Научная фантастика – яркое подтверждение тому, что физика может быть интересна не только учёным, но и людям далёким от исследовательских лабораторий. Конечно, в книгах и фильма не рассказывают о научных теориях, а точнее подают физические факты занимательно и интересно.
В этом обзоре десятка загадок из области физики, которые учёным ещё предстоит объяснить.
1. Лучи сверхвысоких энергий
Нерешенная задача: откуда происходят космические лучи сверхвысоких энергий?
Атмосфера Земли постоянно бомбардируется высокоэнергетическими частицами из космоса, которые называются « космическими лучами». Хотя они не наносят большого вреда людям, физики просто очарованы ими. Наблюдение за космическими лучами многому научило ученых об астрофизике и физике частиц. Но есть лучи, которые остаются загадкой по сей день. В 1962 году, во время эксперимента Volcano Ranch, Джон Д. Линсли и Ливио Скарси увидели нечто невероятное: космический луч сверхвысокой энергии с энергией более 16 джоулей.
Чтобы наглядно объяснить сколько это, можно привести следующий пример: один джоуль — это количество энергии, необходимое для поднятия яблока с пола на стол. Вся эта энергия была сосредоточена, однако, в частице в сто миллионов миллиардов раз меньше, чем яблоко. Физики без малейшего понятия, как эти частицы получают подобное невероятное количество энергии.
2. Инфляционная модель Вселенной
Нерешенная задача: у Вселенной инфляционная модель?
Вселенная удивительно равномерная в больших масштабах. Так называемый «космологический принцип» гласит, что куда бы ни отправиться во Вселенной, в среднем везде будет примерно одинаковое количество материала. Но теория Большого Взрыва предполагает, что во время зарождения Вселенной должны были наблюдаться большие различия в плотности. Таким образом, она была намного менее однородная, чем Вселенная сегодня.
Инфляционная модель предполагает, что Вселенная, которую все видят сегодня, происходит из крошечного объема ранней Вселенной. Этот маленький объем внезапно и быстро расширился, намного быстрее, чем Вселенная расширяется сегодня. Грубо говоря, это выглядело так, будто воздушный шарик внезапно надули воздухом. Хотя это объясняет, почему сегодня Вселенная более однородная, физики все еще не знают, что вызвало это «надутие».
3. Темная энергия и темная материя
Нерешенная задача: можно ли найти темную энергию и темную материю?
Это удивительный факт: только около 5 процентов Вселенной состоит из того, что люди могут видеть. Несколько десятилетий назад физики заметили, что звезды на внешних краях галактик вращаются вокруг центра этих галактик быстрее, чем прогнозировалось.Чтобы объяснить это, ученые предположили, что в этих галактиках может быть какая-то невидимая «темная» материя, которая заставила звезды вращаться быстрее.
После появления этой теории дальнейшие наблюдения расширяющейся Вселенной привели к тому, что физики пришли к выводу: темной материи должно быть в пять раз больше, чем все, что могут видеть люди (т. е. обычной материи). Наряду с этим, ученые знают, что расширение Вселенной действительно ускоряется. Это странно, потому что стоило бы ожидать, что гравитационное притяжение материи («обычной» и «темной») замедлит расширение Вселенной.
Чтобы объяснить, что же уравновешивает гравитационное притяжение материи, ученые предположили существование «темной энергии», которая способствует расширению Вселенной. Физики полагают, что по меньшей мере 70 процентов Вселенной находится в форме «темной энергии». Тем не менее по сей день частицы, составляющие темную материю, и поле, которое составляет темную энергию, никогда непосредственно не наблюдались в лаборатории. По сути, ученые ничего не знают о 95 процентах Вселенной.
4. Сердце черной дыры
Нерешенная задача: что находится в сердце черной дыры?
Черные дыры - одни из самых знаменитых объектов в астрофизике. Их можно описать их как области пространства-времени с такими сильными гравитационными полями, что изнутри даже не может пробиться свет. С тех пор как Альберт Эйнштейн в своей общей теории относительности доказал, что гравитация «искривляет» пространство и время, ученые знают, что свет не защищен от гравитационных эффектов.
Фактически, теория Эйнштейна была доказана во время солнечного затмения, которое продемонстрировало, что гравитация Солнца отклоняет лучи света, идущие от далеких звезд. С тех пор наблюдалось много черных дыр, в том числе огромная, находящаяся в центре нашей галактики. Но тайна того, что происходит в сердце черной дыры, до сих пор не решена.
Некоторые физики считают, что может существовать «сингулярность» - точка бесконечной плотности с некоторой массой, сосредоточенной в бесконечно малом пространстве. Однако, по-прежнему идут дискуссии о том, теряется ли информация внутри черных дыр, которые поглощают все частицы и излучение. Хотя от черных дыр исходит излучение Хокинга, оно не содержит никакой дополнительной информации о том, что происходит внутри черной дыры.
5. Разумная жизнь вне Земли
Нерешенная задача: есть ли разумная жизнь вне Земли?
Люди испокон веков мечтают о пришельцах, когда они смотрят на ночное небо и гадают, может ли там кто-то жить. Но в последние десятилетия было обнаружено множество доказательств того, что это не просто мечта. Для начала, экзопланеты оказались гораздо более распространены, чем предполагалось ранее, причем у большинства звезд имеются планетарные системы. Также известно, что временный разрыв между тем, когда на Земле появилась жизнь, и когда появилась разумная жизнь, очень мал. Означает ли это, что много где должна была сформироваться жизнь.
Если это так, то нужно ответить на знаменитый «парадокс Ферми»: почему люди до сих пор не вступили в контакт с инопланетянами. Возможно, жизнь — обычное явление, но разумная жизнь редка. Может быть, через какое-то время все цивилизации решают не общаться с другими жизненными формами. Может, с людьми просто не хотят разговаривать. Или, как ни странно, возможно, это показывает, что многие инопланетные цивилизации уничтожают себя вскоре после того, как становятся технологически достаточно продвинутыми, чтобы общаться.
6. Путешествие быстрее скорости света
Нерешенная задача: может ли что-нибудь путешествовать быстрее, чем скорость света?
С тех пор как Эйнштейн изменил всю физику своей специальной теорией относительности, физики были уверены, что ничто не может двигаться быстрее скорости света. Фактически, теория относительности говорит, что когда любая масса двигается со скоростью, близкой к скорости света, то для этого требуется огромная энергия. Это видно в космических лучах сверхвысоких энергий, упомянутых ранее. У них необычайная энергия относительно их размера, но и они не путешествуют быстрее скорости света.
Жесткое ограничение скорости света может также объяснить, почему сообщения от чуждых цивилизаций маловероятны. Если они также ограничены этим фактором, то сигналы могут идти тысячи лет. В 2011 году в ходе эксперимента OPERA были получены предварительные результаты, которые предполагали, что нейтрино движутся быстрее скорости света.
Позже исследователи заметили некоторые ошибки в их экспериментальной установке, которые подтвердили, что результаты были неверными. В любом случае, если существует какой-либо способ передачи материи или информации быстрее скорости света, он, несомненно, изменит мир.
7. Способ описать турбулентность
Нерешенная задача: можно ли найти способ описать турбулентность?
Если вернуться из космоса на Землю, окажется, что и в повседневной жизни есть много вещей, которые трудно понять. За простейшим примером не нужно далеко ходить — можно открыть дома кран. Если открыть его не полностью, то вода будет течь плавно (это называется «ламинарным потоком»). Но если открыть кран полностью, то вода начнет течь неравномерно и разбрызгиваться. Это простейший пример турбулентности. Во многих отношениях турбулентность по-прежнему остается нерешенной проблемой в физике.
8. Сверхпроводник с комнатной температурой
Нерешенная задача: можно ли создать сверхпроводник с комнатной температурой?
Сверхпроводники - одни из самых важных устройств и технологий, которые когда-либо открыли люди. Это особый тип материала. Когда температура падает достаточно низко, электрическое сопротивление материала падает до нуля. Это означает, что можно получать огромный ток после подачи маленького напряжения на сверхпроводник.
Теоретически электрический ток может течь в сверхпроводящем проводе в течение миллиардов лет без рассеивания, потому что нет сопротивления его току. В современных же обычных проводах и кабелях из-за сопротивления теряется значительная часть мощности. Сверхпроводники могли бы уменьшить эти потери до нуля.
Есть одна проблема - даже высокотемпературные сверхпроводники должны быть охлаждены до температуры в минус 140 градусов по Цельсию, прежде чем они начнут демонстрировать свои замечательные свойства. Охлаждение до столь низких температур обычно требует жидкого азота или чего-то подобного. Поэтому это очень дорого. Многие физики по всему миру пытаются создать сверхпроводник, которые может работать при комнатной температуре.
9. Материя и антиматерия
Нерешенная задача: почему есть больше материи, чем антиматерии?
В некотором смысле, люди до сих пор не знают, почему что-то существует вообще. Для каждой частицы существует «противоположная» частица, называемая античастицей. Итак, для электронов есть позитроны, для протонов существуют антипротоны, и так далее. Если частица когда-либо касается своей античастицы, они аннигилируют и превращаются в излучение.
Неудивительно, что антиматерия невероятно редкая, поскольку все бы просто уничтожилось. Иногда она попадается в космических лучах. Также ученые могут сделать антивещество в ускорителях частиц, но стоить это будет триллионы долларов за грамм. Однако, в целом антиматерия (как считают ученые) невероятно редкая в нашей Вселенной. Почему это так - настоящая тайна.
Просто никто не знает, почему в нашей Вселенной доминирует материя, а не антиматерия, ведь каждый известный процесс, который изменяет энергию (излучение) на вещество, производит одинаковое количество материи и антиматерии. Теория Уайлдера предполагает, что могут существовать целые области Вселенной, в которых доминирует антиматерия.
10. Единая теория
Нерешенная задача: может ли быть разработана единая теория?
В XX веке были разработаны две великие теории, которые много что объясняли в физике. Одной из них была квантовая механика, в которой подробно описывались, как ведут себя и взаимодействуют крошечные, субатомные частицы. Квантовая механика и стандартная модель физики частиц объяснили три из четырех физических сил в природе: электромагнетизм и сильные и слабые ядерные силы.
Другой большой теорией была общая теория относительности Эйнштейна, объясняющая гравитацию. В общей теории относительности гравитация возникает, когда наличие массы изгибает пространство и время, заставляя частицы следовать по определенным изогнутым траекториям. Это может объяснить вещи, которые происходят в самых грандиозных масштабах - образование галактик и звезд. Есть только 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 судить, обе теории верны. Но они, похоже, не работают вместе. Физики уже давно работают над каким-то решением, которое может примирить две теории. Оно называется Великой единой теорией или просто Теорией всего. Поиски продолжаются.
