10 найбільших фізичних загадок нашого часу - спектр науки
Знання: 10 найбільших фізичних головоломок нашого часу
Коли в кінці XIX століття Макс Планк висловив своє бажання вчитися фізиці професору фізики, йому сказали, що в основному все було відомо. У фізиці є лише незначні прогалини. Планка це не стримувало і, як співзасновник квантової фізики, зробило революцію в нашому світогляді.
Зараз безперечно, що фізика ще далеко не закінчена. Чим ширші знання, тим більші загадки! Це наші десять фаворитів серед найбільших загадок у фізиці:
Незліченні крихітні частинки постійно падають на нас з космосу. Серед них також є кілька людей, які шумлять тут з дивовижно високою енергією. Вчені були настільки вражені своїм відкриттям у 1991 році, що назвали частинки "Частинки-божечки" або "Частинки OMG". Його походження бентежить, а енергія тривожно висока: вона перевищує енергію звичайних частинок з космосу приблизно в 20 мільйонів разів. Потрапляння частинки OMG було б схоже на сильний удар у бейсбол. На щастя, частинки дуже рідкісні, і їх також рано уповільнює атмосфера.
Більшість космічних променів надходять з атмосфери зірок, вибухів наднової або різних високоенергетичних процесів. Астрофізики підозрюють певні галактики або ядра галактик, так звані квазари, як походження частинок ОМГ. Нещодавно вони виявили, що частинки насправді надходять з напрямку певного скупчення галактик. Але якби частинки дійсно прийшли звідти, вони втратили б надто багато енергії під час своєї подорожі на Землю і не прибули б сюди такими швидкими темпами - очевидне протиріччя.
Дослідники розмірковують над високотемпературними надпровідниками з часу відкриття цих матеріалів 27 років тому: вони проводять електрику без опору і при температурах, при яких це явище насправді не повинно відбуватися.
Коли через наші кабелі протікає електричний струм, частина енергії завжди втрачається. Це не стосується надпровідників: вони проводять без втрати енергії за умови, що вони охолоджуються надзвичайно нижче нуля градусів. Основний принцип зрозумілий - на відміну від надтемпературної надпровідності. В його основі лежить утворення електронних пар, так званих пар Купера. Такі пари можуть утворюватися при дуже низьких температурах і мігрувати через матеріал провідника без опору. Фізики підозрюють подібні механізми у високотемпературних надпровідниках, але їм поки не вдалося представити точної моделі. Але навіть якби хтось зрозумів явище, використання цих провідників було б обмеженим. Термін "висока температура" слід сприймати відносно: температури навколишнього середовища, при яких вони проявляють надпровідні властивості, все ще дуже низькі, вони становлять мінус 140 градусів Цельсія і холодніше. Тим не менш, у майбутньому високотемпературні надпровідники можуть стати альтернативою звичайним провідникам, принаймні в рамках спеціальних застосувань. І хто знає, можливо, відкриються нові можливості, як тільки ви зрозумієте, як це працює.
Це звучить жахливо: темна діра, яка загадково ковтає все. Астрофізики називають їх чорними дірами, але вони не знають точно, як фізично описати ці структури. Вони виникають, коли дуже масивна зірка витратила свою енергію і руйнується через гравітацію. Згідно з теорією відносності, ця неймовірно ущільнена маса деформує простір і час настільки сильно, що все "проковтнуто", щоб більше ніколи не бачити. Тут криється велика проблема. Тому що чорна діра тоді змогла б знищити інформацію. Однак квантова механіка стверджує, що будь-яка інформація, що була там, тобто вихідна конфігурація частинок, завжди може бути відновлена за кінцевими продуктами. Але що, якщо кінцевий продукт просто зник? Тоді інформація буде безповоротно втрачена. Багато фізиків зробили цей парадокс існування чорних дір сумнівним. Інші припускають, що дуже сильна деформація часу і простору може створити замкнуті просторово-часові петлі. Це, можливо, зробило б подорож у часі можливою. Візіонерські дослідження чи просто наукова фантастика? Чорні діри залишаються незрозумілим і захоплюючим розділом фізики.
Турбулентність - тобто закручування рідин або газів - виявилася неймовірно міцним горіхом для фізиків. Багато десятиліть вони шукали теоретичну модель, яка могла б повністю описати такі бурхливі рухи. Без успіху. Турбулентність - це таке повсякденне явище: коли дме вітер, вода закипає на плиті або ми розмішуємо молоко в каві. Усі турбулентні рухи є частиною нелінійної динаміки, якій також належить дослідження хаосу. Системи такого роду надзвичайно чутливі. Невеликі порушення або мінімально змінені умови на початку можуть призвести до зовсім іншої поведінки. Це робить (поки що) неможливим прогнозування розвитку бурхливого руху в довгостроковій перспективі. Однак фізики продовжують терпляче шукати універсальні закони, властиві всій турбулентності. Загально дійсний опис мав би велике значення, оскільки його можна було б використовувати у найрізноманітніших областях: для прогнозування погоди, мінімізації опору повітря, у складних транспортних засобах або навіть для дослідження утворення галактик.
Наш Всесвіт не існував би без гравітації, але як він працює, поки остаточно не з'ясовано. Це здається настільки очевидним: це тримає нас на землі, планети на їх орбітах і галактики разом. Ісаак Ньютон вже в кінці 17 століття визнав, що натовпи приваблюють один одного. Однак, згідно з теорією відносності Ейнштейна, вона дещо складніша: гравітація не діє безпосередньо між тілами, а маса тіла спочатку лише деформує простір і час. Тому у Всесвіті багато вм'ятин і опуклостей. Тіла прагнуть до вм'ятин, що для нас в кінцевому рахунку свідчить про привабливість натовпу. Щоб перевірити цю теорію, фізики шукають так звані гравітаційні хвилі. Вони повинні випромінюватися прискореними масами, поширюватися в просторі зі швидкістю світла, розтягувати і стискати його. Поки що, однак, знайдено лише непрямі докази їх існування.
Також незрозуміло, чи існує обмінна частинка гравітації, яка діє як свого роду носій сили - подібно до випадку з іншими трьома основними фізичними силами. Деякі теорії постулюють для цього так званий гравітон. Однак, оскільки передана сила дуже мала, досі не вдалося фактично довести існування гравітонів. Фізики не можуть зрозуміти, чому гравітація настільки слабка в порівнянні з іншими трьома основними силами - цей факт навіть призводить до значних проблем у фізичних моделях. Запитань багато, відповіді навряд чи є. Гравітація є і залишатиметься загадкою поки що!
10, 11 чи навіть 26 - хто пропонує більше? Майже здається, ніби фізики перевершують свої моделі кількістю розмірів. Але як вони виглядають? Важко уявити, що крім трьох просторових вимірів зверху внизу, спереду ззаду та зліва направо є й інші виміри. Альберт Ейнштейн був першим, хто визнав, що потрібно додати час як четверту вісь до раніше тривимірної системи координат X-Y-Z, щоб описати реальність більш математично правильним чином. Цей чотиривимірний космічний час став революцією у фізиці.
Продовження ще не було: експериментально не доведено жодного додаткового виміру. Але це не заважає фізикам вводити додаткові розміри майже інфляційно. Настільки ж різні, як і теорії, настільки ж різні, як і кількість: Якщо теорія струн все-таки справляється з десятьма вимірами, М-теорія і петльова квантова гравітація вимагають одинадцяти і бозонної теорії струн навіть 26. Для концепції реальності це було б дуже корисно, однак, знати точну кількість розмірів та їх вплив на світ. Але поки що навіть не зрозуміла природа четвертого виміру - часу.
Сонце, місяць і зірки - знайомі нам небесні тіла аж ніяк не все, що поширюється у Всесвіті. Відповідно до сучасного стану знань, наш Всесвіт складається лише з приблизно п’яти відсотків матерії, з якою ми знайомі. Астрономічні явища говорять на користь цього припущення: Наприклад, відцентрова сила негайно розігнала б обертові галактики, якби не невидима речовина, яка утримує галактики разом. Ми не знаємо, як виглядає така так звана темна матерія. Тому що, крім опосередковано - через його гравітаційний ефект - це ще не доведено. Астрономи підрахували, що на це припадає близько 27 відсотків маси Всесвіту.
Припускається, що найбільша частка маси знаходиться за раніше невідомою формою енергії. В результаті гравітаційного впливу мас Всесвіт повинен був би розширюватися все повільніше. Але все навпаки. Дослідники припускають, що є рушійна сила все швидшого розширення, так звана темна енергія. Він протидіє силі тяжіння і продовжує надувати Всесвіт. Оскільки енергію завжди можна розглядати як масу, то вклад темної енергії в загальну масу Всесвіту можна розрахувати: вона вносить близько 68 відсотків. Отже, Всесвіт наповнений речовиною, яка не лише закрита для нашого сприйняття, але й усіх сучасних методів виявлення на сьогодні!
Чи не було б приємно мати єдину теорію, з якої можна вивести всі закони фізики? Багато відомих фізиків, у тому числі Ейнштейн, вважали це поняття не тільки спокусливим, але й правдоподібним. Однак ваші пошуки цієї єдиної "світової формули" були марними. Тим не менше, навіть сьогодні багато вчених все ще впевнені, що повинна або, принаймні, може бути єдина об'єднавча теорія. Першим великим кроком стане так звана "Велика уніфікована теорія" (GUT). Він повинен вивести три з чотирьох основних фізичних сил з однієї елементарної сили: (i) електромагнітна, (ii) слабка взаємодія, яка бере участь у процесах розпаду та перетворення, і (iii) сильна взаємодія, яка утримує атомні ядра разом. Оскільки ці три сили мають схожу математичну структуру, фізики підозрюють, що існування ГУТ є ймовірним.
У фактичній світовій формулі або "Теорії всього" (TOE) також потрібно було б вмістити четверту силу, гравітацію. Очікування від ТО великі: воно повинно пояснити природу темної матерії та темної енергії, а також багато явищ в історії нашого Всесвіту. Гарячими кандидатами на світову формулу є М-теорія (узагальнена та розширена теорія струн) та петльова квантова гравітація. Проте обидві теорії все ще стикаються зі значними проблемами і далеко не можуть служити всеосяжними описами. Важко шукати щось, про що ви не знаєте, чи воно насправді існує.
Це може звучати як магія: частинки, що знаходяться в декількох місцях одночасно або які з’єднані між собою на відстань. Однак у випадку з квантово-механічними частинками це реальність і називається нелокальністю та заплутаністю. Останнє з глузливо називав Ейнштейн "моторошною дією на відстані", оскільки на той час згадані явища не були сумісними з фізикою, яка діяла до того часу. У заплутанні дві частинки, які раніше з'являлися як пара, все ще з'єднані одна з одною після їх просторового розділення. Вимірювання на одній частинці негайно впливають на стан іншої частинки без будь-яких затримок часу.
Більше того, не можна вказати точні положення для квантово-механічних частинок. Натомість математична формула забезпечує лише ймовірність розташування частинки в різних місцях простору. Отже, квантово-механічна реальність є суперпозицією багатьох станів. Такі явища були неодноразово доведені в експериментах, а квантова механіка також забезпечила відповідні теоретичні моделі. Однак ніхто не знає, наскільки квантово-механічні явища насправді є частиною нашої реальності і які наслідки це може мати: чи все пов’язано? І чи існують навіть паралельні всесвіти, в яких реалізуються всі квантово-механічно можливі стани? Такі припущення вже призвели до суперечок серед фізиків. Однак одне є впевненим: квантова механіка показує нам межі нашого інтелекту. Можливо, світ має зовсім іншу структуру, ніж ми вважаємо, виходячи з нашого повсякденного досвіду. Це було б одним із можливих пояснень, чому певні речі здаються нам магією.
З чого все починалось і чим закінчується? Чи взагалі існують початок і кінець? Цими питаннями стурбовані не лише філософи. Для фізиків як історія, так і майбутнє Всесвіту є чи не найпростішою загадкою у фізиці. Теорія Великого вибуху вважається відносно певною, і вона говорить, що все - тобто матерія, простір і час - виникло з неймовірно щільної точки, так званої сингулярності. Але навіть якщо існує багато вказівок на користь цієї теорії, фізичний опис цього початкового стану ще не знайдений, а також не знайдений протягом перших часток секунди після "Великого вибуху". Що стосується питання про долю нашого Всесвіту, то конкретна відповідь не краща. Безперечно одне: він наразі поширюється. Але скільки ще незрозуміло. Це може ніколи не зупинитися. Можливо, Всесвіт також прагне до стаціонарного кінцевого етапу, або навіть відбувається зворотний процес розширення. Наслідком останнього було б нове стиснення Всесвіту - можливо, повернення до сингулярності. І, можливо, тоді все почнеться спочатку. Це принаймні натякає на те, що сталося до Великого вибуху.