A fizika 8 legnagyobb rejtélye, amely még mindig megfejtetlen
Vegyes Cikkek / / July 28, 2023
Az élet, az univerzum és minden más fő kérdései.
1. Miért csak előre telik az idő
A fizikában létezik az "idő nyílának (vagy tengelyének)" fogalma. Leírja az idő áramlását a múltból a jövőbe. És rengeteg bizonyíték van arra, hogy az idő egy bizonyos iránynak kedvez.
A termodinamika második főtétele szerint egy elszigetelt rendszerben az entrópia (a rendezetlenség mértéke) idővel nő. Ez eszközökhogy a természetben a folyamatok általában olyan irányba mennek végbe, ahol az energia egyenletesebben oszlik el és a rendszer rendezetlenebbé válik.
Például amikor feltörünk egy tojást, az nem regenerálódik magától. Nem lehet visszaforgatni az időt, és úgy csinálni a dolgokat, ahogy voltak. Az entrópia könyörtelen.
Ráadásul az általános relativitáselmélet szerint idővel az Univerzum kitágul. A megfigyelések azt mutatják, hogy a múltban nagy sűrűségű és alacsony entrópiás állapoton ment keresztül (ezt az eseményt "ősrobbanásnak" nevezzük), és egy jövőbeli nagy entrópiás állapot felé halad.
Általában könnyen belátható, hogy az idő visszafordíthatatlan, és mindig egy irányba halad. És a tudósok soha nem fogják megérteni, miért van ez így. És lehetséges, hogy az idő visszafelé is folyjon?
2. Mi a sötét energia
Az univerzum tágul. Úgy csinálja, mint egy léggömb, csak gyorsabban, mint a fénysebesség.
Az 1990-es években a csillagászok felfedeztékhogy a világegyetem tágulása idővel csak felgyorsul, és nem lassul le a gravitáció hatására, ahogyan elméletben kellene. Ez a megfigyelés arra a felvetésre vezetett, hogy létezik az energia valamilyen formája, amely ellenzi a gravitációt, és hozzájárul az univerzum felgyorsult tágulásához.
Sötét energia feltehetően kitölti az Univerzum teljes tér-idő szerkezete, és energiatartalmának fő összetevője. De nem lehet közvetlenül megfigyelni vagy mérni.
Univerzumunk 74%-a sötét energia, 22%-a sötét anyag, 3,6%-a intergalaktikus gáz, további 0,4%-a banális, érdektelen csillagok, bolygók és egyéb apró dolgok.
Nem világos, hogy miért ilyen az igazítás.
A sötét energia természete is az maradványok rejtély a tudomány számára. Vannak különféle elméletekakik megpróbálják megmagyarázni annak eredetét, beleértve a kvantumvákuum és a kozmológiai állandó fogalmát.
Eközben a sötét energia nagy jelentőséggel bír az Univerzum alapvető tulajdonságainak és jövőbeli sorsának megértésében. Ezen múlik, hogy a Világegyetem tágulása a végtelenségig folytatódik, lelassul vagy akár meg is fordul a jövőben.
3. Mi a sötét anyag
A sötét az anyag hipotetikus formája, amely nem lép kölcsönhatásba az elektromágneses sugárzással, ezért nem bocsát ki, nem nyel el és nem veri vissza a fényt. Hétköznapi műszereinkkel és műszereinkkel nem észlelhető, ezért is hívják így.
De sok van bizonyíték a sötét anyag létezése az univerzumban. A látható tárgyakra gyakorolt gravitációs hatáson alapulnak.
A sötét anyag, bár láthatatlan, befolyásolja a csillagok, galaxisok és galaxishalmazok mozgását.
Csillagászati kutatás előadáshogy ezek a tárgyak úgy mozognak, mintha további tömeg hatna rájuk, és ez nem magyarázható az általunk megfigyelt anyagmennyiséggel. Ezért a sötét anyag gravitációs erejének hatására összetartja a galaxisokat és más óriási struktúrákat.
Általában a fizikusok nem fogják megérteni, mi a sötét anyag, milyen részecskékből áll, mik a tulajdonságai, és hogy létezik-e egyáltalán. Lehet, hogy a csillagok és galaxisok megfigyelt viselkedése nem kapcsolódik semmilyen anyaghoz, és ez csak a gravitáció furcsaságai. A tudomány még nem jött rá.
4. Miért olyanok az alapvető állandók, amilyenek?
Az alapvető állandók olyan számértékek, amelyek az univerzum fizikai tulajdonságait és kölcsönhatásait jellemzik. Alapvetőek, és nem függenek meghatározott egységrendszerektől.
Az állandók határozzák meg a természet alapvető tulajdonságait és törvényeit, befolyásolják az univerzum egészének szerkezetét és fejlődését. Mindezek a számok 25 körül. Közöttük:
- A fény sebessége vákuumban (c) - meghatározza azt a maximális sebességet, amellyel az információ vagy kölcsönhatás terjedhet a világegyetemben.
- Planck-állandó (h), vagy hatáskvantum, - meghatározza a részecskék és a hullámok energiája és frekvenciája közötti összefüggést, a határ a makrokozmosz között, ahol a newtoni mechanika törvényei érvényesek, és a mikrokozmosz között, ahol a kvantummechanika törvényei lépnek életbe. mechanika.
- Gravitációs állandó (G) - meghatározza a tömegek közötti gravitációs kölcsönhatás erősségét, és befolyásolja az univerzumban lévő objektumok szerkezetét és mozgását.
- Egy elektron tömege (mₑ).
- Elemi díj (e).
- Kozmológiai állandó (Λ), amelyet alapvetőnek is neveznek.
A tudósok pedig nem értik, hogy ezeknek a számoknak miért van pontosan olyan jelentése, mint ők, és miért nem másoknak.
Talán csak a létezésünkkel összeegyeztethető jelentéseket figyelhetünk meg, mert élet csak egy ilyen univerzumból származhat. Ezt nevezik antropikus elvnek.
Például a finom szerkezeti állandó, amelyet általában "alfa" betűvel jelölnek, meghatározza mágneses kölcsönhatások erőssége. Számértéke hozzávetőlegesen 0,007297. Ha a számok eltérőek lennének, lehet, hogy nem lenne stabil anyag az Univerzumunkban.
A fizikusok még mindig azon töprengenek, hogyan változna az Univerzum más fizikai paraméterekkel. Létezik hipotéziseket, amely szerint az alapvető állandók értékei véletlenszerűek, és a korai univerzum ingadozásai határozzák meg - csak néhány számkészlet. Ez a feltételezés azt jelenti, hogy sok univerzum létezik, amelyek állandó értékei eltérőek. És csak szerencsések vagyunk, hogy ott lehetünk, ahol ezek az értékek a legalkalmasabbak az élet fejlődéséhez.
5. Mi történik a fekete lyukakban
Fekete lyukak Ezek a világűr hihetetlenül erős gravitációs területei. A fekete lyukon, az úgynevezett eseményhorizonton túl a gravitációs vonzás olyan erős, hogy az anyag, még a fény sem tud elmenekülni.
A fizikusok úgy vélik, hogy a fekete lyuk közepén van egy szingularitás - egy végtelen sűrűségű pont és végtelenül erős gravitációs mező. De hogy mi ez, hogyan nézhet ki és hogyan működik pontosan, azt egyetlen elmélet sem tudja megmagyarázni.
Még néhány tudós is javasoljahogy a szingularitás esetleg nem pont, hanem különböző alakúak lehetnek – ez igaz a forgó fekete lyukakra. Az úgynevezett Kerr fekete lyuk, egy hipotetikus objektum, amelyet Roy Kerr matematikus és asztrofizikus írt le, gyűrűs szingularitású. Még egy ilyen lyukon is át lehet majd repülni és túlélni. Elméletben.
De a szingularitáson belüli fizikai folyamatok pontos leírásához egységes elméletre van szükség gravitáció és a kvantummechanika, amelyet még nem fejlesztettek ki.
6. Miért van olyan kevés antianyag az univerzumban?
A közönséges anyagokban az elemi részecskék, például az elektronok és a protonok, negatív, illetve pozitív töltéssel rendelkeznek. Az antianyagban ezek a töltések fordítottak: az antielektronok (más néven pozitronok) pozitív töltésűek, míg az antiprotonok negatív töltésűek.
antianyag van ugyanazok a fizikai tulajdonságok, mint a közönségesen, beleértve a részecskék tömegét, spinjét és egyéb jellemzőit. De amikor egy antirészecske találkozik egy megfelelő közönséges részecske, akkor megsemmisítheti egymást, és átalakul tiszta energiává.
Egy liter antihidrogénnek, ha levegővel érintkezik, atombomba szaga lesz.
Milyen jó, hogy a maximális mennyiségű antihidrogént sikerült elérniük szintetizálni tudósok egyszerre - 309 atom.
Csillagászati megfigyelések előadáshogy az univerzum és még a legtávolabbi is csillagok a galaxisok pedig anyagból állnak, és nagyon kevés antianyag van benne. Ezt a különbséget a barionok (három kvarkból álló részecskék) és az antibarionok (három antikvarkból álló antirészecskék) száma között az univerzumban barion aszimmetriának nevezzük.
Ha az Univerzum teljesen szimmetrikus lenne, akkor a barionok és az antibarionok számának egyenlőnek kellene lennie, és egész antianyaggalaxisokat figyelnénk meg. A valóságban azonban minden barionokból áll, és az antibarionokat részecskegyorsítókban nem csak egy teáskanál, hanem egy atom segítségével kell szintetizálni. Ezért az antianyag a legtöbb drága dolog a világban.
Az elemi részecskék szabványos modellje szerint közvetlenül az Ősrobbanás után egyenlő számú kvarknak és antikvarknak kellett volna lennie az univerzumban. Azonban történt valami, hogy pontosan mi nem világos, de szinte minden antibaryon megsemmisült, és a megmaradt barionokból anyag keletkezett. Valójában ez az, amiből az univerzum áll. És mellesleg téged is. És a tudósok, akik még mindig nem tudják rájönni, miért van olyan kevés antianyag az űrben.
7. Stabil a vákuum?
A vákuum a lehető legalacsonyabb energiájú tér, de nevével ellentétben nem teljesen üres. Még mindig tartalmaz olyan kvantumtereket, amelyek meghatározzák az elemi részecskék viselkedését. Tudósok hinnihogy az általunk ismert valódi vagy fizikai vákuum a legstabilabb állapot az univerzumban, mivel az energia globális minimumának tekinthető.
Elméletileg azonban fennáll annak a lehetősége, hogy a fizikai vákuum állapota kvantumterek konfigurációja, amely csak lokális, és nem globális energiaminimum. Vagyis az a vákuum, amelyet a mélyűrben megfigyelhetünk, vagy a laboratóriumban létrehozhatunk, „hamis”. Tehát lehet "igaz".
És ha "igazi" vákuum van, akkor nagy bajban vagyunk.
Ha feltételezzük, hogy Univerzumunk nem „igaz”, hanem „hamis” vákuum állapotában van, akkor lehetségessé válik a bomlásának folyamata egy stabilabb állapotba. Egy ilyen folyamat következménye lehet a legtöbb félelmetes és változnak a kozmológiai paraméterek finom változásaitól, amelyek a potenciálkülönbségtől függenek a "hamis" és az "igazi" vákuum között, az elemi részecskék működésének teljes megszűnéséig erők.
Ha valahol az űrben megjelenik egy "valódi" vákuumbuborék, az a barion anyag teljes pusztulásához vagy akár az Univerzum azonnali gravitációs összeomlásához vezethet.
Röviden: reméljük, hogy a mi porszívónk a legmegbízhatóbb a világon. Mi maradt még?
8. Mi lesz az univerzum vége
És mivel olyan izgalmas globális kérdésekről beszélünk, mint az Univerzum gravitációs összeomlása: a fizikusok összeállították lista a legérdekesebb dolgok, amelyek az űrrel a jövőben megtörténhetnek, de soha ne döntsd el, melyik forgatókönyv a legvalószínűbb.
Az ősrobbanás elmélete szerint az univerzum felmerült körülbelül 13,8 milliárd évvel ezelőtt egy sűrű és forró állapotból, amelyet szingularitásnak neveznek, és azóta minden nő és lehűl. Ez az elmélet jól megmagyaráz számos megfigyelt jelenséget, például a kozmikus háttérsugárzást és a tágulást. Világegyetem. De mi lesz ezután? Válaszd ki, mi tetszik a legjobban:
- hőhalál. Ezen a koncepción belül feltételezetthogy idővel az univerzum egyre hidegebbé és egységesebbé válik. A benne lévő energia kimerül, minden folyamat, mint például a csillagképződés és a hőmozgás lelassul és leáll. Ez a maximális entrópia állapotához vezet, amikor minden részecske egyensúlyi állapotba kerül, és nem lehetséges további események az Univerzumban.
- nagy szakadék. Világegyetem továbbra is kiterjed. Ez azt jelenti, hogy a galaxisok és más űrobjektumok egyre inkább távolodnak egymástól. Ha semmi sem változik, a távoli jövőben a gravitációs erők már nem lesznek elég erősek ahhoz, hogy ellenálljanak a sötét energia nyomásának. Ez ahhoz a tényhez vezet, hogy az Univerzum szerkezetének minden szintjén, beleértve a galaxisokat, a csillagokat és az atomokat is, olyan erő lesz, amely meghaladja a saját vonzási erejüket. Ennek eredményeként az összes tárgy fokozatosan különálló részecskékre bomlik.
- Nagy szorítás. E forgatókönyv szerint az univerzum tágulása, amelyet az ősrobbanás okoz, lassíts és végül megfordítja. A galaxisok, csillagok és bolygók közötti gravitációs vonzás lesz az uralkodó erő. A köztük lévő távolság tovább csökken, amíg az Univerzum vissza nem omlik szingularitásba, ahol a sűrűség és a hőmérséklet végtelenül magas lesz. És nincs messze az új Big Bang.
De milyen sors vár hely, még mindig nem világos. Kérem, várjon még néhány ezer szeptillió évet.
Olvassa el is🧐
- Boris Stern asztrofizikus: 3 legcsodálatosabb tudás az Univerzumról, amit a 21. században kaptunk
- Joker, lázadó és Nobel-díjas: milyen élete volt Lev Landau szovjet fizikusnak?
- Igaz-e, hogy az Univerzum túl bonyolult, és felesleges tanulmányozni: az asztrofizikus eloszlatja a népszerű mítoszokat