8 najväčších záhad fyziky, ktoré stále nie sú vyriešené
Rôzne / / July 28, 2023
Hlavné otázky života, vesmíru a všetkého ostatného.
1. Prečo čas plynie len dopredu
Vo fyzike existuje pojem „šípka (alebo os) času“. Popisuje tok času z minulosti do budúcnosti. A existuje veľa dôkazov, že čas uprednostňuje určitý smer.
Podľa druhého zákona termodynamiky sa v izolovanom systéme entropia (miera neusporiadanosti) časom zvýši. Toto znamenáže procesy v prírode zvyčajne prebiehajú smerom, kde sa energia rozdeľuje rovnomernejšie a systém sa stáva neusporiadanejším.
Napríklad, keď rozbijeme vajíčko, nezregeneruje sa samo. Nedá sa vrátiť čas a robiť veci tak, ako boli. Entropia je nemilosrdná.
Okrem toho, podľa všeobecnej teórie relativity, v priebehu času, Vesmír rozširuje. Pozorovania ukazujú, že v minulosti prešla stavom vysokej hustoty a nízkej entropie (túto udalosť nazývame „Veľký tresk“) a smeruje k budúcemu stavu vysokej entropie.
Vo všeobecnosti je ľahké vidieť, že čas je nezvratný a vždy sa pohybuje jedným smerom. A vedci nikdy nepochopia, prečo je to tak. A je možné, aby čas plynul aj dozadu?
2. Čo je temná energia
Vesmír sa rozpína. Robí to ako balón, len rýchlejšie ako rýchlosť svetla.
V 90. rokoch 20. storočia astronómovia objavilže rozpínanie vesmíru časom len naberá rýchlosť a nespomalí sa vplyvom gravitácie, ako by to teoreticky malo byť. Toto pozorovanie viedlo k názoru, že existuje nejaká forma energie, ktorá pôsobí proti gravitácii a prispieva k zrýchlenej expanzii vesmíru.
Pravdepodobne temná energia vypĺňa celú časopriestorovú štruktúru Vesmíru a je hlavnou zložkou jeho energetického obsahu. Nedá sa to však priamo pozorovať ani merať.
74 % nášho vesmíru tvorí temná energia, 22 % temná hmota, 3,6 % medzigalaktický plyn a ďalších 0,4 % banálne, nezaujímavé hviezdy, planéty a iné maličkosti.
Prečo je zarovnanie týmto spôsobom, nie je jasné.
Samotná podstata temnej energie je tiež zvyšky záhada pre vedu. Existujú rôzne teóriektorí sa snažia vysvetliť jeho pôvod, vrátane konceptov kvantového vákua a kozmologickej konštanty.
Medzitým je temná energia veľmi dôležitá pre pochopenie základných vlastností vesmíru a jeho budúceho osudu. Od nej závisí, či bude expanzia Vesmíru v budúcnosti pokračovať donekonečna, spomalí sa alebo dokonca obráti.
3. Čo je temná hmota
Tma je hypotetická forma hmoty, ktorá neinteraguje s elektromagnetickým žiarením, a preto nevyžaruje, neabsorbuje ani neodráža svetlo. Nedá sa detekovať našimi bežnými prístrojmi a prístrojmi, preto sa tak nazýva.
Ale je ich veľa dôkazy existencia temnej hmoty vo vesmíre. Sú založené na gravitačnom účinku, ktorý má na viditeľné objekty.
Tmavá hmota, aj keď je neviditeľná, ovplyvňuje pohyb hviezd, galaxií a zhlukov galaxií.
Astronomický výskum šouže tieto objekty sa pohybujú, ako keby na ne pôsobila dodatočná hmota, a to sa nedá vysvetliť množstvom hmoty, ktorú pozorujeme. Preto temná hmota drží galaxie a iné obrie štruktúry pohromade pod vplyvom svojej gravitačnej sily.
Vo všeobecnosti fyzici nepochopia, čo je temná hmota, z akých častíc pozostáva, aké sú jej vlastnosti a či vôbec existuje. Možno pozorované správanie hviezd a galaxií nesúvisí so žiadnou hmotou a sú to len zvláštnosti gravitácie. Veda na to ešte neprišla.
4. Prečo sú základné konštanty také, aké sú?
Základné konštanty sú číselné hodnoty, ktoré charakterizujú fyzikálne vlastnosti a interakcie vo vesmíre. Sú základné a nezávisia od konkrétnych systémov jednotiek.
Konštanty určujú základné vlastnosti a zákony prírody, ovplyvňujúce štruktúru a vývoj vesmíru ako celku. Všetky tieto čísla okolo 25. Medzi nimi:
- Rýchlosť svetla vo vákuu (c) – určuje maximálnu rýchlosť, ktorou sa môžu vo vesmíre šíriť informácie alebo interakcie.
- Planckova konštanta (h) alebo akčné kvantum - určuje vzťah medzi energiou a frekvenciou častíc a vĺn, ktoré vedú hranica medzi makrokozmom, kde platia zákony newtonovskej mechaniky a mikrokozmom, kde vstupujú do platnosti zákony kvantovej mechaniky. mechanika.
- Gravitačná konštanta (G) – určuje silu gravitačnej interakcie medzi hmotami a ovplyvňuje štruktúru a pohyb objektov vo vesmíre.
- Hmotnosť elektrónu (mₑ).
- Základný poplatok (e).
- Kozmologická konštanta (Λ), ktorá sa označuje aj ako základná.
A vedci nedokážu pochopiť, prečo všetky tieto čísla majú presne taký význam, aký majú, a nie iné.
Možno môžeme pozorovať len významy, ktoré sú zlučiteľné s našou existenciou, pretože života môže vzniknúť len v takomto vesmíre. Toto sa nazýva antropický princíp.
Napríklad konštanta jemnej štruktúry, ktorá sa zvyčajne označuje písmenom "alfa", definuje sila magnetických interakcií. Jeho číselná hodnota je približne 0,007297. Ak by boli čísla iné, v našom vesmíre by nemusela byť stabilná hmota.
A stále si fyzici lámu hlavu nad tým, ako by sa zmenil vesmír s inými fyzikálnymi parametrami. Existovať hypotéz, podľa ktorého sú hodnoty základných konštánt náhodné a určené fluktuáciami v ranom vesmíre - len nejaká množina čísel. Tento predpoklad znamená, že existuje veľa vesmírov s rôznymi hodnotami konštánt. A my máme len šťastie, že sme práve tam, kde sú tieto hodnoty najvhodnejšie pre rozvoj života.
5. Čo sa deje v čiernych dierach
Čierne diery Sú to oblasti vesmíru s neuveriteľne silnou gravitáciou. Za čiernou dierou, takzvaným horizontom udalostí, je gravitačná sila taká silná, že nemôže uniknúť žiadna hmota, dokonca ani svetlo.
Fyzici veria, že v samom strede čiernej diery je singularita - bod s nekonečnou hustotou a nekonečne silným gravitačným poľom. Ale čo to je, ako by to mohlo vyzerať a ako presne to funguje, žiadna teória nedokáže vysvetliť.
Niektorí vedci dokonca navrhnúťže singularita nemusí byť bod, ale môže mať rôzne tvary – to platí pre rotujúce čierne diery. Takzvaná Kerrova čierna diera, hypotetický objekt opísaný matematikom a astrofyzikom Royom Kerrom, má prstencovú singularitu. Dokonca bude možné cez takú dieru preletieť a prežiť. Teoreticky.
Ale na presný opis fyzikálnych procesov vo vnútri singularity je potrebná jednotná teória gravitácia a kvantová mechanika, ktorá ešte nebola vyvinutá.
6. Prečo je vo vesmíre tak málo antihmoty?
V bežnej hmote majú elementárne častice, ako sú elektróny a protóny, záporný a kladný náboj. V antihmote sú tieto náboje invertované: antielektróny (tiež nazývané pozitróny) sú nabité kladne, zatiaľ čo antiprotóny sú nabité záporne.
antihmota má rovnaké fyzikálne vlastnosti ako bežné, vrátane hmotnosti, spinu a iných charakteristík častíc. Ale keď sa antičastica stretne so zodpovedajúcou obyčajnou, môžu sa navzájom anihilovať a zmeniť sa na čistú energiu.
Liter nejakého antivodíka bude pri kontakte so vzduchom zapáchať ako po atómovej bombe.
Aké je dobré, že maximálne množstvo antivodíka, ktoré sa im podarilo syntetizovať vedci naraz - 309 atómov.
Astronomické pozorovania šouže vesmír a aj ten najvzdialenejší hviezdy a galaxie sa skladajú z hmoty a antihmoty je v nej veľmi málo. Tento rozdiel medzi počtom baryónov (častice zložené z troch kvarkov) a antibaryónov (antičastice zložené z troch antikvarkov) v našom vesmíre sa nazýva baryónová asymetria.
Ak by bol Vesmír úplne symetrický, potom by sa počet baryónov a antibaryónov musel rovnať a pozorovali by sme celé galaxie antihmoty. V skutočnosti je však všetko tvorené baryónmi a antibaryóny sa v urýchľovačoch častíc musia syntetizovať nielen čajovou lyžičkou, ale aj atómom. Preto je antihmota najviac drahá vec vo svete.
Podľa štandardného modelu elementárnych častíc mal byť bezprostredne po Veľkom tresku vo vesmíre rovnaký počet kvarkov a antikvarkov. Niečo sa však stalo, čo presne nie je jasné, ale takmer všetky antibaryóny zničenéa zo zostávajúcich baryónov vznikla hmota. V skutočnosti je to to, z čoho sa skladá vesmír. A ty, mimochodom, tiež. A vedci, ktorí stále nevedia prísť na to, prečo je vo vesmíre tak málo antihmoty.
7. Je vákuum stabilné?
Vákuum je priestor s najnižšou možnou energiou, no na rozdiel od svojho názvu nie je úplne prázdny. Stále obsahuje kvantové polia, ktoré určujú správanie elementárnych častíc. Vedci veriťže skutočné alebo fyzikálne vákuum, ktoré poznáme, je najstabilnejší stav vo vesmíre, keďže sa považuje za globálne minimum energie.
Teoreticky však existuje možnosť, že stav fyzikálneho vákua je konfiguráciou kvantových polí, čo je len lokálne, a nie globálne energetické minimum. To znamená, že vákuum, ktoré môžeme pozorovať v hlbokom vesmíre alebo vytvoriť v laboratóriu, je „falošné“. Takže tam môže byť „pravda“.
A ak existuje „skutočné“ vákuum, máme veľké problémy.
Ak predpokladáme, že náš Vesmír je v stave nie „pravého“, ale „falošného“ vákua, potom je možný proces jeho rozpadu do stabilnejšieho stavu. Dôsledky takéhoto procesu môžu byť najviac desivý a líšia sa od jemných zmien kozmologických parametrov, ktoré závisia od rozdielu potenciálov medzi „falošným“ a „pravým“ vákuom, až po úplné zastavenie fungovania elementárnych častíc a fundamentu sily.
Ak sa niekde vo vesmíre objaví bublina „skutočného“ vákua, môže to viesť k úplnému zničeniu baryónovej hmoty alebo dokonca k okamžitému gravitačnému kolapsu vesmíru.
Skrátka dúfajme, že naše vákuum je najspoľahlivejšie na svete. Čo iné ostáva?
8. Aký bude koniec vesmíru
A keďže hovoríme o takých vzrušujúcich globálnych problémoch, ako je gravitačný kolaps vesmíru: fyzici zostavili zoznam najzaujímavejšie veci, ktoré sa môžu v budúcnosti stať s vesmírom, ale nikdy sa nerozhodnite, ktorý scenár je najpravdepodobnejší.
Podľa teórie veľkého tresku vesmír vznikol asi pred 13,8 miliardami rokov z hustého a horúceho stavu nazývaného singularita a odvtedy všetko rastie a chladne. Táto teória dobre vysvetľuje množstvo pozorovaných javov, ako je žiarenie kozmického pozadia a expanzia vesmír. Ale čo bude ďalej? Vyberte si, čo sa vám najviac páči:
- tepelná smrť. V rámci tohto konceptu predpokladanýže časom bude vesmír stále chladnejší a jednotnejší. Energia v nej sa vyčerpá, všetky procesy, ako je vznik hviezd a tepelný pohyb, sa spomalia a zastavia. To povedie k stavu maximálnej entropie, kedy budú všetky častice v rovnovážnom stave a žiadne ďalšie udalosti vo vesmíre už nebudú možné.
- veľká medzera. Vesmír bude pokračovať expandovať. To znamená, že galaxie a iné vesmírne objekty sa budú od seba čoraz viac vzďaľovať. Ak sa nič nezmení, v ďalekej budúcnosti už gravitačné sily nebudú dostatočne silné, aby odolali tlaku temnej energie. To povedie k tomu, že na všetkých úrovniach štruktúry vo vesmíre, vrátane galaxií, hviezd a atómov, bude existovať sila, ktorá prevyšuje ich vlastnú silu príťažlivosti. V dôsledku toho budú všetky predmety postupne rozbité na samostatné častice.
- Veľké stlačenie. Podľa tohto scenára expanzia vesmíru spôsobená Veľkým treskom, Spomaľ a nakoniec sa obráti. Dominantnou silou sa stane gravitačná sila medzi galaxiami, hviezdami a planétami. Vzdialenosť medzi nimi sa bude naďalej zmenšovať, kým sa vesmír nezrúti späť do singularity, kde hustota a teplota budú nekonečne vysoké. A nie je ďaleko od nového Veľkého tresku.
Ale aký osud čaká priestor, je stále nejasné. Prosím, počkajte ešte niekoľko tisíc 700 rokov.
Prečítajte si tiež🧐
- Astrofyzik Boris Stern: 3 najúžasnejšie poznatky o vesmíre, ktoré sme získali v 21. storočí
- Joker, rebel a nositeľ Nobelovej ceny: aký bol život sovietskeho fyzika Leva Landaua
- Je pravda, že vesmír je príliš zložitý a je zbytočné ho študovať: astrofyzik vyvracia populárne mýty