Людські знання і наука застосовні до не більше ніж 5 % Всесвіту

Питання «Із чого складається Всесвіт?» викликає цікавість не тільки у вчених. Однак на нього не можна відповісти, намагаючись перерахувати все, що містить наш Всесвіт. Матерія складається з атомів, які складаються з протонів, нейтронів та електронів. Протони та нейтрони складаються з верхніх кварків і нижніх кварків. Також фізики відкрили додаткові частинки, такі як нейтрино та інші важкі частинки, призначення яких невідоме. Але головне — відома нам матерія становить лише 5 % Всесвіту; решта — це темна матерія (27 %) і темна енергія (68 %), природа яких загадкова.

Кількість темної матерії у Всесвіті значно перевершує звичну матерію, яку людство вивчало протягом століть. Попри те що вона невидима, про її присутність можна судити за кількома фактами.

Галактики обертаються швидше, ніж повинні, з огляду на їхню видиму масу. Ця невідповідність дає змогу припустити, що їх утримує разом невидима маса.

Світло від далеких галактик викривляється. Цей ефект гравітаційного лінзування вказує на наявність масивного невидимого об’єкта між спостерігачем і галактикою.

Спостереження за зіткненнями галактик показують, що в той час, як звичайна матерія (газ і пил) взаємодіє і сповільнюється, темна матерія проходить крізь них недоторканою, що говорить про те, що вона не взаємодіє за допомогою електромагнітних сил.

Звичайна матерія взаємодіє за допомогою чотирьох фундаментальних сил:

Гравітація: сила тяжіння між об’єктами з масою.

Електромагнетизм: сила між частинками з електричним зарядом, який може бути притягальним або відштовхувальним. Ця сила відповідає за структурну цілісність об’єктів, світло, електрику й магнетизм.

Слабка взаємодія: слабша сила, ніж електромагнетизм, що бере участь у взаємодіях частинок, таких як нейтрино. За високих енергій вона об’єднується з електромагнетизмом в електрослабку взаємодію.

Сильна взаємодія: сила, що утримує протони та нейтрони разом у ядрі атома.

Темна матерія взаємодіє з гравітацією, але, видається, не взаємодіє з трьома іншими фундаментальними силами. Вона не випромінює, не поглинає і не відбиває світло, тому її важко виявити. Про її існування можна судити за гравітаційним впливом на видиму матерію. Хоча темна матерія становить приблизно 27 % маси Всесвіту, її природа невідома. Учені припускають, що вона може складатися з нових частинок, таких, що слабо взаємодіють (WIMPs).

Учені застосовують кілька підходів до вивчення темної матерії: експерименти з використанням інертних газів, високоенергетичні зіткнення в прискорювачах, вивчення регіонів із високою концентрацією темної матерії, таких як центр нашої галактики. Розкриття загадки темної матерії може здійснити революцію в нашому розумінні Всесвіту, учені можуть виявити нові частинки, сили та взаємодії.

Темна енергія — не менша загадка, ніж темна матерія. Вона була виявлена випадково, коли вчені вимірювали швидкість розширення Всесвіту, очікуючи, що вона буде сповільнюватися. Однак вони виявили, що вона, навпаки, прискорюється. Це прискорення пов’язане з дією темної енергії.

Учені вимірюють розширення Всесвіту, спостерігаючи за швидкістю, з якою галактики віддаляються від нас. У Всесвіті, що розширюється, усе віддаляється від усього іншого, подібно до родзинок у булочці, що випікається. Щоб зрозуміти, як змінюється швидкість розширення із часом, учені порівнюють швидкість галактик, що віддаляються від нас зараз, з їхньою швидкістю мільярди років тому. Розглядаючи світло від віддалених об’єктів, учені можуть зазирнути в минуле. Використовуючи ефект Доплера і «стандартні свічки» (спалахи наднових), вони визначили, що розширення Всесвіту прискорюється, всупереч очікуванням, що гравітація сповільнить його. Це прискорення передбачає існування нової сили, що рухає розширенням. Ця загадкова сила, названа «темною енергією», відповідальна за прискорене розширення Всесвіту. І на неї припадає приблизно 68 % загальної маси та енергії Всесвіту. Вона розсовує все навколо і змушує розширюватися сам простір.

Фізики з дивовижною точністю розрахували пропорції звичайної матерії, темної матерії та темної енергії у Всесвіті, хоча природа темної матерії та темної енергії залишається невідомою. Найточніші вимірювання отримано за допомогою космічного мікрохвильового фону — «дитячого знімка» Всесвіту. Спостереження за надновими допомагають виміряти швидкість розширення Всесвіту. Розрахунок необхідної темної енергії для відповідності цій швидкості збігається з пропорціями, виявленими під час вивчення космічного мікрохвильового фону. Моделювання еволюції Всесвіту від Великого вибуху до його нинішнього стану дає змогу вченим зіставити спостережувану структуру з теоретичними моделями, що вимагають однакових пропорцій темної матерії та темної енергії. Ці методи, хоча й грунтуються на різних принципах і спостереженнях, незмінно вказують на одні й ті самі пропорції.

Фізики не до кінця розуміють, що таке темна енергія, але є кілька теорій.

Енергія вакууму. Темна енергія може походити з енергії, властивої порожньому простору. Квантова механіка припускає, що порожній простір може володіти енергією, хоча розрахунки передбачають рівень енергії набагато вищий, ніж спостерігається.

Нові сили або поля. У деяких теоріях пропонуються нові сили або поля, подібні до електромагнітного поля, які впливають на розширення Всесвіту. Ці поля можуть змінюватися із часом, що пояснює прискорення розширення Всесвіту.

Розширення Всесвіту, що прискорюється, означає, що галактики віддалятимуться дедалі швидше, світло від них не встигатиме дістатися нас, а небо ставатиме дедалі чорнішим. Тривале розширення може призвести до розриву галактик, сонячних систем і навіть атомних структур.

Ми недостатньо знаємо про матерію

На те, що людські знання і наука застосовні лише до 5 % Всесвіту, який ми називаємо «нормальною матерією», можна відреагувати по-різному: відчути себе маленьким і змиритися, заперечувати цей факт, надихнутися новими відкриттями або прагнути дізнатися більше. Однак проблема в тому, що і про відомі нам 5 % ми знаємо далеко не все. Хоча ми володіємо дивовижними технологіями та відкрили дванадцять фундаментальних частинок матерії (шість кварків і шість лептонів), для формування відомої матерії використовують тільки три (верхні кварки, нижні кварки й електрони). Призначення решти дев’яти частинок залишається невідомим.

Наші знання поширюються на те, як частинки об’єднуються в атоми, молекули та складні об’єкти, але нам бракує розуміння, чому все влаштовано саме так, а не інакше. Для глибшого розуміння Всесвіту необхідно виявити основні будівельні блоки, що схоже на пошук найменших деталей Lego.