Є легенда, що 1900 року англійський фізик лорд Кельвін заявив: «Зараз у фізиці немає нічого нового. Залишається лише робити все точніші виміри». Через три десятиліття квантова механіка та теорія відносності Ейнштейна зробили революцію в науці. Сьогодні жоден фізик не посміє стверджувати, що людство знайшло відповіді на всі питання про Всесвіт і навколишній світ. Все якраз навпаки. Здається, що кожне нове відкриття відкриває скриньку Пандори та породжує нові загадки, над якими десятиліттями б’ються фізики-теоретики.
Спеціально до міжнародного Дня фізики ми склали короткий огляд найбільших невирішених проблем у сучасній фізиці. Варто зазначити, що до списку не потрапили такі незрозумілі та дивні явища, як темна матерія, темна енергія та чорні діри (ми про них писали у статті про найбільші загадки Всесвіту). Зате нижче за вас чекають інші, не менш цікаві загадки.
Незворотність часу та ентропії
Одна з найголовніших властивостей Всесвіту — перебіг часу. Причому рухається він лише «вперед», і цей процес незворотний. Він ще називається «ентропією» та знайомий нам із законів термодинаміки. Ентропія означає, що рівень хаосу з часом тільки збільшується і немає способу навернути його назад. Той факт, що ентропія збільшується, є невирішеним питанням фізики: у міру зміни речей вони мають тенденцію безладдя. До речі, ваше прибирання у кімнаті — це свого роду «боротьба з ентропією». Але основне питання тут у тому, чому ентропія у минулому була такою низькою? Іншими словами, чому на початку свого існування Всесвіт був таким упорядкованим, коли величезна кількість енергії була зосереджена в невеликому просторі?
Мультивсесвіт
Астрофізичні дані припускають, що простір-час може бути «пласким», а не викривленим. Таким чином, він може бути нескінченним. Якщо це так, то область нашого видимого Всесвіту діаметром 93 млрд світлових років є лише однією цяткою в нескінченно великому мультивсесвіті. Водночас закони квантової механіки диктують, що є кінцеве число можливих конфігурацій частинок у межах кожної космічної ділянки (10 000 000 000122 різних варіацій). У випадку з нескінченним числом космічних плям розташування часток усередині них змушене повторюватися нескінченно багато разів. Це означає, що існує нескінченно багато паралельних Всесвітів: космічні ділянки, такі самі, як наші, а також ділянки, що відрізняються положенням всього однієї частинки, а також ділянки, що відрізняються положенням двох частинок, і так далі, аж до найдивніших Всесвітів, де навіть закони фізики інші.
Нерівномірність матерії та антиматерії
Звичайної матерії набагато більше, ніж її протилежно зарядженого «близнюка» антиматерії, що обертається в протилежних напрямках. Але чому це так? Відповідь це питання допоможе пояснити, чому у Всесвіті взагалі щось існує. Теоретично на момент Великого вибуху мала утворитися однакова кількість матерії та антиматерії. Але якби це сталося, то відбулася б повна анігіляція обох: протони зійшлися б з антипротонами, електрони з позитронами, нейтрони з антинейтронами тощо. З якоїсь причини у Всесвіті залишилася зайва матерія, яка не анігілювала. З неї утворилися зорі, галактики, планети та навіть ми. Як і чому це сталося, загальноприйнятого пояснення немає досі.
Яка доля Всесвіту?
Доля Всесвіту сильно залежить від фактора невідомого значення — Ω, або міри щільності матерії та енергії у всьому космосі. Якщо Ω більше 1, то простір-час був би «замкнутим», як поверхня величезної сфери. Якби не було темної енергії, такий Всесвіт зрештою перестав би розширюватися і натомість почав би стискатися, зрештою схлопуючись сам по собі в події, що отримала назву «Велике стиснення». Якщо Всесвіт закритий, але є темна енергія, сферичний Всесвіт буде розширюватися вічно.
Як альтернатива, якщо Ω менше 1, то геометрія простору буде «відкритою». У цьому разі її остаточна доля — це Велике заморожування, за яким слідує Великий розрив. Спочатку зовнішнє прискорення Всесвіту через трильйони років розірве галактики та зорі на частини, залишивши всю матерію холодною і самотньою. Потім прискорення стане настільки сильним, що пересилить дію сил, які утримують атоми разом, і все розірветься на частини.
У випадку якщо Ω дорівнює 1, Всесвіт був би пласким, що простягається як нескінченна площина у всіх напрямках. Якби не було темної енергії, такий плаский всесвіт розширювався би вічно, але зі швидкістю, що постійно сповільнюється, наближаючись до повної зупинки. Якби існувала темна енергія, плаский Всесвіт зрештою зазнав би нестримного розширення, що веде до Великого розриву. Істинне значення Ω є нерозв’язною загадкою сучасної фізики.
Що таке гравітація?
Чим є гравітація? Інші сили опосередковані частинками. Електромагнетизм, наприклад, являє собою обмін фотонами. Слабка ядерна взаємодія переноситься бозонами W і Z, а глюони переносять сильну ядерну взаємодію, що утримує атомні ядра разом. Але гравітація відрізняється від них. Більшість фізичних теорій кажуть, що гравітацію має переносити безмасова гіпотетична частка, звана гравітоном.
Проблема в тому, що гіпотетичні гравітони не виявлені й досі. Вчені взагалі сумніваються, що їх зможе виявити будь-який детектор частинок. Все тому, що якщо гравітони існують, то дуже рідко взаємодіють із матерією. Незрозуміло навіть, чи вони є безмасовими, хоча якщо вони взагалі мають масу, то надзвичайно малу — менше, ніж у нейтрино, які є одними з найлегших відомих частинок у Всесвіті. Пошук гравітонів триває, але поки що безрезультатно. Тому загадка гравітації залишається незрозумілою.
Нагадаємо, що раніше ми розповідали про ТОП-5 хибних уявлень науки про космос.
Тільки найцікавіші новини та факти у нашому Telegram-каналі!
Долучайтеся: https://t.me/ustmagazine
