8 największych zagadek fizyki, które wciąż pozostają nierozwiązane

1. Dlaczego czas płynie tylko do przodu

W fizyce istnieje pojęcie „strzałki (lub osi) czasu”. Opisuje przepływ czasu od przeszłości do przyszłości. I istnieje wiele dowodów na to, że czas sprzyja określonemu kierunkowi.

Zgodnie z drugą zasadą termodynamiki, w układzie izolowanym entropia (miara nieporządku) będzie rosła w czasie. Ten oznaczaże procesy w przyrodzie zwykle przebiegają w kierunku, w którym energia rozkłada się bardziej równomiernie, a system staje się bardziej nieuporządkowany.

Na przykład, gdy rozbijemy jajko, samo się nie zregeneruje. Nie można cofnąć czasu i zrobić rzeczy tak, jak były. Entropia jest bezlitosna.

Ponadto, zgodnie z ogólną teorią względności, z biegiem czasu Wszechświat rozszerza się. Obserwacje pokazują, że w przeszłości przechodził on przez stan wysokiej gęstości i niskiej entropii (wydarzenie to nazywamy „Wielkim Wybuchem”) i zmierza w kierunku przyszłego stanu wysokiej entropii.

Ogólnie rzecz biorąc, łatwo zauważyć, że czas jest nieodwracalny i zawsze porusza się w jednym kierunku. A naukowcy nigdy nie zrozumieją, dlaczego tak jest. A czy czas może płynąć również wstecz?

2. Czym jest ciemna energia

Wszechświat się rozszerza. Robi to jak balon, tylko szybciej niż prędkość światła.

Astronomowie w latach 90 odkrytyże ekspansja wszechświata nabiera prędkości dopiero w czasie, a nie zwalnia pod wpływem grawitacji, jak powinno być w teorii. Ta obserwacja doprowadziła do sugestii, że istnieje jakaś forma energii, która przeciwstawia się grawitacji i przyczynia się do przyspieszonej ekspansji wszechświata.

Prawdopodobnie ciemna energia wypełnia całej czasoprzestrzennej struktury Wszechświata i jest głównym składnikiem jego zawartości energetycznej. Ale nie można tego bezpośrednio zaobserwować ani zmierzyć.

74% naszego Wszechświata to ciemna energia, 22% to ciemna materia, 3,6% to gaz międzygalaktyczny, a kolejne 0,4% to banalne, nieciekawe gwiazdy, planety i inne drobiazgi.

Dlaczego wyrównanie jest w ten sposób, nie jest jasne.

Sama natura ciemnej energii jest również pozostaje tajemnica dla nauki. Są różne teoriektórzy próbują wyjaśnić jego pochodzenie, w tym koncepcje próżni kwantowej i stałej kosmologicznej.

Tymczasem ciemna energia ma ogromne znaczenie dla zrozumienia fundamentalnych właściwości Wszechświata i jego przyszłych losów. To od niej zależy, czy ekspansja Wszechświata będzie trwała w nieskończoność, zwolni, a nawet odwróci się w przyszłości.

3. Czym jest ciemna materia

Ciemność to hipotetyczna forma materii, która nie oddziałuje z promieniowaniem elektromagnetycznym, a zatem nie emituje, nie pochłania ani nie odbija światła. Nie można go wykryć naszymi zwykłymi instrumentami i instrumentami, dlatego tak się go nazywa.

Ale jest ich wielu dowód istnienie ciemnej materii we Wszechświecie. Opierają się na wpływie grawitacyjnym, jaki wywiera na widoczne obiekty.

Ciemna materia, choć niewidoczna, wpływa na ruch gwiazd, galaktyk i gromad galaktyk.

Badania astronomiczne pokazywaćże obiekty te poruszają się tak, jakby były obciążone dodatkową masą, a tego nie da się wytłumaczyć ilością materii, którą obserwujemy. Dlatego ciemna materia utrzymuje razem galaktyki i inne gigantyczne struktury pod wpływem swojej siły grawitacyjnej.

Generalnie fizycy nie zrozumieją, czym jest ciemna materia, z jakich cząstek się składa, jakie są jej właściwości i czy w ogóle istnieje. Być może obserwowane zachowanie gwiazd i galaktyk nie jest związane z żadną materią i jest to po prostu dziwactwo grawitacji. Nauka jeszcze tego nie odkryła.

4. Dlaczego podstawowe stałe są takie, jakie są?

Stałe fundamentalne to wartości liczbowe, które charakteryzują właściwości fizyczne i interakcje we wszechświecie. Są podstawowe i nie zależą od konkretnych układów jednostek.

Stałe określają podstawowe właściwości i prawa natury, wpływając na strukturę i rozwój wszechświata jako całości. Wszystkie te liczby około 25. Pomiędzy nimi:

• Prędkość światła w próżni (c) - określa maksymalną prędkość, z jaką informacje lub interakcje mogą się rozprzestrzeniać we wszechświecie.
• Stała Plancka (h), czyli kwant akcji, - określa zależność między energią a częstotliwością cząstek i fal, przewodzących granica między makrokosmosem, w którym obowiązują prawa mechaniki Newtona, a mikrokosmosem, w którym obowiązują prawa mechaniki kwantowej. mechanika.
• Stała grawitacji (G) - określa siłę oddziaływania grawitacyjnego między masami oraz wpływa na strukturę i ruch obiektów we wszechświecie.
• Masa elektronu (mₑ).
• Ładunek elementarny (e).
• Stała kosmologiczna (Λ), która jest również określana jako fundamentalna.

A naukowcy nie mogą zrozumieć, dlaczego wszystkie te liczby mają dokładnie takie znaczenie, a nie inne.

Być może możemy zaobserwować tylko sensy, które są zgodne z naszym istnieniem, ponieważ życie mógł powstać tylko w takim wszechświecie. Nazywa się to zasadą antropiczną.

Na przykład stała struktury subtelnej, która jest zwykle oznaczana literą „alfa”, definiuje siła oddziaływań magnetycznych. Jego wartość liczbowa wynosi około 0,007297. Gdyby liczby były inne, w naszym Wszechświecie mogłoby nie być stabilnej materii.

A mimo to fizycy zastanawiają się, jak zmieniłby się Wszechświat z innymi parametrami fizycznymi. Istnieć hipotezy, zgodnie z którym wartości podstawowych stałych są przypadkowe i określane przez fluktuacje we wczesnym wszechświecie - po prostu jakiś zestaw liczb. Z tego założenia wynika, że ​​istnieje wiele Wszechświatów o różnych wartościach stałych. I mamy po prostu szczęście, że jesteśmy w tym, w którym te wartości najlepiej nadają się do rozwoju życia.

5. Co się dzieje w czarnych dziurach

Czarne dziury Są to obszary przestrzeni kosmicznej o niewiarygodnie silnej grawitacji. Poza czarną dziurą, tak zwanym horyzontem zdarzeń, przyciąganie grawitacyjne jest tak silne, że żadna materia, nawet światło, nie może uciec.

Fizycy uważają, że w samym centrum czarnej dziury znajduje się osobliwość - punkt o nieskończonej gęstości i nieskończenie silnym polu grawitacyjnym. Ale czym to jest, jak może wyglądać i jak dokładnie działa, żadna teoria nie może wyjaśnić.

Niektórzy naukowcy nawet sugerowaćże osobliwość może nie być punktem, ale może mieć różne kształty - dotyczy to obracających się czarnych dziur. Tak zwana czarna dziura Kerra, hipotetyczny obiekt opisany przez matematyka i astrofizyka Roya Kerra, ma pierścieniową osobliwość. Będzie można nawet przelecieć przez taką dziurę i przeżyć. W teorii.

Ale aby dokładnie opisać procesy fizyczne wewnątrz osobliwości, potrzebna jest ujednolicona teoria powaga oraz mechanika kwantowa, która nie została jeszcze opracowana.

6. Dlaczego we wszechświecie jest tak mało antymaterii?

W zwykłej materii cząstki elementarne, takie jak elektrony i protony, mają odpowiednio ładunki ujemne i dodatnie. W antymaterii ładunki te są odwrócone: antyelektrony (zwane także pozytonami) są naładowane dodatnio, podczas gdy antyprotony są naładowane ujemnie.

antymateria ma takie same właściwości fizyczne jak zwykłe, w tym masę, spin i inne właściwości cząstek. Ale kiedy antycząstka spotyka odpowiadającą jej zwykłą antycząstkę, mogą one anihilować się nawzajem, zamieniając się w czystą energię.

Litr jakiegoś antywodoru w kontakcie z powietrzem będzie śmierdział jak bomba atomowa.

Jak dobrze, że maksymalną ilość antywodoru udało im się osiągnąć syntetyzować naukowców na raz - 309 atomów.

Obserwacje astronomiczne pokazywaćże wszechświat, a nawet najbardziej odległy gwiazdy a galaktyki składają się z materii i jest w nich bardzo mało antymaterii. Ta różnica między liczbą barionów (cząstek zbudowanych z trzech kwarków) i antybarionów (antycząstek zbudowanych z trzech antykwarków) w naszym wszechświecie nazywa się asymetrią barionową.

Gdyby Wszechświat był całkowicie symetryczny, to liczba barionów i antybarionów musiałaby być równa i obserwowalibyśmy całe galaktyki antymaterii. Jednak w rzeczywistości wszystko składa się z barionów, a antybariony muszą być syntetyzowane w akceleratorach cząstek nie tylko przez łyżeczkę, ale przez atom. Dlatego antymateria jest najbardziej droga rzecz na świecie.

Zgodnie ze standardowym modelem cząstek elementarnych, zaraz po Wielkim Wybuchu we wszechświecie powinna być taka sama liczba kwarków i antykwarków. Jednak coś się stało, co dokładnie nie jest jasne, ale prawie wszystkie antybariony unicestwione, az pozostałych barionów powstała materia. W rzeczywistości z tego składa się wszechświat. I ty zresztą też. I naukowców, którzy wciąż nie mogą zrozumieć, dlaczego w kosmosie jest tak mało antymaterii.

7. Czy próżnia jest stabilna?

Próżnia to przestrzeń o możliwie najniższej energii, ale wbrew nazwie nie jest całkowicie pusta. Nadal zawiera pola kwantowe, które determinują zachowanie cząstek elementarnych. Naukowcy uważaćże prawdziwa lub fizyczna próżnia, którą znamy, jest najbardziej stabilnym stanem we wszechświecie, ponieważ jest uważana za globalne minimum energii.

Jednak teoretycznie istnieje możliwość, że stan próżni fizycznej jest konfiguracją pól kwantowych, która jest jedynie lokalnym, a nie globalnym minimum energetycznym. Oznacza to, że próżnia, którą możemy zaobserwować w kosmosie lub stworzyć w laboratorium, jest „fałszywa”. Więc może być "prawda".

A jeśli istnieje „prawdziwa” próżnia, mamy duże kłopoty.

Jeśli przyjmiemy, że nasz Wszechświat jest w stanie nie „prawdziwej”, lecz „fałszywej” próżni, to możliwy staje się proces jego rozpadu do stanu bardziej stabilnego. Konsekwencji takiego procesu może być najwięcej przerażający i różnią się od subtelnych zmian parametrów kosmologicznych, które zależą od różnicy potencjałów między „fałszywą” a „prawdziwą” próżnią, aż do całkowitego ustania funkcjonowania cząstek elementarnych i fundamentalnych siły.

Jeśli gdzieś w kosmosie pojawi się bańka „prawdziwej” próżni, może to doprowadzić do całkowitego zniszczenia materii barionowej lub nawet do natychmiastowego grawitacyjnego zapadnięcia się Wszechświata.

Krótko mówiąc, miejmy nadzieję, że nasz odkurzacz jest najbardziej niezawodny na świecie. Co jeszcze zostało?

8. Jaki będzie koniec wszechświata

A ponieważ mówimy o tak ekscytujących globalnych problemach, jak grawitacyjne zapadanie się Wszechświata: fizycy skompilowali lista najciekawsze rzeczy, które mogą wydarzyć się w kosmosie w przyszłości, ale nigdy nie decyduj, który scenariusz jest najbardziej prawdopodobny.

Według teorii Wielkiego Wybuchu wszechświat powstał około 13,8 miliarda lat temu z gęstego i gorącego stanu zwanego osobliwością i od tego czasu wszystko rośnie i stygnie. Teoria ta dobrze wyjaśnia szereg obserwowanych zjawisk, takich jak kosmiczne promieniowanie tła i ekspansja wszechświat. Ale co będzie dalej? Wybierz to, co lubisz najbardziej:

• śmierć cieplna. W ramach tej koncepcji przypuszczalnyże z czasem wszechświat będzie stawał się coraz bardziej zimny i jednolity. Energia w nim zostanie wyczerpana, wszystkie procesy, takie jak powstawanie gwiazd i ruch termiczny, zwolnią i zatrzymają się. Doprowadzi to do stanu maksymalnej entropii, kiedy wszystkie cząstki będą w stanie równowagi i żadne dalsze zdarzenia we Wszechświecie nie będą możliwe.
• duża przepaść. Wszechświat będzie kontynuowane zwiększać. Oznacza to, że galaktyki i inne obiekty kosmiczne będą coraz bardziej oddalać się od siebie. Jeśli nic się nie zmieni, w odległej przyszłości siły grawitacyjne nie będą już wystarczająco silne, aby oprzeć się ciśnieniu ciemnej energii. Doprowadzi to do tego, że na wszystkich poziomach struktury we Wszechświecie, włączając w to galaktyki, gwiazdy i atomy, będzie istniała siła, która przewyższa ich własną siłę przyciągania. W rezultacie wszystkie obiekty będą stopniowo rozbijane na oddzielne cząstki.
• Duży uścisk. Zgodnie z tym scenariuszem ekspansja Wszechświata, spowodowana Wielkim Wybuchem, Kierowco zwolnij i ostatecznie się odwraca. Siłą dominującą stanie się przyciąganie grawitacyjne między galaktykami, gwiazdami i planetami. Odległość między nimi będzie się zmniejszać, aż Wszechświat zapadnie się z powrotem w osobliwość, w której gęstość i temperatura staną się nieskończenie wysokie. I nie jest daleko od nowego Wielkiego Wybuchu.

Ale jaki los czeka przestrzeń, nadal nie jest jasne. Proszę, poczekaj jeszcze kilka tysięcy septillionów lat.