Эйнштейн (наверное) как-то сказал: «Чем больше я узнаю, тем больше пониманию, как многого еще не знаю.» Хоть он и просто перефразировал известное выражение Сократа, но оно описывает физику лучше, чем что-либо еще. Чем больше ответов мы находим, тем больше вопросов перед нами встает. Неизвестно, завершится ли этот цикл хоть когда-нибудь, но на данный момент мы точно даже не близки к этому. Пересчитать все тайны мироздания, которые для нас пока необъяснимы, невозможно. Поэтому в данной статье мы расскажем вам лишь о 19 самых больших неразгаданных загадках физики.
Где заканчивается физика?
Британскому физику Уильяму Томсону, более известному как барон Кельвин (да-да, тот самый) приписывают следующее заявление: «Сейчас в физике нет ничего нового. Остаются только все более и более точные измерения.» Как и в случае с некоторыми фразами Эйнштейна, доподлинно неизвестно, говорил ли он это на самом деле, но ясно одно: за более чем сто лет после этого физика претерпела массу изменений. Квантовая механика и теория относительности Эйнштейна совершили настоящую революцию в науке. И даже несмотря на это, сегодня ни один уважающий себя физик не скажет, что наши знания об этой науке близки к завершению. Каждое новое открытие раскрывает перед нами очередной ящик Пандоры с еще большим количеством вопросов. Поэтому, как мы уже говорили в начале, неизвестно, узнаем ли мы когда-нибудь о Вселенной абсолютно все.
Что такое темная энергия?
Вселенная совсем не дружит с математикой. Если с физикой у нее складываются хоть какие-то здоровые отношения, то математику она просто ненавидит. Все дело в том, что как бы ученые ни переставляли цифры, Вселенная не сходится в расчетах. Простой пример: гравитация постоянно притягивает пространство-время внутрь, но оно все равно продолжает расширяться наружу и делает это все быстрее. Поэтому астрофизики предположили, что существует некая невидимая «сила», противодействующая гравитации и расширяющая пространство-время. Они назвали ее темной энергией.
В общепринятой модели темную энергию называют «космологической постоянной». Это свойство материи, которое имеет «отрицательное давление», расширяющее Вселенную. По мере того, как пространство увеличивается, его становится больше, а значит количество темной энергии тоже растет. Проведя расчеты скорости расширения, ученые подсчитали, что она составляет уже более 70% всего содержимого Вселенной. Но даже несмотря на то, что этой энергии так много, никто до сих пор не знает, как и где ее искать. До сих пор ученые смогли лишь выяснить, где именно она может скрываться. Но с 2015 года ничего нового о ней так и не было обнаружено.
Что такое темная материя?
Еще один пример того, что Вселенная не дружит с математикой – 84% материи в ней не излучает и не поглощает свет. Это значит, что существует некая темная материя, которую нельзя увидеть глазами и пока не получилось обнаружить хотя бы косвенно. Существование темной материи было выяснено благодаря ее гравитационного воздействия на обычную материю, излучение и структуру Вселенной.
Ученые предполагают, что самые большие скопления этого вещества можно найти на окраинах галактик и что состоит оно из слабо взаимодействующих массивных частиц – вимпов. Казалось бы, нужно просто найти эти вимпы, и дело в шляпе. Но не все так просто. Детекторы, ищущие их, уже давно построены, но результата все еще нет. Одно из последних исследований в этой области предполагает, что темная материя может пронизывать всю Вселенную с помощью длинных мелкозернистых потоков, и что они могут исходить даже от Земли. Но подтверждения этому пока нет.
Почему время невозможно обратить вспять?
Мы знаем, почему время движется вперед. Потому энтропия (грубо говоря, мера хаоса) всегда только увеличивается. Нельзя повернуть энтропию вспять, если она уже произошла. Неупорядоченных частиц во Вселенной больше, чем упорядоченных, поэтому со временем уровень хаоса становится только выше. Но главный вопрос заключается в том, почему в прошлом энтропия была такой низкой? Почему Вселенная была образцом идеального порядка, когда только начала свое существование? Почему нельзя снова вернуться к этому порядку?
Существуют ли параллельные Вселенные?
Некоторые исследования предполагают, что пространство-время на самом деле «плоское», а не искривленное, поэтому оно длится вечно. В таком случае тот его кусочек, который мы называем Вселенной, может быть лишь крошечным пятном в бесконечно большой Мультивселенной. Однако законы квантовой механики говорят о том, что количество возможных конфигураций частиц в каждом участке космоса конечно. Оно составляет (1010)122. Говоря более простым языком, наша Вселенная не может быть бесконечной, если обе эти теории верны. Это значит, что конечное число вариантов расположения частиц будет повторяться бесконечное количество раз, и каждое такое повторение – это новая Вселенная.
Более того, все эти «пятна» на вечной карте пространства-времени будут похожи друг на друга, а значит вполне могут содержать в себе кого-то, кто похож на вас как две капли воды. Отличия между ними могут быть любыми: от расположения одной единственной частицы до совершенно непохожей на нашу Вселенной. Но если это правда, то как нам доказать существование параллельных миров? We don’t know.
Почему материи больше, чем антиматерии?
Данный вопрос на самом деле гораздо глубже, чем кажется. Если мы узнаем, почему обычной материи намного больше, чем ее противоположно заряженного и движущегося в ином направлении антипода, то ответим на вопрос, почему все вокруг вообще существует. Логично было бы предположить, что материи и антиматерии во Вселенной должно быть одинаковое количество. Однако, если бы это на самом деле было так, то они бы просто аннигилировали друг друга. Протоны сошлись бы с антипротоны, электроны – с антиэлектронами и т.д. Все во Вселенной просто перестало бы существовать. Однако по каким-то неясным причинам лишнее вещество все-таки осталось, поэтому мы сейчас здесь.
Никто не знает, почему так произошло. Самое подробное на данный момент исследование 2015 года подтверждает, что они являются зеркальным отображением друг друга. Но весомых аргументов того, почему материи гораздо больше, до сих пор нет.
Какова судьба Вселенной?
Судьба Вселенной во многом зависит от меры плотности материи и энергии по всем пространстве, обозначаемым как Ω. Если значение Ω больше 1, пространство-время становится «замкнутым», представляя собой поверхность гигантской сферы. Если бы темной энергии не существовало, то такая Вселенная рано или поздно закончила бы свое расширение и начала сжиматься. По итогу пространство-время просто схлопнулось бы в событии, которое называют «Большое сжатие». Однако если Вселенная замкнута, но в ней есть темная энергия, но она продолжит расширяться бесконечно.
Если же значение Ω меньше 1, то пространство станет «открытым». В таком случае вероятная судьба Вселенной – это «Большое замораживание», которое повлечет за собой «Большой разрыв». Вселенная начнет расширяться так быстро, что это ускорение разорвет целые галактики на части, оставив лишь холодное пустое вещество. На этом оно не остановится и продолжит расти, пока не станет мощнее, чем фундаментальные силы, удерживающие атомы вместе. Тогда на части разорвется уже сама материя.
Если Ω равна 1, это значит, что Вселенная «плоская» (а Земля все еще круглая) и простирается бесконечно далеко во всех направлениях. При отсутствии темной энергии расширение пространства-времени в этом случае начало бы постепенно замедляться, пока полностью не остановилось. Если темная энергия есть, расширение продолжило бы ускоряться, приближаясь к «Большому разрыву».
Независимо от того, какое значение Ω в итоге окажется правдивым, ясно одно – Вселенная когда-нибудь умрет. Но как именно, никто не знает.
Que Será, Será.
Объективна ли реальность?
В очень странном и непонятном мире электронов, фотонов и прочих фундаментальных частиц царствуют законы квантовой механики. Поведение этих частиц не похоже на кучку маленьких шариков. Они ведут себя больше как волны, распространяющиеся по огромной площади. Поэтому каждую частицу можно описать волновой функцией, которая помогает узнать ее скорость, местоположение и прочие свойства. Однако узнать это можно лишь в конкретный момент наблюдения за частицей. Пока вы не начнете измерения, она может иметь совершенно любые свойства, например, находиться в разных местах. Но как только вы захотите вычислить конкретное место, ее волновая функция схлопнется, и частица примет лишь одно конкретное местоположение.
Причем тут вообще объективность реальности? Притом, что поведение всех частиц остается «хаотичным» до тех пор, пока мы не начинаем за ними наблюдать, тем самым закрепляя их конкретные значения для своей «реальности». Но, если кто-то другой сделает то же самое, то в его случае свойства частиц могут быть уже совсем другие. Тогда чья же реальность объективна, его или ваша? А существует ли она вообще?
Верна ли теория струн?
Вся физика выдохнет с облегчением, если теория струн окажется верной. Потому что, когда все элементарные частицы на самом деле являются одномерными нитями или «струнами», в которых прячутся другие измерения и целые Вселенные, физика становится проще. Теория струн может объединить все законы, которым подчиняются частицы, то бишь квантовую механику, с общей теорией относительности и добавить туда четыре фундаментальные силы. То есть вместо кучи разных законов, которые иногда даже противоречат друг другу, у нас появится одна «теория всего», что значительно упростит работу физиков.
Однако главная проблема теории струн заключается в том, что она будет верна только для Вселенной с 10-12 измерениями, а не четырьмя, как мы привыкли. Все остальные измерения должны быть спрятаны внутри струн, сжатые в нечто под названием пространства Калаби-Яу. И эти измерения должны быть настолько малы, что составляют одну миллиардную от одной триллионной доли размера атомного ядра. Нет ни единого хоть сколько-то разумного способа обнаружить нечто настолько мелкое, поэтому и подтвердить теорию струн нельзя. Но ведь и опровергнуть тоже.
Есть ли порядок в хаосе?
Уравнения Навье-Стокса, описывающие поведения жидкостей и газов, практически нерешаемы. Никто из ученых не знает, есть ли для них общее решение, которое могло бы подойти абсолютно для всех случаев. А если есть, то действительно ли оно описывает все жидкости во Вселенной или же относится к безразмерным точкам, называемым сингулярностями?
Природа хаоса не изучена, поэтому мы и не можем точно предсказывать поведение жидкостей и газов в природе. До сих пор идут споры о том, погоду просто трудно предсказывать или невозможно? Можно ли математически описать турбулентность или для этого нужна какая-то своя, «правильная» математика?
Силы Вселенной сливаются воедино?
Во Вселенной существуют четыре фундаментальные силы: электромагнетизм, сильно и слабое взаимодействия и гравитация. Физики считают, что при накоплении достаточного количества энергии, что можно сделать, например, на ускорителе частиц, три из четырех сил сольются в одну. Ученые уже смогли объединить электромагнетизм и слабое взаимодействие, а при еще большем количестве энергии, к ним должно присоединиться еще и сильное взаимодействие. Возможно, при постоянном увеличении энергии то же самое произойдет и с гравитацией.
В теории это звучит логично, но повторить это на практике не представляется возможным на данный момент. Ни один ускоритель частиц не может достичь таких показателей энергии, чтобы объединить три фундаментальные силы, не говоря уже о четвертой. Неясно, возможно ли вообще построить нечто настолько мощное. Самый эффективный ускоритель частиц, Большой адронный коллайдер (БАК) может сталкивать частицы друг с другом с энергией в несколько триллионов электрон-вольт (примерно 14 тераэлектрон-вольт или ТэВ). Для того, чтобы все фундаментальные силы объединились, понадобится как минимум в триллион раз больше энергии. Поэтому физики пытаются найти хотя бы косвенные доказательства данной теории.
Но Теории Великого Объединения (ТВО) имеют и другие проблемы, помимо недостатка энергии. Некоторые ТВО гласят, что протоны спустя огромное количество времени (около 1036 лет) должны превращаться в другие частицы. Увидеть это сейчас никто не может, поэтому либо протоны живут дольше, чем нам кажется, либо они остаются стабильными бесконечно. Другие ТВО предполагают существование магнитных монополей, то есть изолированных друг от друга «северного» и «южного» магнитных полюсов. Как вы уже наверняка догадались, ни того, ни другого, никто до сих пор не видел. Может главная трудность заключается в том, что мы просто не можем построить настолько мощный ускоритель частиц, чтобы все это проверить. А может ученые просто ошибаются в своем понимании устройства Вселенной.
Что происходит внутри черной дыры?
Задумывались ли вы над тем, что будет, если упасть в черную дыру? Современная наука считает, что любой объект, попавший туда, уже никогда не вернется обратно, даже свет. Гравитация черной дыры настолько сильна, что его просто расщепит на атомы, уничтожит полностью, и мы никогда больше его не увидим, не получим о нем больше никакой информации. Однако квантовая механика имеет иное мнение на свой счет. Она говорит, что квантовая информация об объекте не может быть полностью уничтожена, иначе во Вселенной произойдет «сбой».
Квантовая информация отличается от нулей и единиц в наших компьютерах или знаний в нашей голове. Дело в том, что квантовые теории не дают точных данных. Нельзя подсчитать точный исход какого-либо события, как, например, высчитать траекторию полета мяча после броска. В квантовом мире можно лишь узнать наиболее вероятный исход. Вследствие этого вероятности всех событий в сумме должны составлять не менее 1 и не более 100 процентов. (Бросая шестигранный кубик, вероятность выпадения каждой грани составляет 1 к 6, а в сумме они дают 1. И вы никогда не можете быть более чем на 100% уверены, что какая-то грань выпадет в конкретный момент.) Поэтому квантовую теорию называют унитарной, и если вы знаете, чем заканчивается система, то можете выяснить, с чего она началась.
Для описания черной дыры нужно знать ее массу, угловой момент (если она вращается) и заряд. Из черной дыры не может выйти ничего, кроме небольшой струйки теплового излучения, получившего название излучение Хокинга. В настоящее время невозможно досконально изучить это излучение, чтобы понять, что конкретно поглотила черная. То есть информация об изначальном объекте уничтожена. Но квантовая теория говорит, что информация не может быть уничтожена полностью, и это приводит к так называемому «информационному парадоксу».
Многие ученые, в том числе и сам Хокинг, пытались найти объяснение этому парадоксу. В 2015 году было выдвинуто предположение о том, что информация хранится не где-то глубоко в черной дыре, а остается на ее границе, так называемом горизонте событий. Пока ученые не пришли к единому мнению на этот счет, и когда они смогут понять, что на самом деле происходит внутри черной дыры, неизвестно.
Существуют ли голые сингулярности?
Сингулярность появляется в том случае, когда какое-либо свойство объекта становится бесконечным. Это в свою очередь приводит к нарушению известных нам законов физики. Сингулярности имеются, например, в центрах черных дыр, где представляют собой бесконечно малую и плотную точку, но с конечным количеством вещества. В математике сингулярности вообще появляются очень часто, например, при делении на ноль. Но как вообще может выглядеть сингулярность? Как она взаимодействует с материей вокруг нее? Как вообще что-то, у чего по факту нет поверхности, может быть бесконечно плотным?
«Голой» называется та сингулярность, которая может взаимодействовать со всей остальной Вселенной. Черные дыры имеют горизонт событий, который в обратную сторону не может пересечь ничто, даже свет. Это на первый взгляд решает проблему голых сингулярностей, как минимум для черных дыр. Так как за горизонт событий не может выйти ничто, то оно и не будет взаимодействовать с остальной Вселенной. Можно сказать, что так выглядит «одетая» сингулярность, тогда как «голая» – это своеобразная черная дыра без горизонта событий.
Но существуют ли сингулярности без горизонта событий? Как они могут образовываться? И если они действительно существуют, то общую теорию относительности придется перерабатывать, потому что она перестанет работать при взаимодействии сингулярности и всего остального вокруг. Также голые сингулярности могут выступать в роли червоточин, позволяя перемещаться между разными точками пространства, а может и времени. Но доказать это без обнаружения их самих, естественно, невозможно.
Почему происходят нарушения комбинированной четности?
Если поменять одну частицу на античастицу, законы физики не пошатнутся. К примеру, положительно заряженный протон выглядит так же, как отрицательно заряженный антипротон. Сколько бы вы ни меняли их местами, законы физики останутся нерушимыми. Это называется СР-симметрией или комбинированной четностью. Однако некоторые экзотические частицы по каким-то неизвестным причинам нарушают эту симметрию, чего по законам квантовой механики быть не должно. Почему это происходит, никто не знает.
Как звук создает свет?
Многие загадки Вселенной связаны с физикой элементарных частиц, поэтому изучать их очень сложно. Но некоторые из них все-таки можно наблюдать в лабораторных условиях. Одно из таких необъяснимых явлений – сонолюминесценция. Если взять немного воды и ударить по ней звуковыми волнами, то появятся пузырьки – области низкого давления, окруженные высоким давлением. При этом внешнее давление будет сильно давить на внутреннее, и пузырьки быстро лопнут. В этот момент они начнут излучать свет мизерными вспышками длительностью триллионные доли секунды.
Непонятно, как именно звуковое воздействие становится причиной появления света, и откуда он вообще исходит. Теорий на этот счет очень много, от электрического разряда или нагрева газа до миниатюрных ядерных реакций. Ученым удалось измерить температуры внутри этих пузырей, которые оказались горячими на пару десятков тысяч градусов по Цельсию, а также сделать фотографии испускаемого ими света. Однако пока нет ни одного толкового объяснения, почему звуковые волны могут создавать огоньки в пузырях.
Что лежит за пределами Стандартной модели?
Стандартная модель закрепилась достаточно надежно. Это одна из самых успешных теорий за всю историю физики. Она проверяется множеством различных экспериментов уже более сорока лет, и даже новые, более технологичные исследования лишь подтверждают ее правдивость. Стандартная модель описывает частицы, их поведение и различные свойства. Открытие бозона Хиггса – частицы, отвечающей за передачу массы – в 2012 году лишь еще сильнее укрепило Стандартную модель, которая давно предсказывала его существование.
Однако Стандартная модель не может объяснить все. Она действительно сделала много верных предсказаний, как бозон Хиггса или бозоны W и Z, управляющие радиоактивностью. Даже существование кварков было предсказано с помощью нее. Казалось бы, куда еще может развиваться физика после такого? Но на самом деле большинство ученых сходится во мнении, что Стандартная модель неполна. Проблема лишь в том, что более полные модели, такие как теория струн, доказать намного сложнее.
Как появились фундаментальные константы?
Фундаментальные физические постоянные состоят из измеряемых и безразмерных констант. Например, скорость света – это фундаментальная константа, измеряемая в метрах в секунду, в то время как безразмерные константы не привязаны ни к одной единице измерения. Их можно вычислить, но нельзя вывести из каких-либо теорий, в отличие от той же скорости света.
В Стандартной модели существует около 25 фундаментальных констант. К примеру, постоянная тонкой структуры, которую называют «альфа», показывает силу магнитного взаимодействия – около 0,007297. Это одно из важнейших чисел во Вселенной, так как будь оно иным, стабильная материя перестала бы существовать. Также можно выделить отношение масс фундаментальных частиц к планковской массе, равной 2,43⋅1018 ГэВ/c2, которое будет своим для каждой частицы, но оно всегда остается постоянным. Ученые уже давно пытаются выяснить, почему все эти числа именно такие, ведь если они были бы иными, нас бы не существовало. Но, как и у всех других загадок в этом списке, убедительного объяснения все еще нет.
Да кто такая эта ваша гравитация?
И правда, что такое гравитация? Остальные фундаментальные силы переносятся какими-либо частицами, например, фотонами в случае электромагнетизма. Слабое взаимодействие осуществляется посредствам бозонов W и Z, а сильное – с помощью глюонов, удерживающих ядра от распада. Все эти силы можно «разложить» на отдельные частицы, то есть квантовать. Это значит, что данные силы прерываемы.
Но гравитация кажется совсем другой. Большая часть существующих на данный момент теорий сходятся в том, что гравитацию должна переносить гипотетическая безмассовая частица, которую назвали гравитон. Но обнаружить гравитоны пока никому не удавалось. Неясно даже сможет ли какой-нибудь сканер частиц вообще найти их, так как они взаимодействуют с материей настолько редко, что могут сливаться с фоновым шумом. Непонятно также являются ли гравитоны действительно безмассовыми или просто они очень легкие, даже легче, чем нейтрино – самые легкие из открытых на сегодня частиц. Теория струн могла бы помочь и здесь, так как в ней гравитоны вместе со всеми остальными частицами – это замкнутые энергетические петли.
Так как гравитоны до сих пор не найдены, нельзя пытаться изучать гравитацию исключительно так же, как все остальные силы, как обмен частицами. Некоторые физики выдвигали и альтернативные теории, например. О том, что в рамках теории струн гравитация может действовать не в наших четырех измерениях, а в тех дополнительных, что сокрыты в струнах.
Мы живем в ложном вакууме?
Кажется, что Вселенная довольно стабильна, ведь она существует уже 13,8 млрд лет, не меняясь на фундаментальном уровне. Но что если само рождение Вселенной было большим сбоем?
Все должно начаться с вакуума и бозона Хиггса. Это кажется очевидным, ведь вакуум – самое низкое (наверное) энергетическое состояние, так как в нем ничего нет. Бозон Хиггса же, проходя через поле Хиггса, придает массу всему. Ученые предположили, что энергетическое состояние вакуума можно вычислить по потенциальной энергии поля Хиггса, а также массам бозона Хиггса и истинных кварков. Эти расчеты показали, что вакуум на самом деле не всегда находится в самом низком энергетическом состоянии. Это значит, что существует так называемый ложный вакуум. И если это на самом деле так, то наша Вселенная отнюдь не стабильна, так как ложный вакуум может стать обычным при во время какого-либо события с большим количеством энергии. Если такое событие действительно произойдет, то ничто вокруг не выживет, даже сама материя. Вся Вселенная заменится на другую, в которой даже могут действовать другие законы физики.
Звучит жутко, но с учетом того, что Вселенная существует без малого 14 миллиардов лет, такого события никогда не было. Более того, астрономы уже видели сверхновые, квазары и другие события в космосе, выбрасывающее колоссальное количество энергии, но ни одно из них либо не было достаточно сильным, либо просто ни к чему не привело. Поэтому едва ли нам стоит беспокоиться.
Как бы то ни было, данная теория означает, что наша Вселенная могла появиться именно так, путем перевода ложного вакуума предыдущей Вселенной в более низкое энергетическое состояние. Поэтому, возможно, наша жизнь является лишь результатом сбоя в чьем-то очень мощном ускорителе частиц.
