Содержание
11 величайших нерешенных проблем современной физики
Наука
Физика
Квантовая физика
Черные дыры
11 величайших нерешенных проблем современной физики
Егор Морозов
—
В 1900 году британский физик лорд Кельвин объявил: «в физике больше нет ничего нового, все, что можно было открыть, уже открыто. То, что остается — это все более и более точное измерение старого». В течение трех десятилетий физика показала, что он серьезно ошибался: были открыты квантовая механика и теория относительности Эйнштейна, которые произвели революции в науке. Сегодня ни один физик не посмел бы утверждать, что мы знаем все о вселенной. Напротив, каждое новое открытие, кажется, открывает ящик Пандоры с еще более глубокими вопросами физики.
В этой статье мы поговорим про те вопросы в физике, которые до сих пор остаются без ответа.
Темная материя и энергия
Как бы ученые не пытались объяснить нашу вселенную текущими законами физики, у них ничего не получается. Если учитывать только видимое вещество, то его гравитации не хватит, чтобы удерживать галактики от распада на части. И, дабы объяснить стабильность галактик во вселенной, была введена темная материя — гипотетическое вещество, которое не испускает электромагнитного излучения и взаимодействует с привычной материей только с помощью гравитации. Увы, хотя термину «темная материя» уже 90 лет, ее до сих пор не обнаружили, хотя и нашли потенциального претендента, возможно, полностью состоящего из нее.
Как это обычно бывает, темной материи не хватило, чтобы объяснить все несостыковки текущей физики и наблюдаемых явлений. Поэтому, чтобы объяснить расширение Вселенной с ускорением, была введена еще и темная энергия, являющейся космологической константой — иными словами, неизменной энергетической плотностью, равномерно распределенной по Вселенной.
Причем, что самое любопытное, привычное нам вещество занимает по массе всего 4% Вселенной, когда темная материя — 22%, а темная энергия вообще 74%. Казалось бы, при таком распространении мы должны найти ее следы, но, увы, пока что этого не произошло.
Почему время идет только вперед?
Пожалуй, этот вопрос задавали себе многие — ведь так хотелось бы вернуться в прошлое и что-то исправить. Физики пытались объяснить эту «стрелу времени», направленную только вперед, энтропией: грубо говоря, мерой хаоса во вселенной. Все, что мы не делали, приводит к увеличению энтропии: это гласит второй закон термодинамики. Яйцо, будучи целым, имеет низкую энтропию. Разбив его на сковородку, вы ее увеличите. Но, казалось бы, в чем проблема собрать обратно желток и белок в скорлупу и склеить ее? Ведь тем самым можно будет уменьшить энтропию и как бы сделать для яйца «машину времени».
Увы, это не так — в итоге на «сборку» яйца снова вы потратите некоторое количество энергии, а, значит, снова увеличите общую энтропию Вселенной.
Казалось бы, вот и ответ на вопрос: раз энтропия и время связаны, и энтропия может только увеличиваться, то время может идти только вперед. Но и тут хватает загвоздок: так, в будущем Вселенная достигнет равновесия и максимума энтропии — она будет полностью однородной и темной, без всяких звезд и галактик. Энтропия в ней навечно станет константой — значит, и время тоже? Ведь в таком мире без разницы, куда оно течет, в итоге все равно ничего не меняется!
С другой стороны, вспомним начало Вселенной из Большого Взрыва, когда энтропия была минимальной, и с тех пор постоянно растет. Возникает вопрос — почему это происходит именно так, а не наоборот? Увы — мы не знаем ответа на этот вопрос. Так что связь времени и энтропии, конечно, интересная, но все равно не отвечает нам на вопрос, почему время идет вперед и только вперед.
Есть ли параллельные вселенные?
Астрофизики предполагают, что на больших масштабах пространство-время плоское, а не искривленное, то есть оно бесконечно.
122 степени), но все же конечным числом. А раз пространство-время бесконечно, то на нем будет бесконечной множество различных вселенных, и раз наша Вселенная конечна, то она будет иметь… бесконечное число своих копий. И бесконечное число копий, где вы позавтракали не йогуртом, а бутербродом с сыром. Но, конечно, это чисто математические выкладки, которые мы никак не можем проверить, так что этот вопрос так и остается вопросом.
Почему материи больше, чем антиматерии?
След первого обнаруженного позитрона в пузырьковой камере.
В привычном нам мире электрон заряжен отрицательно, а протон — положительно. А может ли быть наоборот? Вполне: последние 50 лет ученые создают антипротоны и позитроны (антиэлектроны), которые отличаются от своих «нормальных» братьев только зарядом и барионным числом (то есть позитрон заряжен положительно). При столкновении частицы с античастицей они аннигилируют, производят огромное количество энергии.
Но отсюда возникает вполне логичный вопрос: если материя и антиматерия максимально схожи, то после Большого Взрыва их должно было оказаться поровну.
Разумеется, они бы аннигилировали полностью, и вселенная была бы пуста (ну, почти пуста — остались бы одни фотоны). А раз мы существуем, значит, материи в итоге было образовано больше, чем антиматерии. Почему? Никто не знает.
Как измерения разрушают квантовые волновые функции?
Микромир работает совсем не так, как привычная нам реальность. Частицы ведут себя не как шарики, а как волны. Каждая из частиц описывается так называемой волновой функцией — распределением вероятностей, которые говорят нам лишь о том, какими могут быть ее местоположение, скорость и другие свойства.
Фактически, частица имеет диапазон значений для каждого из свойств — но только до того момента, пока вы это свойство не станете измерять. Например, если вы захотите узнать местоположение частицы, то волновая функция коллапсирует, и вместо набора различных мест вы получите только одно, которое и образует привычную нам реальность. Этот парадокс, названный проблемой измерения, так и остается без решения.
Что происходит внутри черной дыры?
Куда исчезает информация внутри черной дыры? Если вы бросите в нее зонд, то вы не получите от него никаких данных, так как скорость убегания от черной дыры больше скорости света. Но черные дыры не вечны — существует излучение Хокинга, благодаря которому они медленно испаряются, и в итоге полностью исчезают. При этом само излучение зависит лишь от характеристик черной дыры (ее массы, скорости вращения и так далее), то есть, получается, данные о нашем зонде полностью теряются — без разницы, что вы кинете в черную дыру, зонд или камень с той же массой, на выходе излучение будет абсолютно одинаковое.
Но тут мы приходим к противоречию с квантовой физикой: она гласит, что квантовая информация не теряется и не копируется, и, если знать полную информацию о начальном состоянии любого объекта (например, зонда), то можно рассчитать и любое последующее. А «пережеванное» черной дырой вещество, получается, теряет всю свою информацию — парадокс, решение которого играет ключевую роль для построения законов квантовой гравитации, и пока что эта проблема остается без решения.
Что такое гравитация?
Почти все силы во вселенной определены различными частицами. Так, за электромагнетизм отвечают фотоны, за слабую ядерную силу — W- и Z-бозоны, за сильную ядерную силу — глюоны. Остается гравитация, и с ней есть одна проблема: гипотетическая частица, переносчик гравитации — гравитон — так и не была обнаружена. Теоретически, она не имеет массы и почти не взаимодействует с веществом, но на практике мы лишь получили ограничение сверху на ее массу благодаря гравитационным волнам от столкновения черных дыр, и это не ноль, хотя и очень близкая к нему цифра.
Пока мы не нашли гравитон, мы не можем работать с гравитацией так, как с другими фундаментальными взаимодействиями, которые по сути являются обменом частиц. Более того, некоторые физики даже предполагают, что гравитоны работают в дополнительных измерениях за пределами пространства-времени. В любом случае, ответа на вопрос у нас пока нет.
Мы живем в ложном вакууме?
Что мы подразумеваем под вакуумом? Отсутствие чего-либо в данной точке пространства.
Ну хорошо, мы можем освободить от частиц небольшой объем (хотя сделать это в случае с нейтрино, которые практически не взаимодействуют с веществом, будет, мягко говоря, трудновато). Остаются еще различные излучения и поля — ладно, попробуем избавиться и от них. А вот это уже не получится — есть и темная энергия, и поле Хиггса, и различные квантовые флуктуации. То есть, получается, вакуум, который мы можем создать, все-таки имеет какую-то отличную от нуля энергию, поэтому он и называется ложным.
Отсюда возникает вполне логичный вопрос — раз наш вакуум ложный, то может где-то есть истинный, с нулевой энергией? Или хотя ты чуть менее ложный, где энергия вакуума чуть ниже? Вполне может быть, и отсюда приходит «белый пушной зверек».
Частицы имеют одно интересное свойство — возможность туннелировать сквозь вещество, не обращая на него внимание, в значение с другой энергией. Что произойдет, когда хотя бы одна частица переместится в значение с меньшей энергией вакуума, чем в окружающей нас вселенной? Правильно, она потянет за собой все другие, и, в конечном счете, всю вселенную.
Чем это грозит нам? Да тем, что мы просто перестанем существовать: ведь все, что мы видим, и все, из чего мы состоим, подчиняется определенным законам физики с определенными константами. «Перескок» в область, где энергия ложного вакуума ниже, чем у нас, изменит и законы, и константы. Да, вселенная от этого существовать не перестанет, она просто изменится. Но вот не факт, что мы останемся жить.
Конечно, все написанное выше выглядит страшилкой на ночь — да, собственно, ей и является. По расчетам Хокинга, дабы хотя бы одна частица туннелировала в состояние с другим ложным вакуумом, требуется энергия порядка 100 миллионов ТэВ — это в 10 миллионов раз больше, чем может дать Большой Адронный Коллайдер. Такие значения энергий не встречаются даже в сверхмассивных звездах, так что можете быть спокойны — с крайне высокой вероятностью наша вселенная никуда не денется. Но все же может, если теория ложного вакуума верна.
Что лежит за пределами Стандартной модели?
Стандартная модель — одна из самых успешных физических теорий, которая проходит все проверки на протяжении вот уже больше 40 лет.
Эта модель описывает поведение частиц вокруг нас и, например, объясняет, почему они имеют массу. К слову, открытие бозона Хиггса — частицы, которая дает материи массу — как раз является одним из тех экспериментов, в очередной раз подтвердивших Стандартную модель.
Но уже понятно, что вселенная устроена сложнее — взять, например, потерю квантовой информации в черной дыре. Поэтому становится очевидным, что нужно придумывать новые модели: например, существует Теория струн, которая говорит о том, что фундаментальные взаимодействия возникают в результате колебаний ультрамикроскопических струн с масштабами порядка 10-35 метра. Это на пару десятков порядков меньше диаметра атомного ядра, и у нас нет абсолютно никаких инструментов для работы на таких масштабах, поэтому мы не можем проверить Теорию струн. Так что ответ на вопрос, что же лежит за пределами Стандартной модели, остается открытым.
Как звуковые волны излучают свет?
Синяя точка — не лазер и не ошибка камеры, это вспышка в пузырьке внутри воды.
Один из тех редких примеров загадок, которые можно наблюдать в лаборатории, но не получается объяснить. Сам эксперимент максимально прост: возьмите немного воды и направьте на нее звуковые волны — внутри нее образуются пузырьки, которые образуются из-за перепада давления от звуковых волн. Разумеется, эти пузырьки быстро схлопываются, однако в этот момент… они излучают свет в виде вспышек, длящихся триллионные доли секунды — явление, называемое сонолюминесценция.
Проблема тут в том, что неизвестен источник этого света. Ученые обнаружили, что внутри пузырьков на долю секунды температура достигает десятков тысяч градусов, откуда строятся абсолютно фантастические теории, начиная от крошечных реакций ядерного синтеза вплоть до электрического разряда. И хотя существует множество снимков этого процесса, до сих пор нет хорошего объяснения происходящего.
Есть ли порядок в водовороте хаоса?
Школьный пример — зная состояние воды в левой трубке, его можно вычислить для правой.
Отличным примером того, что даже в школьном курсе физики есть задачи тысячелетия, за решения которых предлагают миллион долларов, являются уравнения Навье-Стокса. По сути это система дифференциальных уравнений, которая описывает движение вязкой ньютоновской жидкости. Проблема в том, что нахождение общего решения в случае пространственного потока усложняется тем, что оно нелинейно и сильно зависит от начальных и граничных условий. И хотя в частных случаях решения есть (думаю, все в школе решали задачки по нахождению скорости потока воды в трубах разного диаметра), мы даже не знаем, есть ли оно в общем случае — а ведь это важно даже для таких, казалось бы, банальных вещей, как правильный прогноз погоды.
И это далеко не все проблемы, с которыми сталкивается современная физика, и чем больше мы в них углубляемся, тем больше понимаем, что все наши знания, накопленные за столетия и даже тысячелетия, или не верны, или крайне поверхностны. Но это не повод опускать руки — наоборот, это шанс узнать больше об окружающем нас мире и пустить эти знания нам же на благо.
Рекомендации
Как сделать свои стикеры для Telegram прямо со смартфона. Пошаговый гайд
AliExpress нагло завысил все цены. Не спешите с покупками
Как отключить подорожавшие СМС-уведомления в «Сбербанке» и ВТБ
Забирайте, пока в наличии!»>В России обвалилась цена на MacBook Air с чипом M1. Забирайте, пока в наличии!
Рекомендации
Как сделать свои стикеры для Telegram прямо со смартфона. Пошаговый гайд
AliExpress нагло завысил все цены. Не спешите с покупками
Как отключить подорожавшие СМС-уведомления в «Сбербанке» и ВТБ
В России обвалилась цена на MacBook Air с чипом M1. Забирайте, пока в наличии!
Читайте также
iPhone
YouTube
Гайды
Что делать, если потерял iPhone или его украли? Вот четыре шага
iPhone
Что происходит с AliExpress? Разобрались в работе маркеплейса
AliExpress
Маркетплейсы
Загадки по физике с ответами для учеников 7-11 классов
Дети всех возрастов обожают головоломки, но загадки по физике редко используются учителями.
Очень зря, ведь они способны разнообразить учебный процесс, помочь усвоить новый материал, подстегнуть интерес к предмету и просто развлечь. При этом детские головоломки только кажутся простыми. На самом же деле для разгадывания физических загадок ребятам придется подключить всю свою природную внимательность, смекалку и применить полученные знания. Стихотворные версии легче усваиваются, но основываются на хитроумных метафорах, поэтому учат мыслить образами.
Когда сутки короче: зимой или летом?
Узнать ответСутки — это всегда 24 ч.
Даже Эйнштейн, физический гений,
Весьма относительно всё понимал.
Какую ж теорию, важную очень,
Он в своё время создал?
Узнать ответТеория относительности
С какой физической величиной можно связать эти пословицы: не все на свой аршин меряй; семь раз отмерь — один раз отрежь; без меры и лаптя не сплетешь?
Узнать ответДлина
Кто может путешествовать по свету, оставаясь в одном и том же углу?
Узнать ответПочтовая марка на конверте
Что не имеет длины, глубины, ширины, высоты, а можно измерить?
Узнать ответВремя, температура
Бегу, бегу по проводам,
И нет меня быстрее!
Тепло и свет несу я вам
И делать все умею!
Узнать ответЭлектрический ток
Нужная величина,
В электричестве глава.
Чтоб приборы были целы,
Чтобы не было проблем,
Каждый знает как она
С силой тока связана!
Узнать ответНапряжение
Мал золотник да дорог; своя ноша не тянет; тяжело понесешь — домой не донесешь.
Узнать ответМасса
Кофе с молоком Очень полезная задачка. Можно долго выписывать уравнения, а можно понять, что ответ очевиден… Есть два одинаковых стакана, в которые налито поровну: в один — молоко, в другой — кофе. Из первого стакана переливают ложку молока в стакан с кофе. Потом размешивают, и из второго стакана обратно в первый переливают ложку кофе с молоком. Чего теперь больше: молока в кофе или кофе в молоке?
Узнать ответОдинаковое содержание молока в кофе и кофе в молоке
Механику и атомы,
Наука изучает,
И оптику, молекулы,
Дотошно разбирает!
Узнать ответФизика
Тут не долго испугаться —
Их в розетке двести двадцать.
Узнать ответВольт
Она характеризует
Быстроту движения,
Но при этом имеет
Своё направление.
Узнать ответСкорость
Этот жадный предмет
Всё железо хватает.
Для него нормы нет,
Прилипанием страдает.
Узнать ответМагнит
Все поведает, хоть без языка,
Когда будет ясно, а когда – облака.
Узнать ответБарометр
И в тайге, и в океане
Он отыщет путь любой.
Умещается в кармане.
А ведет нас за собой.
Узнать ответКомпас
Плохи дела, где сила без ума; без уменья и сила не при чем; через силу и конь не тянет.
Узнать ответСила
Какой расплавленный металл замораживает воду?
Узнать ответРтуть
Какой металл пишет, как карандаш?
Узнать ответСвинец
Энергия отключается,
Но движение продолжается.
Как же такое явление
В физике называется?
Узнать ответИнерция
С помощью линзы получено действительное изображение электрической лампочки. Как изменится изображение, если закрыть верхнюю половину линзы?
Узнать ответВсе изображение останется на том же месте, но будет менее ярким.
Папа знает всё на свете —
Как на небе Солнце светит,
Про молекулу и атом
Может рассказать ребятам.
Знает всё про ультразвук.
Папа — кандидат наук!
Узнать ответФизик
Им силу тока изменяют,
Если что – то в нем сдвигают.
Узнать ответРеостат
Назови-ка посмелей
В каком разделе физики
Мы с Ньютоном встречаемся
И к его фамилии
Часто обращаемся?
Узнать ответМеханика
Через массу и объём определяется
В единице объёма —
Физический смысл заключается,
О какой величине здесь упоминается?
Узнать ответПлотность
На двух чашах рычажных весов находятся два ведра, наполненные водой. Уровень воды в них одинаков. В одном ведре плавает деревянный брусок. Будут ли весы находиться в равновесии?
Узнать ответДа. Плавающее тело всегда вытесняет своей погруженной частью столько жидкости (по весу), сколько весит это тело.
Нельзя здесь отшутиться —
Радиоактивности единица.
Узнать ответКюри
Какое действие тока используется в электросварке?
Узнать ответТепловое
Сила упругости так вычисляется,
А полученное выражение —
Законом называется,
Чьей же фамилией он величается?
Узнать ответЗакон Гука
Вес корабля легко узнать,
Какую же силу нужно при этом рассчитать?
Узнать ответСилу Архимеда
Через нос проходит в грудь
И обратный держит путь.
Он невидимый, и все же
Без него мы жить не можем.
Узнать ответВоздух
Паскаль был очень остроумен,
Получил он выражение
Как для расчета,
Так и для вычисления.
Укажи величину,
Принадлежащую ему.
Узнать ответДавление
На спине язык, что скажет — люди верят.
Узнать ответДинамометр
Современная физика и пять ее необъяснимых тайн
Есть легенда, что в 1900 году английский физик лорд Кельвин заявил: «Сейчас в физике нет ничего нового. Остается лишь делать все более и более точные измерения». Через три десятилетия квантовая механика и теория относительности Эйнштейна произвели революцию в науке. Сегодня ни один физик не посмеет утверждать, что человечество нашло ответы на все вопросы о Вселенной и окружающем нас мире. Все как раз наоборот. Кажется, что каждое новое открытие открывает ящик Пандоры и порождает все новые загадки, над которыми десятилетиями бьются физики-теоретики.
Краткий обзор самых нерешенных проблем в современной физике.
Фото: Unsplash
Специально к международному Дню физики мы составили краткий обзор самых больших нерешенных проблем в этой науке. Стоит отметить, что в список не попали такие необъяснимые и странные явления, как темная материя, темная энергия и черные дыры (мы о них писали в статье о самых больших загадках Вселенной). Зато ниже вас ждут другие, не менее интригующие загадки.
Необратимость времени и энтропии
Почему время и энтропия необратимы? Фото: Unsplash
Одно из самых главных свойств Вселенной — течение времени. Причем движется оно только «вперед», и этот процесс необратим. Он еще называется «энтропией» и знаком нам из законов термодинамики. Энтропия означает, что уровень хаоса со временем только увеличивается и не существует способа обратить его вспять. Тот факт, что энтропия увеличивается, является нерешенным вопросом физики: по мере изменения вещей они имеют тенденцию приходить в беспорядок. Кстати, ваша уборка в комнате — это своего рода «борьба с энтропией».
Но основной вопрос здесь заключается в том, почему энтропия в прошлом была такой низкой? Иными словами, почему в начале своего существования Вселенная была такой упорядоченной, когда огромное количество энергии было сосредоточено в небольшом пространстве?
Мультивселенные
Мультивселенная и ее тайна. Фото: Unsplash
Астрофизические данные предполагают, что пространство-время может быть «плоским», а не искривленным. Таким образом, оно может быть бесконечным. Если это так, то область нашей видимой Вселенной диаметром 93 млрд световых лет является всего лишь одним пятнышком в бесконечно большой мультивселенной. В то же время законы квантовой механики диктуют, что существует конечное число возможных конфигураций частиц в пределах каждого космического участка (10 000 000 000122 различных вариаций). В случае с бесконечным числом космических пятен расположение частиц внутри них вынуждено повторяться бесконечно много раз. Это означает, что существует бесконечно много параллельных вселенных: космические участки, точно такие же, как наши, а также участки, отличающиеся положением всего одной частицы, а еще участки, отличающиеся положением двух частиц, и так далее, вплоть до самых странных Вселенных, в которых даже законы физики другие.
Неравномерность материи и антиматерии
Почему обычной материи оказалось гораздо больше, чем антиматерии? Фото: Unsplash
Обычной материи намного больше, чем ее противоположно заряженного и вращающегося в противоположных направлениях «близнеца» антиматерии. Но почему так? Ответ на этот вопрос поможет объяснить, почему во Вселенной вообще что-то существует. В теории в момент Большого взрыва должно было образоваться равное количество материи и антиматерии. Но если бы это произошло, то случилась бы полная аннигиляция обоих: протоны сошлись бы с антипротонами, электроны с позитронами, нейтроны с антинейтронами и т.д. По какой-то причине во Вселенной осталась лишняя материя, которая не аннигилировала. Из нее образовались звезды, галактики, планеты и даже мы. Как и почему это произошло, общепринятого объяснения нет по сей день.
Какова судьба Вселенной?
Как погибнет наша Вселенная? Фото: Unsplash
Судьба Вселенной сильно зависит от фактора неизвестного значения — Ω, или меры плотности материи и энергии во всем космосе.
Если Ω больше 1, то пространство-время было бы «замкнутым», как поверхность огромной сферы. Если бы не было темной энергии, такая Вселенная в конечном итоге перестала бы расширяться и вместо этого начала бы сжиматься, в конечном итоге схлопываясь сама по себе в событии, получившем название «Большое сжатие». Если Вселенная закрыта, но есть темная энергия, сферическая Вселенная будет расширяться вечно.
В качестве альтернативы, если Ω меньше 1, то геометрия пространства будет «открытой». В этом случае ее окончательная судьба — это Большое замораживание, за которым следует Большой разрыв. Сначала внешнее ускорение Вселенной в итоге через триллионы лет разорвет галактики и звезды на части, оставив всю материю холодной и одинокой. Затем ускорение станет настолько сильным, что пересилит действие сил, удерживающих атомы вместе, и все разорвется на части.
Если Ω равно 1, Вселенная была бы плоской, простирающейся как бесконечная плоскость во всех направлениях. Если бы не было темной энергии, такая плоская Вселенная расширялась бы вечно, но с постоянно замедляющейся скоростью, приближаясь к полной остановке.
Если бы существовала темная энергия, плоская Вселенная в конечном счете подверглась бы безудержному расширению, ведущему к Большому разрыву. Истинное значение Ω является неразрешимой загадкой современной физики.
Что такое гравитация?
Что такое гравитация? Фото: Unsplash
Чем на самом деле является гравитация? Другие силы опосредованы частицами. Электромагнетизм, например, представляет собой обмен фотонами. Слабое ядерное взаимодействие переносится бозонами W и Z, а глюоны переносят сильное ядерное взаимодействие, удерживающее атомные ядра вместе. Но гравитация отличается от них. Большинство физических теорий говорят, что гравитацию должна переносить гипотетическая безмассовая частица, называемая гравитоном.
Проблема в том, что гипотетические гравитоны не обнаружены до сих пор. Ученые вообще сомневаются, что их сможет обнаружить какой-либо детектор частиц. Все потому, что если гравитоны существуют, то крайне редко взаимодействуют с материей. Неясно даже, являются ли они безмассовыми, хотя если они вообще имеют массу, то очень и очень малую — меньше, чем у нейтрино, которые являются одними из самых легких известных частиц во Вселенной.
Поиск гравитонов продолжается, но пока безуспешно. Поэтому загадка гравитации остается необъяснимой.
Напомним, что ранее мы рассказывали о ТОП-5 ложных представлениях науки о космосе.
Только самые интересные новости и факты в нашем Telegram-канале!
Присоединяйтесь: https://t.me/ustmagazine
7 самых больших вопросов физики без ответов
Большие вопросы
Физики разгадали некоторые из самых больших загадок Вселенной. Но они еще не сделаны.
Steven Hunt / Getty Images
Дэн Фальк , он был бы рад увидеть, как далеко продвинулась физика. Вещи, которые несколько столетий назад казались глубоко загадочными, теперь преподаются на уроках физики для первокурсников (хорошим примером является состав звезд).
Ньютон был бы ошеломлен, увидев огромные эксперименты, такие как Большой адронный коллайдер (БАК) в Швейцарии, и, возможно, был бы возмущен, узнав, что его теория гравитации была заменена теорией, придуманной каким-то парнем по имени Эйнштейн.
Квантовая механика, вероятно, показалась бы ему странной, хотя современные ученые думают так же.
Но как только он наберет скорость, Ньютон, несомненно, будет аплодировать тому, чего достигла современная физика — от открытия природы света в 19века до определения структуры атома в 20 веке до прошлогоднего открытия гравитационных волн. И все же современные физики первыми признают, что у них нет ответов на все вопросы. «Есть основные факты о Вселенной, о которых мы не знаем», — говорит доктор Дэниел Уайтсон, физик из Калифорнийского университета и соавтор новой книги «У нас нет идей: Путеводитель по неизвестной Вселенной».
Далее следует краткий обзор семи крупнейших нерешенных проблем физики. (Если вам интересно, почему в списке нет таких головоломок, как темная материя и темная энергия, то это потому, что они были в нашей предыдущей статье о пяти самых важных вопросах о Вселенной.)
1. Из чего состоит материя?
Мы знаем, что материя состоит из атомов, а атомы состоят из протонов, нейтронов и электронов.
И мы знаем, что протоны и нейтроны состоят из более мелких частиц, известных как кварки. Может ли более глубокое исследование обнаружить еще более фундаментальные частицы? Мы не знаем наверняка.
У нас есть так называемая Стандартная модель физики элементарных частиц, которая очень хорошо объясняет взаимодействие между субатомными частицами. Стандартная модель также использовалась для предсказания существования ранее неизвестных частиц. Последней частицей, которая была обнаружена таким образом, был бозон Хиггса, открытый исследователями LHC в 2012 году9.0003
Но есть загвоздка.
«Стандартная модель не все объясняет», — говорит доктор Дон Линкольн, физик частиц из Национальной ускорительной лаборатории Ферми (Fermilab) недалеко от Чикаго. «Это не объясняет, почему существует бозон Хиггса. Это не объясняет в деталях, почему бозон Хиггса имеет такую массу». На самом деле бозон Хиггса оказался намного менее массивным, чем предполагалось — теория утверждала, что он будет примерно «в квадриллион раз тяжелее, чем есть на самом деле», — говорит Линкольн.
Один из детекторов частиц в Большом адронном коллайдере ЦЕРН. Rex Features via AP
На этом загадки не заканчиваются. Известно, что атомы электрически нейтральны — положительный заряд протонов уравновешивается отрицательным зарядом электронов — но почему это так, Линкольн говорит: «Никто не знает».
2. Почему гравитация такая странная?
Нет силы более привычной, чем гравитация — в конце концов, именно она удерживает наши ноги на земле. А общая теория относительности Эйнштейна дает математическую формулировку гравитации, описывая ее как «искривление» пространства. Но гравитация в триллион триллионов триллионов раз слабее трех других известных взаимодействий (электромагнетизма и двух видов ядерных сил, действующих на крошечных расстояниях).
Одна возможность — на данный момент спекулятивная — заключается в том, что в дополнение к трем измерениям пространства, которые мы замечаем каждый день, существуют скрытые дополнительные измерения, возможно, «свернутые» таким образом, что их невозможно обнаружить.
Если эти дополнительные измерения существуют — и если гравитация способна «просачиваться» в них — это может объяснить, почему гравитация кажется нам такой слабой.
«Возможно, гравитация так же сильна, как и эти другие силы, но она быстро разбавляется, выплескиваясь в другие невидимые измерения», — говорит Уайтсон. Некоторые физики надеялись, что эксперименты на БАК дадут намек на эти дополнительные измерения, но пока безрезультатно.
3. Почему кажется, что время течет только в одном направлении?
Со времен Эйнштейна физики рассматривали пространство и время как образующие четырехмерную структуру, известную как «пространство-время». Но пространство отличается от времени в некоторых очень фундаментальных аспектах. В космосе мы вольны двигаться как хотим. Когда дело доходит до времени, мы застряли. Мы взрослеем, а не моложе. И мы помним прошлое, но не будущее. Время, в отличие от пространства, кажется, имеет предпочтительное направление — физики называют его «стрелой времени».
Некоторые физики подозревают, что второй закон термодинамики дает ключ к разгадке. В нем говорится, что энтропия физической системы (грубо говоря, степень беспорядка) со временем увеличивается, и физики считают, что это увеличение определяет направление времени. (Например, разбитая чашка имеет большую энтропию, чем целая, и, конечно же, разбитые чашки всегда возникают после целых, а не раньше.)
Энтропия может расти сейчас, потому что раньше она была ниже, но почему это низко для начала? Была ли энтропия Вселенной необычно низкой 14 миллиардов лет назад, когда она возникла в результате Большого взрыва?
Для некоторых физиков, включая Шона Кэрролла из Калифорнийского технологического института, это недостающая часть головоломки. «Если вы можете сказать мне, почему в ранней Вселенной была низкая энтропия, тогда я смогу объяснить все остальное», — говорит он. По мнению Уайтсона, энтропия — это еще не все. «Для меня, — говорит он, — самая глубокая часть вопроса заключается в том, почему время так отличается от пространства?» (Недавние компьютерные симуляции, кажется, показывают, как асимметрия времени может возникать из фундаментальных законов физики, но работа вызывает споры, а окончательная природа времени продолжает вызывать страстные споры.
)
4. Куда делась вся антиматерия?
Антиматерия может быть более известна в художественной литературе, чем в реальной жизни. В оригинальном «Звездном пути» антивещество вступает в реакцию с обычным веществом, приводя в действие варп-двигатель, который приводит в движение США. Предприятие на сверхсветовых скоростях. В то время как варп-двигатель — чистая выдумка, антиматерия вполне реальна. Мы знаем, что для каждой частицы обычного вещества может быть идентичная частица с противоположным электрическим зарядом. Например, антипротон похож на протон, но с отрицательным зарядом. Между тем античастица, соответствующая отрицательно заряженному электрону, — это положительно заряженный позитрон.
Физики создали антивещество в лаборатории. Но когда они это делают, они создают равное количество материи. Это говорит о том, что Большой взрыв должен был создать материю и антиматерию в равных количествах. Однако почти все, что мы видим вокруг себя, от земли под нашими ногами до самых отдаленных галактик, состоит из обычного вещества.
Что происходит? Почему материи больше, чем антиматерии? Наше лучшее предположение состоит в том, что Большой взрыв каким-то образом произвел чуть больше материи, чем антиматерии. «То, что должно было произойти в начале истории Вселенной — в самые моменты после Большого взрыва — это то, что на каждые 10 миллиардов частиц антиматерии приходилось 10 миллиардов и одна частица материи», — говорит Линкольн. «И материя и антиматерия уничтожили 10 миллиардов, оставив один. И этот маленький «один» — это масса, из которой мы состоим».
Но почему в первую очередь небольшой избыток материи над антиматерией? «Мы действительно этого не понимаем, — говорит Линкольн. «Это странно». Если бы начальные количества материи и антиматерии были равны, они бы полностью уничтожили друг друга в результате выброса энергии. В этом случае, говорит Линкольн, «нас бы не существовало».
Национальная ускорительная лаборатория Ферми в Батавии, Иллинойс. М. Spencer Green / AP file
Некоторые ответы могут прийти, когда Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) начнет собирать данные в 2026 году.
DUNE будет анализировать пучок нейтрино — крошечных, беззарядных и почти безмассовых частиц — запущенных из Фермилаборатории в подземный исследовательский центр Сэнфорда. в Южной Дакоте, примерно в 800 милях отсюда. Луч будет включать в себя нейтрино и антинейтрино с целью увидеть, ведут ли они себя одинаково, что потенциально может дать ключ к разгадке природной асимметрии материи и антиматерии.
5. Что происходит в серой зоне между твердым телом и жидкостью?
Твердые и жидкие вещества хорошо изучены. Но некоторые материалы ведут себя и как жидкость, и как твердое тело, поэтому их поведение трудно предсказать. Песок является одним из примеров. Песчинка тверда, как камень, но миллион песчинок может пройти через воронку почти как вода. Точно так же может вести себя и автомобильный транспорт, свободно движущийся до тех пор, пока он не заблокируется в каком-нибудь узком месте.
Песчинка тверда, как камень, но миллион песчинок может течь через воронку почти как вода. Владислав Данилин / Getty Images
Таким образом, лучшее понимание этой «серой зоны» может иметь важное практическое применение.
«Люди спрашивали, при каких условиях вся система заклинивает или забивается?» — говорит доктор Керстин Нордстром, физик из колледжа Маунт-Холиок. «Каковы важные параметры, чтобы избежать засорения?» Как ни странно, препятствие в потоке транспорта может при определенных условиях фактически уменьшить пробки. «Это очень нелогично, — говорит она.
6. Можем ли мы найти единую теорию физики?
Теперь у нас есть две всеобъемлющие теории, объясняющие почти каждое физическое явление: теория гравитации Эйнштейна (общая теория относительности) и квантовая механика. Первый хорошо объясняет движение всего, от мячей для гольфа до галактик. Квантовая механика в равной степени впечатляет и в своей области — в области атомов и субатомных частиц.
Проблема в том, что две теории описывают наш мир совершенно по-разному. В квантовой механике события разворачиваются на фиксированном фоне пространства-времени, тогда как в общей теории относительности само пространство-время гибко.
Как будет выглядеть квантовая теория искривленного пространства-времени? Мы не знаем, говорит Кэрролл. «Мы даже не знаем, что мы пытаемся квантовать».
Это не остановило людей от попыток. Уже несколько десятилетий теория струн, которая изображает материю как состоящую из крошечных вибрирующих струн или энергетических петель, рекламировалась как лучший способ создать единую теорию физики. Но некоторые физики предпочитают петлевую квантовую гравитацию, в которой само пространство представляется состоящим из крошечных петель.
Каждый из подходов имел определенный успех — методы, разработанные, в частности, специалистами по теории струн, оказались полезными для решения некоторых сложных физических задач. Но ни теория струн, ни петлевая квантовая гравитация не были проверены экспериментально. Пока долгожданная «теория всего» продолжает ускользать от нас.
7. Как возникла жизнь из неживой материи?
Первые полмиллиарда лет Земля была безжизненной. Затем жизнь вошла в свои права, и с тех пор она процветает.
Но как возникла жизнь? Ученые считают, что до начала биологической эволюции существовала химическая эволюция, когда простые неорганические молекулы реагировали с образованием сложных органических молекул, скорее всего, в океанах. Но что в первую очередь запустило этот процесс?
Физик из Массачусетского технологического института доктор Джереми Ингланд недавно выдвинул теорию, которая пытается объяснить происхождение жизни с точки зрения фундаментальных принципов физики. С этой точки зрения жизнь является неизбежным результатом роста энтропии. Если теория верна, появление жизни «должно быть таким же неудивительным, как камни, катящиеся вниз по склону», — сказал Ингланд журналу Quanta в 2014 году9.0003
Идея весьма гипотетическая. Однако недавние компьютерные симуляции могут его поддержать. Моделирование показывает, что обычные химические реакции (типа тех, которые были обычным явлением на только что образовавшейся Земле) могут привести к созданию высокоструктурированных соединений — по-видимому, важной ступенькой на пути к живым организмам.
Как только жизнь пустила корни на нашей планете, примерно четыре миллиарда лет назад, она распространилась повсюду. Но то, как жизнь развилась из неживой материи, остается загадкой. Марк Боулер / Nature Picture Library / Getty Images
Что делает жизнь такой трудной для изучения физиками? Все живое «далеко от равновесия», как сказал бы физик. В системе, находящейся в равновесии, один компонент почти такой же, как и все остальные, без потока энергии внутрь или наружу. (Примером может служить камень; другим примером может служить ящик, наполненный газом.) В жизни все наоборот. Например, растение поглощает солнечный свет и использует его энергию для образования сложных молекул сахара, излучая при этом тепло обратно в окружающую среду.
Понимание этих сложных систем — «великая нерешенная проблема в физике», — говорит Стивен Моррис, физик из Университета Торонто. «Как нам быть с этими далекими от равновесия системами, которые самоорганизуются в удивительные, сложные вещи, такие как жизнь?»
ПОДПИСЫВАЙТЕСЬ НА NBC MACH НА TWITTER, FACEBOOK И INSTAGRAM.
Дэн Фальк
Дэн Фальк — научный журналист из Торонто. Среди его книг «Наука Шекспира» и «В поисках времени».
Пять загадок, которые (должны) не давать физикам спать по ночам
Редактор журнала Scientific American Клара Московитц (Clara Moskowitz) опубликовала хороший пост, в котором демонстрирует некоторые важные вопросы, заданные участниками недавней конференции по физике элементарных частиц. Это те вопросы, которые заставляют ученых волноваться и не дают покоя в институтах и лабораториях по всему миру. Какими бы актуальными ни были вопросы, все они касались физики элементарных частиц. Здесь я хочу отметить еще пять важных вопросов, которые (должны) не давать физикам спать по ночам. Некоторые из вопросов касаются приземленных, но важных вопросов финансирования науки, другие лежат на стыке физики и других наук, а третьи касаются самой природы реальности. Это не единственные вопросы, о которых я могу думать, но они, безусловно, одни из моих любимых.
1. Поймем ли мы когда-нибудь квантовую механику?
Ричард Фейнман однажды заметил: «Я могу с уверенностью сказать, что никто не понимает квантовую механику». Ситуация принципиально не изменилась со времен Фейнмана, но вопрос стал еще более актуальным. Это потому, что ни одна другая научная теория не представляет такой огромный разрыв между успешным предсказанием и глубоким пониманием, как квантовая механика. Начиная с 1970-х годов, некоторые из самых причудливых следствий квантовой теории — особенно «жуткий» (по словам Эйнштейна) феномен запутанности — были подтверждены точными экспериментами. В прошлом году Нобелевская премия была присуждена частично за использование этих странных свойств для улавливания ионов и атомов.
И все же мы понятия не имеем, как любой из фундаментальных фактов квантовой механики, включая корпускулярно-волновой дуализм, запутанность, квантовое туннелирование или эксперимент с двумя щелями — эта обезоруживающе простая установка, которая, по словам Фейнмана, содержит «единственную тайну квантовая механика» — действительно работают.
Квантовый мир продолжает оставаться волшебной страной, которая бросает вызов здравому смыслу и где может случиться что угодно. На протяжении десятилетий большинство физиков использовали квантовую механику , но никто убедительно не показал нам, откуда она взялась. Эйнштейн, возможно, пошел против сути эксперимента, но он был прав, чувствуя явное беспокойство по поводу реальности, которую заключает в себе странная квантовая вселенная. Расскажите притчу о коте Шредингера, и вас встретят смехом и ухмылками, но смех не может стереть глубокую боль физиков, чувство, что их самая успешная теория природы на самом глубоком уровне — туманный шар тумана.
С тех пор как эта теория была впервые разработана, появились десятки альтернативных интерпретаций того, что все это значит, от классической копенгагенской интерпретации до простой, но умопомрачительной многомировой интерпретации Хью Эверетта. И все же мы не приблизились к выявлению победителя среди этих смелых предположений. Возможно, наш единственный недостаток заключается в том, что мы пытаемся использовать обычный здравый смысл, чтобы понять то, что по своей сути представляет собой потустороннюю вселенную, которая не поддается нашему слабому уму.
Возможно, нам следует продолжать «заткнуться и считать», пожинать огромное согласие с экспериментом, которое дает нам теория, и просто перестать беспокоиться о том, что все это значит. Что мы знаем точно, так это то, что физики и философы будут продолжать искать истинную реальность, лежащую в основе квантовой механики, независимо от того, существует она или нет.
2. Сможем ли мы когда-нибудь обнаружить одиночные гравитоны?
Гравитоны — гипотетические элементарные частицы, передающие силу гравитации в рамках квантовой теории поля. Их существование необходимо для создания сплава между квантовой механикой и общей теорией относительности Эйнштейна, поиска, который продолжается уже пятьдесят лет. Этот поиск породил множество уравнений и элегантных экспериментов без окончательного ответа (стоит отметить, что поиск отдельных гравитонов отличается от поиска гравитационных волн, чисто классического занятия). LIGO и LISA — лишь два наиболее амбициозных проекта, направленных на достижение этой цели.
До сих пор ни одна из этих экспериментальных установок не могла обнаруживать гравитационные волны, но с отдельными гравитонами дело может обстоять совсем иначе.
За последние несколько лет Фримен Дайсон, Тони Ротман и Стивен Боу среди прочих написали статьи, демонстрирующие невозможность обнаружения одиночных гравитонов, если принимать во внимание что-то, напоминающее реалистическую физику. Они проанализировали существующие подходы и пришли к выводу, что масштаб экспериментального оборудования в этих подходах должен приближаться к абсурдно нереальным пределам, если они хотят успешно обнаруживать гравитоны. Таким образом, гравитация может оставаться статистическим свойством объема, подобно температуре или давлению, несводимым к свойствам отдельных частиц. Если это действительно так, то между квантовым и классическим мирами всегда может быть воздвигнут «железный занавес» невежества. Это сводящая с ума возможность, и она, безусловно, должна держать в сознании любого физика, имеющего даже скромное стремление объединить известные силы природы.
3. Поймем ли мы когда-нибудь эмерджентность?
В 1972 году нобелевский лауреат и гениальный «скряга» физики Филип Андерсон зажег петарду и бросил ее в подвал храма редукционистской физики. В статье Science под названием «Больше — это другое» Андерсон подчеркнул, что разница между пониманием поведения отдельных частиц — в чем физика очень преуспела — и наборами частиц отличается не только количественно, но и качественно. В своей статье Андерсон обращался к универсальному феномену эмерджентности — термину, который часто широко используется, но который вполне реален. Проще говоря, эмерджентность относится к тому факту, что поведение групп сущностей нельзя предсказать только по поведению отдельных сущностей.
Эмерджентные явления окружают наш мир, от свойств металлов до гнезд термитов, стай скворцов и мировой экономики. В каком-то смысле вся химия, биология и социология представляют собой иерархическую группировку эмерджентного поведения.
Физика не смогла объяснить этот центральный и глубокий механизм в работе природного мира. На самом деле, как заметил Андерсон, физика не может объяснить эмерджентность даже в своей узкой области, например в области сверхпроводимости. Восемьдесят лет назад Поль Дирак заметил, что законы физики в том виде, в каком они тогда понимались, могут объяснить «большую часть физики и всю химию». И все же мы не понимаем, как совершить логический скачок от поведения кварка к поведению нити ДНК, состоящей из множества кварков. Понимание эмерджентного поведения может быть самой важной целью для физиков, если они хотят понять, как физика связана с другими науками и с человеческим миром. Без понимания эмерджентности физика останется узко понимаемой и прикладной наукой, бесполезной для других практиков.
4. Как сохранить физику элементарных частиц?
Это вопрос столь же социальный, сколь и научный, и тем не менее он должен не давать покоя физикам элементарных частиц. В прошлом году в New York Review of Books Стивен Вайнберг отметил, что самым большим открытием на БАК может быть не бозон Хиггса, а нечто неожиданное, что-то, что действительно перевернет наши знания о Вселенной, закрепленные в Стандартной модели.
Чтобы сделать это открытие, нам, вероятно, потребуется перейти к еще более высоким энергиям, что, в свою очередь, повлечет за собой еще более крупные коллайдеры частиц, которые, вероятно, будут стоить десятки миллиардов долларов. Что еще хуже, может оказаться невозможным проводить подобные физические эксперименты с использованием дешевого оборудования и небольших групп.
Перед лицом экономического спада, политического тупика и широкой общественной приверженности псевдонауке физикам элементарных частиц будет чрезвычайно тяжело рассчитывать на поддержку следующих многомиллиардных физических экспериментов. Долгая история неудачных проектов, таких как SSC, и даже успешных, таких как космический телескоп Хаббла, демонстрирует тщательное построение коалиций, благоприятные экономические силы и политическую мудрость, которые должны объединиться, чтобы провести большой физический эксперимент на всем пути к успеху. Когда все кончено, все выглядит обтекаемым и свободным от препятствий, но дело в том, что одна-единственная статья, пониженная в бюджете Конгресса, может убить такие мечты.
Отсутствие поддержки проектов Большой физики в физике элементарных частиц и невозможность практиковать их ремесло в меньшем масштабе может означать, что целое поколение физиков элементарных частиц не в состоянии исследовать самые большие загадки своей области. Это мысль, которая действительно должна очень беспокоить практикующих в этой области.
5. Поможет ли нам физика понять природу сознания?
Этот вопрос несколько связан с вопросом 3 выше, но его глубокое значение делает его достойным отдельного обсуждения. Помимо понимания таких вещей, как происхождение Вселенной, понимание происхождения самого сознания, которое позволяет нам понять происхождение Вселенной, по праву считается самым важным вопросом в науке. Мы, безусловно, далеки от того, чтобы даже попытаться ответить на него, но нейробиология — молодая и динамичная дисциплина, полная захватывающих возможностей. Вопрос физики о мозге, на который мы хотим ответить, звучит так: существуют ли более или менее прямые доказательства того, что принципы квантовой механики действуют в работе мозга на множестве уровней, от нейронов до поведения.
В каком-то смысле этот вопрос спрашивает, что именно связывает микромир с макромиром, линия исследования, восходящая к истокам науки.
По крайней мере, несколько ученых попытались внести ясность в этот вопрос. Несколько лет назад Роджер Пенроуз и Стюарт Хаммероф предположили, что переключение белковых сборок, называемых микротрубочками, в мозге можно рассматривать как прямой пример запутанной суперпозиции элементарных частиц. Однако этому провокационному тезису был нанесен серьезный удар работой Макса Тегмарка, который продемонстрировал, что при обычных температурах любой вид запутанности частиц в мозгу будет подвергаться очень быстрой декогеренции, своего рода усреднению, которое по существу разорвет наблюдаемые биохимические свойства запутанных состояний. связь. Но вопрос кажется далеко не решенным; другая работа продемонстрировала связь между суперпозицией и такими важными явлениями, как фотосинтез и перенос электронов в белках. Возможно, однажды мы сможем объяснить, как формируется память на молекулярном уровне из-за запутанности.
Или, возможно, объяснение сознания будет невозможно по своей сути, как, кажется, думают некоторые физики, такие как Эдвард Виттен. В любом случае, нет никаких сомнений в том, что рассмотрение связи между физикой и сознанием является одной из главных загадок, о которых физики будут продолжать мечтать.
Выраженные взгляды принадлежат автору (авторам) и не обязательно совпадают с мнением Scientific American.
ОБ АВТОРАХ
Ашутош Джогалекар — химик, интересующийся историей, философией и социологией науки. Его увлекает логика научных открытий и взаимодействие науки с общественными настроениями и политикой. Он ведет блог в The Curious Wavefunction, с ним можно связаться по адресу любопытно[email protected]. Подпишитесь на Ашутоша Джогалекара в Твиттере
5 Необъяснимые тайны Вселенной
Некоторые вопросы о Вселенной могут быстро уйти от физики в область философии. Что было до Большого Взрыва? Почему есть нечто, а не ничто?
К счастью, некоторые из самых больших оставшихся без ответа вопросов в физике могут быть довольно аккуратно связаны как явления, не объясняемые Стандартной моделью физики элементарных частиц.
По сути, Стандартная модель — это наилучшая на сегодняшний день теория, объясняющая самые основные строительные блоки Вселенной. Он объясняет, что вся материя состоит из мельчайших частиц, называемых кварками и лептонами, и то, как другие частицы несут силу.
Но Стандартная модель не все объясняет. Она не объясняет ни гравитацию, ни явления темной материи или темной энергии.
Ниже приведены некоторые из самых выдающихся и до сих пор неразгаданных тайн Вселенной, которые Стандартная модель не объяснила.
Где вся антиматерия?
В начале известной вселенной произошел Большой взрыв, событие около 13,8 миллиардов лет назад, в результате которого, как считается, возникла вся известная материя.
Ученые считают, что Большой взрыв должен был произвести равное количество материи и антиматерии.
Частица антиматерии имеет ту же массу, что и ее аналог из обычной материи, за исключением того, что ее электрический заряд и некоторые другие качества противоположны.
Они производятся как пара, и при столкновении превращаются в чистую энергию и уничтожаются.
Но сегодня, куда бы ни посмотрели ученые, они видят вселенную, почти полностью заполненную обычным веществом. До сих пор нет адекватной теории, объясняющей, куда делась вся антиматерия, но эксперименты показали, что законы физики не в равной степени применимы к материи и антиматерии, по данным Европейской организации ядерных исследований (ЦЕРН). Физики до сих пор хотят выяснить, почему.
Что такое темная энергия?
В 90-х годах физики думали, что Вселенная со временем сделает одно из двух: во-первых, она в конечном итоге разрушится из-за того, что в ней так много вещества; Во-вторых, он будет продолжать расширяться, но его плотность со временем заставит его замедлиться.
Вот почему они были озадачены, когда наблюдения далеких сверхновых показали, что Вселенная не только продолжает расширяться, но и ускоряется.
Причина этого ускорения до сих пор неизвестна.
«Темная энергия» на самом деле просто условное обозначение какой бы то ни было причины.
Когда-то ученые пытались рассчитать, что темная энергия возникает из-за того, что частицы появляются и исчезают, но они пришли к такому большому числу, что в нем было 120 нулей, и, как заявляет НАСА: «Трудно получить такой плохой ответ. »
Некоторые теории Эйнштейна утверждают, что возможно появление большего пространства, и что это пространство не пусто, а на самом деле несет энергию, известную как космологическая постоянная. Но неясно, почему это вообще должно быть там, не говоря уже о том, почему у него есть такая сила. Другие считают, что необходима совершенно новая теория гравитации, но как такая теория могла бы объяснить эту недостающую часть, а также точно объяснить, например, как движутся планеты Солнечной системы? Тайна продолжается.
Изображение галактики NGC 1275, сделанное телескопом Хаббл в 2006 году. Похоже, Вселенная расширяется с возрастающей скоростью, и ученые назвали причину темной энергией.
НАСА/ЕКА/Гетти
Что такое темная материя?
Еще есть двойник темной энергии, темная материя. Темная материя необходима, чтобы объяснить, почему звезды вращаются вокруг своих галактик быстрее, чем должны, и почему свет искривляется гравитацией невидимых объектов.
НАСА заявляет, что лучше думать о темной материи с точки зрения того, чем она не является: мы знаем, что не видим ее напрямую, поэтому звезды и планеты исключены; это не темная нормальная материя, потому что мы могли бы видеть, как эти облака поглощают излучение; это не антиматерия, потому что мы бы зарегистрировали гамма-лучи, когда эта антиматерия сталкивается с обычной материей; и это не большие черные дыры, судя по тому, сколько гравитационных линз мы видим.
Преобладающая теория состоит в том, что темная материя состоит из некоторых гипотетических экзотических частиц.
Ученые считают, что вместе темная энергия и темная материя составляют около 95 процентов известной Вселенной. Всего 5 процентов — это все, что мы можем наблюдать непосредственно.
Майк Бойлан-Колчин, доцент кафедры астрономии Техасского университета в Остине, сказал Newsweek : «Ограничивающим фактором в исследовании темной материи является то, что единственный подтвержденный способ ее взаимодействия с остальной частью Вселенной — это через гравитацию, а гравитация действительно слаба в масштабах, где мы можем проводить прямые эксперименты.0003
«У нас есть несколько вариантов. Мы можем надеяться, что нам повезет в «прямом обнаружении» темной материи с помощью экспериментов на Земле, но они, как правило, направлены на поиск очень конкретных частиц-кандидатов, которые имеют определенные взаимодействия с обычной материей. Эти эксперименты чрезвычайно чувствительны и впечатляющи, но нет никакой гарантии, что любой из них сможет обнаружить темную материю, поскольку мы не знаем, что это такое!»
Какова масса нейтрино?
Всего пару десятилетий назад ученые думали, что нейтрино — крошечные частицы, которые повсюду, но их очень трудно обнаружить, поскольку они почти ни с чем не взаимодействуют — не имеют массы.
Позднее физики обнаружили, что на самом деле они должны иметь массу, поскольку со временем они превращаются в различные типы нейтрино, и они могли бы сделать это только в том случае, если бы была задействована масса, согласно веб-сайту All Things Neutrino Национальной ускорительной лаборатории Ферми.
Затем немецкие ученые установили, что существует верхний предел массы нейтрино — немногим более одного электронвольта, что примерно в 500 000 раз меньше массы электрона.
Но мы до сих пор точно не знаем, сколько они весят. Об этом сообщил Брайс Литтлджон, исследователь нейтрино из Иллинойского технологического института.0111 Newsweek : «Мы даже не знаем, сколько они весят. Это довольно базовая информация, которую мы знаем обо всех других частицах Стандартной модели — даже о бозоне Хиггса, который был впервые измерен всего несколько лет назад!
«Мы знаем, что у них есть масса, так как мы смогли измерить поведение нейтрино по изменению аромата, которое определяется разницей в массах нейтрино, но мы не знаем абсолютную шкалу этих масс».