8 μεγαλύτερα μυστήρια της φυσικής που είναι ακόμα άλυτα

1. Γιατί ο χρόνος κυλά μόνο μπροστά

Στη φυσική, υπάρχει η έννοια του «βέλους (ή άξονας) του χρόνου». Περιγράφει τη ροή του χρόνου από το παρελθόν στο μέλλον. Και υπάρχουν πολλά στοιχεία ότι ο χρόνος ευνοεί μια συγκεκριμένη κατεύθυνση.

Σύμφωνα με τον δεύτερο θερμοδυναμικό νόμο, σε ένα απομονωμένο σύστημα, η εντροπία (ένα μέτρο της αταξίας) θα αυξάνεται με την πάροδο του χρόνου. Αυτό που σημαίνειότι οι διαδικασίες στη φύση συνήθως προχωρούν προς μια κατεύθυνση όπου η ενέργεια κατανέμεται πιο ομοιόμορφα και το σύστημα γίνεται πιο άτακτο.

Για παράδειγμα, όταν σπάμε ένα αυγό, δεν αναγεννάται από μόνο του. Δεν μπορείς να γυρίσεις τον χρόνο πίσω και να κάνεις τα πράγματα όπως ήταν. Η εντροπία είναι ανελέητη.

Επιπλέον, σύμφωνα με τη γενική θεωρία της σχετικότητας, με την πάροδο του χρόνου, το Σύμπαν επεκτείνεται. Οι παρατηρήσεις δείχνουν ότι έχει περάσει από μια κατάσταση υψηλής πυκνότητας και χαμηλής εντροπίας στο παρελθόν (αυτό το γεγονός ονομάζουμε «Μεγάλη Έκρηξη») και κινείται προς μια μελλοντική κατάσταση υψηλής εντροπίας.

Γενικά, είναι εύκολο να καταλάβει κανείς ότι ο χρόνος είναι μη αναστρέψιμος και κινείται πάντα προς μια κατεύθυνση. Και οι επιστήμονες δεν θα καταλάβουν ποτέ γιατί συμβαίνει αυτό. Και είναι δυνατόν να κυλάει και ο χρόνος προς τα πίσω;

2. Τι είναι η σκοτεινή ενέργεια

Το σύμπαν διαστέλλεται. Το κάνει ακριβώς όπως ένα μπαλόνι, μόνο πιο γρήγορα από την ταχύτητα του φωτός.

Στη δεκαετία του 1990, οι αστρονόμοι ανακαλύφθηκεότι η διαστολή του σύμπαντος αυξάνεται μόνο με την πάροδο του χρόνου και δεν επιβραδύνεται υπό την επίδραση της βαρύτητας, όπως θα έπρεπε να είναι θεωρητικά. Αυτή η παρατήρηση οδήγησε στην πρόταση ότι υπάρχει κάποια μορφή ενέργειας που αντιτίθεται στη βαρύτητα και συμβάλλει στην επιταχυνόμενη διαστολή του σύμπαντος.

Πιθανώς η σκοτεινή ενέργεια γεμίζει ολόκληρη η χωροχρονική δομή του Σύμπαντος και είναι το κύριο συστατικό του ενεργειακού περιεχομένου του. Αλλά δεν μπορεί να παρατηρηθεί ή να μετρηθεί άμεσα.

Το 74% του Σύμπαντος μας είναι σκοτεινή ενέργεια, το 22% είναι σκοτεινή ύλη, το 3,6% είναι διαγαλαξιακό αέριο και ένα άλλο 0,4% είναι κοινά, αδιάφορα αστέρια, πλανήτες και άλλα μικρά πράγματα.

Το γιατί η ευθυγράμμιση είναι έτσι δεν είναι σαφές.

Η ίδια η φύση της σκοτεινής ενέργειας είναι επίσης λείψανα ένα μυστήριο για την επιστήμη. Υπάρχουν διάφορα θεωρίεςπου προσπαθούν να εξηγήσουν την προέλευσή του, συμπεριλαμβανομένων των εννοιών του κβαντικού κενού και της κοσμολογικής σταθεράς.

Εν τω μεταξύ, η σκοτεινή ενέργεια έχει μεγάλη σημασία για την κατανόηση των θεμελιωδών ιδιοτήτων του Σύμπαντος και της μελλοντικής του μοίρας. Από αυτό εξαρτάται αν η διαστολή του Σύμπαντος θα συνεχιστεί επ' αόριστον, θα επιβραδυνθεί ή ακόμα και θα αντιστραφεί στο μέλλον.

3. Τι είναι η σκοτεινή ύλη

Το σκοτάδι είναι μια υποθετική μορφή ύλης που δεν αλληλεπιδρά με την ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία και ως εκ τούτου δεν εκπέμπει, απορροφά ή αντανακλά φως. Δεν μπορεί να ανιχνευθεί με τα συνηθισμένα μας όργανα και όργανα, γι' αυτό και ονομάζεται έτσι.

Υπάρχουν όμως πολλά απόδειξη την ύπαρξη της σκοτεινής ύλης στο Σύμπαν. Βασίζονται στη βαρυτική επίδραση που έχει στα ορατά αντικείμενα.

Η σκοτεινή ύλη, αν και αόρατη, επηρεάζει την κίνηση των άστρων, των γαλαξιών και των σμηνών γαλαξιών.

Αστρονομική έρευνα προβολήότι αυτά τα αντικείμενα κινούνται σαν να επηρεάζονται από πρόσθετη μάζα, και αυτό δεν μπορεί να εξηγηθεί από την ποσότητα της ύλης που παρατηρούμε. Επομένως, η σκοτεινή ύλη συγκρατεί γαλαξίες και άλλες γιγάντιες δομές μαζί υπό την επίδραση της βαρυτικής της δύναμης.

Γενικά, οι φυσικοί δεν θα καταλάβουν τι είναι η σκοτεινή ύλη, από ποια σωματίδια αποτελείται, ποιες είναι οι ιδιότητές της και αν υπάρχει καθόλου. Ίσως η παρατηρούμενη συμπεριφορά των άστρων και των γαλαξιών να μην σχετίζεται με καμία ύλη και να είναι απλώς τα περίεργα της βαρύτητας. Η επιστήμη δεν το έχει καταλάβει ακόμα.

4. Γιατί οι θεμελιώδεις σταθερές είναι όπως είναι;

Οι θεμελιώδεις σταθερές είναι αριθμητικές τιμές που χαρακτηρίζουν τις φυσικές ιδιότητες και τις αλληλεπιδράσεις στο σύμπαν. Είναι βασικά και δεν εξαρτώνται από συγκεκριμένα συστήματα μονάδων.

Οι σταθερές καθορίζουν τις βασικές ιδιότητες και τους νόμους της φύσης, επηρεάζοντας τη δομή και την ανάπτυξη του σύμπαντος στο σύνολό του. Όλοι αυτοί οι αριθμοί γύρω στα 25. Ανάμεσα τους:

• Η ταχύτητα του φωτός στο κενό (c) - καθορίζει τη μέγιστη ταχύτητα με την οποία οι πληροφορίες ή οι αλληλεπιδράσεις μπορούν να διαδοθούν στο σύμπαν.
• Η σταθερά του Planck (h), ή κβάντο δράσης, - καθορίζει τη σχέση μεταξύ της ενέργειας και της συχνότητας των σωματιδίων και των κυμάτων που αγώγουν το όριο μεταξύ του μακρόκοσμου, όπου ισχύουν οι νόμοι της Νευτώνειας μηχανικής, και του μικρόκοσμου, όπου τίθενται σε ισχύ οι νόμοι της κβαντικής μηχανικής. Μηχανική.
• Σταθερά βαρύτητας (G) - καθορίζει την ισχύ της βαρυτικής αλληλεπίδρασης μεταξύ μαζών και επηρεάζει τη δομή και την κίνηση των αντικειμένων στο σύμπαν.
• Μάζα ηλεκτρονίου (mₑ).
• Στοιχειώδες φορτίο (ε).
• Κοσμολογική σταθερά (Λ), η οποία αναφέρεται και ως θεμελιώδης.

Και οι επιστήμονες δεν μπορούν να καταλάβουν γιατί όλοι αυτοί οι αριθμοί έχουν ακριβώς τη σημασία που έχουν, και όχι άλλοι.

Ίσως μπορούμε να παρατηρήσουμε μόνο έννοιες που είναι συμβατές με την ύπαρξή μας, γιατί ΖΩΗ θα μπορούσε να προέρχεται μόνο από ένα τέτοιο σύμπαν. Αυτό ονομάζεται ανθρωπική αρχή.

Για παράδειγμα, η σταθερά λεπτής δομής, η οποία συνήθως συμβολίζεται με το γράμμα "άλφα", ορίζει δύναμη των μαγνητικών αλληλεπιδράσεων. Η αριθμητική του τιμή είναι περίπου 0,007297. Αν οι αριθμοί ήταν διαφορετικοί, μπορεί να μην υπήρχε σταθερή ύλη στο Σύμπαν μας.

Και ακόμα, οι φυσικοί προβληματίζονται για το πώς θα άλλαζε το Σύμπαν με άλλες φυσικές παραμέτρους. Υπάρχει υποθέσεις, σύμφωνα με την οποία οι τιμές των θεμελιωδών σταθερών είναι τυχαίες και καθορίζονται από διακυμάνσεις στο πρώιμο σύμπαν - μόνο κάποιο σύνολο αριθμών. Αυτή η υπόθεση υπονοεί ότι υπάρχουν πολλά Σύμπαντα με διαφορετικές τιμές των σταθερών. Και είμαστε απλώς τυχεροί που βρισκόμαστε εκεί όπου αυτές οι αξίες ταιριάζουν καλύτερα για την ανάπτυξη της ζωής.

5. Τι συμβαίνει στις μαύρες τρύπες

Μαύρες τρύπες Αυτές είναι περιοχές του διαστήματος με απίστευτα ισχυρή βαρύτητα. Πέρα από τη μαύρη τρύπα, τον λεγόμενο ορίζοντα γεγονότων, η βαρυτική έλξη είναι τόσο ισχυρή που καμία ύλη, ούτε καν το φως, δεν μπορεί να διαφύγει.

Στο κέντρο μιας μαύρης τρύπας, πιστεύουν οι φυσικοί, υπάρχει μια ιδιομορφία - ένα σημείο με άπειρη πυκνότητα και ένα απείρως ισχυρό βαρυτικό πεδίο. Αλλά τι είναι, πώς μπορεί να φαίνεται και πώς ακριβώς λειτουργεί, καμία θεωρία δεν μπορεί να εξηγήσει.

Μερικοί επιστήμονες ακόμη υποθέτωότι η μοναδικότητα μπορεί να μην είναι ένα σημείο, αλλά μπορεί να έχει διαφορετικά σχήματα - αυτό ισχύει για τις περιστρεφόμενες μαύρες τρύπες. Η λεγόμενη μαύρη τρύπα Kerr, ένα υποθετικό αντικείμενο που περιγράφεται από τον μαθηματικό και αστροφυσικό Roy Kerr, έχει μια δακτυλιοειδή ιδιομορφία. Θα είναι ακόμη δυνατό να πετάξετε μέσα από μια τέτοια τρύπα και να επιβιώσετε. Θεωρητικά.

Αλλά για να περιγραφούν με ακρίβεια οι φυσικές διαδικασίες μέσα στη μοναδικότητα, χρειάζεται μια ενοποιημένη θεωρία βαρύτητα και την κβαντομηχανική, η οποία δεν έχει ακόμη αναπτυχθεί.

6. Γιατί υπάρχει τόσο λίγη αντιύλη στο σύμπαν;

Στη συνηθισμένη ύλη, τα στοιχειώδη σωματίδια, όπως τα ηλεκτρόνια και τα πρωτόνια, έχουν αρνητικά και θετικά φορτία, αντίστοιχα. Στην αντιύλη, αυτά τα φορτία είναι ανεστραμμένα: τα αντιηλεκτρόνια (ονομάζονται επίσης ποζιτρόνια) είναι θετικά φορτισμένα, ενώ τα αντιπρωτόνια είναι αρνητικά.

αντιύλη έχει τις ίδιες φυσικές ιδιότητες με το συνηθισμένο, συμπεριλαμβανομένης της μάζας, του σπιν και άλλων χαρακτηριστικών των σωματιδίων. Όταν όμως ένα αντισωματίδιο συναντά ένα αντίστοιχο συνηθισμένο, μπορούν να εκμηδενιστούν το ένα το άλλο, μετατρέποντας σε καθαρή ενέργεια.

Ένα λίτρο κάποιου είδους αντι-υδρογόνου, όταν έρθει σε επαφή με τον αέρα, θα μυρίζει σαν ατομική βόμβα.

Πόσο καλό είναι ότι η μέγιστη ποσότητα αντιυδρογόνου που κατάφεραν συνθέτω επιστήμονες κάθε φορά - 309 άτομα.

Αστρονομικές παρατηρήσεις προβολήότι το σύμπαν και μάλιστα το πιο μακρινό αστέρια και οι γαλαξίες αποτελούνται από ύλη, και υπάρχει πολύ λίγη αντιύλη σε αυτήν. Αυτή η διαφορά μεταξύ του αριθμού των βαρυονίων (σωματίδια που αποτελούνται από τρία κουάρκ) και των αντιβαρυονίων (αντισωματίδια που αποτελούνται από τρία αντικουάρκ) στο σύμπαν μας ονομάζεται ασυμμετρία βαρυονίου.

Εάν το Σύμπαν ήταν εντελώς συμμετρικό, τότε ο αριθμός των βαρυονίων και των αντιβαρυονίων θα έπρεπε να είναι ίσος και θα παρατηρούσαμε ολόκληρους γαλαξίες αντιύλης. Ωστόσο, στην πραγματικότητα, τα πάντα είναι φτιαγμένα από βαρυόνια και τα αντιβαρυόνια πρέπει να συντεθούν σε επιταχυντές σωματιδίων όχι μόνο από ένα κουταλάκι του γλυκού, αλλά από ένα άτομο. Επομένως, η αντιύλη είναι η μεγαλύτερη ακριβό πράγμα στον κόσμο.

Σύμφωνα με το τυπικό μοντέλο των στοιχειωδών σωματιδίων, αμέσως μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, θα έπρεπε να υπήρχε ίσος αριθμός κουάρκ και αντικουάρκ στο σύμπαν. Ωστόσο, κάτι συνέβη, τι ακριβώς δεν είναι ξεκάθαρο, αλλά σχεδόν όλα τα αντιβαρυόνια εκμηδενίστηκε, και η ύλη σχηματίστηκε από τα υπόλοιπα βαρυόνια. Στην πραγματικότητα, είναι αυτό από το οποίο αποτελείται το σύμπαν. Και εσύ, παρεμπιπτόντως, επίσης. Και επιστήμονες που ακόμα δεν μπορούν να καταλάβουν γιατί υπάρχει τόσο λίγη αντιύλη στο διάστημα.

7. Είναι σταθερό το κενό;

Το κενό είναι χώρος με τη μικρότερη δυνατή ενέργεια, αλλά αντίθετα με το όνομά του, δεν είναι εντελώς κενός. Εξακολουθεί να περιέχει κβαντικά πεδία που καθορίζουν τη συμπεριφορά των στοιχειωδών σωματιδίων. Επιστήμονες πιστεύωότι το αληθινό, ή φυσικό, κενό που γνωρίζουμε είναι η πιο σταθερή κατάσταση στο σύμπαν, καθώς θεωρείται το παγκόσμιο ελάχιστο της ενέργειας.

Ωστόσο, θεωρητικά υπάρχει η πιθανότητα η κατάσταση του φυσικού κενού να είναι μια διαμόρφωση κβαντικών πεδίων, η οποία είναι μόνο ένα τοπικό, και όχι ένα παγκόσμιο ενεργειακό ελάχιστο. Δηλαδή, το κενό που μπορούμε να παρατηρήσουμε στο βαθύ διάστημα ή να δημιουργήσουμε στο εργαστήριο είναι «ψεύτικο». Άρα, μπορεί να υπάρχει «αληθινό».

Και αν υπάρχει ένα «αληθινό» κενό, είμαστε σε μεγάλο πρόβλημα.

Αν υποθέσουμε ότι το Σύμπαν μας βρίσκεται σε κατάσταση όχι «αληθούς», αλλά «ψευδούς» κενού, τότε η διαδικασία της διάσπασής του σε μια πιο σταθερή κατάσταση καθίσταται δυνατή. Οι συνέπειες μιας τέτοιας διαδικασίας μπορεί να είναι οι περισσότερες φοβερός και ποικίλλουν από ανεπαίσθητες αλλαγές στις κοσμολογικές παραμέτρους που εξαρτώνται από τη διαφορά δυναμικού μεταξύ «ψευδής» και «αληθούς» κενού, μέχρι την πλήρη παύση της λειτουργίας των στοιχειωδών σωματιδίων και των θεμελιωδών δυνάμεις.

Εάν κάπου στο διάστημα εμφανιστεί μια φούσκα «πραγματικού» κενού, αυτό μπορεί να οδηγήσει στην πλήρη καταστροφή της βαρυονικής ύλης ή ακόμα και σε μια στιγμιαία βαρυτική κατάρρευση του Σύμπαντος.

Εν ολίγοις, ας ελπίσουμε ότι το κενό μας είναι το πιο αξιόπιστο στον κόσμο. Τι άλλο μένει;

8. Ποιο θα είναι το τέλος του σύμπαντος

Και επειδή μιλάμε για τόσο συναρπαστικά παγκόσμια ζητήματα όπως η βαρυτική κατάρρευση του Σύμπαντος: οι φυσικοί έχουν συντάξει λίστα τα πιο ενδιαφέροντα πράγματα που θα μπορούσαν να συμβούν στο διάστημα στο μέλλον, αλλά ποτέ μην αποφασίσετε ποιο σενάριο είναι πιο πιθανό.

Σύμφωνα με τη θεωρία του Big Bang, το σύμπαν προέκυψε πριν από περίπου 13,8 δισεκατομμύρια χρόνια από μια πυκνή και καυτή κατάσταση που ονομάζεται ιδιομορφία, και από τότε όλα μεγαλώνουν και ψύχονται. Αυτή η θεωρία εξηγεί καλά μια σειρά από παρατηρούμενα φαινόμενα, όπως η κοσμική ακτινοβολία υποβάθρου και η διαστολή σύμπαν. Τι θα γίνει όμως στη συνέχεια; Επιλέξτε αυτό που σας αρέσει περισσότερο:

• θερμικός θάνατος. Μέσα σε αυτή την έννοια υποτιθεμένοςότι με τον καιρό το σύμπαν θα γίνεται όλο και πιο ψυχρό και ομοιόμορφο. Η ενέργεια σε αυτό θα εξαντληθεί, όλες οι διαδικασίες, όπως ο σχηματισμός των αστεριών και η θερμική κίνηση, θα επιβραδυνθούν και θα σταματήσουν. Αυτό θα οδηγήσει σε μια κατάσταση μέγιστης εντροπίας, όταν όλα τα σωματίδια θα βρίσκονται σε κατάσταση ισορροπίας και δεν θα είναι δυνατά άλλα γεγονότα στο Σύμπαν.
• μεγάλο κενό. Σύμπαν θα συνεχίσει επεκτείνουν. Αυτό σημαίνει ότι οι γαλαξίες και άλλα διαστημικά αντικείμενα θα απομακρύνονται όλο και περισσότερο ο ένας από τον άλλο. Εάν δεν αλλάξει τίποτα, στο μακρινό μέλλον, οι βαρυτικές δυνάμεις δεν θα είναι πλέον αρκετά ισχυρές για να αντισταθούν στην πίεση της σκοτεινής ενέργειας. Αυτό θα οδηγήσει στο γεγονός ότι σε όλα τα επίπεδα δομής μέσα στο Σύμπαν, συμπεριλαμβανομένων των γαλαξιών, των αστεριών και των ατόμων, θα υπάρχει μια δύναμη που θα υπερβαίνει τη δική τους δύναμη έλξης. Ως αποτέλεσμα, όλα τα αντικείμενα θα σπάσουν σταδιακά σε ξεχωριστά σωματίδια.
• Μεγάλη συμπίεση. Σύμφωνα με αυτό το σενάριο, η διαστολή του σύμπαντος, που προκλήθηκε από τη Μεγάλη Έκρηξη, Κόψτε ταχύτητα και τελικά αντιστρέφεται. Η βαρυτική έλξη μεταξύ γαλαξιών, αστεριών και πλανητών θα γίνει η κυρίαρχη δύναμη. Η απόσταση μεταξύ τους θα συνεχίσει να μειώνεται έως ότου το Σύμπαν καταρρεύσει ξανά σε μια ιδιομορφία, όπου η πυκνότητα και η θερμοκρασία γίνονται απείρως υψηλές. Και δεν απέχει πολύ από το νέο Big Bang.

Αλλά τι είδους μοίρα περιμένει χώρος, είναι ακόμα ασαφές. Περιμένετε μερικές ακόμη χιλιάδες επτά εκατομμύρια χρόνια.