8 cele mai mari mistere ale fizicii care sunt încă nerezolvate

1. De ce timpul curge doar înainte

În fizică, există conceptul de „o săgeată (sau axă) a timpului”. Descrie curgerea timpului din trecut spre viitor. Și există o mulțime de dovezi că timpul favorizează o anumită direcție.

Conform celei de-a doua legi a termodinamicii, într-un sistem izolat, entropia (o măsură a dezordinei) va crește cu timpul. Acest mijloacecă procesele din natură merg de obicei într-o direcție în care energia este distribuită mai uniform și sistemul devine mai dezordonat.

De exemplu, atunci când spargem un ou, acesta nu se regenerează de la sine. Nu poți da timpul înapoi și să faci lucrurile așa cum au fost. Entropia este nemiloasă.

În plus, conform teoriei generale a relativității, de-a lungul timpului, Universul se extinde. Observațiile arată că a trecut printr-o stare de densitate mare și entropie scăzută în trecut (acest eveniment pe care îl numim „Big Bang”) și se îndreaptă către o stare viitoare de entropie ridicată.

În general, este ușor de observat că timpul este ireversibil și se mișcă întotdeauna într-o singură direcție. Și oamenii de știință nu vor înțelege niciodată de ce este așa. Și este posibil ca și timpul să curgă înapoi?

2. Ce este energia întunecată

Universul se extinde. O face exact ca un balon, doar mai rapid decât viteza luminii.

În anii 1990, astronomii descoperitcă expansiunea universului doar crește viteză în timp și nu încetinește sub influența gravitației, așa cum ar trebui să fie în teorie. Această observație a condus la sugestia că există o formă de energie care se opune gravitației și contribuie la expansiunea accelerată a universului.

Energie întunecată probabil umple întreaga structură spațiu-timp a Universului și este componenta principală a conținutului său energetic. Dar nu poate fi observat sau măsurat direct.

74% din Universul nostru este energie întunecată, 22% este materie întunecată, 3,6% este gaz intergalactic și încă 0,4% sunt stele, planete și alte lucruri mici, banale, neinteresante.

De ce alinierea este în acest fel nu este clar.

Însăși natura energiei întunecate este, de asemenea ramane un mister pentru știință. Sunt diverse teoriicare încearcă să-i explice originea, inclusiv conceptele de vid cuantic și constantă cosmologică.

Între timp, energia întunecată este de mare importanță pentru înțelegerea proprietăților fundamentale ale Universului și a soartei sale viitoare. Depinde de aceasta dacă expansiunea Universului va continua la nesfârșit, va încetini sau chiar va inversa în viitor.

3. Ce este materia întunecată

Întuneric este o formă ipotetică de materie care nu interacționează cu radiația electromagnetică și, prin urmare, nu emite, absoarbe sau reflectă lumina. Nu poate fi detectat cu instrumentele și instrumentele noastre obișnuite, motiv pentru care se numește așa.

Dar sunt multe dovezi existența materiei întunecate în univers. Ele se bazează pe influența gravitațională pe care o are asupra obiectelor vizibile.

Materia întunecată, deși invizibilă, afectează mișcarea stelelor, galaxiilor și a clusterelor de galaxii.

Cercetări astronomice spectacolcă aceste obiecte se mișcă ca și cum ar fi fost afectate de o masă suplimentară, iar acest lucru nu poate fi explicat prin cantitatea de materie pe care o observăm. Prin urmare, materia întunecată ține galaxiile și alte structuri gigantice împreună sub influența forței sale gravitaționale.

În general, fizicienii nu vor înțelege ce este materia întunecată, din ce particule constă, care sunt proprietățile ei și dacă există deloc. Poate că comportamentul observat al stelelor și galaxiilor nu are legătură cu nicio materie și sunt doar ciudateniile gravitației. Știința nu și-a dat seama încă.

4. De ce sunt constantele fundamentale așa cum sunt?

Constantele fundamentale sunt valori numerice care caracterizează proprietățile fizice și interacțiunile din univers. Sunt de bază și nu depind de sisteme specifice de unități.

Constantele determină proprietățile și legile de bază ale naturii, influențând structura și dezvoltarea universului în ansamblu. Toate aceste numere pe la 25. Printre ei:

• Viteza luminii în vid (c) – determină viteza maximă cu care informația sau interacțiunile se pot propaga în univers.
• Constanta lui Planck (h), sau cuantumul de acțiune, - determină relația dintre energia și frecvența particulelor și undelor, conducând granița dintre macrocosmos, unde se aplică legile mecanicii newtoniene, și microcosmos, unde intră în vigoare legile mecanicii cuantice. mecanici.
• Constanta gravitațională (G) - determină puterea interacțiunii gravitaționale dintre mase și afectează structura și mișcarea obiectelor din univers.
• Masa unui electron (mₑ).
• Taxa elementara (e).
• Constanta cosmologică (Λ), care este denumită și fundamentală.

Și oamenii de știință nu pot înțelege de ce toate aceste numere au exact semnificațiile pe care le au, și nu altele.

Poate că putem observa doar semnificații care sunt compatibile cu existența noastră, pentru că viaţă ar putea avea originea doar într-un astfel de univers. Acesta se numește principiul antropic.

De exemplu, constanta structurii fine, care este de obicei indicată cu litera „alfa”, defineste puterea interacțiunilor magnetice. Valoarea sa numerică este de aproximativ 0,007297. Dacă numerele ar fi diferite, s-ar putea să nu existe materie stabilă în Universul nostru.

Și totuși, fizicienii se înțeleg cum s-ar schimba Universul cu alți parametri fizici. Exista ipoteze, conform căreia valorile constantelor fundamentale sunt aleatorii și determinate de fluctuațiile din universul timpuriu - doar un set de numere. Această presupunere implică faptul că există multe Universuri cu valori diferite ale constantelor. Și suntem doar norocoși să fim în cel în care aceste valori sunt cel mai potrivite pentru dezvoltarea vieții.

5. Ce se întâmplă în găurile negre

Găuri negre Acestea sunt zone ale spațiului cosmic cu gravitație incredibil de puternică. Dincolo de gaura neagră, așa-numitul orizont al evenimentelor, atracția gravitațională este atât de puternică, încât orice materie, nici măcar lumina, nu poate scăpa.

În chiar centrul unei găuri negre, fizicienii cred că există o singularitate - un punct cu densitate infinită și un câmp gravitațional infinit de puternic. Dar ce este, cum ar putea arăta și cum funcționează exact, nicio teorie nu poate explica.

Chiar și unii oameni de știință sugeracă singularitatea poate să nu fie un punct, dar poate avea forme diferite - acest lucru este valabil pentru găurile negre care se rotesc. Așa-numita gaură neagră Kerr, un obiect ipotetic descris de matematicianul și astrofizicianul Roy Kerr, are o singularitate inelară. Va fi chiar posibil să zburați printr-o astfel de gaură și să supraviețuiți. Teoretic.

Dar pentru a descrie cu acuratețe procesele fizice din interiorul singularității, este nevoie de o teorie unificată gravitatie și mecanica cuantică, care nu a fost încă dezvoltată.

6. De ce există atât de puțină antimaterie în univers?

În materia obișnuită, particulele elementare, cum ar fi electronii și protonii, au sarcini negative și, respectiv, pozitive. În antimaterie, aceste sarcini sunt inversate: antielectronii (numiți și pozitroni) sunt încărcați pozitiv, în timp ce antiprotonii sunt încărcați negativ.

antimaterie are aceleași proprietăți fizice ca și cea obișnuită, inclusiv masa, spinul și alte caracteristici ale particulelor. Dar atunci când o antiparticulă se întâlnește cu una obișnuită corespunzătoare, se pot anihila reciproc, transformându-se în energie pură.

Un litru de un fel de antihidrogen, când intră în contact cu aerul, va mirosi ca o bombă atomică.

Ce bine este că cantitatea maximă de antihidrogen la care au reușit sintetiza oamenii de știință la un moment dat - 309 atomi.

Observații astronomice spectacolcă universul și chiar cel mai îndepărtat stele iar galaxiile sunt făcute din materie și există foarte puțină antimaterie în ea. Această diferență între numărul de barioni (particule formate din trei cuarci) și antibarioni (antiparticule formate din trei antiquarci) din universul nostru se numește asimetrie barionică.

Dacă Universul ar fi complet simetric, atunci numărul de barioni și antibarioni ar trebui să fie egal și am observa galaxii întregi de antimaterie. Cu toate acestea, în realitate, totul este format din barioni, iar antibarionii trebuie sintetizați în acceleratorii de particule nu doar cu o linguriță, ci și cu un atom. Prin urmare, antimateria este cea mai mare lucru scump în lume.

Conform modelului standard al particulelor elementare, imediat după Big Bang, ar fi trebuit să existe un număr egal de quarci și antiquarci în univers. Totuși, ceva s-a întâmplat, ceea ce exact nu este clar, dar aproape toate antibarionii anihilate, iar materia s-a format din barionii rămași. Este, de fapt, în ce constă universul. Și tu, apropo, de asemenea. Și oamenii de știință care încă nu își pot da seama de ce există atât de puțină antimaterie în spațiu.

7. Este vidul stabil?

Vidul este spațiu cu cea mai mică energie posibilă, dar contrar numelui său, nu este complet gol. Conține încă câmpuri cuantice care determină comportamentul particulelor elementare. Oamenii de știință credecă adevăratul vid, sau fizic, pe care îl cunoaștem este cea mai stabilă stare din univers, deoarece este considerat minimul global de energie.

Cu toate acestea, în teorie, există posibilitatea ca starea vidului fizic să fie o configurație de câmpuri cuantice, care este doar un minim de energie local și nu global. Adică, vidul pe care îl putem observa în spațiul adânc sau îl putem crea în laborator este „fals”. Deci, poate exista „adevărat”.

Și dacă există un „adevărat” vid, avem mari probleme.

Dacă presupunem că Universul nostru se află într-o stare de vid nu „adevărat”, ci „fals”, atunci procesul de decădere a acestuia la o stare mai stabilă devine posibil. Consecințele unui astfel de proces pot fi cele mai multe înfricoșător și variază de la modificări subtile ale parametrilor cosmologici care depind de diferența de potențial între vid „fals” și „adevărat”, până la încetarea completă a funcționării particulelor elementare și fundamentale. forte.

Dacă undeva în spațiu apare o bulă de vid „real”, aceasta poate duce la distrugerea completă a materiei barionice sau chiar la un colaps gravitațional instantaneu al Universului.

Pe scurt, să sperăm că aspiratorul nostru este cel mai de încredere din lume. Ce altceva a mai rămas?

8. Care va fi sfârșitul universului

Și din moment ce vorbim despre probleme globale atât de interesante precum colapsul gravitațional al Universului: fizicienii au compilat listă cele mai interesante lucruri care s-ar putea întâmpla spațiului în viitor, dar nu decideți niciodată care scenariu este cel mai probabil.

Conform teoriei Big Bang, universul apărea acum aproximativ 13,8 miliarde de ani dintr-o stare densă și fierbinte numită singularitate, iar de atunci totul a crescut și s-a răcit. Această teorie explică bine o serie de fenomene observate, cum ar fi radiația de fond cosmic și expansiunea univers. Dar ce se va întâmpla în continuare? Alege ce iti place mai mult:

• moarte prin căldură. În cadrul acestui concept presupuscă în timp universul va deveni din ce în ce mai rece și uniform. Energia din ea va fi epuizată, toate procesele, cum ar fi formarea stelelor și mișcarea termică, se vor încetini și se vor opri. Acest lucru va duce la o stare de entropie maximă, când toate particulele vor fi într-o stare de echilibru și nu vor mai fi posibile evenimente în Univers.
• Mare decalaj. Univers va continua extinde. Aceasta înseamnă că galaxiile și alte obiecte spațiale se vor îndepărta din ce în ce mai mult unele de altele. Dacă nimic nu se va schimba, în viitorul îndepărtat, forțele gravitaționale nu vor mai fi suficient de puternice pentru a rezista presiunii energiei întunecate. Acest lucru va duce la faptul că la toate nivelurile de structură din Univers, inclusiv galaxii, stele și atomi, va exista o forță care depășește propria lor forță de atracție. Ca rezultat, toate obiectele vor fi rupte treptat în particule separate.
• Strângere mare. Conform acestui scenariu, expansiunea universului, cauzată de Big Bang, încetini și în cele din urmă se inversează. Atracția gravitațională dintre galaxii, stele și planete va deveni forța dominantă. Distanța dintre ele va continua să scadă până când Universul se va prăbuși înapoi într-o singularitate, unde densitatea și temperatura devin infinit de ridicate. Și nu este departe de noul Big Bang.

Dar ce fel de soartă așteaptă spaţiu, este încă neclar. Vă rugăm să așteptați încă câteva mii de septilioane de ani.