Ученые из Калифорнийского университета нашли предполагаемую частицу, которая подходит под описание темной материи и которую потенциально можно измерить.
Благодаря открытиям в современной физике человечество научилось перемещаться на сверхзвуковых скоростях, запускать космические аппараты в самые отдаленные уголки Солнечной системы, исследовать объекты на расстоянии в сотни миллионов световых лет от Земли и теперь собирается переселить людей на другие планеты.
Но, когда речь заходит об объединении физических явлений на макро- и микроуровнях — у научного сообщества нет единого ответа на фундаментальные вопросы о строении Вселенной. Взамен физики предлагают лишь теории и предположения, которые могут находиться далеко от сути того, что происходит на самом деле, передает интернет-издание Хроника.инфо со ссылкой на Новое время.
Львиная доля из этих вопросов касается общей теории относительности Альберта Эйнштейна, а точнее наблюдаемых физических явлений, которые противоречат этой основополагающей для современной науки теории.
К примеру, согласно теории Эйнштейна, чем дальше объект расположен от центра своей галактики — тем меньше гравитационной силы должно на него действовать и, соответственно, тем меньшей будет скорость его вращения. Тем не менее, последние наблюдения астрономов говорят об обратном: скорость вращения внешних объектов постоянно увеличивается, вопреки тому, что расстояние между ними растет и сама по себе Вселенная расширяется.
Чтобы заполнить эту дыру в знаниях человечества о структуре Вселенной, около 100 лет назад ученые пришли к теории так называемой темной материи. Это вещество якобы формирует скрытую массу всех объектов и является причиной высоких скоростей их обращения.
Если темная материя действительно существует — она должна занимать значительную часть Вселенной (примерно ее четверть). Но, проблема в том, что никто пока не видел эту материю, ведь она не испускает электромагнитного излучения, не взаимодействует с ним напрямую и, вероятно, состоит из частиц, о которых мы еще не знаем.
На днях, физики-теоретики из Калифорнийского университета опубликовали исследование, в котором они не только описали очередного претендента на звание темной материи, но и нашли способ, как его засечь.
Однополый магнит
Долгое время за темную материю принимали вимп — теоретическую слабовзаимодействующую массивную частицу. Но, до сих пор, вимп так и не удалось заметить в практических экспериментах.
Новое же исследование, которое презентовали физики из США на конференции Планка в Испании в начале июня 2019-го, гласит, что темной материей может быть видоизмененная альтернатива вимпа — магнитный монополь. Эта частицу уже описывали в квантовой теории, и главная ее характеристика — наличие только одного магнитного заряда.
Согласно предположению ученых из Калифорнии, темный магнитный монополь будет взаимодействовать с темными фотонами и электронами точно так же, как и происходит взаимодействие обычных фотонов и электронов с обычным монополем в квантовой теории.
Открытие несет не только новую потенциальную частицу, из которой может состоять темная материя, но и метод, с помощью которого ее можно засечь. «Физик Пол Дирак предсказал, что электрон, движущийся по кругу около монополя изменит фазу в своей волновой функции. Поскольку в квантовой теории электроны существуют как частицы и волны, один и тот же электрон может проходить по обе стороны от монополя и, соответственно, находится вне фазы на другой стороне».
Такое явление называется эффектом Ааронова — Бома, и означает, что электрон, находящийся возле магнитного поля, поддается влиянию этого поля, даже не проходя через него.
У ученых пока нет необходимого оборудования, чтобы засечь это явление, поскольку теоретическое изменение фазы электрона из-за вероятного магнитного монополя будет почти незаметным.
Несмотря на это, авторы исследования напоминают, что когда проект с лазерно-интерферометрической гравитационно-волновой обсерваторией (LIGO) для обнаружения гравитационных космических волн представили впервые — в мире еще не было необходимых технологий для проведения практического эксперимента.
Не факт, что через несколько десятков лет физики не смогут засечь существование магнитного монополя и не определят, что именно формирует значительную часть Вселенной.
А, может, это гравитация?
Напомним, в начале 2019-го ученые из университета Южной Дании опубликовали исследование, согласно которому дополнительный вес космических объектов формирует вовсе не темная материя, а иные законы гравитации, которые действуют на огромных масштабах.
Один из авторов работы — физик Юрий Смирнов — писал: «Мы предположили, что каждый достаточно плотный компактный объект в космосе создает вокруг себя невидимую сферу, которая определяет, как законы физики ведут себя с возрастанием расстоянием. Эта сфера должна помочь нам понять разницу в малых и больших масштабах».
Согласно их теории, объекты, которые находятся внутри этой невидимой сферы подчиняются классической теории тяготения Ньютона и взаимодействуют с массивным объектом (звездой) в центре. Но, объекты, которые выходят за пределы сферы получают значительно большее гравитационное усилие от центральной звезды, даже если их масса остается прежней.
Ученые подсчитали, что размер такой невидимой сферы пропорционален массе центрального объекта. К примеру, если в галактике эта сфера будет иметь радиус в несколько тысяч световых лет (расстояние, на котором заметно действие темной материи), — то соответствующая сфера вокруг нашего Солнца будет иметь радиус в 50 тыс. астрономических единиц (а.е.).
Учитывая, что одна а.е. соответствует расстоянию от Земли к Солнцу, а на дистанции в 50 а.е. находится край нашей Солнечной системы, — нам недоступны объекты на которых бы можно было протестировать альтернативное гравитационное воздействие Солнца.