Sageli leiate Internetist selliste väidetavalt lahendamata ja lahendamata saladuste kohta meie universumis ja kaasaegses teaduses.
Miskipärast tundub mulle, et osa sellest on kaugeleulatuvad probleemid, mida pole olemas, kuid osaliselt on teadus juba selgituse leidnud.
Millist neist peate tõeliselt avalikustamata ja veel salajaseks füüsikaks?
1. Kust tulevad ülikõrge energiaga kosmilised kiired?
Meie atmosfääri pommitavad pidevalt kosmosekiirteks kutsutud kosmose kiired energiaosakesed. Kuigi need kiired ei kahjusta inimesi palju, pakuvad nad füüsikutele suurt huvi.
1962. aastal nägid John Linsley ja Livio Scarsi Volcano Ranchis tehtud katse ajal midagi uskumatut: kosmiline kiir, mille energia oli üle 16 džauli. Mõne idee saamiseks ütleme, et üks džaul on umbes võrdne energiaga, mis kulub õuna põrandalt lauale tõstmiseks. Ja kogu see energia on kontsentreeritud osakese, mis on miljardeid kordi väiksem kui õun. See tähendab, et see liigub valguse kiirusele lähedasel kiirusel!
Reklaamvideo:
Füüsikud ei tea veel, kust need osakesed nii palju energiat said. Mõne teooria kohaselt võivad nende osakeste allikaks olla supernoovad, mis moodustuvad pärast tähtede plahvatust elu lõpul. Neid osakesi saab kiirendada ka varisevate ainete ketastes, mis tekivad mustade aukude ümber.
2. Kas moodne universum oli inflatsiooni tagajärg?
Universum on üllatavalt tasane, see tähendab, et kogu universumis on sama palju ainet. Suure paugu teooria kohaselt võis aga universumi arengu väga varajastes staadiumides mateeria tihedus erinevates kohtades olla erinev.
Inflatsiooniteooria kohaselt pärines moodne universum pisikese mahuga varasest universumist, mis järsult ja ootamatult kiiresti laienes. Nagu õhupalli täitmine, on ka inflatsioon varase universumi korral kõik punnid silunud.
Kuigi see seletab paljut meie nägemust, ei tea füüsikud veel seda, mis inflatsiooni põhjustas. Teave selle inflatsiooni ajal toimunu kohta on samuti visandlik.
3. Kas on võimalik leida tumedat energiat ja tumedat ainet?
Uimastamine: ainult umbes 5% universumist koosneb meile nähtavast ainest. Mõnikümmend aastat tagasi märkasid füüsikud, et galaktikate välisservades olevad tähed pöörlevad nende galaktikate keskpunktide ümber arvatust kiiremini. Selle selgitamiseks pakkusid teadlased välja, et need galaktikad võivad sisaldada mingit nähtamatut "tumedat" ainet, mis põhjustab tähtede kiiremat keerutamist.
Koos sellega teame, et nüüd kiireneb ka universumi laienemine. See näib kummaline, kuna võib eeldada, et mateeria - nii "hele" kui ka "tume" - külgetõmme aeglustab universumi laienemist. "Tume energia" võiks olla selle nähtuse selgitus. Füüsikud usuvad, et vähemalt 70% universumi energiast on "tumeda" energia kujul, mis aitab kaasa universumi laienemise praegusele kiirendusele.
Siiani pole "tumedat" ainet moodustavaid osakesi ja "tumeda" energia moodustavat osa osakesi veel laboritingimustes otseselt uuritud. Kuid füüsikud loodavad, et "tumeda" aine osakesi on võimalik saada ja uurida suure hadronite põrkeseadmes. Kuid need osakesed võivad olla raskemad kui need, mida põrkaja suudab luua, ja siis jääb nende saladus pikka aega lahendamata.
4. Mis asub musta augu keskel?
Mustad augud on astrofüüsika kõige kuulsamad objektid. Me võime neid kirjeldada kui kosmose aja piirkondi, kus gravitatsiooniväljad on nii tugevad, et isegi valgus ei saa neist üle.
Vaatlusi on tehtud paljudest mustadest aukudest, sealhulgas tohutu must auk meie galaktika keskel. Kuid musta augu keskel toimuva saladust pole veel paljastatud. Mõnede füüsikute arvates võib olla "singulaarsus" - piiritu tiheduse punkt, kus mingi mass on koondunud lõpmatuseni ruumi. Seda on raske ette kujutada. Veelgi hullem, igasugune singulaarsus viib selles teoorias musta auku, kuna ainsust ei saa otseselt jälgida.
Samuti on endiselt poleemikat selle üle, kas teave kaob mustadesse aukudesse. Nad neelavad osakesi ja eraldavad Hawkingi kiirgust, kuid see kiirgus ei näi sisaldavat mingit lisateavet musta auku toimuva kohta.
Näilise võimatuse fakt, vähemalt hetkel teada saada, mis on mustades aukutes, võimaldas ulmekirjanikel pikka aega teha oletusi teiste seal olevate universumite olemasolu võimalikkuse kohta või mustade aukude kasutamise kohta teleportatsioonis või ajarännakul.
5. Kas universumis on arukas elu?
Inimesed on unistanud tulnukatest sellest ajast peale, kui nad esimest korda öötaevasse vaatasid ja mõtlesid, mis seal olla võib. Kuid viimastel aastakümnetel oleme õppinud palju huvitavaid fakte.
Esiteks saime teada, et planeedid on palju tavalisemad, kui seni arvati. Samuti saime teada, et ajavahemik meie planeedi elamiskõlblikuks muutumise ja sellel tekkimise vahel on üsna väike. Kas see tähendab, et elu on võimalik? Kui jah, saame kuulsa Fermi paradoksi: miks me pole siis veel välismaalastega suhelnud?
Astronoom Frank Drake koostas tema nime kandva võrrandi, et vaadata probleemi kõiki külgi. Kõik selle komponendid tähistavad intelligentse eluga suhtlemise puudumise põhjust.
Elu võib olla tavaline, kuid arukas elu on haruldane. Võib-olla mõne aja pärast otsustavad kõik tsivilisatsioonid mitte suhelda teiste eluvormidega. Nad on olemas, kuid nad ei taha meiega suhelda. Või osutab see võib-olla sellele, et paljud tulnuktsivilisatsioonid hävitavad end peagi pärast seda, kui on saavutanud tehnoloogilise võime suhelda. Oli isegi ettepanekuid, et välismaalastega suhtlemise puudumine on tõend meie maailma kunstlikust päritolust, milleks võib olla Jumala loomine või arvutimudel.
Siiski on võimalik, et me pole lihtsalt piisavalt kaua ja piisavalt kaugele otsinud, kuna ruumi on uskumatult palju. Signaalid võivad kergesti eksida ja tulnukate tsivilisatsioon peab lihtsalt tugevama signaali saatma. Ja võib-olla homme avastame võõra tsivilisatsiooni ja meie arusaam universumist muutub.
6. Kas midagi saab liikuda kiiremini kui valgus?
Pärast seda, kui Einstein muutis füüsikat oma spetsiaalse relatiivsusteooria abil, on füüsikud veendunud, et miski ei saa liikuda kiiremini kui valgus. Selle teooria kohaselt on selleks, et midagi vähemalt valguse kiirusel liikuks, vaja lõpmatut energiat.
Teisest küljest, nagu näitavad ülalnimetatud kosmilised kiired, ei tähenda isegi suure hulga energia olemasolu valguse kiirusega liikumise võimalust. Valguskiirus kui kõva kiirusepiirang võib olla veel üks seletus võõraste tsivilisatsioonidega suhtlemise puudumisele. Kui neid piirab ka valguse kiirus, võib signaalide sõitmiseks kuluda tuhandeid aastaid.
Kuid inimesed otsivad pidevalt võimalusi, kuidas sellest universumi kiirusepiirangust mööda minna. 2011. aastal läbi viidud OPERA eksperimendi esialgsete tulemuste kohaselt liikusid neutriinod kiiremini kui valgus. Kuid siis märkasid teadlased vigu eksperimendi korraldamisel ja tunnistasid nende tulemuste ebakorrektsust.
Lisaks, kui oleks võimalik edastada ainet või teavet valguse kiirust ületava kiirusega, muudaks see kahtlemata maailma. Valguskiirust ületava kiirusega liikumine võib häirida põhjuslikkust, seost sündmuste põhjuste ja tagajärgede vahel.
Kuna aeg ja ruum on erirelatiivsusteooriaga seotud, võimaldaks teabe liikumine valguse kiirust ületaval kiirusel inimesel saada sündmuse kohta teavet enne selle sündmuse toimumist, mis on ajarännaku vorm. See võib luua igasuguseid paradokse, mida me ei teaks, kuidas lahendada.
7. Kas turbulentsi saab kirjeldada?
Naastes Maale, võime öelda, et meie igapäevaelus on ikka veel palju keerulisi asju mõista. Proovige näiteks mängida veekraanidega. Kui lasite veel rahulikult voolata, jälgite füüsikas tuntud nähtust, meile hästi tuntud voolutüüpi, mida nimetatakse "laminaarseks vooluks". Kuid kui lülitate kraani täielikult välja ja jälgite vee käitumist, on teil näide turbulentsist. Mitmel moel on turbulents füüsikas endiselt lahendamata probleem.
Navier-Stokesi võrrand määratleb, kuidas sellised vedelikud nagu vesi ja õhk peaksid liikuma. Me kujutame ette, et vedelik purustatakse väikesteks massitükkideks. See võrrand võtab siis arvesse kõiki neid tükke mõjutavaid jõude - raskust, hõõrdumist, rõhku - ja püüab kindlaks teha, kuidas see nende kiirust mõjutab.
Lihtsate või stabiilsete voogude korral võime Navier-Stokesi võrrandile leida lahendusi, mis kirjeldavad antud voolu täielikult. Füüsikud saavad seejärel voolukiiruse arvutamiseks suvalises punktis võrrandid koostada. Kuid keerukate, turbulentsete voogude korral ei pruugi need lahendused olla täpsed. Saame teha palju turbulentse vooluga manipuleerimist, lahendades võrrandid numbriliselt suurtes arvutites. See annab meile umbkaudse vastuse ilma valemiga, mis selgitaks täielikult vedeliku käitumist.
Muide, savi matemaatika instituut pakkus selle probleemi lahendamise eest tasu. Nii et kui saate seda teha, võite saada miljon dollarit.
8. Kas on võimalik luua ülijuhti, mis töötab toatemperatuuril
Ülijuhid on inimeste leiutatud kõige olulisemad seadmed ja tehnoloogiad. Need on eritüüpi materjalid. Kui temperatuur langeb piisavalt madalale, langeb materjali elektritakistus nullini.
Meie kaasaegsed toitekaablid raiskavad palju elektrit. Need ei ole ülijuhid ja neil on elektritakistus, mille tõttu nad kuumenevad, kui nendest juhitakse läbi elektrivool.
Kuid ülijuhtide võimalused pole sellega piiratud. Traadi loodud magnetväljal on tugevus, mis sõltub sellest läbivat voolu. Kui leiate odava viisi ülijuhtide kaudu väga kõrgete voolude läbimiseks, võite saada väga võimsaid magnetvälju. Neid välju kasutatakse praegu suure Hadroni kokkupõrkel, et suunata ringjoonelt kiiresti liikuvad laetud osakesed ümber. Neid kasutatakse ka eksperimentaalsetes tuumareaktorites, millest tulevikus võib saada meie elektrienergia allikas.
Probleem on selles, et kõik teadaolevad ülijuhid saavad töötada ainult väga madalatel temperatuuridel (mitte kõrgemal kui -140 kraadi). Nende jahutamiseks nii madalale temperatuurile on tavaliselt vaja vedelat lämmastikku või selle ekvivalenti ning see on väga kallis. Seetõttu töötavad paljud füüsikud ja materjalide spetsialistid kogu maailmas püha graali - ülijuhi, mis võiks töötada toatemperatuuril - saamiseks. Kuid siiani pole keegi sellega hakkama saanud.
9. Miks on rohkem ainet kui antimaterjal?
Iga osakese jaoks on võrdne ja vastupidine osake, mida nimetatakse antiosakeseks. Elektronide jaoks on positronid. Prootonite jaoks on olemas antiprootonid. Jne.
Kui osake puutub vastu antiosakest, hävib see ja muutub radiatsiooniks. Mõnikord muutub see kosmilisteks kiirteks. Antimaterjali saab luua ka osakeste kiirendites, mille hind on mitu triljonit dollarit grammi kohta. Kuid üldiselt tundub, et see on meie universumis väga haruldane. See on tõeline saladus. Kõik teadaolevad protsessid, mis muudavad energia (kiirguse) mateeriaks, toodavad sama palju ainet ja antimaterjali. Niisiis, kui universumis domineerib energia, siis miks see ei tekita võrdses koguses ainet ja antimaterjali?
Selle selgitamiseks on olemas mitu teooriat. Teadlased, kes uurivad osakeste vastasmõju suures hadronite põrkekohas, otsivad näiteid "CP rikkumisest". Kui need aset leiavad, võivad need koostoimed näidata, et füüsika seadused on mateeria ja antimaterjali osakeste osas erinevad. Siis võime eeldada, et võib olla protsesse, mis tekitavad suurema tõenäosusega ainet kui antimaterjali, mistõttu on universumis rohkem ainet.
Teistel, vähem tõenäolistel teooriatel võivad olla terved universumi piirkonnad, kus domineerib antimaterjal. Kuid need teooriad peavad selgitama, kuidas toimus aine ja antimaterjali eraldamine ning miks ei näe me nii aine kui ka antimaterjali kokkupõrkel suuri kiirguse masse. Nii et kui me ei leia tõendeid antimaterjal galaktikate kohta, tundub CP rikkumine varajases universumis parima lahendusena. Kuid me ei tea endiselt, kuidas see töötab.
10. Kas meil võib olla ühtne teooria?
20. sajandil töötati füüsikas paljude nähtuste selgitamiseks välja kaks suurepärast teooriat. Üks oli kvantmehaanika teooria, mis täpsustas pisikeste subatomiliste osakeste käitumist ja vastastikmõjusid. Kvantmehaanika ja osakeste füüsika standardmudel on selgitanud looduse neljast füüsikalisest nähtusest kolme: elektromagnetism ning tugevad ja nõrgad tuumajõud.
Teine suurepärane teooria oli Einsteini üldine relatiivsusteooria, mis selgitab gravitatsiooni. Selles teoorias ilmneb gravitatsioon, kui massi olemasolu painutab ruumi ja aega, põhjustades osakeste liikumist kõvera tee tõttu kosmoseaja kõvera kuju tõttu. See võib selgitada asju, mis juhtuvad kõige ulatuslikumalt, näiteks galaktikate moodustumist.
On ainult üks probleem. Need kaks teooriat ei ühildu. Niipalju kui me teame, on mõlemad teooriad õiged. Kuid tundub, et nad ei tööta koos. Ja kuna füüsikud said sellest aru, otsisid nad lahendust, mis neid ühendaks. Seda otsust hakati nimetama suureks ühtseks teooriaks ehk kõige teooriaks.
Teadlased on harjunud teooriatega, mis toimivad ainult teatud piirides. Füüsikud loodavad oma piirangutest üle saada ja näevad, et kvantmehaanika ja üldrelatiivsusteooria on osa suuremast teooriast, nagu teki lappimine. Keelteooria on katse taastada üldrelatiivsustegurite ja kvantmehaanika teooria tunnused. Kuid selle prognoose on katsete abil keeruline kontrollida, seega ei saa seda kinnitada.
Jätkub fundamentaalteooria - teooria, mis suudab kõike seletada - otsimine. Võib-olla ei leia me teda kunagi. Kuid kui füüsika on meile midagi õpetanud, on universum tõeliselt imeline ja selles on alati ruumi uute avastuste jaoks.
Vastavalt saidi listverse.com artiklile - tõlkinud Sergei Maltsev
