Во Вселенной много интересных фактов, секретов и загадочностей, которые человек еще не открыл. Вот 10 загадок Вселенной, которые даже ученым трудно объяснить и разгадать головоломки.
Вопреки тому, что показывают в новостях по кабельному телевидению, среди ученых практически нет разногласий относительно обоснованности эволюции (она реальна), ускоренных темпов изменения климата, выходящих за рамки естественных причин (это реально), а также безопасности и широкого распространения вакцин для детей (они безопасны). Хотя в рамках этих тем могут возникать незначительные разногласия, они не столь значительны, как представляется в средствах массовой информации. Тем не менее, важно отметить, что ученые не обладают полным пониманием всех аспектов Вселенной.
10. Большой взрыв - гибель Земли в нашем понимании этого слова
Вопрос о том, каким образом наступит конец Вселенной, был предметом размышлений многих поколений. В настоящее время научные достижения позволили нам предпринять попытку дать ответ на этот вопрос.
Ранее астрономы полагали, что Вселенная претерпит периоды расширения и сжатия в бесконечном цикле космической гибели и возрождения. Однако наиболее убедительные свидетельства указывают на отдаленный апокалипсис, который вызывает более глубокую экзистенциальную тревогу, чем апокалиптические видения из Книги Откровения. Через миллиарды лет после того, как Земля будет уничтожена, Вселенная будет постепенно распадаться на части, пока формирование галактик и звезд не прекратится. Впоследствии звезды постепенно погаснут, и ночное небо потемнеет. Вся оставшаяся материя будет поглощена черными дырами, пока от нее ничего не останется. В конце концов, последние остатки тепла исчезнут.
Вместо того, чтобы погибнуть в огне и сере, Вселенная, скорее всего, подвергнется тому, что астрономы называют "тепловой смертью". Это явление известно как "Большая заморозка".
В 1922 году известный русский физик и математик Александр Фридман сформулировал выдающийся набор уравнений, известный как уравнения Фридмана. Эти расчеты показали, что судьба нашей Вселенной зависит от ее плотности и потенциально может либо расширяться, либо сжиматься, а не оставаться в стабильном состоянии. Накопление достаточного количества материи в конечном счете привело бы к прекращению расширения Вселенной, что привело бы к ее сжатию вовнутрь.
В 1960-х и 1970-х годах, подсчитав все количество материи в наблюдаемой Вселенной, астрономы пришли к выводу, что ее массы достаточно, чтобы заставить вселенную сжаться до состояния бесконечной плотности или даже превратиться в огромную черную дыру.
Некоторые ученые выдвинули гипотезу, что после сжатия в бесконечно малую точку, известную как "Большой хруст", Вселенная начнет еще одно расширение, или "Большой скачок".
В 1970-х и 1980-х годах выдающийся физик Джон Уилер, ключевая фигура в создании термина "черная дыра", отстаивал концепцию Большого сжатия. Для него этот результат был логичным завершением. Происходил сдвиг парадигмы в понимании черных дыр, и Уилер рассматривал каждую из них как "тестовую модель" конечного состояния Вселенной.
Тем не менее, Уилер признал, что его предпочтение "Большому сжатию" отчасти объясняется его эстетической привлекательностью. Концепция была легко визуализирована.
9.Мультивселенная
Теория Мультивселенной предполагает, что наша Вселенная, со всеми ее сотнями миллиардов галактик и почти бесчисленным количеством звезд, простирающаяся на десятки миллиардов световых лет, может быть не единственной. Вместо этого может существовать совершенно другая вселенная, удаленная от нашей — и еще одна, и еще одна. Действительно, может существовать бесконечное множество вселенных, каждая со своими собственными законами физики, своими собственными наборами звезд и галактик (если звезды и галактики могут существовать в этих вселенных) и, возможно, даже со своими собственными разумными цивилизациями.
Вполне возможно, что наша вселенная - всего лишь один из элементов гораздо более грандиозного множества вселенных: мультивселенной.
Многие ученые пытались найти более убедительные физические доказательства существования мультивселенной. Например, если соседняя вселенная когда-то была близка к нашей, она могла столкнуться с нашей вселенной, оставив заметный отпечаток. Согласно блогу "Ранняя Вселенная", опубликованному Университетским колледжем Лондона, этот отпечаток может быть в виде искажений космического микроволнового фона (света, оставшегося с тех времен, когда Вселенная была в миллион раз меньше, чем сегодня) или в странных свойствах галактик в направлении столкновения.Но все эти поиски ни к чему не привели, так что мультивселенная остается гипотетической.
Возможно, самым поразительным следствием существования мультивселенной является существование двойников. Если вселенных действительно бесконечное множество, но существует конечное число способов расположения частиц в каждой отдельной вселенной, то рано или поздно одни и те же закономерности неизбежно будут повторяться. Это означало бы, что на каком-то невероятном (но конечном!) расстоянии от вас будет находиться точная копия вас, читающая точную копию этой статьи. А поскольку вселенных было бы бесконечное количество, то, по данным Института физики, одновременно происходило бы бесконечное количество именно таких сценариев.
8. Космические лучи
Галактические лучи - это быстро движущиеся протоны и атомные ядра с высокой энергией, которые пересекают пространство со скоростью, близкой к скорости света. Они исходят из различных источников, включая Солнце, другие части нашей галактики Млечный Путь и даже далекие галактики. Когда они сталкиваются с атмосферой Земли, они создают каскады вторичных частиц, некоторые из которых достигают поверхности, в то время как многие останавливаются либо магнитосферой, либо гелиосферой.
Существование галактических лучей было впервые обнаружено Виктором Гессом в 1912 году во время экспериментов с воздушными шарами, которые принесли ему Нобелевскую премию по физике в 1936 году.
С конца 1950-х годов прямое измерение галактических лучей, особенно при более низких энергиях, стало возможным благодаря использованию спутников. Подобно детекторам, используемым в ядерной физике и физике высоких энергий, детекторы частиц используются на спутниках и космических зондах для изучения этих космических лучей. Результаты, полученные космическим телескопом "Ферми" в 2013 году, показали, что значительная часть первичных галактических лучей может быть получена в результате взрывов звезд, известных как сверхновые. Кроме того, обнаружение нейтрино и гамма-лучей от квазара TXS 0506+056 в 2018 году позволяет предположить, что активные ядра галактик также могут быть источниками галактических лучей.
В верхних слоях стратосферы галактические лучи могут оказывать воздействие как на людей, так и на электронные устройства. Астронавты и члены летного экипажа подвергаются более высокому уровню радиации из-за галактических лучей по сравнению с населением в целом, хотя риск незначителен. Однако электронные системы более уязвимы. Иногда высокоэнергетические частицы галактического излучения могут проникать в электронную систему, вызывая серьезные повреждения. Эти высокоэнергетические частицы могут нарушать работу электронных данных, что приводит к сбоям в работе системы. В мире, который все больше зависит от цифровых технологий, эта потенциальная угроза вызывает беспокойство.
Наше понимание возможных последствий галактических лучей все еще находится в стадии становления, и в настоящее время предпринимаются усилия по поиску решения для смягчения их воздействия.
7. Космический рёв
В 2006 году ученые из Центра космических полетов имени Годдарда НАСА отправили в космос аппарат ARCADE на гигантском воздушном шаре в поисках излучения самых ранних звезд Вселенной. ARCADE (Абсолютный радиометр для космологии, астрофизики и рассеянного излучения) оснащен семью датчиками, которые улавливают электромагнитное излучение, подобное радиоволнам. Планировалось поднять его достаточно высоко, чтобы предотвратить воздействие атмосферы Земли. Затем тонко настроенный прибор смог обнаружить слабые радиосигналы от древних звезд.
Вместо этого ARCADE обнаружил огромное количество радиошумов — в шесть раз громче, чем предсказывали ученые, — которые с тех пор стали известны как "космический рев". И хотя есть несколько теорий, мы до сих пор не знаем, что их вызывает.
По словам Дейла Фиксена, ученого-исследователя из Университета Мэриленда и члена команды ARCADE, в НАСА уже были созданы устройства, которые обнаруживали радиошумы. Они работали, если смотреть на одну точку в небе, а затем на другую, расположенную поблизости, для контраста. Эти приборы были полезны для обнаружения радиоизлучающих галактик и сверхновых, поскольку они измеряли разницу между двумя точками. Но они не смогли обнаружить грохот.
С другой стороны, теоретики считают, что мы обнаружили почти все источники этого излучения за пределами нашей галактики. И мы знаем, что ни один из этих источников не вызывает "рев".
По словам Фиксена, существует несколько возможных объяснений. Во-первых, "рев" мог исходить от самых ранних звезд. У первых звезд не было пыли, потому что первая пыль во Вселенной образовалась внутри этих звезд. Это могло бы позволить этим звездам создавать большое количество синхротронного излучения без соответствующего количества инфракрасного излучения.
Во—вторых, излучение может исходить от газов в больших скоплениях галактик - Фиксен говорит, что для приборов, которые мы использовали до сих пор, было бы сложно обнаружить излучение от них.
В-третьих, оно может исходить от тусклых, но чрезвычайно многочисленных радиогалактик. По отдельности они были бы слишком тихими, чтобы мы могли их обнаружить, но в совокупности они могли бы быть достаточно громкими, чтобы создать "рев".
6. Черные дыры
Черная дыра - это область в космосе, где гравитационное притяжение настолько сильно, что даже свет не может вырваться наружу. Эта огромная гравитация возникает из-за сжатия вещества в чрезвычайно малом объеме, что часто имеет место на заключительных этапах жизни звезды.
Поскольку свет не может вырваться наружу, черные дыры остаются невидимыми. Специальные приборы на космических телескопах способны обнаруживать черные дыры, наблюдая за необычным поведением звезд вблизи них по сравнению с более удаленными.
Черные дыры могут различаться по размеру. Исследователи предполагают, что самые крошечные черные дыры могут быть размером с один атом и обладать массой, сравнимой с массой большой горы. Масса относится к количеству вещества, содержащегося в объекте.
Другая категория черных дыр называется "звездными". Они могут иметь массу, в 20 раз превышающую массу Солнца, и многочисленные черные дыры звездной массы, вероятно, существуют в пределах Млечного Пути, нашей галактики.
Самые массивные типы черных дыр известны как "сверхмассивные", их масса превышает массу миллиона солнц. Данные свидетельствуют о том, что в ядре каждой крупной галактики есть сверхмассивная черная дыра, подобная Стрельцу А, расположенной в самом сердце Млечного Пути, с массой около 4 миллионов солнц.
По оценкам исследователей, только в нашей галактике может быть до 100 миллионов черных дыр, масса которых может достигать миллиардов солнечных масс. Кроме того, почти во всех галактиках, включая нашу, в центре находится сверхмассивная черная дыра.
Тем не менее, судьба объектов, проходящих через этот центр, остается загадкой; они могут подвергаться "спагеттификации", вытягиваться в тонкие нити материи или, возможно, переноситься в другую область Вселенной. Действительно, жутковато.
5. Парадокс Ферми
Парадокс Ферми направлен на то, чтобы ответить на вопрос о том, где находятся инопланетяне. Учитывая, что наша звезда и Земля являются частью молодой планетной системы по сравнению с остальной Вселенной, и что межзвездные путешествия могут быть довольно простыми, теория гласит, что Землю уже должны были посетить инопланетяне.
Как гласит история, итальянский физик Энрико Ферми, наиболее известный тем, что создал первый ядерный реактор, выдвинул эту теорию в 1950 году, случайно обмолвившись об этом за обедом. Однако в последующие десятилетия исследователи внеземных цивилизаций ломали головы над ее выводами.
"Ферми понял, что любая цивилизация, обладающая скромным количеством ракетных технологий и нескромным количеством имперских стимулов, может быстро колонизировать всю галактику", - говорится на веб-сайте Института поиска внеземного разума (SETI) в Маунтин-Вью, Калифорния. - В течение десяти миллионов лет каждая звездная система может оказаться под крылом империи. Десять миллионов лет могут показаться долгим сроком, но на самом деле это довольно короткий срок по сравнению с возрастом галактики, который составляет примерно десять тысяч миллионов лет. Колонизация Млечного Пути должна быть быстрой".
Сообщается, что Ферми сделал первое замечание, но он умер в 1954 году. Публикация выпала на долю других людей, таких как Майкл Харт, который написал статью под названием "Объяснение отсутствия инопланетян на Земле" в ежеквартальном журнале Королевского астрономического общества (RAS) в 1975 году. (Некоторые говорят, что это первая подобная статья, в которой исследуется парадокс Ферми, хотя это утверждение немного трудно доказать.)
4. Антивещество
Антивещество служит аналогом обычной материи.
В частности, субатомные частицы антивещества обладают свойствами, обратными тем, которые присущи обычной материи, например, имеют обратный электрический заряд. Хотя антивещество возникло наряду с материей после Большого взрыва, оно остается исключительно редким в современной Вселенной, и причины его редкости до сих пор неясны ученым.
Чтобы понять концепцию антивещества, сначала нужно понять материю. Материя состоит из атомов, которые являются основными строительными блоками таких химических элементов, как водород, гелий или кислород.
Структура атома сложна и состоит из различных экзотических частиц с такими характеристиками, как спин и "аромат", которые физики только начинают изучать. На фундаментальном уровне атомы содержат электроны, протоны и нейтроны. Каждый элемент определяется определенным количеством протонов в его атомах: например, водород содержит один протон, а гелий - два.
Частицы антивещества образуются при столкновениях на сверхвысоких скоростях. В первые моменты после Большого взрыва Вселенная состояла из чистой энергии. По мере ее расширения и охлаждения образовалось равное количество вещества и антивещества. Вопрос о том, почему материя в конечном итоге возобладала, остается открытым для исследователей. Одна из гипотез предполагает, что изначально было произведено больше обычной материи, чем антиматерии, что позволило достаточному количеству вещества пережить процесс аннигиляции, приведший к образованию звезд и галактик.
3. Квантовая запутанность
Квантовая запутанность, получившая известное название "жуткое действие на расстоянии" от сомнительного Альберта Эйнштейна, - это явление, при помощи которого две частицы в совершенно разных частях Вселенной могут быть связаны друг с другом, отражая поведение и состояние своей партнерши.
Квантовая запутанность является некоторой помехой для классической физики, поскольку она нарушает некоторые фундаментальные законы, которые мы ранее считали нерушимыми. Чтобы частицы могли соединяться на таких огромных расстояниях, они должны посылать друг другу сигналы, которые распространяются быстрее скорости света: достижение, ранее считавшееся невозможным. Более того, предполагается, что на объекты влияет только их окружение; представление о том, что на частицу влияет что-то, происходящее на другом конце Вселенной, просто... странно.
Тем не менее, исследования показывают, что квантовая запутанность действительно существует. И хотя мы этого не понимаем, мы все равно потенциально можем ее использовать. Из-за своих жутких характеристик запутанность может в конечном итоге стать основой вычислений и коммуникаций следующего поколения. Так что следите за этим пространством.
2. Темная энергия
Темная энергия - это название таинственной силы, которая заставляет скорость расширения нашей Вселенной со временем ускоряться, а не замедляться. Это противоречит тому, что можно было бы ожидать от вселенной, которая возникла в результате Большого взрыва. Астрономы 20-го века узнали, что Вселенная расширяется. Они думали, что расширение может продолжаться вечно или, в конечном счете, если Вселенная будет обладать достаточной массой и, следовательно, достаточной силой притяжения, обратится вспять и вызовет Большой коллапс. Теперь, в начале 21-го века, космология развила эту идею. Сегодня считается, что Вселенная расширяется быстрее, чем миллиарды лет назад. Что может быть причиной увеличения скорости расширения? Астрономы теперь иногда говорят о силе отталкивания, как о возможном способе ее понимания.
Вплоть до конца 1990-х годов большинство космологов полагали, что Вселенная не обладает достаточной массой, чтобы вызвать Большой коллапс. В частности, данные, полученные в ходе исследования 2dF Galaxy Redshift Survey и Sloan Digital Sky Survey, по-видимому, подтверждают, что Вселенная будет расширяться вечно, хотя и с постоянно замедляющейся скоростью, поскольку собственная масса и гравитация Вселенной пытаются удержать ее.
Первые признаки того, что вот-вот будет открыто нечто революционное, появились в 1998 году во время исследования сверхновых типа 1А. Эти массивные взрывы умирающих гигантских звезд чрезвычайно полезны для астрономов, поскольку они всегда излучают одинаковое количество света и поэтому могут использоваться в качестве так называемых “стандартных свечей” для расчета расстояний в космосе. Это очень простая идея. Представьте себе ночных светлячков: все они светятся с одинаковой естественной яркостью. Измерив их яркость с того места, где вы находитесь, вы можете рассчитать расстояние до них.
Исследование 1998 года проводилось двумя международными группами астрономов, в состав которых входили американцы Адам Рисс и Сол Перлмуттер, а также Брайан Шмидт из Австралии. Используя восемь телескопов по всему миру, они поставили перед собой цель использовать расстояние до сверхновых типа 1А для расчета скорости расширения Вселенной, известной как постоянная Хаббла (хотя на самом деле, поскольку скорость расширения Вселенной меняется со временем, технически она не является постоянной).
Результаты исследования были поразительными. Далекие сверхновые, которые взорвались, когда Вселенной было всего 2/3 от ее нынешнего возраста, были намного слабее, чем должны были быть, и, следовательно, находились гораздо дальше. Из этого следовало, что Вселенная расширялась гораздо быстрее, чем следовало бы, если верить современным представлениям.
1. Темная материя
Видимые компоненты Вселенной, включая планеты, звезды, астероиды и галактики, составляют менее 5% от ее целостности. Ученые предполагают, что примерно 25% состоит из загадочного вещества, известного как темная материя. Хотя эта материя невидима и до конца не изучена, о ее присутствии можно судить по гравитационному воздействию, которое она оказывает на видимые объекты.
Гипотеза о темной материи эффективно объясняет различные измерения, завоевав значительный авторитет среди ученых. Однако она остается недоказанной концепцией, основанной исключительно на косвенных доказательствах ее существования. Если бы темная материя существовала, мы могли бы наблюдать за ее взаимодействиями, проходящими через Землю, и, возможно, создавать ее в крупномасштабных коллайдерах частиц, таких как Большой адронный коллайдер. К сожалению, эти усилия не увенчались успехом.
Более того, модели темной материи должны согласовываться со всеми астрономическими наблюдениями, а не только с некоторыми избранными. Хотя эта модель остается ведущей, она не соответствует определенным прогнозам, таким как количество карликовых галактик, окружающих более крупные галактики, такие как Млечный Путь — текущие наблюдения по-прежнему показывают меньшее количество карликовых галактик, чем предполагают теории темной материи.
Другой важной нерешенной проблемой является влияние темной материи на корреляцию между яркостью галактик и скоростью их вращения, известную как соотношение Талли-Фишера, установленное в 1977 году, которое последовательно показывает связь между видимой массой галактики и скоростью ее вращения.