6 крупнейших тайн физики, которые до сих пор не разгаданы
В 1900 году британский физик лорд Кельвин сказал: «В физике нет ничего нового, подлежащего открытию. Остается лишь выполнять все более и более точные измерения». Однако начиная с 1900 года, в течение трех десятилетий, ученые развивали квантовую механику, которая оказалась несовместимой с общей теорией относительности, что породило одно из самых глубоких противоречий в физике.
Сегодня ни один ученый не посмеет утверждать, что наше физическое знание Вселенной близится к завершению. Напротив, с каждым новым открытием кажется, что неразрешенных вопросов становится только больше. Naked Science представляет подборку самых крупных неразгаданных тайн физики.
1. Что такое темная энергия?
Вселенная продолжает расширяться все быстрее, несмотря на то, что основная действующая в ней сила – сила притяжения, или гравитация, – этому противодействует. Учитывая это, астрофизики предположили, что существует невидимый агент, который противодействует этой самой гравитации. Они называют его темной энергией. В общепринятом понимании темная энергия – это «космологическая постоянная», неотъемлемое свойство самого пространства, которое имеет «отрицательное давление». Чем больше расширяется пространство, тем больше его (пространства) создается, а с ним и темной энергии. На основании наблюдаемых темпов роста Вселенной ученые сделали вывод, что темная энергия должна составлять не менее 70% от общего содержания Вселенной. Но по-прежнему непонятно, что это и где это искать.
2. Что такое темная материя?
Очевидно, что около 84% материи во Вселенной не поглощает и не излучает свет. Темная материя не может быть непосредственно увидена. Ее существование и свойства фиксируются благодаря ее гравитационному воздействию на видимую материю, излучению и изменению структуры Вселенной. Эта темная субстанция пронизывает окраины Галактики и состоит из «слабо взаимодействующих массивных частиц». До сих пор ни один из детекторов не смог обнаружить эти частицы.
3. Почему существует «стрела времени»?
Время движется вперед. Этот вывод можно сделать на основании свойства Вселенной под названием «энтропия», которое определяется как уровень увеличивающегося беспорядка. Нет никакого способа, чтобы обратить вспять рост энтропии после того, как это уже произошло. «Стрела времени» – это концепция, описывающая время как прямую, протянутую из прошлого в будущее. «Во всех процессах существует выделенное направление, в котором процессы идут сами собой от более упорядоченного состояния к менее упорядоченному». Но основной вопрос в следующем: почему энтропия находилась на низком уровне в момент зарождения Вселенной, когда сравнительно небольшое пространство переполнялось колоссальной энергией?
4. Существуют ли параллельные Вселенные?
Астрофизические данные свидетельствуют о том, что пространственно-временной континуум может быть «плоским», а не изогнутым, а значит, он продолжается бесконечно. Если это так, то наша Вселенная – лишь одна из бесконечно большой Мультивселенной. По расчетам, проведенным в 2009 году физиками Андреем Линде и Виталием Ванчуриным, после Большого взрыва образовалось десять в десятой степени в десятой степени в седьмой степени (10^10^10^7) вселенных. Много. Очень много. Если параллельные Вселенные существуют, то как мы могли бы когда-нибудь обнаружить их присутствие?
5. Почему материи значительно больше, чем антиматерии?
На самом деле, вопрос не в том, почему вещества больше, чем противоположно заряженного антивещества, а в том, почему что-то вообще существует. Некоторые ученые предполагают, что после Большого взрыва материя и антиматерия были симметричны. Если бы это было так, то видимый нами мир был бы сразу же уничтожен – электроны вступили бы в реакцию с антиэлектронами, протоны – с антипротонами и так далее, оставляя за собой лишь огромное число «голых» фотонов. Однако по какой-то причине материи существенно больше, чем антиматерии, что позволяет нам всем существовать. Этому нет общепринятого объяснения.
6. Каким образом измерить коллапс квантовых волновых функций?
В странном царстве фотонов, электронов и прочих элементарных частиц квантовая механика является законом. Частицы не ведут себя как крошечные шарики, они действуют как волны, которые распространяются на огромные площади. Каждая частица описывается волновой функцией, которая говорит о ее возможном расположении, скорости и других свойствах. На самом деле, частица имеет диапазон значений для всех свойств до того времени, пока ее экспериментально не измерили. В момент обнаружения ее волновая функция «разрушается». Но как и почему измерения частиц в той реальности, которую мы воспринимаем, несут крах для их волновой функции? Вопрос о проблеме измерения может показаться эзотерическим, но приблизиться к пониманию того, что такое наша реальность, да и существует ли она вообще, нам еще предстоит.