Осемте най-големи нерешени проблеми в съвременната физика
През 1900 година лорд Келвин декларира, че „във физиката повече няма нищо ново и всичко, което е можело да се открие, към този момент е намерено. Това, което остава е все по-точно премерване на старото„. Следващите три десетилетия в развиването на физиката демонстрират че той съществено е сбъркал. Отрити са квантовата механика и теорията на относителността на Айнщайн, които направиха гражданска война в науката. В наши дни нито един физик не би посмял да съобщи, че знаем всичко за Вселената. Точно противоположното, всяко ново изобретение като че ли отваря кутията на Пандора с още по-дълбоки въпроси от по отношение на физиката. А тук ще се спрем на някои от тях, които и до момента нямат отговор.
1Тъмната материя и тъмната сила
Както и да се пробват учените да обяснят нашата галактика със сегашните закони на физиката, към този момент не съумяват. Ако се вземе поради единствено забележимото вещество, то неговата гравитация не е задоволителна, с цел да удържи галактиките от разпад. И с цел да бъде обяснена стабилността на галактиките бе въведена тъмната материя – хипотетично вещество, което не изпуска електромагнитно лъчение и взаимодейства с елементарната материя единствено благодарение на гравитацията. И макар, че терминът „тъмна материя“ се употребява от към този момент 90 години, тя по този начин и не е открита и следена, макар че към този момент има кандидат.
Както нормално се случва, тъмната материя се оказа незадоволителна, с цел да бъдат обяснени всичките несъвпадения на актуалната физика с следените феномени. Ето за какво, с цел да се изясни разширението на Вселената, освен това с ускоряване, бе въведена още и тъмната сила, която е космологична константа. Или с други думи тя е с неизменима енергийна компактност, отмерено разпределена в цялата Вселена. А най-любопитното е, че елементарното вещество е единствено 5% от масата на цялата Вселена, до момента в който делът на черната материя е 25%, а на тъмната сила сериозните 69%. Изглежда че освен това систематизиране все трябваше да бъдат открити някакви следни от тъмна материя и тъмна сила, само че към този момент нищо сходно няма.
2Защо времето се движи единствено напред?
Този въпрос са си задавали доста учени, а и би било добре да се върнеш в предишното и да оправиш някои неща. Физиците се пробваха да обяснят това посредством „стрелата на времето“, която е с посока единствено напред – ентропията, което жестоко казано е мярка за хаоса във Вселената. Каквото и да вършим, всичко води до увеличение на ентропията и това в действителност е вторият закон на термодинамиката. Суровото яйце да вземем за пример, до момента в който е цяло е с ниска ентропия. Но като го счупите, ентропията се усилва. Изглежда че не е кой знае какъв проблем жълтъкът да се върне назад и черупката да бъде залепена. По този метод ентропията би трябвало да се понижи и не щеш ли това би била една машина на времето за суровите яйца.
Уви, това напълно не е по този начин – с цел да „сглобите“ яйцето, ще би трябвало да изразходвате известно количество сила, а това ще усили общата ентропия на Вселената. На пръв взор, това е и отговорът на въпроса: щом ентропията и времето са директно свързани, а ентропията може единствено да се усилва, то времето може да се движи единствено напред. Но тук има нещо друго: в далечното бъдеще Вселената ще доближи равновесие при най-много на ентропията – тя ще бъде еднородна и тъмна, без каквито и да било звезди и галактики. Ентропията вечно ще остане константа, само че това значи, че и времето също? В подобен един свят посоката на времето е без значение: по този начин или другояче, нищо не се трансформира.
От друга страна, да си представим началото на Вселената и Големия гърмеж, когато ентропията е била минимална и от този момент непрестанно пораства. Естествен е въпросът, за какво става по този начин, а не противоположното. Защо Вселената с оптималната ентропия не се връща към първичното яйце, а ентропията на нашата Вселена се стреми към най-много? Разбира се, връзката на посоката на времето с ентропията е забавна концепция, само че не дава отговор на въпроса, за какво посоката на времето е единствено напред.
3Има ли паралелни вселени?
Астрофизиците допускат, че при огромни мащаби пространство-времето е плоско и не е накриво – т.е., то е безпределно. Но региона, която ние виждаме и назоваваме Вселена, напълно не е безкрайна и се простира на разстояние „само“ към 41 милиарда светлинни години. А това значи, че всички частици на забележимата Вселена могат да се комбинират в едно доста огромно (10 10 122 степен), само че въпреки всичко извънредно число. Но щом пространство-времето е безпределно, то в него може да има безпределно голям брой разнообразни вселени, а щом нашата Вселена не е безкрайна, то тя ще има безконечен брой свои копия. Разбира се, това са просто математически абстракции, които няма по какъв начин да проверим, тъй че този въпрос по този начин си и остана просто въпрос.
4Защо материята е повече от антиматерията?
В елементарния свят електронът има негативен заряд, а протонът – позитивен. А не може ли да е противоположното? Може – още преди 50 години учените сътвориха антипротони и позитрони (антиелектрони), които се разграничават от истинските единствено по заряда и барионното число (тоест, позитронът има позитивен заряд). При сблъска на парченце с нейната античистица протича анихилация с изпускането на голямо количество сила.
Но тук поражда напълно разумния въпрос: щом материята и антиматерията толкоз доста си наподобяват, то след Големия гърмеж тяхното количество би трябвало да е еднообразно. Но в този случай те изцяло биха се анихилирали и Вселената би била пуста (не напълно пуста – единствено фотони). Но щом ние съществуваме, това значи, че материята е повече от антиматерията. Но за какво е по този начин, никой не знае.
5Как измерванията унищожават квантовите вълнови функционалности?
Процесите в микрокосмоса са напълно разнообразни от нашата действителност. Всяка парченце се разказва благодарение на специфична вълнова функционалност – систематизиране на вероятностите, които показват какви могат да бъдат нейните местонахождение, скорост и някои други свойства.
На процедура всяка парченце има диапазон от смисли за всяко свойство – само че единствено до този миг, до момента в който не започнете да мерите това свойство. Така да вземем за пример, в случай че се опитате да разберете местоположението на частицата, вълновата функционалност колапсира и вместо комплект от разнообразни локации получаваме единствено едно, което в действителност образува нормалната за нас действителност. Това е абсурд, който към момента няма решение.
6Какво се случва вътре в черната дупка?
Къде изчезва информацията в черната дупка? Ако изпратите галактическа сонда в черна дупка, то няма да получите никакви данни от нея, тъй като нищо не може да се движи със скорост по-голяма от скоростта на светлината. За да може някакъв обект, в това число и фотоните, да напусне черната дупка, той би трябвало да има втора галактическа скорост, която обаче при черните дупки е по-голяма от скоростта на светлината, а нищо не може да се движи по-бързо от тази скорост.
Но черните дупки не са безконечни – съществува излъчването на Хокинг, с помощта на което те постепенно се изпаряват и в последна сметка изцяло изчезват. Но това лъчение зависи само от характерностите на черната дупка – маса, скорост на въртене и така нататък Тоест, информацията се губи – няма значение дали в черната дупка ще попадне камък или сонда, в която е записан голям размер информация.
В това се крие и несъгласието с квантовата физика, съгласно която квантовата информация не може да бъде изгубена, нито да бъде копирана. А съгласно актуалните теории, сдъвканото от черната дупка вещество губи всичката информация. Това е абсурд, който играе основна роля за извеждане на законите за квантовата гравитация. Засега казусът не е решен.
7Какво е гравитацията?
Почти всички сили във Вселената се дефинират от разнообразни частици. Така да вземем за пример, електромагнетизмът се дължи на фотоните, слабото нуклеарно взаимоотношение – на W и Z бозоните, мощното нуклеарно взаимоотношение на глуоните. Остава гравитацията, само че при нея имаме проблем: по този начин и не е открита хипотетичната парченце гравитон, която да е притежател на гравитацията. На доктрина тя няма маса и съвсем не взаимодейства с веществото. Наскоро бяха регистрирани гравитационните талази от сблъскването на две солидни черни дупки, само че това не оказа помощ за откриването на гравитона.
Докато не открием гравитона, не можем да работим с гравитацията както с другите фундаментални взаимоотношения, които на процедура са продан на частици. Нещо повече, редица физици смятат, че гравитоните съществуват в спомагателни измерения, отвън нашето пространство/време. Но във всички случи, отговор на въпроса, какво е гравитацията, към този момент няма.
8Може би живеем във подправения вакуум?
Какво съгласно физиката е вакуумът? Липсата на каквото и да било в дадена точка на пространството. Нека да се замислим – можем да махнем частиците в даден размер, като предположим, че по някакъв метод сме се освободили и от неутриното. Но остават другите предавания и полета, от които да се избавим напълно не е елементарно – има тъмна сила, поле на Хигс, както и най-различни квантови флуктуации. Тоест, във вакуума който ние можем да създадем, въпреки всичко има някаква сила. Този „нечист“ вакуум физиците назовават подправен. За същински се смята енергийно чистият вакуум.
Съвсем разумно изниква въпросът – веднага като нашия вакуум е подправен, все някъде би трябвало да има същински „чист“ вакуум без вещество и сила. Или най-малко по-малко подправен, в който наличната сила е по-малко.
Частиците имат забавно свойство – могат да минават през материята, след което получават друга сила. А какво ще стане, в случай че даже и една парченце от нашия свят с нашия вакуум получи значение с по-малка сила на вакуума. Теорията подсказва, че тя би могла да повлече след себе си и други частици и в последна сметка цялата Вселена. В този случай ние ще престанем да съществуваме, тъй като всичко, което виждаме и всичко от което сме формирани се подчинява на физични закони с тъкмо избрани константи. Прехвърлянето в област, в която силата на вакуума е по-ниска от нашата, ще промени константите във физиката, а отсам и физичните закони. Вселената ще си остане да съществува, само че за нас това напълно не е несъмнено.
Именно тези разсъждения станаха известни при извършените с Големия адронен колайдер опити. Очакваше се при тези опити да се основат дребни черни дупки с друга сила на вакуума, които до известна степен да трансформират физичните константи. Изчисленията на учените демонстрираха, че при тези опити могат да се образуват дребни черни дупки с същински, а не подправен енергиен вакуум. Този вакуум е по-изгоден от енергийна позиция и основаната дребна черна дупка бързо може да се трансформира в мехур, който да се усили неимоверно, освобождавайки силата от подправения вакуум. Това припомня на страховете при взривяването на първата атомна бомба – имало е опасения, че термоядрената реакция може да обхване морето и въздуха и да не спре.
По-късните калкулации демонстрираха, че за пораждането на сходни мини черни дупки е нужна сила, колкото има в една свръхмасивна звезда – нещо което Адронният колайдер не може да даде. Но въпреки това, теорията за подправения вакуум си остана неопровергана.
Това надалеч не са всичките проблеми, с които се сблъсква актуалната физика. Остават още доста – да вземем за пример, какво има отвън рамките на Стандартния модел, за какво поражда Сонолуминисценцията и още доста други. Колкото повече се задълбочаваме, разбираме че насъбраните през столетията познания са много повърхностни. Но въпреки това, това значи, че има още доста да се научи за околния свят, като новите познания могат да се употребяват за наше богатство.
1Тъмната материя и тъмната сила
Както и да се пробват учените да обяснят нашата галактика със сегашните закони на физиката, към този момент не съумяват. Ако се вземе поради единствено забележимото вещество, то неговата гравитация не е задоволителна, с цел да удържи галактиките от разпад. И с цел да бъде обяснена стабилността на галактиките бе въведена тъмната материя – хипотетично вещество, което не изпуска електромагнитно лъчение и взаимодейства с елементарната материя единствено благодарение на гравитацията. И макар, че терминът „тъмна материя“ се употребява от към този момент 90 години, тя по този начин и не е открита и следена, макар че към този момент има кандидат.
Както нормално се случва, тъмната материя се оказа незадоволителна, с цел да бъдат обяснени всичките несъвпадения на актуалната физика с следените феномени. Ето за какво, с цел да се изясни разширението на Вселената, освен това с ускоряване, бе въведена още и тъмната сила, която е космологична константа. Или с други думи тя е с неизменима енергийна компактност, отмерено разпределена в цялата Вселена. А най-любопитното е, че елементарното вещество е единствено 5% от масата на цялата Вселена, до момента в който делът на черната материя е 25%, а на тъмната сила сериозните 69%. Изглежда че освен това систематизиране все трябваше да бъдат открити някакви следни от тъмна материя и тъмна сила, само че към този момент нищо сходно няма.
2Защо времето се движи единствено напред?
Този въпрос са си задавали доста учени, а и би било добре да се върнеш в предишното и да оправиш някои неща. Физиците се пробваха да обяснят това посредством „стрелата на времето“, която е с посока единствено напред – ентропията, което жестоко казано е мярка за хаоса във Вселената. Каквото и да вършим, всичко води до увеличение на ентропията и това в действителност е вторият закон на термодинамиката. Суровото яйце да вземем за пример, до момента в който е цяло е с ниска ентропия. Но като го счупите, ентропията се усилва. Изглежда че не е кой знае какъв проблем жълтъкът да се върне назад и черупката да бъде залепена. По този метод ентропията би трябвало да се понижи и не щеш ли това би била една машина на времето за суровите яйца.
Уви, това напълно не е по този начин – с цел да „сглобите“ яйцето, ще би трябвало да изразходвате известно количество сила, а това ще усили общата ентропия на Вселената. На пръв взор, това е и отговорът на въпроса: щом ентропията и времето са директно свързани, а ентропията може единствено да се усилва, то времето може да се движи единствено напред. Но тук има нещо друго: в далечното бъдеще Вселената ще доближи равновесие при най-много на ентропията – тя ще бъде еднородна и тъмна, без каквито и да било звезди и галактики. Ентропията вечно ще остане константа, само че това значи, че и времето също? В подобен един свят посоката на времето е без значение: по този начин или другояче, нищо не се трансформира.
От друга страна, да си представим началото на Вселената и Големия гърмеж, когато ентропията е била минимална и от този момент непрестанно пораства. Естествен е въпросът, за какво става по този начин, а не противоположното. Защо Вселената с оптималната ентропия не се връща към първичното яйце, а ентропията на нашата Вселена се стреми към най-много? Разбира се, връзката на посоката на времето с ентропията е забавна концепция, само че не дава отговор на въпроса, за какво посоката на времето е единствено напред.
3Има ли паралелни вселени?
Астрофизиците допускат, че при огромни мащаби пространство-времето е плоско и не е накриво – т.е., то е безпределно. Но региона, която ние виждаме и назоваваме Вселена, напълно не е безкрайна и се простира на разстояние „само“ към 41 милиарда светлинни години. А това значи, че всички частици на забележимата Вселена могат да се комбинират в едно доста огромно (10 10 122 степен), само че въпреки всичко извънредно число. Но щом пространство-времето е безпределно, то в него може да има безпределно голям брой разнообразни вселени, а щом нашата Вселена не е безкрайна, то тя ще има безконечен брой свои копия. Разбира се, това са просто математически абстракции, които няма по какъв начин да проверим, тъй че този въпрос по този начин си и остана просто въпрос.
4Защо материята е повече от антиматерията?
В елементарния свят електронът има негативен заряд, а протонът – позитивен. А не може ли да е противоположното? Може – още преди 50 години учените сътвориха антипротони и позитрони (антиелектрони), които се разграничават от истинските единствено по заряда и барионното число (тоест, позитронът има позитивен заряд). При сблъска на парченце с нейната античистица протича анихилация с изпускането на голямо количество сила.
Но тук поражда напълно разумния въпрос: щом материята и антиматерията толкоз доста си наподобяват, то след Големия гърмеж тяхното количество би трябвало да е еднообразно. Но в този случай те изцяло биха се анихилирали и Вселената би била пуста (не напълно пуста – единствено фотони). Но щом ние съществуваме, това значи, че материята е повече от антиматерията. Но за какво е по този начин, никой не знае.
5Как измерванията унищожават квантовите вълнови функционалности?
Процесите в микрокосмоса са напълно разнообразни от нашата действителност. Всяка парченце се разказва благодарение на специфична вълнова функционалност – систематизиране на вероятностите, които показват какви могат да бъдат нейните местонахождение, скорост и някои други свойства.
На процедура всяка парченце има диапазон от смисли за всяко свойство – само че единствено до този миг, до момента в който не започнете да мерите това свойство. Така да вземем за пример, в случай че се опитате да разберете местоположението на частицата, вълновата функционалност колапсира и вместо комплект от разнообразни локации получаваме единствено едно, което в действителност образува нормалната за нас действителност. Това е абсурд, който към момента няма решение.
6Какво се случва вътре в черната дупка?
Къде изчезва информацията в черната дупка? Ако изпратите галактическа сонда в черна дупка, то няма да получите никакви данни от нея, тъй като нищо не може да се движи със скорост по-голяма от скоростта на светлината. За да може някакъв обект, в това число и фотоните, да напусне черната дупка, той би трябвало да има втора галактическа скорост, която обаче при черните дупки е по-голяма от скоростта на светлината, а нищо не може да се движи по-бързо от тази скорост.
Но черните дупки не са безконечни – съществува излъчването на Хокинг, с помощта на което те постепенно се изпаряват и в последна сметка изцяло изчезват. Но това лъчение зависи само от характерностите на черната дупка – маса, скорост на въртене и така нататък Тоест, информацията се губи – няма значение дали в черната дупка ще попадне камък или сонда, в която е записан голям размер информация.
В това се крие и несъгласието с квантовата физика, съгласно която квантовата информация не може да бъде изгубена, нито да бъде копирана. А съгласно актуалните теории, сдъвканото от черната дупка вещество губи всичката информация. Това е абсурд, който играе основна роля за извеждане на законите за квантовата гравитация. Засега казусът не е решен.
7Какво е гравитацията?
Почти всички сили във Вселената се дефинират от разнообразни частици. Така да вземем за пример, електромагнетизмът се дължи на фотоните, слабото нуклеарно взаимоотношение – на W и Z бозоните, мощното нуклеарно взаимоотношение на глуоните. Остава гравитацията, само че при нея имаме проблем: по този начин и не е открита хипотетичната парченце гравитон, която да е притежател на гравитацията. На доктрина тя няма маса и съвсем не взаимодейства с веществото. Наскоро бяха регистрирани гравитационните талази от сблъскването на две солидни черни дупки, само че това не оказа помощ за откриването на гравитона.
Докато не открием гравитона, не можем да работим с гравитацията както с другите фундаментални взаимоотношения, които на процедура са продан на частици. Нещо повече, редица физици смятат, че гравитоните съществуват в спомагателни измерения, отвън нашето пространство/време. Но във всички случи, отговор на въпроса, какво е гравитацията, към този момент няма.
8Може би живеем във подправения вакуум?
Какво съгласно физиката е вакуумът? Липсата на каквото и да било в дадена точка на пространството. Нека да се замислим – можем да махнем частиците в даден размер, като предположим, че по някакъв метод сме се освободили и от неутриното. Но остават другите предавания и полета, от които да се избавим напълно не е елементарно – има тъмна сила, поле на Хигс, както и най-различни квантови флуктуации. Тоест, във вакуума който ние можем да създадем, въпреки всичко има някаква сила. Този „нечист“ вакуум физиците назовават подправен. За същински се смята енергийно чистият вакуум.
Съвсем разумно изниква въпросът – веднага като нашия вакуум е подправен, все някъде би трябвало да има същински „чист“ вакуум без вещество и сила. Или най-малко по-малко подправен, в който наличната сила е по-малко.
Частиците имат забавно свойство – могат да минават през материята, след което получават друга сила. А какво ще стане, в случай че даже и една парченце от нашия свят с нашия вакуум получи значение с по-малка сила на вакуума. Теорията подсказва, че тя би могла да повлече след себе си и други частици и в последна сметка цялата Вселена. В този случай ние ще престанем да съществуваме, тъй като всичко, което виждаме и всичко от което сме формирани се подчинява на физични закони с тъкмо избрани константи. Прехвърлянето в област, в която силата на вакуума е по-ниска от нашата, ще промени константите във физиката, а отсам и физичните закони. Вселената ще си остане да съществува, само че за нас това напълно не е несъмнено.
Именно тези разсъждения станаха известни при извършените с Големия адронен колайдер опити. Очакваше се при тези опити да се основат дребни черни дупки с друга сила на вакуума, които до известна степен да трансформират физичните константи. Изчисленията на учените демонстрираха, че при тези опити могат да се образуват дребни черни дупки с същински, а не подправен енергиен вакуум. Този вакуум е по-изгоден от енергийна позиция и основаната дребна черна дупка бързо може да се трансформира в мехур, който да се усили неимоверно, освобождавайки силата от подправения вакуум. Това припомня на страховете при взривяването на първата атомна бомба – имало е опасения, че термоядрената реакция може да обхване морето и въздуха и да не спре.
По-късните калкулации демонстрираха, че за пораждането на сходни мини черни дупки е нужна сила, колкото има в една свръхмасивна звезда – нещо което Адронният колайдер не може да даде. Но въпреки това, теорията за подправения вакуум си остана неопровергана.
Това надалеч не са всичките проблеми, с които се сблъсква актуалната физика. Остават още доста – да вземем за пример, какво има отвън рамките на Стандартния модел, за какво поражда Сонолуминисценцията и още доста други. Колкото повече се задълбочаваме, разбираме че насъбраните през столетията познания са много повърхностни. Но въпреки това, това значи, че има още доста да се научи за околния свят, като новите познания могат да се употребяват за наше богатство.
Източник: kaldata.com
КОМЕНТАРИ