Новое исследование может изменить лицо астрофизики.
Это неловко, но астрофизики признают это первыми. Наша лучшая теоретическая модель может объяснить только 5% Вселенной. Остальные 95%, как известно, почти полностью состоят из невидимого неизвестного материала, называемого темной энергией и темной материей. Таким образом, несмотря на то, что в наблюдаемой Вселенной насчитывается миллиард триллионов звезд, на самом деле они крайне редки.
Два загадочных темных вещества можно вывести только из гравитационных эффектов. Темная материя может быть невидимым материалом, но она оказывает гравитационное воздействие на окружающую материю, которую мы можем измерить. Темная энергия - это сила отталкивания, которая заставляет вселенную расширяться с ускорением. Эти два явления всегда рассматривались как отдельные явления. Но мое новое исследование, опубликованное в журнале Astronomy and Astrophysics, предполагает, что они оба могут быть частью одной и той же странной концепции - единой объединенной «темной жидкости» с отрицательными массами.
Отрицательные массы - это гипотетическая форма материи, которая будет иметь тип отрицательной гравитации, отталкивая весь другой материал вокруг себя. В отличие от знакомой нам материи с положительной массой, если оттолкнуть отрицательную массу, она ускорится к вам, а не от вас.
Отрицательные массы - не новая идея в космологии. Как и обычная материя, частицы с отрицательной массой будут расширяться по мере расширения Вселенной, а это означает, что их сила отталкивания со временем станет слабее. Однако исследования показали, что сила, управляющая ускорением расширения Вселенной, неумолимо постоянна. Это несоответствие ранее заставляло исследователей отказываться от этой идеи. Если темная жидкость существует, она не должна со временем истончаться.
В новом исследовании я предлагаю модификацию общей теории относительности Эйнштейна, позволяющую отрицательным массам не только существовать, но и создаваться непрерывно. «Создание материи» уже было включено в раннюю теорию, альтернативную Большому взрыву, известную как модель стационарного состояния. Основное предположение заключалось в том, что материя (положительная масса) постоянно создавалась для пополнения материала по мере расширения Вселенной. Теперь мы знаем из наблюдений, что это неверно. Однако это не означает, что материя с отрицательной массой не может непрерывно создаваться. Я показываю, что эта предполагаемая темная жидкость никогда не растекается слишком тонко. Вместо этого она ведет себя точно так же, как темная энергия.
Я также разработал трехмерную компьютерную модель этой гипотетической вселенной, чтобы посмотреть, сможет ли она также объяснить физическую природу темной материи. Темная материя была введена, чтобы объяснить тот факт, что галактики вращаются намного быстрее, чем предсказывают наши модели. Это означает, что должна присутствовать какая-то дополнительная невидимая материя, чтобы предотвратить их раскручивание.
Моя модель показывает, что окружающая сила отталкивания темной жидкости также может удерживать галактику вместе. Гравитация галактики с положительной массой притягивает отрицательные массы со всех сторон, и по мере того, как жидкость с отрицательной массой приближается к галактике, она, в свою очередь, оказывает более сильное отталкивающее воздействие на галактику, что позволяет ей вращаться с большей скоростью, не разлетаясь на части. Таким образом, оказывается, что простой знак минус может решить одну из самых давних проблем в физике.
Вселенная действительно такая странная?
Можно возразить, что это звучит немного надуманно. Но хотя отрицательные массы странны, они гораздо менее странны, чем вы можете сразу подумать. Во-первых, эти эффекты могут показаться нам странными и незнакомыми, поскольку мы живем в области, где преобладает положительная масса.
Независимо от того, физически реальны или нет, отрицательные массы уже играют теоретическую роль в огромном количестве областей. Пузырьки воздуха в воде можно представить как имеющие отрицательную массу. Недавние лабораторные исследования также позволили получить частицы, которые ведут себя точно так же, как если бы они имели отрицательную массу.
И физики уже привыкли к концепции отрицательной плотности энергии. Согласно квантовой механике, пустое пространство состоит из поля флуктуирующей фоновой энергии, которая местами может быть отрицательной, порождая волны и виртуальные частицы, которые появляются и исчезают. Это может даже создать крошечную силу, которую можно измерить в лаборатории.
Новое исследование может помочь решить многие проблемы современной физики. Теория струн, которая является нашей главной надеждой на объединение физики квантового мира с теорией космоса Эйнштейна, в настоящее время считается несовместимой с данными наблюдений. Однако теория струн предполагает, что энергия в пустом пространстве должна быть отрицательной, что подтверждает теоретические ожидания темной жидкости с отрицательной массой.
Более того, группа, стоящая за новаторским открытием ускоряющейся Вселенной, неожиданно обнаружила доказательства существования космологии отрицательной массы, но предприняла разумные меры предосторожности, интерпретировав эти спорные открытия как «нефизические».
Эта теория также может решить проблему измерения расширения Вселенной. Это объясняется законом Хаббла-Лемэтра, наблюдением, что более далекие галактики удаляются с большей скоростью. Связь между скоростью и расстоянием до галактики определяется «постоянной Хаббла», но ее измерения продолжают меняться. Это привело к кризису в космологии. К счастью, космология отрицательной массы математически предсказывает, что «постоянная» Хаббла должна меняться со временем. Ясно, что есть доказательства того, что эта странная и нетрадиционная новая теория заслуживает нашего научного внимания.
Куда пойти отсюда
Создатель области космологии Альберт Эйнштейн, наряду с другими учеными, включая Стивена Хокинга, рассматривал отрицательные массы. На самом деле, в 1918 году Эйнштейн даже писал, что его общую теорию относительности, возможно, придется модифицировать, чтобы включить их.
Несмотря на эти усилия, космология отрицательной массы может быть ошибочной. Теория, похоже, дает ответы на такое количество открытых в настоящее время вопросов, что ученые вполне справедливо отнесутся к ней с подозрением. Однако часто именно нестандартные идеи дают ответы на давние проблемы. Накапливающиеся веские доказательства теперь разрослись до такой степени, что мы должны рассмотреть эту необычную возможность.
Самый большой из когда-либо построенных телескопов - Square Kilometre Array (SKA) - будет измерять распределение галактик на протяжении всей истории Вселенной. Я планирую использовать SKA для сравнения его наблюдений с теоретическими предсказаниями как для космологии отрицательной массы, так и для стандартной космологии, что поможет в конечном итоге доказать, существуют ли отрицательные массы в нашей реальности.
Ясно, что эта новая теория порождает массу новых вопросов. Так что, как и со всеми научными открытиями, приключения здесь не заканчиваются. На самом деле поиски понимания истинной природы этой прекрасной, единой и, возможно, поляризованной вселенной только начались.
Джейми Фарнс, научный сотрудник и астрофизик из Оксфордского центра электронных исследований Оксфордского университета
Эта статья переиздана из The Conversation под лицензией Creative Commons. Прочтите исходную статью.