Есть легенда, что в 1900 году английский физик лорд Кельвин заявил: «Сейчас в физике нет ничего нового. Остается лишь делать все более и более точные измерения». Через три десятилетия квантовая механика и теория относительности Эйнштейна произвели революцию в науке. Сегодня ни один физик не посмеет утверждать, что человечество нашло ответы на все вопросы о Вселенной и окружающем нас мире. Все как раз наоборот. Кажется, что каждое новое открытие открывает ящик Пандоры и порождает все новые загадки, над которыми десятилетиями бьются физики-теоретики.
Специально к международному Дню физики мы составили краткий обзор самых больших нерешенных проблем в этой науке. Стоит отметить, что в список не попали такие необъяснимые и странные явления, как темная материя, темная энергия и черные дыры (мы о них писали в статье о самых больших загадках Вселенной). Зато ниже вас ждут другие, не менее интригующие загадки.
Необратимость времени и энтропии
Одно из самых главных свойств Вселенной — течение времени. Причем движется оно только «вперед», и этот процесс необратим. Он еще называется «энтропией» и знаком нам из законов термодинамики. Энтропия означает, что уровень хаоса со временем только увеличивается и не существует способа обратить его вспять. Тот факт, что энтропия увеличивается, является нерешенным вопросом физики: по мере изменения вещей они имеют тенденцию приходить в беспорядок. Кстати, ваша уборка в комнате — это своего рода «борьба с энтропией». Но основной вопрос здесь заключается в том, почему энтропия в прошлом была такой низкой? Иными словами, почему в начале своего существования Вселенная была такой упорядоченной, когда огромное количество энергии было сосредоточено в небольшом пространстве?
Мультивселенные
Астрофизические данные предполагают, что пространство-время может быть «плоским», а не искривленным. Таким образом, оно может быть бесконечным. Если это так, то область нашей видимой Вселенной диаметром 93 млрд световых лет является всего лишь одним пятнышком в бесконечно большой мультивселенной. В то же время законы квантовой механики диктуют, что существует конечное число возможных конфигураций частиц в пределах каждого космического участка (10 000 000 000122 различных вариаций). В случае с бесконечным числом космических пятен расположение частиц внутри них вынуждено повторяться бесконечно много раз. Это означает, что существует бесконечно много параллельных вселенных: космические участки, точно такие же, как наши, а также участки, отличающиеся положением всего одной частицы, а еще участки, отличающиеся положением двух частиц, и так далее, вплоть до самых странных Вселенных, в которых даже законы физики другие.
Неравномерность материи и антиматерии
Обычной материи намного больше, чем ее противоположно заряженного и вращающегося в противоположных направлениях «близнеца» антиматерии. Но почему так? Ответ на этот вопрос поможет объяснить, почему во Вселенной вообще что-то существует. В теории в момент Большого взрыва должно было образоваться равное количество материи и антиматерии. Но если бы это произошло, то случилась бы полная аннигиляция обоих: протоны сошлись бы с антипротонами, электроны с позитронами, нейтроны с антинейтронами и т.д. По какой-то причине во Вселенной осталась лишняя материя, которая не аннигилировала. Из нее образовались звезды, галактики, планеты и даже мы. Как и почему это произошло, общепринятого объяснения нет по сей день.
Какова судьба Вселенной?
Судьба Вселенной сильно зависит от фактора неизвестного значения — Ω, или меры плотности материи и энергии во всем космосе. Если Ω больше 1, то пространство-время было бы «замкнутым», как поверхность огромной сферы. Если бы не было темной энергии, такая Вселенная в конечном итоге перестала бы расширяться и вместо этого начала бы сжиматься, в конечном итоге схлопываясь сама по себе в событии, получившем название «Большое сжатие». Если Вселенная закрыта, но есть темная энергия, сферическая Вселенная будет расширяться вечно.
В качестве альтернативы, если Ω меньше 1, то геометрия пространства будет «открытой». В этом случае ее окончательная судьба — это Большое замораживание, за которым следует Большой разрыв. Сначала внешнее ускорение Вселенной в итоге через триллионы лет разорвет галактики и звезды на части, оставив всю материю холодной и одинокой. Затем ускорение станет настолько сильным, что пересилит действие сил, удерживающих атомы вместе, и все разорвется на части.
Если Ω равно 1, Вселенная была бы плоской, простирающейся как бесконечная плоскость во всех направлениях. Если бы не было темной энергии, такая плоская Вселенная расширялась бы вечно, но с постоянно замедляющейся скоростью, приближаясь к полной остановке. Если бы существовала темная энергия, плоская Вселенная в конечном счете подверглась бы безудержному расширению, ведущему к Большому разрыву. Истинное значение Ω является неразрешимой загадкой современной физики.
Что такое гравитация?
Чем на самом деле является гравитация? Другие силы опосредованы частицами. Электромагнетизм, например, представляет собой обмен фотонами. Слабое ядерное взаимодействие переносится бозонами W и Z, а глюоны переносят сильное ядерное взаимодействие, удерживающее атомные ядра вместе. Но гравитация отличается от них. Большинство физических теорий говорят, что гравитацию должна переносить гипотетическая безмассовая частица, называемая гравитоном.
Проблема в том, что гипотетические гравитоны не обнаружены до сих пор. Ученые вообще сомневаются, что их сможет обнаружить какой-либо детектор частиц. Все потому, что если гравитоны существуют, то крайне редко взаимодействуют с материей. Неясно даже, являются ли они безмассовыми, хотя если они вообще имеют массу, то очень и очень малую — меньше, чем у нейтрино, которые являются одними из самых легких известных частиц во Вселенной. Поиск гравитонов продолжается, но пока безуспешно. Поэтому загадка гравитации остается необъяснимой.
Напомним, что ранее мы рассказывали о ТОП-5 ложных представлениях науки о космосе.
Только самые интересные новости и факты в нашем Telegram-канале!
Присоединяйтесь: https://t.me/ustmagazine
