Темная материя и темная энергия во вселенной

Гениальные открытия Фрица Цвики

В 1933 году, Фриц Цвики обнаружил, что некоторые звезды вспыхивают, и прежде, чем вновь погаснуть, на протяжении нескольких недель светят ярче, чем их целая родительская галактика. Он предположил, что так гибнут массивные звезды. Взрываясь, они выбрасывают все свое вещество в космос. Это явление гибели звезды, ученые назвали – Сверхновой. Умирающая звезда, сжимается от, более чем полутора километров в диаметре, всего, до пятнадцати километров. Оставшееся ядро, обладает такой высокой плотностью, что мельчайшая ее крупинка, будет весить, как великая пирамида Хеопса. Оно практически целиком состоит из субатомных частиц, называемых нейтронами, поэтому, эти причудливые объекты, назвали нейтронными звездами.

И через тридцать пять лет, после предсказания их существования, астрономы стали их находить. Когда они быстро вращаются, и испускают периодические всплески радиоволн, мы зовем их – пульсарами.

Нейтронными звездами и Сверхновыми, можно объяснить широкий спектр космического излучения, но откуда берется, самое высокоэнергетическое излучение? Наука еще не может дать объяснение этому.

Цвики, была также выдвинута идея, что гравитация галактики деформирует ткань пространства и действует как линза. Свет от других галактик, находящихся сзади, искажается и притягивается, поэтому астрономы на Земле видят несколько искаженных изображений, одной и той же, удаленной галактики, совсем, как в кривом зеркале.

Спустя сорок лет после этого предсказания, мы наблюдали и это явление. Но Цвики сделал и, еще одно открытие, в далеких 30-х годах прошлого столетия. Изучая скопление галактик «Волосы Вероники», он отметил нечто любопытное. Эти галактики двигались слишком уж быстро. Быстро настолько, что они должны были бы по идее разлететься в разны стороны друг от друга, так как их собственной гравитации,  не хватило бы, чтобы сдержать скопления вместе. Цвики подумал, что там должно быть что-то еще, что сдерживает их. Эта недостающая составляющая должна была весить, примерно, в 50 раз больше, чем все те звезды. Но никто тогда не обратил должного внимания на этот невероятный факт.

В нашей Солнечной системе, ближайшая к Солнцу планета Меркурий, движется на много быстрее, самой отдаленной планеты – Нептуна. И в этом есть смысл. Чем сильнее вы, что-либо тянете или толкаете, тем быстрее, оно движется. Притяжение Солнца слабеет с расстоянием, поэтому дальние его планеты движутся медленнее. Все полагали, что та же картина будет наблюдаться в случае, отдаленных от центра галактики, звезд.

Темная материя – что это?

С незапамятных времен людей волновал вопрос происхождения Вселенной и процессы, ее формирующие. В век технологий были сделаны важные открытия, и теоретическая база существенно расширена. В 1922 году британский физик Джеймс Джинс и голландский астроном Якобус Каптейн обнаружили, что большая часть галактического вещества не видима. Тогда впервые был назван термин темная материя – это такое вещество, которое нельзя увидеть ни одним из известных человечеству способов. Присутствие загадочной субстанции выдают косвенные признаки – гравитационное поле, тяжесть.

Темная материя в астрономии и космологии

Предположив, что все предметы и части во Вселенной притягиваются друг к другу, астрономы смогли найти массу видимого космоса. Но было обнаружено несоответствие в весе реальном и предсказанном. И ученые выяснили, что существует невидимая масса, на долю которой положено до 95% всей неизведанной сущности во Вселенной. Темная материя в космосе обладает следующими признаками:

  • подвержена воздействию гравитации;
  • влияет на другие космические объекты,
  • слабо взаимодействует с реальным миром.

Темная материя — философия

Отдельное место занимает темная материя в философии. Данная наука занимается исследованием мироустройства, основ бытия, системы видимых и невидимых миров. За первооснову было взято некое вещество, определяемое пространством, временем, окружающими факторами. Обнаруженная многим позже таинственная темная материя космоса изменила понимание мира, его устройства и эволюции. В философском смысле неизвестная субстанция, как сгусток энергии пространства и времени, присутствует в каждом из нас, поэтому люди смертны, ведь состоят из времени, которое имеет конец.

Удивительные наблюдения астронома Веры Рубен

Большинство звезд сконцентрировано в центре галактики, поэтому, их суммарная гравитация будет притягивать остальные звезды, так же, как и Солнце, притягивает свои планеты. Но в 70-х годах 20 века, астроном Вера Рубен, изучая галактику Андромеда, обнаружила, что внешние звезды не подчиняются этому правилу. В отличие от внешних планет Солнечной системы, отдаленные звезды в галактике двигались с той же скоростью, что и близкие к его центру. То есть, гораздо быстрее, чем это ожидалось. «Забавно», подумала Вера, « с галактикой Андромеда, должно быть что-то не так». Поэтому она пронаблюдала за еще одной галактикой – та же история. Затем за еще одной, еще, и т.д. Вера изучила 60 галактик, и выяснила, что все они, будто нарушают, закон тяготения – один из фундаментальных признаков физики.

После некоторого здорового скепсиса, ее коллеги прошли по стопам Веры и поняли, что она права. Закон всемирного тяготения Ньютона не ошибочен. Вера Рубен открыла, что звезды движутся так быстро из-за гравитации чего-то массивного и невидимого.

Фриц Цвики, еще в 1933 году, предсказывал неизвестный источник гравитации скопления галактик, который он назвал «темной материей»

Вера Рубен подтвердила существование нового, намного более широкого космоса. В нем, так же, как и в нашем, было полно загадок.

Темная материя невидима, ее можно засечь только, по оказываемому ею гравитационному эффекту, который заставляет видимые звезды и галактики двигаться быстрее. Ее происхождение это еще одна тайна, покрытая мраком. Рубен представила доказательства того, что невидимая нам материя, почти в десять раз больше, той, что мы можем наблюдать. Это, как мы, стоя на морском пляже, ошибочно приняли бы пену от волн за весь океан.

Вера Рубен, наблюдая за звездами, поняла, что они есть, только пена на волнах. Что огромнейшая часть океана остается неизвестной.

Что такое темная энергия?

Что же такое темная энергия Вселенной? Ну, тут скорее больше догадок и подозрений, чем конкретики. Ученые могут только утверждать, что она есть, потому что является причиной расширения Вселенной. Но все остальное – темный лес. И это сильно угнетает, ведь темная энергия занимает 68% Вселенной, а темная материя – 27%, а все остальное – это небесные тела. Просто задумайтесь, что мы можем осознать лишь 5% Вселенной!

На диаграмме вы видите изменения в скорости расширения от момента рождения Вселенной (15 миллиардов лет назад). Чем меньше кривая, тем быстрее скорость. Заметный скачок наблюдается в отметке 7.5 млрд. лет назад.

Важно объяснить для самых маленьких, что это свойство пространства. Эйнштейн первым догадался, что пустое пространство – это не пустота, а «что-то»

Он же понял, что появляется больше пространства. Поэтому одна из версий теории гравитации содержит космологическую константу, которая дает подсказку: «пустое пространство» может обладать собственной энергией. Так как это свойство пространства, то она не разбавляется при расширении, а наоборот, также увеличится вместе с ним. В результате Вселенная начала набирать скорость. Но дети должны понять, что никто не может осознать, почему должна существовать эта константа и почему обладает такой важностью.

Это распределение темной материи, галактик и горячего газа в ядре галактики Abell 520.

Поможет разобраться и квантовая теория материи. Здесь «пустое пространство» заполнено временными частицами, которые проходят через непрерывный процесс формирования и разрушения. Но когда ученые решили высчитать конечное число энергии, то получили непростительно много – 10120.

Возможно, все пространство заполнено новой разновидностью динамической жидкости или полем динамической энергии, которое противоположно энергии материи и нормальной энергии (небесные тела). Это явление назвали «квинтэссенцией», но мы так и не можем понять, что это и с чем взаимодействует.

Последний ответ – Эйнштейн совершил ошибку в своей теории гравитации. Это изменило бы не только расширение, но и то, как ведут себя скопления галактик и нормальная материя. Но тогда пришлось бы придумывать новую теорию, а ведь схема Эйнштейна работает для всего. Так что и этот ответ пока не находит 100% достоверности.

Темная энергия вакуума

Вакуум в квантовой теории поля не является пустотой, а наполнен флуктуирующими полями вещества и излучения. Нетривиальность вакуума проявляется не только в космологии, но и в физике элементарных частиц — благодаря ненулевому значению поля Хиггса в вакууме элементарные частицы получают массу (см. Хиггсовский механизм нарушения электрослабой симметрии), а кварковые и глюонные конденсаты оказывают существенное влияние на наблюдаемое поведение сильновзаимодействующих частиц, называемых адронами. Были вакуумные флуктуации измерены и в лабораторном эксперименте: благодаря флуктуациям электромагнитного поля возникает притягивание двух проводящих пластин, так называемый эффект Казимира. Существование флуктуирующих в вакууме полей приводит к тому, что плотность энергии вакуума не равна нулю.

Наблюдая за темпом расширения Вселенной (то есть изменением геометрии пространства-времени), можно установить общую плотность энергии во Вселенной, а вклад барионного вещества, электромагнитного излучения и темной материи можно извлечь из других наблюдений. Таким образом было установлено, что вклад темной энергии составляет около 74%. (Все числа, указанные на рис. 2, — это оценки вклада в энергетический баланс Вселенной, справедливые для настоящего момента, в прошлом они были другими. Зависимость этих величин от времени можно вычислить, и оказывается, что, например, вклад темной энергии в ранней Вселенной, возраст которой сейчас составляет примерно 13,7 миллиарда лет, был пренебрежимо мал.)

Так называемая проблема темной энергии заключается в том, что оцененное из размерных соображений значение плотности ее энергии оказывается намного больше наблюдаемого

Когда мы принимаем во внимание все известные поля, включая гравитационное, характерным масштабом энергий вакуумных флуктуаций становится так называемая планковская масса \(M_{Pl}\), выражающаяся через фундаментальные физические постоянные так:. Здесь \(\hbar\) — это постоянная Планка, \(c\) — скорость света в вакууме, \(G\) — гравитационная постоянная Ньютона

Тогда из соображений размерности можно ожидать, что плотность энергии вакуума должна примерно удовлетворять равенству \(\rho_{vac}\approx M_{Pl}^4\), что больше наблюдаемого значения, которое в привычных нам величинах равно около 10−29 грамм на кубический сантиметр, приблизительно в 10123 раз! Можно подумать, что экстраполировать наши знания о физике элементарных частиц до планковской массы неправомерно, так как даже в экспериментах на Большом адронном коллайдере (LHC) мы достигаем энергий столкновения частиц «всего лишь» порядка ELHC = 1 ТэВ, что меньше массы Планка примерно в 1015 раз. Но даже если допустить, что выше этого масштаба физика кардинально меняется и становится совершенно непохожей на то, как мы ее себе представляем, то ожидаемое характерное значение плотности энергии вакуума \(\rho_{vac}\approx E_{\mathrm{LHC}}^4\) все равно превышает наблюдаемое приблизительно в 1060 раз

Здесь \(\hbar\) — это постоянная Планка, \(c\) — скорость света в вакууме, \(G\) — гравитационная постоянная Ньютона. Тогда из соображений размерности можно ожидать, что плотность энергии вакуума должна примерно удовлетворять равенству \(\rho_{vac}\approx M_{Pl}^4\), что больше наблюдаемого значения, которое в привычных нам величинах равно около 10−29 грамм на кубический сантиметр, приблизительно в 10123 раз! Можно подумать, что экстраполировать наши знания о физике элементарных частиц до планковской массы неправомерно, так как даже в экспериментах на Большом адронном коллайдере (LHC) мы достигаем энергий столкновения частиц «всего лишь» порядка ELHC = 1 ТэВ, что меньше массы Планка примерно в 1015 раз. Но даже если допустить, что выше этого масштаба физика кардинально меняется и становится совершенно непохожей на то, как мы ее себе представляем, то ожидаемое характерное значение плотности энергии вакуума \(\rho_{vac}\approx E_{\mathrm{LHC}}^4\) все равно превышает наблюдаемое приблизительно в 1060 раз.

Вполне возможно, что для решения этой проблемы недостаточно нашего текущего понимания физики, основанного на квантовополевой Стандартной модели, описывающей элементарные частицы и их электромагнитные, слабые и сильные взаимодействия, и неквантовой ОТО, хорошо объясняющей гравитационное взаимодействие на макроскопических масштабах. Вероятно, это является дополнительным указанием на необходимость построения квантовой теории гравитации, объединяющей все взаимодействия, включая гравитационное, в рамках нового единого формализма. Основным кандидатом на роль такой теории в настоящее время является теория струн.

Ток смещения для распространения ЭМВ (света) в среде.

Общепринято, что распространение любых физических полей,
признанных материальными, может происходить в абсолютной пустоте. Любое
физическое поле рождается материальными носителями (электрическими зарядами,
движением зарядов и массами). Обнаружить любое физическое поле можно только с
помощью перечисленных носителей. А распространяться физические поля могут в
абсолютной пустоте. Такое представление относится к распространению света и
любых электромагнитных волн (ЭМВ). Здесь нарушена простая логика физики.

Носителями света могут быть только электрические заряды, как
в веществе, так и в среде. В веществе заряды находятся в
непрерывном движении, в колебаниях. Поэтому происходит рассеивание света, а
также масса зарядов, обладающая инерцией, снижает скорость света. В среде
электрические заряды занимают жёсткую позицию, не двигаются и не колеблются с
большой амплитудой, не имеют заметную инерцию. Поэтому свет в среде
не рассевается, а скорость света имеет максимальное значение. При
распространении света электрические заряды испытывают смещение, которое сопровождается
токами смещения Максвелла. Ток смещения является обязательным для связи
амплитуд световой волны Е и Н. «Пощупать» наличие
связанных зарядов среды можно с помощью обычного конденсатора с
«вакуумом» между его пластинами. Такой конденсатор остается работоспособным.
Для его работы необходимо иметь диэлектрик со связанными зарядами, которые
могут смещаться под воздействие электрического напряжения на обкладках
конденсатора. Следует вывод, что «вакуум» имеет связанные заряды.

Найдем связь  напряженностей Е и Н
с токами смещения при распространении света в среде. При колебаниях вещественных зарядов
происходит вовлечение в движение зарядов среды по закону Кулона,
которое образует явление света (ЭМВ). Амплитуда тока смещения: , образованная
смещением элементарного заряда (+) или (–)  на расстояние  со
скоростью . Амплитуда скорости смещения
заряда: , которая определяется из волнового
(синусоидального) характера света . Ток смещения после подстановки
амплитуды скорости: . В итоге, ток смещения зависит
только от элементарного заряда и частоты света (ЭМВ).

Вероятно, к току смещения можно применить закон Ома:  и . Отсюда
находим, что электрическая напряжённость волны света (ЭМВ) равна:

В/м. 

Здесь единственно возможное сопротивление – это волновое
сопротивление «вакуума» (импеданс «вакуума») .

Здесь – магнитная константа «вакуума»,
обратная величина магнитной проницаемости. В системе единиц опущен множитель, ,
который нарушает все фундаментальные константы в международной системе единиц,
включая постоянную Планка. Поэтому волновое сопротивление среды  в
 раз
меньше, принятого в физике.

Подстановка в формулу для электрической напряжённости дает:

В/м.

Напряжённость оказывается постоянной для всех частот света
(ЭМВ) и зависит от скорости света, величина которой определяется гравитацией
(отклонение лучей света Солнцем и микролинзирование в космосе по принципу
Гюйгенса, невидимость «чёрных» дыр). Магнитная напряженность света, с учетом
выражения для волнового сопротивления, будет:

 А/м.

Может удивить огромная величина амплитуд напряженностей.
Надо помнить, что все электромагнитные волны генерируются электрическими
зарядами и, в основном, электронами. Электрическая напряженность самого
электрона:

В/м. Эта величина совпадает с
электрической напряжённостью в ЭМВ. Отношение напряженностей ЭМВ и
напряженности среды равно: .

Что входит в тёмную материю (теории)

Барионная тёмная материя. Такого во Вселенной крайне мало, но все же встречается. Это все та же видимая материя, но имеющая крайне слабое электромагнитное взаимодействие. Из-за этого ее крайне сложно выявить. Она может содержаться в черных дырах, нейтронных звездах и прочих.

Небарионная тёмная материя. Согласно теории, такого вещества в космосе гораздо больше. Оно и составляет основу всей Вселенной. Но все это лишь предположения.

Небарионная тёмная материя

Лёгкие нейтрино. Существование этих частиц уже доказано, и их должно быть очень много. Пусть их масса совсем мала, но в огромном количестве они действительно могут влиять на пространство.

Тяжёлые нейтрино. У этих частиц полностью отсутствует способность к слабому взаимодействию. В отличие от легких, тяжелые нейтрино действительно могут составлять большую часть темной материи.

Аксионы. Возможно, в темном веществе содержится огромная доля аксионов, но их существование еще даже не доказано. Поэтому они все еще являются гипотетическими частицами.

Суперсимметричные частицы. Они могут составлять львиную долю темной материи уже хотя бы потому, что не имеют сильного и электромагнитного взаимодействия. На данный момент они еще не доказаны, и ученые склоняются к тому, что легчайшая суперсимметричная частица всего одна. Она так и называется LSP (Lightest Supersymmetric Particle).

Космионы. Еще одна гипотетическая частица, которая введена в обиход только для решения некоторых задач. Скорее всего, после подтверждения необходимых теорий, ее вовсе уберут и предполагаемого состава темного вещества.

Дефекты пространства-времени. Они могут образовываться в результате взаимодействия областей вакуума с разной энергией. В этом случае получаются весьма тяжелые частицы, которые и могут доминировать в темной материи, но их все еще не обнаружили.

Темная материя

Какие есть доказательства?

Многих часто волнует вопрос: как выглядит темная материя? Некоторые полагают, что она черная. Это не так. Ее считают темной, так как в прямом смысле слова – это «темная лошадка». До сих пор никто не знает, что это, не смотря на активные попытки понять. Отрицательный результат ученых – это тоже результат, так как по итогу отсеивается диапазон возможного. Ежегодно наблюдения и эксперименты рождают новые данные. Сужая круг поисков, ученые становятся на шаг ближе к раскрытию всех секретов, которые таит в себе галактическое пространство.

Доказательством того, что темная материя существует во Вселенной, является ее тяжесть. Каждая из частей последней притягиваются друг к другу. Это позволило ученым установить показатели сил гравитации и выявить значительный дисбаланс в параметрах, что и подтверждает существование невидимой материи.

Более того, последняя гравитационно влияет на прочие объекты. Например, от нее зависит траектория звездного и галактического движения. Галактики должны разлетаться по разным сторонам, но что-то их удерживает вместе. Не забывай и про феномен линзирования, как еще одно подтверждение существования темной энергии и материи во Вселенной.

Так как на этом интерес ученых не заканчивается, а только растет, появляются новые приспособления. Они позволяют получить более обширные представления о таком таинственном феномене. Одним из инструментом стал телескоп Хаббл, который помог обнаружить данные о размере и массе видимой Вселенной.

Темная энергия

Темная энергия — гораздо более странная субстанция, чем темная материя. Начать с того, что она не собирается в сгустки, 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. Мы уже говорили, что современными 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 энергиии вакуума не изменяется при расширении Вселенной, а это и означает отрицательное давление вакуума. Другой кандидат — новое сверхслабое поле, пронизывающее всю Вселенную; для него употребляют термин «квинтэссенция». Есть и другие кандидаты, но в любом случае темная энергия представляет собой что-то совершенно необычное.

Другой путь объяснения ускоренного расширения Вселенной состоит в том, чтобы предположить, что сами законы гравитации видоизменяются на космологических расстояниях и космологических временах. Такая гипотеза далеко не безобидна: попытки обобщения общей теории относительности в этом направлении сталкиваются с серьезными трудностями.

По-видимому, если такое обобщение вообще возможно, то оно будет связано с представлением о существовании дополнительных размерностей пространства, помимо тех трех измерений, которые мы воспринимаем в повседневном опыте.

К сожалению, сейчас не видно путей прямого экспериментального исследования темной энергии в земных условиях. Это, конечно, не означает, что в будущем не может появиться новых блестящих идей в этом направлении, но сегодня надежды на прояснение природы темной энергии (или, более широко, причины ускоренного расширения Вселенной) связаны исключительно с астрономическими наблюдениями и с получением новых, более точных космологических данных. Нам предстоит узнать в деталях, как именно расширялась Вселенная на относительно позднем этапе её эволюции, и это, надо надеяться, позволит сделать выбор между различными гипотезами.

Речь идет о наблюдениях сверхновых типа 1а.

Последние новости

Тапуннгака — крупнейший птерозавр Австралии

24.09 • Анна Новиковская

Вспышка сверхновой произошла из-за столкновения звезды с нейтронной звездой или черной дырой

23.09 • Андрей Фельдман

Системы типа CRISPR-Cas9 широко распространены и имеют множество вариантов

21.09 • Елена Наймарк

Шкура карнотавра описана до мельчайших складок

17.09 • Анна Новиковская

См. также

Столетие ОТО, или Юбилей «Первой ноябрьской революции»

25.11.2015 • Алексей Левин • Новости науки

Есть ли проблемы с согласованием скорости расширения Вселенной?

Олег Верходанов • Библиотека • «Троицкий вариант» №11, 2019

О темной энергии замолвите слово

Олег Верходанов • Библиотека • «Троицкий вариант» №2, 2020

Джордж и его команда: к 70-летию горячей модели Вселенной

26.01.2016 • Алексей Левин • Новости науки

Рекордные по чувствительности эксперименты LUX и PandaX пока не поймали частицы темной материи

27.07.2016 • Игорь Иванов • Новости науки

Темная энергия во Вселенной

Валерий Рубаков • Библиотека • «Троицкий вариант» №14, 2018

Бесконечно ли всемогущество теории суперструн?

03.07.2006 • Игорь Иванов • Новости науки

Тёмная материя

Сама по себе барионная материя, т.е. обычная материя, вещество, состоящее из барионов (нейтронов, протонов и электронов), не обладает достаточной гравитацией, чтобы объяснить структуру нашей Вселенной. Наша галактика Млечный Путь вращается так быстро, что её звезды должны были бы разбросаны повсюду, так как всё, что мы можем видеть вокруг нас, имеет только 10% гравитации, необходимой для удержания звёзд на своих орбитах. Галактики и сверхскопления становятся возможными благодаря дополнительной гравитации тёмной материи — материи, которая не испускает и не отражает свет. Концентрации тёмной материи, однако, искривляют свет, проходящий поблизости. Мы также знаем, что она медленная и тяжелая, так как она должна быть холодной либо медленной, чтобы гравитационно объединить галактики и кластеры.


Наш вращающийся Млечный Путь должен был бы разлететься без гравитации темной материи.

Существует несколько объяснений того, что может быть причиной этого явления.

Тёмная материя может состоять из частиц. Наша барионная материя состоит из частиц (протоны, нейтроны, электроны), которые мы уже обнаружили, но частицы тёмной материи трудно обнаружить, потому что они не взаимодействуют со светом. Такими частицами могут быть странные и экзотические новые частицы, которые никоим образом не взаимодействуют со светом и материей или частицы с какими-то новыми свойствами, что это выходит за рамки нашего нынешнего понимания физики. В теории струн уже есть некоторые частицы, которые могли бы объяснить тёмную материю — вимпы, аксионы или нейтралино, но нам нужно сначала обнаружить их, чтобы подтвердить эту теорию.

Другое решение говорит о том, что мы не пропускаем барионную материю, необходимую для обеспечения гравитации для структуры Вселенной, но вместо этого гравитация действует по-разному на более массивные объекты, такие как галактики и сверхскопления. Но это решение включало бы признание того, что Общая теория относительности Эйнштейна ошибочна, хотя эта теория прошла многочисленные проверки с момента её появления. Это также означает, что мы имеем недостаточное или неправильное понимание физики элементарных частиц.

Одно из наиболее креативных, но всё же возможных объяснений тёмной материи говорит о том, что мы находимся на одном уровне существования, но что есть и другой уровень, который находится всего в нескольких дюймах от нас. Поскольку свет путешествует под этой вселенной, некоторые объекты внутри неё будут невидимы. Однако, поскольку гравитация — это не что иное, как искривление пространства, если пространство между двумя плоскостями даже немного согнуто, гравитационные силы могут перемещаться поперек. Внезапно мы получаем точное описание тёмной материи — невидимой массы, имеющей гравитацию. Это своеобразное явление не может быть ничем иным, как обычной материей, но из другого измерения.

Темная энергия в теории струн

Пару недель назад в архиве электронных препринтов появилась статья, в которой описано многообразие Калаби — Яу (так называемый ориентифолд Калаби — Яу), обеспечивающее очень маленькое значение плотности темной энергии с точки зрения низкоэнергетической четырехмерной Вселенной (эта плотность тоже зависит от формы многообразия Калаби — Яу — как и спектр, и детали взаимодействия частиц).

Как говорилось ранее, пространство Калаби — Яу должно быть очень маленьким, чтобы теория была совместима с наблюдениями, которые, очевидно, дают четырехмерное пространство-время. Рассмотренное в обсуждаемой работе пространство имеет характерный размер \(10^4\ell_{Pl}\), где \(\ell_{Pl}\) — это так называемая планковская длина, связанная с планковской массой формулой \(\ell_{Pl}=\frac{\hbar}{M_{Pl}c}\) и равная приблизительно \(\ell_{Pl}\approx1{,}6\times10^{-33}\) см, что примерно на 15 порядков меньше, чем расстояния, которые мы можем «прощупать» в экспериментах (для сравнения, размер атома равен приблизительно 10−8 см).

Хотя этот результат очень воодушевляет с точки зрения получения реалистичной космологии из теории струн, низкоэнергетическая четырехмерная физика все же не полностью совпадает с наблюдаемой нами Вселенной. Во-первых, абсолютное значение плотности темной энергии оказывается даже слишком низким — она равна \(10^{-144}M_{Pl}^4\), а не \(10^{-123}M_{Pl}^4\), как следует из наблюдений. Во-вторых, получающаяся плотность энергии является отрицательной, а не положительной, как в реальности. А в-третьих, низкоэнергетический спектр частиц все же немного отличается от того, что мы наблюдаем (в отрицательной плотности энергии нет ничего плохого или даже незнакомого: отрицательной является энергия взаимодействия любых притягивающихся тел: например, двух гравитирующих объектов или двух зарядов разных знаков, взаимодействие между которыми определяется законом Кулона). Авторы этой статьи надеются, что существует похожее по форме пространство Калаби — Яу, которое даст полное совпадение предсказаний теории струн с наблюдаемой нами Вселенной, и что они смогут его найти.