Τι είναι το Matter;

Είμαστε περιτριγυρισμένοι από την ύλη. Στην πραγματικότητα, έχουμε σημασία. Όλα όσα ανιχνεύουμε στο σύμπαν είναι επίσης θέμα. Είναι τόσο θεμελιώδες ώστε απλά να δεχόμαστε ότι όλα γίνονται από την ύλη. Είναι το θεμελιώδες δομικό στοιχείο όλων: η ζωή στη Γη, ο πλανήτης στον οποίο ζούμε, τα αστέρια και οι γαλαξίες. Είναι συνήθως ορίζεται ως οτιδήποτε έχει μάζα και καταλαμβάνει έναν όγκο χώρου.

Τα δομικά στοιχεία της ύλης ονομάζονται "άτομα" και "μόρια". Και αυτοί είναι θέμα. Το θέμα που μπορούμε να ανιχνεύσουμε κανονικά ονομάζεται "βαρυονική" ύλη. Ωστόσο, υπάρχει και άλλος τύπος ύλης, ο οποίος δεν μπορεί να ανιχνευθεί άμεσα. Αλλά η επιρροή του μπορεί. Λέγεται σκοτεινή ύλη.

Είναι εύκολο να μελετήσετε την κανονική ύλη ή τη «βαριονική ύλη». Μπορεί να χωριστεί σε υποατομικά σωματίδια που ονομάζονται λεπτόνια (π.χ. ηλεκτρόνια) και κουάρκ (τα δομικά στοιχεία των πρωτονίων και των νετρονίων). Αυτά είναι αυτά που απαρτίζουν τα άτομα και τα μόρια που είναι τα συστατικά όλων, από τον άνθρωπο μέχρι τα αστέρια.

Η κανονική ύλη είναι φωτεινή, δηλαδή αλληλεπιδρά ηλεκτρομαγνητικά και βαρυτικά με άλλα θέματα και με ακτινοβολία. Δεν λάμπει απαραιτήτως όπως σκεφτόμαστε ένα αστέρι που λάμπει. Μπορεί να εκπέμπει άλλη ακτινοβολία (όπως υπέρυθρη ακτινοβολία).

Μια άλλη πτυχή που εμφανίζεται όταν συζητείται η ύλη είναι κάτι που ονομάζεται αντιύλη. Σκεφτείτε το ως την αντίθετη πλευρά της κανονικής ύλης (ή ίσως μιας κατοπτρικής εικόνας) αυτής. Συχνά τα ακούμε όταν συζητούν οι επιστήμονες αντιδράσεις ύλης / αντιδράσεων ως πηγές ενέργειας. Η βασική ιδέα πίσω από την αντιύλη είναι ότι όλα τα σωματίδια έχουν ένα αντι-σωματίδιο που έχει την ίδια μάζα αλλά αντίστροφη περιστροφή και φόρτιση. Όταν η ύλη και η αντιύλη συγκρούονται, εξολοθρεύονται μεταξύ τους και δημιουργούν καθαρή ενέργεια με τη μορφή ακτίνες γ. Αυτή η δημιουργία ενέργειας, αν μπορούσε να αξιοποιηθεί, θα παρείχε τεράστια ποσά ενέργειας για κάθε πολιτισμό που θα μπορούσε να καταλάβει πώς να το κάνει με ασφάλεια.

Σε αντίθεση με την κανονική ύλη, η σκοτεινή ύλη είναι υλικό που δεν είναι φωτεινό. Δηλαδή, δεν αλληλεπιδρά ηλεκτρομαγνητικά και ως εκ τούτου φαίνεται σκοτεινό (δηλαδή δεν θα αντανακλά ή θα εκπέμπει το φως). Η ακριβής φύση της σκοτεινής ύλης δεν είναι γνωστή, αν και η επίδρασή της σε άλλες μάζες (όπως οι γαλαξίες) αστρονόμοι όπως ο Δρ. Βέρα Ρούμπιν και άλλοι. Ωστόσο, η παρουσία του μπορεί να ανιχνευθεί με την βαρυτική επίδραση που έχει στην κανονική ύλη. Για παράδειγμα, η παρουσία της μπορεί να περιορίσει τις κινήσεις των αστεριών σε έναν γαλαξία, για παράδειγμα.

Επί του παρόντος υπάρχουν τρεις βασικές δυνατότητες για τα "πράγματα" που συνθέτουν τη σκοτεινή ύλη:

• Ψυχρή σκοτεινή ύλη (CDM): Υπάρχει ένας υποψήφιος που ονομάζεται ασθενώς αλληλεπίδραση μαζικό σωματίδιο (WIMP) που θα μπορούσε να είναι η βάση για κρύα σκοτεινή ύλη. Ωστόσο, οι επιστήμονες δεν γνωρίζουν πολλά για αυτό ή πώς θα μπορούσε να σχηματίστηκε νωρίς στην ιστορία του σύμπαντος. Άλλες δυνατότητες για σωματίδια CDM περιλαμβάνουν axions, ωστόσο, δεν έχουν ανιχνευθεί ποτέ. Τέλος, υπάρχουν MACHOs (MAssive Compact Halo Objects), Μπορούσαν να εξηγήσουν τη μετρούμενη μάζα της σκοτεινής ύλης. Αυτά τα αντικείμενα περιλαμβάνουν μαύρες τρύπες, αρχαίος αστέρια νετρονίων και πλανητικά αντικείμενα τα οποία είναι όλα μη φωτεινά (ή σχεδόν έτσι) αλλά περιέχουν ακόμη μια σημαντική ποσότητα μάζας. Αυτά θα μπορούσαν να εξηγήσουν τη σκοτεινή ύλη, αλλά υπάρχει ένα πρόβλημα. Θα έπρεπε να υπάρχουν πολλοί από αυτούς (περισσότερο από ό, τι αναμενόταν δεδομένης της ηλικίας ορισμένων γαλαξιών) και η κατανομή τους θα έπρεπε να είναι απίστευτα καλά εξαπλωθεί σε όλο το σύμπαν για να εξηγήσει τη σκοτεινή ύλη που οι αστρονόμοι έχουν βρει "έξω εκεί". Έτσι, η κρύα σκοτεινή ύλη παραμένει "εργασία μέσα πρόοδος."
• Ζεστή σκοτεινή ύλη (WDM): Αυτό θεωρείται ότι αποτελείται από αποστειρωμένα νετρίνα. Αυτά είναι σωματίδια που είναι παρόμοια με τα κανονικά νετρίνα εκτός από το γεγονός ότι είναι πολύ πιο μαζικά και δεν αλληλεπιδρούν μέσω της ασθενούς δύναμης. Ένας άλλος υποψήφιος για το WDM είναι ο gravitino. Αυτό είναι ένα θεωρητικό σωματίδιο που θα υπήρχε αν η θεωρία της υπερβαρύτητας - μια ανάμειξη του γενική σχετικότητα και υπερσυμμετρία - κερδίζουν έλξη. Το WDM είναι επίσης ένας ελκυστικός υποψήφιος για να εξηγήσει τη σκοτεινή ύλη, αλλά η ύπαρξη είτε αποστειρωμένων νετρίνων είτε βαρυτινών είναι στην πραγματικότητα κερδοσκοπική.
• Θερμή σκοτεινή ύλη (HDM): Τα σωματίδια που θεωρούνται καυτή σκοτεινή ύλη ήδη υπάρχουν. Ονομάζονται "νετρίνο". Ταξιδεύουν σχεδόν την ταχύτητα του φωτός και δεν "συσσωματώνονται" μαζί με τρόπους που προβάλλουμε τη σκοτεινή ύλη. Επίσης, δεδομένου ότι το νετρίνο είναι σχεδόν άζωτο, ένα απίστευτο ποσό από αυτά θα χρειαζόταν για να φτιάξει το ποσό της σκοτεινής ύλης που είναι γνωστό ότι υπάρχει. Μια εξήγηση είναι ότι υπάρχει ένας ακόμη μη-ανιχνευμένος τύπος ή γεύση ουδέτερου που θα ήταν παρόμοιο με εκείνους που είναι ήδη γνωστό ότι υπάρχουν. Ωστόσο, θα είχε μια σημαντικά μεγαλύτερη μάζα (και επομένως ίσως πιο αργή ταχύτητα). Αλλά αυτό θα ήταν πιθανώς περισσότερο παρόμοιο με τη θερμή σκοτεινή ύλη.

Η ύλη δεν υπάρχει ακριβώς χωρίς επιρροή στο σύμπαν και υπάρχει μια περίεργη σχέση μεταξύ της ακτινοβολίας και της ύλης. Αυτή η σχέση δεν έγινε καλά κατανοητή μέχρι τις αρχές του 20ου αιώνα. Τότε ο Albert Einstein άρχισε να σκεφτόμαστε τη σχέση μεταξύ ύλη και την ενέργεια και την ακτινοβολία. Εδώ είναι αυτό που ήρθε με: σύμφωνα με τη θεωρία της σχετικότητας, η μάζα και η ενέργεια είναι ισοδύναμες. Εάν αρκετή ακτινοβολία (φως) συγκρούεται με άλλα φωτόνια (άλλη λέξη για ελαφρά "σωματίδια") με επαρκώς υψηλή ενέργεια, μπορεί να δημιουργηθεί μάζα. Αυτή η διαδικασία είναι αυτή που οι επιστήμονες μελετούν σε γιγαντιαία εργαστήρια με σωματίδια. Η δουλειά τους χαράσσεται βαθιά στην καρδιά της ύλης, αναζητώντας τα μικρότερα σωματίδια που είναι γνωστό ότι υπάρχουν.

Έτσι, ενώ η ακτινοβολία δεν θεωρείται ρητά θέμα (δεν έχει μάζα ή καταλαμβάνει όγκο, τουλάχιστον όχι με καλά καθορισμένο τρόπο), συνδέεται με την ύλη. Αυτό συμβαίνει επειδή η ακτινοβολία δημιουργεί την ύλη και η ύλη δημιουργεί ακτινοβολία (όπως όταν συγκρούεται η ύλη και η αντι-ύλη).

Λαμβάνοντας το ζήτημα-ακτινοβολία σύνδεση ένα βήμα παραπέρα, οι θεωρητικοί προτείνουν επίσης ότι μια μυστηριώδης ακτινοβολία υπάρχει στο μας σύμπαν. Λέγεται σκοτεινή ενέργεια. Η φύση του δεν είναι καθόλου κατανοητή. Ίσως όταν κατανοηθεί η σκοτεινή ύλη, θα καταλάβουμε και τη φύση της σκοτεινής ενέργειας.

Επεξεργάστηκε και ενημερώθηκε από Carolyn Collins Petersen.