През последните няколко десетилетия учените откриха, че във Вселената има много повече, отколкото се среща с окото: Космосът изглежда е изпълнен не само с един, а с две невидими съставки - тъмна материя и тъмна енергия, чието съществуване е предложено основана единствено на гравитационното им въздействие върху обикновената материя и енергия.
Сега теоретичният физик Робърт Дж. Шерър е създал модел, който би могъл да разсече мистерията наполовина, като обясни тъмната материя и тъмната енергия като два аспекта на една неизвестна сила. Моделът му е описан в документ, озаглавен „Чисто кинетична есенция като обединена тъмна материя“, публикуван онлайн от „Физически преглед писма“ на 30 юни и достъпен онлайн на адрес http://arxiv.org/abs/astro-ph/0402316.
„Един от начините да се мисли за това е, че Вселената е изпълнена с невидима течност, която оказва натиск върху обикновената материя и променя начина, по който Вселената се разширява“, казва Шерър, професор по физика в университета Вандербилт.
Според Шерър неговият модел е изключително прост и избягва основните проблеми, които са характеризирали предишни усилия за обединяване на тъмната материя и тъмната енергия.
През 70-те години астрофизиците постулират съществуването на невидими частици, наречени тъмна материя, за да обяснят движението на галактиките. Въз основа на тези наблюдения те преценяват, че във Вселената трябва да има около 10 пъти повече тъмна материя, отколкото обикновената материя. Едно от възможните обяснения на тъмната материя е, че тя е съставена от нов тип частици (наречени слабо взаимодействащи масивни частици или WIMP), които не излъчват светлина и едва взаимодействат с обикновената материя. Редица експерименти търсят доказателства за тези частици.
Сякаш това не беше достатъчно, през 90-те години идваше тъмна енергия, която произвежда отблъскваща сила, която сякаш разкъсва Вселената. Учените се позоваха на тъмната енергия, за да обяснят изненадващото откритие, че скоростта, с която се разширява Вселената, не се забавя, както повечето космолози смятаха, а вместо това се ускорява. Според най-новите оценки, тъмната енергия представлява 75 процента от Вселената, а тъмната материя представлява други 23 процента, оставяйки обикновената материя и енергия с ясно изразена малцинствена роля от само 2 процента.
Обединяващата идея на Шерър е екзотична форма на енергия с добре дефинирани, но сложни свойства, наречена скаларно поле. В този контекст едно поле е физическо количество, притежаващо енергия и налягане, което се разпространява в пространството. Космолозите първо се позоваха на скаларни полета, за да обяснят космическата инфлация, период малко след Големия взрив, когато Вселената изглежда е претърпяла епизод на хиперразширяване, надувайки милиарди върху милиарди пъти за по-малко от секунда.
По-конкретно, Scherrer използва скаларно поле от второ поколение, известно като k-същност, в своя модел. Полетата на K-същността са разработени от Пол Щайнхард от Принстънския университет и други като обяснение за тъмната енергия, но Scherrer е първият, който посочва, че един прост тип k-есенно поле може също да доведе до ефектите, приписвани на тъмната материя.
Учените разграничават тъмната материя и тъмната енергия, защото изглежда, че се държат различно. Тъмната материя изглежда има маса и образува гигантски бучки. Всъщност космолозите изчисляват, че гравитационното привличане на тези бучки играе ключова роля в причиняването на обикновена материя да образува галактики. За разлика от тях тъмната енергия изглежда без маса и се разпространява равномерно в пространството, където действа като вид антигравитация, отблъскваща сила, която раздвижва Вселената.
Полетата от K-същество могат да променят поведението си във времето. При изследване на много прост тип k-есенциално поле - такова, в което потенциалната енергия е константа - Шеррер откри, че с развитието на полето той преминава през фаза, където може да стисне и имитира ефекта на невидимите частици, последван от фаза, когато тя се разпространява равномерно в пространството и приема характеристиките на тъмната енергия.
„Моделът естествено се развива в състояние, в което за известно време изглежда като тъмна материя и след това изглежда като тъмна енергия“, казва Шерър. „Когато разбрах това, си помислих:„ Това е задължително, нека видим какво можем да направим с него “.
Когато разгледа по-подробно модела, Scherrer откри, че той избягва много от проблемите, които поразиха предишните теории, които се опитват да обединят тъмната материя и тъмната енергия.
Най-ранният модел за тъмна енергия е направен чрез промяна на общата теория на относителността, за да се включи термин, наречен космологична константа. Това беше термин, който Айнщайн първоначално е включил, за да балансира силата на гравитацията, за да образува статична вселена. Но той весело заряза константата, когато астрономическите наблюдения за деня установиха, че не е нужна. Последните модели, въвеждащи отново космологичната константа, вършат добра работа по възпроизвеждането на ефектите на тъмната енергия, но не обясняват тъмната материя.
Един опит за обединяване на тъмната материя и тъмната енергия, наречен газов модел на Чаплигин, се основава на работа на руски физик през 30-те години. Той произвежда първоначален стадий на тъмна материя, последван от тъмна енергоподобна еволюция, но има проблеми с обяснението на процеса на образуване на галактика.
Формулировката на Шерър има някои прилики с обединената теория, предложена по-рано тази година от Нима Аркани-Хамед от Харвардския университет и неговите колеги, които се опитват да обяснят тъмната материя и тъмната енергия като произтичащи от поведението на невидима и вездесъща течност, която наричат „ призрачен кондензат. "
Въпреки че моделът на Scherrer има редица положителни характеристики, той има и някои недостатъци. От една страна, тя изисква някаква екстремна „фина настройка“, за да работи. Физикът също предупреждава, че ще е необходимо повече проучване, за да се определи дали поведението на модела съответства на други наблюдения. В допълнение, той не може да отговори на проблема за съвпадението: Защо живеем в единственото време в историята на Вселената, когато плътностите, изчислени за тъмната материя и тъмната енергия, са сравними. Учените са подозрителни към това, защото това предполага, че има нещо особено в настоящата епоха.
Оригинален източник: Университет Vanderbilt News Release
