้มที่จะเป็นอนุภาคของสสารมืด แอกเซียนและคอสมิกถูกนำมาใช้ในสมการเชิงฟิสิกส์เพื่อแก้ปัญหาในโครโมไดนามิกของควอนตัมและในแบบจำลองมาตรฐาน เมื่อรวมกับอนุภาคสมมาตรยิ่งยวดที่เสถียรอีกตัวหนึ่ง (SUSY-LSP) พวกมันอาจมีคุณสมบัติเป็นผู้สมัคร เนื่องจากพวกมันไม่ได้มีส่วนร่วมในปฏิกิริยาทางแม่เหล็กไฟฟ้าและแรง อย่างไรก็ตาม พวกมันยังคงเป็นสิ่งสมมุติ ซึ่งต่างจากนิวตริโน แต่การมีอยู่ของพวกมันยังต้องได้รับการพิสูจน์

ทฤษฎีสสารดำ

การขาดมวลในจักรวาลทำให้เกิดทฤษฎีต่างๆ เกี่ยวกับคะแนนนี้ ซึ่งบางส่วนก็ค่อนข้างสอดคล้องกัน ตัวอย่างเช่น ทฤษฎีที่ว่าแรงโน้มถ่วงปกติไม่สามารถอธิบายการหมุนของดาวฤกษ์ในดาราจักรชนิดก้นหอยด้วยความเร็วที่แปลกและเร็วเกินจริงได้ ด้วยความเร็วเช่นนี้ พวกมันก็จะบินออกไป หากไม่มีแรงยึดใดๆ ซึ่งยังไม่สามารถลงทะเบียนได้ ทฤษฎีอื่น ๆ อธิบายความเป็นไปไม่ได้ที่จะได้รับ WIMP (อนุภาคที่มีปฏิสัมพันธ์ระหว่างอนุภาคด้วยไฟฟ้าขนาดใหญ่ - อนุภาคย่อยระดับประถมศึกษา, สมมาตรยิ่งยวดและหนักมาก - นั่นคือผู้สมัครในอุดมคติ) ในสภาพบกในขณะที่พวกมันอาศัยอยู่ในมิติ n ซึ่งแตกต่างจากสามของเรา- มิติหนึ่งตามทฤษฎี Kaluza-Klein เราไม่สามารถใช้การวัดดังกล่าวได้

เปลี่ยนดาว

อีกทฤษฎีหนึ่งอธิบายว่าดาวแปรผันและสสารสีดำมีปฏิสัมพันธ์ซึ่งกันและกันอย่างไร ความสว่างของดาวดังกล่าวสามารถเปลี่ยนแปลงได้ไม่เพียงแค่เนื่องจากกระบวนการเลื่อนลอยที่เกิดขึ้นภายใน (การเต้นเป็นจังหวะ, กิจกรรมของโครโมสเฟียร์, การพุ่งออกมาอย่างชัดเจน, การหกล้นและสุริยุปราคาในระบบดาวคู่, การระเบิดซุปเปอร์โนวา) แต่ยังเกิดจากคุณสมบัติผิดปกติของสสารมืด

ขับวาร์ป

ตามทฤษฎีหนึ่ง สสารมืดสามารถใช้เป็นเชื้อเพลิงสำหรับเครื่องยนต์ย่อยของยานอวกาศที่ทำงานบนเทคโนโลยี WARP สมมุติฐาน (WARP Engine) อาจเป็นไปได้ว่าเครื่องยนต์ดังกล่าวอนุญาตให้เรือเคลื่อนที่ด้วยความเร็วเกินความเร็วแสง ในทางทฤษฎี พวกมันสามารถโค้งงอพื้นที่ด้านหน้าและด้านหลังเรือ และเคลื่อนเข้าไปข้างในได้เร็วกว่าคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่เร่งความเร็วในสุญญากาศ ตัวเรือเองไม่ได้เร่งความเร็วในพื้นที่ - มีเพียงสนามอวกาศด้านหน้าเท่านั้นที่โค้งงอ เรื่องราวแฟนตาซีมากมายใช้เทคโนโลยีนี้ เช่น เทพนิยายของ Star Trek

การเติบโตในสภาพดิน

ความพยายามในการสร้างและรับสสารสีดำบนโลกยังไม่ประสบความสำเร็จ ปัจจุบัน การทดลองกำลังดำเนินการที่ LHC (Large Andron Collider) ซึ่งเป็นที่ที่ Higgs boson ถูกบันทึกครั้งแรก เช่นเดียวกับที่อื่นๆ ที่มีพลังน้อยกว่า รวมถึงเครื่องชนเชิงเส้นเพื่อค้นหาพันธมิตรที่มีความเสถียร แต่มีปฏิสัมพันธ์ทางแม่เหล็กไฟฟ้าอย่างอ่อนของอนุภาคมูลฐาน อย่างไรก็ตาม ยังไม่มีโฟโตโน, กราวิติโน, ฮิกซิโน, สนิวตริโน (นิวตริโน) หรือ WIMP อื่นๆ ยังไม่ได้รับ จากการประมาณการอย่างระมัดระวังของนักวิทยาศาสตร์ในเบื้องต้น เพื่อให้ได้สสารมืดหนึ่งมิลลิกรัมในสภาพพื้นโลก จำเป็นต้องมีพลังงานเทียบเท่ากับที่บริโภคในสหรัฐอเมริกาในระหว่างปี