8 najvećih misterija fizike koje još uvijek nisu riješene

1. Zašto vrijeme teče samo naprijed

U fizici postoji koncept "strelice (ili osi) vremena". Opisuje protok vremena iz prošlosti u budućnost. I ima mnogo dokaza da vrijeme ide u prilog određenom smjeru.

Prema drugom zakonu termodinamike, u izoliranom sustavu, entropija (mjera nereda) će se povećavati tijekom vremena. Ovaj sredstvada se procesi u prirodi obično odvijaju u smjeru gdje se energija ravnomjernije raspoređuje i sustav postaje neuređeniji.

Na primjer, kada razbijemo jaje, ono se ne obnavlja samo od sebe. Ne možete vratiti vrijeme i učiniti stvari onakvima kakve su bile. Entropija je nemilosrdna.

Osim toga, prema općoj teoriji relativnosti, tijekom vremena Svemir širi se. Promatranja pokazuju da je u prošlosti prošao kroz stanje visoke gustoće i niske entropije (ovaj događaj nazivamo "Veliki prasak") i kreće se prema budućem stanju visoke entropije.

Općenito, lako je vidjeti da je vrijeme nepovratno i da se uvijek kreće u jednom smjeru. I znanstvenici nikada neće shvatiti zašto je to tako. A je li moguće da vrijeme teče i unatrag?

2. Što je tamna energija

Svemir se širi. Ona to radi kao balon, samo brže od brzine svjetlosti.

Devedesetih godina prošlog stoljeća astronomi otkrioda se širenje svemira s vremenom samo ubrzava, a ne usporava pod utjecajem gravitacije, kako bi trebalo biti u teoriji. Ovo opažanje dovelo je do sugestije da postoji neki oblik energije koji se suprotstavlja gravitaciji i pridonosi ubrzanom širenju svemira.

Tamna energija vjerojatno ispunjava cjelokupnu prostorno-vremensku strukturu Svemira i glavna je komponenta njegovog energetskog sadržaja. Ali ne može se izravno promatrati ili mjeriti.

74% našeg Svemira je tamna energija, 22% je tamna materija, 3,6% je intergalaktički plin, a još 0,4% su banalne, nezanimljive zvijezde, planeti i ostale sitnice.

Nije jasno zašto je poravnanje ovakvo.

Sama priroda tamne energije također je ostaci misterij znanosti. Ima raznih teorijekoji pokušavaju objasniti njegovo podrijetlo, uključujući koncepte kvantnog vakuuma i kozmološke konstante.

U međuvremenu, tamna energija je od velike važnosti za razumijevanje temeljnih svojstava svemira i njegove buduće sudbine. O tome ovisi hoće li se širenje Svemira nastaviti unedogled, usporiti ili čak preokrenuti u budućnosti.

3. Što je tamna tvar

Tama je hipotetski oblik materije koji ne stupa u interakciju s elektromagnetskim zračenjem i stoga ne emitira, apsorbira ili reflektira svjetlost. Ne može se otkriti našim običnim instrumentima i instrumentima, pa se zato tako i zove.

Ali ima ih mnogo dokaz postojanje tamne tvari u svemiru. Temelje se na gravitacijskom utjecaju koji ima na vidljive objekte.

Tamna tvar, iako nevidljiva, utječe na kretanje zvijezda, galaksija i klastera galaksija.

Astronomska istraživanja pokazatida se ti objekti kreću kao da su pod utjecajem dodatne mase, a to se ne može objasniti količinom materije koju promatramo. Stoga tamna tvar drži galaksije i druge divovske strukture zajedno pod utjecajem svoje gravitacijske sile.

Općenito, fizičari neće shvatiti što je tamna tvar, od kojih se čestica sastoji, koja su joj svojstva i postoji li uopće. Možda opaženo ponašanje zvijezda i galaksija nije povezano ni s kakvom materijom i to su samo neobičnosti gravitacije. Znanost to još nije otkrila.

4. Zašto su temeljne konstante takve kakve jesu?

Fundamentalne konstante su numeričke vrijednosti koje karakteriziraju fizička svojstva i interakcije u svemiru. Oni su osnovni i ne ovise o određenim sustavima jedinica.

Konstante određuju osnovna svojstva i zakone prirode, utječu na strukturu i razvoj svemira u cjelini. Svi ovi brojevi oko 25. Među njima:

• Brzina svjetlosti u vakuumu (c) – određuje maksimalnu brzinu kojom se informacije ili interakcije mogu širiti u svemiru.
• Planckova konstanta (h), ili kvant djelovanja, - određuje odnos između energije i frekvencije čestica i valova, provodeći granica između makrokozmosa, gdje vrijede zakoni Newtonove mehanike, i mikrokozmosa, gdje stupaju na snagu zakoni kvantne mehanike. mehanika.
• Gravitacijska konstanta (G) – određuje snagu gravitacijske interakcije između masa i utječe na strukturu i kretanje objekata u svemiru.
• Masa elektrona (mₑ).
• Elementarni naboj (e).
• Kozmološka konstanta (Λ), koja se također naziva i fundamentalna.

I znanstvenici ne mogu shvatiti zašto svi ovi brojevi imaju upravo onakva značenja koja imaju, a ne neka druga.

Možda možemo promatrati samo značenja koja su kompatibilna s našim postojanjem, jer život mogao nastati samo u takvom svemiru. To se zove antropičko načelo.

Na primjer, konstanta fine strukture, koja se obično označava slovom "alfa", definira snaga magnetskih interakcija. Njegova brojčana vrijednost je približno 0,007297. Da su brojevi drugačiji, možda ne bi bilo stabilne materije u našem svemiru.

I dalje se fizičari pitaju kako bi se promijenio svemir s drugim fizičkim parametrima. postojati hipoteze, prema kojem su vrijednosti temeljnih konstanti slučajne i određene fluktuacijama u ranom svemiru - samo neki skup brojeva. Ova pretpostavka implicira da postoji mnogo svemira s različitim vrijednostima konstanti. A baš smo sretni što smo u onom gdje su te vrijednosti najpogodnije za razvoj života.

5. Što se događa u crnim rupama

Crne rupe To su područja svemira s nevjerojatno jakom gravitacijom. Iza crne rupe, takozvanog horizonta događaja, gravitacijska sila je toliko jaka da nikakva materija, čak ni svjetlost, ne može pobjeći.

U samom središtu crne rupe, vjeruju fizičari, postoji singularitet - točka beskonačne gustoće i beskonačno jakog gravitacijskog polja. Ali što je to, kako bi moglo izgledati i kako točno funkcionira, nijedna teorija ne može objasniti.

Neki znanstvenici čak predložitida singularitet ne mora biti točka, već može imati različite oblike – to vrijedi za rotirajuće crne rupe. Takozvana Kerrova crna rupa, hipotetski objekt koji je opisao matematičar i astrofizičar Roy Kerr, ima prstenastu singularnost. Čak će biti moguće letjeti kroz takvu rupu i preživjeti. U teoriji.

Ali za točan opis fizičkih procesa unutar singularnosti potrebna je jedinstvena teorija gravitacija i kvantna mehanika, koja još nije razvijena.

6. Zašto u svemiru ima tako malo antimaterije?

U običnoj tvari, elementarne čestice, poput elektrona i protona, imaju negativan, odnosno pozitivan naboj. U antimateriji ti su naboji obrnuti: antielektroni (koji se nazivaju i pozitroni) su pozitivno nabijeni, dok su antiprotoni negativno nabijeni.

antimaterija ima ista fizikalna svojstva kao obična, uključujući masu, spin i druge karakteristike čestica. Ali kada se antičestica sretne s odgovarajućom običnom, one se mogu poništiti jedna drugu, pretvarajući se u čistu energiju.

Litra nekakvog antivodika u dodiru sa zrakom mirisat će na atomsku bombu.

Kako je dobro da maksimalnu količinu antihidrogena koju su uspjeli sintetizirati znanstvenici odjednom - 309 atoma.

Astronomska promatranja pokazatida svemir pa čak i najudaljeniji zvijezde a galaksije su građene od materije, a u njoj ima vrlo malo antimaterije. Ova razlika između broja bariona (čestica sastavljenih od tri kvarka) i antibariona (antičestica sastavljenih od tri antikvarka) u našem svemiru naziva se barionska asimetrija.

Kad bi svemir bio potpuno simetričan, tada bi broj bariona i antibariona morao biti jednak, pa bismo promatrali čitave galaksije antimaterije. Međutim, u stvarnosti je sve napravljeno od bariona, a antibarione u akceleratorima čestica treba sintetizirati ne samo žličicom, već atomom. Stoga je antimaterija najviše skupa stvar u svijetu.

Prema standardnom modelu elementarnih čestica, neposredno nakon Velikog praska u svemiru je trebao postojati jednak broj kvarkova i antikvarkova. Međutim, nešto se dogodilo, što točno nije jasno, ali gotovo svi antibarioni poništen, a od preostalih bariona nastala je materija. To je, zapravo, ono od čega se sastoji svemir. I ti, usput, također. I znanstvenici koji još uvijek ne mogu shvatiti zašto u svemiru ima tako malo antimaterije.

7. Je li vakuum stabilan?

Vakuum je prostor s najnižom mogućom energijom, ali suprotno svom nazivu, nije potpuno prazan. Još uvijek sadrži kvantna polja koja određuju ponašanje elementarnih čestica. Znanstvenici vjerovatida je pravi, ili fizički, vakuum koji poznajemo najstabilnije stanje u svemiru, jer se smatra globalnim minimumom energije.

Međutim, u teoriji postoji mogućnost da je stanje fizičkog vakuuma konfiguracija kvantnih polja, koja je samo lokalni, a ne globalni energetski minimum. Odnosno, vakuum koji možemo promatrati u dubokom svemiru ili stvoriti u laboratoriju je "lažan". Dakle, može postojati "istina".

A ako postoji "pravi" vakuum, u velikoj smo nevolji.

Ako pretpostavimo da je naš Svemir u stanju ne "pravog", već "lažnog" vakuuma, tada postaje moguć proces njegovog raspadanja u stabilnije stanje. Posljedice takvog procesa mogu biti najviše zastrašujući i variraju od suptilnih promjena kozmoloških parametara koji ovise o razlici potencijala između "lažnog" i "pravog" vakuuma, do potpunog prestanka funkcioniranja elementarnih čestica i fundamentalnih snage.

Ako se negdje u svemiru pojavi mjehurić "pravog" vakuuma, to može dovesti do potpunog uništenja barionske materije ili čak do trenutačnog gravitacijskog kolapsa Svemira.

Ukratko, nadajmo se da je naš usisivač najpouzdaniji na svijetu. Što drugo preostaje?

8. Kakav će biti kraj svemira

A budući da govorimo o tako uzbudljivim globalnim temama kao što je gravitacijski kolaps Svemira: fizičari su sastavili popis najzanimljivije stvari koje bi se svemiru mogle dogoditi u budućnosti, ali nikad ne odlučite koji je scenarij najvjerojatniji.

Prema teoriji Velikog praska, svemir nastao prije otprilike 13,8 milijardi godina iz gustog i vrućeg stanja zvanog singularnost, i od tada sve raste i hladi se. Ova teorija dobro objašnjava niz opaženih pojava, kao što su kozmičko pozadinsko zračenje i širenje Svemir. Ali što će se sljedeće dogoditi? Odaberite što vam se najviše sviđa:

• toplinska smrt. U okviru ovog koncepta trebalada će s vremenom svemir postajati sve hladniji i jednoličniji. Energija u njemu bit će iscrpljena, svi procesi, poput nastanka zvijezda i toplinskog gibanja, usporit će se i zaustaviti. To će dovesti do stanja maksimalne entropije, kada će sve čestice biti u stanju ravnoteže i nikakvi daljnji događaji u Svemiru neće biti mogući.
• velika praznina. Svemir nastavit će se proširiti. To znači da će se galaksije i drugi svemirski objekti sve više udaljavati jedni od drugih. Ako se ništa ne promijeni, u dalekoj budućnosti gravitacijske sile više neće biti dovoljno jake da se odupru pritisku tamne energije. To će dovesti do činjenice da će na svim razinama strukture unutar Svemira, uključujući galaksije, zvijezde i atome, postojati sila koja premašuje njihovu vlastitu silu privlačenja. Kao rezultat toga, svi objekti će se postupno razbiti u zasebne čestice.
• Veliki stisak. Prema ovom scenariju, širenje svemira uzrokovano Velikim praskom, uspori i na kraju preokrene. Gravitacijska sila između galaksija, zvijezda i planeta postat će dominantna sila. Udaljenost između njih nastavit će se smanjivati ​​sve dok se Svemir ne uruši natrag u singularnost, gdje gustoća i temperatura postaju beskonačno visoke. A tu nije daleko ni novi Big Bang.

Ali kakva sudbina čeka prostor, još je nejasno. Molimo pričekajte još nekoliko tisuća septilijuna godina.