10-те најголеми физички загатки на нашето време - спектар на наука
Знаење: 10-те најголеми физички загатки на нашето време
Кога Макс Планк изразил желба да студира физика кај професор по физика на крајот на 19 век, му било кажано дека во основа сè е познато. Во физиката има само незначителни празнини. Планк не беше спречен и, како коосновач на квантната физика, ја револуционираше нашата слика за светот.
Сега е неспорно дека физиката е далеку од завршена. Колку е поопширно знаењето, толку се поголеми загатките! Ова се нашите десет омилени меѓу најголемите загатки во физиката:
Безброј ситни честички постојано врнат врз нас од вселената. Меѓу нив има и неколку кои шушкаат овде со неверојатно голема енергија. Научниците биле толку воодушевени од нивното откритие во 1991 година што ги нарекле честичките „О-мој-Бог честички“ или „ОМГ честички“. Неговото потекло е мистериозно, а енергијата е алармантно висока: ја надминува онаа на обичните честички од вселената за околу 20 милиони пати. Да се погоди од честичка ОМГ би се чувствувало како силно да ве погоди бејзболот. За среќа, честичките се многу ретки и исто така се забавуваат рано од атмосферата.
Повеќето космички зраци доаѓаат од атмосферата на starsвезди, експлозии на супернова или разни високо-енергетски процеси. Астрофизичарите се сомневаат дека одредени галаксии или јадра на галаксии, т.н. квазари, се потеклото на честичките ОМГ. Тие неодамна открија дека честичките, всушност, се чини дека доаѓаат од насока на одредено јато галаксија. Но, ако честичките навистина доаѓаат од таму, тие би изгубиле премногу енергија на патувањето кон Земјата и не би пристигнале овде со ова брзо темпо - очигледна противречност.
Истражувачите размислуваат за високотемпературни суперпроводници од откривањето на овие материјали пред 27 години: Тие спроведуваат електрична енергија без отпор и на температури на кои овој феномен всушност не треба да се јавува.
Кога електричната струја тече низ нашите кабли, дел од енергијата секогаш се губи. Ова не е случај со суперпроводниците: Тие спроведуваат без загуба на енергија, под услов да се ладат далеку под нулата. За разлика од суперспроводливоста на висока температура, се разбира основниот принцип. Таа се заснова на формирање на електронски парови, т.н. Купер-парови. Таквите парови можат да се формираат на многу ниски температури и да мигрираат низ материјалот на спроводникот без отпор. Физичарите се сомневаат во слични механизми кај високотемпературните суперпроводници, но тие сè уште не успеале да претстават точен модел. Но, дури и ако некој го разбере овој феномен, употребата на овие проводници ќе биде ограничена. Терминот „висока температура“ треба да се види релативно: Температурите на околината на кои тие покажуваат својства на суперспроводливост се уште се многу ниски, тие се минус 140 степени Целзиусови и постудени. Како и да е, суперпроводниците со висока температура може да станат алтернатива на конвенционалните проводници во иднина, барем во рамките на специјалните апликации. И кој знае, можеби ќе се отворат нови можности откако ќе разберете како работи.
Звучи монструозно: темна дупка што мистериозно проголта сè. Астрофизичарите ги нарекуваат црни дупки, но тие не знаат точно како физички да ги опишат овие структури. Тие настануваат кога многу масивна starвезда ја потрошила својата енергија и пропаднала поради гравитацијата. Според теоријата на релативноста, оваа неверојатно компресирана маса толку силно ги деформира просторот и времето што сè е „проголтано“ за никогаш повеќе да не се види. Голем проблем демне тука. Бидејќи црната дупка тогаш ќе може да ги уништи информациите. Сепак, квантната механика тврди дека секоја информација што била таму, т.е. оригиналната конфигурација на честички, секогаш може да се реконструира од крајните производи. Но, што ако крајниот производ го нема? Информациите тогаш би биле неповратно изгубени. Многу физичари го направија сомнителен овој парадокс на постоење на црни дупки. Други шпекулираат дека многу силна деформација на времето и просторот може да создаде затворени вселенски временски јамки. Овие можеби би овозможиле патување низ времето. Визионерско истражување или само научна фантастика? Црните дупки остануваат необјаснето и фасцинантно поглавје во физиката.
Турбуленцијата - т.е. вртење течности или гасови - се покажа како неверојатно тешка орев за физичарите. Долги децении тие бараа теоретски модел што може целосно да ги опише ваквите бурни движења. Без успех. Турбуленцијата е таков секојдневен феномен: кога дува ветер, водата врие на шпоретот или го мешаме млекото во кафето. Сите бурни движења се дел од нелинеарната динамика, на која припаѓа и истражувањето на хаосот. Системите од овој вид се исклучително чувствителни. Мали нарушувања или минимално променети услови на почетокот може да доведат до сосема поинакво однесување. Ова го прави (досега) невозможно да се предвиди развојот на турбулентно движење на долг рок. Физичарите, сепак, продолжуваат трпеливо да ги бараат универзалните закони својствени на сите турбуленции. Општо валиден опис би бил од голема важност, бидејќи може да се користи во широк спектар на области: во временска прогноза, минимизирање на отпорноста на воздухот, во комплицирани возила или дури и при истражување на формирање галаксии.
Нашиот универзум не би постоел без гравитацијата - но како тој работи сè уште не е дефинитивно разјаснето. Се чини толку очигледно: нè одржува на земјата, планетите во нивните орбити и галаксиите заедно. Исак tonутн веќе призна на крајот на 17 век дека толпите се привлекуваат едни со други. Според теоријата на релативност на Ајнштајн, таа е малку посложена: Гравитацијата не делува директно помеѓу телата, но масата на телото првично ги деформира само просторот и времето. Универзумот има многу вдлабнатини и испакнатини. Телата имаат тенденција кон вдлабнатини, што за нас на крајот покажува во привлечноста на толпите. За да ја потврдат оваа теорија, физичарите бараат таканаречени гравитациони бранови. Овие треба да бидат емитирани од забрзани маси, да се шират низ просторот со брзина на светлината и да се истегнат и компресираат. Досега, сепак, се пронајдени само индиректни докази за нивното постоење.
Исто така е нејасно дали има размена на гравитација, која делува како носител на сила - слично на случајот со другите три основни физички сили. Некои теории го претпоставуваат таканаречениот гравитон за ова. Сепак, бидејќи пренесената сила е многу мала, сè уште не е можно да се докаже постоењето на гравитони. Физичарите не можат да разберат зошто гравитацијата е толку слаба во споредба со другите три основни сили - овој факт дури доведува до значителни проблеми во физичките модели. Многу прашања, тешко дека има одговори. Гравитацијата засега е и ќе остане мистерија!
10, 11 или дури 26 - кој нуди повеќе? Речиси изгледа како физичарите да се истакнуваат во своите модели со бројот на димензии. Но, како изгледаат тие? Тешко е да се замисли дека покрај трите просторни димензии над-под, напред-назад и лево-десно има и други димензии. Алберт Ајнштајн прв призна дека треба да се додаде време како четврта оска на претходно тродимензионалниот X-Y-Z координатен систем со цел да се опише реалноста на поискрено математички начин. Ова четири-димензионално вселенско време беше револуција во физиката.
Сè уште немало продолжение: ниту една дополнителна димензија не е експериментално докажана. Но, тоа не ги спречува физичарите да воведат дополнителни димензии на скоро инфлациски начин. Различни како теориите, различно како и бројот: Ако теоријата на жици сепак управува со десет димензии, М-теоријата и квантната гравитација на јамка бараат единаесет и теорија на бозонски жици дури 26. За концептот на реалноста, би било многу корисно, да го знае точниот број на димензии и нивното влијание врз светот. Но, досега човек дури и не ја разбира природата на четвртата димензија, времето.
Сонце, месечина и starsвезди - небесните тела што ни се познати, во никој случај не се сите тие комори во универзумот. Според сегашната состојба на знаење, нашиот универзум се состои само од околу пет проценти од материјата што ни е позната. Астрономските феномени зборуваат во прилог на оваа претпоставка: На пример, центрифугалната сила веднаш би ги избркала ротирачките галаксии, да не беше невидлива материја што ги држи галаксиите заедно. Не знаеме како изгледа оваа таканаречена темна материја. Затоа што освен индиректно - преку својот гравитационен ефект - сè уште не е докажано. Астрономите проценуваат дека тој сочинува околу 27 проценти од масата на универзумот.
Најголемиот дел од масата се претпоставува дека стои зад претходно непозната форма на енергија. Како резултат на гравитациониот ефект на масите, универзумот би морал да се шири сè побавно. Но, е спротивното. Истражувачите претпоставуваат дека постои движечка сила зад постојано побрзото ширење, т.н. темна енергија. Ја спротивставува гравитацијата и продолжува да го надува универзумот. Бидејќи енергијата секогаш може да се гледа како маса, може да се пресмета придонесот на темната енергија во вкупната маса на универзумот: Придонесува околу 68 проценти. Универзумот е полн со материја што не е затворена само за нашата перцепција, туку и за сите софистицирани методи на откривање досега!
Зарем не би било убаво да имаме единствена теорија од која можат да се изведат сите закони на физиката? Многу познати физичари, вклучувајќи го и Ајнштајн, сметаат дека овој поим не само примамлив, туку и веродостоен. Како и да е, вашето пребарување по оваа „светска формула“ беше залудно. Како и да е, дури и денес многу научници се уште се убедени дека мора или барем може да постои единствена обединувачка теорија. Првиот голем чекор би бил таканаречената „Голема унифицирана теорија“ (ГУТ). Треба да извлече три од четирите основни физички сили од една елементарна сила: (i) електромагнетната, (ii) слабата интеракција што е вклучена во процесите на распаѓање и трансформација и (iii) силната интеракција што ги држи атомските јадра заедно. Бидејќи овие три сили имаат слична математичка структура, физичарите се сомневаат дека постои веројатност за постоење на ГУТ.
Во вистинската светска формула или „Теорија на сè“ (ТОЕ) треба да се вклучи и четвртата сила, гравитацијата. Очекувањата на ТОЕ се големи: Тој треба да ја објасни природата на темната материја и темната енергија, како и многу феномени во историјата на нашиот универзум. Hotешки кандидати за светска формула се М-теоријата (генерализирана и проширена теорија на жици) и квантната гравитација на јамката. Двете теории, сепак, сè уште се соочуваат со значителни проблеми и се далеку од можноста да послужат како опфатени описи. Тешко е да побарате нешто што не знаете дали всушност постои.
Можеби звучи како магија: честички кои се наоѓаат на повеќе места истовремено или кои се поврзани едни со други на далечина. Со квантни механички честички, ова е реалност и се нарекува не-локалитет и заплеткување. На последниот Ајнштајн го исмеваше како „плашлив акција на далечина“, бидејќи во тоа време споменатите појави не беа компатибилни со претходно важечката физика. Во испреплетеноста, две честички што порано се појавувале како пар сè уште се поврзани едни со други по нивното просторно одвојување. Мерењата на едната честичка имаат непосреден ефект врз состојбата на другата честичка без никакво временско одложување.
Покрај тоа, не може да се дадат точни позиции за квантните механички честички. Наместо тоа, математичката формула ја обезбедува само веројатноста со која честичката се наоѓа на различни локации во вселената. Квантната механичка реалност е суперпозиција на многу состојби. Ваквите појави се докажани многу пати во експериментите, а квантната механика ги обезбеди и соодветните теоретски модели. Сепак, никој не знае до кој степен квантните механички појави се всушност дел од нашата реалност и какви последици би имале тоа: Дали е сè поврзано? И дали има дури и паралелни универзуми во кои се реализираат сите квантно-механички можни состојби? Ваквите шпекулации веќе доведоа до многу полемики меѓу физичарите. Едно е сигурно, сепак: квантната механика ни ги покажува границите на нашиот интелект. Веројатно светот има сосема поинаква структура отколку што веруваме врз основа на нашето секојдневно искуство. Ова би било можно објаснување зошто одредени работи за нас изгледаат како магија.
Како започна сè и како заврши? Дали воопшто постојат почетокот и крајот? Не само филозофите се занимаваат со овие прашања. За физичарите, и историјата и иднината на универзумот се можеби најелементарната загатка во физиката. Теоријата за голема експлозија се смета дека е релативно безбедна и вели дека сè - материјата, просторот и времето - произлегле од неверојатно густа точка, т.н. единственост. Но, дури и да има многу индикации за оваа теорија, физичкиот опис на оваа оригинална состојба сè уште не е пронајден, ниту е пронајден за првите фракции на секундата по „Големата експлозија“. Кога станува збор за прашањето за судбината на нашиот универзум, ниту еден специфичен одговор не е подобар. Едно е сигурно: во моментов се шири. Но, уште колку време е нејасно. Можеби никогаш нема да престане. Можеби универзумот исто така се стреми кон стационарна крајна фаза, или има дури и пресврт во процесот на експанзија. Последица на последното би била обновување на компресијата на универзумот - веројатно назад кон единственост. И можеби тогаш сè ќе започне одново. Ова барем би сугерирало што се случило пред Големата експлозија.