В физике существует множество неразгаданных вопросов, которые продолжают вызывать интерес и дебаты среди ученых. Вот некоторые из самых сложных и захватывающих загадок — может, вы тоже захотите поломать голову?
Темная материя
Мы уже знаем, что темная материя существует из-за ее гравитационного влияния на галактики и кластеры галактик: ученые считают, что она составляет около 27% от массы энергетического содержимого Вселенной, но ее природа остается неизвестной.
Это вещество не взаимодействует с электромагнитным излучением (светом), что делает его чрезвычайно трудным для обнаружения. Пока что ученые разрабатывают различные теоретические модели и проводят эксперименты, чтобы понять, из чего состоит темная материя.
Квантовая гравитация
Одной из основных трудностей современной физики является объединение квантовой механики и общей теории относительности. Эти две фундаментальные теории отлично работают в своих областях, но их объединение для описания гравитации на очень малых масштабах пока что не удалось.
Есть различные подходы для решения этой задачи (теория струн, петлевая квантовая гравитация), но ни одна из этих моделей пока не получила всеобщего признания в научном сообществе.
Голые сингулярности
В рамках общей теории относительности сингулярности — это точки, где предсказания наших физических теорий разрываются, то есть где кривизна пространства-времени становится бесконечной.
Если такие объекты существуют в природе без окружающего их горизонта событий (как в черных дырах), это бы бросало вызов нашему пониманию фундаментальных законов физики и, возможно, требовало бы пересмотра теории относительности. Может, когда-то это и придется сделать…
Незавершенность стандартной модели
Стандартная модель элементарных частиц — это одна из самых успешных теорий, объясняющая взаимодействие всех известных элементарных частиц с высокой степенью точности.
Но модель имеет свои ограничения: она не учитывает гравитацию, темную материю и темную энергию. Эти пробелы говорят о необходимости создания дополнительной, более общей теории, которая бы могла объединить все фундаментальные силы и частицы.
Нарушение симметрии заряда и четности
В физике заложены принципы симметрии, например, симметрия заряда (C) и четности (P). Долгое время считалось, что эти симметрии абсолютно инвариантны, то есть не нарушаются, однако уже обнаружено, что в некоторых слабых ядерных взаимодействиях эти симметрии нарушаются.
Это наблюдение требует объяснения в рамках более фундаментальной теории, чем текущая стандартная модель элементарных частиц.
Сонолюминесценция
Это явление, при котором свет образуется при быстром сжатии пузырьков в жидкости— когда звуковые волны вызывают коллапс пузырьков, они начинают светиться.
Точный механизм, который приводит к высвобождению света в этом процессе, по-прежнему остается загадкой. Некоторые предполагают, что это связано с экстремальными условиями внутри пузырьков, но точных данных нет.
Фундаментальные константы
В физике есть безразмерные числа, которые играют ключевую роль в наших теориях, такие как постоянная тонкой структуры, но нет общей теории, объясняющей, почему эти константы имеют именно такие значения.
Более того, неизвестно, что произойдет, если эти значения изменятся! Исследование этих констант может привести к глубоким открытиям о природе Вселенной.
Природа гравитации и гравитоны
Существование гипотетической частицы — гравитона, которая переносит гравитационные силы на квантовом уровне, пока остается недоказанным.
Гравитон является еще одной частицей, которую ученые стремятся обнаружить, так как понимание этой частицы могло бы помочь объединить гравитацию с другими фундаментальными силами.
Ложный вакуум
В квантовой теории поля возможна ситуация, когда наша Вселенная может пребывать в состоянии ложного вакуума: это означает, что текущая энергия вакуума не является минимально возможной, в какой-то момент Вселенная может «туннелировать» в состояние с более низкой энергией.
Это явление могло бы привести к катастрофическим изменениям во всей структуре Вселенной, включая распад атомов.
Темная энергия и расширение Вселенной
Темная энергия — это загадочная форма энергии, которая составляет около 68% всей энергии во Вселенной. Ее основное свойство в том, что она вызывает ускоренное расширение Вселенной, противодействуя гравитационному притяжению, которое должно бы замедлять это расширение.
Открытие темной энергии в 1998 году исходило из исследования далеких сверхновых типа Ia, которые показали, что Вселенная расширяется с ускорением. В настоящее время есть несколько гипотез, объясняющих природу темной энергии, включая космологическую постоянную (лямбда-член в уравнениях Эйнштейна), квинтэссенцию (динамическое поле, меняющееся со временем) и модификации общей теории относительности. Однако пока ни одна из этих теорий не получила окончательного подтверждения.
Низкая энтропия в начале Вселенной
В начальный момент существования Вселенной, например, в эпоху Большого взрыва, она находилась в состоянии с низкой энтропией: это значит, что в те времена Вселенная была очень упорядоченной и однородной, хотя была чрезвычайно горячей и плотной.
Вопрос о том, почему начальные условия Вселенной были именно такими, связан с глубинными аспектами космологии и термодинамики. Некоторые ученые предполагают, что низкая энтропия объясняется квантовыми флуктуациями в ранней Вселенной или особенностями гравитационных взаимодействий, но точного подтверждения и доказательств пока не получила ни одна теория.
Параллельные вселенные
Концепция параллельных вселенных возникает в нескольких контекстах: квантовая механика, теории космологии и инфляционная модель Вселенной. В квантовой механике интерпретация многих миров (МВИ) указывает на то, что каждый квантовый процесс приводит к ветвлению Вселенной на множество возможных исходов.
В космологии инфляционная теория предполагает возможность существования «мультивселенной», состоящей из множественных «вселенских пузырей», которые могут обладать различными физическими свойствами. Хотя эти идеи вызывают большой интерес и интригу, они пока остаются больше гипотетическими, чем экспериментально подтвержденными.
И, конечно, очень привлекательными для деятелей искусства, писателей и режиссеров!
Ассиметрия материи и антиматерии
По теории стандартной модели для каждой частицы есть античастица, однако в наблюдаемой Вселенной материя преобладает над антиматерией. Эта асимметрия предполагает, что в ранней Вселенной происходили процессы, нарушающие симметрию между материей и антиматерией.
Одним из предположений является нарушение CP-инвариантности (сочетания зарядовой и пространственной инверсии) в распадах элементарных частиц. Такие нарушения были обнаружены, например, в распадах нейтральных каонов и в B-мезонах, однако их выявленного эффекта недостаточно для объяснения существующей асимметрии.
Судьба Вселенной и фактор Ω
Фактор Ω указывает на отношение плотности материи и энергии во Вселенной к критической плотности — в зависимости от его значения возможны различные сценарии будущего Вселенной. Если Ω>1, гравитация со временем остановит расширение и приведет к сжатию (Большое сжатие).
Если Ω<1, Вселенная будет расширяться вечно (Большой разрыв). Если Ω≈1, расширение продолжится в однообразном темпе (плоская Вселенная). На данный момент наблюдения указывают все же на то, что Ω≈1, но остаются вопросы о составных частях энергии и материи.
Теория струн и дополнительные измерения
Теория струн предполагает, что самые фундаментальные частицы — это не точечные объекты, а крошечные «струны», вибрации которых формируют различные элементарные частицы. Чтобы эта теория была математически консистентной, необходимо больше измерений, чем четыре известные нам (три пространственных и одно временное).
Например, в теории струн обычно предполагается существование 10 или 11 измерений. Эти дополнительные измерения, по предположениям, компактифицированы и слишком малы, чтобы их можно было наблюдать напрямую, однако подтверждение их существования — одна из открытых задач.
Уравнения Навье-Стокса и поведение жидкостей и газов
Уравнения Навье-Стокса описывают движение потоков в жидкостях и газах, эти уравнения важно понимать для решения множества практических задач в гидродинамике и аэродинамике, например, в авиации и метеорологии.
Однако их решение в общем случае представляет собой сложную математическую проблему. Неизвестно, существует ли всегда гладкое решение этих уравнений или же могут возникать сингулярности (турбулентные потоки) — и это является одной из Семи задач тысячелетия, предложенных Институтом Клэя.
Объединение всех сил Вселенной
Фундаментальные взаимодействия включают в себя гравитацию, электромагнетизм, слабое и сильное ядерные взаимодействия. При использовании высоких энергий, например, в ускорителе частиц, три из четырех сил (электромагнетизм, слабая и сильная) объединяются в одну, что бесхитростно называется Великое объединение.
Гравитация, описываемая теорией относительности, пока не объединена с другими тремя силами. Это задача создания «теории всего», которая способна согласовать квантовую механику и общую теорию относительности.
Что происходит внутри черной дыры?
Если заглянуть в черную дыру, то, предположительно, там будет коллапс материи до сингулярности, где кривизна пространства-времени становится бесконечной. Одним из ключевых вопросов является так называемая «проблема информации»: что происходит с информацией о материале, упавшем в черную дыру?
По одной теории, информация сохраняется на горизонте событий в виде «голограммы». Квантовая гравитация сможет предоставить ответы на эти и другие вопросы.
Эти темы представляют множество нерешенных вопросов в современной физике и космологии. Прогресс в их изучении не только углубит наше понимание фундаментальных законов природы, но и, возможно, приведет к кардинальным технологическим прорывам и новому взгляду на реальность.
ПОДПИСЫВАЙТЕСЬ на мой YouTube канал!
Ставьте ПАЛЕЦ ВВЕРХ и ПОДПИСЫВАЙТЕСЬ на Дзен канал.