Często w Internecie można znaleźć informacje o takich rzekomo nierozwiązanych i nierozwiązanych tajemnicach naszego wszechświata i współczesnej nauki.
Z jakiegoś powodu wydaje mi się, że część tego to daleko idące problemy, które nie istnieją, ale po części nauka już znalazła wyjaśnienie.
Którą z nich uważasz za naprawdę nieujawnioną, jak dotąd tajną fizykę?
1. Skąd pochodzą promienie kosmiczne o ultrawysokich energii?
Nasza atmosfera jest nieustannie bombardowana wysokoenergetycznymi cząstkami z kosmosu zwanymi „promieniami kosmicznymi”. Chociaż promienie te nie wyrządzają wiele szkód ludziom, są bardzo interesujące dla fizyków.
W 1962 roku, podczas eksperymentu na Volcano Ranch, John Linsley i Livio Scarsi zobaczyli coś niesamowitego: promień kosmiczny o energii ponad 16 dżuli. Aby dać ci wyobrażenie, powiedzmy, że jeden dżul jest w przybliżeniu równy energii potrzebnej do podniesienia jabłka z podłogi na stół. Cała ta energia jest skoncentrowana w cząsteczce miliardy razy mniejszej od jabłka. Oznacza to, że porusza się z prędkością bliską prędkości światła!
Film promocyjny:
Fizycy jeszcze nie wiedzą, skąd te cząstki wzięły tak dużo energii. Według niektórych teorii źródłem tych cząstek mogą być supernowe powstałe po eksplozji gwiazd pod koniec ich życia. Cząsteczki te mogą być również przyspieszane w dyskach zapadającej się materii, które tworzą się wokół czarnych dziur.
2. Czy współczesny wszechświat był wynikiem inflacji?
Wszechświat jest zaskakująco płaski, to znaczy, że cały wszechświat ma taką samą ilość materii. Jednak zgodnie z teorią Wielkiego Wybuchu na bardzo wczesnych etapach rozwoju Wszechświata gęstość materii może być różna w różnych miejscach.
Zgodnie z teorią inflacji, współczesny wszechświat powstał z wczesnego wszechświata o niewielkiej objętości, który nagle i nieoczekiwanie szybko się rozszerzył. Podobnie jak w przypadku nadmuchania balonu, nadmuchanie wygładziło wszystkie wybrzuszenia we wczesnym wszechświecie.
Chociaż wyjaśnia to wiele z tego, co widzimy, fizycy nie wiedzą jeszcze, co spowodowało inflację. Informacje o tym, co wydarzyło się podczas tej inflacji, są również pobieżne.
3. Czy można znaleźć ciemną energię i ciemną materię?
Zdumiewający fakt: tylko około 5% wszechświata składa się z widocznej dla nas materii. Kilkadziesiąt lat temu fizycy zauważyli, że gwiazdy na zewnętrznych krawędziach galaktyk krążą wokół centrów tych galaktyk szybciej niż oczekiwano. Aby to wyjaśnić, naukowcy zasugerowali, że te galaktyki mogą zawierać jakiś rodzaj niewidzialnej „ciemnej” materii, która powoduje szybsze obracanie się gwiazd.
Oprócz tego wiemy, że ekspansja wszechświata przyspiesza. Wydaje się to dziwne, ponieważ można by oczekiwać, że przyciąganie materii - zarówno „światła”, jak i „ciemności” - spowolni ekspansję wszechświata. „Ciemna energia” mogłaby być wytłumaczeniem tego zjawiska. Fizycy uważają, że co najmniej 70% energii we Wszechświecie ma postać „ciemnej” energii, która przyczynia się do obecnego przyspieszenia rozszerzania się wszechświata.
Do tej pory cząstki tworzące „ciemną” materię i pole, które tworzy „ciemną” energię, nie były jeszcze bezpośrednio badane w warunkach laboratoryjnych. Jednak fizycy mają nadzieję, że cząstki „ciemnej” materii można będzie uzyskać i zbadać w Wielkim Zderzaczu Hadronów. Jednak cząsteczki te mogą być cięższe niż cząstki, które może stworzyć zderzacz, a wtedy ich tajemnica pozostanie nierozwiązana przez długi czas.
4. Co znajduje się w środku czarnej dziury?
Czarne dziury to najbardziej znane obiekty w astrofizyce. Możemy je opisać jako obszary czasoprzestrzeni z polami grawitacyjnymi tak silnymi, że nawet światło nie może ich pokonać.
Dokonano obserwacji wielu czarnych dziur, w tym ogromnej czarnej dziury w centrum naszej galaktyki. Ale tajemnica tego, co dzieje się w centrum czarnej dziury, nie została jeszcze ujawniona. Niektórzy fizycy uważają, że może istnieć „osobliwość” - punkt o nieskończonej gęstości, w którym pewna masa jest skoncentrowana w nieskończenie małej przestrzeni. Trudno to sobie wyobrazić. Co gorsza, każda osobliwość prowadzi do czarnej dziury w tej teorii, ponieważ nie ma sposobu, aby bezpośrednio obserwować osobliwość.
Nadal istnieją kontrowersje dotyczące utraty informacji w czarnych dziurach. Pochłaniają cząsteczki i emitują promieniowanie Hawkinga, ale to promieniowanie wydaje się nie zawierać żadnych dodatkowych informacji o tym, co dzieje się w czarnej dziurze.
Fakt pozornej niemożliwości, przynajmniej w tej chwili, odkrycia tego, co kryje się w czarnych dziurach, przez długi czas pozwalał pisarzom science fiction na przyjmowanie założeń dotyczących możliwości istnienia tam innych wszechświatów lub wykorzystania czarnych dziur do teleportacji lub podróży w czasie.
5. Czy we wszechświecie istnieje inteligentne życie?
Ludzie marzy o kosmitach, odkąd po raz pierwszy spojrzeli w nocne niebo i zastanawiali się, co może tam być. Ale w ostatnich dziesięcioleciach poznaliśmy wiele interesujących faktów.
Po pierwsze, dowiedzieliśmy się, że planety występują znacznie częściej niż wcześniej sądzono. Dowiedzieliśmy się również, że odstęp czasu między nadaniem się do zamieszkania naszej planety a pojawieniem się na niej życia jest dość krótki. Czy to oznacza, że życie jest możliwe? Jeśli tak, to słyszymy paradoks Fermiego: dlaczego więc nie porozumieliśmy się jeszcze z kosmitami?
Astronom Frank Drake opracował równanie, które nosi jego imię, jako sposób spojrzenia na wszystkie strony problemu. Każdy z jego elementów stanowi przyczynę braku komunikacji z inteligentnym życiem.
Życie może być powszechne, ale inteligentne życie jest rzadkie. Może po jakimś czasie wszystkie cywilizacje decydują się nie komunikować się z innymi formami życia. Istnieją, ale nie chcą się z nami komunikować. A może oznacza to, że wiele obcych cywilizacji niszczy się wkrótce po tym, jak zdobędą technologiczną zdolność komunikowania się. Pojawiły się nawet sugestie, że brak komunikacji z kosmitami świadczy o sztucznym pochodzeniu naszego świata, którym może być stworzenie Boga lub model komputerowy.
Jednak jest możliwe, że po prostu nie szukaliśmy wystarczająco długo i wystarczająco daleko, ponieważ przestrzeń jest niesamowicie duża. Sygnały mogą się łatwo zgubić, a obca cywilizacja musi tylko wysłać silniejszy sygnał. A może jutro odkryjemy obcą cywilizację i zmieni się nasze rozumienie wszechświata.
6. Czy coś może poruszać się szybciej niż światło?
Odkąd Einstein zmienił fizykę swoją specjalną teorią względności, fizycy byli przekonani, że nie ma nic, co może podróżować szybciej niż światło. Zgodnie z tą teorią, aby coś poruszało się przynajmniej z prędkością światła, potrzebna jest nieskończona energia.
Z drugiej strony, jak pokazują wspomniane powyżej promienie kosmiczne, nawet obecność dużej ilości energii nie oznacza możliwości poruszania się z prędkością światła. Prędkość światła, jako sztywne ograniczenie prędkości, może być również kolejnym wyjaśnieniem braku komunikacji z obcymi cywilizacjami. Jeśli ogranicza je również prędkość światła, przebycie sygnałów może zająć tysiące lat.
Ale ludzie ciągle szukają sposobów na obejście tego ograniczenia prędkości we wszechświecie. Według wstępnych wyników eksperymentu OPERA przeprowadzonego w 2011 roku neutrina poruszały się szybciej niż światło. Ale potem naukowcy zauważyli błędy w organizacji eksperymentu i rozpoznali niepoprawność tych wyników.
Ponadto, gdyby możliwe było przesyłanie materii lub informacji z prędkością przekraczającą prędkość światła, niewątpliwie zmieniłoby to świat. Ruch z prędkością przekraczającą prędkość światła mógłby zakłócić przyczynowość, związek między przyczynami i skutkami wydarzeń.
Ze względu na sposób, w jaki czas i przestrzeń są powiązane w szczególnej teorii względności, przepływ informacji szybszy niż prędkość światła pozwoliłby osobie otrzymać informację o zdarzeniu, zanim to wydarzenie nastąpi, co jest formą podróży w czasie. Może to spowodować różnego rodzaju paradoksy, których nie umielibyśmy rozwiązać.
7. Czy można opisać turbulencje?
Wracając na Ziemię, możemy powiedzieć, że w naszym codziennym życiu jest jeszcze wiele trudnych do zrozumienia rzeczy. Na przykład spróbuj pobawić się kranami. Jeśli pozwolisz wodzie spokojnie płynąć, obserwujesz znane zjawisko w fizyce, typ dobrze nam znanego przepływu zwany „przepływem laminarnym”. Ale jeśli całkowicie zakręcisz kran i obserwujesz zachowanie wody, będziesz miał przykład turbulencji. Pod wieloma względami turbulencje są nadal nierozwiązanym problemem w fizyce.
Równanie Naviera-Stokesa określa, jak powinny się poruszać płyny, takie jak woda i powietrze. Wyobrażamy sobie, że płyn jest rozbijany na małe kawałki masy. Następnie równanie uwzględnia wszystkie siły działające na te elementy - grawitację, tarcie, ciśnienie - i próbuje określić, jak wpłynie to na ich prędkość.
W przypadku przepływów prostych lub stabilnych możemy znaleźć rozwiązania równania Naviera-Stokesa, które w pełni opisują dany przepływ. Fizycy mogą następnie ułożyć równania, aby obliczyć natężenie przepływu w dowolnym momencie. Jednak w przypadku złożonych, burzliwych przepływów rozwiązania te mogą nie być dokładne. Możemy wykonać wiele manipulacji przepływem burzliwym, rozwiązując równania numerycznie na dużych komputerach. To daje nam przybliżoną odpowiedź bez wzoru, który w pełni wyjaśnia zachowanie płynu.
Nawiasem mówiąc, Clay Mathematical Institute zaoferował nagrodę za rozwiązanie tego problemu. Więc jeśli możesz to zrobić, możesz zdobyć milion dolarów.
8. Czy można stworzyć nadprzewodnik działający w temperaturze pokojowej?
Nadprzewodniki należą do najważniejszych urządzeń i technologii wymyślonych przez ludzi. Są to specjalne rodzaje materiałów. Gdy temperatura spada wystarczająco nisko, opór elektryczny materiału spada do zera.
Nasze nowoczesne kable zasilające marnują dużo energii elektrycznej. Nie są nadprzewodnikami i mają opór elektryczny, który powoduje ich nagrzewanie się, gdy przepływa przez nie prąd elektryczny.
Ale możliwości nadprzewodników nie ograniczają się do tego. Pole magnetyczne wytwarzane przez drut ma siłę zależną od przepływającego przez niego prądu. Jeśli uda się znaleźć tani sposób na przepuszczanie bardzo dużych prądów przez nadprzewodniki, można uzyskać bardzo silne pola magnetyczne. Pola te są obecnie używane w Wielkim Zderzaczu Hadronów do odbijania naładowanych cząstek poruszających się szybko wokół jego pierścienia. Znajdują również zastosowanie w eksperymentalnych reaktorach jądrowych, które w przyszłości mogą stać się naszym źródłem energii elektrycznej.
Problem w tym, że wszystkie znane nadprzewodniki mogą pracować tylko w bardzo niskich temperaturach (nie wyższych niż -140 stopni Celsjusza). Schłodzenie ich do tak niskich temperatur zwykle wymaga ciekłego azotu lub jego odpowiednika, a to jest bardzo kosztowne. Dlatego wielu fizyków i specjalistów materiałowych na całym świecie pracuje nad uzyskaniem świętego Graala - nadprzewodnika, który mógłby pracować w temperaturze pokojowej. Ale jak dotąd nikomu się to nie udało.
9. Dlaczego materii jest więcej niż antymateria?
Każda cząstka ma równą i przeciwną cząstkę zwaną antycząstką. W przypadku elektronów istnieją pozytony. Istnieją antyprotony dla protonów. Itp.
Jeśli cząstka dotknie antycząstki, unicestwi ją i zamieni się w promieniowanie. Czasami zamienia się w promienie kosmiczne. Antymaterię można również wytwarzać w akceleratorach cząstek, co kosztuje kilka bilionów dolarów za gram. Ale ogólnie wydaje się, że jest to bardzo rzadkie w naszym wszechświecie. To jest prawdziwy sekret. Wszystkie znane procesy, które przekształcają energię (promieniowanie) w materię, wytwarzają taką samą ilość materii i antymaterii. Więc jeśli wszechświat jest zdominowany przez energię, dlaczego nie wytwarza on równych ilości materii i antymaterii?
Istnieje kilka teorii, które to wyjaśniają. Naukowcy badający interakcje cząstek w Wielkim Zderzaczu Hadronów szukają przykładów „naruszenia CP”. Gdyby tak się stało, interakcje te mogłyby pokazać, że prawa fizyki są inne dla cząstek materii i antymaterii. Wtedy możemy założyć, że mogą istnieć procesy, które z większym prawdopodobieństwem wytwarzają materię niż antymaterię, i dlatego we Wszechświecie jest więcej materii.
Inne, mniej prawdopodobne teorie mogą mieć całe regiony wszechświata zdominowane przez antymaterię. Ale te teorie będą musiały wyjaśnić, w jaki sposób doszło do oddzielenia materii i antymaterii i dlaczego nie widzimy dużych mas promieniowania uwalnianego w zderzeniu zarówno materii, jak i antymaterii. Więc jeśli nie znajdziemy dowodów na istnienie galaktyk antymaterii, naruszenie CP we wczesnym wszechświecie wydaje się najlepszym rozwiązaniem. Ale nadal nie wiemy, jak to działa.
10. Czy możemy mieć jednolitą teorię?
W XX wieku powstały dwie wielkie teorie wyjaśniające wiele zjawisk w fizyce. Jedną z nich była teoria mechaniki kwantowej, która szczegółowo opisywała zachowanie i interakcje drobnych cząstek subatomowych. Mechanika kwantowa i standardowy model fizyki cząstek elementarnych wyjaśniły trzy z czterech zjawisk fizycznych występujących w przyrodzie: elektromagnetyzm oraz silne i słabe siły jądrowe.
Inną wielką teorią była ogólna teoria względności Einsteina, która wyjaśnia grawitację. W tej teorii grawitacja występuje, gdy obecność masy zakrzywia przestrzeń i czas, powodując ruch cząstek po zakrzywionych torach z powodu zakrzywionego kształtu czasoprzestrzeni. Potrafi wyjaśnić rzeczy, które dzieją się na największą skalę, takie jak tworzenie się galaktyk.
Jest tylko jeden problem. Te dwie teorie są nie do pogodzenia. O ile nam wiadomo, obie teorie są poprawne. Ale wydaje się, że nie działają razem. A ponieważ fizycy zdali sobie z tego sprawę, szukali rozwiązania, które mogłoby je połączyć. Ta decyzja została nazwana Wielką Zunifikowaną Teorią lub Teorią wszystkiego.
Naukowcy są przyzwyczajeni do teorii, które działają tylko w pewnych granicach. Fizycy mają nadzieję przezwyciężyć swoje ograniczenia i zobaczyć, że teoria mechaniki kwantowej i ogólna teoria względności są częścią większej teorii, jak patchwork z koca. Teoria strun jest próbą odtworzenia cech ogólnej teorii względności i teorii mechaniki kwantowej. Ale jego przewidywania są trudne do zweryfikowania eksperymentalnie, więc nie można ich potwierdzić.
Poszukiwanie fundamentalnej teorii - teorii, która może wszystko wyjaśnić - trwa nadal. Może nigdy jej nie znajdziemy. Ale jeśli fizyka nas czegoś nauczyła, to tego, że wszechświat jest naprawdę wspaniały i zawsze jest w nim miejsce na nowe odkrycia.
Według artykułu z serwisu listverse.com - przetłumaczonego przez Siergieja Malcewa