Если вы смотрели сериалы «Звёздный путь» или «Теория большого взрыва», то вы знаете, что физику можно представлять массам в занимательной форме. Авторы сценариев наших любимых научно-фантастических и комедийных сериалов, возможно, не всё представляют правильно, но они всё-таки вызывают у нас интерес к странным аспектам научных теорий.
Сегодня мы поговорим о 10 настоящих загадках, которые физика ещё не объяснила. Начиная от общения с инопланетянами и заканчивая путешествиями во времени, мы попытаемся сделать эти тайны понятными для всех.
Может быть вы даже захотите самостоятельно изучить эти темы. В конце концов, людей, которые смогут разгадать некоторые космические загадки, ожидают награды в несколько миллионов долларов. Вы, вероятно, также получите Нобелевскую премию и измените мир.
1. Откуда берутся космические лучи сверхвысокой энергии?
Наша атмосферу постоянно бомбардируют высокоэнергетичные частицы из космоса, называемые «космическими лучами». Хотя эти лучи не представляют большого вреда для людей, они вызывают огромный интерес у физиков.
В 1962 году во время эксперимента в Волкано Ранч Джон Линсли и Ливио Скарси увидели нечто невероятное: космический луч с энергией более 16 джоулей. Чтобы дать вам некоторое представление, скажем, что один джоуль примерно равен энергии, необходимой для поднятия яблока с пола на стол. И вся эта энергия сконцентрирована в частице, которая в миллиарды раз меньше яблока. А это означает, что она движется со скоростью, близкой к скорости света!
Физики пока не знают, откуда у этих частиц взялось столько энергии. По некоторым теориям, источником этих частиц могут быть сверхновые звёзды, образующиеся после взрыва звёзд в конце их жизни. Эти частицы также могли получить ускорение в дисках коллапсирующей материи, которые образуются вокруг чёрных дыр.
2. Была ли современная вселенная результатом инфляции?
Вселенная является удивительно плоской, то есть во всей вселенной – одинаковое количество материи. Однако, согласно теории большого взрыва, на очень ранних стадиях развития вселенной плотность материи могла быть различной в разных местах.
Согласно теории инфляции, современная вселенная произошла от ранней вселенной крошечного объёма, которая вдруг неожиданно и быстро расширилась. Как при надувании воздушного шара, инфляция «разгладила» все выпуклости в ранней вселенной.
Хотя это объясняет многое из того, что мы видим, физики ещё не знают, что же было причиной инфляции. Сведения о том, что происходило во время этой инфляции, также являются отрывочными.
3. Можно ли найти тёмную энергию и тёмную материю?
Потрясающий факт: всего лишь около 5% вселенной состоит из видимой для нас материи. Несколько десятков лет назад физики заметили, что звёзды на внешних краях галактик вращаются вокруг центров этих галактик быстрее, чем ожидалось. Для объяснения этого учёные предположили, что в этих галактиках может быть какая-то невидимая «тёмная» материя, которая вызывает более быстрое вращение звёзд.
Наряду с этим, мы знаем, что расширение вселенной сейчас ускоряется. Это кажется странным, так как можно было ожидать, что притяжение материи — как «светлой», так и «тёмной» — будет замедлять расширение вселенной. «Тёмная энергия» может быть объяснением этого явления. Физики считают, что, по меньшей мере, 70% энергии вселенной имеет форму «тёмной» энергии, которая и способствует текущему ускорению расширения вселенной.
До сих пор частицы, которые образуют «тёмную» материю, и поле, которое образует «тёмную» энергию, ещё непосредственно не изучались в лабораторных условиях. Но физики надеются, что частицы «тёмной» материи удастся получить и изучить в Большом адронном коллайдере. Однако эти частицы могут оказаться тяжелее частиц, которые может создать коллайдер, и тогда их тайна ещё долго останется нераскрытой.
4. Что находится в центре чёрной дыры?
Чёрные дыры являются самыми известными объектами в астрофизике. Мы можем описывать их как области пространства-времени с такими сильными гравитационными полями, что даже свет не может их преодолеть.
Проводились наблюдения за многими чёрными дырами, в том числе громадной чёрной дырой в центре нашей галактики. Но тайна того, что происходит в центре чёрной дыры, всё ещё не раскрыта. Некоторые физики думают, что там может быть «сингулярность» — точка бесконечной плотности, при которой некоторая масса концентрируется в бесконечно малом пространстве. Это трудно представить. Хуже того, любая сингулярность ведёт к чёрной дыре в этой теории, так как нет никакого способа непосредственного наблюдения за сингулярностью.
Также по-прежнему существуют споры о том, теряется ли информация в чёрных дырах. Они поглощают частицы и испускают излучение Хокинга, но это излучение, кажется, не содержит никакой дополнительной информации о том, что происходит в чёрной дыре.
Факт кажущейся невозможности, во всяком случае, в данный момент, узнать то, что находится в чёрных дырах, долгое время позволял фантастам делать предположения о возможности существования там других вселенных или использовании чёрных дыр для телепортации или путешествий во времени.
5. Есть ли разумная жизнь во вселенной?
Люди мечтали об инопланетянах с тех пор, как они впервые посмотрели на ночное небо и заинтересовались тем, что там может быть. Но в последние десятилетия мы узнали массу интересных фактов.
Во-первых, мы узнали, что планеты намного распространённее, чем ранее считалось. Мы также узнали, что промежуток между временем, когда наша планета стала обитаемой, и возникновением на ней жизни является довольно небольшим. Означает ли это возможность возникновения жизни? Если это так, мы получаем знаменитый парадокс Ферми: почему тогда мы ещё не общались с инопланетянами?
Астроном Фрэнк Дрейк составил уравнение, которое было названо его именем, в качестве способа рассмотрения всех сторон этой проблемы. Каждая из его составляющих представляет собой причину отсутствия общения с разумной жизнью.
Возможно, жизнь является распространённой, но разумная жизнь является редкой. Может быть, через некоторое время все цивилизации решают не общаться с другими формами жизни. Они существуют, но они не хотят с нами общаться. Или же, может быть, это свидетельствует о том, что многие инопланетные цивилизации уничтожают себя вскоре после того, как они получают технологические возможности для общения. Были даже предположения о том, что отсутствие общения с инопланетянами является доказательством искусственного происхождения нашего мира, который может быть творением Бога или компьютерной моделью.
Однако, возможно, мы просто искали недостаточно долго и далеко, так как космос является немыслимо большим. Сигналы могут легко теряться, и инопланетной цивилизации просто нужно послать более сильный сигнал. И, может быть, уже завтра мы обнаружим инопланетную цивилизацию, и наше представление о вселенной изменится.
6. Может ли что-то двигаться быстрее света?
С тех пор как Эйнштейн изменил физику своей специальной теорией относительности, физики были уверены, что нет ничего, что могло бы двигаться быстрее света. Согласно этой теории, чтобы что-то двигалось хотя бы со скоростью света, требуется бесконечная энергия.
С другой стороны, как показывают упоминавшиеся выше космические лучи, даже наличие большого количества энергии не означает возможность движения со скоростью света. Скорость света, как жёсткий предел скорости, также может быть ещё одним объяснением отсутствия общения с инопланетными цивилизациями. Если они тоже ограничены скоростью света, для прохождения сигналов могут требоваться тысячи лет.
Но люди постоянно ищут возможности обхода этого скоростного предела вселенной. По предварительным результатам эксперимента OPERA, проводившегося в 2011 году, нейтрино двигались быстрее света. Но потом учёные заметили ошибки в организации эксперимента и признали неправильность этих результатов.
Кроме того, если бы существовала возможность передачи материи или информации со скоростью, превышающей скорость света, это, несомненно, изменило бы мир. Движение со скоростью, превышающей скорость света, могло бы нарушать казуальность, отношение между причинами и следствиями событий.
В связи со способом взаимосвязи между временем и пространством в специальной теории относительности, движение информации со скоростью, превышающей скорость света, позволило бы человеку получать информацию о событии до того, как это событие произойдёт, что представляет собой разновидность путешествия во времени. Это могло бы создать всевозможные парадоксы, которые мы бы не знали как разрешить.
7. Можно ли описать турбулентность?
Возвращаясь на Землю, можно сказать, что в нашей повседневной жизни всё ещё есть масса трудных для понимания вещей. Например, попробуйте поиграться с водопроводными кранами. Если вы позволяете воде течь спокойно, вы наблюдаете за известным явлением физики, разновидностью хорошо известного нам потока, называемой «ламинарным потоком». Но если вы полностью открутите кран и будете наблюдать за поведением воды, перед вами будет пример турбулентности. Во многих отношениях, турбулентность всё ещё остаётся нерешённой проблемой в физике.
Уравнение Навье-Стокса определяет, как должны двигаться такие жидкости, как вода и воздух. Мы представляем, что жидкость разбивается на небольшие кусочки массы. Затем это уравнение учитывает все силы, которые действуют на эти кусочки — гравитация, трение, давление — и пытается определить, как это будет сказываться на их скорости.
В случае простых или стабильных потоков, мы можем найти решения уравнения Навье-Стокса, которые полностью описывают данный поток. Физики могут потом составлять уравнения для расчёта скорости потока в любой его точке. Но в случае сложных, турбулентных потоков, эти решения могут быть неточными. Мы можем совершать много манипуляций с турбулентными потоками, решая уравнения в числовом виде на больших компьютерах. Это даёт нам приблизительный ответ без формулы, которая полностью объясняет поведение жидкости.
Кстати, Математический институт Клэя предложил награду за решение этой проблемы. Так что если вы сможете это сделать, вы можете получить миллион долларов.
8. Можно ли создать сверхпроводник, работающий при комнатной температуре
Свехпроводники можно отнести к числу важнейших устройств и технологий, придуманных людьми. Они представляют собой особые типы материала. Когда температура опускается достаточно низко, электрическое сопротивление материала снижается до нуля.
В наших современных силовых кабелях теряется большое количество электричества. Они не являются сверхпроводниками и имеют электрическое сопротивление, в результате чего они нагреваются при пропускании через них электрического тока.
Но возможности сверхпроводников не ограничиваются этим. Создаваемое проводом магнитное поле имеет силу, которая зависит от проходящего по нему тока. Если вы сможете найти дешёвый способ пропускания по сверхпроводникам очень высоких токов, вы можете получить очень мощные магнитные поля. В настоящее время эти поля используются в Большом адронном коллайдере для отклонения заряженных частиц, быстро движущихся вокруг его кольца. Они также используются в экспериментальных ядерных реакторах, которые в будущем могут стать нашим источником электричества.
Проблема заключается в том, что все известные сверхпроводники могут работать лишь при очень низких температурах (не выше -140 градусов Цельсия). Для охлаждения их до таких низких температур обычно требуется жидкий азот или его аналог, а это очень дорого. Поэтому во всём мире многие физики и специалисты по материалам работают над получением священного грааля — сверхпроводника, который мог бы работать при комнатной температуре. Но пока ещё никому не удалось это сделать.
9. Почему материи больше, чем антиматерии?
Для каждой частицы есть равная и противоположная частица, называемая античастицей. Для электронов есть позитроны. Для протонов есть антипротоны. И так далее.
Если частица касается античастицы, она аннигилируется и превращается в излучение. Иногда она превращается в космические лучи. Антиматерию также можно создавать в ускорителях частиц при стоимости грамма в несколько триллионов долларов. Но в целом, она, кажется, очень редко встречается в нашей вселенной. Это настоящая тайна. Все известные процессы, которые превращают энергию (излучение) в материю, производят одинаковое количество материи и антиматерии. Поэтому если во вселенной преобладает энергия, почему тогда она не производит равные количества материи и антиматерии?
Для объяснения этого существует несколько теорий. Учёные, изучающие взаимодействие частиц в Большом адронном коллайдере, ищут примеры «CP-нарушения». Если бы они происходили, эти взаимодействия могли бы показывать, что законы физики различны для частиц материи и антиматерии. Тогда мы могли бы предположить, что, возможно, есть процессы, которые с большей вероятностью могут производить материю, а не антиматерию, и именно поэтому во вселенной больше материи.
Согласно другим, менее вероятным, теориям, могут быть целые области вселенной, в которых преобладает антиматерия. Но этим теориям придётся объяснить, как произошло разделение материи и антиматерии и почему мы не видим больших масс излучения, высвобождаемого при столкновении и материи, и антиматерии. Поэтому если мы не найдём доказательства существования галактик антиматерии, CP-нарушение в ранней вселенной кажется наилучшим решением. Но мы всё ещё не знаем, как это работает.
10. Можем ли мы иметь единую теорию?
В ХХ веке были разработаны две великих теории для объяснения многих явлений в физике. Одной из них была теория квантовой механики, которая подробно описала поведение и взаимодействие крошечных, субатомных частиц. Квантовая механика и стандартная модель физики элементарных частиц объяснили три из четырёх физических явлений природы: электромагнетизм и сильное и слабое ядерное взаимодействия.
Другой великой теорией была общая теория относительности Эйнштейна, которая объясняет гравитацию. В этой теории, гравитация происходит, когда присутствие массы изгибает пространство и время, заставляя частицы двигаться по искривлённым путям в связи с искривлённой формой пространства-времени. Она может объяснять вещи, которые происходят в самых крупных масштабах типа формирования галактик.
Есть лишь одна проблема. Эти две теории несовместимы. Насколько нам известно, обе теории верны. Но они, кажется, не работают вместе. И с тех пор как физики это поняли, они занимались поисками какого-нибудь решения, которое могло бы их совместить. Это решение стали называть Великой единой теорией, или Теорией всего.
Учёные привыкли к теориям, которые работают только в определённых пределах. Физики надеются преодолеть свою ограниченность и увидеть, что теория квантовой механики и общая теория относительности являются частью большей теории, как лоскуты одеяла. Теория струн является попыткой воссоздать черты общей теории относительности и теории квантовой механики. Но её прогнозы трудно проверить экспериментами, поэтому её нельзя подтвердить.
Поиск фундаментальной теории — теории, которая может объяснить всё — продолжается. Может быть, мы её никогда не найдём. Но если физика нас чему-то и научила, так это тому, что вселенная поистине замечательна и что в ней всегда есть место для новых открытий.
