8 didžiausios fizikos paslaptys, kurios vis dar neišspręstos
įvairenybės / / July 28, 2023
Pagrindiniai gyvenimo, visatos ir viso kito klausimai.
1. Kodėl laikas teka tik į priekį
Fizikoje yra „laiko rodyklės (arba ašies)“ sąvoka. Jis apibūdina laiko tėkmę iš praeities į ateitį. Ir yra daug įrodymų, kad laikas palankiai vertina tam tikrą kryptį.
Pagal antrąjį termodinamikos dėsnį izoliuotoje sistemoje entropija (netvarkos matas) laikui bėgant didės. Tai reiškiakad procesai gamtoje dažniausiai vyksta ta kryptimi, kur energija pasiskirsto tolygiau ir sistema tampa netvarkingesnė.
Pavyzdžiui, kai sulaužome kiaušinį, jis pats neatsinaujina. Negalite atsukti laiko atgal ir daryti dalykų taip, kaip buvo. Entropija yra negailestinga.
Be to, pagal bendrąją reliatyvumo teoriją, laikui bėgant, Visata plečiasi. Stebėjimai rodo, kad praeityje jis išgyveno didelio tankio ir mažos entropijos būseną (šį įvykį vadiname „Didžiuoju sprogimu“) ir juda link didelės entropijos būsenos ateityje.
Apskritai nesunku pastebėti, kad laikas yra negrįžtamas ir visada juda viena kryptimi. Ir mokslininkai niekada nesupras, kodėl taip yra. O ar laikas gali tekėti ir atgal?
2. Kas yra tamsioji energija
Visata plečiasi. Ji tai daro kaip balionas, tik greičiau nei šviesos greitis.
1990-aisiais astronomai atradokad visatos plėtimasis laikui bėgant tik įgauna greitį ir nesulėtėja veikiamas gravitacijos, kaip turėtų būti teoriškai. Šis stebėjimas leido manyti, kad yra tam tikra energijos forma, kuri prieštarauja gravitacijai ir prisideda prie pagreitinto visatos plėtimosi.
Tamsioji energija tikriausiai užpildo visa Visatos erdvės-laiko struktūra ir yra pagrindinis jos energijos turinio komponentas. Tačiau jo negalima tiesiogiai stebėti ar išmatuoti.
74 % mūsų Visatos sudaro tamsioji energija, 22 % – tamsioji medžiaga, 3,6 % – tarpgalaktinės dujos, dar 0,4 % – banalios, neįdomios žvaigždės, planetos ir kiti smulkmenos.
Kodėl lygiavimas yra toks, neaišku.
Pati tamsiosios energijos prigimtis taip pat yra lieka mokslo paslaptis. Yra įvairių teorijoskurie bando paaiškinti jo kilmę, įskaitant kvantinio vakuumo ir kosmologinės konstantos sąvokas.
Tuo tarpu tamsioji energija yra labai svarbi norint suprasti pagrindines Visatos savybes ir tolesnį jos likimą. Nuo to priklauso, ar ateityje Visatos plėtimasis tęsis neribotą laiką, sulėtės ar net apsivers.
3. Kas yra tamsioji medžiaga
Tamsioji yra hipotetinė materijos forma, kuri nesąveikauja su elektromagnetine spinduliuote, todėl nespinduliuoja, nesugeria ir neatspindi šviesos. Jo neįmanoma aptikti mūsų įprastais instrumentais ir instrumentais, todėl jis taip vadinamas.
Bet yra daug įrodymai tamsiosios materijos egzistavimą Visatoje. Jie pagrįsti gravitacine įtaka matomiems objektams.
Tamsioji medžiaga, nors ir nematoma, veikia žvaigždžių, galaktikų ir galaktikų spiečių judėjimą.
Astronominiai tyrimai Rodytikad šie objektai juda taip, tarsi juos paveiktų papildoma masė, ir to negalima paaiškinti stebimos medžiagos kiekiu. Todėl tamsioji medžiaga savo gravitacinės jėgos įtakoje laiko galaktikas ir kitas milžiniškas struktūras.
Apskritai, fizikai nesupras, kas yra tamsioji medžiaga, iš kokių dalelių ji susideda, kokios jos savybės ir ar ji apskritai egzistuoja. Galbūt stebimas žvaigždžių ir galaktikų elgesys nesusijęs su jokia medžiaga ir tai tik gravitacijos keistenybės. Mokslas to dar neišsiaiškino.
4. Kodėl pagrindinės konstantos yra tokios, kokios yra?
Pagrindinės konstantos yra skaitinės vertės, apibūdinančios fizines savybes ir sąveiką visatoje. Jie yra pagrindiniai ir nepriklauso nuo konkrečių vienetų sistemų.
Konstantos lemia pagrindines gamtos savybes ir dėsnius, darydamos įtaką visos visatos struktūrai ir vystymuisi. Visi šie skaičiai apie 25. Tarp jų:
- Šviesos greitis vakuume (c) – nustato didžiausią greitį, kuriuo informacija arba sąveika gali sklisti visatoje.
- Planko konstanta (h), arba veikimo kvantas, – nustato ryšį tarp dalelių ir bangų energijos ir dažnio, laidumo riba tarp makrokosmoso, kur galioja Niutono mechanikos dėsniai, ir mikrokosmoso, kur įsigalioja kvantinės mechanikos dėsniai. mechanika.
- Gravitacijos konstanta (G) – lemia masių gravitacinės sąveikos stiprumą ir įtakoja objektų struktūrą bei judėjimą visatoje.
- Elektrono masė (mₑ).
- Pradinis mokestis (e).
- Kosmologinė konstanta (Λ), kuri taip pat vadinama pagrindine.
Ir mokslininkai negali suprasti, kodėl visi šie skaičiai turi būtent tokias reikšmes, kaip jie turi, o ne kitas.
Galbūt galime stebėti tik su mūsų egzistencija suderinamas reikšmes, nes gyvenimą galėjo atsirasti tik tokioje visatoje. Tai vadinama antropiniu principu.
Pavyzdžiui, smulkios struktūros konstanta, kuri paprastai žymima raide „alfa“, apibrėžia magnetinės sąveikos stiprumas. Jo skaitinė reikšmė yra maždaug 0,007297. Jei skaičiai būtų skirtingi, mūsų Visatoje gali nebūti stabilios materijos.
Ir vis tiek fizikai galvos, kaip pasikeistų Visata su kitais fiziniais parametrais. Egzistuoti hipotezes, pagal kurią pagrindinių konstantų reikšmės yra atsitiktinės ir nulemtos ankstyvosios visatos svyravimų – tik tam tikras skaičių rinkinys. Ši prielaida reiškia, kad yra daug visatų su skirtingomis konstantų reikšmėmis. Ir mums tiesiog pasisekė būti ten, kur šios vertybės geriausiai tinka gyvenimo vystymuisi.
5. Kas vyksta juodosiose skylėse
Juodosios skylės Tai yra kosmoso sritys su neįtikėtinai stipria gravitacija. Už juodosios skylės, vadinamojo įvykių horizonto, gravitacinė trauka yra tokia stipri, kad nesvarbu, net šviesa, negali pabėgti.
Fizikų nuomone, pačiame juodosios skylės centre yra singuliarumas – begalinio tankio ir be galo stipraus gravitacinio lauko taškas. Bet kas tai yra, kaip tai gali atrodyti ir kaip tiksliai tai veikia, jokia teorija negali paaiškinti.
Net kai kurie mokslininkai tarkimekad singuliarumas gali būti ne taškas, o turėti skirtingas formas – tai galioja besisukančioms juodosioms skylėms. Vadinamoji Kero juodoji skylė, hipotetinis objektas, aprašytas matematiko ir astrofiziko Roy'aus Kerro, turi žiedinį singuliarumą. Netgi bus galima skristi pro tokią skylę ir išgyventi. Teoriškai.
Tačiau norint tiksliai apibūdinti fizinius procesus singuliarumo viduje, reikia vieningos teorijos gravitacija ir kvantinė mechanika, kuri dar nebuvo sukurta.
6. Kodėl visatoje tiek mažai antimedžiagos?
Įprastoje medžiagoje elementarios dalelės, tokios kaip elektronai ir protonai, turi atitinkamai neigiamą ir teigiamą krūvį. Antimedžiagoje šie krūviai yra atvirkštiniai: antielektronai (dar vadinami pozitronais) yra įkrauti teigiamai, o antiprotonai – neigiamai.
antimedžiaga turi tos pačios fizinės savybės kaip ir paprastos, įskaitant dalelių masę, sukimąsi ir kitas charakteristikas. Tačiau kai antidalelė susitinka su atitinkama įprasta, jos gali viena kitą sunaikinti, virsdamos gryna energija.
Litras kažkokio antivandenilio, susilietus su oru, kvepės kaip atominė bomba.
Kaip gerai, kad jiems pavyko pasiekti maksimalų antivandenilio kiekį susintetinti mokslininkai vienu metu – 309 atomai.
Astronominiai stebėjimai Rodytikad visata ir net tolimiausia žvaigždės o galaktikos yra sudarytos iš materijos, o antimaterijos joje yra labai mažai. Šis skirtumas tarp barionų (dalelių, sudarytų iš trijų kvarkų) ir antibarionų (antidalelių, sudarytų iš trijų antikvarkų) skaičiaus mūsų visatoje vadinamas barionų asimetrija.
Jei Visata būtų visiškai simetriška, tai barionų ir antibarionų skaičius turėtų būti lygus, ir mes stebėtume ištisas antimaterijos galaktikas. Tačiau iš tikrųjų viskas yra padaryta iš barionų, o antibarionus dalelių greitintuvuose turi susintetinti ne tik šaukštelis, o atomas. Todėl antimedžiagos yra labiausiai brangus dalykas pasaulyje.
Pagal standartinį elementariųjų dalelių modelį, iškart po Didžiojo sprogimo visatoje turėjo būti vienodas kvarkų ir antikvarkų skaičius. Tačiau kažkas atsitiko, kas tiksliai neaišku, bet beveik visi antibarionai sunaikinta, o materija susidarė iš likusių barionų. Tiesą sakant, tai yra visata. Ir tu, beje, taip pat. Ir mokslininkai, kurie vis dar negali suprasti, kodėl kosmose tiek mažai antimedžiagos.
7. Ar vakuumas stabilus?
Vakuumas – tai erdvė, turinti mažiausią įmanomą energiją, tačiau, priešingai nei jos pavadinimas, ji nėra visiškai tuščia. Jame vis dar yra kvantinių laukų, kurie lemia elementariųjų dalelių elgesį. Mokslininkai tikėtikad tikrasis arba fizinis vakuumas, kurį žinome, yra stabiliausia būsena visatoje, nes jis laikomas pasauliniu energijos minimumu.
Tačiau teoriškai yra galimybė, kad fizinio vakuumo būsena yra kvantinių laukų konfigūracija, kuri yra tik vietinis, o ne pasaulinis energijos minimumas. Tai yra, vakuumas, kurį galime stebėti gilioje erdvėje arba sukurti laboratorijoje, yra „klaidingas“. Taigi, gali būti „tiesa“.
Ir jei egzistuoja „tikras“ vakuumas, mes turime didelę bėdą.
Jei darysime prielaidą, kad mūsų Visata yra ne „tikro“, o „klaidingo“ vakuumo būsenoje, tada tampa įmanomas jos skilimo į stabilesnę būseną procesas. Tokio proceso pasekmės gali būti pačios didžiausios bauginantis ir skiriasi nuo subtilių kosmologinių parametrų pokyčių, kurie priklauso nuo potencialų skirtumo tarp „klaidingo“ ir „tikro“ vakuumo, kol visiškai nutrūks elementariųjų dalelių ir pagrindinių pajėgos.
Jei kur nors erdvėje atsiranda „tikro“ vakuumo burbulas, tai gali lemti visišką barioninės medžiagos sunaikinimą ar net momentinį Visatos gravitacinį žlugimą.
Trumpai tariant, tikėkimės, kad mūsų vakuumas yra patikimiausias pasaulyje. Kas dar liko?
8. Kokia bus visatos pabaiga
Ir kadangi mes kalbame apie tokias įdomias pasaulines problemas kaip gravitacinis Visatos žlugimas: fizikai sudarė sąrašą įdomiausių dalykų, kurie gali nutikti kosmosui ateityje, tačiau niekada nenuspręskite, kuris scenarijus yra labiausiai tikėtinas.
Pagal Didžiojo sprogimo teoriją, visata iškilo maždaug prieš 13,8 milijardo metų iš tankios ir karštos būsenos, vadinamos singuliarumu, ir nuo tada viskas auga ir vėsta. Ši teorija gerai paaiškina daugybę pastebėtų reiškinių, tokių kaip kosminė foninė spinduliuotė ir plėtimasis. visata. Bet kas bus toliau? Pasirinkite tai, kas jums labiausiai patinka:
- karščio mirtis. Šios koncepcijos ribose tariamaikad laikui bėgant visata taps vis šaltesnė ir vienodesnė. Jame esanti energija bus išeikvota, visi procesai, tokie kaip žvaigždžių formavimasis ir šiluminis judėjimas, sulėtės ir sustos. Tai sukels maksimalios entropijos būseną, kai visos dalelės bus pusiausvyros būsenoje ir jokie tolesni įvykiai Visatoje nebus įmanomi.
- didelis tarpas. Visata tęsis išplėsti. Tai reiškia, kad galaktikos ir kiti kosminiai objektai vis labiau tols vienas nuo kito. Jei niekas nepasikeis, tolimoje ateityje gravitacinės jėgos nebebus pakankamai stiprios, kad atsispirtų tamsiosios energijos spaudimui. Tai lems tai, kad visuose Visatos struktūros lygiuose, įskaitant galaktikas, žvaigždes ir atomus, bus jėga, viršijanti jų pačių traukos jėgą. Dėl to visi objektai palaipsniui suskaidomi į atskiras daleles.
- Didelis suspaudimas. Pagal šį scenarijų Visatos plėtimasis, sukeltas Didžiojo sprogimo, lėčiau ir galiausiai apsiverčia. Gravitacinė trauka tarp galaktikų, žvaigždžių ir planetų taps dominuojančia jėga. Atstumas tarp jų ir toliau mažės, kol Visata vėl žlugs į singuliarumą, kur tankis ir temperatūra taps be galo aukšti. Ir visai netoli nuo naujojo Didžiojo sprogimo.
Bet koks likimas laukia erdvė, vis dar neaišku. Palaukite dar kelis tūkstančius septilijonų metų.
Taip pat skaitykite🧐
- Astrofizikas Borisas Sternas: 3 nuostabiausios žinios apie Visatą, kurias gavome XXI amžiuje
- Juokdarys, maištininkas ir Nobelio premijos laureatas: koks buvo sovietų fiziko Levo Landau gyvenimas
- Ar tiesa, kad Visata per sudėtinga ir ją tyrinėti nenaudinga: astrofizikas griauna populiarius mitus