В останні кілька десятиліть вчені виявили, що у Всесвіті набагато більше, ніж зустрічає око: Космос, здається, наповнений не одним, а двома невидимими складовими - темною речовиною і темною енергією, існування яких було запропоновано заснована виключно на їх гравітаційному впливі на звичайну речовину та енергію.
Тепер теоретичний фізик Роберт Дж. Шеррер придумав модель, яка могла б розрізати таємницю навпіл, пояснивши темну матерію і темну енергію як два аспекти єдиної невідомої сили. Його модель описана в роботі під назвою «Чисто кінетична сутність як єдина темна матерія», опублікованій в Інтернеті фізичними оглядами листів 30 червня та доступною в Інтернеті за адресою http://arxiv.org/abs/astro-ph/0402316.
"Один із способів думати про це - всесвіт наповнений невидимою рідиною, яка чинить тиск на звичайну речовину і змінює спосіб розширення Всесвіту", - каже Шеррер, професор фізики університету Вандербільта.
За словами Шеррера, його модель надзвичайно проста і дозволяє уникнути основних проблем, які характеризували попередні зусилля щодо об'єднання темної матерії та темної енергії.
У 1970-х астрофізики постулювали існування невидимих частинок, званих темною речовиною, щоб пояснити рух галактик. Виходячи з цих спостережень, вони підрахували, що у Всесвіті має бути приблизно в 10 разів більше темної речовини, ніж звичайна матерія. Одним з можливих пояснень темної матерії є те, що вона складається з нового типу частинок (званих Слабо взаємодіючими масивними частинками або WIMP), які не випромінюють світла і ледь взаємодіють зі звичайною речовиною. Ряд експериментів шукають докази цих частинок.
Як би цього було недостатньо, у 90-х роках з'явилася темна енергія, яка виробляє відштовхуючу силу, яка, здається, розриває Всесвіт. Вчені посилалися на темну енергію, щоб пояснити несподіване відкриття, що швидкість, з якою розширюється Всесвіт, не сповільнюється, як думали більшість космологів, а натомість прискорюється. За останніми підрахунками, темна енергія складає 75 відсотків Всесвіту, а темна речовина складає ще 23 відсотки, залишаючи звичайну матерію та енергію з чітко вираженою меншості лише у 2 відсотки.
Об'єднуюча ідея Шеррера - це екзотична форма енергії з чітко визначеними, але складними властивостями, що називається скалярним полем. У цьому контексті поле - це фізична величина, яка володіє енергією і тиском, яка поширюється по простору. Космологи вперше посилалися на скалярні поля, щоб пояснити космічну інфляцію - період, який відбувся незабаром після Великого вибуху, коли, як видається, всесвіт зазнала епізоду гіпер-розширення, надувши мільярди в мільярди разів менше, ніж за секунду.
Зокрема, Шеррер використовує у своїй моделі скалярне поле другого покоління, відоме як k-сутність. Полі K-сутності були розроблені Полем Штейнхардтом з Принстонського університету та іншими, як пояснення темної енергії, але Шеррер першим зазначив, що один простий тип поля k-сутності також може створювати ефекти, приписувані темній матерії.
Вчені розрізняють темну речовину і темну енергію, оскільки вони, схоже, поводяться по-різному. Здається, темна речовина має масу і утворює гігантські скупчення. Насправді космологи розраховують, що гравітаційне притягнення цих скупчень відіграло ключову роль у змушенні звичайної речовини утворювати галактики. Темна енергія, навпаки, виявляється без маси і рівномірно поширюється по простору, де вона виступає як своєрідна антигравітація, відштовхуюча сила, яка штовхає Всесвіт.
Поля K-сутності можуть змінювати свою поведінку з часом. При дослідженні дуже простого типу k-суттєвого поля - такого, в якому потенційна енергія є постійною - Шеррер виявив, що по мірі розвитку поля воно проходить через фазу, де може збиватися і імітувати ефект невидимих частинок з наступною фазою, коли вона рівномірно поширюється по всьому простору і приймає характеристики темної енергії.
"Модель природно перетворюється на стан, коли деякий час вона виглядає як темна матерія, а потім виглядає як темна енергія", - каже Шеррер. "Коли я зрозумів це, я подумав:" Це переконливо, давайте подивимося, що ми можемо з цим зробити "."
Дослідивши модель більш детально, Шеррер виявив, що вона уникає багатьох проблем, які страждали від попередніх теорій, які намагаються об'єднати темну матерію та темну енергію.
Рання модель темної енергії була зроблена шляхом зміни загальної теорії відносності, щоб включити термін, який називають космологічною постійною. Це був термін, який Ейнштейн спочатку включав, щоб збалансувати силу тяжіння з метою формування статичної всесвіту. Але він весело кинув константу, коли астрономічні спостереження дня виявили, що це не потрібно. Останні моделі, що вводять космологічну константу, добре справляються з відтворенням ефектів темної енергії, але не пояснюють темну матерію.
Одна спроба об'єднати темну речовину та темну енергію, що називається газовою моделлю Чаплигіна, ґрунтується на роботі російського фізика в 1930-х роках. Він створює початкову стадію темної матерії, що супроводжується еволюцією темної енергії, але вона не може пояснити процес утворення галактики.
Формулювання Шеррера має деякі схожість з уніфікованою теорією, запропонованою на початку цього року Німою Аркані-Хамедом з Гарвардського університету та його колегами, які намагаються пояснити темну речовину і темну енергію як такі, що виникають у поведінці невидимої і всюди присутньої рідини, яку вони називають " конденсат привидів ».
Хоча модель Шеррера має ряд позитивних особливостей, вона має і деякі недоліки. З одного боку, для роботи потрібна деяка екстремальна «точна настройка». Фізик також застерігає, що потрібно буде провести більше дослідження, щоб визначити, чи відповідає поведінка моделі іншим спостереженням. Крім того, він не може відповісти на проблему збігу: Чому ми живемо єдиний час в історії Всесвіту, коли щільність, обчислена для темної матерії та темної енергії, порівнянна. Вчені з цим підозріло ставляться до того, що це говорить про те, що є щось особливе в сучасній епосі.
Оригінальне джерело: Новини університету Вандербільта
