Home / Різне / Загадки, за якими майбутнє

Загадки, за якими майбутнє

Якщо ви дивилися серіали «Зоряний шлях» або «Теорія великого вибуху», то ви знаєте, що фізику можна представляти масам в цікавій формі. Автори сценаріїв наших улюблених науково-фантастичних і комедійних серіалів, можливо, не все представляють правильно, але вони все-таки викликають у нас інтерес до дивних аспектів наукових теорій. Отже, спробуємо розібратись далі, які існують загадки, за якими майбутнє.

Таємниці фізики: загадки, за якими майбутнє

Zagadky-za-yakymy-majbutnye-300x211 Загадки, за якими майбутнє

 Сьогодні ми поговоримо про 10 справжніх загадок, які фізика ще не пояснила. Починаючи від спілкування з інопланетянами і закінчуючи подорожами в часі, ми спробуємо зробити ці таємниці зрозумілими для всіх.

Можливо навіть захочете самостійно вивчити ці теми. Зрештою, людей, які зможуть розгадати деякі космічні загадки, очікують нагороди в кілька мільйонів доларів. Ви, ймовірно, також отримаєте Нобелівську премію і зміните світ.

  1. Звідки беруться космічні промені надвисокої енергії?

Нашу атмосферу постійно бомбардують високоенергетичні частинки з космосу, звані «космічними променями». Хоча ці промені не становлять великої шкоди для людей, вони викликають величезне зацікавлення  у фізиків.

У 1962 році під час експерименту в Волкано Ранч Джон Лінслі і Лівіо Скарсі побачили щось неймовірне: космічний промінь з енергією більше 16 джоулів. Щоб дати вам деяке уявлення, скажімо, що один джоуль приблизно дорівнює енергії, необхідної для підняття яблука з підлоги на стіл. І вся ця енергія сконцентрована в частці, яка в мільярди разів менша яблука. А це означає, що вона рухається зі швидкістю, близькою до швидкості світла!

Фізики поки не знають, звідки у цих частинках взялося стільки енергії. За деякими теоріями, джерелом цих частинок можуть бути наднові зірки, які утворюються після вибуху зірок в кінці їхнього життя. Ці частинки також могли отримати прискорення в дисках колапсуючої матерії, які утворюються навколо чорних дір.

  1. Чи був сучасний всесвіт результатом інфляції?

Всесвіт є дивно плоским, тобто у всьому всесвіті – однакова кількість матерії. Однак, відповідно до теорії великого вибуху, на дуже ранніх стадіях розвитку Всесвіту щільність матерії могла бути різною в різних місцях.

Відповідно до теорії інфляції, сучасний всесвіт стався від раннього всесвіту крихітного обсягу, який раптом несподівано і швидко розширився. Як при надуванні повітряної кулі, інфляція «розгладила» всі опуклості в ранньому всесвіту.

Хоча це пояснює багато того, що ми бачимо, фізики ще не знають, що ж було причиною інфляції. Відомості про те, що відбувалося під час цієї інфляції, також є уривчастими.

  1. Чи можна знайти темну енергію і темну матерію?

Приголомшливий факт: всього лише близько 5% всесвіту складається з видимої для нас матерії. Кілька десятків років тому фізики помітили, що зірки на зовнішніх краях галактик обертаються навколо центрів цих галактик швидше, ніж очікувалося. Для пояснення цього вчені припустили, що в цих галактиках може бути якась невидима «темна» матерія, яка викликає більш швидке обертання зірок.

Поряд з цим, ми знаємо, що розширення всесвіту зараз прискорюється. Це здається дивним, так як можна було очікувати, що тяжіння матерії – як «світлої», так і «темної» – буде сповільнювати розширення всесвіту. «Темна енергія» може бути поясненням цього явища. Фізики вважають, що, щонайменше, 70% енергії всесвіту має форму «темної» енергії, яка і сприяє поточному прискоренню розширення всесвіту.

До сих пір частки, які утворюють «темну» матерію, і поле, яке утворює «темну» енергію, ще безпосередньо не вивчалися в лабораторних умовах. Але фізики сподіваються, що частинки «темної» матерії вдасться отримати і вивчити у Великому адронному колайдері. Однак ці частинки можуть виявитися важчими частинок, які може створити колайдер, і тоді їхня таємниця ще довго залишиться нерозкритою.

  1. Що знаходиться в центрі чорної діри?

Чорні діри є найвідомішими об’єктами в астрофізиці. Ми можемо описувати їх як області простору-часу з такими сильними гравітаційними полями, що навіть світло не може їх подолати.

Проводилися спостереження за багатьма чорними дірами, в тому числі величезною чорної дірою в центрі нашої галактики. Але таємниця того, що відбувається в центрі чорної діри, все ще не розкрита. Деякі фізики думають, що там може бути «сингулярність» – точка нескінченної щільності, при якій деяка маса концентрується в нескінченно малому просторі. Це важко уявити. Гірше того, будь-яка сингулярність веде до чорної діри в цій теорії, так як немає ніякого способу безпосереднього спостереження за сингулярністю.

Також як і раніше існують суперечки про те, чи втрачається інформація в чорних дірах. Вони поглинають частки і випускають випромінювання Хокінга, але це випромінювання, здається, не містить ніякої додаткової інформації про те, що відбувається в чорній дірі.

Факт уявної неможливості, у всякому разі, в даний момент, дізнатися про те, що знаходиться в чорних дірах, довгий час дозволяло фантастам робити припущення про можливість існування там інших всесвітів або використання  чорних дір для телепортації або подорожей у часі.

  1. Чи є розумне життя у Всесвіті?

Люди мріяли про інопланетян з тих пір, як вони вперше подивилися на нічне небо і зацікавилися тим, що там може бути. Але в останні десятиліття ми дізналися масу цікавих фактів.

По-перше, ми дізналися, що планети набагато поширеніші, ніж раніше вважалося. Ми також дізналися, що проміжок між часом, коли наша планета стала населеною, і виникненням на ній життя є досить невеликим. Чи означає це можливість виникнення життя? Якщо це так, ми отримуємо знаменитий парадокс Ферма: чому тоді ми ще не спілкувалися з інопланетянами?

Астроном Френк Дрейк склав рівняння, яке було названо його ім’ям, як спосіб розгляду всіх сторін цієї проблеми. Кожна з його складових є причиною відсутності спілкування з розумним життям.

Можливо, життя є поширеним, але розумне життя є рідкісним. Може через деякий час всі цивілізації вирішать не спілкуватися з іншими формами життя. Вони існують, але вони не хочуть з нами спілкуватися. Або ж, може бути, це свідчить про те, що багато інопланетних цивілізацій  знищать себе незабаром після того, як вони отримать технологічні можливості для спілкування. Були навіть припущення про те, що відсутність спілкування з інопланетянами є доказом штучного походження нашого світу, який може бути творінням Бога або комп’ютерною моделлю.

Однак, можливо, ми просто шукали недостатньо довго і далеко, так як космос є немислимо великим. Сигнали можуть легко втрачатися, і інопланетній цивілізації просто потрібно послати сильніший сигнал. І, може бути, що вже завтра ми виявимо інопланетну цивілізацію, і наше уявлення про всесвіт зміниться.

  1. Чи може щось рухатися швидше за світло?

З тих пір як Ейнштейн змінив фізику своєю спеціальною теорією відносності, фізики були впевнені, що немає нічого, що могло б рухатися швидше за світло. Відповідно до цієї теорії, щоб щось рухалося хоча б зі швидкістю світла, потрібна нескінченна енергія.

Як показують, загадки, за якими майбутнє, згадувані вище космічні промені, навіть наявність великої кількості енергії не означає можливість руху зі швидкістю світла. Швидкість світла, як жорсткий ліміт, також може бути ще одним поясненням відсутності спілкування з інопланетними цивілізаціями. Якщо вони теж обмежені швидкістю світла, для проходження сигналів можуть вимагатися тисячі років.

Але люди постійно шукають можливості обходу цієї швидкісної межі всесвіту. За попередніми результатами експерименту OPERA, що проводився в 2011 році, нейтрони рухалися швидше за світло. Але потім вчені помітили помилки в організації експерименту і визнали неправильність цих результатів.

Крім того, якби існувала можливість передачі матерії або інформації зі швидкістю, що перевищує швидкість світла, це, безсумнівно, змінило б світ. Рух зі швидкістю, що перевищує швидкість світла, міг би порушувати казуальність, відношення між причинами і наслідками подій.

У зв’язку зі способом взаємозв’язку між часом і простором в спеціальній теорії відносності, рух інформації зі швидкістю, що перевищує швидкість світла, дозволило б людині отримувати інформацію про подію до того, як ця подія відбудеться, що представляє собою різновид подорожі в часі. Це могло б створити всілякі парадокси, які ми б не знали як вирішити.

  1. Чи можна описати турбулентність?

Повертаючись на Землю, можна сказати, що в нашому повсякденному житті все ще є маса важких для розуміння речей. Наприклад, спробуйте погратися з водопровідними кранами. Якщо ви дозволяєте воді текти спокійно, ви спостерігаєте за відомим явищем фізики, різновидом добре відомого нам потоку, званим «ламінарним потоком». Але якщо ви повністю відкрутите кран і будете спостерігати за поведінкою води, перед вами буде приклад турбулентності. Багато в чому, турбулентність все ще залишається невирішеною проблемою у фізиці.

Рівняння Нав’є-Стокса визначає, як повинні рухатися такі рідини, як вода і повітря. Ми представляємо, що рідина розбивається на невеликі шматочки маси. Потім це рівняння враховує всі сили, які діють на ці шматочки – гравітація, тертя, тиск – і намагається визначити, як це буде позначатися на їх швидкості.

У разі простих або стабільних потоків, ми можемо знайти рішення рівняння Нав’є-Стокса, які повністю описують даний потік. Фізики можуть потім складати рівняння для розрахунку швидкості потоку в будь-який його точці. Але в разі складних, турбулентних потоків, ці рішення можуть бути неточними. Ми можемо робити багато маніпуляцій з турбулентними потоками, вирішуючи рівняння в числовому вигляді на великих комп’ютерах. Це дає нам приблизну відповідь без формули, яка повністю пояснює поведінку рідини.

До речі, Математичний інститут Клея запропонував нагороду за вирішення цієї проблеми. Так що якщо ви зможете це зробити, ви можете отримати мільйон доларів.

  1. Чи можна створити надпровідник, що працює при кімнатній температурі

Надпровидники можна віднести до числа найважливіших пристроїв і технологій, придуманих людьми. Вони являють собою особливі типи матеріалу. Коли температура опускається досить низько, електричний опір матеріалу знижується до нуля.

У наших сучасних силових кабелях втрачається велика кількість електрики. Вони не є надпровідниками і мають електричний опір, в результаті чого вони нагріваються при пропущенні через них електричного струму.

Але можливості надпровідників не обмежуються цим. Створюване проводом магнітне поле має силу, яка залежить від прохідного по ньому струму. Якщо ви зможете знайти дешевий спосіб пропускання по надпровідниках дуже високих струмів, ви можете отримати дуже потужні магнітні поля. В даний час ці поля використовуються у Великому адронному колайдері для відхилення заряджених частинок, що швидко рухаються навколо його кільця. Вони також використовуються в експериментальних ядерних реакторах, які в майбутньому можуть стати нашим джерелом електрики.

Проблема полягає в тому, що всі відомі надпровідники можуть працювати лише при дуже низьких температурах (не вище -140 градусів Цельсія). Для охолодження їх до таких низьких температур зазвичай потрібно рідкий азот або його аналог, а це дуже дорого. Тому в усьому світі багато фізиків і фахівців з матеріалами працюють над отриманням священного грааля – надпровідника, який міг би працювати при кімнатній температурі. Але поки ще нікому не вдалося це зробити.

  1. Чому матерії більше, ніж антиматерії?

Для кожної частинки є рівна і протилежна частка, звана античастинкою. Для електронів є позитрони. Для протонів є антипротона. І так далі.

Якщо частка стосується античастинки, вона анігілюється і перетворюється у випромінювання. Іноді вона перетворюється в космічні промені. Антиматерію також можна створювати в прискорювачах частинок при вартості грама в кілька трильйонів доларів. Але в цілому, вона, здається, дуже рідко зустрічається в нашому всесвіту. Це справжня таємниця. Всі відомі процеси, які перетворюють енергію (випромінювання) в матерію, виробляють однакову кількість матерії і антиматерії. Тому якщо у всесвіті переважає енергія, чому тоді вона не виробляє рівні кількості матерії і антиматерії?

Для пояснення цього існує кілька теорій. Вчені, які вивчають взаємодію частинок у Великому адронному колайдері, шукають приклади «CP-порушення». Якби вони відбувалися, ці взаємодії могли б показувати, що закони фізики різні для частинок матерії і антиматерії. Тоді ми могли б припустити, що, можливо, є процеси, які з більшою ймовірністю можуть виробляти матерію, а не антиматерію, і саме тому у всесвіті більше матерії.

Згідно з іншими, менш імовірними, теорії, можуть бути цілі області всесвіту, в яких переважає антиматерія. Але з цими теоріями доведеться пояснити, як стався поділ матерії і антиматерії і чому ми не бачимо великих мас випромінювання, що вивільняється при зіткненні і матерії, і антиматерії. Тому якщо ми не знайдемо докази існування галактик антиматерії, CP-порушення в ранній всесвіт здається найкращим рішенням. Але ми все ще не знаємо, як це працює.

  1. Чи можемо ми мати єдину теорію?

У ХХ столітті були розроблені дві великих теорії для пояснення багатьох явищ у фізиці. Однією з них була теорія квантової механіки, яка детально описала поведінку і взаємодію крихітних, субатомних частинок. Квантова механіка і стандартна модель фізики елементарних частинок пояснили три з чотирьох фізичних явищ природи: електромагнетизм і сильну і слабку ядерну  взаємодії.

Іншою  великою теорією була загальна теорія відносності Ейнштейна, яка пояснює гравітацію. У цій теорії, гравітація відбувається, коли присутність маси перетинає простір і час, змушуючи частки рухатися по викривленим шляхах в зв’язку з викривленою  формою простору-часу. Вона може пояснювати речі, які відбуваються в найбільших масштабах типу формування галактик.

Є лише одна проблема. Ці дві теорії несумісні. Наскільки нам відомо, обидві теорії вірні. Але вони, здається, не працюють разом. І з тих пір як фізики це зрозуміли, вони займалися пошуками якогось рішення, яке могло б їх поєднати. Це рішення стали називати Великою єдиною теорією, або Теорією всього.

Вчені звикли до теорій, які працюють тільки в певних межах. Фізики сподіваються подолати свою обмеженість і побачити, що теорія квантової механіки і загальна теорія відносності є частиною більшої теорії, як клапті ковдри. Теорія струн є спробою відтворити риси загальної теорії відносності і теорії квантової механіки. Але її прогнози важко перевірити експериментами, тому її не можна підтвердити.

Пошук фундаментальної теорії – теорії, яка може пояснити все – триває. Може бути, що ми її ніколи не знайдемо. Але якщо фізика нас чогось і навчила, так це того, що всесвіт воістину чудовий  і що в ньому завжди є місце для нових відкриттів.

1 Star2 Stars3 Stars4 Stars5 Stars (No Ratings Yet)
Loading...

Check Also

Індія – стародавні технології

Місто Махабаліпурам, відоме на Заході перш за все як прекрасне місце для купання, розташоване в …

Залишити відповідь

Ваша e-mail адреса не оприлюднюватиметься. Обов’язкові поля позначені *