Yeni fizika kainatın taleyini müəyyən edəcək

Kainatın hər tərəfində yalnız "bizim kimi maddə"nin deyil, həm də elementar zərrəciklər və qüvvələrin Standart Modelindən kənara çıxan əlavə enerji formalarının sübutlarını müşahidə edirik. Bəli, atomlar və ionlar kimi adi maddə boldur; bunlar təməli kvarklar, qlüonlar və elektronlardan ibarətdir, eynilə bizim kimi. Ulduzlar və planetlər mövcuddur, lakin qaz, toz, plazma və hətta bizi təşkil edən eyni xammallardan yaranan qara dəliklər də var. Fotonlar və demək olar ki, görünməz neytrinolar və antineytrinolar da kainatımızın təkamülündə ölçülə bilən rollar oynayır. Lakin bu, Kainatımızda mövcud olan hər şeyi izah etmir. Qalaktikaları, qalaktika qruplarını və genişmiqyaslı kosmik şəbəkəni müşahidə edərək bilirik ki, Kainatdakı kütlənin dominant forması Standart Model tərəfindən deyil, hazırda "qaranlıq maddə" adlandırdığımız müəmmalı yeni bir maddə ilə təşkil olunmuşdur. Biz bilirik ki, Standart Model, bütün məlum qanunları və tərkib hissələri ilə, müşahidə etdiyimiz maddənin dominant olduğu Kainatı izah edə bilmir və maddə-antimaddə asimmetriyasını yaratmaq üçün yeni fizika növü mövcud olmalıdır. Həmçinin, genişlənən Kainatı müxtəlif yollarla müşahidə edərək bilirik ki, Kainat əslində maddə və ya radiasiya növü olmayan yeni bir enerji forması olan qaranlıq enerji tərəfindən idarə olunur. Biz qaranlıq maddənin ümumi xüsusiyyətlərini, baryogenezə nəyin səbəb olduğunu və qaranlıq enerjinin necə davrandığını bildiyimizi düşünürük. Bu, Kainatımızın uzaq gələcəyi üçün bu günə qədərki ən yaxşı elmə əsaslanan bir mənzərə yaradır. Lakin bu fərziyyələrdən hər hansı biri bizim sadə (və bəlkə də sadəlövh) gözləntilərimizdən fərqli olsa, uzaq gələcəyimiz indiki gözləntilərimizdən çox, çox fərqli ola bilər. Budur, bu necə baş verir.

Kainatın Gələcəyi və Mövcud Fərziyyələr

Kainatda hər hansı bir şeyin taleyini bilmək üçün onun zamanla necə inkişaf etdiyinin fizikasını anlamalısınız. Kainatımızdakı maddə üçün onu idarə edən fizika, onun bağlı bir quruluşun hissəsi olub-olmamasından asılı olaraq fərqlidir. Əgər bağlı bir quruluşun hissəsidirsə, onun təkamülünü idarə edən fəza-zaman genişlənməyəcək və bu zərrəciklə eyni sistemin bir hissəsi olan hər hansı digər zərrəcik arasındakı məsafənin bu bölgədəki fəzanın genişlənməsi səbəbindən artması məcburiyyətində qalmayacaq. Lakin əgər bu maddə zərrəciyi bağlı bir quruluşun hissəsi deyilsə, o, bütün digər bağlı quruluşlardan uzaqlaşaraq, zaman keçdikcə daha soyuq, daha az sıx və daha təcrid olunmuş olacaq. Genişlənən Kainat kontekstində, kifayət qədər böyüyən və sürətlə böyüyən maddə yığıntıları bu bağlı strukturları əmələ gətirə bilər və sonra bu yığıntılar arasındakı fəza nəinki genişlənməyə davam edir, həm də zaman keçdikcə qaranlıq enerjinin mövcudluğu səbəbindən genişlənmə sürətlənir. Bu, kosmik struktur şəbəkəsinə gətirib çıxarır, burada maddə qalaktikaları və qalaktika qruplarını əmələ gətirmək üçün filamentlər boyunca yığılır, sonra müxtəlif filamentlərin qovşağında daha əhəmiyyətli dərəcədə qruplaşaraq qalaktika topluluqları və hətta çoxsaylı birləşən qalaktika topluluqları yaradır. Bununla belə, ara bölgələr genişlənməyə davam edir, zaman keçdikcə müxtəlif təcrid olunmuş qalaktikaları, qrupları və topluluqları bir-birindən uzaqlaşdırır. Hər hansı fərdi bağlı strukturda (o cümlədən Süd Yolu, Andromeda və bizi müşayiət edən yüzlərlə kiçik qalaktika ilə birlikdə öz Yerli Qrupumuzda), Kainat sürətləndikcə qalaktikalararası fəzadan onlara daha az maddə axır və bu da onun daxilindəki adi maddənin ümumi miqdarına bir son qoyur. Zamanla, təxminən 10-11 milyard il əvvəl "kosmik günorta"ya çatdıqdan bəri ulduz əmələgəlmə sürəti daim azalmışdır; indi öz zirvəsinin yalnız 3%-dədir və azalmağa davam edir. Zaman keçdikcə nəinki ulduz əmələgəlmə sürəti daha da azalacaq, hətta nəticədə sıfıra enəcək. Ulduzların əmələ gəlməsi neytral molekulyar hidrogen buludlarını tələb edir və daha çox ulduz əmələ gəldikcə, hidrogen miqdarı azalır. Yeni ulduz əmələgəlmə epizodlarından gələn küləklər atomları və ionları qalaktikalardan qova bilər və onları qalaktikalararası fəzaya göndərə bilər, və bir qalaktika daxilində qaz və toz populyasiyası azaldıqca, yeni ulduzların əmələ gəlməsi imkanları da azalır. On milyardlarla, yüz milyardlarla, hətta trilyonlarla il çəksə də, nəticədə Yerli Qrupumuzun çevriləcəyi hər hansı bir yerdə ulduz əmələgəlmə sürəti sıfıra enəcək. Mövcud ulduzlar öz nüvələrindəki yanacaqları tükəndikdə, onlar da parıltılarını dayandıracaqlar. Və sonra, çox uzun zaman dövrlərində, hər şey yavaş-yavaş yox olacaq. Uzaq, bağlı olmayan qalaktikalar, qruplar və topluluqlar hər hansı bir bağlı strukturdakı müşahidəçi ilə əlaqə qurmağın və ya ona çatmağın hüdudlarından kənara sürətlənəcək, onları əlçatmaz edəcəkdir. Hər hansı bir bağlı struktur daxilindəki ulduz və planetar qalıqlar qravitasiya yolu ilə qarşılıqlı təsirə girəcək, maddənin ya mərkəzi, ifrat kütləvi qara dəliyə düşməsinə, ya da qalaktikadan tamamilə atılmasına səbəb olacaqdır: bu proses 10¹⁷ ilə 10¹⁹ il arasında, yəni Kainatın indiki yaşından milyon dəfə çox vaxt aparacaq. Maddənin davam edən yığıntıları sabit qalmalı, qeyri-radioaktiv elementlər isə əbədi olaraq mövcud olmalıdır. Təxminən 10⁶⁷ il keçdikdən sonra ən yüngül qara dəliklər tamamilə yox olacaq, təxminən 10¹¹⁰ il keçdikdən sonra isə ən ağırları da yox olacaqdır. Bu, uzaq gələcəkdəki Kainat üçün istilik ölümü olaraq bilinən bir ssenariyə gətirib çıxarır, burada qalan hər şey ən aşağı enerji vəziyyətində (əsas vəziyyətdə) olacaq və buradan daha çox enerji çıxarıla və ya iş görmək üçün istifadə edilə bilməyəcək. Kainat kütlənin təcrid olunmuş, bağlı yığıntılarının — əsasən qaranlıq maddənin, lakin bəzən sönmüş ulduzların və viran planetar obyektlərin qırıntıları ilə — geniş, əlçatmaz məsafələrlə ayrılmış, zaman keçdikcə artmağa davam edən bir qarışıqlığından başqa bir şey olmayacaq. Kainatın sonu belədir. Bəs əgər səhv bir şeyi fərz etmişiksə necə? Axı, bu ssenari yalnız bu gün anladığımız reallığın ən yaxşı cari təsviri altında işləyir. O, aşağıdakıları fərz edir: 1. Qaranlıq maddə soyuq, toqquşmayan, qeyri-qarşılıqlı təsir edən (yalnız qravitasiya ilə) kütləvi zərrəcik növüdür. 2. Baryogenez erkən dövrdə baryon-pozucu qarşılıqlı təsirlərə imkan verdi ki, Kainatımızda müşahidə etdiyimiz maddə-antimaddə asimmetriyası yaransın, lakin bu gün və sonrakı bütün zamanlarda baryon sayını qoruyaraq sabit protona gətirib çıxarsın. 3. Və qaranlıq enerji kosmoloji sabitdir və onun enerji sıxlığı və Kainatın genişlənmə sürətinə verdiyi töhfə zamanla dəyişməyəcək. Bu üç fərziyyə, Kainat haqqında topladığımız hər məlumat parçası ilə (Habbel gərginliyi, təkamül edən qaranlıq enerjiyə dair sübutlar, Standart Modelin kənarına çıxan zərrəcik fizikasının əlamətlərinin olmaması və müxtəlif ehtimal olunan baryogenez ssenarilərinə dair məhdudiyyətlər kimi uyğun gəlməyən hissələri də daxil olmaqla) uyğundur. Buna baxmayaraq, burada böyük bir boşluq var və bu üç sadə (lakin mütləq yaxşı qurulmamış) xüsusiyyətdən hər hansı biri səhv çıxarsa, bütün Kainatımızın taleyi dərin bir kosmik sarsıntıya məruz qala bilər. Yeni fizikanın bu üç sahədən hər hansı birində uzaq gələcəyimizə necə təsir edəcəyi aşağıda göstərilmişdir.

Qaranlıq Maddənin Öz-Özünə Təsiri Olarsa Nə Olar?

Elə ki, qaranlıq maddə irəli sürülüb, insanlar onu aşkar etmək yollarını axtarırlar. Onlar dolayı yolla, astrofiziki siqnallar və nəticələr üçün axtarışlar aparıblar, maddənin fərdi bağlı strukturlar daxilində necə yığıldığı, qruplaşdığı və hərəkət etdiyi barədə güclü sübutlar tapıblar. Onlar həmçinin birbaşa, qaranlıq maddə zərrəciklərinin məhvinin (məsələn, qalaktika mərkəzlərində), adi maddə və işıqla qarşılıqlı təsirlərinin (həm kosmik, həm də ADMX kimi xüsusi detektorlarda) əlamətlərini və qaranlıq maddənin adi maddə zərrəcikləri ilə toqquşmasının imzalarını (birbaşa aşkarlama/geri çəkilmə təcrübələri vasitəsilə) axtarıblar. Dolayı siqnallar həddindən artıq güclüdür; birbaşa siqnallar sıfır effekti ilə uyğundur. Bu o deməkdir ki, hazırda fərz etdiyimiz kimi, qaranlıq maddənin işıq, adi maddə və ya özü ilə qravitasiyadan başqa heç bir qarşılıqlı təsiri yoxdur. Əgər belədirsə, o zaman bəli, bəzi qaranlıq maddə zərrəcikləri ətrafında nəhəng, diffuz halələr əmələ gətirdikləri bağlı qalaktikalardan, qruplardan və topluluqlardan atılacaq, lakin əksəriyyəti faktiki olaraq əbədiyyət üçün mövcud qalacaq. Bu qara dəliklər yox olduqdan sonra belə, maddənin bu yığıntılı halələri mövcudluğunu davam etdirməlidir. Lakin əgər qaranlıq maddənin öz-özünə təsiri varsa, uzaq gələcəyimiz hekayəsi dramatik şəkildə dəyişə bilər. Bəli, birbaşa qaranlıq maddə siqnalları üzrə məhdudiyyətlərimiz ola bilər, lakin onlar hazırda müşahidə oluna bilən həddən aşağı səviyyələrdə meydana çıxa bilər. Maraqlı ehtimallardan biri də budur ki, qaranlıq maddə bütün bir "qaranlıq kainat" quruluşu yaratmaq üçün öz-özü ilə qarşılıqlı təsirə girir: baryonların, atomların və ya daha böyük, daha mürəkkəb quruluşlar üçün tikinti blokları rolunu oynaya biləcək digər quruluşların qaranlıq maddə ekvivalenti. Əsas odur ki, bütün məhdudiyyətlərimiz bu proseslərin baş verə biləcəyi sürətə və ya zaman miqyasına bir yuxarı həddin olduğunu göstərir. Ən uzun müddət davam edən təcrübələrimiz onilliklər, yəni təxminən 10⁹ saniyə davam edib. Yer planeti və Günəş 4,5 milyard il, yəni təxminən 10¹⁷ saniyədir mövcuddur. Bəs qaranlıq maddə quruluşları uzun zaman miqyaslarında: Kainatın yaşından qat-qat uzun, məsələn, sekstilyonlarla və ya hətta quqollarla il müddətində yaradırsa nə olar? Bu o demək olardı ki, "istilik ölümü" ssenarisi tamamilə yanlış olacaq, çünki Kainatda enerji çıxarmaq və iş görmək üçün yeni bir yol olacaq. Kiçik olsa belə, qaranlıq maddənin qravitasiyadan başqa bir qüvvə vasitəsilə tamamilə toqquşmaz və ya qeyri-qarşılıqlı təsir etmədiyini göstərən hər hansı bir kəşf, son kosmik taleyimizi dərin şəkildə dəyişdirəcəkdir.

Baryon Pozulması Davam Edirsə və Proton Qeyri-Sabitdirsə Nə Olar?

Qaranlıq maddənin qarşılıqlı təsir etmədiyi kimi, protonun sabitliyi üzərində də güclü məhdudiyyətlərimiz var. Protonun parçalanmasına həssas olan nəhəng, uzunmüddətli təcrübələr (tez-tez neytrinoların aşkar edilməsinə və ya qaranlıq maddənin mümkün aşkarlanmasına həssas olan eyni təcrübələr vasitəsilə) vasitəsilə protonun ömrünü təxminən 10³⁴ ildən çox, yəni Kainatın indiki yaşından septilyon dəfə çox məhdudlaşdırmışıq. Bu, bir çox baryogenez ssenarisini istisna etmək üçün kifayət olub: məhdudlaşdırılmış dəyərdən daha qısa ömrə malik qeyri-sabit protona gətirib çıxaracaq ssenarilər, o cümlədən supersimmetriya ilə və ya onsuz standart SU(5) Georgi-Qlaşov birləşmə ssenarisi. Lakin yenə də, bu sadəcə yuxarı bir həddir. Ola bilər ki, proton qeyri-sabitdir, periodik cədvəldə həqiqətən stabil atom nüvələri yoxdur və bildiyimiz bütün atom-və-ion əsaslı adi maddələr bir gün parçalanacaq. Parçalanmalar Kainatın potensialı üçün əladır, çünki bütün parçalanmalar enerji azad edir və sizi daha aşağı enerji vəziyyətinə gətirir. Azad edilmiş enerji iş görmək, prosesləri gücləndirmək və ya Kainatın ömrünü — və daxilində mümkün olanları — indiki məlum fizikamızın icazə verdiyindən daha da uzatmaq üçün istifadə edilə bilər. Uzunmüddətli sağ qalan bağlı strukturlar, hətta uzun müddətdən sonra belə, bir gün yenidən fiziki cəhətdən maraqlı, bəlkə də metabolik proseslərə ev sahibliyi edə bilər.

Qaranlıq Enerji Kosmoloji Sabit Olmayaraq Təkamül Edərsə Nə Olar?

Kainatın taleyini dəyişdirmək istəyirsinizsə, bu xüsusilə maraqlıdır, çünki o, yalnız "istilik ölümü" hissəsini kənara itələməklə və ya Kainatın entropiyasını indiki məlum fizikamızın icazə verdiyindən daha da artırmaq üçün yeni bir enerji mənbəyi təmin etməklə kifayətlənmir. Əksinə, əgər qaranlıq enerjinin təkamül etməsinə icazə versək — kosmoloji sabit olaraq qalmasında israr etməkdən ziyadə — o zaman yalnız fərdi yığıntıların taleyi standart mənzərədən fərqli olmayacaq, həm də Kainat bütövlükdə dəyişəcək. Axı, qaranlıq enerji Kainatın enerjisinin böyük hissəsini təşkil edir və bu enerjinin davranışını dəyişmək Kainatın bütün davranışını dəyişə bilər. Kainatın bir sıra qopuq, təcrid olunmuş maddə yığıntıları kimi soyuq bir sonla bitməsinin səbəbi qaranlıq enerjidir. Maddə sıxlığı azaldıqca (Kainatın həcmi artdığı üçün), qaranlıq enerji — kosmoloji sabit vəziyyətdə fəzanın özünə xas bir enerji forması kimi davranır — nisbətən daha vacib olur. Qaranlıq enerjinin həm enerji sıxlığı, həm də güclü, mənfi təzyiqi olduğu üçün o, Kainatın həmişə genişlənməsini və uzaq "bağlı yığıntıların" zaman keçdikcə bir-birindən daha sürətli şəkildə uzaqlaşmasını təmin edir. Və buna görə də, Kainat belə sona çatacaq. Lakin əgər qaranlıq enerji sabit deyilsə, bütün fərziyyələr aradan qalxır. Qaranlıq enerjinin zamanla təkamül edə biləcəyinə dair dolayı (lakin qəti olmayan) sübutlar var və əgər belədirsə, o zaman qəflətən bir çox yeni mümkün talelər ortaya çıxır. * Qaranlıq enerji güclənə bilər və əgər onun təzyiqi kosmoloji sabitdən daha mənfi olarsa, kosmik sürətlənmə intensivləşəcək və ya Böyük yırtılma (burada fəza özünü parçalayır) və ya cavanlaşdırılmış bir ssenari (burada artan enerji sıxlığı yeni bir isti, sıx, Böyük Partlayışa bənzər vəziyyətə səbəb olur) baş verə bilər. * Qaranlıq enerji zəifləyə və tamamilə yox ola bilər, bu da kosmik genişlənmənin sıfıra yaxınlaşmasına səbəb olar, uzaq qrupları bir-birinə çata bilən və əlaqə qura bilən vəziyyətə gətirər. * Və ya qaranlıq enerji zəifləyib sonra işarəsini dəyişdirə bilər, bu da kosmik Böyük sıxılmaya və gələcəkdə potensial dövri bir ssenariyə (və yeni bir Böyük Partlayışa bənzər vəziyyətə) səbəb olar. Bunlar müasir kosmologiyanın qarşılaşdığı böyük tapmacalardan üçüdür: qaranlıq maddənin təbiəti, davranışı və xüsusiyyətləri nələrdir; maddə-antimaddə asimmetriyası necə meydana çıxdı və atom nüvələri həqiqətən sabitdirmi; və qaranlıq enerjinin təbiəti və gələcək təkamülü necədir. Ən sadə, ən "standart" ssenarilərdə, qaranlıq maddə qarşılıqlı təsir etməyən, baryogenez yalnız bir dəfə erkən dövrdə baş verib və əbədi stabil atom nüvələrini geridə buraxır, və qaranlıq enerji sırf kosmoloji sabitdir, bu da bizim mövcud "konsensus" taleyimizə gətirib çıxarır. Lakin bu tapmacaların hər hansı birinin (və ya hamısının) həlli indiki ideyalarımızdan fərqli çıxarsa, son kosmik taleyimiz qəflətən müzakirə mövzusu olar. Bir çox cəhətdən, bu, bütün kəşfiyyat cəbhələrinin ən maraqlısıdır!

24 saat