8 fysikks største mysterier som fortsatt er uløste

1. Hvorfor tiden bare renner fremover

I fysikk er det konseptet "en pil (eller akse) av tid." Den beskriver strømmen av tid fra fortiden til fremtiden. Og det er nok av bevis på at tiden favoriserer en bestemt retning.

I følge termodynamikkens andre lov, i et isolert system, vil entropi (et mål på uorden) øke med tiden. Dette midlerat prosesser i naturen vanligvis går i en retning hvor energien fordeles jevnere og systemet blir mer uordnet.

For eksempel, når vi knuser et egg, regenererer det ikke av seg selv. Du kan ikke skru tiden tilbake og gjøre ting som de var. Entropi er nådeløs.

I tillegg, i henhold til den generelle relativitetsteorien, over tid, universet utvides. Observasjoner viser at den har gått gjennom en tilstand med høy tetthet og lav entropi tidligere (denne hendelsen kaller vi "Big Bang") og beveger seg mot en fremtidig tilstand med høy entropi.

Generelt er det lett å se at tiden er irreversibel og alltid beveger seg i én retning. Og forskere vil aldri forstå hvorfor det er slik. Og er det mulig at tiden flyter bakover også?

2. Hva er mørk energi

Universet utvider seg. Hun gjør det akkurat som en ballong, bare raskere enn lysets hastighet.

På 1990-tallet, astronomer oppdagetat universets ekspansjon bare tar fart over tid, og ikke bremser under påvirkning av tyngdekraften, slik det burde være i teorien. Denne observasjonen førte til antydningen om at det finnes en eller annen form for energi som motsetter tyngdekraften og bidrar til akselerert utvidelse av universet.

Mørk energi antagelig fyller hele rom-tidsstrukturen til universet og er hovedkomponenten i dets energiinnhold. Men det kan ikke direkte observeres eller måles.

74 % av universet vårt er mørk energi, 22 % er mørk materie, 3,6 % er intergalaktisk gass, og ytterligere 0,4 % er banale, uinteressante stjerner, planeter og andre småting.

Hvorfor justeringen er på denne måten er ikke klart.

Selve naturen til mørk energi er også rester et mysterium for vitenskapen. Det finnes ulike teoriersom prøver å forklare opprinnelsen, inkludert begrepene kvantevakuum og den kosmologiske konstanten.

I mellomtiden er mørk energi av stor betydning for å forstå de grunnleggende egenskapene til universet og dets fremtidige skjebne. Det avhenger av det om utvidelsen av universet vil fortsette på ubestemt tid, bremse eller til og med reversere i fremtiden.

3. Hva er mørk materie

Mørk er en hypotetisk form for materie som ikke interagerer med elektromagnetisk stråling og derfor ikke sender ut, absorberer eller reflekterer lys. Det kan ikke oppdages med våre vanlige instrumenter og instrumenter, og det er derfor det kalles det.

Men det er mange bevis eksistensen av mørk materie i universet. De er basert på gravitasjonspåvirkningen den har på synlige objekter.

Mørk materie, selv om den er usynlig, påvirker bevegelsen til stjerner, galakser og galaksehoper.

Astronomisk forskning forestillingat disse objektene beveger seg som om de var påvirket av ekstra masse, og dette kan ikke forklares med mengden materie vi observerer. Derfor holder mørk materie galakser og andre gigantiske strukturer sammen under påvirkning av gravitasjonskraften.

Generelt vil fysikere ikke forstå hva mørk materie er, hvilke partikler den består av, hva dens egenskaper er, og om den eksisterer i det hele tatt. Kanskje den observerte oppførselen til stjerner og galakser ikke er relatert til noen materie, og det er bare tyngdekraftens merkeligheter. Vitenskapen har ikke funnet ut av det ennå.

4. Hvorfor er de grunnleggende konstantene slik de er?

Fundamentale konstanter er numeriske verdier som karakteriserer de fysiske egenskapene og interaksjonene i universet. De er grunnleggende og er ikke avhengige av spesifikke enheter.

Konstanter bestemmer de grunnleggende egenskapene og naturlovene, og påvirker strukturen og utviklingen av universet som helhet. Alle disse tallene rundt 25. Blant dem:

• Lysets hastighet i et vakuum (c) - bestemmer den maksimale hastigheten som informasjon eller interaksjoner kan forplante seg med i universet.
• Plancks konstant (h), eller virkningskvantum, - bestemmer forholdet mellom energien og frekvensen til partikler og bølger, ledende grensen mellom makrokosmos, der lovene i newtonsk mekanikk gjelder, og mikrokosmos, der kvantemekanikkens lover trer i kraft. mekanikk.
• Tyngdekonstant (G) - bestemmer styrken til gravitasjonsinteraksjonen mellom masser og påvirker strukturen og bevegelsen til objekter i universet.
• Masse av et elektron (mₑ).
• Elementær ladning (e).
• Kosmologisk konstant (Λ), som også omtales som fundamental.

Og forskere kan ikke forstå hvorfor alle disse tallene har akkurat den betydningen de har, og ikke andre.

Kanskje vi bare kan observere betydninger som er forenlige med vår eksistens, fordi liv kunne bare oppstå i et slikt univers. Dette kalles det antropiske prinsippet.

For eksempel finstrukturkonstanten, som vanligvis betegnes med bokstaven "alfa", definerer styrken til magnetiske interaksjoner. Dens numeriske verdi er omtrent 0,007297. Hvis tallene var forskjellige, ville det kanskje ikke vært stabil materie i universet vårt.

Og fortsatt lurer fysikere på hvordan universet med andre fysiske parametere vil endre seg. Eksistere hypoteser, ifølge hvilke verdiene til grunnleggende konstanter er tilfeldige og bestemt av svingninger i det tidlige universet - bare et sett med tall. Denne antagelsen innebærer at det er mange universer med forskjellige verdier av konstantene. Og vi er bare heldige som er i den der disse verdiene er best egnet for livets utvikling.

5. Hva skjer i sorte hull

Svarte hull Dette er områder i verdensrommet med utrolig sterk tyngdekraft. Utenfor det sorte hullet, den såkalte hendelseshorisonten, er gravitasjonskraften så sterk at ingen materie, ikke engang lys, kan unnslippe.

Helt i sentrum av et svart hull, mener fysikere, er det en singularitet - et punkt med uendelig tetthet og et uendelig sterkt gravitasjonsfelt. Men hva det er, hvordan det kan se ut og nøyaktig hvordan det fungerer, kan ingen teori forklare.

Noen forskere til og med antaat singulariteten kanskje ikke er et punkt, men kan ha forskjellige former - dette gjelder for roterende sorte hull. Det såkalte Kerr sorte hullet, et hypotetisk objekt beskrevet av matematikeren og astrofysikeren Roy Kerr, har en ringformet singularitet. Det vil til og med være mulig å fly gjennom et slikt hull og overleve. I teorien.

Men for å nøyaktig beskrive de fysiske prosessene inne i singulariteten, er det nødvendig med en enhetlig teori gravitasjon og kvantemekanikk, som ennå ikke er utviklet.

6. Hvorfor er det så lite antimaterie i universet?

I vanlig materie har elementærpartikler, som elektroner og protoner, henholdsvis negative og positive ladninger. I antimaterie er disse ladningene invertert: antielektroner (også kalt positroner) er positivt ladet, mens antiprotoner er negativt ladet.

antimaterie har de samme fysiske egenskapene som den vanlige, inkludert massen, spinn og andre egenskaper til partiklene. Men når en antipartikkel møter en tilsvarende vanlig, kan de utslette hverandre og bli til ren energi.

En liter av en slags anti-hydrogen, når den kommer i kontakt med luft, vil lukte som en atombombe.

Hvor bra det er at den maksimale mengden antihydrogen som de klarte å syntetisere forskere om gangen - 309 atomer.

Astronomiske observasjoner forestillingat universet og til og med den fjerneste stjerner og galakser er laget av materie, og det er veldig lite antimaterie i den. Denne forskjellen mellom antall baryoner (partikler som består av tre kvarker) og antibaryoner (antipartikler som består av tre antikvarker) i vårt univers kalles baryonasymmetri.

Hvis universet var fullstendig symmetrisk, ville antallet baryoner og antibaryoner vært likt, og vi ville observert hele galakser av antimaterie. Men i virkeligheten er alt laget av baryoner, og antibaryoner må syntetiseres i partikkelakseleratorer ikke bare av en teskje, men av et atom. Derfor er antimaterie mest dyr ting i verden.

I følge standardmodellen for elementarpartikler, skulle det umiddelbart etter Big Bang ha vært like mange kvarker og antikvarker i universet. Imidlertid skjedde noe, hva er ikke klart, men nesten alle antibaryoner utslettet, og materie ble dannet fra de gjenværende baryonene. Det er faktisk det universet består av. Og du forresten også. Og forskere som fortsatt ikke kan finne ut hvorfor det er så lite antimaterie i verdensrommet.

7. Er vakuumet stabilt?

Vakuum er rom med lavest mulig energi, men i motsetning til navnet er det ikke helt tomt. Den inneholder fortsatt kvantefelt som bestemmer oppførselen til elementærpartikler. Forskere troat det sanne, eller fysiske, vakuumet som vi kjenner er den mest stabile tilstanden i universet, ettersom det regnes som det globale minimum av energi.

Imidlertid er det i teorien en mulighet for at tilstanden til det fysiske vakuumet er en konfigurasjon av kvantefelt, som bare er et lokalt, og ikke et globalt energiminimum. Det vil si at vakuumet som vi kan observere i det store rommet eller skape i laboratoriet er "falskt". Så det kan være "sant".

Og hvis det eksisterer et "ekte" vakuum, er vi i store problemer.

Hvis vi antar at universet vårt er i en tilstand av ikke "sant", men "falsk" vakuum, blir prosessen med dets forfall til en mer stabil tilstand mulig. Konsekvensene av en slik prosess kan være størst skremmende og varierer fra subtile endringer i kosmologiske parametere som avhenger av potensiell forskjell mellom "falsk" og "sant" vakuum, inntil fullstendig opphør av funksjonen til elementærpartikler og grunnleggende krefter.

Hvis det dukker opp et sted i verdensrommet en boble av "ekte" vakuum, kan dette føre til fullstendig ødeleggelse av baryonisk materie eller til og med en øyeblikkelig gravitasjonskollaps av universet.

Kort sagt, la oss håpe at vakuumet vårt er det mest pålitelige i verden. Hva annet er igjen?

8. Hva blir slutten på universet

Og siden vi snakker om så spennende globale problemer som universets gravitasjonskollaps: fysikere har samlet liste de mest interessante tingene som kan skje med verdensrommet i fremtiden, men avgjør aldri hvilket scenario som er mest sannsynlig.

I følge Big Bang-teorien er universet oppsto for omtrent 13,8 milliarder år siden fra en tett og varm tilstand kalt en singularitet, og siden den gang har alt vokst og avkjølt. Denne teorien forklarer godt en rekke observerte fenomener, som den kosmiske bakgrunnsstrålingen og ekspansjonen univers. Men hva vil skje videre? Velg det du liker best:

• varmedød. Innenfor dette konseptet antattat universet over tid vil bli mer og mer kaldt og ensartet. Energien i den vil bli oppbrukt, alle prosesser, som dannelse av stjerner og termisk bevegelse, vil bremse og stoppe. Dette vil føre til en tilstand av maksimal entropi, når alle partikler vil være i en tilstand av likevekt og ingen ytterligere hendelser i universet vil være mulig.
• stort gap. Univers vil fortsette utvide. Dette betyr at galakser og andre romobjekter i økende grad vil bevege seg bort fra hverandre. Hvis ingenting endres, vil gravitasjonskreftene i en fjern fremtid ikke lenger være sterke nok til å motstå trykket fra mørk energi. Dette vil føre til at det på alle strukturnivåer i universet, inkludert galakser, stjerner og atomer, vil være en kraft som overstiger deres egen tiltrekningskraft. Som et resultat vil alle gjenstander gradvis brytes i separate partikler.
• Stor klem. I følge dette scenariet, utvidelsen av universet, forårsaket av Big Bang, ro ned og reverserer til slutt. Tyngdekraften mellom galakser, stjerner og planeter vil bli den dominerende kraften. Avstanden mellom dem vil fortsette å avta til universet kollapser tilbake til en singularitet, hvor tettheten og temperaturen blir uendelig høy. Og det er ikke langt unna det nye Big Bang.

Men hva slags skjebne venter rom, er fortsatt uklart. Vennligst vent noen flere tusen septillioner år.