8 suurinta fysiikan mysteeriä, jotka ovat edelleen ratkaisematta

1. Miksi aika virtaa vain eteenpäin

Fysiikassa on käsite "ajan nuoli (tai akseli). Se kuvaa ajan kulkua menneestä tulevaisuuteen. Ja on paljon todisteita siitä, että aika suosii tiettyä suuntaa.

Termodynamiikan toisen lain mukaan eristetyssä järjestelmässä entropia (epäjärjestyksen mitta) kasvaa ajan myötä. Tämä tarkoittaaettä luonnossa tapahtuvat prosessit yleensä etenevät suuntaan, jossa energia jakautuu tasaisemmin ja järjestelmä muuttuu epäjärjestyneemmäksi.

Esimerkiksi kun rikomme munan, se ei uusiudu itsestään. Et voi kääntää aikaa taaksepäin ja tehdä asioita niin kuin ne olivat. Entropia on armotonta.

Lisäksi yleisen suhteellisuusteorian mukaan ajan myötä maailmankaikkeus laajenee. Havainnot osoittavat, että se on käynyt läpi korkean tiheyden ja alhaisen entropian tilan menneisyydessä (tätä tapahtumaa kutsumme "alkuräjähdykseksi") ja on siirtymässä kohti tulevaa korkean entropian tilaa.

Yleisesti ottaen on helppo nähdä, että aika on peruuttamaton ja kulkee aina yhteen suuntaan. Ja tiedemiehet eivät koskaan ymmärrä miksi näin on. Ja voiko aika virrata myös taaksepäin?

2. Mitä on pimeä energia

Universumi laajenee. Hän tekee sen aivan kuin ilmapallo, vain valonnopeutta nopeammin.

1990-luvulla tähtitieteilijät löydettyettä maailmankaikkeuden laajeneminen vain kiihtyy ajan myötä, eikä hidastu painovoiman vaikutuksesta, kuten sen teoriassa pitäisi olla. Tämä havainto johti ehdotukseen, että on olemassa jonkinlainen energia, joka vastustaa painovoimaa ja edistää universumin kiihtynyttä laajenemista.

Luultavasti pimeää energiaa täyttää Universumin koko aika-avaruusrakenne ja on sen energiasisällön pääkomponentti. Mutta sitä ei voi suoraan havaita tai mitata.

74 % maailmankaikkeudesta on pimeää energiaa, 22 % on pimeää ainetta, 3,6 % on galaksien välistä kaasua ja 0,4 % on banaalisia, kiinnostamattomia tähtiä, planeettoja ja muita pieniä asioita.

Ei ole selvää, miksi linjaus on tällainen.

Pimeän energian luonne on myös jäännökset mysteeri tieteelle. Niitä on erilaisia teorioitajotka yrittävät selittää sen alkuperää, mukaan lukien kvanttityhjiön ja kosmologisen vakion käsitteet.

Samaan aikaan pimeällä energialla on suuri merkitys universumin perusominaisuuksien ja sen tulevan kohtalon ymmärtämisessä. Siitä riippuu, jatkuuko maailmankaikkeuden laajeneminen loputtomiin, hidastuuko vai jopa päinvastoin tulevaisuudessa.

3. Mikä on pimeä aine

Pimeä on hypoteettinen aineen muoto, joka ei ole vuorovaikutuksessa sähkömagneettisen säteilyn kanssa eikä siksi lähetä, absorboi tai heijasta valoa. Sitä ei voida havaita tavallisilla laitteillamme ja instrumenteillamme, minkä vuoksi sitä kutsutaan sellaiseksi.

Mutta niitä on monia todisteita pimeän aineen olemassaolo maailmankaikkeudessa. Ne perustuvat gravitaatiovaikutukseen, joka sillä on näkyviin esineisiin.

Vaikka pimeä aine on näkymätön, se vaikuttaa tähtien, galaksien ja galaksijoukkojen liikkeisiin.

Tähtitieteellinen tutkimus näytäettä nämä esineet liikkuvat ikään kuin niihin vaikuttaisi lisämassa, ja tätä ei voida selittää havaitsemamme aineen määrällä. Siksi pimeä aine pitää galakseja ja muita jättimäisiä rakenteita yhdessä gravitaatiovoimansa vaikutuksesta.

Yleensä fyysikot eivät ymmärrä mitä pimeä aine on, mistä hiukkasista se koostuu, mitkä ovat sen ominaisuudet ja onko sitä ollenkaan olemassa. Ehkä tähtien ja galaksien havaittu käyttäytyminen ei liity mihinkään aineeseen ja se on vain painovoiman omituisuuksia. Tiede ei ole vielä keksinyt sitä.

4. Miksi perusvakiot ovat sellaisia ​​kuin ne ovat?

Perusvakiot ovat numeerisia arvoja, jotka kuvaavat universumin fysikaalisia ominaisuuksia ja vuorovaikutuksia. Ne ovat perus eivätkä riipu tietyistä yksikköjärjestelmistä.

Vakiot määrittävät luonnon perusominaisuudet ja lait, jotka vaikuttavat koko maailmankaikkeuden rakenteeseen ja kehitykseen. Kaikki nämä numerot noin 25. Heidän joukossa:

• Valon nopeus tyhjiössä (c) - määrittää suurimman nopeuden, jolla informaatio tai vuorovaikutukset voivat levitä maailmankaikkeudessa.
• Planckin vakio (h) eli toiminnan kvantti - määrittää hiukkasten ja aaltojen energian ja taajuuden välisen suhteen raja makrokosmosen, jossa pätevät Newtonin mekaniikan lait, ja mikrokosmosen välillä, jossa kvanttimekaniikan lait tulevat voimaan. mekaniikka.
• Painovoimavakio (G) - määrittää massojen välisen gravitaatiovuorovaikutuksen voimakkuuden ja vaikuttaa universumin esineiden rakenteeseen ja liikkeisiin.
• Elektronin massa (mₑ).
• Perusmaksu (e).
• Kosmologinen vakio (Λ), jota kutsutaan myös perusvakioksi.

Ja tiedemiehet eivät voi ymmärtää, miksi kaikilla näillä numeroilla on täsmälleen samat merkitykset kuin niillä, eivätkä muilla.

Ehkä voimme vain havaita olemassaolomme kanssa yhteensopivia merkityksiä, koska elämää voisi syntyä vain sellaisesta universumista. Tätä kutsutaan antrooppiseksi periaatteeksi.

Esimerkiksi hienorakennevakio, jota yleensä merkitään kirjaimella "alfa", määrittelee magneettisten vuorovaikutusten vahvuus. Sen numeerinen arvo on noin 0,007297. Jos luvut olisivat erilaiset, universumissamme ei ehkä olisi vakaata ainetta.

Ja silti fyysikot pohtivat, kuinka maailmankaikkeus muiden fysikaalisten parametrien kanssa muuttuisi. Olla olemassa hypoteeseja, jonka mukaan perusvakioiden arvot ovat satunnaisia ​​ja määräytyvät varhaisen universumin vaihteluista - vain jotkut numerojoukot. Tämä oletus viittaa siihen, että on olemassa monia universumeja, joilla on erilaiset vakioarvot. Ja olemme vain onnekkaita, että olemme siinä, missä nämä arvot sopivat parhaiten elämän kehittymiseen.

5. Mitä mustissa aukoissa tapahtuu

Mustat aukot Nämä ovat ulkoavaruuden alueita, joilla on uskomattoman voimakas painovoima. Mustan aukon, ns. tapahtumahorisontin, takana painovoima on niin voimakas, että mikä tahansa, ei edes valo, voi paeta.

Fyysikot uskovat, että mustan aukon keskellä on singulaarisuus - piste, jolla on ääretön tiheys ja äärettömän voimakas gravitaatiokenttä. Mutta mitä se on, miltä se saattaa näyttää ja miten se tarkalleen toimii, mikään teoria ei voi selittää.

Jotkut tiedemiehet jopa olettaaettä singulaarisuus ei ehkä ole piste, vaan sillä voi olla eri muotoja - tämä pätee pyöriviin mustiin aukkoihin. Niin kutsutulla Kerrin mustalla aukolla, matemaatikko ja astrofyysikko Roy Kerrin kuvaamalla hypoteettisella objektilla, on rengasmainen singulaarisuus. On jopa mahdollista lentää tällaisen reiän läpi ja selviytyä. Teoriassa.

Mutta singulaarisuuden sisällä olevien fysikaalisten prosessien tarkka kuvaamiseksi tarvitaan yhtenäinen teoria painovoima ja kvanttimekaniikka, jota ei ole vielä kehitetty.

6. Miksi universumissa on niin vähän antimateriaa?

Tavallisessa aineessa alkuainehiukkasilla, kuten elektroneilla ja protoneilla, on vastaavasti negatiivinen ja positiivinen varaus. Antimateriassa nämä varaukset ovat käänteisiä: antielektronit (kutsutaan myös positroneiksi) ovat positiivisesti varautuneita, kun taas antiprotonit ovat negatiivisesti varautuneita.

antimateriaa on samat fysikaaliset ominaisuudet kuin tavallisella, mukaan lukien hiukkasten massa, spin ja muut ominaisuudet. Mutta kun antihiukkanen kohtaa vastaavan tavallisen, ne voivat tuhota toisensa muuttuen puhtaaksi energiaksi.

Litra jonkinlaista anti-vetyä haisee joutuessaan kosketuksiin ilman kanssa atomipommille.

Kuinka hyvä on, että suurin määrä antivetyä, jonka he onnistuivat syntetisoida tutkijat kerrallaan - 309 atomia.

Tähtitieteelliset havainnot näytäettä maailmankaikkeus ja jopa kaukaisin tähdet ja galaksit on tehty aineesta, ja siinä on hyvin vähän antimateriaa. Tätä eroa baryonien (kolmesta kvarkista koostuvat hiukkaset) ja antibaryonien (kolmesta antikvarkista koostuvat antihiukkaset) lukumäärän välillä universumissamme kutsutaan baryonien epäsymmetriaksi.

Jos maailmankaikkeus olisi täysin symmetrinen, baryonien ja antibaryonien lukumäärän pitäisi olla yhtä suuri, ja havainnoisimme kokonaisia ​​antiaineen galakseja. Todellisuudessa kaikki on kuitenkin tehty baryoneista, ja antibaryoneja täytyy syntetisoida hiukkaskiihdyttimissä ei vain teelusikalla, vaan atomilla. Siksi antimateria on eniten kallis juttu maailmassa.

Alkuainehiukkasten standardimallin mukaan heti alkuräjähdyksen jälkeen maailmankaikkeudessa olisi pitänyt olla yhtä paljon kvarkkeja ja antikvarkeja. Kuitenkin jotain tapahtui, mikä tarkalleen ei ole selvää, mutta melkein kaikki antibaryonit tuhottu, ja aine muodostui jäljellä olevista baryoneista. Se on itse asiassa se, mistä maailmankaikkeus koostuu. Ja muuten sinäkin. Ja tiedemiehet, jotka eivät vieläkään ymmärrä, miksi avaruudessa on niin vähän antimateriaa.

7. Onko tyhjiö vakaa?

Tyhjiö on avaruus, jonka energia on mahdollisimman pieni, mutta toisin kuin nimensä, se ei ole täysin tyhjä. Se sisältää edelleen kvanttikenttiä, jotka määräävät alkuainehiukkasten käyttäytymisen. Tiedemiehet uskoaettä todellinen tai fyysinen tyhjiö, jonka tiedämme, on maailmankaikkeuden vakain tila, koska sitä pidetään energian globaalina miniminä.

Teoriassa on kuitenkin mahdollista, että fyysisen tyhjiön tila on kvanttikenttien konfiguraatio, joka on vain paikallinen, ei globaali energiaminimi. Toisin sanoen tyhjiö, jonka voimme havaita syvässä avaruudessa tai luoda laboratoriossa, on "väärä". Joten voi olla "totta".

Ja jos "todellinen" tyhjiö on olemassa, olemme suurissa vaikeuksissa.

Jos oletamme, että universumimme ei ole "tosi" vaan "väärä" tyhjiön tilassa, sen hajoaminen vakaampaan tilaan tulee mahdolliseksi. Tällaisen prosessin seuraukset voivat olla mitä suurimmat kauhistuttava ja vaihtelevat kosmologisten parametrien hienovaraisista muutoksista, jotka riippuvat potentiaalierosta "väärin" ja "todellisen" tyhjön välillä, kunnes alkuainehiukkasten ja perushiukkasten toiminta lakkaa kokonaan voimat.

Jos jossain avaruudessa ilmaantuu "todellisen" tyhjiön kupla, se voi johtaa baryonisen aineen täydelliseen tuhoutumiseen tai jopa universumin välittömään painovoiman romahtamiseen.

Lyhyesti sanottuna, toivokaamme, että tyhjiömme on maailman luotettavin. Mitä muuta on jäljellä?

8. Mikä tulee olemaan maailmankaikkeuden loppu

Ja koska puhumme sellaisista jännittävistä globaaleista ongelmista kuin maailmankaikkeuden painovoiman romahtaminen: fyysikot ovat koonneet lista mielenkiintoisimmat asiat, joita avaruudelle voi tapahtua tulevaisuudessa, mutta älä koskaan päätä, mikä skenaario on todennäköisin.

Big Bang -teorian mukaan maailmankaikkeus nousi noin 13,8 miljardia vuotta sitten tiheästä ja kuumasta tilasta, jota kutsutaan singulaariseksi, ja siitä lähtien kaikki on kasvanut ja jäähtynyt. Tämä teoria selittää hyvin useita havaittuja ilmiöitä, kuten kosmisen taustasäteilyn ja laajenemisen. Universumi. Mutta mitä tapahtuu seuraavaksi? Valitse mistä pidät eniten:

• lämpökuolema. Tämän konseptin sisällä oletettuettä ajan myötä maailmankaikkeudesta tulee yhä kylmempää ja yhtenäisempää. Siinä oleva energia loppuu, kaikki prosessit, kuten tähtien muodostuminen ja lämpöliike, hidastuvat ja pysähtyvät. Tämä johtaa maksimaaliseen entropian tilaan, jolloin kaikki hiukkaset ovat tasapainotilassa eivätkä muut tapahtumat ole mahdollisia universumissa.
• iso aukko. Universumi jatkuu laajentaa. Tämä tarkoittaa, että galaksit ja muut avaruusobjektit siirtyvät yhä enemmän poispäin toisistaan. Jos mikään ei muutu, kaukaisessa tulevaisuudessa gravitaatiovoimat eivät enää ole tarpeeksi vahvoja vastustamaan pimeän energian painetta. Tämä johtaa siihen, että kaikilla universumin rakennetasoilla, mukaan lukien galaksit, tähdet ja atomit, on voima, joka ylittää heidän oman vetovoimansa. Tämän seurauksena kaikki esineet hajoavat vähitellen erillisiksi hiukkasiksi.
• Iso puristus. Tämän skenaarion mukaan alkuräjähdyksen aiheuttama maailmankaikkeuden laajeneminen, hidasta ja lopulta kääntyy. Galaksien, tähtien ja planeettojen välisestä vetovoimasta tulee hallitseva voima. Niiden välinen etäisyys pienenee edelleen, kunnes universumi romahtaa takaisin singulaarisuuteen, jossa tiheys ja lämpötila nousevat äärettömän korkeiksi. Eikä ole kaukana uudesta alkuräjähdyksestä.

Mutta millainen kohtalo odottaa tilaa, on edelleen epäselvä. Odota vielä muutama tuhat septiljoonaa vuotta.