8 největších záhad fyziky, které stále nejsou vyřešeny
Různé / / July 28, 2023
Hlavní otázky života, vesmíru a všeho ostatního.
1. Proč čas plyne jen dopředu
Ve fyzice existuje pojem „šipka (nebo osa) času“. Popisuje tok času z minulosti do budoucnosti. A existuje spousta důkazů, že čas přeje určitému směru.
Podle druhého zákona termodynamiky se v izolovaném systému entropie (míra neuspořádanosti) časem zvýší. Tento prostředekže procesy v přírodě obvykle probíhají směrem, kde je energie distribuována rovnoměrněji a systém se stává neuspořádanějším.
Když například rozbijeme vajíčko, samo se neregeneruje. Nelze vrátit čas a dělat věci tak, jak byly. Entropie je nemilosrdná.
Navíc, podle obecné teorie relativity, v průběhu času, Vesmír rozšiřuje. Pozorování ukazují, že v minulosti prošel stavem vysoké hustoty a nízké entropie (tuto událost nazýváme „Velký třesk“) a směřuje k budoucímu stavu vysoké entropie.
Obecně je snadné vidět, že čas je nevratný a vždy se pohybuje jedním směrem. A vědci nikdy nepochopí, proč tomu tak je. A je možné, aby čas plynul i pozpátku?
2. Co je temná energie
Vesmír se rozpíná. Dělá to stejně jako balón, jen rychleji než rychlost světla.
V 90. letech 20. století astronomové objevilže rozpínání vesmíru v průběhu času pouze nabírá rychlost a nezpomaluje se vlivem gravitace, jak by teoreticky mělo být. Toto pozorování vedlo k názoru, že existuje nějaká forma energie, která působí proti gravitaci a přispívá ke zrychlené expanzi vesmíru.
Pravděpodobně temná energie vyplní celou časoprostorovou strukturu Vesmíru a je hlavní složkou jeho energetického obsahu. Ale nelze to přímo pozorovat ani měřit.
74 % našeho vesmíru tvoří temná energie, 22 % temná hmota, 3,6 % mezigalaktický plyn a dalších 0,4 % jsou banální, nezajímavé hvězdy, planety a další maličkosti.
Proč je zarovnání tímto způsobem, není jasné.
Samotná podstata temné energie je také Zůstává záhada pro vědu. Existují různé teoriekteří se snaží vysvětlit jeho původ, včetně konceptů kvantového vakua a kosmologické konstanty.
Mezitím je temná energie velmi důležitá pro pochopení základních vlastností vesmíru a jeho budoucího osudu. Na ní závisí, zda bude rozpínání Vesmíru v budoucnu pokračovat donekonečna, zpomalit se nebo dokonce obrátit.
3. Co je temná hmota
Tma je hypotetická forma hmoty, která neinteraguje s elektromagnetickým zářením, a proto nevyzařuje, neabsorbuje ani neodráží světlo. Nelze ji detekovat našimi běžnými přístroji a přístroji, proto se tak nazývá.
Ale je jich mnoho důkaz existence temné hmoty ve vesmíru. Jsou založeny na gravitačním vlivu, který má na viditelné objekty.
Temná hmota, i když je neviditelná, ovlivňuje pohyb hvězd, galaxií a kup galaxií.
Astronomický výzkum ukázatže se tyto objekty pohybují, jako by byly ovlivněny další hmotou, a to nelze vysvětlit množstvím hmoty, které pozorujeme. Temná hmota proto drží galaxie a další obří struktury pohromadě vlivem své gravitační síly.
Obecně fyzici nepochopí, co je temná hmota, z jakých částic se skládá, jaké má vlastnosti a zda vůbec existuje. Možná pozorované chování hvězd a galaxií nesouvisí s žádnou hmotou a jsou to jen podivnosti gravitace. Věda na to ještě nepřišla.
4. Proč jsou základní konstanty takové, jaké jsou?
Základní konstanty jsou číselné hodnoty, které charakterizují fyzikální vlastnosti a interakce ve vesmíru. Jsou základní a nezávisí na konkrétních systémech jednotek.
Konstanty určují základní vlastnosti a zákony přírody, ovlivňující strukturu a vývoj vesmíru jako celku. Všechna tato čísla kolem 25. Mezi nimi:
- Rychlost světla ve vakuu (c) – určuje maximální rychlost, kterou se mohou šířit informace nebo interakce ve vesmíru.
- Planckova konstanta (h), neboli akční kvantum, – určuje vztah mezi energií a frekvencí částic a vlnění, vede hranice mezi makrokosmem, kde platí zákony newtonovské mechaniky, a mikrokosmem, kde vstupují v platnost zákony kvantové mechaniky. mechanika.
- Gravitační konstanta (G) – určuje sílu gravitační interakce mezi hmotami a ovlivňuje strukturu a pohyb objektů ve vesmíru.
- Hmotnost elektronu (mₑ).
- Základní poplatek (e).
- Kosmologická konstanta (Λ), která je také označována jako základní.
A vědci nemohou pochopit, proč všechna tato čísla mají přesně ten význam, jaký mají, a ne jiná.
Možná můžeme pozorovat pouze významy, které jsou slučitelné s naší existencí, protože život může vzniknout pouze v takovém vesmíru. Tomu se říká antropický princip.
Například konstanta jemné struktury, která se obvykle označuje písmenem "alfa", definuje síla magnetických interakcí. Jeho číselná hodnota je přibližně 0,007297. Pokud by se čísla lišila, nemusela by existovat stabilní hmota v našem vesmíru.
A přesto si fyzici lámou hlavu nad tím, jak by se změnil vesmír s jinými fyzikálními parametry. Existovat hypotézy, podle kterého jsou hodnoty základních konstant náhodné a určované fluktuacemi v raném vesmíru - jen nějaká množina čísel. Tento předpoklad znamená, že existuje mnoho vesmírů s různými hodnotami konstant. A my máme štěstí, že jsme tam, kde se tyto hodnoty nejlépe hodí pro rozvoj života.
5. Co se děje v černých dírách
Černé díry Jsou to oblasti vesmíru s neuvěřitelně silnou gravitací. Za černou dírou, takzvaným horizontem událostí, je gravitační přitažlivost tak silná, že nemůže uniknout žádná hmota, dokonce ani světlo.
Fyzici věří, že v samém středu černé díry je singularita - bod s nekonečnou hustotou a nekonečně silným gravitačním polem. Ale co to je, jak by to mohlo vypadat a jak přesně to funguje, žádná teorie nedokáže vysvětlit.
Dokonce i někteří vědci navrhnoutže singularita nemusí být bod, ale může mít různé tvary – to platí pro rotující černé díry. Takzvaná Kerrova černá díra, hypotetický objekt popsaný matematikem a astrofyzikem Royem Kerrem, má prstencovou singularitu. Dokonce bude možné takovou dírou proletět a přežít. Teoreticky.
K přesnému popisu fyzikálních procesů uvnitř singularity je však zapotřebí jednotná teorie gravitace a kvantová mechanika, která dosud nebyla vyvinuta.
6. Proč je ve vesmíru tak málo antihmoty?
V běžné hmotě mají elementární částice, jako jsou elektrony a protony, záporný a kladný náboj. V antihmotě jsou tyto náboje převrácené: antielektrony (také nazývané pozitrony) jsou nabité kladně, zatímco antiprotony jsou nabity záporně.
antihmota má stejné fyzikální vlastnosti jako ten obyčejný, včetně hmotnosti, spinu a dalších charakteristik částic. Ale když se antičástice setká s odpovídající obyčejnou, mohou se navzájem vyhladit a proměnit se v čistou energii.
Litr jakéhosi antivodíku, když přijde do styku se vzduchem, bude páchnout jako atomová bomba.
Jak je dobré, že maximální množství antivodíku, které se jim podařilo syntetizovat vědci najednou - 309 atomů.
Astronomická pozorování ukázatže vesmír a i ten nejvzdálenější hvězdy a galaxie jsou tvořeny hmotou a antihmoty je v ní velmi málo. Tento rozdíl mezi počtem baryonů (částice tvořené třemi kvarky) a antibaryony (antičástice tvořené třemi antikvarky) v našem vesmíru se nazývá baryonová asymetrie.
Pokud by byl Vesmír zcela symetrický, pak by se počet baryonů a antibaryonů musel rovnat a pozorovali bychom celé galaxie antihmoty. Ve skutečnosti je však vše vyrobeno z baryonů a antibaryony se musí v urychlovačích částic syntetizovat nejen lžičkou, ale atomem. Antihmota je tedy nejvíce drahá věc ve světě.
Podle standardního modelu elementárních částic měl být bezprostředně po velkém třesku ve vesmíru stejný počet kvarků a antikvarků. Něco se však stalo, co přesně není jasné, ale téměř všechny antibaryony zničenaa ze zbývajících baryonů vznikla hmota. To je ve skutečnosti to, z čeho se vesmír skládá. A ty mimochodem taky. A vědci, kteří stále nemohou přijít na to, proč je ve vesmíru tak málo antihmoty.
7. Je vakuum stabilní?
Vakuum je prostor s nejnižší možnou energií, ale oproti svému názvu není zcela prázdný. Stále obsahuje kvantová pole, která určují chování elementárních částic. Vědci věřitže skutečné neboli fyzikální vakuum, které známe, je nejstabilnějším stavem ve vesmíru, protože je považováno za globální minimum energie.
Teoreticky však existuje možnost, že stav fyzikálního vakua je konfigurací kvantových polí, což je pouze lokální, nikoli globální energetické minimum. To znamená, že vakuum, které můžeme pozorovat v hlubokém vesmíru nebo vytvořit v laboratoři, je „falešné“. Takže tam může být "pravda".
A pokud existuje „skutečné“ vakuum, máme velký problém.
Pokud předpokládáme, že náš Vesmír je ve stavu nikoli „pravého“, ale „falešného“ vakua, pak je možný proces jeho rozpadu do stabilnějšího stavu. Důsledky takového procesu mohou být nejvíce děsivé a liší se od jemných změn v kosmologických parametrech, které závisí na rozdílu potenciálu mezi „falešným“ a „pravým“ vakuem, až do úplného zastavení fungování elementárních částic a fundamentu síly.
Pokud se někde ve vesmíru objeví bublina „skutečného“ vakua, může to vést k úplné destrukci baryonové hmoty nebo dokonce k okamžitému gravitačnímu kolapsu Vesmíru.
Zkrátka doufejme, že naše vakuum je nejspolehlivější na světě. Co jiného zbývá?
8. Jaký bude konec vesmíru
A protože mluvíme o tak vzrušujících globálních problémech, jako je gravitační kolaps vesmíru: fyzici sestavili seznam nejzajímavější věci, které by se mohly v budoucnu s vesmírem stát, ale nikdy neřešte, který scénář je nejpravděpodobnější.
Podle teorie velkého třesku vesmír vznikl asi před 13,8 miliardami let z hustého a horkého stavu zvaného singularita a od té doby vše roste a chladne. Tato teorie dobře vysvětluje řadu pozorovaných jevů, jako je záření kosmického pozadí a expanze vesmír. Ale co bude dál? Vyberte si, co se vám nejvíce líbí:
- tepelná smrt. V rámci tohoto konceptu domnělýže časem bude vesmír stále chladnější a jednotnější. Energie v něm bude vyčerpána, všechny procesy, jako je vznik hvězd a tepelný pohyb, se zpomalí a zastaví. To povede ke stavu maximální entropie, kdy budou všechny částice ve stavu rovnováhy a žádné další děje ve Vesmíru nebudou možné.
- velká mezera. Vesmír bude pokračovat rozšířit. To znamená, že galaxie a další vesmírné objekty se budou od sebe stále více vzdalovat. Pokud se nic nezmění, ve vzdálené budoucnosti už gravitační síly nebudou dostatečně silné, aby odolávaly tlaku temné energie. To povede k tomu, že na všech úrovních struktury ve vesmíru, včetně galaxií, hvězd a atomů, bude síla, která převyšuje jejich vlastní sílu přitažlivosti. V důsledku toho budou všechny předměty postupně rozbity na samostatné částice.
- Velký stisk. Podle tohoto scénáře expanze vesmíru, způsobená Velkým třeskem, zpomal a nakonec se obrátí. Dominantní silou se stane gravitační přitažlivost mezi galaxiemi, hvězdami a planetami. Vzdálenost mezi nimi se bude dále zmenšovat, dokud se vesmír nezhroutí zpět do singularity, kde hustota a teplota nekonečně vzrostou. A k novému Velkému třesku není daleko.
Ale jaký osud čeká prostor, je stále nejasné. Počkejte prosím ještě několik tisíc sedmilionů let.
Přečtěte si také🧐
- Astrofyzik Boris Stern: 3 nejúžasnější poznatky o vesmíru, které jsme získali v 21. století
- Joker, rebel a laureát Nobelovy ceny: jaký byl život sovětského fyzika Lva Landaua
- Je pravda, že vesmír je příliš složitý a je zbytečné ho studovat: astrofyzik boří populární mýty