Fysikkens 8 største mysterier, der stadig er uløste

1. Hvorfor tiden kun flyder fremad

I fysik er der begrebet "en pil (eller akse) af tid." Den beskriver tidens flow fra fortiden til fremtiden. Og der er masser af beviser på, at tiden favoriserer en bestemt retning.

Ifølge termodynamikkens anden lov vil entropi (et mål for uorden) i et isoleret system stige over tid. Det her midlerat processer i naturen normalt forløber i en retning, hvor energien fordeles mere jævnt, og systemet bliver mere uordnet.

For eksempel, når vi knækker et æg, regenererer det ikke af sig selv. Man kan ikke skrue tiden tilbage og gøre tingene, som de var. Entropi er nådesløs.

Derudover, ifølge den generelle relativitetsteori, over tid, universet udvider sig. Observationer viser, at den tidligere har gennemgået en tilstand med høj tæthed og lav entropi (denne begivenhed kalder vi "Big Bang") og bevæger sig mod en fremtidig tilstand med høj entropi.

Generelt er det let at se, at tiden er irreversibel og altid bevæger sig i én retning. Og videnskabsmænd vil aldrig forstå, hvorfor det er sådan. Og er det muligt for tiden også at flyde baglæns?

2. Hvad er mørk energi

Universet udvider sig. Hun gør det ligesom en ballon, kun hurtigere end lysets hastighed.

I 1990'erne, astronomer opdagetat universets udvidelse kun tager fart over tid, og ikke bremses under påvirkning af tyngdekraften, som det burde være i teorien. Denne observation førte til forslaget om, at der er en form for energi, der modarbejder tyngdekraften og bidrager til den accelererede udvidelse af universet.

Mørk energi formentlig fylder hele universets rum-tid struktur og er hovedkomponenten i dets energiindhold. Men det kan ikke direkte observeres eller måles.

74 % af vores univers er mørk energi, 22 % er mørkt stof, 3,6 % er intergalaktisk gas, og yderligere 0,4 % er banale, uinteressante stjerner, planeter og andre småting.

Hvorfor justeringen er på denne måde er ikke klart.

Selve naturen af ​​mørk energi er også forbliver et mysterium for videnskaben. Der er forskellige teoriersom forsøger at forklare dens oprindelse, herunder begreberne om kvantevakuum og den kosmologiske konstant.

I mellemtiden er mørk energi af stor betydning for forståelsen af ​​universets grundlæggende egenskaber og dets fremtidige skæbne. Det afhænger af det, om universets udvidelse vil fortsætte i det uendelige, bremse eller endda vende i fremtiden.

3. Hvad er mørkt stof

Mørk er en hypotetisk form for stof, der ikke interagerer med elektromagnetisk stråling og derfor ikke udsender, absorberer eller reflekterer lys. Det kan ikke opdages med vores almindelige instrumenter og instrumenter, hvorfor det hedder det.

Men der er mange beviser eksistensen af ​​mørkt stof i universet. De er baseret på den tyngdekraft, den har på synlige genstande.

Mørkt stof, selvom det er usynligt, påvirker bevægelsen af ​​stjerner, galakser og galaksehobe.

Astronomisk forskning at viseat disse objekter bevæger sig, som om de var påvirket af yderligere masse, og dette kan ikke forklares med mængden af ​​stof, som vi observerer. Derfor holder mørkt stof galakser og andre gigantiske strukturer sammen under påvirkning af dets tyngdekraft.

Generelt vil fysikere ikke forstå, hvad mørkt stof er, hvilke partikler det består af, hvad dets egenskaber er, og om det overhovedet eksisterer. Måske er den observerede adfærd af stjerner og galakser ikke relateret til noget stof, og det er bare tyngdekraftens mærkeligheder. Videnskaben har ikke fundet ud af det endnu.

4. Hvorfor er de grundlæggende konstanter, som de er?

Fundamentale konstanter er numeriske værdier, der karakteriserer de fysiske egenskaber og interaktioner i universet. De er grundlæggende og afhænger ikke af specifikke systemer af enheder.

Konstanter bestemmer naturens grundlæggende egenskaber og love, som påvirker universets struktur og udvikling som helhed. Alle disse tal omkring 25. Blandt dem:

• Lysets hastighed i et vakuum (c) - bestemmer den maksimale hastighed, hvormed information eller interaktioner kan forplante sig i universet.
• Plancks konstant (h), eller virkningskvante, - bestemmer forholdet mellem energien og frekvensen af ​​partikler og bølger, der leder grænsen mellem makrokosmos, hvor den newtonske mekaniks love gælder, og mikrokosmos, hvor kvantemekanikkens love træder i kraft. mekanik.
• Tyngdekonstant (G) - bestemmer styrken af ​​tyngdekraftens interaktion mellem masser og påvirker strukturen og bevægelsen af ​​objekter i universet.
• Masse af en elektron (mₑ).
• Elementær ladning (e).
• Kosmologisk konstant (Λ), som også kaldes fundamental.

Og videnskabsmænd kan ikke forstå, hvorfor alle disse tal har præcis den betydning, de har, og ikke andre.

Måske kan vi kun observere betydninger, der er forenelige med vores eksistens, fordi liv kun kunne stamme fra et sådant univers. Dette kaldes det antropiske princip.

For eksempel finstrukturkonstanten, som normalt betegnes med bogstavet "alfa", definerer styrken af ​​magnetiske interaktioner. Dens numeriske værdi er cirka 0,007297. Hvis tallene var anderledes, var der måske ikke stabilt stof i vores univers.

Og stadig pusler fysikere over, hvordan universet med andre fysiske parametre ville ændre sig. Eksisterer hypoteser, ifølge hvilken værdierne af fundamentale konstanter er tilfældige og bestemt af fluktuationer i det tidlige univers - bare et sæt tal. Denne antagelse indebærer, at der er mange universer med forskellige værdier af konstanterne. Og vi er bare heldige at være i den, hvor disse værdier er bedst egnede til livets udvikling.

5. Hvad sker der i sorte huller

Sorte huller Det er områder i det ydre rum med en utrolig stærk tyngdekraft. Ud over det sorte hul, den såkaldte begivenhedshorisont, er tyngdekraften så kraftig, at intet stof, ikke engang lys, kan undslippe.

I selve midten af ​​et sort hul, mener fysikere, er der en singularitet - et punkt med uendelig tæthed og et uendeligt stærkt gravitationsfelt. Men hvad det er, hvordan det kan se ud, og hvordan det præcist virker, kan ingen teori forklare.

Nogle videnskabsmænd endda antyderat singulariteten måske ikke er et punkt, men kan have forskellige former - dette gælder for roterende sorte huller. Det såkaldte Kerr sorte hul, et hypotetisk objekt beskrevet af matematikeren og astrofysikeren Roy Kerr, har en ringformet singularitet. Det vil endda være muligt at flyve gennem sådan et hul og overleve. I teorien.

Men for præcist at beskrive de fysiske processer inde i singulariteten, er der brug for en samlet teori tyngdekraft og kvantemekanik, som endnu ikke er udviklet.

6. Hvorfor er der så lidt antistof i universet?

I almindeligt stof har elementarpartikler, såsom elektroner og protoner, henholdsvis negative og positive ladninger. I antistof er disse ladninger omvendt: antielektroner (også kaldet positroner) er positivt ladede, mens antiprotoner er negativt ladede.

antistof har de samme fysiske egenskaber som den almindelige, herunder partiklernes masse, spin og andre egenskaber. Men når en antipartikel møder en tilsvarende almindelig, kan de udslette hinanden og blive til ren energi.

En liter af en slags anti-brint, når det kommer i kontakt med luft, vil lugte som en atombombe.

Hvor godt det er, at den maksimale mængde af antibrint, at de formåede at syntetisere videnskabsmænd ad gangen - 309 atomer.

Astronomiske observationer at viseat universet og selv det fjerneste stjerner og galakser er lavet af stof, og der er meget lidt antistof i det. Denne forskel mellem antallet af baryoner (partikler, der består af tre kvarker) og antibaryoner (antipartikler, der består af tre antikvarker) i vores univers kaldes baryonasymmetri.

Hvis universet var fuldstændig symmetrisk, så ville antallet af baryoner og antibaryoner være lige store, og vi ville observere hele galakser af antistof. Men i virkeligheden er alt lavet af baryoner, og antibaryoner skal syntetiseres i partikelacceleratorer ikke kun af en teske, men af ​​et atom. Derfor er antistof det mest dyre ting i verden.

Ifølge standardmodellen for elementarpartikler skulle der umiddelbart efter Big Bang have været lige mange kvarker og antikvarker i universet. Der skete dog noget, hvad der præcist er ikke klart, men næsten alle antibaryoner udslettet, og stof blev dannet fra de resterende baryoner. Det er i virkeligheden, hvad universet består af. Og dig i øvrigt også. Og videnskabsmænd, der stadig ikke kan finde ud af, hvorfor der er så lidt antistof i rummet.

7. Er vakuumet stabilt?

Vakuum er rum med den lavest mulige energi, men i modsætning til navnet er det ikke helt tomt. Det indeholder stadig kvantefelter, der bestemmer opførselen af ​​elementarpartikler. Videnskabsmænd tro påat det sande, eller fysiske, vakuum, som vi kender, er den mest stabile tilstand i universet, da det betragtes som det globale minimum af energi.

Men i teorien er der en mulighed for, at tilstanden af ​​det fysiske vakuum er en konfiguration af kvantefelter, som kun er et lokalt og ikke et globalt energiminimum. Det vil sige, at det vakuum, som vi kan observere i det dybe rum eller skabe i laboratoriet, er "falskt". Så der kan være "sandt".

Og hvis der eksisterer et "ægte" vakuum, er vi i store problemer.

Hvis vi antager, at vores univers er i en tilstand af ikke "sandt", men "falskt" vakuum, så bliver processen med dets forfald til en mere stabil tilstand mulig. Konsekvenserne af en sådan proces kan være de største frygtindgydende og varierer fra subtile ændringer i kosmologiske parametre, der afhænger af den potentielle forskel mellem "falskt" og "sandt" vakuum, indtil det fuldstændige ophør af funktion af elementarpartikler og grundlæggende kræfter.

Hvis der et sted i rummet opstår en boble af "rigtigt" vakuum, kan dette føre til fuldstændig ødelæggelse af baryonisk stof eller endda et øjeblikkeligt gravitationssammenbrud af universet.

Kort sagt, lad os håbe, at vores vakuum er det mest pålidelige i verden. Hvad er der ellers tilbage?

8. Hvad vil være enden på universet

Og da vi taler om så spændende globale spørgsmål som universets gravitationssammenbrud: fysikere har kompileret liste de mest interessante ting, der kan ske med rummet i fremtiden, men beslut aldrig, hvilket scenarie der er mest sandsynligt.

Ifølge Big Bang-teorien er universet opstod omkring 13,8 milliarder år siden fra en tæt og varm tilstand kaldet en singularitet, og siden da er alt vokset og afkølet. Denne teori forklarer godt en række observerede fænomener, såsom den kosmiske baggrundsstråling og ekspansionen univers. Men hvad vil der så ske? Vælg det du bedst kan lide:

• varmedød. Inden for dette koncept formodedeat universet med tiden bliver mere og mere koldt og ensartet. Energien i det vil være opbrugt, alle processer, såsom dannelse af stjerner og termisk bevægelse, vil bremse og stoppe. Dette vil føre til en tilstand af maksimal entropi, når alle partikler vil være i en tilstand af ligevægt, og ingen yderligere begivenheder i universet vil være mulige.
• stort hul. Univers vil fortsætte udvide. Det betyder, at galakser og andre rumobjekter i stigende grad vil bevæge sig væk fra hinanden. Hvis intet ændrer sig, vil gravitationskræfterne i en fjern fremtid ikke længere være stærke nok til at modstå presset fra mørk energi. Dette vil føre til, at der på alle strukturniveauer i universet, inklusive galakser, stjerner og atomer, vil være en kraft, der overstiger deres egen tiltrækningskraft. Som et resultat vil alle objekter gradvist blive brudt i separate partikler.
• Stort klem. Ifølge dette scenarie, udvidelsen af ​​universet, forårsaget af Big Bang, sænk farten og vender til sidst. Tyngdekraften mellem galakser, stjerner og planeter vil blive den dominerende kraft. Afstanden mellem dem vil fortsætte med at falde, indtil universet kollapser tilbage til en singularitet, hvor tætheden og temperaturen bliver uendelig høj. Og der er ikke langt fra det nye Big Bang.

Men hvad er det for en skæbne, der venter plads, er stadig uklart. Vent venligst et par tusinde septillioner år mere.