9 самых больших неразгаданных тайн в физике
В 1900 году британский физик Лорд Кельвин, как говорят, заявил: "В физике больше нет ничего нового для открытия. Все, что остается, - это все более точные измерения". В течение трех десятилетий квантовая механика и теория относительности Эйнштейна революционизировали эту область. Сегодня ни один физик не осмелился бы утверждать, что наши физические знания о Вселенной близки к завершению. Напротив, каждое новое открытие, кажется, открывает ящик Пандоры еще более глубоких вопросов в физике. Ниже представлена выборка наиболее глубоких открытых вопросов.
1. Что такое темная энергия?
Несмотря на то что гравитация тянет пространство-время - "ткань" космоса - внутрь, она постоянно расширяется все быстрее и быстрее. Для объяснения этого астрофизики предложили невидимого агента, который противодействует гравитации, отталкивая пространство-время в стороны. Его называют темной энергией. В наиболее широко принятой модели темной энергии это "космологическая постоянная": внутреннее свойство самого пространства, которое имеет "отрицательное давление", выталкивающее пространство друг от друга. По мере расширения пространства создается больше пространства, и вместе с ним - больше темной энергии. Исходя из наблюдаемой скорости расширения, ученые знают, что сумма всей темной энергии должна составлять более 70 процентов от общего содержания Вселенной. Но никто не знает, как ее искать. Лучшее, что исследователи смогли сделать в последние годы, - это сузить область, в которой темная энергия, возможно, скрывается.
2. Что такое темная материя?
Оказывается, около 84 % вещества во Вселенной не поглощает и не излучает свет. "Темная материя", как ее называют, не может быть наблюдаема напрямую и не была обнаружена и косвенными средствами. Вместо этого существование и свойства темной материи выводятся из ее гравитационного воздействия на видимое вещество, излучение и структуру Вселенной. Это таинственное вещество, вероятно, проникает за пределы галактик и может состоять из "слабо взаимодействующих массивных частиц" или WIMP. По всему миру есть несколько детекторов, ищущих WIMP, но до сих пор ни одна не была найдена. Один недавний исследовательский доклад предполагает, что темная материя может образовывать длинные, мелкозернистые потоки во всей Вселенной.
Оказывается, около 84 % вещества во Вселенной не поглощает и не излучает свет. "Темная материя", как ее называют, не может быть наблюдаема напрямую и не была обнаружена и косвенными средствами. Вместо этого существование и свойства темной материи выводятся из ее гравитационного воздействия на видимое вещество, излучение и структуру Вселенной. Это таинственное вещество, вероятно, проникает за пределы галактик и может состоять из "слабо взаимодействующих массивных частиц" или WIMP. По всему миру есть несколько детекторов, ищущих WIMP, но до сих пор ни одна не была найдена. Один недавний исследовательский доклад предполагает, что темная материя может образовывать длинные, мелкозернистые потоки во всей Вселенной.
3. Почему существует стрела времени?
Тот факт, что вы не можете разбить яйцо, а потом вернуть его в прежнее состояние, - это общий пример закона увеличения энтропии.
Время движется вперед, потому что свойство Вселенной, называемое "энтропией", просто увеличивается, и поэтому нет способа отменить рост энтропии после того, как он произошел. Тот факт, что энтропия увеличивается, является вопросом логики: более беспорядочных расположений частиц, чем упорядоченных, и, следовательно, по мере изменения вещей, они склонны к беспорядку. Но здесь поднимается вопрос, почему энтропия была такой низкой в прошлом? Другими словами, почему Вселенная была такой упорядоченной в своем начале, когда огромное количество энергии было сжато в небольшом объеме пространства?
Тот факт, что вы не можете разбить яйцо, а потом вернуть его в прежнее состояние, - это общий пример закона увеличения энтропии.
Время движется вперед, потому что свойство Вселенной, называемое "энтропией", просто увеличивается, и поэтому нет способа отменить рост энтропии после того, как он произошел. Тот факт, что энтропия увеличивается, является вопросом логики: более беспорядочных расположений частиц, чем упорядоченных, и, следовательно, по мере изменения вещей, они склонны к беспорядку. Но здесь поднимается вопрос, почему энтропия была такой низкой в прошлом? Другими словами, почему Вселенная была такой упорядоченной в своем начале, когда огромное количество энергии было сжато в небольшом объеме пространства?
4. Существуют ли параллельные вселенные?
Астрофизические данные подсказывают, что пространство-время может быть "плоским", а не изогнутым, и, таким образом, оно продолжается бесконечно. Если это так, то область, которую мы видим (которую мы называем "Вселенной"), является всего лишь одним участком в бесконечно большой "пледовой мультивселенной". В то же время законы квантовой механики утверждают, что в каждом космическом участке существует только конечное число возможных конфигураций частиц (10^10^122 различных возможности). Таким образом, с бесконечным числом космических участков расположение частиц в них вынуждено повторяться - бесконечное количество раз. Это означает, что существует бесконечно много параллельных вселенных: космических участков, точно таких же, как наша (содержащих кого-то точно такого же, как вы), а также участков, отличающихся только положением одной частицы, участков, отличающихся положением двух частиц и так далее до участков, полностью отличающихся от нашего.
Астрофизические данные подсказывают, что пространство-время может быть "плоским", а не изогнутым, и, таким образом, оно продолжается бесконечно. Если это так, то область, которую мы видим (которую мы называем "Вселенной"), является всего лишь одним участком в бесконечно большой "пледовой мультивселенной". В то же время законы квантовой механики утверждают, что в каждом космическом участке существует только конечное число возможных конфигураций частиц (10^10^122 различных возможности). Таким образом, с бесконечным числом космических участков расположение частиц в них вынуждено повторяться - бесконечное количество раз. Это означает, что существует бесконечно много параллельных вселенных: космических участков, точно таких же, как наша (содержащих кого-то точно такого же, как вы), а также участков, отличающихся только положением одной частицы, участков, отличающихся положением двух частиц и так далее до участков, полностью отличающихся от нашего.
5. Почему существует больше материи, чем антиматерии?
Вопрос о том, почему существует гораздо больше материи, чем ее заряженного и противоположно вращающегося двойника - антиматерии, фактически является вопросом о том, почему вообще что-то существует. Мы предполагаем, что Вселенная должна обращаться с материей и антиматерией симметрично, и, следовательно, в момент Большого взрыва должны были быть произведены равные количества материи и антиматерии. Но если бы это произошло, произошла бы полная аннигиляция обоих: протоны аннулировались бы с антипротонами, электроны с антиэлектронами (позитронами), нейтроны с антинейтронами и так далее, оставив за собой скучное море фотонов в безматериальном пространстве. По какой-то причине была избыточная материя, которая не была уничтожена, и вот мы здесь. На сегодняшний день нет принятого объяснения этому. Самое подробное исследование различий между материей и антиматерией, объявленное в августе 2015 года, подтверждает, что они являются зеркальными изображениями друг друга, не предоставляя никаких новых путей для понимания тайны того, почему материя гораздо более распространена.
Вопрос о том, почему существует гораздо больше материи, чем ее заряженного и противоположно вращающегося двойника - антиматерии, фактически является вопросом о том, почему вообще что-то существует. Мы предполагаем, что Вселенная должна обращаться с материей и антиматерией симметрично, и, следовательно, в момент Большого взрыва должны были быть произведены равные количества материи и антиматерии. Но если бы это произошло, произошла бы полная аннигиляция обоих: протоны аннулировались бы с антипротонами, электроны с антиэлектронами (позитронами), нейтроны с антинейтронами и так далее, оставив за собой скучное море фотонов в безматериальном пространстве. По какой-то причине была избыточная материя, которая не была уничтожена, и вот мы здесь. На сегодняшний день нет принятого объяснения этому. Самое подробное исследование различий между материей и антиматерией, объявленное в августе 2015 года, подтверждает, что они являются зеркальными изображениями друг друга, не предоставляя никаких новых путей для понимания тайны того, почему материя гораздо более распространена.
6. Какова судьба вселенной?
Судьба вселенной сильно зависит от неизвестного значения фактора Ω, который измеряет плотность материи и энергии в космосе. Если Ω больше 1, то пространство-время будет "закрытым", подобно поверхности огромной сферы. Если нет темной энергии, такая вселенная в конечном итоге прекратит расширение и начнет сжиматься, в конечном итоге обрушившись на себя в событие, которое называется "Большим Сжатием". Если вселенная закрыта, но существует темная энергия, то сферическая вселенная будет бесконечно расширяться.
Судьба вселенной сильно зависит от неизвестного значения фактора Ω, который измеряет плотность материи и энергии в космосе. Если Ω больше 1, то пространство-время будет "закрытым", подобно поверхности огромной сферы. Если нет темной энергии, такая вселенная в конечном итоге прекратит расширение и начнет сжиматься, в конечном итоге обрушившись на себя в событие, которое называется "Большим Сжатием". Если вселенная закрыта, но существует темная энергия, то сферическая вселенная будет бесконечно расширяться.
В противном случае, если Ω меньше 1, то геометрия пространства будет "открытой", подобно поверхности седла. В этом случае ее окончательной судьбой будет "Большая Заморозка", а затем "Большой Разрыв": сначала ускорение расширения вселенной разорвет галактики и звезды, оставив всю материю холодной и одинокой. Затем ускорение станет настолько сильным, что оно переполошит воздействие сил, удерживающих атомы вместе, и все развалится.
Если Ω = 1, то вселенная будет плоской, распространяющейся как бесконечная плоскость во всех направлениях. Если нет темной энергии, такая плоская вселенная в конечном итоге будет бесконечно расширяться, но с постоянно замедляющейся скоростью, приближаясь к остановке. Если есть темная энергия, то плоская вселенная в конечном итоге переживет неуклонное расширение, приводящее к Большому Разрыву. Вне зависимости от того, как это будет развиваться, вселенная умирает, факт, подробно рассмотренный астрофизиком Полом Саттером в эссе от декабря 2015 года.
Если Ω = 1, то вселенная будет плоской, распространяющейся как бесконечная плоскость во всех направлениях. Если нет темной энергии, такая плоская вселенная в конечном итоге будет бесконечно расширяться, но с постоянно замедляющейся скоростью, приближаясь к остановке. Если есть темная энергия, то плоская вселенная в конечном итоге переживет неуклонное расширение, приводящее к Большому Разрыву. Вне зависимости от того, как это будет развиваться, вселенная умирает, факт, подробно рассмотренный астрофизиком Полом Саттером в эссе от декабря 2015 года.
7. Как измерения приводят к схлопыванию квантовых волновых функций?
В странном мире электронов, фотонов и других фундаментальных частиц квантовая механика является законом. Частицы не ведут себя как маленькие шарики, а скорее как волны, распространяющиеся по большой площади. Каждая частица описывается "волновой функцией" или вероятностным распределением, которое показывает, где наиболее вероятно находится частица, ее скорость и другие характеристики, но не показывает, что это за характеристики. Фактически у частицы есть диапазон значений для всех характеристик, пока вы не измерите одну из них - например, ее местоположение - на этот момент волновая функция частицы "схлопывается", и она принимает только одно местоположение.
Но как и почему измерение частицы делает ее волновую функцию схлопываться, создавая конкретную реальность, которую мы воспринимаем? Вопрос, известный как проблема измерения, может показаться эзотерическим, но наше понимание того, что такое реальность, или существует ли она вообще, зависит от ответа.
В странном мире электронов, фотонов и других фундаментальных частиц квантовая механика является законом. Частицы не ведут себя как маленькие шарики, а скорее как волны, распространяющиеся по большой площади. Каждая частица описывается "волновой функцией" или вероятностным распределением, которое показывает, где наиболее вероятно находится частица, ее скорость и другие характеристики, но не показывает, что это за характеристики. Фактически у частицы есть диапазон значений для всех характеристик, пока вы не измерите одну из них - например, ее местоположение - на этот момент волновая функция частицы "схлопывается", и она принимает только одно местоположение.
Но как и почему измерение частицы делает ее волновую функцию схлопываться, создавая конкретную реальность, которую мы воспринимаем? Вопрос, известный как проблема измерения, может показаться эзотерическим, но наше понимание того, что такое реальность, или существует ли она вообще, зависит от ответа.
8. Правильна ли теория струн?
Когда физики предполагают, что все элементарные частицы на самом деле одномерные петли, или "струны", каждая из которых вибрирует с разной частотой, физика становится гораздо проще. Теория струн позволяет физикам согласовать законы, управляющие частицами, называемыми квантовой механикой, с законами управления пространство-временем, называемыми общей теорией относительности, и объединить четыре фундаментальные силы природы в один общий фреймворк. Но проблема заключается в том, что теория струн может работать только во вселенной с 10 или 11 измерениями: тремя большими пространственными измерениями, шестью или семью упакованными пространственными измерениями и временным измерением. Упакованные пространственные измерения, а также сами колеблющиеся струны, имеют размер порядка миллиарда триллионных частицы ядра. Нет ни одного способа обнаружить что-либо такое маленькое, и поэтому нет известного способа экспериментально подтвердить или опровергнуть теорию струн.
Когда физики предполагают, что все элементарные частицы на самом деле одномерные петли, или "струны", каждая из которых вибрирует с разной частотой, физика становится гораздо проще. Теория струн позволяет физикам согласовать законы, управляющие частицами, называемыми квантовой механикой, с законами управления пространство-временем, называемыми общей теорией относительности, и объединить четыре фундаментальные силы природы в один общий фреймворк. Но проблема заключается в том, что теория струн может работать только во вселенной с 10 или 11 измерениями: тремя большими пространственными измерениями, шестью или семью упакованными пространственными измерениями и временным измерением. Упакованные пространственные измерения, а также сами колеблющиеся струны, имеют размер порядка миллиарда триллионных частицы ядра. Нет ни одного способа обнаружить что-либо такое маленькое, и поэтому нет известного способа экспериментально подтвердить или опровергнуть теорию струн.
9. Существует ли порядок в хаосе?
Физики не могут точно решить набор уравнений, описывающих поведение жидкостей, от воды до воздуха и всех других жидкостей и газов. Фактически неизвестно, существует ли вообще общее решение так называемых уравнений Навье-Стокса (одна из так называемых "загадок тысячелетия"), или, если существует решение, описывает ли оно жидкости повсюду или содержит в себе неизбежные точки, называемые сингулярностями. В связи с этим природа хаоса плохо понимается. Физики и математики задаются вопросом: может ли погода быть всего лишь труднопредсказуемой, или она в принципе непредсказуема? Превосходит ли турбулентность математическое описание, или все становится ясным, если вы подходите к ней с правильной математикой?
Физики не могут точно решить набор уравнений, описывающих поведение жидкостей, от воды до воздуха и всех других жидкостей и газов. Фактически неизвестно, существует ли вообще общее решение так называемых уравнений Навье-Стокса (одна из так называемых "загадок тысячелетия"), или, если существует решение, описывает ли оно жидкости повсюду или содержит в себе неизбежные точки, называемые сингулярностями. В связи с этим природа хаоса плохо понимается. Физики и математики задаются вопросом: может ли погода быть всего лишь труднопредсказуемой, или она в принципе непредсказуема? Превосходит ли турбулентность математическое описание, или все становится ясным, если вы подходите к ней с правильной математикой?
Другие полезные статьи
ОСТАВЬТЕ ЗАЯВКУ
Для получения подробной информации о том, как наш продукт может улучшить Вашу исследовательскую деятельность
Нажимая на кнопку, вы даете согласие на обработку персональных данных и соглашаетесь с политикой конфиденциальности
+7 918 669 32 88
sciarticle@help.com
Следите за новостями в нашем канале
Воспользуйтесь нашим tg-ботом для поиска и анализа научных статей
© 2025 SciArticle