Chất đen là gì? lý thuyết vật chất tối

2024 Tác giả: Henry Conors | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2024-02-12 14:37

Cái nào có trước: quả trứng hay con gà? Các nhà khoa học trên toàn thế giới đã phải vật lộn với câu hỏi đơn giản này trong nhiều thập kỷ. Một câu hỏi tương tự cũng đặt ra về những gì đã có vào lúc ban đầu, vào thời điểm tạo ra Vũ trụ. Nhưng đó là, sự sáng tạo này, hay các vũ trụ là tuần hoàn hay vô hạn? Vật chất đen trong không gian là gì và nó khác vật chất trắng như thế nào? Bỏ các loại tôn giáo sang một bên, chúng ta hãy cố gắng tiếp cận câu trả lời cho những câu hỏi này từ quan điểm khoa học. Trong vài năm qua, các nhà khoa học đã làm được những điều không tưởng. Có lẽ là lần đầu tiên trong lịch sử, tính toán của các nhà vật lý lý thuyết đồng ý với tính toán của các nhà vật lý thực nghiệm. Một số lý thuyết khác nhau đã được trình bày cho cộng đồng khoa học trong những năm qua. Tuy nhiên, ít nhiều chính xác hơn, theo cách thực nghiệm, đôi khi gần giống khoa học, tuy nhiên, dữ liệu tính toán lý thuyết đã được các thí nghiệm xác nhận, một số thậm chí có độ trễ hơn chục năm (ví dụ như boson Higgs).

Vật chất tối - năng lượng đen

Có rất nhiều lý thuyết như vậy, ví dụ: Lý thuyết dây, Lý thuyết vụ nổ lớn, Lý thuyết vũ trụ tuần hoàn, Lý thuyết vũ trụ song song, Động lực học Newton biến đổi (MOND), F. Hoyle và những người khác. Tuy nhiên, hiện nay, lý thuyết về một Vũ trụ không ngừng mở rộng và phát triển được coi là được chấp nhận chung, các luận điểm của chúng rất phù hợp với khuôn khổ của khái niệm Vụ nổ lớn. Đồng thời, theo kinh nghiệm (tức là theo kinh nghiệm, nhưng với dung sai lớn và dựa trên các lý thuyết hiện đại hiện có về cấu trúc của mô hình thu nhỏ), dữ liệu thu được rằng tất cả các vi hạt mà chúng ta biết đến chỉ chiếm 4,02% tổng khối lượng của toàn bộ thành phần của Vũ trụ. Đây được gọi là "cocktail baryon", hoặc chất baryonic. Tuy nhiên, phần lớn Vũ trụ của chúng ta (hơn 95%) là các chất có cấu trúc khác, thành phần và tính chất khác nhau. Đây là cái gọi là vật chất đen và năng lượng đen. Chúng hành xử khác nhau: chúng phản ứng khác nhau với nhiều loại phản ứng khác nhau, không cố định bằng các phương tiện kỹ thuật hiện có và thể hiện những đặc tính chưa được khám phá trước đây. Từ đó, chúng ta có thể kết luận rằng hoặc những chất này tuân theo các định luật vật lý khác (Vật lý không Newton, một dạng tương tự bằng lời của hình học Phi Euclid), hoặc trình độ phát triển khoa học và công nghệ của chúng ta mới chỉ ở giai đoạn đầu của quá trình hình thành.

Baryon là gì?

Theo mô hình tương tác mạnh quark-gluon hiện tại, chỉ có mười sáu hạt cơ bản (và phát hiện gần đây về boson Higgs xác nhận điều này): sáu loại (mùi vị) quark, tám gluon và hai boson. Baryon là những hạt cơ bản nặng có tương tác mạnh. Nổi tiếng nhất trong số chúng là quark, proton và neutron. Họ của các chất như vậy, khác nhau ởspin, khối lượng, "màu sắc" của chúng, cũng như các con số "mê hoặc", "kỳ lạ", chính xác là những khối cấu tạo nên cái mà chúng ta gọi là vật chất baryonic. Vật chất đen (tối), chiếm 21,8% tổng thành phần của Vũ trụ, bao gồm các hạt khác không phát ra bức xạ điện từ và không phản ứng với nó theo bất kỳ cách nào. Do đó, để quan sát trực tiếp ít nhất, và thậm chí nhiều hơn nữa đối với việc đăng ký các chất như vậy, trước tiên cần phải hiểu vật lý của chúng và đồng ý về các định luật mà chúng tuân theo. Nhiều nhà khoa học hiện đại hiện đang làm công việc này tại các viện nghiên cứu trên khắp thế giới.

Phương án khả dĩ nhất

Những chất nào được coi là tốt nhất? Để bắt đầu, cần lưu ý rằng chỉ có hai lựa chọn khả thi. Theo GR và SRT (Thuyết tương đối rộng và đặc biệt), về thành phần cấu tạo, chất này có thể là vật chất tối baryon và không baryon (màu đen). Theo lý thuyết chính của Vụ nổ lớn, bất kỳ vật chất nào hiện có đều được biểu diễn dưới dạng baryon. Luận điểm này đã được chứng minh với độ chính xác cực cao. Hiện tại, các nhà khoa học đã biết cách nắm bắt các hạt được hình thành một phút sau vụ nổ điểm kỳ dị, tức là sau vụ nổ của một trạng thái siêu đặc của vật chất, với khối lượng cơ thể có xu hướng vô cùng và kích thước cơ thể có xu hướng bằng không. Kịch bản với các hạt baryon là có thể xảy ra nhất, vì chính từ chúng mà Vũ trụ của chúng ta bao gồm và thông qua chúng tiếp tục mở rộng. vật chất đen,Theo giả thiết này, nó bao gồm các hạt cơ bản thường được vật lý Newton chấp nhận, nhưng vì một số lý do tương tác yếu theo cách điện từ. Đó là lý do tại sao máy dò không phát hiện ra chúng.

Mọi chuyện không suôn sẻ lắm

Kịch bản này phù hợp với nhiều nhà khoa học, nhưng vẫn còn nhiều câu hỏi hơn là câu trả lời. Nếu cả vật chất đen và trắng chỉ được biểu thị bằng các baryon, thì nồng độ của các baryon nhẹ tính theo phần trăm của các chất nặng, là kết quả của quá trình tổng hợp hạt nhân sơ cấp, sẽ khác trong các vật thể thiên văn ban đầu của Vũ trụ. Và trên thực nghiệm, sự hiện diện cân bằng trong thiên hà của chúng ta với một số lượng lớn các vật thể hấp dẫn lớn, chẳng hạn như lỗ đen hoặc sao neutron, đã không được tiết lộ để cân bằng khối lượng của vầng hào quang trong Dải Ngân hà của chúng ta. Tuy nhiên, các sao neutron giống nhau, quầng thiên hà tối, lỗ đen, sao lùn trắng, đen và nâu (các ngôi sao ở các giai đoạn khác nhau trong vòng đời của chúng), rất có thể, là một phần của vật chất tối mà vật chất tối được tạo thành. Năng lượng đen cũng có thể bổ sung cho sự lấp đầy của chúng, bao gồm các vật thể giả định được dự đoán như preon, quark và sao Q.

Ứng viên không baryonic

Tình huống thứ hai ngụ ý nguồn gốc không phải baryonic. Ở đây, một số loại hạt có thể đóng vai trò là ứng cử viên. Ví dụ, neutrino ánh sáng, sự tồn tại của nó đã được các nhà khoa học chứng minh. Tuy nhiên, khối lượng của chúng, theo thứ tự từ một phần trăm đến mộteV phần vạn (electron-Volt), thực tế loại trừ chúng khỏi các hạt có thể do không thể đạt được mật độ tới hạn cần thiết. Nhưng neutrino nặng, kết hợp với lepton nặng, thực tế không tự biểu hiện trong các tương tác yếu trong điều kiện bình thường. Những neutrino như vậy được gọi là vô trùng; với khối lượng tối đa lên đến 1/10 eV, chúng có nhiều khả năng là ứng cử viên cho các hạt vật chất tối. Axion và cosmion đã được đưa vào các phương trình vật lý một cách nhân tạo để giải các bài toán trong sắc động lực học lượng tử và trong mô hình chuẩn. Cùng với một hạt siêu đối xứng ổn định khác (SUSY-LSP), chúng có thể đủ tiêu chuẩn làm ứng cử viên, vì chúng không tham gia vào các tương tác điện từ và mạnh. Tuy nhiên, không giống như neutrino, chúng vẫn chỉ là giả thuyết, sự tồn tại của chúng vẫn cần được chứng minh.

Thuyết vật chất đen

Sự thiếu hụt khối lượng trong Vũ trụ dẫn đến các giả thuyết khác nhau về điểm số này, một số lý thuyết khá nhất quán. Ví dụ, lý thuyết cho rằng lực hấp dẫn thông thường không thể giải thích sự quay nhanh và kỳ lạ của các ngôi sao trong các thiên hà xoắn ốc. Với tốc độ như vậy, chúng chỉ đơn giản là bay ra khỏi nó, nếu không phải do một lực kìm hãm nào đó, điều mà chúng ta chưa thể đăng ký. Các luận điểm lý thuyết khác giải thích khả năng không thể đạt được WIMP (các hạt tương tác điện tử lớn-đối tác của các tiểu hạt cơ bản, siêu đối xứng và siêu lượn sóng - tức là các ứng cử viên lý tưởng) trong điều kiện trên cạn, vì chúng sống ở chiều n, khác với ba chiều của chúng ta chiều một. Theo lý thuyết Kaluza-Klein, những phép đo như vậy không có sẵn cho chúng tôi.

Thay đổi Sao

Một lý thuyết khác mô tả cách các ngôi sao biến thiên và vật chất đen tương tác với nhau. Độ sáng của một ngôi sao như vậy có thể thay đổi không chỉ do các quá trình siêu hình xảy ra bên trong (xung động, hoạt động sắc quyển, phóng nổi, hiện tượng tràn và nguyệt thực trong hệ sao đôi, vụ nổ siêu tân tinh) mà còn do các đặc tính dị thường của vật chất tối.

WARP ổ

Theo một giả thuyết, vật chất tối có thể được sử dụng làm nhiên liệu cho động cơ con của tàu vũ trụ hoạt động trên công nghệ WARP giả định (WARP Engine). Về khả năng, những động cơ như vậy cho phép con tàu di chuyển với tốc độ vượt quá tốc độ ánh sáng. Về mặt lý thuyết, chúng có thể bẻ cong không gian phía trước và phía sau con tàu và di chuyển nó trong đó còn nhanh hơn cả sóng điện từ tăng tốc trong chân không. Bản thân con tàu không tăng tốc cục bộ - chỉ có trường không gian phía trước nó bị bẻ cong. Nhiều câu chuyện giả tưởng sử dụng công nghệ này, chẳng hạn như Star Trek saga.

Tăng trưởng trong điều kiện trên cạn

Nỗ lực tạo ra và lấy vật chất đen trên trái đất vẫn chưa thành công. Hiện tại, các thí nghiệm đang được thực hiện tại LHC (Máy va chạm Andron Lớn), chính xác nơi boson Higgs được ghi lại lần đầu tiên, cũng như ở những nơi khác, ít mạnh hơn, bao gồm cả các máy va chạm tuyến tính để tìm kiếmcác đối tác tương tác yếu về mặt điện từ của các hạt cơ bản. Tuy nhiên, vẫn chưa thu được photino, gravitino, higsino, hay Sneutrino (neutralino), cũng như các WIMP khác. Theo ước tính thận trọng sơ bộ của các nhà khoa học, để thu được một miligam vật chất tối trong điều kiện trên cạn, cần tương đương với năng lượng tiêu thụ ở Hoa Kỳ trong năm.