Mis oli esimene: muna või kana? Teadlased kogu maailmas on selle lihtsa küsimuse kallal aastakümneid vaeva näinud. Sarnane küsimus kerkib ka selle kohta, mis oli alguses, Universumi loomise ajal. Kuid kas see oli see looming või on universumid tsüklilised või lõpmatud? Mis on kosmoses must aine ja mille poolest see erineb valgest? Jättes kõrvale erinevad religioonid, proovime neile küsimustele vastuseid läheneda teaduslikust vaatenurgast. Viimase paari aasta jooksul on teadlased suutnud saavutada uskumatu. Tõenäoliselt nõustusid teoreetiliste füüsikute arvutused esimest korda ajaloos eksperimentaalfüüsikute arvutustega. Teadusringkondadele on aastate jooksul esitatud mitmeid erinevaid teooriaid. Enam-vähem täpselt, empiiriliselt, mõnikord ka poolteaduslikult, kuid teoreetilisi arvutusandmeid kinnitasid eksperimendid, mõned isegi hilinemisega üle tosina aasta (näiteks Higgsi boson).
Tume aine - must energia
Selliseid teooriaid on palju, näiteks: keelteooria, Suure Paugu teooria, tsükliliste universumite teooria, paralleelsete universumite teooria, modifitseeritud Newtoni dünaamika (MOND), paikse universumi teooria F. Hoyle jt. Praegu peetakse aga pidevalt laieneva ja areneva universumi teooriat üldiselt aktsepteeritavaks, mille teesid on üsna Suure Paugu kontseptsiooni raamides. Samal ajal saadi kvaasi-empiiriliselt (s.o eksperimentaalselt, kuid suurte tolerantsidega ja olemasolevate mikroilma struktuuri kaasaegsete teooriate põhjal) andmed, et kõik meile teadaolevad mikroosakesed moodustavad kõigest 4, 02% kogu Universumi kompositsiooni kogumahust. See on niinimetatud "baryonic cocktail" ehk baryooniline aine. Suurem osa meie universumist (üle 95%) on aga erineva plaani, erineva koostise ja omadustega ained. See on nn must aine ja must energia. Nad käituvad erinevalt: nad reageerivad erinevat tüüpi reaktsioonidele erinevalt, neid ei fikseerita olemasolevate tehniliste vahenditega ja neil on omadused, mida pole varem uuritud. Siit võime järeldada, et kas need ained järgivad muid füüsikaseadusi (mitte-Newtoni füüsika, mitte-Eukliidse geomeetria verbaalne analoog) või on meie teaduse ja tehnoloogia arengutase alles selle moodustamise algfaasis.
Mis on baryonid?
Praeguse tugeva interaktsiooni kvark-glülooni mudeli järgi on vaid kuusteist elementaarset osakest (ja Higgsi bosoni hiljutine avastus kinnitab seda): kvarki kuut tüüpi (maitseomadused), kaheksa glüooni ja kaks bosoni. Baryonid on tugeva vastasmõjuga rasked elementaarosakesed. Kõige kuulsamad neist on kvargid, prooton ja neutron. Selliste ainete perekonnad, mis erinevad selja, massi, "värvuse" ja ka "võlu", "kummalisuse" numbrite poolest, on vaid tellised sellest, mida me nimetame barüoonseks aineks. Must (tume) aine, mis moodustab 21, 8% kogu Universumi koostisest, koosneb teistest osakestest, mis ei eralda elektromagnetilist kiirgust ega reageeri mingil viisil sellega. Seetõttu on vähemalt otseseks jälgimiseks ja veelgi enam selliste ainete registreerimiseks vaja kõigepealt mõista nende füüsikat ja leppida kokku seadused, mida nad järgivad. Paljud kaasaegsed teadlased tegelevad selle teemaga praegu eri riikide teadusinstituutides.
Kõige tõenäolisem variant
Milliseid aineid peetakse võimalikuks? Alustuseks tuleb märkida, et on ainult kaks võimalust. GR ja STO (relatiivsusteooria üld- ja eriteooria) kohaselt võib see aine koostises olla nii baryooniline kui ka mitte-baryonic tumeaine (must). Suure Paugu põhiteooria kohaselt on mis tahes olemasolev mateeria esindatud baroonide kujul. See väitekiri on tõestatud ülima täpsusega. Praegu on teadlased õppinud parandama osakesi, mis on moodustatud minut pärast singulaarsuse purunemist, see tähendab pärast ülitäpse mateeria plahvatust, mille kehamass kaldub lõpmatuseni ja keha suurus kipub olema null. Baryooniliste osakestega stsenaarium on kõige tõenäolisem, kuna just neist koosneb meie Universum ja nende kaudu laieneb jätkuvalt. Selle eelduse kohaselt koosneb must aine põhiosakestest, mida Newtoni füüsika üldiselt aktsepteerib, kuid mis on mingil põhjusel elektromagnetiliselt nõrgalt seotud. Sellepärast detektorid neid ei paranda.
Pole nii sile
Selline stsenaarium sobib paljudele teadlastele, kuid siiski on küsimusi rohkem kui vastuseid. Kui nii musta kui ka valget ainet esindavad ainult baryonid, peaks esmaste nukleosünteesi tulemusel esinevate kergete baryonide kontsentratsioon protsentides raskete protsentidest olema Universumi algses astronoomilises objektis erinev. Ja katseliselt ei tuvastatud meie galaktikas piisava arvu suurte gravitatsiooniobjektide, näiteks mustade aukude või neutronitähtede olemasolu, et tasakaalustada meie Linnutee halo massi. Samad neutronitähed, tumedad galaktilised halod, mustad augud, valged, mustad ja pruunid kääbused (tähed nende elutsükli erinevatel etappidel) on aga tõenäoliselt osa tumedast ainest, mis moodustab tumeaine. Must energia võib täiendada ka nende täitumist, sealhulgas ennustatavates hüpoteetilistes objektides, nagu preoon, kvark ja Q-tähed.
Mittebaryonic kandidaadid
Teine stsenaarium tähendab mitte-baryoni algust. Siin võivad kandidaatideks olla mitut tüüpi osakesed. Näiteks kerged neutriinod, mille olemasolu on teadlased juba tõestanud. Kuid nende mass, suurusjärgus üks sajandik kuni üks kuni kümme tuhandikku eV (elektronvolti), välistab need praktiliselt võimalikest osakestest vajaliku kriitilise tiheduse kättesaamatuse tõttu. Kuid rasked neutriinod, mis on ühendatud raskete leptonitega, ei avaldu tavaolukorras praktiliselt nõrgas vastasmõjus. Selliseid neutriinosid nimetatakse steriilseteks, nende maksimummassiga kuni kümnendik eV-d sobivad tõenäolisemalt tumeaine osakeste kandidaatideks. Aksioonid ja kosmonoonid viidi füüsikalistesse võrranditesse kunstlikult, et lahendada kvantkromodünaamika ja standardmudeli probleeme. Koos mõne muu stabiilse supersümmeetrilise osakesega (SUSY-LSP) võivad nad olla kandidaadid, kuna nad ei osale elektromagnetilistes ja tugevates koostoimetes. Erinevalt neutriinodest on nad siiski hüpoteetilised, nende olemasolu tuleb veel tõestada.
Musta materjali teooria
Massi puudumine Universumis tekitab sellel teemal erinevaid teooriaid, millest mõned on üsna järjekindlad. Näiteks teooria, et tavaline gravitatsioon ei suuda seletada tähtede kummalist ja ülikõrgelt kiiret pöörlemist spiraalsetes galaktikates. Sellise kiirusega lendaksid nad lihtsalt oma piiridest välja, kui mitte mõne hoidejõu jaoks, mida pole veel võimalik registreerida. Teised teooriate teesid selgitavad WIMP-de (massiivsete elektrihäiretega interakteeruvate osakeste-partnerite elementaarsete alamosakeste, supersümmeetriliste ja üliraskete - see tähendab ideaalsete kandidaatide) maapealsetes tingimustes saamise võimatust, kuna nad elavad n-mõõtmes, mis erineb meie omast, kolmemõõtmeline. Kaluza-Kleini teooria kohaselt pole sellised mõõtmised meile kättesaadavad.
Muutlikud tähed
Veel üks teooria kirjeldab, kuidas muutuvad tähed ja must aine omavahel suhestuvad. Sellise tähe heledus võib muutuda mitte ainult sees toimuvate metafüüsiliste protsesside (pulsatsioon, kromosfääriline aktiivsus, silmapaistvate punktide väljutamine, ülevool ja eclipses binaarses tähesüsteemis, supernoova plahvatus) tõttu, vaid ka tumeaine anomaalsete omaduste tõttu.
WARP mootor
Ühe teooria kohaselt saab tumedat ainet kasutada hüpoteetilisel WARP mootoril töötavate kosmoselaevade kosmosemootorite kütusena. Potentsiaalselt võimaldavad need mootorid laeval liikuda kiirusel, mis ületab valguse kiirust. Teoreetiliselt suudavad nad ruumi laevale ja taha painutada ja selles liikuda isegi kiiremini, kui elektromagnetiline laine vaakumis kiireneb. Laev ise lokaalselt ei kiirenda - ainult tema ees olev ruumiline väli on kõverdatud. Paljud ulmejutud kasutavad seda tehnoloogiat, näiteks Star Treki saaga.
