Fysikens 8 största mysterier som fortfarande är olösta

1. Varför tiden bara rinner framåt

Inom fysiken finns begreppet "en pil (eller axel) av tiden." Den beskriver tidens flöde från det förflutna till framtiden. Och det finns gott om bevis för att tiden gynnar en viss riktning.

Enligt termodynamikens andra lag, i ett isolerat system, kommer entropin (ett mått på oordning) att öka med tiden. Detta betyderatt processer i naturen vanligtvis går i en riktning där energin fördelas jämnare och systemet blir mer oordnat.

Till exempel, när vi bryter ett ägg, regenereras det inte av sig självt. Du kan inte vrida tillbaka tiden och göra saker som de var. Entropi är skoningslös.

Dessutom, enligt den allmänna relativitetsteorin, över tiden, universum expanderar. Observationer visar att den har gått igenom ett tillstånd av hög densitet och låg entropi tidigare (denna händelse kallar vi "Big Bang") och går mot ett framtida tillstånd av hög entropi.

I allmänhet är det lätt att se att tiden är oåterkallelig och alltid rör sig i en riktning. Och forskare kommer aldrig att förstå varför det är så. Och är det möjligt att tiden rinner baklänges också?

2. Vad är mörk energi

Universum expanderar. Hon gör det precis som en ballong, bara snabbare än ljusets hastighet.

På 1990-talet, astronomer upptäcktatt universums expansion bara tar fart med tiden, och inte saktar ner under påverkan av gravitationen, som det borde vara i teorin. Denna observation ledde till förslaget att det finns någon form av energi som motverkar gravitationen och bidrar till den accelererade expansionen av universum.

Mörk energi förmodligen fyller universums hela rum-tidsstruktur och är huvudkomponenten i dess energiinnehåll. Men det kan inte direkt observeras eller mätas.

74 % av vårt universum är mörk energi, 22 % är mörk materia, 3,6 % är intergalaktisk gas och ytterligare 0,4 % är banala, ointressanta stjärnor, planeter och andra småsaker.

Varför anpassningen är på detta sätt är inte klart.

Själva naturen hos mörk energi är också resterna ett mysterium för vetenskapen. Det finns olika teoriersom försöker förklara dess ursprung, inklusive begreppen kvantvakuum och kosmologisk konstant.

Under tiden är mörk energi av stor betydelse för att förstå universums grundläggande egenskaper och dess framtida öde. Det beror på om universums expansion kommer att fortsätta på obestämd tid, sakta ner eller till och med vända i framtiden.

3. Vad är mörk materia

Mörk är en hypotetisk form av materia som inte interagerar med elektromagnetisk strålning och därför inte avger, absorberar eller reflekterar ljus. Det går inte att upptäcka med våra vanliga instrument och instrument, varför det kallas så.

Men det finns många bevis förekomsten av mörk materia i universum. De är baserade på gravitationspåverkan den har på synliga föremål.

Mörk materia, även om den är osynlig, påverkar rörelsen av stjärnor, galaxer och galaxhopar.

Astronomisk forskning showatt dessa föremål rör sig som om de var påverkade av ytterligare massa, och detta kan inte förklaras av mängden materia som vi observerar. Därför håller mörk materia samman galaxer och andra jättestrukturer under påverkan av dess gravitationskraft.

I allmänhet kommer fysiker inte att förstå vad mörk materia är, vilka partiklar den består av, vilka egenskaper den har och om den överhuvudtaget existerar. Kanske är det observerade beteendet hos stjärnor och galaxer inte relaterat till någon materia och det är bara gravitationens konstigheter. Vetenskapen har inte fattat det ännu.

4. Varför är de grundläggande konstanterna som de är?

Fundamentala konstanter är numeriska värden som kännetecknar de fysiska egenskaperna och interaktionerna i universum. De är grundläggande och är inte beroende av specifika system av enheter.

Konstanter bestämmer de grundläggande egenskaperna och naturlagarna, som påverkar strukturen och utvecklingen av universum som helhet. Alla dessa siffror runt 25. Bland dem:

• Ljusets hastighet i ett vakuum (c) - bestämmer den maximala hastigheten med vilken information eller interaktioner kan fortplanta sig i universum.
• Plancks konstant (h), eller verkningskvantum, - bestämmer förhållandet mellan energin och frekvensen av partiklar och vågor, ledande gränsen mellan makrokosmos, där den newtonska mekanikens lagar gäller, och mikrokosmos, där kvantmekanikens lagar träder i kraft. mekanik.
• Gravitationskonstant (G) - bestämmer styrkan i gravitationsinteraktionen mellan massor och påverkar strukturen och rörelsen hos objekt i universum.
• En elektrons massa (mₑ).
• Elementär laddning (e).
• Kosmologisk konstant (Λ), som också kallas fundamental.

Och forskare kan inte förstå varför alla dessa siffror har exakt de betydelser de har, och inte andra.

Kanske kan vi bara observera betydelser som är förenliga med vår existens, eftersom liv kunde bara ha sitt ursprung i ett sådant universum. Detta kallas den antropiska principen.

Till exempel finstrukturkonstanten, som vanligtvis betecknas med bokstaven "alfa", definierar styrkan hos magnetiska interaktioner. Dess numeriska värde är ungefär 0,007297. Om siffrorna var olika, kanske det inte fanns stabil materia i vårt universum.

Och fortfarande pusslar fysiker över hur universum med andra fysiska parametrar skulle förändras. Existera hypoteser, enligt vilken värdena för grundläggande konstanter är slumpmässiga och bestäms av fluktuationer i det tidiga universum - bara en uppsättning siffror. Detta antagande innebär att det finns många universum med olika värden på konstanterna. Och vi har bara turen att vara i den där dessa värderingar är bäst lämpade för livets utveckling.

5. Vad som händer i svarta hål

Svarta hål Dessa är områden i yttre rymden med otroligt stark gravitation. Bortom det svarta hålet, den så kallade händelsehorisonten, är gravitationsdraget så starkt att ingen materia, inte ens ljus, kan fly.

I själva mitten av ett svart hål, tror fysiker, finns det en singularitet - en punkt med oändlig densitet och ett oändligt starkt gravitationsfält. Men vad det är, hur det kan se ut och exakt hur det fungerar kan ingen teori förklara.

Vissa forskare till och med föreslåatt singulariteten kanske inte är en punkt, utan kan ha olika former - detta gäller för roterande svarta hål. Det så kallade Kerr-svarta hålet, ett hypotetiskt objekt som beskrivs av matematikern och astrofysikern Roy Kerr, har en ringformig singularitet. Det kommer till och med att vara möjligt att flyga genom ett sådant hål och överleva. I teorin.

Men för att korrekt beskriva de fysiska processerna inuti singulariteten behövs en enhetlig teori allvar och kvantmekanik, som ännu inte har utvecklats.

6. Varför finns det så lite antimateria i universum?

I vanlig materia har elementarpartiklar, såsom elektroner och protoner, negativa respektive positiva laddningar. I antimateria är dessa laddningar inverterade: antielektroner (även kallade positroner) är positivt laddade, medan antiprotoner är negativt laddade.

antimateria har samma fysikaliska egenskaper som den vanliga, inklusive massan, spinn och andra egenskaper hos partiklarna. Men när en antipartikel möter en motsvarande vanlig kan de förinta varandra och förvandlas till ren energi.

En liter av något slags antiväte kommer, när det kommer i kontakt med luft, att lukta som en atombomb.

Hur bra det är att den maximala mängden antiväte som de lyckades med syntetisera forskare åt gången - 309 atomer.

Astronomiska observationer showatt universum och även det mest avlägsna stjärnor och galaxer är gjorda av materia, och det finns väldigt lite antimateria i den. Denna skillnad mellan antalet baryoner (partiklar som består av tre kvarkar) och antibaryoner (antipartiklar som består av tre antikvarkar) i vårt universum kallas baryonasymmetri.

Om universum var helt symmetriskt skulle antalet baryoner och antibaryoner behöva vara lika, och vi skulle observera hela galaxer av antimateria. Men i verkligheten är allt gjort av baryoner, och antibaryoner måste syntetiseras i partikelacceleratorer inte bara med en tesked utan av en atom. Därför är antimateria mest dyr sak i världen.

Enligt standardmodellen för elementarpartiklar borde det omedelbart efter Big Bang ha funnits lika många kvarkar som antikvarkar i universum. Något hände dock, vad exakt är inte klart, men nästan alla antibaryoner förintad, och materia bildades från de återstående baryonerna. Det är i själva verket vad universum består av. Och du förresten också. Och forskare som fortfarande inte kan lista ut varför det finns så lite antimateria i rymden.

7. Är vakuumet stabilt?

Vakuum är utrymme med lägsta möjliga energi, men i motsats till dess namn är det inte helt tomt. Den innehåller fortfarande kvantfält som bestämmer beteendet hos elementarpartiklar. Forskare troatt det sanna, eller fysiska, vakuum som vi känner till är det mest stabila tillståndet i universum, eftersom det anses vara det globala minimum av energi.

Men i teorin finns det en möjlighet att tillståndet för det fysiska vakuumet är en konfiguration av kvantfält, vilket bara är ett lokalt och inte ett globalt energiminimum. Det vill säga vakuumet som vi kan observera i rymden eller skapa i laboratoriet är "falskt". Så det kan vara "sant".

Och om det finns ett "riktigt" vakuum har vi stora problem.

Om vi ​​antar att vårt universum befinner sig i ett tillstånd av inte "sant", utan "falskt" vakuum, blir processen med dess förfall till ett mer stabilt tillstånd möjlig. Konsekvenserna av en sådan process kan vara störst skrämmande och variera från subtila förändringar i kosmologiska parametrar som beror på potentialskillnaden mellan "falskt" och "sant" vakuum, tills det fullständiga upphörandet av funktionen av elementarpartiklar och grundläggande krafter.

Om någonstans i rymden uppstår en bubbla av "riktigt" vakuum, kan detta leda till fullständig förstörelse av baryonisk materia eller till och med en omedelbar gravitationskollaps av universum.

Kort sagt, låt oss hoppas att vårt vakuum är det mest pålitliga i världen. Vad är mer kvar?

8. Vad kommer att bli slutet på universum

Och eftersom vi talar om så spännande globala frågor som universums gravitationella kollaps: fysiker har sammanställt lista de mest intressanta sakerna som kan hända med rymden i framtiden, men bestäm aldrig vilket scenario som är mest troligt.

Enligt Big Bang-teorin, universum uppstod för cirka 13,8 miljarder år sedan från ett tätt och varmt tillstånd som kallas en singularitet, och sedan dess har allt växt och svalnat. Denna teori förklarar väl ett antal observerade fenomen, såsom den kosmiska bakgrundsstrålningen och expansionen Universum. Men vad kommer att hända härnäst? Välj det du gillar bäst:

• värmedöd. Inom detta koncept förmentatt universum med tiden kommer att bli mer och mer kallt och enhetligt. Energin i den kommer att förbrukas, alla processer, såsom bildandet av stjärnor och termisk rörelse, kommer att sakta ner och stanna. Detta kommer att leda till ett tillstånd av maximal entropi, när alla partiklar kommer att vara i ett tillstånd av jämvikt och inga ytterligare händelser i universum kommer att vara möjliga.
• stor lucka. Universum kommer att fortsätta bygga ut. Det betyder att galaxer och andra rymdobjekt i allt högre grad kommer att flytta sig bort från varandra. Om ingenting förändras, i en avlägsen framtid, kommer gravitationskrafterna inte längre att vara starka nog att stå emot trycket från mörk energi. Detta kommer att leda till att det på alla nivåer av struktur inom universum, inklusive galaxer, stjärnor och atomer, kommer att finnas en kraft som överstiger deras egen attraktionskraft. Som ett resultat kommer alla föremål gradvis att brytas upp i separata partiklar.
• Stor kläm. Enligt detta scenario, utvidgningen av universum, orsakad av Big Bang, sakta ner och vänder så småningom. Gravitationskraften mellan galaxer, stjärnor och planeter kommer att bli den dominerande kraften. Avståndet mellan dem kommer att fortsätta att minska tills universum kollapsar tillbaka till en singularitet, där densiteten och temperaturen blir oändligt höga. Och det är inte långt ifrån den nya Big Bang.

Men vilket öde väntar Plats, är fortfarande oklart. Vänta några tusen septiljoner år till.