Бесконечная Вселенная: Самые сложные загадки физики к началу XXI века

1,8K прочитали

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?

В физике существует множество неразгаданных вопросов, которые продолжают вызывать интерес и дебаты среди ученых.

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.

В физике существует множество неразгаданных вопросов, которые продолжают вызывать интерес и дебаты среди ученых.-2

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.

В физике существует множество неразгаданных вопросов, которые продолжают вызывать интерес и дебаты среди ученых.-3

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.

В физике существует множество неразгаданных вопросов, которые продолжают вызывать интерес и дебаты среди ученых.-4

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.

В физике существует множество неразгаданных вопросов, которые продолжают вызывать интерес и дебаты среди ученых.-5

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.

В физике существует множество неразгаданных вопросов, которые продолжают вызывать интерес и дебаты среди ученых.-6

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.

В физике существует множество неразгаданных вопросов, которые продолжают вызывать интерес и дебаты среди ученых.-7

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.

В физике существует множество неразгаданных вопросов, которые продолжают вызывать интерес и дебаты среди ученых.-8

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.

В физике существует множество неразгаданных вопросов, которые продолжают вызывать интерес и дебаты среди ученых.-9

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.

В физике существует множество неразгаданных вопросов, которые продолжают вызывать интерес и дебаты среди ученых.-10

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.

В физике существует множество неразгаданных вопросов, которые продолжают вызывать интерес и дебаты среди ученых.-11

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.

В физике существует множество неразгаданных вопросов, которые продолжают вызывать интерес и дебаты среди ученых.-12

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 физике существует множество неразгаданных вопросов, которые продолжают вызывать интерес и дебаты среди ученых.-13

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.

В физике существует множество неразгаданных вопросов, которые продолжают вызывать интерес и дебаты среди ученых.-14

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).

В физике существует множество неразгаданных вопросов, которые продолжают вызывать интерес и дебаты среди ученых.-15

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).

В физике существует множество неразгаданных вопросов, которые продолжают вызывать интерес и дебаты среди ученых.-16

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.

В физике существует множество неразгаданных вопросов, которые продолжают вызывать интерес и дебаты среди ученых.-17

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.

В физике существует множество неразгаданных вопросов, которые продолжают вызывать интерес и дебаты среди ученых.-18

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?

В физике существует множество неразгаданных вопросов, которые продолжают вызывать интерес и дебаты среди ученых.-19

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.

Читайте также: