8 suurimat füüsika saladust, mis on siiani lahendamata
Varia / / July 28, 2023
Elu, universumi ja kõige muu põhiküsimused.
1. Miks aeg ainult edasi voolab
Füüsikas on mõiste "aja nool (või telg)". See kirjeldab aja kulgu minevikust tulevikku. Ja on palju tõendeid selle kohta, et aeg soosib teatud suunda.
Termodünaamika teise seaduse kohaselt suureneb isoleeritud süsteemis entroopia (häire mõõt) aja jooksul. See tähendabet protsessid looduses kulgevad tavaliselt suunas, kus energia jaotub ühtlasemalt ja süsteem muutub korratumaks.
Näiteks kui murrame muna, siis see ei taastu iseenesest. Sa ei saa aega tagasi keerata ja teha asju nii, nagu nad olid. Entroopia on halastamatu.
Lisaks üldise relatiivsusteooria järgi aja jooksul Universum laieneb. Vaatlused näitavad, et see on minevikus läbinud suure tiheduse ja madala entroopia seisundi (seda sündmust nimetame "Suureks Pauguks") ja liigub tulevase suure entroopia oleku poole.
Üldiselt on hästi näha, et aeg on pöördumatu ja liigub alati ühes suunas. Ja teadlased ei saa kunagi aru, miks see nii on. Ja kas aeg on võimalik ka tagurpidi voolata?
2. Mis on tume energia
Universum paisub. Ta teeb seda nagu õhupall, ainult valguse kiirusest kiiremini.
1990. aastatel astronoomid avastatudet universumi paisumine ainult kiireneb aja jooksul, mitte ei aeglustu gravitatsiooni mõjul, nagu see teoorias peaks olema. See tähelepanek viis oletuseni, et eksisteerib mingi energiavorm, mis on vastu gravitatsioonile ja aitab kaasa universumi kiirendatud paisumisele.
Arvatavasti tume energia täidab kogu Universumi aegruumi struktuuri ja on selle energiasisalduse põhikomponent. Kuid seda ei saa otseselt jälgida ega mõõta.
74% meie universumist on tumeenergia, 22% tumeaine, 3,6% galaktikatevaheline gaas ja veel 0,4% banaalsed, ebahuvitavad tähed, planeedid ja muud pisiasjad.
Miks joondus nii on, pole selge.
Tumeenergia olemus on samuti jäänused mõistatus teadusele. Neid on erinevaid teooriadkes püüavad selgitada selle päritolu, sealhulgas kvantvaakumi ja kosmoloogilise konstandi mõisteid.
Samal ajal on tumeenergial suur tähtsus universumi põhiomaduste ja selle edasise saatuse mõistmisel. Sellest sõltub, kas Universumi paisumine jätkub lõputult, aeglustub või isegi pöördub tulevikus.
3. Mis on tumeaine
Tume on aine hüpoteetiline vorm, mis ei interakteeru elektromagnetkiirgusega ning seetõttu ei kiirga, neela ega peegelda valgust. Seda ei saa meie tavaliste instrumentide ja instrumentidega tuvastada, mistõttu seda nii kutsutaksegi.
Aga neid on palju tõendid tumeaine olemasolu universumis. Need põhinevad gravitatsioonilisel mõjul nähtavatele objektidele.
Kuigi tumeaine on nähtamatu, mõjutab see tähtede, galaktikate ja galaktikaparvede liikumist.
Astronoomilised uuringud näidataet need objektid liiguvad nii, nagu oleks neile mõjutatud lisamass, ja seda ei saa seletada vaadeldava aine hulgaga. Seetõttu hoiab tumeaine oma gravitatsioonijõu mõjul galaktikaid ja muid hiiglaslikke struktuure koos.
Üldiselt ei saa füüsikud aru, mis on tumeaine, millistest osakestest see koosneb, millised on selle omadused ja kas see on üldse olemas. Võib-olla pole tähtede ja galaktikate vaadeldud käitumine seotud ühegi ainega ja see on lihtsalt gravitatsiooni veidrus. Teadus pole seda veel aru saanud.
4. Miks on põhikonstandid sellised, nagu nad on?
Põhikonstandid on arvväärtused, mis iseloomustavad universumi füüsikalisi omadusi ja koostoimeid. Need on põhilised ja ei sõltu konkreetsetest üksuste süsteemidest.
Konstandid määravad looduse põhiomadused ja seadused, mõjutades universumi kui terviku ehitust ja arengut. Kõik need numbrid umbes 25. Nende hulgas:
- Valguse kiirus vaakumis (c) – määrab maksimaalse kiiruse, millega informatsioon või vastastikmõjud võivad universumis levida.
- Plancki konstant (h) ehk toimekvant – määrab seose osakeste ja lainete energia ja sageduse vahel, juhtivus piir makrokosmose vahel, kus kehtivad Newtoni mehaanika seadused, ja mikrokosmose vahel, kus hakkavad kehtima kvantmehaanika seadused. mehaanika.
- Gravitatsioonikonstant (G) – määrab massidevahelise gravitatsioonilise vastastikmõju tugevuse ning mõjutab universumis olevate objektide ehitust ja liikumist.
- Elektroni mass (mₑ).
- Algtasu (e).
- Kosmoloogiline konstant (Λ), mida nimetatakse ka põhiliseks.
Ja teadlased ei saa aru, miks kõigil neil numbritel on täpselt sama tähendus, mis neil on, ja mitte teistel.
Võib-olla saame vaadelda ainult meie olemasoluga ühilduvaid tähendusi, sest elu võib tekkida ainult sellisest universumist. Seda nimetatakse antroopiliseks printsiibiks.
Näiteks peenstruktuuri konstant, mida tavaliselt tähistatakse tähega "alfa", määratleb magnetilise vastastikmõju tugevus. Selle arvväärtus on ligikaudu 0,007297. Kui arvud oleksid erinevad, ei pruugiks meie universumis stabiilset ainet olla.
Ja ikkagi mõistavad füüsikud, kuidas universum muude füüsikaliste parameetritega muutuks. Olemas hüpoteesid, mille kohaselt on põhikonstantide väärtused juhuslikud ja määratud varajases universumis esinevate kõikumiste järgi - vaid mõned arvud. See eeldus viitab sellele, et on palju universumeid, millel on erinevad konstantide väärtused. Ja meil on lihtsalt vedanud olla selles, kus need väärtused elu arendamiseks kõige paremini sobivad.
5. Mis toimub mustades aukudes
Mustad augud Need on maailmaruumi alad, millel on uskumatult tugev gravitatsioon. Väljaspool musta auku, nn sündmuste horisonti, on gravitatsioonitõmme nii tugev, et ükski asi, isegi mitte valgus, ei pääse välja.
Füüsikud usuvad, et musta augu keskmes on singulaarsus - lõpmatu tihedusega punkt ja lõpmatult tugev gravitatsiooniväli. Kuid mis see on, kuidas see võib välja näha ja kuidas see täpselt töötab, ei saa ükski teooria seletada.
Mõned teadlased isegi soovitadaet singulaarsus ei pruugi olla punkt, vaid võib olla erineva kujuga – see kehtib pöörlevate mustade aukude kohta. Niinimetatud Kerri mustal augul, matemaatiku ja astrofüüsiku Roy Kerri kirjeldatud hüpoteetilisel objektil, on rõngakujuline singulaarsus. Sellisest august on võimalik isegi läbi lennata ja ellu jääda. Teoorias.
Kuid singulaarsuse sees olevate füüsikaliste protsesside täpseks kirjeldamiseks on vaja ühtset teooriat gravitatsiooni ja kvantmehaanika, mida pole veel välja töötatud.
6. Miks on universumis nii vähe antiainet?
Tavalises aines on elementaarosakestel, nagu elektronid ja prootonid, vastavalt negatiivne ja positiivne laeng. Antiaines on need laengud ümberpööratud: antielektronid (nimetatakse ka positroniteks) on positiivselt laetud, antiprootonid aga negatiivselt.
antiaine on samad füüsikalised omadused, mis tavalisel, sealhulgas osakeste mass, pöörlemine ja muud omadused. Kuid kui antiosake kohtub vastava tavalise osakesega, võivad nad üksteist hävitada, muutudes puhtaks energiaks.
Liiter mingit antivesinikku lõhnab õhuga kokku puutudes nagu aatomipomm.
Kui hea on, et maksimaalne kogus antivesinikku, mis neil õnnestus sünteesida teadlased korraga - 309 aatomit.
Astronoomilised vaatlused näidataet universum ja isegi kõige kaugem tähed ja galaktikad koosnevad ainest ja selles on väga vähe antiainet. Seda erinevust barüonide (kolmest kvargist koosnevad osakesed) ja antibarüonide (kolmest antikvargist koosnevad antiosakesed) arvu vahel meie universumis nimetatakse barüoni asümmeetriaks.
Kui universum oleks täiesti sümmeetriline, peaks barüonide ja antibarüonide arv olema võrdne ja me jälgiksime terveid antiainegalaktikaid. Kuid tegelikkuses on kõik valmistatud barüonitest ja antibarüone tuleb osakeste kiirendites sünteesida mitte ainult teelusikatäie, vaid aatomi abil. Seetõttu on antiaine kõige rohkem kallis asi maailmas.
Elementaarosakeste standardmudeli järgi oleks kohe pärast Suurt Pauku pidanud universumis olema võrdne arv kvarke ja antikvarke. Siiski juhtus midagi, mis täpselt pole selge, kuid peaaegu kõik antibarüonid hävitatud, ja ülejäänud barüonitest tekkis aine. See on tegelikult see, millest universum koosneb. Ja sina, muide, ka. Ja teadlased, kes ei suuda siiani aru saada, miks on kosmoses nii vähe antiainet.
7. Kas vaakum on stabiilne?
Vaakum on võimalikult madala energiaga ruum, kuid vastupidiselt oma nimele pole see täiesti tühi. See sisaldab endiselt kvantvälju, mis määravad elementaarosakeste käitumise. Teadlased uskudaet tõeline ehk füüsiline vaakum, mida me teame, on universumi kõige stabiilsem olek, kuna seda peetakse globaalseks energia miinimumiks.
Siiski on teoreetiliselt võimalus, et füüsikalise vaakumi olek on kvantväljade konfiguratsioon, mis on ainult lokaalne, mitte globaalne energiamiinimum. See tähendab, et vaakum, mida saame jälgida süvakosmoses või luua laboris, on "vale". Niisiis, seal võib olla "tõsi".
Ja kui "tõeline" vaakum on olemas, oleme suures hädas.
Kui eeldame, et meie universum on mitte "tõelise", vaid "vale" vaakumi seisundis, saab võimalikuks selle lagunemise protsess stabiilsemasse olekusse. Sellise protsessi tagajärjed võivad olla kõige suuremad hirmuäratav ja varieeruvad kosmoloogiliste parameetrite peentest muutustest, mis sõltuvad potentsiaalsest erinevusest "vale" ja "tõelise" vaakumi vahel, kuni elementaarosakeste ja põhiosakeste funktsioneerimise täieliku lakkamiseni. jõud.
Kui kuskile kosmosesse ilmub "tõelise" vaakumi mull, võib see viia barüoonse aine täieliku hävimiseni või isegi universumi hetkelise gravitatsioonilise kokkuvarisemiseni.
Ühesõnaga, loodame, et meie vaakum on maailma kõige töökindlam. Mis muud üle jääb?
8. Mis saab universumi lõpp
Ja kuna me räägime sellistest põnevatest globaalsetest probleemidest nagu universumi gravitatsiooniline kokkuvarisemine, on füüsikud koostanud nimekirja kõige huvitavamad asjad, mis kosmosega tulevikus juhtuda võivad, kuid ärge kunagi otsustage, milline stsenaarium on kõige tõenäolisem.
Suure Paugu teooria kohaselt universum tekkis umbes 13,8 miljardit aastat tagasi tihedast ja kuumast olekust, mida nimetatakse singulaarsuseks, ning sellest ajast alates on kõik kasvanud ja jahtunud. See teooria seletab hästi mitmeid vaadeldud nähtusi, nagu kosmiline taustkiirgus ja paisumine Universum. Aga mis saab edasi? Valige, mis teile kõige rohkem meeldib:
- kuumasurm. Selle kontseptsiooni raames peakset aja jooksul muutub universum üha külmemaks ja ühtlasemaks. Selles olev energia ammendub, kõik protsessid, nagu tähtede teke ja soojusliikumine, aeglustuvad ja peatuvad. See viib maksimaalse entroopia olekusse, mil kõik osakesed on tasakaalus ja edasised sündmused universumis ei ole võimalikud.
- suur vahe. Universum jätkub laiendada. See tähendab, et galaktikad ja muud kosmoseobjektid kaugenevad üksteisest üha enam. Kui midagi ei muutu, pole kauges tulevikus gravitatsioonijõud enam piisavalt tugevad, et tumeenergia survele vastu seista. See toob kaasa asjaolu, et universumi struktuuri kõigil tasanditel, sealhulgas galaktikates, tähtedes ja aatomites, on jõud, mis ületab nende enda külgetõmbejõu. Selle tulemusena jagatakse kõik objektid järk-järgult eraldi osakesteks.
- Suur pigistus. Selle stsenaariumi kohaselt toimub Suure Paugu poolt põhjustatud universumi paisumine, võta aeglasemalt ja lõpuks pöördub tagurpidi. Gravitatsiooniline tõmbejõud galaktikate, tähtede ja planeetide vahel saab domineerivaks jõuks. Nendevaheline kaugus väheneb jätkuvalt, kuni universum kukub tagasi singulaarsusse, kus tihedus ja temperatuur muutuvad lõpmatult kõrgeks. Ja uuest Suurest Paugust pole enam kaugel.
Aga milline saatus ees ootab ruumi, on siiani ebaselge. Palun oodake veel paar tuhat septillion aastat.
Loe ka🧐
- Astrofüüsik Boris Stern: 3 kõige hämmastavamat teadmist universumi kohta, mille saime 21. sajandil
- Jokker, mässuline ja Nobeli preemia laureaat: milline oli Nõukogude füüsiku Lev Landau elu
- Kas on tõsi, et universum on liiga keeruline ja seda on mõttetu uurida: astrofüüsik lükkab ümber levinud müüdid