Читать книгу "Млечный Путь № 4 2021 - Далия Мейеровна Трускиновская"

кипящей водой сливаются, образуя более крупные пузырьки. Этот процесс называется фазовым переходом первого рода: вода переходит из "жидкой фазы" в "газовую", и последняя сначала существует в виде растущих пузырьков. Новое состояние скалярного поля, называемое "основным состоянием", распространяется из этих точек, как пучок шипящих пузырей.

В конце концов, пузыри полностью сливаются, и скалярное поле завершает переход.

Как сделать шар Ферми

Однако для создания первичных черных дыр, порождающих темное вещество, Се и Каване понадобился еще один ингредиент. Поэтому они добавили в свою модель фермион нового типа. Фермионы - это категория частиц, которые составляют строительные блоки Вселенной. Например, электроны, протоны и нейтроны, составляющие атомы в вашем теле, являются фермионами. В очень ранней Вселенной фермионы свободно перемещались в скалярном поле. Но согласно рецепту, который приготовили Се и Кавана, эти фермионы не могли проникнуть в маленькие вспенивающиеся пузыри нового основного состояния во время фазового перехода. По мере того, как пузыри росли, фермионы скапливались в оставшихся "карманах", становясь "шарами Ферми".

И тогда все пошло наперекосяк. Это связано с тем, что между фермионами существует дополнительная сила, известная как взаимодействие Юкавы, вызванная тем же самым скалярным полем, какое предложили Се и Кавана в статье. Обычно фермионы не любят, когда их собирают в небольшие объемы, но скалярное поле добавляет силу притяжения, которая может подавить это естественное отталкивание. Например, протоны и нейтроны состоят из еще более мелких частиц, называемых кварками. Кварки являются фермионами и обычно ненавидят друг друга, но дополнительная сила заставляет их оставаться вместе.

Эту силу можно смоделировать как взаимодействие Юкавы, подобное физике ранней Вселенной, действовавшей в модели Се и Каваны. Согласно теории Се и Каваны, как только взаимодействие Юкавы завоевало популярность, игра в маленькие "шары Ферми" была окончена. Втиснувшись в маленькие "карманы" быстро менявшейся Вселенной, сгустки фермионов катастрофически схлопывались, образуя огромное количество черных дыр. Эти черные дыры пережили конец фазового перехода и затопили Вселенную в виде темного вещества.

По крайней мере, идея такова. Это радикальное предположение, но когда дело доходит до физики ранней Вселенной и тайны, окружающей темное вещество, нам нужны некоторые радикальные предложения, а также наблюдения, чтобы добиться прогресса.

***

Итан Сигель

Таинственная темная энергия

Что на фундаментальном уровне составляет Вселенную? Когда мы задаем этот вопрос, мы обычно думаем о том, чтобы начать с вещей, которые наблюдаем напрямую - звезды, планеты, люди, газ, пыль, плазма и другие формы материи, которые мы знаем, - и разделить их на части, пока вы не достигнете чего-то, что неделимо. Когда мы овладели законами физики и начали манипулировать субатомными частицами, мы получили способность ускорять и сталкивать их, что позволило создавать широкий набор частиц и античастиц: все, что описано в Стандартной модели физики элементарных частиц. И все же, если мы сложим общую сумму всех этих форм материи, включая фотоны, нейтрино и все, что не состоит из атомов, мы окажемся далеко от того, что необходимо для описания нашей Вселенной. Необходимы два дополнительных компонента: темное вещество и темная энергия. Более того, хотя мы полностью ожидаем, что за темное вещество отвечают частицы, это совсем не так для темной энергии.

Частицы и античастицы Стандартной модели подчиняются всевозможным законам сохранения, с фундаментальными различиями между фермионными частицами и античастицами и бозонными. Каждый набор частиц обладает собственными уникальными квантовыми числами, но никакие частицы не могут объяснить темное вещество или темную энергию. У всех частиц, по крайней мере, в том виде, в каком мы их знаем, есть несколько общих черт. У них есть набор "квантовых чисел" или свойств, которые им присущи, которые определяют их массы, спины и различные заряды. Все частицы одного и того же типа - электроны, нижние кварки, Z-бозоны и т. д. - имеют идентичные свойства, и вы можете заменить любую из них любой другой идентичной частицей, и все останется таким же. Единственное, что между ними различается, является либо случайным, например временем их распада (если они нестабильны), либо ситуационным: такие вещи, как импульс, орбитальный угловой момент или уровни энергии в связанной системе.

Но есть частицы массивные и безмассовые. Массивные частицы замедляются по мере того, как Вселенная расширяется и охлаждается, и в конечном итоге гравитационно слипаются вместе, поскольку каждая масса универсально притягивает любую другую массу. Однако безмассовые частицы просто перемещаются через искривленное пространство с единственно допустимой скоростью, скоростью света, пока не начнут взаимодействовать с другой частицей на своем пути.

Массивные (вещество) и безмассовые (излучение) частицы эволюционируют принципиально по-разному по отношению к расширяющейся Вселенной.

В то время как вещество и излучение становятся менее плотными по мере расширения Вселенной из-за увеличения ее объема, темная энергия - это форма энергии, присущая самому космосу. По мере того, как в расширяющейся Вселенной создается новое пространство, плотность темной энергии остается постоянной.

С астрофизической точки зрения, когда мы исследуем Вселенную всеми известными нам способами, открывается множество аспектов космической истории. Наблюдая за тем, насколько распространены легчайшие элементы и их изотопы, мы можем определить, сколько всего нормального вещества составляет нашу Вселенную. Измеряя, как галактики группируются вместе, а также их крупномасштабное распределение и индивидуальные внутренние свойства, мы можем определить, сколько всего существует "вещества", которое ведет себя так, как будто оно состоит из массивных частиц. И когда мы смотрим на детали, включенные в оставшееся свечение от Большого взрыва - космический микроволновый фон - это говорит нам о том, что Вселенная пространственно плоская, и о том, сколько всего "вещества" присутствует во Вселенной в целом.

график

Из этой информации мы узнаем, что весь нормальный материал Стандартной модели в нашей Вселенной составляет всего 5 процентов от общего количества. Еще ~ 27 процентов - это темное вещество, которое не может вести себя как ни одна из известных частиц. Оно слипается и гравитирует, как обычная материя, но не сталкивается с нормальной материей, светом или другими частицами темного вещества.

Хотя мы можем обнаружить присутствие темного вещества только по его гравитационному влиянию, сразу становится очевидным, что темное вещество распределено гораздо более плавно, чем обычное; оно не такое комковатое, особенно в малых космических масштабах.

К сожалению, все попытки экспериментов по прямому обнаружению не дали надежного положительного результата. Истинная природа темного вещества остается загадочной.

Однако даже при сочетании нормальной и темной материи мы еще не приблизились к тому, чтобы найти остальные ~ 68 процентов.

Ключ к разгадке того, что это за "материя" впервые появился в 1990-х годах, когда наблюдения далеких сверхновых показали,