Мы окружены материей. Фактически, мы ЕСТЬ материя. Все, что мы обнаруживаем во Вселенной, тоже материя. Это настолько фундаментально, что мы просто принимаем, что все состоит из материи.Это фундаментальный строительный блок всего: жизни на Земле, планеты, на которой мы живем, звезд и галактик. Обычно она определяется как все, что имеет массу и занимает определенный объем пространства.
Строительные блоки материи называются «атомами» и «молекулами». Они тоже материя. Материя, которую мы можем обнаружить обычно, называется «барионной» материей. Однако существует другой тип материи, который нельзя обнаружить напрямую. Но ее влияние можно обнаружить. Она называется темной материей.
Обычная материя
Обычную материю или «барионную материю» легко изучать. Ее можно разбить на субатомные частицы, называемые лептонами (например, электронами) и кварками (строительные блоки протонов и нейтронов). Это то, что составляет атомы и молекулы, которые являются компонентами всего, от людей до звезд.
Обычное вещество светится, то есть электромагнитно и гравитационно взаимодействует с другим веществом и с излучением. Оно не обязательно светит так, как мы думаем о сияющей звезде. Оно может испускать другое излучение (например, инфракрасное).
Другой аспект, который возникает при обсуждении материи – это антивещество. Думайте о нем как об обратной стороне обычной материи (или, возможно, о ее зеркальном отображении). Мы часто слышим о нем, когда ученые говорят о реакциях материи и антивещества как об источниках энергии. Основная идея антивещества заключается в том, что у всех частиц есть античастица с одинаковой массой, но противоположным спином и зарядом. Когда вещество и антивещество сталкиваются, они уничтожают друг друга и создают чистую энергию в виде гамма-лучей. Это создание энергии, если бы его можно было использовать, предоставило бы огромное количество энергии любой цивилизации, которая могла бы придумать, как делать это безопасно.
Темная материя
В отличие от обычной материи, темная материя не светится. То есть он не взаимодействует электромагнитно и поэтому кажется темной (то есть не будет отражать и излучать свет). Точная природа темной материи не очень хорошо известна, хотя ее влияние на другие массы (например, галактики) было отмечено астрономами, такими как доктор Вера Рубин и другие. Однако ее присутствие можно обнаружить по гравитационному эффекту, который она оказывает на обычную материю. Например, ее присутствие может ограничивать движение звезд в галактике.
В настоящее время есть три основных возможности для «вещей», составляющих темную материю:
- Холодная темная материя (CDM): существует один кандидат, называемый слабовзаимодействующей массивной частицей (WIMP), которая может быть основой холодной темной материи. Однако ученым мало что известно о ней или о том, как она могла образоваться в начале истории Вселенной. Другие возможности для частиц CDM включают аксионы, однако они никогда не были обнаружены. Наконец, есть MACHO (массивные компактные гало-объекты), они могут объяснить измеренную массу темной материи. Эти объекты включают черные дыры, древние нейтронные звезды и планетарные объекты, которые не светятся (или почти не светятся), но все же содержат значительную массу. Это удобно для объяснения темной материи, но есть проблема. Их должно быть много (больше, чем можно было бы ожидать, учитывая возраст определенных галактик), и их распределение должно быть невероятно хорошо рассредоточено по Вселенной, чтобы объяснить темную материю, которую астрономы обнаружили «там». Итак, холодная темная материя остается «незавершенной».
- Теплая темная материя (WDM): считается, что она состоит из стерильных нейтрино. Это частицы, похожи на обычные нейтрино, за исключением того, что они намного массивнее и не взаимодействуют посредством слабого взаимодействия. Еще один кандидат на WDM – гравитино. Это теоретическая частица, которая существовала бы, если бы теория супергравитации – смесь общей теории относительности и суперсимметрии – получила бы поддержку. WDM также является привлекательным кандидатом для объяснения темной материи, но существование стерильных нейтрино или гравитино в лучшем случае является умозрительным.
- Горячая темная материя (HDM): частицы, которые считаются горячей темной материей, уже существуют. Их называют «нейтрино». Они движутся со скоростью, близкой к скорости света, и не «слипаются» так, как мы проектируем темную материю. Также, учитывая, что нейтрино почти безмассовые, их потребуется невероятное количество, чтобы составить количество темной материи, о существовании которой известно. Одно из объяснений состоит в том, что существует еще не обнаруженный тип или особенность нейтрино, который был бы похож на те, о существовании которых уже известно. Однако у него была бы значительно большая масса (и, следовательно, возможно, меньшая скорость). Но он, вероятно, был бы больше похож на теплую темную материю.
Связь между материей и излучением
Материя не существует во Вселенной без влияния, и между излучением и материей существует любопытная связь. Эта связь не была хорошо изучена до начала 20 века. Именно тогда Альберт Эйнштейн начал думать о связи между материей, энергией и излучением. Вот что он придумал: согласно его теории относительности масса и энергия эквивалентны. Если достаточное количество излучения (света) сталкивается с другими фотонами (другое слово для световых «частиц») достаточно высокой энергии, может быть создана масса. Этот процесс ученые изучают в гигантских лабораториях с помощью коллайдеров частиц. Их работа глубоко проникает в самую суть материи, в поисках мельчайших частиц, которые, как известно, существуют.
Итак, хотя излучение явно не считается материей (у него нет массы или объема, по крайней мере, четко определенным образом), оно связано с материей. Это потому, что излучение создает материю, а материя создает излучение (например, при столкновении материи и антивещества).
Темная энергия
Продвигая связь материи и излучения еще дальше, теоретики также предполагают, что в нашей Вселенной существует загадочное излучение. Оно называется темная энергия. Его природа совершенно не понятна. Возможно, когда мы поймем темную материю, мы также поймем природу темной энергии.