Tumšā matērija un enerģija.

Lekcija nolasīta StarSpace 14 Suntažu publiskajā Observatorijā 19.09.2015.

Tumsa kosmosa izpētē jau ierasti saistās ar tumšo matēriju un tumšo enerģiju. Tāpēc pamēģināšu paskatīties uz to, ko pašreiz mēs par tām zinām. tumsa

Vispirms par to, kas ir tumšā matērija?

Daudzi uzskata, ka tumšā matērija ir viena no pašām noslēpumainākajām substancēm Visumā. Noslēpumainību šai „vielai” piedod tas, ka to nav iespējams atklāt un to, ka tā, liekas, ir visur. Tāpēc ieguvusi iesauku „tumšā”.tumsa1

Taču īstenībā nekā īpaši noslēpumaina tajā nav. Vai varbūt tomēr – ir?

Tumšās matērijas atklāšana notika pagājušā gadsimta beigās. Fiziķi pētīja galaktiku griešanās ātrumu un pēkšņi nonāca pie secinājuma, ka tā ir daudz ātrāka, kā tika paredzēts teorētiski. Galaktikas griezās pārāk ātri. tumsa2

Tā kā galaktiku griešanās ātrums pa tiešo ir atkarīgs no tās masas, astronomi un fiziķi nonāca pie secinājuma, ka bez tieši novērojamās matērijas galaktikās ir vēl kaut kas – kaut kas smags un neredzams.

Sākumā domāja, ka tumšā matērija ir tā pati matērija, tikai to nevar redzēt parastā, „standarta” elektromagnētiskajā diapazonā. Galu galā, kosmosā ir daudz objektu, ko nevar redzēt ar parastajiem teleskopiem.

Taču tumšās matērijas masas daļa kopējā galaktikas masā krietni pārsniedza „parastās” matērijas masas daļu, ka kļuva skaidrs – tumšā matērija – nav tikai kaut kādi brūnie punduri. Tā ir savādāka, tikai – kāda?

Pagājuši kādi divdesmit gadi, un fiziķi joprojām nevar atbildēt uz jautājumu „Kas tā tāda – tumšā matērija”? tumsa3

Kandidātu saraksts ir pietiekoši liels.

Pirmkārt, tā varbūt patiešām var izrādīties „parastā” matērija, kas dažādu iemeslu dēļ nav redzama. tumsa4

Tiem pašiem brūnajiem punduriem un melnajiem caurumiem ir ļoti mazi fiziskie izmēri, tos nevar novērot parastajos teleskopos, un tie ir pietiekoši smagi. tumsa5

Otrkārt, tā var būt „dīvaina”, nebarionu matērija – vieglie un smagie neitrino, vai arī daļiņu supersimetriskie partneri. Paskaidrošana, ko nozīmē „daļiņu supersimetriskie partneri” aizņemtu pārāk daudz laika, tāpēc pieņemiet to kā faktu. Daļiņu supersimetrija ir nepierādīta hipotēze par to, ka katrai daļiņai ir savs simetrisks partneris, turklāt ar daudz lielāku masu. tumsa6

Daļiņu superpartneri ir paši piemērotākie kandidāti uz tumšās matērijas lomu. Tos patiešām nav iespējams atklāt, bet to enerģija ievērojami pārsniedz „parasto”, „mūsējo” daļiņu masu.

Beidzot, daudzi zinātnieki uzskata, ka tumšā matērija vispār nav matērija kā tāda, tie vienkārši ir telpas-laika struktūras „materializēti” defekti – magnētiski monopoli, kosmiskās stīgas un tamlīdzīgas lietas. Šādi defekti ir ar maziem fiziskiem izmēriem, toties, ar kolosālu masu, un tātad, tie der tumšās matērijas lomai. tumsa7

Tumšā matērija ir visur, par saules sistēmā, lai gan pavisam nedaudz – apmēram 50 grami. Kaut arī ir teorijas, kas paredz, ka Saules sistēmā varētu atrast pat puskilogramu, tā kā iespējams, viss vēl nav zaudēts un kāds nākotnē to tiešām varētu atrast.

Zinātniskajā fantastikā tumšā matērija uzstājas gan kā Visuma glābēja, gan kā slepkava.

Īstenībā, pašreiz tumšā matērija praktiski nekādi neiespaido Visuma stāvokli, tā pastāv tikai tāpēc, lai ar savu masu apstiprinātu kosmoloģiskās teorijas par galaktiku veidošanos. Tas ir visai mulsinoši, jo pati zinātne vienmēr ir postulējusi, ka teoriju apstiprināšanai nevar izmantot nezināmus lielumus. Taču tad būtu jāpieņem fakts, ka zinātne ir bezspēcīga izskaidrot Visumu. Lai nu kā, nākas pieņemt, ka tumšā matērija patiešām eksistē, turklāt tās ir vairākas reizes vairāk par redzamo, „spīdošo” matēriju: 26,8% pret 4,3%. Un tā var būt jebkas:

noslēpumaini debess ķermeņi, kas neizstaro radiāciju, melnie caurumi, brūnie punduri, neitrino vai gāze, kas veidojusies pēc Lielā sprādziena. tumsa8

Cerību stariņš tomēr varbūt ir pavīdējis, pirms pāris gadiem presē parādījās ziņa, ka magnētiskais alfa-spektrometrs, kas uzstādīts uz SKS, esot uztvēris noslēpumainus signālus, kas varētu būt neredzamās matērijas pēdas. tumsa9

http://www.inopressa.ru/article/16apr2015/Giornale/materia.html

Tomēr, neskatoties uz to, ka tumšās matērijas daba pagaidām nav zināma, pati par sevi tumšā matērija ir visai parasta, normāla parādība mūsu Visumam. Toties – tumšā enerģija...

http://ribalych.ru/2014/06/25/chto-takoe-tyomnaya-materiya/

Tumšā enerģija ir noslēpumaina parādība, kas iziet ārpus fizikas standarta modeļa robežām. Astronomi par to sāka interesēties apmēram pirms desmit gadiem. Atkal aktuāla palika Visuma izplešanās: zinātnieki uzskatīja, ka tā dziest, bet izrādījās, ka tā paātrinās. Taču drīz zinātnieki saprata, ka tumšajai enerģijai ir sava tumšā puse. Tās atgrūdošā darbība stājas pretī gravitācijai, traucējot izveidoties lielām kosmiskām struktūrām. Tās darbība jūtama pat mūsu pašu Galaktikas tuvumā, atvēsinot tās apkārtni.tumsa10

Līdz šim tumšās matērijas un enerģijas meklējumos uzmanība tika pievērsta vislielāko izmēru veidojumiem (galaktiku kopām) vai arī samērā maziem (atsevišķām galaktikām). Slikti pētīts bija „vidējais mērogs”. Mūsu Galaktika ietilpst Vietējā galaktiku grupā, kas ir daļa no Vietējā apjoma – 30 miljonu gaismas gadu platībā. Mēs un visa mūsu apkaime kustās ar ātrumu 600 km/sek, mūs pievelk citas kopas Jaunavas zvaigznāja teritorijā, taču izmērīt Vietējā apjoma galaktiku kustības ātrumu ir sarežģīti: jāzina precīzi attālumi. tumsa11

1970. gados Alana Sendidža (Allan Sandage) novērojumi Kārnegi observatorijā Pasadenā parādīja, ka savstarpējais galaktiku kustības ātrums ir visai mazs: ap 75 km/sek. Pēc aprēķiniem, galaktikām, ko pievelk vienu otrai gravitācija, būtu jākustas ar ātrumu ap 500 km/sek. tumsa12 Tika meklēti skaidrojumi, kāpēc tas tā. Krievijas akadēmijas zinātnieks Igors Karačencovs piedāvāja šādu izskaidrojumu. Galaktikas un to ietverošie kokoni no tumšās matērijas peld tumšās matērijas jūrā, kas nogludina blīvuma kontrastus un attiecīgi – arī gravitācijas spēkus, kas izsauc galaktiku kustību. Vienīgā nesaiste – matērijas, gan redzamās, gan tumšās īpašība nav „izplūšana”, bet gan „saplūšana”.tumsa13

Tāpēc citi zinātnieki pievērsās tumšajai enerģijai. Tās gravitācijas atgrūšana līdzsvaro galaktiku gravitācijas radīto pievilkšanos, samazinot to kustību. Mūsu Galaktikas iekšpusē pārsvarā ir pievilkšanās, taču lielākos attālumos sāk prevalēt atgrūšanās. Pēc MVU zinātnieka Artūra Čerņina un viņu kolēģu pētījumiem 2000. gadā šis attālums ir 5 miljoni gaismas gadu – tieši tādā attālumā galaktiku kustība sāk atšķirties no standarta.tumsa14

Pirmie aprēķini galaktiku ātrumu samazināja divas reizes. Tas bija pārāk maz. Jaunie, daudz skrupulozākie aprēķini, ko veica Andrea Mačio (Andrea Maccio) grupa no Cīrihes universitātes, apstiprināja tumšās enerģijas klātbūtnes pazīmes. tumsa15

Taču visi nav vienisprātis ar viņiem. 1999. gadā Rjens van de Veigaerts (Rien van de Weygaert) no Groningenas universitātes Nīderlandē un Jehuda Hofmans (Yehuda Hoffman) no Ebreju universitātes Jeruzālemē paziņoja, ka Vietējais apjoms visdrīzāk ir „satverts kosmiskajā karā” starp to ietverošajām galaktiku kopām. Tas rauj galaktikas uz pretējām pusēm, līdzsvarojot to gravitāciju. tumsa16

Kā raksta Džordžs Masers (George Musser), kas ir svarīgāk – šis mehānisms vai tumšā enerģija, astronomiem būtu jāsalīdzina Vietējais apjoms ar citiem līdzīgiem apgabaliem: ja tajos nav „kosmisko karu”, bet galaktikas uzvedas tāpat, tas nozīmē, ka darbojas tumšā enerģija. tumsa17 Diemžēl zinātnieki joprojām nespēj noteikt, ko nozīmē „uzvedas tāpat”, tā kā debates turpinās. Ja Mačio argumenti ir pareizi, tad tumšās enerģijas eksistences ideja, ko kādreiz uzskatīja par pašu „fantastiskāko” zinātnē, izrādīsies zinātniska.

http://www.femto.com.ua/phys_world/phys_world-0049.html

Diskusijās par tumšo matēriju un tumšo enerģiju ir iesaistījušies arī teologi. Kāds Vjačeslavs Koroļs 2014. gadā vienā no saviem rakstiem apskata terminu „Dieva svētība”, kādu to raksturo Svētais Grigorijs Palama. tumsa18

Katru būtību izzinām tās izpausmēs, tās enerģijās. Enerģija ir īpašība, esības kustība, kas izpaužas uz āru. Dievs atrodas Sava Dievišķuma visā pilnībā, ārpus savas būtības Savās enerģijās. Pati pasaule ir radīta tieši no radošas trauksmes, tas ir, to ir radījušas šīs enerģijas. Dieva svētība ir dievišķā enerģija – Dieva būtības izpausme vieliskajā pasaulē.

Svētība ir tāda gaisma, kurai nekādi materiālās pasaules vai eņģeļu un dēmonu pasaules priekšmeti nav šķēršļi, tātad, neeksistē fizisku instrumentu, lai to piefiksētu.tumsa19

Svētība ietver visas radītās pasaules, taču, tā kā gaisma nav vieliska, tā nesavienojas ar visu vielu, kaut arī var iedarboties uz to. Cilvēks svētību var uztvert vienīgi pēc Dieva iniciatīvas.

Svētība spiežas cauri visiem vieliskās pasaules priekšmetiem, nodrošinot Dieva visur būšanu un viszinību, noturot pasauli līdzsvarā.

Svētība veic vieliskās pasaules procesu kontroli tā, lai realizētos Dieva griba un netiktu pieļauts pārmērīgs ļaunuma subjektu darbības iespaids, ko nosaka tā pati Dieva griba. Respektīvi, mūsu pasaulē ir iespējama enerģiju neviendabība, gan svētības pārpilnība, gan tās lokālās klātbūtnes samazināšanās mūsu pasaulē.tumsa20

Tumšā enerģija arī ir ļoti vienmērīgi izplatīta visā Visumā, tai ir mazs blīvums, tā neiedarbojas kaut cik būtiski ar parasto matēriju ar mums zināmām fundamentālajām mijiedarbībām, izņemot gravitāciju – vienīgo, kura nesējdaļiņas – gravitoni nav atklāti. Esot atklāts Higsa bozons, bet tas vēl jāapstiprina.

Tumšā enerģija sastāda ievērojamu daļu no tā sauktās Visuma apslēptās masas. Saskaņā ar 2013. gada martā publicētajiem datiem no ESA kosmiskās laboratorijas „Planck”, kopējā novērojamā Visuma masa-enerģija 95,1% sastāv no tumšās enerģijas (68,3%) un tumšās matērijas (26,8%). tumsa21

Tumšā enerģija ir kosmoloģiska konstante – nemainīgs enerģētisks blīvums, kas vienmērīgi piepilda Visuma telpu (citiem vārdiem sakot, tiek postulēta nulles enerģija un negatīvs vakuuma spiediens). Tā kā hipotētiskais tumšās enerģijas blīvums ir neliels (kaut kur 10 mīnus 29 pakāpē g/cm³), to diezin vai izdosies konstatēt ar laboratorijas eksperimentu. Tumšā enerģija atstāj lielu iespaidu uz Visumu tikai tāpēc, ka tā viendabīgi aizpilda telpu. Visprecīzāk mūsu Visumu aprakstošais kosmoloģiskais modelis „Lambda-CDM” nestrādā bez tumšās enerģijas kosmoloģiskās konstantes. Turklāt konstantei ir izšķiroša loma.

Tumšā enerģija ir tāda kā kvintesence – dinamisks laiks, kura blīvums var mainīties telpā un laikā. Pēc aprēķiniem Visuma paātrināta izplešanās sākās apmēram pirms 5 miljardiem gadu. Pirms tam, izplešanos bremzēja tumšās un barionu matērijas gravitācijas iedarbība. Ja Visuma izplešanās paātrināšanās būtu sākusies ātrāk par šo brīdi, zvaigznes un galaktikas vienkārši nepaspētu izveidoties un dzīvībai nebūtu nekādu iespēju rasties, vismaz mums zināmā formā. Daudzi kvintesences modeļi paredz tā saukto „vērojošo uzvedību”. Šajos modeļos kvintesences laukam ir blīvums, kas piemērojas izstarojuma blīvumam (nesasniedzot to) līdz tam Lielā Sprādziena attīstības momentam, kad veidojas vielas un starojuma līdzsvars. Pēc tam kvintesence sāk uzvesties kā meklētā „tumšā enerģija”, kas galu galā arī valda Visumā. tumsa22

http://ex-farisey.com/chemu-upodoblu-tyomnuyu-energiyu/

Pavisam citu Visuma ainu 2008. gadā izskaitļoja doktors Deivids Viltšīrs (David Wiltshire). Pamatojoties uz neseniem matērijas izplešanās novērojumiem, viņš pieņēma kā aksiomu to, ka matērija Visumā izplatās nevienmērīgi, negludi, veidojot tādus kā grumbuļus. Izrādās, ka šajā gadījumā tumšā enerģija vispār vairs nav vajadzīga.

Kad kosmologi pirmo reizi pirms 80-90 gadiem atrisināja Einšteina vienādojumus, viņi nezināja, kā matērija izplatās, un kāds īsti ir Visums. Pirmais atrisinājums, ko vēl joprojām lieto, pieņem ļoti vienkāršu struktūru, kurā visums ir gluds un neizteiksmīgs, un visos virzienos izplatās vienādi. tumsa23

Pateicoties jaunajiem novērojumu projektiem ir iegūti daudz labāki attēli ar liela mēroga struktūrām Visumā, un tagad mēs zinām, ka galaktikas nav vienmērīgi izplatītas. Varētu teikt, ka tās ir salasījušās grupās, kuras apņem milzīgs tukšums vairākus simtus miljonu gaismas gadu caurmērā.

Kopš lēnākas matērijas laikiem, pulksteņi novērotājiem tukšumā tikšķ ātrāk nekā novērotājiem galaktikās. Tā ir pazīme, kas izskaidro, kādēļ tumšā enerģija nav nepieciešama.

Visuma paātrinātā izplešanās ir novērojams efekts, kurš sākās tad, kad atklājās tukšumi. Kad visums bija jauns, visi pulksteņi bija sinhronizēti, bet pateicoties tukšumu attīstībai, pulksteņu ātrums šobrīd ir mainīgs. tumsa24

http://fizmati.lv/zinas/zinatne/uz_redzesanos_tumsa_energija

Viltšīrs ir pārliecināts, ka Einšteins nav realizējis svarīgu laika relativitātes aspektu, lai ieviestu Maha principu savā gravitācijas teorijā. Lai sasniegtu šo mērķi, viņš ekvivalences principu ir pārvērtis par jaunu fizikas principu – kosmoloģisko ekvivalences principu, lai ņemtu vērā Visuma evolucionējošo, vidējo, lokālo blīvumu pulksteņu sinhronizācijā un inerciālo sistēmu relatīvajā kalibrēšanā. Visumā dominē tukšumi, to izmēri ir salīdzināmi ar redzamajām liela mēroga struktūrām. Izplešanās pakļauto apgabalu blīvumu kontrasti ir pietiekoši spēcīgi. Tāpēc nosacīto fona palēninājumu starp tukšumiem un galaktiku apkārtni, ir jāņem vērā. Rezultātā Visuma vecums variē – plus – mīnus miljards gadu – atkarībā no novērotāja pozīcijas. Viltšīrs tic, ka jaunais Visuma modelis ir dzīvotspējīgs, tumšā enerģija šajā gadījumā ir nepareizs enerģijas gravitācijas gradientu formulējums, un kā rezultāts – starpība pulksteņu gaitas tempā. Šīs pašas lielākās kosmoloģijas mīklas saprašana prasa izmainīt paradigmu, tikai negaidītā virzienā: Einšteina teorijā laika un enerģijas koncepcija nav pilnīga. tumsa25

http://www2.phys.canterbury.ac.nz/~dlw24/universe/

http://www.physics-online.ru/PaperLogos/15268/15268.pdf