Τι είναι η ύλη; | Λαϊκή Επιστήμη

Λίγο λιγότερο από το ένα τρίτο του σύμπαντος – περίπου το 31 τοις εκατό – αποτελείται από ύλη. ΕΝΑ

νέος υπολογισμός

επιβεβαιώνει αυτόν τον αριθμό· Οι αστροφυσικοί έχουν από καιρό πιστέψει ότι κάτι άλλο εκτός από απτά πράγματα αποτελεί την πλειοψηφία της πραγματικότητάς μας. Τότε, τι ακριβώς είναι η ύλη;

Ένα από τα χαρακτηριστικά της θεωρίας της ειδικής σχετικότητας του Άλμπερτ Αϊνστάιν είναι ότι η μάζα και η ενέργεια είναι αδιαχώριστες. Όλη η μάζα έχει εγγενή ενέργεια. αυτή είναι η σημασία του περίφημου E=mc του Αϊνστάιν

²

εξίσωση. Όταν οι κοσμολόγοι ζυγίζουν το σύμπαν, μετρούν ταυτόχρονα τη μάζα και την ενέργεια.

Και

το 31 τοις εκατό αυτής της ποσότητας είναι ύλη, είτε είναι ορατή είτε αόρατη.

Αυτή η διαφορά είναι βασική: Δεν είναι όλη η ύλη όμοια. Πολύ λίγο από αυτό, στην πραγματικότητα, σχηματίζει τα αντικείμενα που μπορούμε να δούμε ή να αγγίξουμε. Το σύμπαν είναι γεμάτο με παραδείγματα ύλης που είναι πολύ πιο περίεργα.

Τι είναι η ύλη;

Όταν σκεφτόμαστε την «ύλη», μπορεί να φανταστούμε τα αντικείμενα που βλέπουμε ή το βασικό δομικό στοιχείο τους: το άτομο.

Η αντίληψή μας για το άτομο έχει εξελιχθεί με τα χρόνια. Οι στοχαστές σε όλη την ιστορία είχαν ασαφείς ιδέες ότι η ύπαρξη μπορούσε να χωριστεί σε βασικά συστατικά. Αλλά κάτι που μοιάζει με τη σύγχρονη ιδέα του ατόμου πιστώνεται γενικά στον Βρετανό χημικό John Dalton. Το 1808,

εκανε ΠΡΟΤΑΣΗ

ότι τα αδιαίρετα σωματίδια αποτελούσαν την ύλη. Διαφορετικές βασικές ουσίες – τα στοιχεία – προέκυψαν από άτομα με διαφορετικά μεγέθη, μάζες και ιδιότητες.

Αλλά να ήταν τόσο απλό. Από τις αρχές του 20ου αιώνα, οι φυσικοί γνώριζαν ότι μικρότερα δομικά στοιχεία κρύβονται μέσα στα άτομα: στροβιλιζόμενα αρνητικά φορτισμένα ηλεκτρόνια και καλυμμένοι πυρήνες, κατασκευασμένοι από θετικά φορτισμένα πρωτόνια και ουδέτερα νετρόνια. Γνωρίζουμε τώρα, επίσης, ότι κάθε στοιχείο αντιστοιχεί σε άτομα με ορισμένο αριθμό πρωτονίων.

[Related: How does electricity work?]

Και ακόμα

δεν είναι

τόσο απλό. Στα μέσα του αιώνα, οι φυσικοί συνειδητοποίησαν ότι τα πρωτόνια και τα νετρόνια είναι στην πραγματικότητα συνδυασμοί ακόμη πιο μικροσκοπικών σωματιδίων, που ονομάζονται κουάρκ. Για την ακρίβεια, τα πρωτόνια και τα νετρόνια περιέχουν και τα δύο τρία κουάρκ το καθένα: έναν τύπο διαμόρφωσης που οι φυσικοί αποκαλούν βαρυόνια. Για αυτόν τον λόγο, τα πρωτόνια, τα νετρόνια και η ύλη που σχηματίζουν—η ουσία της καθημερινής μας ζωής—ονομάζονται συχνά «βαρυονική ύλη».

Παράξενη ύλη στον ουρανό

Στον καθημερινό μας κόσμο, η βαρυονική ύλη συνήθως υπάρχει σε μία από τις τέσσερις καταστάσεις: στερεή, υγρή, αέρια και πλάσμα.

Και πάλι, το θέμα δεν είναι τόσο απλό. Κάτω από ακραίες συνθήκες, μπορεί να πάρει ένα θηριοτροφείο πιο εξωτικών μορφών. Σε αρκετά υψηλές πιέσεις, τα υλικά μπορούν να γίνουν

υπερκρίσιμα υγρά

, ταυτόχρονα υγρό και αέριο. Σε αρκετά χαμηλές θερμο

κρασί

ες, πολλά άτομα συνενώνονται, δημιουργώντας το συμπύκνωμα Bose-Einstein. Αυτά τα άτομα συμπεριφέρονται ως ένα, ενεργώντας με κάθε είδους περίεργους κβαντικούς τρόπους

Τέτοιες εξωτικές καταστάσεις δεν περιορίζονται στο εργαστήριο. Απλώς κοιτάξτε τα αστέρια νετρονίων: Οι νεκροί πυρήνες τους δεν είναι αρκετά μεγάλοι για να καταρρεύσουν σε μαύρες τρύπες όταν γίνονται σουπερνόβα. Αντίθετα, καθώς οι πυρήνες τους τσαλακώνονται, έντονες δυνάμεις διασπούν τους ατομικούς τους πυρήνες και συνθλίβουν τα ερείπια μαζί. Το αποτέλεσμα είναι ουσιαστικά μια γιγάντια σφαίρα νετρονίων—και πρωτονίων που απορροφούν ηλεκτρόνια, γίνονται νετρόνια στη διαδικασία—και είναι πολύ, πολύ πυκνό. Μια κουταλιά ενός αστέρα νετρονίων θα

ζυγίζει ένα δισεκατομμύριο τόνους.

Υπάρχουν, ενδεχομένως, εκατοντάδες εκατομμύρια αστέρια νετρονίων μόνο στον Γαλαξία μας. Βαθιά στο κέντρο τους, πιστεύουν ορισμένοι επιστήμονες, οι πιέσεις και οι θερμοκρασίες είναι αρκετά υψηλές ώστε να διασπάσουν και τα νετρόνια. Αυτά τα νετρόνια μπορεί να σπάσουν τα κουάρκ που τα σχηματίζουν.

Οι φυσικοί μελετούν αστέρια νετρονίων για να μάθουν για αυτά τα αντικείμενα – και τι συνέβη στην αρχή του σύμπαντος. Η ύλη που βλέπουμε γύρω μας δεν υπήρχε πάντα. σχηματίστηκε στον απόηχο της μεγάλης έκρηξης. Πριν σχηματιστούν τα άτομα, τα πρωτόνια και τα νετρόνια κολύμπησαν μόνα τους μέσα στο σύμπαν. Ακόμη και νωρίτερα, πριν υπάρξουν πρωτόνια και νετρόνια, όλα ήταν μια υπερθερμασμένη ιλύς κουάρκ.

Οι επιστήμονες μπορούν να αναδημιουργήσουν αυτή την κατάσταση, κατά κάποιο τρόπο, σε επιταχυντές σωματιδίων. Αλλά αυτό εξαφανίζεται σε μια αναλαμπή που διαρκεί ένα κλάσμα του δευτερολέπτου. Δεν συγκρίνεται με τα εξαιρετικά μακροχρόνια αστέρια νετρονίων «Έχετε ένα εργαστήριο που ουσιαστικά υπάρχει για πάντα», λέει

Φρίντολιν Βέμπερ

φυσικός στο Κρατικό Πανεπιστήμιο του Σαν Ντιέγκο.

Η ύλη στο μεγάλο σχήμα του σύμπαντος

Τις τελευταίες δεκαετίες, οι αστρονόμοι έχουν αναπτύξει διάφορους τρόπους για να κατανοήσουν τις βασικές παραμέτρους του σύμπαντος. Μπορούν να εξετάσουν τη μεγάλης κλίμακας δομή του και να εντοπίσουν ανεπαίσθητες διακυμάνσεις στην πυκνότητα της ύλης που μπορούν να δουν. Μπορούν να παρακολουθήσουν πώς η βαρύτητα των αντικειμένων λυγίζει περνώντας το φως.

Ένας συγκεκριμένος τρόπος για να μετρηθεί η πυκνότητα της ύλης – η αναλογία του σύμπαντος που αποτελείται από ορατή και αόρατη ύλη – είναι να διαχωρίσουμε το κοσμικό μικροκυματικό υπόβαθρο της Μεγάλης Έκρηξης. Από το 2009 έως το 2013, η

Παρατηρητήριο Planck της Ευρωπαϊκής Υπηρεσίας Διαστήματος

ώθησε τη λάμψη για να δώσει στους επιστήμονες τον καλύτερο υπολογισμό της πυκνότητας της ύλης μέχρι τώρα, 31 τοις εκατό.

[Related: Scientists used lasers to make the coldest matter in the universe]

Η πιο πρόσφατη έρευνα χρησιμοποίησε μια διαφορετική τεχνική που ονομάζεται σχέση πλούτου μάζας, εξετάζοντας ουσιαστικά σμήνη γαλαξιών, μετρώντας πόσους

γαλαξίες

υπάρχουν σε κάθε σμήνος, χρησιμοποιώντας αυτήν για τον υπολογισμό της μάζας κάθε ομάδας και αναστρεφόμενη μηχανική της πυκνότητας της ύλης. Η τεχνική δεν είναι νέα, αλλά μέχρι τώρα ήταν ακατέργαστη και ακατέργαστη.

«Όταν κάναμε τη δουλειά μας, από όσο γνωρίζω, αυτή είναι η πρώτη φορά που η σχέση μαζικού πλούτου έχει χρησιμοποιηθεί για να έχουμε ένα αποτέλεσμα που είναι σε πολύ καλή συμφωνία με τον Planck», λέει.

Τζίλιαν Γουίλσον

αστροφυσικός στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια Ρίβερσαϊντ και ένας από τους συγγραφείς μιας εργασίας που δημοσιεύτηκε στο


The Astrophysical Journal




στις 13 Σεπτεμβρίου.

Ωστόσο, θυμηθείτε, δεν είναι τόσο απλό. Μόνο ένα μικρό κλάσμα – που πιστεύεται ότι είναι περίπου το 15 τοις εκατό της ύλης, ή το 3 τοις εκατό του σύμπαντος – είναι ορατό. Τα υπόλοιπα, πιστεύουν οι περισσότεροι επιστήμονες, είναι η σκοτεινή ύλη. Μπορούμε να ανιχνεύσουμε τους κυματισμούς που αφήνει η σκοτεινή ύλη στη βαρύτητα. Αλλά δεν μπορούμε να το παρατηρήσουμε άμεσα.

Κατά συνέπεια, δεν είμαστε σίγουροι τι είναι η σκοτεινή ύλη. Μερικοί επιστήμονες πιστεύουν ότι είναι βαρυονική ύλη, απλώς σε μια μορφή που δεν μπορούμε να δούμε εύκολα: Ίσως είναι μαύρες τρύπες που σχηματίστηκαν στο πρώιμο σύμπαν, για παράδειγμα. Άλλοι πιστεύουν ότι αποτελείται από σωματίδια που δεν πρέπει να αλληλεπιδρούν καθόλου με την οικεία μας ύλη. Μερικοί επιστήμονες πιστεύουν ότι είναι ένα μείγμα από αυτά. Και τουλάχιστον κάποιοι επιστήμονες το πιστεύουν αυτό

η σκοτεινή ύλη δεν υπάρχει καθόλου

.

Αν υπάρχει, ίσως το δούμε με μια νέα γενιά τηλεσκοπίων, όπως π.χ

eROSITA

ο

Αστεροσκοπείο Ρούμπιν

ο

Ρωμαϊκό διαστημικό τηλεσκόπιο Nancy Grace

και τον Ευκλείδη, που μπορούν να σαρώσουν όλο και μεγαλύτερες περιοχές του σύμπαντος και να δουν μια ευρύτερη ποικιλία γαλαξιών σε διαφορετικές χρονικές στιγμές της κοσμικής ιστορίας. «Αυτές οι νέες έρευνες μπορεί να αλλάξουν την κατανόησή μας για ολόκληρο το σύμπαν [and its matter]», λέει

Μοχάμεντ Ελ Χασάς

, αστροφυσικός στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια Ρίβερσαϊντ και άλλος ένας από τους συγγραφείς. «Αυτό περιμένω προσωπικά».