Пять самых больших неразрешенных загадок физики

pixabay.com

В 1900 году британский физик лорд Кельвин сказал: «Сегодня в физике нет ничего нового, что можно было бы открыть. Все, что остается, — это проводить все более и более точные вычисления». Через три десятилетия квантовая механика и теория относительности Эйнштейна произвели революцию в этой области.

Сегодня ни один физик не посмел бы утверждать, что наши знания о Вселенной практически полные. Напротив, каждое новое открытие как будто снова подкидывает очередной ящик Пандоры, ставя перед учеными еще больше вопросов.

Ниже вы узнаете о самых больших тайнах физики, над которыми до сих пор ломают головы лучшие умы планеты.

Что происходит внутри черной дыры?

Согласно существующим теориям, если в черную дыру бросить железный кубик, не было бы никакой возможности получить о нем какую-либо информацию. Это связано с тем, что гравитация черной дыры настолько сильна, что ее скорость убегания выше скорости света, а последняя считается самой быстрой во Вселенной. Тем не менее, согласно квантовой механике, квантовая информация не может быть уничтожена. «Если вы каким-либо образом попытаетесь уничтожить эту информацию, все пойдет наперекосяк», - рассказал Роберт Макнис, доцент физики в Университете Лойола в Чикаго.

Квантовая информация немного отличается от информации, которую мы храним, как 1 и 0 на компьютере, или в нашем мозгу. Это потому, что квантовые теории не дают точной информации, например, о том, где будет находиться объект, как, допустим, вычисление траектории движения бейсбольного мяча в механике. Вместо этого, они показывают наиболее вероятное местоположение или наиболее вероятный результат какого-либо действия. Как следствие, все вероятности различных событий должны составлять не более 1, или 100 процентов. (Например, когда вы бросаете шестигранный кубик, вероятность того, что выпадет определенная сторона, равна одной шестой, поэтому вероятности всех граней составляют 1, и вы не можете быть уверены в результате более чем на 100%.) Поэтому квантовая теория называется унитарной. Если вы знаете, как заканчивается система, вы можете рассчитать, как она началась.

Чтобы описать черную дыру, все, что вам нужно, это масса, момент импульса (если она вращается) и заряд. Ничто не выходит из черной дыры, кроме медленной струйки теплового излучения, называемого излучением Хокинга. Насколько известно, нет способа сделать обратный расчет, чтобы выяснить, что же на самом деле поглотила черная дыра. Информация уничтожена. Однако квантовая теория утверждает, что информация не может быть полностью недоступна. В этом и заключается «информационный парадокс».

По словам Макниса, по этому вопросу было проделано много работы, особенно Стивеном Хокингом и Стивеном Перри, которые в 2015 году предположили, что, вместо того, чтобы храниться в глубине черной дыры, информация остается на ее границе, называемой горизонтом событий. Парадокс пытались разрешить многие ученые, однако, пока физики не могут прийти к единому мнению.

Есть ли порядок в хаосе?

Ученые не могут точно решить систему уравнений, которая описывает поведение жидкостей, от воды до воздуха и газов. На самом деле, неизвестно, существует ли вообще общее решение так называемых уравнений Навье-Стокса или, если оно есть, описывает ли оно поведение любой жидкости и содержит ли изначально неизвестные точки, называемые сингулярностями. Как следствие, природа хаоса не совсем понятна. Физики и математики задаются вопросом, сложно ли прогнозировать погоду или она абсолютно непредсказуема? Находится ли турбулентность за пределами математических вычислений или все это можно решить с помощью правильной математики?

Есть ли параллельные вселенные?

Астрофизические данные предполагают, что пространство-время может быть «плоским», а не искривленным, и поэтому оно продолжается вечно. Если это так, то область, которую мы можем видеть (ту, что мы называем «вселенная») — это всего лишь один участок бесконечно большой «стеганной мультивселенной». В то же время согласно законам квантовой механики, в каждом таком «космическом куске» имеется только конечное число возможных конфигураций частиц (10 ^ 10 ^ 122 различных возможностей). Итак, с бесконечным количеством космических пространств, расположение частиц внутри них вынуждено повторяться бесконечно много раз. Это означает, что существует бесконечно много параллельных вселенных: космические «заплатки», точно такие же, как наша (содержащие кого-то точно такого же, как вы), а также заплатки, которые отличаются только позицией одной частицы, двух и так далее вплоть до кусочков, которые полностью отличаются от нашей Вселенной.

Правильна ли такая логика или такого не может быть? И если это правда, как мы можем обнаружить присутствие параллельных вселенных? На эти вопросы у физиков точного ответа пока нет.

Почему существует ось времени?

Время движется вперед, потому что свойство Вселенной, называемое «энтропией», грубо определяемое как уровень беспорядка объектов, только увеличивается, и поэтому нет способа обратить вспять рост энтропии после того, как она произошла. Увеличение энтропии является вопросом логики: расположение частиц больше беспорядочное, чем упорядоченное, и со временем, они имеют тенденцию впадать в хаос. Но основной вопрос заключается в том, почему энтропия была такой низкой в прошлом? Иными словами, почему Вселенная была так упорядочена в начале, когда огромное количество энергии было собрано в небольшой точке пространства?

Что такое темная энергия?

Независимо от усилий астрофизиков, у них пока не получается привести законы Вселенной к одному знаменателю. Несмотря на то, что гравитация тянет внутрь пространство-время («материю» космоса) оно продолжает расширяться все быстрее и быстрее. Чтобы объяснить это явление, физики предложили взять за основу невидимого агента, который противодействует гравитации, раздвигая пространство-время. Этот агент получил название темной энергии. Согласно самой распространенной модели темная энергии, это «космологическая постоянная»: неотъемлемое свойство самого пространства, которое имеет «отрицательное давление», разделяющее пространство. По мере расширения пространства, расширяется и темная энергия. На основании наблюдаемой скорости расширения Вселенной ученые знают, что сумма всей темной энергии в ней должна составлять более 70%. Однако никто не знает, как ее найти. Лучшее, что смогли сделать исследователи за последние годы, - понять, где темная энергия может скрываться.

Пять самых больших неразрешенных загадок физики

Картина дня

Наши публикации