» » Что физика думает о вселенной: 18 самых больших неразгаданных загадок физики

Что физика думает о вселенной: 18 самых больших неразгаданных загадок физики

15
Глубинная физика


Что физика думает о вселенной: 18 самых больших неразгаданных загадок физики


Перевод и редактирование: http:///


Говорят, что в 1900 году британский физик лорд Кельвин заявил: «Сейчас в физике нет ничего нового. Остается только более точное измерение». За три десятилетия квантовая механика и теория относительности Эйнштейна произвели революцию в этой области. Сегодня ни один физик не посмеет утверждать, что наши физические знания о Вселенной близки к завершению. Напротив, каждое новое открытие, кажется, открывает ящик Пандоры еще больших, еще более глубоких вопросов физики. Это наш выбор для самых глубоких открытых вопросов.


Вы узнаете о параллельных вселенных, почему кажется, что время движется только в одном направлении и почему мы не понимаем хаос.



Что такое темная энергия?



(Изображение предоставлено НАСА)


Независимо от того, как астрофизики подсчитывают числа, вселенная просто не складывается. Несмотря на то, что гравитация притягивает внутрь пространство-время - «ткань» космоса - она ​​продолжает расширяться наружу все быстрее и быстрее. Чтобы объяснить это, астрофизики предложили невидимый агент, который противодействует гравитации, раздвигая пространство-время. Они называют это темной энергией. В наиболее широко распространенной модели темной энергии это «космологическая постоянная»: внутреннее свойство самого пространства, которое имеет «отрицательное давление», разгоняющее пространство.

По мере расширения пространства создается больше пространства, а вместе с ним и больше темной энергии. Основываясь на наблюдаемой скорости расширения, ученые знают, что сумма всей темной энергии должна составлять более 70 процентов от общего содержания Вселенной. Но никто не знает, как это искать. Лучшее, что смогли сделать исследователи за последние годы, ограничивается тем, где может скрываться темная энергия, что стало темой исследования, опубликованного в августе 2015 года.



Что такое темная материя?



(Изображение предоставлено: ESO / L. Calçada)


Очевидно, около 84 процентов вещества во Вселенной не поглощает и не излучает свет. «Темную материю», как ее называют, нельзя увидеть напрямую, и еще не обнаружено ее косвенными средствами. Вместо этого о существовании и свойствах темной материи можно судить по ее гравитационному воздействию на видимую материю, излучение и структуру Вселенной. Считается, что это теневое вещество пронизывает окраины галактик и может состоять из «слабо взаимодействующих массивных частиц» или вимпов. Во всем мире есть несколько детекторов, ищущих WIMP, но пока ни один не был обнаружен. Одно недавнее исследование предполагает, что темная материя может образовывать длинные мелкозернистые потоки по всей Вселенной, и что такие потоки могут исходить с Земли, как волосы. [Связанный:Если не темная материя, то что? ]



Почему есть стрела времени?



(Изображение предоставлено: Изображение предоставлено Shutterstock)


Время движется вперед, потому что свойство Вселенной, называемое «энтропией», примерно определяемое как уровень беспорядка, только увеличивается, и поэтому нет никакого способа повернуть вспять рост энтропии после того, как он произошел. Тот факт, что энтропия увеличивается, является логическим: существует больше неупорядоченных расположений частиц, чем упорядоченных, и поэтому, когда вещи меняются, они имеют тенденцию приходить в беспорядок. Но главный вопрос здесь в том, почему в прошлом энтропия была такой низкой? Иными словами, почему Вселенная была так упорядочена в самом начале, когда огромное количество энергии было сосредоточено в небольшом пространстве?



Есть ли параллельные вселенные?



(Изображение предоставлено: Изображение предоставлено Shutterstock)


Астрофизические данные предполагают, что пространство-время может быть «плоским», а не искривленным, и поэтому оно продолжается вечно. Если это так, то область, которую мы можем видеть (которую мы думаем как «вселенная»), представляет собой всего лишь один фрагмент бесконечно большой «стеганой мультивселенной». В то же время законы квантовой механики диктуют, что существует только конечное число возможных конфигураций частиц в каждом космическом фрагменте (10 ^ 10 ^ 122 различных возможностей).

Итак, с бесконечным числомкосмических пятен, расположение частиц внутри них вынуждено повторяться - бесконечно много раз. Это означает, что существует бесконечно много параллельных вселенных: космические участки, точно такие же, как наша (содержащие кого-то в точности, как вы), а также участки, которые отличаются только положением одной частицы, участки, которые отличаются положением двух частиц, и так далее до патчи, которые полностью отличаются от наших.

Что-то не так с этой логикой, или ее странный результат верен? И если это правда, как мы можем обнаружить присутствие параллельных вселенных? Взгляните на эту прекрасную перспективу 2015 года, в которой рассматривается, что означает «бесконечные вселенные».



Почему материи больше, чем антивещества?



(Изображение предоставлено: Изображение предоставлено Shutterstock)


Вопрос о том, почему материи намного больше, чем ее противоположно заряженный и вращающийся в противоположных направлениях двойник, антивещество, на самом деле является вопросом, почему что-то вообще существует. Предполагается, что Вселенная будет относиться к материи и антивеществу симметрично, и, следовательно, в момент Большого взрыва должно было быть произведено равное количество материи и антивещества. Но если бы это произошло, произошла бы полная аннигиляция обоих: протоны погасли бы антипротонами, электроны - антиэлектронами (позитронами), нейтроны - антинейтронами и так далее, оставив после себя тусклое море фотонов в безматериальной среде. раздолье.

По какой-то причине была избыточная материя, которая не была уничтожена, и вот мы здесь. Для этого нет общепринятого объяснения. Наиболее подробные испытания На сегодняшний день различия между материей и антивеществом, объявленные в августе 2015 года, подтверждают, что они являются зеркальным отображением друг друга, обеспечивая ровно ноль новых путей к пониманию тайны того, почему материя гораздо более распространена.



Какова судьба Вселенной?



(Изображение предоставлено: Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported | Бьярмасон)


Судьба Вселенной сильно зависит от фактора неизвестной величины: Ω, меры плотности материи и энергии во всем космосе. Если Ω больше 1, то пространство-время будет «замкнутым», как поверхность огромной сферы. Если бы не было темной энергии, такая вселенная в конечном итоге прекратила бы расширяться и вместо этого начала бы сжиматься, в конечном итоге схлопываясь в саму себя в событии, получившем название «Большое сжатие». Если Вселенная замкнута , но там есть темная энергия, сферическая вселенная будет расширяться вечно.


В качестве альтернативы, если Ω меньше 1, то геометрия пространства будет «открытой», как поверхность седла. В этом случае его окончательная судьба - «Большое Замерзание», за которым следует «Большой разрыв»: во-первых, внешнее ускорение Вселенной разорвет галактики и звезды на части, оставив всю материю холодной и одинокой. Затем ускорение станет настолько сильным, что подавит действие сил, удерживающих атомы вместе, и все разорвется на части.


Если бы Ω = 1, Вселенная была бы плоской, расширяющейся как бесконечная плоскость во всех направлениях. Если бы не было темной энергии, такая плоская Вселенная расширилась бы вечно, но с постоянно замедляющейся скоростью, приближаясь к остановке. Если есть темная энергия, плоская Вселенная в конечном итоге испытает безудержное расширение, ведущее к Большому разрыву. Независимо от того, как это разовьется, Вселенная умирает - факт, подробно обсужденный астрофизиком Полом Саттером в эссе от декабря 2015 года.

Que sera, сыворотка.




Как измерения разрушают квантовые волновые функции?


(Изображение предоставлено Джоном Д. Нортоном)


В странной сфере электронов, фотонов и других фундаментальных частиц квантовая механика - это закон. Частицы ведут себя не как крошечные шарики, а как волны, распространяющиеся по большой площади. Каждая частица описывается «волновой функцией» или распределением вероятностей, которое говорит о ее местоположении, скорости и других свойствах с большей вероятностью, но не об этих свойствах. На самом деле частица имеет диапазон значений для всех свойств, пока вы экспериментально не измеряете одно из них - например, его местоположение - в этот момент волновая функция частицы «схлопывается», и она принимает только одно местоположение. [ Новорожденные младенцы понимают квантовую механику ]


Но как и почему измерение частицы заставляет ее волновую функцию коллапсировать, создавая конкретную реальность, которую мы воспринимаем как существующую? Проблема, известная как проблема измерения, может показаться эзотерической, но наше понимание того, что такое реальность, или существует ли она вообще, зависит от ответа.




Верна ли теория струн?



(Изображение предоставлено: Creative Commons | Обед)


Когда физики предполагают, что все элементарные частицы на самом деле представляют собой одномерные петли или «струны», каждая из которых колеблется с разной частотой, физика становится намного проще. Теория струн позволяет физикам согласовать законы, управляющие частицами, называемые квантовой механикой, с законами, управляющими пространством-временем, называемыми общей теорией относительности, и объединить четыре фундаментальные силы природы.в единую структуру. Но проблема в том, что теория струн может работать только во Вселенной с 10 или 11 измерениями: три больших пространственных, шесть или семь сжатых пространственных измерений и временное измерение.


Уплотненные пространственные измерения, а также сами вибрирующие струны составляют примерно одну миллиардную триллионной от размера атомного ядра. Невозможно обнаружить что-либо настолько маленькое, поэтому нет известного способа экспериментально подтвердить или опровергнуть теорию струн.



В хаосе есть порядок?




(Изображение предоставлено: Изображение предоставлено Shutterstock)


Физики не могут точно решить систему уравнений, описывающих поведение жидкостей, от воды до воздуха до всех других жидкостей и газов. Фактически, неизвестно, существует ли вообще общее решение так называемых уравнений Навье-Стокса, или, если есть решение, описывает ли оно жидкости повсюду или содержит по сути непознаваемые точки, называемые сингулярностями. Как следствие, природа хаоса не совсем понятна. Физики и математики задаются вопросом: действительно ли погоду сложно предсказать или она непредсказуема по своей природе? Выходит ли турбулентность за рамки математического описания или все имеет смысл, если вы решите ее с помощью правильной математики ?




Сливаются ли силы Вселенной в одно?




(Изображение предоставлено Лукасом Тейлором / CMS)


Вселенная испытывает четыре фундаментальных силы: электромагнетизм, сильное ядерное взаимодействие, слабое взаимодействие (также известное как слабое ядерное взаимодействие ) и гравитация . На сегодняшний день физикам известно, что если вы увеличите энергию достаточно - например, внутри ускорителя элементарных частиц - три из этих сил «объединятся» и станут единой силой. Физики запустили ускорители элементарных частиц и объединили электромагнитное взаимодействие и слабые взаимодействия, а при более высоких энергиях то же самое должно произойти с сильным ядерным взаимодействием и, в конечном итоге, с гравитацией.


Но даже несмотря на то, что теории говорят, что это должно произойти, природа не всегда подчиняется. До сих пор ни один ускоритель частиц не достиг энергии, достаточно высокой, чтобы объединить сильное взаимодействие с электромагнетизмом и слабым взаимодействием. Включение гравитации означало бы еще больше энергии. Неясно, смогут ли ученые построить такой мощный; Большой адронный коллайдер (LHC), расположенный недалеко от Женевы, может посылать частицы врезаться друг в друга с энергией в триллионы электрон-вольт (около 14 тераэлектронвольт, или ТэВ). Чтобы достичь энергий великого объединения, частицам потребуется как минимум в триллион раз больше, поэтому физикам остается искать косвенные доказательства таких теорий.



Помимо вопроса об энергиях, у Теорий Великого Объединения (GUT) все еще есть некоторые проблемы, потому что они предсказывают другие наблюдения, которые пока не оправдались. Есть несколько GUT, которые говорят, что протоны в течение огромного промежутка времени (порядка 10-36 лет) должны превратиться в другие частицы. Этого никогда не наблюдалось, так что либо протоны существуют намного дольше, чем кто-либо думает, либо они действительно стабильны навсегда. Другое предсказание некоторых типов GUT - существование магнитных монополей - изолированных «северного» и «южного» полюсов магнита - и никто из них тоже не видел. Возможно, у нас просто нет достаточно мощного ускорителя частиц. Или физики могут ошибаться в том, как устроена Вселенная.



Что происходит внутри черной дыры?



(Изображение предоставлено: ESO / L. Calçada)


Что произойдет с информацией об объекте, если он попадет в черную дыру ? Согласно нынешним теориям, если бы вы бросили куб железа в черную дыру, не было бы никакого способа получить какую-либо информацию. Это потому, что гравитация черной дыры настолько сильна, что ее убегающая скорость превышает скорость света, а свет - самое быстрое из существующих существ . Однако раздел науки, называемый квантовой механикой, утверждает, что квантовая информация не может быть уничтожена. «Если каким-то образом уничтожить эту информацию, что-то выйдет из строя», - сказал Роберт Макнейс, доцент физики Чикагского университета Лойолы. [ Как телепортировать информацию из черной дыры ]


Квантовая информация немного отличается от информации, которую мы храним в виде единиц и нулей на компьютере, или информации, хранящейся в нашем мозгу. Это потому, что квантовые теории не предоставляют точной информации, например, о том, где будет находиться объект, как при вычислении траектории бейсбольного мяча в механике. Вместо этого такие теории раскрывают наиболее вероятное местоположение или наиболее вероятный результат какого-либо действия. Как следствие, все вероятности различных событий должны составлять в сумме 1 или 100 процентов. (Например, когда вы бросаете шестигранный кубик, шансы выпадения данного лица равны одной шестой, поэтому вероятности всех лиц в сумме составляют 1, и вы не можете быть уверены в чем-то более чем на 100%. произойдет.) Квантовая теория поэтому называется унитарной. Если вы знаете, чем заканчивается система, вы можете рассчитать, как она началась.


Чтобы описать черную дыру, все, что вам нужно, это масса, угловой момент (если она вращается) и заряд. Из черной дыры не выходит ничего, кроме медленной струйки теплового излучения, называемого излучением Хокинга. Насколько известно, нет никакого способа произвести обратный расчет, чтобы выяснить, что на самом деле поглотила черная дыра. Информация уничтожена. Однако квантовая теория утверждает, что информация не может быть полностью недоступной. В этом и заключается « информационный парадокс ».


Макнейс сказал, что по этому поводу было много работы, в частности Стивеном Хокингом и Стивеном Перри, которые в 2015 году предположили, что информация не хранится в глубоких тисках черной дыры, а остается на ее границе , что называется событием. горизонт. Многие другие пытались разрешить парадокс. Пока что физики не могут прийти к согласию с объяснением, и, скорее всего, некоторое время не согласятся.



Существуют ли голые сингулярности?




(Изображение предоставлено: НАСА E / PO, Государственный университет Сономы, Аврора Симоннет)


Особенность возникает , когда некоторое свойство «вещь» бесконечно, и поэтому законы физики , как мы их знаем , ломаются. В центре черных дыр находится бесконечно крошечная и плотная точка (заполненная конечным количеством материи) - точка, называемая сингулярностью. В математике сингулярности возникают постоянно - деление на ноль - это один случай, а вертикальная линия на координатной плоскости имеет «бесконечный» наклон. Фактически, наклон вертикальной линии просто не определен. Но как будет выглядеть сингулярность? И как он будет взаимодействовать с остальной вселенной? Что значит сказать, что что-то не имеет реальной поверхности и бесконечно мало?


«Голая» сингулярность является один , который может взаимодействовать с остальной частью вселенной. У черных дыр есть горизонты событий - сферические области, из которых ничто, даже свет, не может вырваться. На первый взгляд вы можете подумать, что проблема голых сингулярностей частично решена, по крайней мере, для черных дыр, поскольку ничто не может выйти за пределы горизонта событий, а сингулярность не может повлиять на остальную вселенную. (Она, так сказать, «одета», а голая сингулярность - это черная дыра без горизонта событий.)


Но могут ли сингулярности образовываться без горизонта событий - вопрос открытый. И если они могут существовать, тогда общая теория относительности Альберта Эйнштейна потребует пересмотра, потому что она терпит неудачу, когда системы слишком близки к сингулярности. Обнаженные сингулярности могут также функционировать как кротовые норы , которые также будут машинами времени - хотя в природе нет никаких доказательств этого.



Нарушение симметрии зарядовой четности



(Изображение предоставлено: agsandrew | Shutterstock.com)


Если вы поменяете местами частицу с ее родственником из антивещества, законы физики останутся прежними. Так, например, положительно заряженный протон должен выглядеть так же, как отрицательно заряженный антипротон. Это принцип симметрии заряда. Если вы поменяете местами влево и вправо, опять же, законы физики должны выглядеть одинаково. Это симметрия четности. Вместе они называются CP-симметрией. В большинстве случаев это правило физики не нарушается. Однако некоторые экзотические частицы нарушают эту симметрию. Макней сказал, что это странно. «В квантовой механике не должно быть никаких нарушений CP», - сказал он. «Мы не знаем, почему это так».



Когда звуковые волны делают свет




(Изображение предоставлено Дмитрием Стешенко / Shutterstock)


Хотя вопросы физики элементарных частиц являются причиной многих нерешенных проблем, некоторые загадки можно обнаружить в лабораторных условиях. Сонолюминесценция - одна из них. Если взять немного воды и ударить по ней звуковыми волнами, образуются пузыри. Эти пузыри представляют собой области низкого давления, окруженные высоким давлением; внешнее давление давит на воздух с более низким давлением, и пузырьки быстро схлопываются. Когда эти пузыри схлопываются, они излучают свет вспышками, длящимися триллионных долей секунды.


Проблема в том, что далеко не ясно, что является источником света. Теории варьируются от крошечных реакций ядерного синтеза до электрического разряда или даже нагревания газов внутри пузырьков при сжатии. Физики измерили внутри этих пузырей высокие температуры, порядка десятков тысяч градусов по Фаренгейту, и сделали множество снимков излучаемого ими света. Но нет хорошего объяснения того, как звуковые волны создают эти огни в пузыре.



Что лежит за пределами Стандартной модели?



(Изображение предоставлено Робертом Сприггсом | Shutterstock )


Стандартная модель - одна из самых успешных физических теорий, когда-либо созданных. Он выдерживал эксперименты, чтобы проверить это в течение четырех десятилетий, и новые эксперименты продолжают доказывать, что это правильно. Стандартная модель описывает поведение частиц, из которых состоит все вокруг нас, а также объясняет, почему, например, частицы имеют массу. Фактически, открытие бозона Хиггса - частицы, придающей материи ее массу - в 2012 году стало исторической вехой, поскольку оно подтвердило давние предсказания о его существовании.


Но Стандартная модель не все объясняет. Стандартная модель сделала много успешных предсказаний - например, бозон Хиггса, бозоны W и Z (которые опосредуют слабые взаимодействия, управляющие радиоактивностью) и кварки среди них, - поэтому трудно понять, где физика может выйти за рамки этого. Тем не менее, большинство физиков согласны с тем, что Стандартная модель не является полной. Есть несколько претендентов на новые, более полные модели - одна из таких моделей - теория струн, но до сих пор ни одна из них не была окончательно подтверждена экспериментами.


Основные константы



(Изображение предоставлено Андреасом Гускосом | Shutterstock.com )


Безразмерные константы - это числа, к которым не привязаны единицы измерения. Например, скорость света - это фундаментальная постоянная, измеряемая в метрах в секунду (или 186 282 мили в секунду). В отличие от скорости света, безразмерные константы не имеют единиц измерения, и их можно измерить, но они не могут быть выведены из теорий, в то время как константы, такие как скорость света, могут быть.

В своей книге «Всего шесть чисел: глубинные силы, формирующие Вселенную» (Basic Books, 2001) астроном Мартин Рис сосредотачивается на некоторых «безразмерных константах», которые он считает фундаментальными для физики. На самом деле их намного больше, чем шесть; около 25 существуют в Стандартной модели. [ 9 самых значительных чисел в мире ]


Например, постоянная тонкой структуры, обычно обозначаемая как альфа, определяет силу магнитных взаимодействий. Это примерно 0,007297. Странным это число делает то, что если бы оно было другим, стабильной материи не существовало бы. Другой - отношение масс многих фундаментальных частиц, таких как электроны и кварки, к массе Планка (которая составляет 1,22 ´10 19 ГэВ / c 2 ). Физики хотели бы выяснить, почему эти конкретные числа имеют те значения, которые они имеют, потому что, если бы они были очень разными, физические законы Вселенной не позволили бы людям здесь находиться. И все же до сих пор нет убедительного теоретического объяснения того, почему у них есть эти ценности.



Что такое гравитация?



(Изображение предоставлено: koya979 | Shutterstock )


В любом случае, что такое гравитация ? Другие силы опосредуются частицами. Например, электромагнетизм - это обмен фотонами. Слабая ядерная сила переносится W- и Z - бозонов и глюонов несут сильные ядерные силы , которая удерживает атомные ядра вместе. Макней сказал, что все остальные силы можно квантовать, то есть они могут быть выражены как отдельные частицы и иметь непостоянные значения.


Кажется, что гравитация не такая. Большинство физических теорий говорят, что его должна переносить гипотетическая безмассовая частица, называемая гравитоном. Проблема в том, что никто еще не обнаружил гравитоны, и неясно, мог ли какой-либо детектор частиц, который можно было бы создать, их видеть, потому что если гравитоны взаимодействуют с материей, они делают это очень, очень редко - настолько редко, чтобы они были невидимы против фоновый шум. Непонятно даже, что гравитоны безмассовые, хотя, если они вообще имеют массу, она очень и очень мала - меньше, чем у нейтрино, которые относятся к числу самых легких из известных частиц. Теория струн утверждает, что гравитоны (и другие частицы) представляют собой замкнутые энергетические петли, но математическая работа пока не дала большого понимания.


Поскольку гравитоны еще не наблюдались, гравитация сопротивляется попыткам понять это так, как мы понимаем другие силы - как обмен частицами. Некоторые физики, в частности Теодор Калуца ​​и Оскар Кляйн, утверждали, что гравитация может действовать как частица в дополнительных измерениях за пределами трех пространственных измерений (длины, ширины и высоты) и одного времени (продолжительности), с которыми мы знакомы, но так ли это? правда пока неизвестно.


Мы живем в ложном вакууме?



(Изображение предоставлено: Shutterstock / Sandy MacKenzie)

Вселенная кажется относительно стабильной. В конце концов, он существует около 13,8 миллиардов лет . Но что, если бы все это было крупной аварией?


Все начинается с Хиггса и вселенского вакуума. Вакуум или пустое пространство должно быть самым низким энергетическим состоянием, потому что в нем ничего нет. Между тем бозон Хиггса - через так называемое поле Хиггса - придает всему свою массу. В своей статье в журнале Physics Александр Кусенко, профессор физики и астрономии Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, сказал, что энергетическое состояние вакуума можно вычислить, исходя из потенциальной энергии поля Хиггса и масс Хиггса и вершины. кварк (элементарная частица).


Пока что эти расчеты показывают, что вакуум Вселенной может находиться не в самом низком энергетическом состоянии. Это означало бы, что это ложный вакуум. Если это правда, наша Вселенная может быть нестабильной, потому что ложный вакуум может быть переведен в более низкое энергетическое состояние в результате достаточно сильного и высокоэнергетического события. Если бы это произошло, возникло бы явление, называемое зарождением пузырьков. Сфера вакуума с более низкой энергией начнет расти со скоростью света. Ничто, даже сама материя, не выживет. По сути, мы заменим Вселенную другой, у которой могут быть совсем другие физические законы. [ 5 причин, по которым мы можем жить в мультивселенной ]


Это звучит пугающе, но, учитывая, что Вселенная все еще здесь, очевидно, что такого события еще не было, а астрономы видели гамма-всплески , сверхновые звезды и квазары, все из которых довольно энергичны. Так что, вероятно, нам не стоит волноваться. Тем не менее, идея ложного вакуума означает, что наша Вселенная могла возникнуть именно таким образом, когда ложный вакуум предыдущей Вселенной был переведен в более низкое энергетическое состояние. Возможно, мы были результатом аварии с ускорителем элементарных частиц.

https://www.livescience.com/worlds-third-largest-diamond-botswana.html?utm_source=notification

новости | Ошибка? Четверг,13:55 0 Просмотров:44
Другие новости по теме:
Уважаемый посетитель, Вы зашли на сайт как незарегистрированный пользователь.
Мы рекомендуем Вам зарегистрироваться либо войти на сайт под своим именем.
Информация
Посетители, находящиеся в группе Гости, не могут оставлять комментарии к данной публикации.