Физика на протяжении многих лет стремится разгадать тайны, такие как сущность материи и происхождение мира. Исследования в этих областях привели нас к знаменательным открытиям, таким как теория Большого взрыва и стандартная модель физики элементарных частиц. Однако, несмотря на эти достижения, перед наукой возникло ещё больше вопросов. В этой статье мы обсудим четыре фундаментальных вопроса в области физики, ответы на которые учёные всего мира до сих пор пытаются найти.
Первый вопрос касается времени: почему мы можем вспоминать прошлое, но не можем предвидеть будущее? Что делает их разными? Возможно, это звучит странно, но законы физики допускают такой вопрос. Фактически, фундаментальные законы физики представляют собой уравнения, которые показывают, как изменяются объекты и явления с течением времени. Они могут предсказать, что произойдет с системой в будущем, исходя из её текущего состояния, но также могут описать, что произошло с системой в прошлом. Это означает, что используя эти законы, можно узнать, куда направится мяч, и где он был несколько секунд назад. Таким образом, законы физики одинаково хорошо работают как вперед, так и назад во времени.
Но наш повседневный опыт показывает нам, что время движется только в одном направлении - вперед. Объяснением этого является такое понятие, как энтропия. Энтропия - это мера беспорядка в системе, и в нашем мире она всегда увеличивается с течением времени. Системы склонны становиться более хаотичными и непредсказуемыми по мере того, как время идет вперед.
Повседневные предметы и явления состоят из бесчисленного количества взаимодействующих между собой элементов, что обуславливает больше возможностей для наступления хаоса, чем для самопроизвольного порядка. Например, в вашем кофе молоко скорее рассеется в разные стороны, чем соберется в одном месте. Вы никогда не увидите, как капли молока в вашем кофе собираются обратно. Таким образом, то, что мы воспринимаем как движение времени вперёд, на самом деле является переходом Вселенной от состояния низкой энтропии к высокой.
И тут возникает важный вопрос: откуда всё началось и почему? Как показывают космологические данные, Вселенная возникла из состояния очень низкой энтропии во время Большого взрыва. Но почему Вселенная находилась в таком упорядоченном состоянии? Было бы логичнее, если бы она началась в состоянии максимальной энтропии, где хаос достигал своего пика, а поток времени был бы невозможен. Вместо этого Вселенная появилась из высокоупорядоченного состояния, что настолько маловероятно, что ученые ищут объяснения. Таким образом, вопросы "Почему кофе с молоком не размешивается обратно?" и "Почему Большой взрыв произошёл именно так?" в каком-то смысле являются одним и тем же вопросом.
Подход к решению этого вопроса иногда выходит за рамки строгой науки и затрагивает область философии. Некоторые люди полагают, что этот вопрос вовсе не требует объяснения. А предложения, которые предлагаются в качестве ответа, порой кажутся невероятно фантастическими. К примеру, существует теория, что наша Вселенная — это лишь один из множества "пузырьков" с низкой энтропией в огромном, беспорядочном и бесконечно расширяющемся космосе. Эта идея звучит весьма спекулятивно, и на данный момент её, скорее всего, невозможно проверить на практике.
Вопрос о расширении Вселенной — это ещё одна нерешённая тайна физики. Приблизительно 40 лет назад космологи предложили теорию инфляции как способ объяснения ряда проблем, связанных с моделью Большого взрыва. Согласно этой теории, в первые моменты своего существования Вселенная расширилась с невероятно высокой скоростью — буквально "раздулась" в миллион раз за долю секунды.
Большинство космологов считают инфляцию реальной, поскольку она помогает решить некоторые противоречия в модели Большого взрыва. Данные астрономических наблюдений также подтверждают некоторые предсказания этой теории. Модель Большого взрыва предполагает, что на самых больших масштабах Вселенной мы должны наблюдать заметные температурные колебания и искажения пространства. Однако фактически Вселенная выглядит довольно однородной и не имеет общей кривизны. Инфляция же помогает объяснить, почему это так.
Если принять во внимание, что экстремальный рост Вселенной действительно имел место, то это означает, что её размеры намного превосходят ту часть, которую мы можем наблюдать. Таким образом, наш видимый участок Вселенной, который мы воспринимаем как гладкий и плоский, может оказаться всего лишь малой частью более обширного космоса. Примером тому может служить Земля: с Международной космической станции она кажется кривой и детализированной, но если рассмотреть малую часть её поверхности, то она может показаться плоской и однородной. Так что, по сути, теория инфляции предполагает, что наш видимый участок Вселенной — это лишь "Новгород" в масштабах всего космоса.
Но не все учёные согласны с этой теорией. Например, теория инфляции предполагает существование частицы, известной как "инфлатон", которая, однако, не предсказывается ни одной из существующих теорий физики, и на сегодняшний день нет прямых доказательств её существования. В связи с этим, некоторые физики предложили альтернативные теории, например, "конформно-циклическую космологическую модель", разработанную лауреатом Нобелевской премии Роджером Пенроузом, согласно которой до Большого взрыва существовала другая расширяющаяся Вселенная.
К счастью, существует надежда, что следующее поколение телескопов и гравитационных волновых детекторов сможет выявить характерные сигналы от инфляции и определить, какой вид инфляции, если таковая существует, является реальным. Это может дать ответ на одну из наиболее актуальных проблем современной космологии.
Возьмём, к примеру, формулу Эйнштейна E=mc², которая связывает массу и энергию. Константа "c" обозначает скорость света и равна примерно 300 000 километров в секунду. Однако мы не знаем, почему скорость света имеет именно такое значение. Аналогичных констант в физике существует множество, начиная от массы электрона и заканчивая силой гравитации. Согласно некоторым подсчётам, существует 26 фундаментальных констант, которые нельзя объяснить с помощью более глубоких теорий, они просто существуют. И это вызывает вопросы.
Например, если предположить, что эти числа случайны, то это поразительное совпадение. Ведь если бы, хотя бы одно число было другими, жизнь, как мы её знаем, не смогла бы существовать. Если бы гравитация была чуть сильнее или слабее, звёзды не смогли бы производить такое разнообразие элементов, необходимых для жизни.
Существуют и другие загадочные совпадения. Например, фундаментальные частицы оказываются менее массивными, чем они должны были бы быть, учитывая действующие на них силы. Так что в чём же дело? Возможно, существует более фундаментальная теория, о которой мы пока не знаем, и которая объяснит, почему эти константы имеют именно такие значения. Или ответ лежит где-то в другом месте.
Некоторые исследователи предполагают существование мультивселенной, в которой константы имеют разные значения, и где физика подчиняется другим законам. Есть и те, кто утверждает, что мы существуем потому, что находимся в такой Вселенной, которая подходит для жизни. Последняя идея является весьма гипотетической, и поскольку мы никогда не сможем её подтвердить или опровергнуть, она находится на границе научного подхода.
На самом деле, учение до сих пор не разгадали эту тайну. Чтобы приближенно понять суть процессов, нам требуется более глубокое изучение фундаментальных принципов физики. Это выводит нас на последнюю, но важную проблему – поиск Теории Всего.
Мы задаем вопрос: возможно ли существование единой теории, объединяющей в себе все законы физики? Ведь сейчас у нас имеется две теории, которые кажутся абсолютно несовместимыми. Но ученые уверены, что Теория Всего должна существовать, так как в истории физики уже были прецеденты унификации различных явлений.
Примером этому может служить работа Исаака Ньютона, который показал, что сила тяжести – это то, что заставляет яблоки падать с деревьев, и то же самое – что вращает планеты вокруг Солнца. Ньютон объединил два различных явления в один закон. Также ученые смогли объединить пространство и время, электричество и магнетизм и множество других явлений.
На протяжении годов исследований в области физики были созданы две основные теории: Общая теория относительности Эйнштейна (ОТО) и Квантовая теория поля (КТП). ОТО описывает законы гравитации, в то время как КТП занимается остальными фундаментальными силами: электромагнетизмом, сильным и слабым ядерным взаимодействиями. Интересно то, что практически все явления во Вселенной могут быть описаны при помощи этих четырех сил, несмотря на то, что на практике это очень сложно сделать.
Однако ОТО и КТП в некоторых случаях вступают в противоречие друг с другом, давая результаты, которые не совпадают по вопросам, связанным с микромасштабами и сверхвысокими энергиями. Таким образом, задача состоит в том, чтобы отыскать более глубокую структуру, объединяющую в себе черты Квантовой теории поля и Общей теории относительности Эйнштейна. Эта структура должна объяснить обе теории и тем самым стать основой для понимания всей физики. Это и есть Теория Всего, на путь к которой существует множество претендентов.
Одна из наиболее популярных идей в этом направлении – Теория Струн, которая предполагает, что Вселенная состоит из одномерных вибрирующих "струн". Согласно этой теории, все силы и типы материи возникают в результате различных вибраций этих струн.
Эта теория как и другие альтернативные теории, такие как Петлевая Квантовая Гравитация, могут стать темой для обширного разговора, однако на данный момент нет достоверных доказательств ни одной из них. Для подтверждения Теории Всего нам нужно было бы выявить те области, в которых Квантовая теория поля и Общая теория относительности не работают, другими словами, где они дают неверные предсказания. Это могло бы указать на наличие более глубоких законов физики. Однако эти теории настолько точны и успешны, что найти их слабые стороны крайне сложно.
Да, существуют редкие примеры, такие как эксперимент Muon g-2 или темная энергия в космологии, которые на данный момент не имеют удовлетворительного объяснения в рамках существующих теорий. Однако эти примеры скорее исключение, чем правило, в огромной "пустыне" нашего непонимания. К тому же поиск Теории Всего – это непростая задача.
Такая структура объяснила бы не только темную энергию, но и темную материю, гипотетические инфлатоны и многие другие вопросы, связанные с так называемой "проблемой тонкой настройки". Это была бы попытка решить все фундаментальные проблемы физики одновременно.
В этих поисках ученые используют знания, полученные из изучения как самых маленьких, так и самых больших объектов во Вселенной. Им нужно понимать как физику элементарных частиц, так и космологию. Существует еще множество нерешенных проблем, в которых также проявляется необходимость междисциплинарного подхода. Это подчеркивает, насколько сложным и долгим может быть путь вперед, и насколько важно сотрудничество в научном сообществе.
Если вам понравилась статья, подписывайтесь на наш канал, чтобы не пропустить новые публикации. Также не забудьте поделиться статьей с друзьями и оставить свои комментарии – нам важно знать ваше мнение!
Спасибо за внимание, и до новых встреч!
