8 lielākie fizikas noslēpumi, kas joprojām nav atrisināti
Literārs Mistrojums / / July 28, 2023
Galvenie dzīves jautājumi, Visums un viss pārējais.
1. Kāpēc laiks plūst tikai uz priekšu
Fizikā ir jēdziens "laika bulta (vai ass). Tas raksturo laika plūsmu no pagātnes uz nākotni. Un ir daudz pierādījumu, ka laiks dod priekšroku noteiktam virzienam.
Saskaņā ar otro termodinamikas likumu izolētā sistēmā entropija (nekārtības mērs) laika gaitā palielināsies. Šis nozīmēka procesi dabā parasti notiek virzienā, kur enerģija tiek sadalīta vienmērīgāk un sistēma kļūst nesakārtotāka.
Piemēram, kad salaužam olu, tā pati no sevis neatjaunojas. Jūs nevarat pagriezt laiku atpakaļ un darīt lietas tā, kā tās bija. Entropija ir nežēlīga.
Turklāt saskaņā ar vispārējo relativitātes teoriju laika gaitā Visums izplešas. Novērojumi liecina, ka tas pagātnē ir izgājis cauri augsta blīvuma un zemas entropijas stāvoklim (šo notikumu mēs saucam par "Lielo sprādzienu") un virzās uz nākotnes augstas entropijas stāvokli.
Kopumā ir viegli redzēt, ka laiks ir neatgriezenisks un vienmēr virzās vienā virzienā. Un zinātnieki nekad nesapratīs, kāpēc tas tā ir. Un vai laiks var plūst arī atpakaļ?
2. Kas ir tumšā enerģija
Visums paplašinās. Viņa to dara gluži kā balons, tikai ātrāk par gaismas ātrumu.
90. gados astronomi atklājaka Visuma izplešanās laika gaitā tikai uzņem ātrumu un nepalēninās gravitācijas ietekmē, kā tam vajadzētu būt teorētiski. Šis novērojums lika domāt, ka pastāv kāda veida enerģija, kas ir pretrunā ar gravitāciju un veicina Visuma paātrināto izplešanos.
Iespējams, tumšā enerģija piepilda visa Visuma telpas-laika struktūra un ir tā enerģijas satura galvenā sastāvdaļa. Bet to nevar tieši novērot vai izmērīt.
74% no mūsu Visuma ir tumšā enerģija, 22% ir tumšā viela, 3,6% ir starpgalaktiskā gāze un vēl 0,4% ir banālas, neinteresantas zvaigznes, planētas un citas mazas lietas.
Kāpēc līdzinājums ir šāds, nav skaidrs.
Arī tumšās enerģijas būtība ir tāda paliek zinātnes noslēpums. Ir dažādas teorijaskuri mēģina izskaidrot tā izcelsmi, tostarp kvantu vakuuma un kosmoloģiskās konstantes jēdzienus.
Tikmēr tumšajai enerģijai ir liela nozīme, lai izprastu Visuma pamatīpašības un tā turpmāko likteni. No tā atkarīgs, vai Visuma izplešanās turpināsies bezgalīgi, palēnināsies vai pat apgriezīsies nākotnē.
3. Kas ir tumšā matērija
Tumša ir hipotētiska matērijas forma, kas nesadarbojas ar elektromagnētisko starojumu un tāpēc neizstaro, neuzsūc un neatstaro gaismu. To nevar noteikt ar mūsu parastajiem instrumentiem un instrumentiem, tāpēc to tā sauc.
Bet tādu ir daudz pierādījumi tumšās matērijas esamība Visumā. Tie ir balstīti uz gravitācijas ietekmi uz redzamiem objektiem.
Tumšā viela, kaut arī tā ir neredzama, ietekmē zvaigžņu, galaktiku un galaktiku kopu kustību.
Astronomijas pētījumi parādītka šie objekti pārvietojas tā, it kā tos ietekmētu papildu masa, un to nevar izskaidrot ar vielas daudzumu, ko mēs novērojam. Tāpēc tumšā viela sava gravitācijas spēka ietekmē satur kopā galaktikas un citas milzu struktūras.
Kopumā fiziķi nesapratīs, kas ir tumšā matērija, no kādām daļiņām tā sastāv, kādas ir tās īpašības un vai tā vispār pastāv. Varbūt novērotā zvaigžņu un galaktiku uzvedība nav saistīta ne ar vienu matēriju, un tās ir tikai gravitācijas dīvainības. Zinātne to vēl nav izdomājusi.
4. Kāpēc fundamentālās konstantes ir tādas, kādas tās ir?
Fundamentālās konstantes ir skaitliskas vērtības, kas raksturo fiziskās īpašības un mijiedarbību Visumā. Tie ir pamata un nav atkarīgi no konkrētām vienību sistēmām.
Konstantes nosaka dabas pamatīpašības un likumus, ietekmējot visuma uzbūvi un attīstību kopumā. Visi šie skaitļi ap 25. Starp viņiem:
- Gaismas ātrums vakuumā (c) - nosaka maksimālo ātrumu, ar kādu informācija vai mijiedarbība var izplatīties Visumā.
- Planka konstante (h) jeb darbības kvants - nosaka attiecību starp daļiņu un viļņu enerģiju un frekvenci, kas vada robeža starp makrokosmosu, kur darbojas Ņūtona mehānikas likumi, un mikrokosmosu, kur stājas spēkā kvantu mehānikas likumi. mehānika.
- Gravitācijas konstante (G) - nosaka gravitācijas mijiedarbības spēku starp masām un ietekmē objektu uzbūvi un kustību Visumā.
- Elektrona masa (mₑ).
- Elementārā maksa (e).
- Kosmoloģiskā konstante (Λ), ko dēvē arī par fundamentālu.
Un zinātnieki nevar saprast, kāpēc visiem šiem skaitļiem ir tieši tāda nozīme, kāda tiem ir, nevis citiem.
Varbt varam tikai novrot ar msu eksistenci sadergas nozmes, jo dzīvi varētu rasties tikai šādā Visumā. To sauc par antropisko principu.
Piemēram, smalkās struktūras konstante, ko parasti apzīmē ar burtu "alfa", definē magnētiskās mijiedarbības stiprums. Tā skaitliskā vērtība ir aptuveni 0,007297. Ja skaitļi būtu atšķirīgi, iespējams, ka mūsu Visumā nebūtu stabilas matērijas.
Un joprojām fiziķi neizprot, kā mainītos Visums ar citiem fiziskajiem parametriem. Pastāv hipotēzes, saskaņā ar kuru fundamentālo konstantu vērtības ir nejaušas un noteiktas ar svārstībām agrīnajā Visumā - tikai daži skaitļi. Šis pieņēmums nozīmē, ka ir daudz Visumu ar dažādām konstantu vērtībām. Un mums vienkārši ir paveicies būt tajā, kur šīs vērtības ir vispiemērotākās dzīves attīstībai.
5. Kas notiek melnajos caurumos
Melnie caurumi Tie ir kosmosa apgabali ar neticami spēcīgu gravitāciju. Aiz melnā cauruma, tā sauktā notikumu horizonta, gravitācijas pievilkšana ir tik spēcīga, ka vienalga, pat gaisma, nevar aizbēgt.
Pašā melnā cauruma centrā, pēc fiziķu domām, ir singularitāte - punkts ar bezgalīgu blīvumu un bezgala spēcīgu gravitācijas lauku. Bet kas tas ir, kā tas varētu izskatīties un kā tieši tas darbojas, neviena teorija nevar izskaidrot.
Daži zinātnieki pat ieteiktka singularitāte var nebūt punkts, bet var būt dažādas formas - tas attiecas uz rotējošiem melnajiem caurumiem. Tā sauktajam Kerra melnajam caurumam, hipotētiskam objektam, ko aprakstījis matemātiķis un astrofiziķis Rojs Kers, ir gredzenveida singularitāte. Būs pat iespējams izlidot cauri tādai bedrei un izdzīvot. Teorētiski.
Bet, lai precīzi aprakstītu fiziskos procesus singularitātes iekšienē, ir nepieciešama vienota teorija smagums un kvantu mehānika, kas vēl nav izstrādāta.
6. Kāpēc Visumā ir tik maz antimatērijas?
Parastā vielā elementārdaļiņām, piemēram, elektroniem un protoniem, ir attiecīgi negatīvs un pozitīvs lādiņš. Antimateriālā šie lādiņi ir apgriezti: antielektroni (saukti arī par pozitroniem) ir pozitīvi uzlādēti, bet antiprotoni ir negatīvi.
antimatērija ir tādas pašas fizikālās īpašības kā parastajai, ieskaitot daļiņu masu, griešanos un citas īpašības. Bet, kad antidaļiņa satiekas ar atbilstošu parasto, tās var viena otru iznīcināt, pārvēršoties tīrā enerģijā.
Litrs kaut kāda antiūdeņraža, saskaroties ar gaisu, smaržos pēc atombumbas.
Cik labi, ka maksimālais antiūdeņraža daudzums, kas viņiem izdevās sintezēt zinātnieki vienā reizē - 309 atomi.
Astronomiskie novērojumi parādītka Visums un pat visattālākais zvaigznes un galaktikas sastāv no matērijas, un tajā ir ļoti maz antimatērijas. Šo atšķirību starp barionu (daļiņas, kas sastāv no trim kvarkiem) un antibarionu (antidaļiņas, kas sastāv no trim antikvarkiem) skaitu mūsu Visumā sauc par barionu asimetriju.
Ja Visums būtu pilnīgi simetrisks, tad barionu un antibarionu skaitam būtu jābūt vienādam, un mēs novērotu veselas antimatērijas galaktikas. Taču patiesībā viss ir veidots no barioniem, un antibarioni daļiņu paātrinātājos ir jāsintezē ne tikai ar tējkaroti, bet ar atomu. Tāpēc antimatērija ir visvairāk dārga lieta pasaulē.
Saskaņā ar elementārdaļiņu standarta modeli uzreiz pēc Lielā sprādziena Visumā vajadzēja būt vienādam skaitam kvarku un antikvarku. Tomēr kaut kas notika, kas tieši nav skaidrs, bet gandrīz visi antibarioni iznīcināts, un no atlikušajiem barioniem veidojās matērija. Patiesībā tas ir tas, no kā sastāv Visums. Un jūs, starp citu, arī. Un zinātnieki, kuri joprojām nevar saprast, kāpēc kosmosā ir tik maz antimatērijas.
7. Vai vakuums ir stabils?
Vakuums ir telpa ar zemāko iespējamo enerģiju, taču pretēji tās nosaukumam tas nav pilnīgi tukšs. Tajā joprojām ir kvantu lauki, kas nosaka elementārdaļiņu uzvedību. Zinātnieki ticētka patiesais jeb fiziskais vakuums, ko mēs zinām, ir visstabilākais stāvoklis Visumā, jo tas tiek uzskatīts par globālo enerģijas minimumu.
Tomēr teorētiski pastāv iespēja, ka fiziskā vakuuma stāvoklis ir kvantu lauku konfigurācija, kas ir tikai lokāls, nevis globāls enerģijas minimums. Tas ir, vakuums, ko mēs varam novērot dziļā kosmosā vai izveidot laboratorijā, ir “nepatiess”. Tātad, var būt "patiesība".
Un, ja pastāv "īsts" vakuums, mēs esam lielās nepatikšanās.
Ja pieņemam, ka mūsu Visums atrodas nevis “patiesā”, bet “viltus” vakuuma stāvoklī, tad kļūst iespējams tā sabrukšanas process līdz stabilākam stāvoklim. Šāda procesa sekas var būt visvairāk biedējoši un atšķiras no smalkām izmaiņām kosmoloģiskajos parametros, kas ir atkarīgas no potenciālās atšķirības starp "viltus" un "patieso" vakuumu līdz pilnīgai elementārdaļiņu un fundamentālo daļiņu funkcionēšanas pārtraukšanai spēkus.
Ja kaut kur kosmosā parādās "īstā" vakuuma burbulis, tas var novest pie pilnīgas barionu vielas iznīcināšanas vai pat acumirklīga Visuma gravitācijas sabrukuma.
Īsāk sakot, cerēsim, ka mūsu vakuums ir visuzticamākais pasaulē. Kas vēl atliek?
8. Kāds būs Visuma gals
Un tā kā mēs runājam par tik aizraujošām globālām problēmām kā Visuma gravitācijas sabrukums: fiziķi ir apkopojuši sarakstu interesantākās lietas, kas varētu notikt ar kosmosu nākotnē, taču nekad neizlemiet, kurš scenārijs ir visticamākais.
Saskaņā ar Lielā sprādziena teoriju Visums radās apmēram pirms 13,8 miljardiem gadu no blīva un karsta stāvokļa, ko sauc par singularitāti, un kopš tā laika viss aug un atdziest. Šī teorija labi izskaidro vairākas novērotās parādības, piemēram, kosmisko fona starojumu un izplešanos Visums. Bet kas notiks tālāk? Izvēlieties to, kas jums patīk vislabāk:
- karstuma nāve. Šīs koncepcijas ietvaros domājamska ar laiku Visums kļūs arvien aukstāks un vienveidīgāks. Tajā esošā enerģija būs izsmelta, visi procesi, piemēram, zvaigžņu veidošanās un termiskā kustība, palēnināsies un apstāsies. Tas novedīs pie maksimālās entropijas stāvokļa, kad visas daļiņas būs līdzsvara stāvoklī un nekādi turpmāki notikumi Visumā nebūs iespējami.
- liela plaisa. Visums Turpinās paplašināt. Tas nozīmē, ka galaktikas un citi kosmosa objekti arvien vairāk attālināsies viens no otra. Ja nekas nemainīsies, tālā nākotnē gravitācijas spēki vairs nebūs pietiekami spēcīgi, lai pretotos tumšās enerģijas spiedienam. Tas novedīs pie tā, ka visos Visuma struktūras līmeņos, ieskaitot galaktikas, zvaigznes un atomus, būs spēks, kas pārsniedz viņu pašu pievilkšanas spēku. Rezultātā visi objekti tiks pakāpeniski sadalīti atsevišķās daļiņās.
- Liela saspiešana. Saskaņā ar šo scenāriju Visuma izplešanās, ko izraisīja Lielais sprādziens, lēnāk un galu galā apgriež. Gravitācijas spēks starp galaktikām, zvaigznēm un planētām kļūs par dominējošo spēku. Attālums starp tiem turpinās samazināties, līdz Visums atkal sabrūk singularitātē, kur blīvums un temperatūra kļūst bezgalīgi augsts. Un nav tālu no jaunā Lielā sprādziena.
Bet kāds liktenis sagaida telpa, joprojām nav skaidrs. Lūdzu, uzgaidiet vēl dažus tūkstošus septiljonu gadu.
Izlasi arī🧐
- Astrofiziķis Boriss Šterns: 3 pārsteidzošākās zināšanas par Visumu, ko saņēmām 21. gadsimtā
- Jokdaris, nemiernieks un Nobela prēmijas laureāts: kāda bija padomju fiziķa Leva Landau dzīve
- Vai tā ir taisnība, ka Visums ir pārāk sarežģīts un to pētīt ir bezjēdzīgi: astrofiziķis kliedē populāros mītus