Диоген Лаэртский (начало III в. н.э.): "Наконец, одни философы называются физиками, за изучение природы; другие — этиками, за рассуждение о нравах; третьи — диалектиками, за хитросплетение речей. Физика, этика и диалектика суть три части философии; физика учит о мире и обо всем, что в нем содержится; этика — о жизни и свойствах человека; диалектика же заботится о доводах и для физики и для этики."

Темная материя

О природе темной материи и темной энергии

Климец Александр П.

 

Сейчас уже понятно, что обычной материи, из которой состоят звезды и межзвездный газ, всего около 4% во Вселенной. 25% приходится на скрытую массу (темную материю), остальные же примерно 71% - на так называемую темную энергию. Некоторые ученые думают, что темная материя состоит из массивных объектов, например черных дыр с массой, не превышающей солнечную. Такие черные дыры трудно обнаружить, даже если их относительно много. Другие ученые предполагают, что скрытая масса - это частицы неизвестного типа, практически не взаимодействующие с обычными протонами, электронами, фотонами и так далее.

До сих пор не ясно, что же именно находится в межзвездном пространстве, хотя масса этого “чего-то” примерно в десять раз больше суммарной массы всех звезд. И решение этой загадки, несомненно, будет крупнейшим открытием. Единственное, что выдает сегодня скрытyю массу, - гравитация. Именно гравитационное поле, влияя на движение звезд в галактиках, позволяет определить долю невидимой материи среди космического вещества.

Предполагаемых носителей скрытой массы не так уж и мало. Ими могут быть и элементарные частицы (WIMPs - Слабо Взаимодействующие Массивные Частицы).

WIMPs - это гипотетические частицы, которые практически не взаимодействуют с привычной нам материей. Физикам, занимающимся микромиром, больше нравится идея WIMPs, что естественно.

     Черные дыры - вполне достойные претенденты на роль WIMPs. Их существование предсказывается теорией. Они не должны быть очень массивными, иначе излучение от падающего на них вещества выдаст их с головой. Во-вторых, их должно быть много, чтобы суммарная масса была примерно в 10 раз больше суммарной массы звезд. Их общее количество как раз и образует ту самую скрытую массу. WIMPs предположительно возникли, когда наша Вселенная была еще очень молодой и горячей. Приходится предположить, что частицы эти практически не взаимодействуют с другими, обычными частицами, и в частности, они не излучают фотонов. Только гравитация указывает на их существование. Эти необычные свойства создают большие трудности в доказательстве существования WIMPs. Если эти частицы существуют, то они заполняют всю нашу Галактику и непрерывно пронизывают Землю.

WIMPs не взаимодействуют с обычной материей и, следовательно, не задерживаются атмосферой. Каждую секунду нас, возможно, пронизывает примерно 1014 этих частиц, к счастью, не влияющих на молекулы нашего тела, поэтому мы их просто не замечаем, и они пролетают сквозь нас, не оставляя никакого следа. Надежда обнаружить WIMPs основана на том, что, возможно, они все-таки взаимодействуют с обычными частицами. Пусть вероятность столкновения крайне мала, но если собрать много обычных частиц вместе, то, возможно, с кем-нибудь эта неуловимая WIMPs да “провзаимодействует”. Конечно, подавляющее большинство этих частиц пролетит незамеченным не только сквозь материал, но и сквозь Землю

Под холодной скрытой массой (соld dark matter) понимаются такие WIMPs, которые движутся с нерелятивистскими скоростями (то есть много меньшими, чем скорость света)..

Поскольку WIMPs имеют большую массу, они еще на ранних стадиях развития Вселенной становятся нерелятивистскими и начинают образовывать отдельные облака. Гравитационное поле сжимает скрытую массу и, что более важно, притягивает барионы - протоны и нейтроны - обычное вещество, из которого состоит видимый нами мир. Поэтому галактики формируются довольно рано, что соответствует наблюдениям. Действительно, всего через миллиард лет после Большого взрыва галактики уже существовали. Это было бы трудно объяснить, имея в своем распоряжении только барионы

Если Вселенная с самого начала после Большого взрыва расширялась равномерно во все стороны, то непонятно, почему отдельные ее части стали конденсироваться и затем превращаться в галактики и звезды. Существует несколько моделей формирования галактик, и присутствие скрытой массы является необходимой составляющей большинства из них.

При внимательном изучении вращения галактик была обнаружена одна странность: скорости движения звезд оказались слишком большими! При таких скоростях они давно должны были бы покинуть галактику, поскольку суммарная гравитационная сила всех звезд, как показывали расчеты, была бы не способна их удержать.

Скрытая масса (или темная материя) возникла почти сразу же после Большого Взрыва, в отличие от знакомых нам атомов. Она слабо взаимодействует с электромагнитным излучением (чем и объясняются трудности ее обнаружения), однако, как и "нормальная" материя, обладает гравитацией, поэтому способна сама собираться в сгущения и притягивать нормальную материю. Темная материя, возможно, служила теми гравитационными "зернами", которые вызывали увеличение плотности энергии в небольших областях пространства. Гравитационные силы этих областей притягивали к себе все окружающее вещество, становясь зернами будущих галактик. Сегодня уже достоверно известно, что галактики окружены гало из темной материи, которые в 10 раз массивнее видимых компонентов галактик.

Черные дыры могут играть важную роль на начальной стадии формирования галактик, собирая материю вместе посредством своей мощной гравитации. Последние данные в большой степени указывают на то, что именно черные дыры формируют вокруг себя галактики.

В своей работе о геонах http://aklimets.narod.ru/geon.htm я показал, что при планковской энергии 1019 Гэв все ультрарелятивистские частицы, в том числе и фотоны, превращаются (коллапсируют) в микроскопические планковские черные дыры с гравитационным радиусом 10-33 см. Скорее всего, планковские черные дыры и являются теми гипотетическими частицами WIMPs, составляющими основу темной материи. Ведь совершенно естественно, что в первые доли секунды Большого Взрыва образовавшиеся сверхжесткие фотоны тут же сколлапсировали в планковские черные дыры, которые и стали пресловутой темной материей.

Учет эффектов квантовой гравитации (смотрите, например, мою вышеуказанную статью о геонах и статью о квантовой гравитации http://aklimets.narod.ru/kvantovaja_gravitacia.htm ) показывает, что черные дыры с массой меньше планковской, не образуются. Планковские черные дыры имеют чрезвычайно малое сечение взаимодействия (~ 10-66 см2). Это приводит к тому, что звезды и планеты практически полностью для них прозрачны – длина свободного пробега планковской черной дыры в веществе ядерной плотности сравнима с радиусом видимой части Вселенной. Поэтому их очень трудно обнаружить. Они могут пронизывать нас и Землю мириадами, но обнаружить их практически невозможно. Проявляют они себя только гравитационным действием. Именно планковские черные дыры явились теми зернами, вокруг скоплений которых образовались галактики. Однако экспериментальное их обнаружение практически невозможно, хотя они и присутствуют вокруг нас в неимоверном количестве. Вполне возможно также, что связанное состояние из нескольких планковских черных дыр является основой кварков и, в конечном счете, барионов. Масса же кварков оказывается меньше массы планковских черных дыр в силу дефекта масс при образовании связанной системы из нескольких взаимодействующих планковских черных дыр.

Поэтому планковские черные дыры и являются теми самыми элементарными частицами WIMPs.

Выше я рассказал о природе темной материи. Обсудим теперь проблему темной энергии.

Темная энергия - гораздо более странная субстанция, чем темная материя. Начать с того, что она не собирается в сгустки, как темная материя, а равномерно "разлита" во Вселенной. В галактиках и скоплениях галактик её столько же, сколько вне их. Самое необычное то, что темная энергия в определенном смысле испытывает антигравитацию. Ссовременными астрономическими методами можно не только измерить нынешний темп расширения Вселенной, но и определить, как он изменялся со временем. Так вот, астрономические наблюдения свидетельствуют о том, что сегодня (и в недалеком прошлом) Вселенная расширяется с ускорением: темп расширения растет со временем. В этом смысле и можно говорить об антигравитации: обычное гравитационное притяжение замедляло бы разбегание галактик, а в нашей Вселенной, получается, всё наоборот.

Такая картина, вообще говоря, не противоречит общей теории относительности, однако для этого темная энергия должна обладать специальным свойством - отрицательным давлением. Это резко отличает её от обычных форм материи. Не будет преувеличением сказать, что природа темной энергии - это главная загадка фундаментальной физики XXI века.

Один из кандидатов на роль темной энергии - вакуум. Плотность энергии вакуума не изменяется при расширении Вселенной, а это и означает отрицательное давление вакуума (Изменение энергии при изменении объема определяется давлением, (дельта Е) = -p (дельтаV). При расширении Вселенной энергия вакуума растет вместе с объемом (плотность энергии постоянна), что возможно, только если давление вакуума отрицательно. Отметим, что противоположные знаки давления и энергии вакуума прямо следуют из Лоренц-инвариантности.)

В своей статье "К квантовой теории гравитации" по адресу http://aklimets/narod.ru/kvantovaja_gravitacia.htm я показал, что на планковском уровне справедливо соотношение неопределенностей между координатой частицы и ее гравитационным импульсом (который связан с гравитационным радиусом частицы), когда их произведение больше или равно квадрату планковской длины. Отсюда следует, что на планковском уровне существует вакуум, состоящий из виртуальных планковских черных дыр. Именно он и создает отрицательное давление и является источником темной энергии.

Таким образом, источником темной материи являются реальные планковские черные дыры, а источником темной энергии являются виртуальные планковские черные дыры. Предполагается также с большой долей вероятности, что в основе кварков, то есть в конечном счете в основе всех барионов лежат связанные состояния реальных планковских черных дыр. Сами же реальные планковские черные дыры являются следствием гравитационного коллапса сверхжестких фотонов в первые доли секунды Большого Взрыва.