10 загадок из области физики, разгадка которых интересна не только учёным

Интересно

Научная фантастика – яркое подтверждение того, что физика может интересовать не только ученых, но и людей, далеких от исследовательских лабораторий. Конечно, книги и фильмы не о научных теориях, а скорее представляют физические факты в увлекательной и интересной форме.

В этом обзоре есть десятки загадок физики, которые ученым еще предстоит объяснить.

1. Лучи сверхвысоких энергий

10 загадок из области физики, решение которых интересно не только ученым

Нерешенная проблема: откуда берутся космические лучи очень высоких энергий?

Атмосфера Земли постоянно бомбардируется частицами высоких энергий из космоса, называемыми «космическими лучами». Хотя они не причиняют людям большого вреда, физики ими просто очарованы. Наблюдения за космическими лучами научили ученых многому в астрофизике и физике элементарных частиц. Но есть лучи, которые по сей день остаются загадкой. В 1962 году во время эксперимента на «Ранчо вулкана» Джон Д. Линсли и Ливио Скарси увидели нечто невероятное: космический луч очень высокой энергии с энергией более 16 джоулей.

Чтобы наглядно объяснить, сколько это стоит, можно привести следующий пример: один джоуль – это количество энергии, необходимое, чтобы поднять яблоко с пола на стол. Однако вся эта энергия была сконцентрирована в частице в сто миллионов миллиардов раз меньше яблока. Физики понятия не имеют, как эти частицы получают такое невероятное количество энергии.

2. Инфляционная модель Вселенной

10 загадок из области физики, решение которых интересно не только ученым

Нерешенная проблема: есть ли у Вселенной инфляционная модель?

Вселенная удивительно однородна в больших масштабах. Так называемый «космологический принцип» гласит, что куда бы вы ни пошли во Вселенной, в среднем везде будет примерно одинаковое количество материала. Но теория Большого взрыва предполагает, что большие различия в плотности должны были наблюдаться во время рождения Вселенной. Следовательно, она была гораздо менее однородной, чем сегодняшняя Вселенная.

Инфляционная модель предполагает, что Вселенная, которую каждый видит сегодня, происходит из крошечного объема ранней Вселенной. Этот небольшой объем расширился внезапно и быстро, намного быстрее, чем расширяется сегодня Вселенная. Проще говоря, это выглядело так, как будто воздушный шар внезапно надували воздухом. Хотя это объясняет, почему Вселенная сегодня более однородна, физики до сих пор не знают, что вызвало это «вздутие».

3. Темная энергия и темная материя

10 загадок из области физики, решение которых интересно не только ученым

Нерешенная проблема: можно ли найти темную энергию и темную материю?

Это удивительный факт: только около 5% Вселенной состоит из того, что люди могут видеть. Десятилетия назад физики заметили, что звезды на внешних краях галактик вращаются вокруг центра этих галактик быстрее, чем ожидалось. Чтобы объяснить это, ученые предположили, что в этих галактиках может быть какая-то невидимая «темная» материя вращаются быстрее.

Читайте также:  В Роскосмосе подтвердили контракт с NASA на полёт астронавта на МКС

После появления этой теории дальнейшие наблюдения расширяющейся Вселенной привели физиков к выводу: темной материи должно быть в пять раз больше, чем всего, что люди могут увидеть (то есть обычной материи). Наряду с этим ученые знают, что расширение Вселенной действительно ускоряется. Это странно, потому что можно было бы ожидать, что гравитационное притяжение материи («нормальной» и «темной») замедлит расширение Вселенной.

Чтобы объяснить, что уравновешивает гравитационное притяжение материи, ученые выдвинули гипотезу о существовании «темной энергии», которая способствует расширению Вселенной. Физики считают, что по крайней мере 70 процентов Вселенной находится в форме «темной энергии». Однако до сих пор частицы, составляющие темную материю, и поле, составляющее темную энергию, никогда непосредственно в лаборатории не наблюдались. По сути, ученые ничего не знают о 95% Вселенной.

4. Сердце черной дыры

10 загадок из области физики, решение которых интересно не только ученым

Нерешенная проблема: что находится в основе черной дыры?

Черные дыры – одни из самых известных объектов астрофизики. Их можно описать как области пространства-времени с настолько сильными гравитационными полями, что никакой свет не может даже пробиться изнутри. С тех пор, как Альберт Эйнштейн продемонстрировал в своей общей теории относительности, что гравитация «искривляет» пространство и время, ученые знали, что свет не застрахован от гравитационных эффектов.

Фактически, теория Эйнштейна была доказана во время солнечного затмения, которое показало, что гравитация Солнца отклоняет световые лучи от далеких звезд. С тех пор было обнаружено множество черных дыр, в том числе огромная дыра в центре нашей галактики. Но загадка того, что происходит в самом сердце черной дыры, до сих пор не разгадана.

Некоторые физики считают, что может существовать «сингулярность» – точка бесконечной плотности с массой, сосредоточенной в бесконечно малом пространстве. Однако до сих пор ведутся споры о том, теряется ли информация внутри черных дыр, которые поглощают все частицы и радиацию. Хотя излучение Хокинга исходит от черных дыр, оно не содержит никакой дополнительной информации о том, что происходит внутри черной дыры.

5. Разумная жизнь вне Земли

10 загадок из области физики, решение которых интересно не только ученым

Нерешенная проблема: есть ли разумная жизнь вне Земли?

С незапамятных времен люди мечтают об инопланетянах, когда они смотрят в ночное небо и задаются вопросом, может ли кто-нибудь там жить. Но за последние несколько десятилетий появилось достаточно свидетельств того, что это не просто мечта. Во-первых, экзопланеты встречаются гораздо чаще, чем считалось ранее, и большинство звезд имеют планетные системы. Также известно, что временной интервал между появлением жизни на Земле и появлением разумной жизни очень мал. Это означает, что есть много мест, где должна была сформироваться жизнь.

Если так, то вам придется ответить на знаменитый «парадокс Ферми»: почему люди до сих пор не контактировали с инопланетянами. Жизнь может быть обычной, но разумная жизнь – редкость. Возможно, через какое-то время все цивилизации решат не общаться с другими формами жизни. Может, они просто не хотят разговаривать с людьми. Или, как ни странно, возможно, это показывает, что многие инопланетные цивилизации уничтожают себя вскоре после того, как становятся достаточно технологически развитыми, чтобы общаться.

Читайте также:  Снова ещё одну комету можно будет наблюдать невооружённым глазом

6. Путешествие быстрее скорости света

10 загадок из области физики, решение которых интересно не только ученым

Нерешенная проблема: может ли что-то двигаться быстрее скорости света?

С тех пор, как Эйнштейн изменил всю физику своей специальной теорией относительности, физики были убеждены, что ничто не может двигаться быстрее скорости света. Фактически, теория относительности утверждает, что когда масса движется со скоростью, близкой к скорости света, для этого требуется огромное количество энергии. Это видно в упомянутых выше космических лучах очень высоких энергий. Они обладают огромной энергией по сравнению с их размером, но они не движутся быстрее скорости света.

Жесткий предел скорости света также может объяснить, почему сообщения от инопланетных цивилизаций маловероятны. Если они также ограничены этим фактором, сигналы могут длиться тысячи лет. В 2011 году в ходе эксперимента OPERA были получены предварительные результаты, согласно которым нейтрино движутся быстрее скорости света.

Впоследствии исследователи заметили некоторые ошибки в своей экспериментальной установке, которые подтвердили, что результаты ошибочны. В любом случае, если есть способ передавать материю или информацию со скоростью, превышающей скорость света, это, несомненно, изменит мир.

7. Способ описать турбулентность

10 загадок из области физики, решение которых интересно не только ученым

Нерешенная проблема: можно ли описать турбулентность?

Если вернуться из космоса на Землю, окажется, что в повседневной жизни есть много вещей, которые сложно понять. За простейшим примером далеко ходить не надо: вы можете включить кран дома. Если он не полностью открыт, вода будет течь плавно (это называется «ламинарный поток»). Но если открыть кран до конца, вода начнет неравномерно течь и брызгать. Это простейший пример турбулентности. Во многих отношениях турбулентность до сих пор остается нерешенной проблемой в физике.

8. Сверхпроводник с комнатной температурой

10 загадок из области физики, решение которых интересно не только ученым

Нерешенная проблема: можно ли создать сверхпроводник при комнатной температуре?

Сверхпроводники – одни из самых важных устройств и технологий, которые когда-либо открывал человек. Это особый вид материала. Когда температура достаточно упадет, электрическое сопротивление материала упадет до нуля. Это означает, что вы можете получить большой ток после приложения небольшого напряжения к сверхпроводнику.

Теоретически электрический ток может протекать по сверхпроводящему проводу миллиарды лет без рассеяния, потому что его току нет сопротивления. В современных обычных проводах и кабелях значительная часть мощности теряется из-за сопротивления. Сверхпроводники могут свести эти потери к нулю.

Читайте также:  Триумф Роскосмоса ждёт звёздного часа

Есть проблема: даже высокотемпературные сверхпроводники необходимо охладить до минус 140 градусов по Цельсию, прежде чем они начнут проявлять свои исключительные свойства. Для охлаждения до таких низких температур обычно требуется жидкий азот или тому подобное. Поэтому это очень дорого. Многие физики во всем мире пытаются создать сверхпроводник, способный функционировать при комнатной температуре.

9. Материя и антиматерия

10 загадок из области физики, решение которых интересно не только ученым

Нерешенная проблема: почему материи больше, чем антивещества?

В некотором смысле люди до сих пор не знают, почему что-то существует. У каждой частицы есть «противоположная» частица, называемая античастицей. Итак, есть позитроны для электронов, антипротоны для протонов и так далее. Если частица касается своей античастицы, она аннигилирует и превращается в излучение.

Неудивительно, что антивещество невероятно редко, так как все было бы просто уничтожено. Иногда его ловят космические лучи. Ученые также могут производить антивещество в ускорителях частиц, но это будет стоить триллионы долларов за грамм. Однако в целом антивещество (как считают ученые) невероятно редко встречается в нашей Вселенной. Почему это так, остается загадкой.

просто никто не знает, почему в нашей Вселенной доминирует материя, а не антивещество, потому что каждый известный процесс, преобразующий энергию (излучение) в материю, производит одинаковое количество вещества и антивещества. Теория Уайлдера предполагает, что могут существовать целые области Вселенной, в которых преобладает антивещество.

10. Единая теория

10 загадок из области физики, решение которых интересно не только ученым

Нерешенная проблема: можно ли разработать единую теорию?

В двадцатом веке были разработаны две великие теории, которые многое объяснили в физике. Одним из них была квантовая механика, в которой подробно описывалось, как крошечные субатомные частицы ведут себя и взаимодействуют. Квантовая механика и Стандартная модель физики элементарных частиц объяснили три из четырех физических сил в природе: электромагнетизм, а также сильные и слабые ядерные взаимодействия.

Другой великой теорией была общая теория относительности Эйнштейна, объясняющая гравитацию. В общей теории относительности гравитация возникает, когда наличие массы искривляет пространство и время, заставляя частицы следовать определенным изогнутым траекториям. Это могло бы объяснить то, что происходит в больших масштабах: образование галактик и звезд. Есть всего лишь одна проблема. Две теории несовместимы.

Ученые не могут объяснить гравитацию способами, которые имеют смысл в квантовой механике, а общая теория относительности не включает эффекты квантовой механики. Насколько можно сказать, обе теории верны. Но, похоже, они не работают вместе. Физики долгое время работали над каким-то решением, которое могло бы примирить две теории. Это называется Теорией Великого Объединения или просто Теорией Всего. Исследования продолжаются.

Один источник

Оцените статью
Добавить комментарий