8 най-големи мистерии на физиката, които все още не са разгадани

1. Защо времето тече само напред

Във физиката съществува понятието „стрела (или ос) на времето“. Описва потока на времето от миналото към бъдещето. И има много доказателства, че времето благоприятства определена посока.

Според втория закон на термодинамиката, в изолирана система ентропията (мярка за безпорядък) ще нараства с времето. Това означаваче процесите в природата обикновено протичат в посока, в която енергията се разпределя по-равномерно и системата става по-неподредена.

Например, когато счупим яйце, то не се регенерира само. Не можете да върнете времето назад и да направите нещата такива, каквито са били. Ентропията е безпощадна.

Освен това, според общата теория на относителността, с течение на времето Вселената разширява се. Наблюденията показват, че тя е преминала през състояние на висока плътност и ниска ентропия в миналото (това събитие наричаме „Големият взрив“) и се движи към бъдещо състояние на висока ентропия.

Като цяло е лесно да се види, че времето е необратимо и винаги се движи в една посока. И учените никога няма да разберат защо това е така. И възможно ли е времето да тече и обратно?

2. Какво е тъмна енергия

Вселената се разширява. Тя го прави точно като балон, само че по-бързо от скоростта на светлината.

През 90-те години астрономите откритиче разширяването на Вселената само набира скорост с течение на времето, а не се забавя под въздействието на гравитацията, както би трябвало да бъде на теория. Това наблюдение доведе до предположението, че има някаква форма на енергия, която се противопоставя на гравитацията и допринася за ускореното разширяване на Вселената.

Вероятно тъмна енергия запълва цялата пространствено-времева структура на Вселената и е основният компонент на нейното енергийно съдържание. Но не може да бъде пряко наблюдавано или измерено.

74% от нашата Вселена е тъмна енергия, 22% е тъмна материя, 3,6% е междугалактически газ, а други 0,4% са банални, безинтересни звезди, планети и други малки неща.

Защо подравняването е по този начин не е ясно.

Самата природа на тъмната енергия също е такава остава мистерия за науката. Има различни теориикоито се опитват да обяснят неговия произход, включително концепциите за квантовия вакуум и космологичната константа.

Междувременно тъмната енергия е от голямо значение за разбирането на фундаменталните свойства на Вселената и нейната бъдеща съдба. От него зависи дали разширяването на Вселената ще продължи безкрайно, ще се забави или дори ще се обърне в бъдеще.

3. Какво е тъмна материя

Тъмното е хипотетична форма на материя, която не взаимодейства с електромагнитното излъчване и следователно не излъчва, абсорбира или отразява светлина. Не може да се открие с нашите обикновени уреди и уреди, затова се нарича така.

Но има много доказателства съществуването на тъмна материя във Вселената. Те се основават на гравитационното влияние, което има върху видимите обекти.

Тъмната материя, макар и невидима, влияе върху движението на звезди, галактики и галактически купове.

Астрономически изследвания шоуче тези обекти се движат така, сякаш са засегнати от допълнителна маса и това не може да се обясни с количеството материя, което наблюдаваме. Следователно тъмната материя държи галактики и други гигантски структури заедно под въздействието на своята гравитационна сила.

Като цяло, физиците няма да разберат какво е тъмна материя, от какви частици се състои, какви са нейните свойства и дали изобщо съществува. Може би наблюдаваното поведение на звездите и галактиките не е свързано с никаква материя и е просто странността на гравитацията. Науката все още не е разбрала.

4. Защо фундаменталните константи са такива, каквито са?

Фундаменталните константи са числени стойности, които характеризират физическите свойства и взаимодействия във Вселената. Те са основни и не зависят от конкретни системи единици.

Константите определят основните свойства и закони на природата, влияещи върху структурата и развитието на Вселената като цяло. Всички тези числа около 25. Между тях:

• Скоростта на светлината във вакуум (c) – определя максималната скорост, с която информацията или взаимодействията могат да се разпространяват във Вселената.
• Константата на Планк (h), или квантът на действие, - определя връзката между енергията и честотата на частиците и вълните, провеждащи границата между макрокосмоса, където важат законите на Нютоновата механика, и микрокосмоса, където влизат в сила законите на квантовата механика. механика.
• Гравитационна константа (G) – определя силата на гравитационното взаимодействие между масите и влияе върху структурата и движението на обектите във Вселената.
• Маса на електрона (mₑ).
• Елементарен заряд (e).
• Космологична константа (Λ), която също се нарича фундаментална.

И учените не могат да разберат защо всички тези числа имат точно това значение, което имат, а не други.

Може би можем да наблюдаваме само значения, които са съвместими с нашето съществуване, защото живот може да възникне само в такава вселена. Това се нарича антропен принцип.

Например константата на фината структура, която обикновено се обозначава с буквата "алфа", определя силата на магнитните взаимодействия. Числената му стойност е приблизително 0,007297. Ако числата бяха различни, може би нямаше да има стабилна материя в нашата Вселена.

И все още физиците озадачават как би се променила Вселената с други физически параметри. Съществуват хипотези, според който стойностите на фундаменталните константи са случайни и се определят от флуктуации в ранната вселена - просто някакъв набор от числа. Това предположение предполага, че има много вселени с различни стойности на константите. И ние просто сме щастливи да бъдем в този, където тези ценности са най-подходящи за развитието на живота.

5. Какво се случва в черните дупки

Черни дупки Това са зони от космоса с невероятно силна гравитация. Отвъд черната дупка, така наречения хоризонт на събитията, гравитационното привличане е толкова силно, че никаква материя, дори светлината, не може да избяга.

В самия център на черна дупка, смятат физиците, има сингулярност - точка с безкрайна плътност и безкрайно силно гравитационно поле. Но какво е това, как може да изглежда и как точно работи, никоя теория не може да обясни.

Някои учени дори предполагамче сингулярността може да не е точка, а да има различни форми – това важи за въртящите се черни дупки. Така наречената черна дупка на Кер, хипотетичен обект, описан от математика и астрофизика Рой Кер, има пръстеновидна сингулярност. Дори ще бъде възможно да летите през такава дупка и да оцелеете. На теория.

Но за точното описание на физическите процеси в сингулярността е необходима единна теория земно притегляне и квантовата механика, която все още не е разработена.

6. Защо има толкова малко антиматерия във Вселената?

В обикновената материя елементарните частици, като електрони и протони, имат съответно отрицателен и положителен заряд. В антиматерията тези заряди са обърнати: антиелектроните (наричани още позитрони) са положително заредени, докато антипротоните са отрицателно заредени.

антиматерия има същите физични свойства като обикновения, включително маса, спин и други характеристики на частиците. Но когато античастица срещне съответна обикновена, те могат да се унищожат взаимно, превръщайки се в чиста енергия.

Един литър някакъв антиводород, когато влезе в контакт с въздуха, ще мирише на атомна бомба.

Колко добре е, че максималното количество антиводород, което са успели да синтезирам учени наведнъж - 309 атома.

Астрономически наблюдения шоуче вселената и дори най-далечната звезди а галактиките са изградени от материя и в нея има много малко антиматерия. Тази разлика между броя на барионите (частиците, съставени от три кварка) и антибарионите (античастиците, съставени от три антикварка) в нашата Вселена се нарича барионна асиметрия.

Ако Вселената беше напълно симетрична, тогава броят на барионите и антибарионите би трябвало да е равен и щяхме да наблюдаваме цели галактики от антиматерия. В действителност обаче всичко е направено от бариони, а антибарионите трябва да се синтезират в ускорители на частици не само от чаена лъжичка, а от атом. Следователно антиматерията е най скъпо нещо в света.

Според стандартния модел на елементарните частици, веднага след Големия взрив във Вселената е трябвало да има равен брой кварки и антикварки. Нещо обаче се случи, какво точно не е ясно, но почти всички антибариони анихилиран, а материята се образува от останалите бариони. Това всъщност е това, от което се състои Вселената. И ти, между другото, също. И учени, които все още не могат да разберат защо има толкова малко антиматерия в космоса.

7. Вакуумът стабилен ли е?

Вакуумът е пространство с възможно най-ниска енергия, но противно на името си, не е напълно празно. Той все още съдържа квантови полета, които определят поведението на елементарните частици. Учени вярвамче истинският или физическият вакуум, който познаваме, е най-стабилното състояние във Вселената, тъй като се счита за глобалния минимум на енергията.

На теория обаче съществува възможност състоянието на физическия вакуум да е конфигурация от квантови полета, което е само локален, а не глобален енергиен минимум. Тоест, вакуумът, който можем да наблюдаваме в дълбокия космос или да създадем в лабораторията, е „фалшив“. Така че може да има "вярно".

И ако съществува "истински" вакуум, ние сме в голяма беда.

Ако приемем, че нашата Вселена е в състояние не на "истински", а на "фалшив" вакуум, тогава процесът на нейното разпадане до по-стабилно състояние става възможен. Последствията от такъв процес могат да бъдат най-много ужасяващо и варират от фини промени в космологичните параметри, които зависят от потенциалната разлика между "фалшив" и "истински" вакуум, до пълното спиране на функционирането на елементарните частици и фундаменталните сили.

Ако някъде в космоса се появи балон от "истински" вакуум, това може да доведе до пълно унищожаване на барионната материя или дори до мигновен гравитационен колапс на Вселената.

Накратко, да се надяваме, че нашият вакуум е най-надеждният в света. Какво друго остава?

8. Какъв ще е краят на Вселената

И тъй като говорим за толкова вълнуващи глобални проблеми като гравитационния колапс на Вселената: физиците са събрали списък най-интересните неща, които могат да се случат с космоса в бъдеще, но никога не решавайте кой сценарий е най-вероятният.

Според теорията за Големия взрив Вселената възникна преди около 13,8 милиарда години от плътно и горещо състояние, наречено сингулярност, и оттогава всичко расте и се охлажда. Тази теория обяснява добре редица наблюдавани явления, като космическото фоново лъчение и разширяването вселена. Но какво ще се случи след това? Изберете какво ви харесва най-много:

• топлинна смърт. В рамките на тази концепция предполагаемче с течение на времето Вселената ще става все по-студена и еднородна. Енергията в него ще бъде изчерпана, всички процеси, като образуването на звезди и топлинното движение, ще се забавят и ще спрат. Това ще доведе до състояние на максимална ентропия, когато всички частици ще бъдат в състояние на равновесие и няма да са възможни други събития във Вселената.
• голяма празнина. Вселена ще продължа разширяване. Това означава, че галактиките и другите космически обекти все повече ще се отдалечават един от друг. Ако нищо не се промени, в далечното бъдеще гравитационните сили вече няма да бъдат достатъчно силни, за да устоят на натиска на тъмната енергия. Това ще доведе до факта, че на всички нива на структура във Вселената, включително галактики, звезди и атоми, ще има сила, която надвишава тяхната собствена сила на привличане. В резултат на това всички обекти постепенно ще бъдат разделени на отделни частици.
• Голямо стискане. Според този сценарий, разширяването на Вселената, причинено от Големия взрив, забави и в крайна сметка се обръща. Гравитационното привличане между галактиките, звездите и планетите ще се превърне в доминираща сила. Разстоянието между тях ще продължи да намалява, докато Вселената се срине обратно в сингулярност, където плътността и температурата стават безкрайно високи. И не е далеч от новия Голям взрив.

Но каква съдба го чака пространство, все още не е ясно. Моля, изчакайте още няколко хиляди септилиона години.