В 1900 году британский физик лорд Кельвин объявил: «В физике сейчас нет ничего нового, что можно было бы открыть. Все, что остается, - это все более и более точное измерение». В течение трех десятилетий квантовая механика и теория относительности Эйнштейна произвели революцию в этой области. Сегодня ни один физик не посмел бы утверждать, что наше физическое знание о вселенной почти завершено. Напротив, каждое новое открытие, кажется, открывает ящик Пандоры с еще большими, еще более глубокими вопросами физики.
Почему время движется только в одном направлении и почему мы не понимаем хаос.
1. Что такое темная энергия?
Независимо от того, как астрофизики подсчитывают цифры, вселенная просто не складывается. Несмотря на то, что гравитация тянет внутрь пространство - время - «ткань» космоса - она продолжает расширяться наружу все быстрее и быстрее. Чтобы объяснить это, астрофизики предложили невидимого агента, который противодействует гравитации, раздвигая пространство-время. Они называют это темной энергией. В наиболее широко принятой модели темной энергии это «космологическая постоянная»: неотъемлемое свойство самого пространства, у которого «отрицательное давление» раздвигает пространство. По мере расширения пространства создается больше пространства, а вместе с ним и больше темной энергии. На основании наблюдаемой скорости расширения ученые знают, что сумма всей темной энергии должна составлять более 70 процентов от общего содержания вселенной. Но никто не знает, как это искать.
2. Что такое темная материя?
Очевидно, что около 84 процентов вещества во вселенной не поглощают и не излучают свет. «Темная материя», как ее называют, не может быть видна непосредственно, и она также еще не была обнаружена косвенными средствами. Вместо этого, существование и свойства темной материи вытекают из ее гравитационного воздействия на видимую материю, радиацию и структуру вселенной. Считается, что эта мрачная субстанция пронизывает окраины галактик и может состоять из «слабо взаимодействующих массивных частиц». Во всем мире есть несколько детекторов, которые ищут массивные частицы, но пока ни одного не найдено. Одно недавнее исследование предполагает, что темная материя может образовывать длинные, мелкозернистые потоки по всей вселенной, и что такие потоки могут исходить от Земли, как волоски.
P.s. Если не Темная Материя, тогда Что?
3. Почему есть стрела времени?
Время движется вперед, потому что свойство вселенной, называемое «энтропией», определяемое как уровень беспорядка, только увеличивается, и поэтому нет способа обратить вспять рост энтропии после того, как она произошла. Тот факт, что энтропия возрастает, является вопросом логики: существует более неупорядоченное расположение частиц, и когда все меняется, они имеют тенденцию впадать в беспорядок. Но основной вопрос здесь заключается в том, почему Вселенная была так упорядочена в начале, когда огромное количество энергии было собрано в небольшом количестве пространства? Какова общая энергия во Вселенной? до сих пор не разгадана.
4. Есть ли параллельные вселенные?
Астрофизические данные предполагают, что пространство-время может быть «плоским», а не искривленным, и, таким образом, оно продолжается вечно. Если это так, то область, которую мы можем видеть (которую мы называем «вселенная»), представляет собой всего лишь один участок бесконечно большого «мультивселенного». В то же время законы квантовой механики диктуют, что в каждом космическом пятне имеется лишь конечное число возможных конфигураций частиц. Таким образом, с бесконечным количеством космических фрагментов, расположение частиц внутри них вынуждено повторяться - бесконечно много раз. Это означает, что существует бесконечно много параллельных вселенных: космические участки, точно такие же, как у нас (содержащие кого-то точно такого же, как вы), а также участки, отличающиеся только позицией одной частицы, участки, отличающиеся положением двух частиц, и так далее.
P.s. Что-то не так с этой логикой, или это странный результат? И если это правда, как мы можем обнаружить присутствие параллельных вселенных?
5. Почему там больше материи, чем антивещества?
Вопрос о том, почему существует намного больше материи, чем ее противоположно заряженный и противоположно вращающийся двойники, антивещества, является вопросом, почему что-либо вообще существует. Можно предположить, что Вселенная будет относиться к веществу и антивеществу симметрично, и, таким образом, в момент Большого взрыва должно быть произведено равное количество вещества и антивещества. Но если бы это произошло, то было бы полное уничтожение обоих: протоны были бы уничтожены антипротонами, электроны с антиэлектронами (позитронами), нейтроны с антинейтронами и т. Д., Оставив за собой унылое море фотонов в безразличном состоянии раздолья. По какой-то причине было лишнее вещество, которое не было уничтожено. Для этого нет общепринятых объяснений. Самый подробный на сегодняшний день тест различий между веществом и антивеществом, подтверждает, что они являются зеркальным отражением друг друга, обеспечивая ровно ноль новых путей к пониманию того, почему материя встречается гораздо чаще.
6. Какова судьба вселенной?
Судьба Вселенной сильно зависит от фактора неизвестного значения(НЗ): меры плотности вещества и энергии по всему космосу. Если НЗ больше 1, то время пространство 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 разрушаясь сама по себе в событии. Если вселенная замкнута, но есть темная энергия, сферическая вселенная будет расширяться вечно.
В качестве альтернативы, если НЗ меньше 1, то геометрия пространства будет «открытой», как поверхность седла. В этом случае его конечной судьбой является «Большая заморозка», за которой следует «Большой разрыв»: во-первых, внешнее ускорение Вселенной разорвало бы галактики и звезды на части, оставив все материи холодными и одинокими. Затем ускорение стало бы настолько сильным, что подавляло бы влияние сил, удерживающих атомы вместе, и все было бы разрушено.
Если НЗ = 1, вселенная была бы плоской, расширяясь как бесконечная плоскость во всех направлениях. Если не будет темной энергии, такая планарная вселенная будет расширяться вечно, но с постоянно замедляющейся скоростью, приближаясь к остановке. Если есть темная энергия, плоская вселенная в конечном счете испытала бы стремительное расширение, ведущее к Большому Разрыву. Независимо от того, как это происходит, вселенная умирает.
7. Как измерения разрушают квантовые волновые функции?
В странной сфере электронов, фотонов и других фундаментальных частиц квантовая механика является законом. Частицы ведут себя не как крошечные шарики, а как волны, которые распространяются по большой площади. Каждая частица описывается «волновой функцией», или распределением вероятностей, которое говорит о том, каково ее местоположение, скорость и другие свойства, а не каковы эти свойства. На самом деле частица имеет диапазон значений для всех свойств, пока вы экспериментально не измерите одно из них - например, его местоположение - в какой момент волновая функция частицы «коллапсирует», и она принимает только одно местоположение.
Но как и почему измерение частицы разрушает ее волновую функцию, создавая конкретную реальность, которую мы воспринимаем как существующую? Проблема, известная как проблема измерения, но наше понимание того, что такое реальность или, если она вообще существует, зависит от ответа.
8. Является ли теория струн правильной?
Когда физики предполагают, что все элементарные частицы на самом деле являются одномерными петлями или «струнами», каждая из которых вибрирует с различной частотой, физика становится намного проще. Теория струн позволяет физикам согласовать законы, управляющие частицами, называемые квантовой механикой, с законами, регулирующими пространственное время, называемые общей относительностью, и объединить четыре фундаментальные силы природы в единую структуру. Но проблема в том, что теория струн может работать только во вселенной с 10 или 11 измерениями: три больших пространственных, шесть или семь компактных пространственных и временное измерение. Уплотненные пространственные размеры, равно как и сами вибрирующие струны, составляют около одной миллиардной триллионной части размера атомного ядра. Не существует способ обнаружить что-то такое маленькое, и поэтому нет известного способа экспериментально подтвердить или опровергнуть теорию струн.
9. Есть ли порядок в хаосе?
Физики не могут точно решить систему уравнений, которая описывает поведение жидкостей, от воды до воздуха и других жидкостей и газов. На самом деле, неизвестно, существует ли вообще общее решение так называемых уравнений, или, если есть решение, описывает ли оно всюду жидкости или содержит изначально неизвестные точки, называемые особенностями. Как следствие, природа хаоса не совсем понятна. Физики и математики задаются вопросом, а погоду сложно прогнозировать или она непредсказуема? Превосходит ли турбулентность математическое описание, или все это имеет смысл, когда вы решаете ее с помощью правильной математики?
10. Силы вселенной сливаются в одно?
Вселенная испытывает четыре фундаментальные силы: электромагнетизм, сильная ядерная сила, слабое взаимодействие (также известное как слабая ядерная сила) и гравитация. На сегодняшний день физики знают, что если вы включите достаточно энергии - например, внутри ускорителя частиц - три из этих сил «объединятся» и станут единой силой. Физики запустили ускорители частиц и объединили электромагнитную силу и слабые взаимодействия, и при более высоких энергиях то же самое должно произойти с сильной ядерной силой и, в конце концов, гравитацией.
Но даже если теории говорят, что это должно произойти, природа не всегда обязывает. До сих пор ни один ускоритель частиц не достигал достаточно высоких энергий, чтобы объединить сильную силу с электромагнетизмом и слабым взаимодействием. Включение гравитации означало бы еще больше энергии. Не ясно, могут ли ученые даже построить такой мощный, большой адронный коллайдер, расположенный недалеко от Женевы, может посылать частицы, врезающиеся друг в друга, с энергиями в триллионах электронных вольт. Чтобы достичь энергий великого объединения, частицам потребуется как минимум в триллион раз больше, поэтому физикам приходится искать косвенные доказательства таких теорий.
Помимо вопроса энергий, у Великих Унифицированных Теорий все еще есть некоторые проблемы, потому что они предсказывают другие наблюдения, которые до сих пор не оправдались. Есть несколько теории, которые говорят, что протоны, через огромные промежутки времени (порядка 10-36 лет), должны превратиться в другие частицы. Этого никогда не наблюдалось, поэтому либо протоны живут намного дольше, чем кто-либо думал, либо они действительно стабильны вечно. Другое предсказание некоторых типов - это существование магнитных монополей - изолированных «северных» и «южных» полюсов магнита - и никто из них тоже не видел. Возможно, у нас просто нет достаточно мощного ускорителя частиц. Или физики могут ошибаться по поводу того, как работает Вселенная.
11. Что происходит внутри черной дыры?
Что происходит с информацией об объекте, если он попадает в черную дыру? Согласно существующим теориям, если бы вы бросили кубик железа в черную дыру, не было бы никакой возможности получить какую-либо эту информацию. Это связано с тем, что гравитация черной дыры настолько сильна, что ее скорость убегания выше скорости света, а свет - самая быстрая вещь, какая только есть. Тем не менее, отрасль науки под названием квантовая механика говорит, что квантовую информацию нельзя уничтожить.
Квантовая информация немного отличается от информации, которую мы храним как 1 и 0 на компьютере, или от того, что находится в нашем мозгу. Это потому, что квантовые теории не дают точной информации, например, о том, где будет находиться объект, как, например, расчет траектории движения бейсбольного мяча в механике. Вместо этого, такие теории показывают наиболее вероятное местоположение или наиболее вероятный результат какого-либо действия. Как следствие, все вероятности различных событий должны составлять до 1, или 100 процентов. (Например, когда вы бросаете шестигранный кубик, вероятность того, что выпадет, равна одной шестой, поэтому вероятности всего в сумме равны 1, и вы не можете быть более чем на 100 процентов уверены в чем-то.) Квантовая теория, поэтому, называется унитарной. Если вы знаете, как заканчивается система, вы можете рассчитать, как она началась.
Чтобы описать черную дыру, все, что вам нужно, это масса, момент импульса (если он вращается) и заряд. Ничто не выходит из черной дыры, кроме медленной струйки теплового излучения. Насколько известно, нет способа сделать обратный расчет, чтобы выяснить, что же на самом деле поглотила черная дыра. Информация уничтожена. Однако квантовая теория утверждает, что информация не может быть полностью недоступна. В этом и заключается «информационный парадокс».
12. Существуют ли голые особенности?
Сингулярность возникает, когда какое-то свойство «вещи» бесконечно, и поэтому законы физики, как мы их знаем, нарушаются. В центре черных дыр лежит бесконечно малая и плотная точка (заполненная конечным количеством вещества) - точка, называемая особенностью. В математике сингулярности возникают постоянно - деление на ноль - это один случай, а вертикальная линия на координатной плоскости имеет «бесконечный» наклон. На самом деле наклон вертикальной линии просто не определен. Но как бы выглядела особенность? И как это будет взаимодействовать с остальной частью вселенной? Что значит сказать, что что-то не имеет реальной поверхности и бесконечно мало?
«Голая» особенность - это то, что может взаимодействовать с остальной частью вселенной. У черных дыр есть горизонты событий - сферические области, из которых ничто, даже свет, не может вырваться. На первый взгляд, вы можете подумать, что проблема голых сингулярностей частично решена, по крайней мере, для черных дыр, поскольку ничто не может выйти за горизонт событий, а сингулярность не может повлиять на остальную часть вселенной. (Это, так сказать, «одетый», в то время как голая особенность - это черная дыра без горизонта событий.)
Но могут ли сингулярности образоваться без горизонта событий, все еще остается открытым вопросом. И если они могут существовать, то теория общей теории относительности Альберта Эйнштейна нуждается в пересмотре, потому что она разрушается, когда системы слишком близки к особенности. Обнаженные особенности могут также функционировать как червоточины, которые также будут машинами времени - хотя в природе нет никаких доказательств этого.
13. Нарушение заряда - симметрия четности
Если вы обменяете частицу с ее братом-антивеществом, законы физики должны остаться прежними. Так, например, положительно заряженный протон должен выглядеть так же, как отрицательно заряженный антипротон. Это принцип симметрии заряда. Если вы поменяете местами влево и вправо, опять законы физики должны выглядеть одинаково. Это симметрия четности. Вместе они называются симметрией. В большинстве случаев это правило физики не нарушается. Однако некоторые экзотические частицы нарушают эту симметрию.
14. Когда звуковые волны излучают свет
Хотя вопросы физики элементарных частиц объясняют многие нерешенные проблемы, некоторые загадки можно наблюдать на лабораторных установках. Сонолюминесценция является одним из них. Если вы возьмете немного воды и поразите ее звуковыми волнами, образуются пузырьки. Эти пузырьки представляют собой области низкого давления, окруженные высоким давлением; внешнее давление оказывает давление на воздух более низкого давления, и пузырьки быстро разрушаются. Когда эти пузырьки разрушаются, они излучают свет в виде вспышек, которые длятся триллионные доли секунды.
Проблема в том, что далеко не ясно, каков источник света. Теории варьируются от крошечных реакций ядерного синтеза до какого-то типа электрического разряда или даже от сжатия газа внутри пузырьков. Физики измерили высокие температуры внутри этих пузырьков, порядка десятков тысяч градусов по Фаренгейту, и сделали многочисленные снимки света, который они производят. Но нет хорошего объяснения того, как звуковые волны создают эти огни в пузыре.
15. Какого черта гравитация?
Что такое гравитация? Например, электромагнетизм - это обмен фотонами. Слабая ядерная сила переносится бозонами W и Z, а глюоны несут сильную ядерную силу, которая удерживает атомные ядра вместе. Все другие силы могут быть квантованы, что означает, что они могут быть выражены как отдельные частицы и имеют непрерывные значения.
Гравитация, кажется, не такая. Большинство физических теорий говорят, что его должна нести гипотетическая безмассовая частица, называемая гравитоном. Проблема в том, что никто еще не нашел гравитоны, и неясно, что любой детектор частиц, который мог бы быть построен, мог их видеть, потому что, если гравитоны взаимодействуют с веществом, они делают это очень, очень редко - настолько редко, что они были бы невидимы на фоновом шуме. Даже не ясно, что гравитоны безмассовые, хотя, если они вообще имеют массу, они очень, очень маленькие - меньше, чем у нейтрино, которые являются одними из самых легких частиц, известных. Теория струн утверждает, что гравитоны (и другие частицы) представляют собой замкнутые петли энергии, но математическая работа до сих пор не дала особого понимания.
Поскольку гравитоны еще не наблюдались, гравитация сопротивлялась попыткам понять это так, как мы понимаем другие силы - как обмен частицами. Некоторые физики, в частности Теодор Калуза и Оскар Кляйн, утверждали, что гравитация может действовать как частица в дополнительных измерениях за пределами трех пространств (длина, ширина и высота) и одного из времени (длительности), с которым мы знакомы, но является ли это это правда до сих пор неизвестно.