8 највећих мистерија физике које су још увек нерешене

1. Зашто време тече само напред

У физици постоји концепт „стрелице (или осе) времена“. Описује ток времена из прошлости у будућност. И постоји много доказа да време фаворизује одређени правац.

Према другом закону термодинамике, у изолованом систему, ентропија (мера нереда) ће се временом повећавати. Ово значида се процеси у природи обично одвијају у правцу где се енергија равномерније распоређује и систем постаје неуређенији.

На пример, када разбијемо јаје, оно се не регенерише само од себе. Не можете да вратите време и урадите ствари какве су биле. Ентропија је немилосрдна.

Поред тога, према општој теорији релативности, током времена, Универзум проширује се. Посматрања показују да је прошао кроз стање високе густине и ниске ентропије у прошлости (овај догађај називамо „Велики прасак“) и да се креће ка будућем стању високе ентропије.

Уопштено говорећи, лако је видети да је време неповратно и да се увек креће у једном правцу. И научници никада неће схватити зашто је то тако. А да ли је могуће да време тече и уназад?

2. Шта је тамна енергија

Универзум се шири. Она то ради баш као балон, само брже од брзине светлости.

Деведесетих година прошлог века астрономи откривенода ширење свемира временом само убрзава, а не успорава под утицајем гравитације, као што би требало да буде у теорији. Ово запажање довело је до сугестије да постоји неки облик енергије који се супротставља гравитацији и доприноси убрзаном ширењу универзума.

Тамна енергија вероватно испуњава целокупну просторно-временску структуру Универзума и главна је компонента његовог енергетског садржаја. Али то се не може директно посматрати или мерити.

74% нашег Универзума је тамна енергија, 22% је тамна материја, 3,6% је интергалактички гас, а још 0,4% су баналне, незанимљиве звезде, планете и друге ситнице.

Зашто је поравнање на овај начин није јасно.

Сама природа тамне енергије је такође остаје мистерија за науку. Има разних теоријекоји покушавају да објасне његово порекло, укључујући концепте квантног вакуума и космолошке константе.

У међувремену, тамна енергија је од великог значаја за разумевање фундаменталних својстава Универзума и његове будуће судбине. Од тога зависи да ли ће се ширење Универзума наставити у недоглед, успорити или чак преокренути у будућности.

3. Шта је тамна материја

Тамна је хипотетичка форма материје која не реагује са електромагнетним зрачењем и стога не емитује, апсорбује или одбија светлост. Не може се открити нашим обичним инструментима и инструментима, због чега се тако и зове.

Али има их много доказ постојање тамне материје у Универзуму. Они се заснивају на гравитационом утицају који има на видљиве објекте.

Тамна материја, иако невидљива, утиче на кретање звезда, галаксија и јата галаксија.

Астрономска истраживања Прикажида се ови објекти крећу као да су под утицајем додатне масе, а то се не може објаснити количином материје коју посматрамо. Дакле, тамна материја држи галаксије и друге џиновске структуре заједно под утицајем своје гравитационе силе.

Уопште, физичари неће разумети шта је тамна материја, од којих се честица састоји, која су њена својства и да ли уопште постоји. Можда посматрано понашање звезда и галаксија није повезано ни са једном материјом и то су само необичности гравитације. Наука то још није схватила.

4. Зашто су фундаменталне константе такве какве јесу?

Фундаменталне константе су нумеричке вредности које карактеришу физичка својства и интеракције у универзуму. Оне су основне и не зависе од специфичних система јединица.

Константе одређују основна својства и законе природе, утичући на структуру и развој универзума у ​​целини. Сви ови бројеви око 25. Међу њима:

• Брзина светлости у вакууму (ц) – одређује максималну брзину којом се информације или интеракције могу ширити у универзуму.
• Планкова константа (х), или квант дејства, - одређује однос између енергије и фреквенције честица и таласа, проводних граница између макрокосмоса, где важе закони Њутнове механике, и микрокосмоса, где закони квантне механике ступају на снагу. механика.
• Константа гравитације (Г) – одређује јачину гравитационе интеракције између маса и утиче на структуру и кретање објеката у универзуму.
• Маса електрона (мₑ).
• Елементарни набој (е).
• Космолошка константа (Λ), која се такође назива фундаменталном.

И научници не могу да схвате зашто сви ови бројеви имају управо оно значење које имају, а не други.

Можда можемо посматрати само значења која су компатибилна са нашим постојањем, јер живот могао настати само у таквом универзуму. Ово се зове антропски принцип.

На пример, константа фине структуре, која се обично означава словом "алфа", дефинише јачина магнетних интеракција. Његова нумеричка вредност је приближно 0,007297. Да су бројеви другачији, можда не би било стабилне материје у нашем Универзуму.

И даље, физичари се питају како би се Универзум са другим физичким параметрима променио. Постоји хипотезе, према којем су вредности основних константи насумичне и одређене флуктуацијама у раном универзуму - само неки скуп бројева. Ова претпоставка имплицира да постоји много Универзума са различитим вредностима константи. И само смо срећни што смо у оном где су ове вредности најприкладније за развој живота.

5. Шта се дешава у црним рупама

Црне рупе Ово су области свемира са невероватно јаком гравитацијом. Иза црне рупе, такозваног хоризонта догађаја, гравитационо привлачење је толико снажно да ниједна материја, чак ни светлост, не може да побегне.

У самом центру црне рупе, верују физичари, постоји сингуларност – тачка бесконачне густине и бесконачно јаког гравитационог поља. Али шта је то, како би могло да изгледа и како тачно функционише, ниједна теорија не може да објасни.

Неки научници чак предложитида сингуларитет можда није тачка, али може имати различите облике - ово важи за ротирајуће црне рупе. Такозвана Керова црна рупа, хипотетички објекат који је описао математичар и астрофизичар Рој Кер, има прстенасту сингуларност. Биће могуће чак и пролетети кроз такву рупу и преживети. Теоретски.

Али да би се тачно описали физички процеси унутар сингуларитета, потребна је јединствена теорија гравитације и квантне механике, која још није развијена.

6. Зашто у универзуму има тако мало антиматерије?

У обичној материји, елементарне честице, као што су електрони и протони, имају негативно и позитивно наелектрисање, респективно. У антиматерији, ова наелектрисања су обрнута: антиелектрони (који се називају и позитрони) су позитивно наелектрисани, док су антипротони негативно наелектрисани.

антиматерија има исте физичке особине као и обичне, укључујући масу, спин и друге карактеристике честица. Али када се античестица сретне са одговарајућом обичном, оне могу да униште једна другу, претварајући се у чисту енергију.

Литар неке врсте антиводоника, када дође у контакт са ваздухом, мирисаће на атомску бомбу.

Како је добро да је максимална количина антиводоника коју су успели синтетизују научници у исто време - 309 атома.

Астрономска запажања Прикажида је универзум па и најудаљенији Звездице а галаксије су направљене од материје и у њој има врло мало антиматерије. Ова разлика између броја бариона (честица састављених од три кварка) и антибариона (античестица састављених од три антикварка) у нашем универзуму назива се барионска асиметрија.

Када би Универзум био потпуно симетричан, онда би број бариона и антибариона морао бити једнак, а ми бисмо посматрали читаве галаксије антиматерије. Међутим, у стварности, све је направљено од бариона, а антибариони морају да се синтетишу у акцелераторима честица не само кашичицом, већ атомом. Стога је антиматерије највише скупа ствар у свету.

Према стандардном моделу елементарних честица, одмах након Великог праска требало је да постоји једнак број кваркова и антикваркова у универзуму. Међутим, нешто се догодило, шта тачно није јасно, али скоро сви антибариони поништен, а материја је настала од преосталих бариона. То је, у ствари, оно од чега се универзум састоји. И ти, узгред, такође. И научници који још увек не могу да схвате зашто има тако мало антиматерије у свемиру.

7. Да ли је вакуум стабилан?

Вакум је простор са најнижом могућом енергијом, али супротно свом називу, није потпуно празан. Још увек садржи квантна поља која одређују понашање елементарних честица. Научници вероватида је прави, или физички, вакуум који познајемо најстабилније стање у универзуму, јер се сматра глобалним минимумом енергије.

Међутим, у теорији постоји могућност да је стање физичког вакуума конфигурација квантних поља, што је само локални, а не глобални енергетски минимум. Односно, вакуум који можемо посматрати у дубоком свемиру или створити у лабораторији је „лажан“. Дакле, може постојати "истина".

А ако постоји "прави" вакуум, ми смо у великој невољи.

Ако претпоставимо да је наш Универзум у стању не „правог“, већ „лажног“ вакуума, онда постаје могућ процес његовог распадања у стабилније стање. Последице таквог процеса могу бити највише застрашујући и варирају од суптилних промена космолошких параметара које зависе од разлике потенцијала између „лажног” и „правог” вакуума, до потпуног престанка функционисања елементарних честица и фундаменталних силе.

Ако се негде у свемиру појави мехур "правог" вакуума, то може довести до потпуног уништења барионске материје или чак до тренутног гравитационог колапса Универзума.

Укратко, надајмо се да је наш вакуум најпоузданији на свету. Шта је друго остало?

8. Шта ће бити крај свемира

А пошто говоримо о тако узбудљивим глобалним питањима као што је гравитациони колапс Универзума: физичари су саставили листа најзанимљивије ствари које би се могле десити свемиру у будућности, али никада не одлучите који је сценарио највероватнији.

Према теорији Великог праска, универзум настао пре око 13,8 милијарди година из густог и врућег стања званог сингуларитет, и од тада све расте и хлади се. Ова теорија добро објашњава бројне уочене феномене, као што су космичко позадинско зрачење и експанзија универзум. Али шта ће бити следеће? Изаберите оно што вам се највише свиђа:

• топлотна смрт. У оквиру овог концепта претпостављенода ће временом универзум постајати све хладнији и уједначенији. Енергија у њему ће бити исцрпљена, сви процеси, попут формирања звезда и топлотног кретања, ће се успорити и зауставити. Ово ће довести до стања максималне ентропије, када ће све честице бити у стању равнотеже и никакви даљи догађаји у Универзуму неће бити могући.
• велики јаз. Универзум наставиће проширити. То значи да ће се галаксије и други свемирски објекти све више удаљавати једни од других. Ако се ништа не промени, у далекој будућности гравитационе силе више неће бити довољно јаке да се одупру притиску тамне енергије. То ће довести до чињенице да ће на свим нивоима структуре унутар Универзума, укључујући галаксије, звезде и атоме, постојати сила која превазилази њихову сопствену силу привлачења. Као резултат тога, сви објекти ће се постепено разбити у засебне честице.
• Велики стисак. Према овом сценарију, ширење универзума, изазвано Великим праском, успори и на крају преокреће. Гравитационо привлачење између галаксија, звезда и планета ће постати доминантна сила. Удаљеност између њих ће наставити да се смањује све док се Универзум не сруши назад у сингуларитет, где густина и температура постају бесконачно високе. И ту није далеко од новог Великог праска.

Али каква судбина чека простор, још увек није јасно. Сачекајте још неколико хиљада септилиона година.