Pogosto na internetu lahko najdete približno tako domnevno nerazrešene in nerazrešene skrivnosti našega vesolja in sodobne znanosti.
Iz nekega razloga se mi zdi, da so del tega navidezni problemi, ki sicer ne obstajajo, a deloma je znanost že našla razlago.
Katero od teh ocenjujete kot resnično neprikrito do zdaj še skrivno fiziko?
1. Od kod prihajajo ultrazvočni kozmični žarki?
Naše ozračje nenehno bombardirajo visokoenergijski delci iz vesolja, imenovani "kozmični žarki." Čeprav ti žarki ne predstavljajo velike škode za človeka, jih fiziki zelo zanimajo.
John Linsley in Livio Scarsi sta leta 1962 med eksperimentom na vulkanskem ranču videla nekaj neverjetnega: kozmični žarek z energijo več kot 16 joulov. Da vam povem, recimo, da je en džul približno enak energiji, ki je potrebna za dvig jabolka s tal in na mizo. In vsa ta energija je koncentrirana v delcu, ki je milijardkrat manjši od jabolka. To pomeni, da se giblje s hitrostjo, ki je blizu hitrosti svetlobe!
Promocijski video:
Fiziki še ne vedo, od kod so ti delci dobili toliko energije. Po nekaterih teorijah so lahko vir teh delcev supernove, ki so nastale po eksploziji zvezd na koncu njihovega življenja. Te delce bi lahko pospešili tudi v diskih rušečih snovi, ki tvorijo okoli črnih lukenj.
2. Je bilo moderno vesolje posledica inflacije?
Vesolje je presenetljivo ravno, torej celotno vesolje ima enako količino snovi. Glede na teorijo velikega praska pa bi bila lahko gostota matere na različnih krajih različna že v zgodnjih fazah razvoja vesolja.
Po teoriji inflacije sodobno vesolje izvira iz zgodnjega vesolja drobnega obsega, ki se je nenadoma in nepričakovano hitro razširilo. Tako kot pri napihovanju balona je tudi inflacija izničila vse izbokline v zgodnjem vesolju.
Čeprav to pojasnjuje veliko tega, kar vidimo, fiziki še ne vemo, kaj je povzročilo inflacijo. Podatki o tem, kaj se je zgodilo med to inflacijo, so tudi zelo kratki.
3. Ali je mogoče najti temno energijo in temno snov?
Osupljivo dejstvo: le približno 5% vesolja je sestavljeno iz snovi, ki nam je vidna. Pred nekaj desetletji so fiziki opazili, da se zvezde na zunanjih robovih galaksij vrtijo okoli središč teh galaksij hitreje, kot smo pričakovali. Da bi to pojasnili, so znanstveniki predlagali, da lahko te galaksije vsebujejo nekakšno nevidno "temno" snov, zaradi katere se zvezde hitreje vrtijo.
Skupaj s tem vemo, da se širjenje vesolja zdaj pospešuje. To se zdi čudno, saj bi človek pričakoval, da bo privlačnost materije - tako "svetlobe" kot "temne" upočasnila širitev vesolja. "Temna energija" bi lahko bila razlaga tega pojava. Fiziki verjamejo, da je vsaj 70% energije v vesolju v obliki "temne" energije, kar prispeva k trenutnemu pospeševanju širjenja vesolja.
Do zdaj delci, ki tvorijo "temno" snov in polje, ki tvori "temno" energijo, v laboratorijskih pogojih še niso bili neposredno raziskani. Toda fiziki upajo, da je mogoče na velikem hadronskem trkalniku pridobiti in preučiti delce "temne" snovi. Vendar so lahko ti delci težji od delcev, ki jih lahko ustvari trkalnik, in njihova skrivnost bo še dolgo ostala nerazrešena.
4. Kaj je v središču črne luknje?
Črne luknje so najbolj znani predmeti v astrofiziki. Lahko jih opišemo kot območja vesolja z gravitacijskimi polji, ki so tako močna, da jih tudi svetloba ne more premagati.
Opazovali smo številne črne luknje, vključno z ogromno črno luknjo v središču naše galaksije. Toda skrivnost, kaj se dogaja v središču črne luknje, še ni razkrita. Nekateri fiziki menijo, da lahko obstaja "singularnost" - točka neskončne gostote, pri kateri je nekaj mase koncentrirano v neskončno majhnem prostoru. Težko si je predstavljati. Še huje je, da vsaka posebnost te teorije vodi v črno luknjo, saj ni mogoče neposredno opazovati singularnosti.
Še vedno obstajajo polemike o tem, ali se podatki izgubljajo v črnih luknjah. Absorbirajo delce in oddajajo Hawkingovo sevanje, vendar zdi, da to sevanje ne vsebuje dodatnih informacij o tem, kaj se dogaja v črni luknji.
Dejstvo navidezne nemožnosti, da bi vsaj v tem trenutku ugotovili, kaj je v črnih luknjah, je dolgo časa dopuščalo piscem znanstvene fantastike domneve o možnosti obstoja tamkajšnjih drugih vesoljev ali o uporabi črnih lukenj za teleportacijo ali potovanje v času.
5. Ali je v vesolju pametno življenje?
Ljudje sanjajo o vesoljcih že odkar so prvič pogledali na nočno nebo in se spraševali, kaj bi lahko bilo tam. Toda v zadnjih desetletjih smo izvedeli veliko zanimivih dejstev.
Najprej smo izvedeli, da so planeti veliko pogostejši, kot se je prej mislilo. Izvedeli smo tudi, da je interval med časom, ko je naš planet postal bivalni, in nastankom življenja na njem precej majhen. Ali to pomeni, da je življenje mogoče? Če je tako, dobimo slavni Fermijev paradoks: zakaj potem še nismo komunicirali z vesoljci?
Astronom Frank Drake je sestavil enačbo, ki nosi njegovo ime, kot način gledanja na vse strani problema. Vsaka njegova sestavina predstavlja razlog za pomanjkanje komunikacije z inteligentnim življenjem.
Življenje je morda skupno, a pametno življenje je redko. Mogoče se čez nekaj časa vse civilizacije odločijo, da ne bodo komunicirale z drugimi življenjskimi oblikami. Obstajajo, a z nami ne želijo komunicirati. Ali pa morda kaže na to, da se veliko tujih civilizacij uniči, kmalu potem, ko pridobijo tehnološko sposobnost komuniciranja. Bili so celo namigi, da je pomanjkanje komunikacije s tujci dokaz umetnega izvora našega sveta, ki je morda ustvarjanje Boga ali računalniški model.
Možno pa je, da preprosto nismo dovolj dolgo in dovolj daleč iskali, saj je prostora neverjetno veliko. Signali se zlahka izgubijo, tuja civilizacija pa mora le poslati močnejši signal. In morda bomo jutri odkrili tuje civilizacijo in spremenilo se bo naše razumevanje vesolja.
6. Ali se lahko kaj premika hitreje kot svetloba?
Odkar je Einstein s svojo posebno teorijo relativnosti spreminjal fiziko, so bili fiziki prepričani, da ni ničesar, kar bi lahko potovalo hitreje od svetlobe. Po tej teoriji je za to, da se nekaj premika vsaj s svetlobno hitrostjo, potrebna neskončna energija.
Po drugi strani pa, kot kažejo zgoraj omenjeni kozmični žarki, tudi prisotnost velike količine energije ne pomeni možnosti gibanja s hitrostjo svetlobe. Hitrost svetlobe kot trdna omejitev hitrosti je lahko tudi druga razlaga za pomanjkanje komunikacije s tujimi civilizacijami. Če jih omeji tudi hitrost svetlobe, lahko signali potujejo na tisoče let.
Toda ljudje nenehno iščejo načine, kako zaobiti to omejitev hitrosti vesolja. Po predhodnih rezultatih eksperimenta OPERA, ki je bil izveden leta 2011, so se nevtrini premikali hitreje kot svetloba. Toda potem so znanstveniki opazili napake pri organizaciji poskusa in prepoznali nepravilnost teh rezultatov.
Poleg tega bi svet, če bi lahko prenašal snov ali informacije s hitrostjo, ki presega hitrost svetlobe, spremenil svet. Gibanje s hitrostjo, ki presega svetlobno hitrost, lahko poruši vzročnost, razmerje med vzroki in posledicami dogodkov.
Zaradi načina povezave časa in prostora v posebni relativnosti bi gibanje informacij hitreje od svetlobne hitrosti omogočilo človeku, da prejme informacije o dogodku, preden se zgodi ta dogodek, kar je oblika potovanja v času. To bi lahko ustvarilo vse vrste paradoksa, ki jih ne bi znali razrešiti.
7. Ali je mogoče opisati turbulenco?
Ko se vrnemo na Zemljo, lahko rečemo, da je v našem vsakdanjem življenju še vedno veliko težko razumeti. Na primer, poskusite igrati z vodnimi pipami. Če pustite, da voda mirno teče, opazujete znani fizični pojav, vrsto, ki nam je dobro znana, imenovano "laminarni tok". Če pa izklopite pipo v celoti in opazujete vedenje vode, boste imeli primer turbulenc. Turbulenca je v marsičem še vedno nerešen problem v fiziki.
Enačba Navier-Stokes določa, kako naj se gibljeta tekočina, kot sta voda in zrak. Predstavljamo si, da se tekočina razbije na majhne koščke mase. Ta enačba nato upošteva vse sile, ki delujejo na te kose - gravitacijo, trenje, tlak - in poskuša ugotoviti, kako bo to vplivalo na njihovo hitrost.
V primeru enostavnih ali stabilnih tokov lahko najdemo rešitve enačbe Navier-Stokes, ki v celoti opisujejo dani tok. Fiziki lahko nato sestavljajo enačbe za izračun hitrosti pretoka na kateri koli točki. Toda v primeru zapletenih, nemirnih tokov te rešitve morda niso natančne. Z manipulacijo enačb na velikih računalnikih lahko naredimo veliko nemirnih manipulacij s tokom. Tako dobimo grob odgovor brez formule, ki v celoti razloži vedenje tekočine.
Mimogrede, matematični inštitut Clay je za rešitev tega problema ponudil nagrado. Če torej zmorete, lahko dobite milijon dolarjev.
8. Ali je mogoče ustvariti superprevodnik, ki deluje pri sobni temperaturi
Superprevodniki spadajo med najpomembnejše naprave in tehnologije, ki jih je izumil človek. So posebne vrste materiala. Ko temperatura pade dovolj nizko, električni upor materiala pade na nič.
Naši sodobni napajalni kabli izgubljajo veliko električne energije. Niso superprevodniki in imajo električni upor, zaradi česar se segrejejo, ko skozi njih prehaja električni tok.
Toda možnosti superprevodnikov niso omejene na to. Magnetno polje, ki ga ustvari žica, ima moč, ki je odvisna od toka, ki poteka skozi njo. Če najdete poceni način prehajanja zelo visokih tokov skozi superprevodnike, lahko dobite zelo močna magnetna polja. Ta polja se trenutno uporabljajo na velikem hadronskem trkalniku za odboj nabitih delcev, ki se hitro gibljejo okoli njegovega obroča. Uporabljajo se tudi v poskusnih jedrskih reaktorjih, ki bodo v prihodnosti morda postali naš vir električne energije.
Težava je v tem, da lahko vsi znani superprevodniki delujejo le pri zelo nizkih temperaturah (ne višjih od -140 stopinj Celzija). Za njihovo hlajenje na tako nizke temperature je običajno potreben tekoči dušik ali njegov ekvivalent, in to je zelo drago. Zato si mnogi fiziki in strokovnjaki za materiale po vsem svetu prizadevajo pridobiti sveti gral - superprevodnik, ki bi lahko deloval pri sobni temperaturi. Toda tega doslej še nihče ni uspel.
9. Zakaj je več snovi kot antimaterije?
Za vsak delček obstaja enak in nasproten delec, ki se imenuje antidelec. Za elektrone obstajajo pozitroni. Za protone obstajajo antiprotoni. Itd.
Če se delček dotakne proti delcu, se uniči in spremeni v sevanje. Včasih se spremeni v kozmične žarke. Antimaterija se lahko ustvari tudi v pospeševalcih delcev s stroški nekaj trilijonov dolarjev na gram. Toda na splošno se zdi, da je v našem vesolju zelo redko. To je prava skrivnost. Vsi znani procesi, ki pretvorijo energijo (sevanje) v materijo, proizvajajo enako količino snovi in antimaterije. Če torej v vesolju prevladuje energija, zakaj ne ustvari enakih količin snovi in antimaterije?
Obstaja več teorij, ki pojasnjujejo to. Znanstveniki, ki preučujejo interakcije med delci na Velikem hadronskem trkalniku, iščejo primere "kršitve CP". Če bi do tega prišlo, bi lahko te interakcije pokazale, da so fizikalni zakoni pri delcih snovi in antimateriji različni. Potem lahko domnevamo, da lahko obstajajo procesi, za katere obstaja večja verjetnost, da bodo proizvajali materijo, ne pa antimaterijo, zato je v vesolju več snovi.
Druge, manj verjetne teorije imajo lahko celine vesolja, kjer prevladuje antimaterija. Toda te teorije bodo morale razložiti, kako je prišlo do ločevanja materije in antimaterije in zakaj ne vidimo velikih mas sevanja, ki se sprostijo ob trku tako snovi kot antimaterije. Če torej ne najdemo dokazov o protimožarnih galaksijah, se zdi kršitev CP v zgodnjem vesolju najboljša rešitev. A še vedno ne vemo, kako deluje.
10. Ali lahko imamo enotno teorijo?
V 20. stoletju sta bili razviti dve veliki teoriji za razlago številnih pojavov v fiziki. Ena je bila teorija kvantne mehanike, ki je podrobno opisala vedenje in interakcije drobnih, subatomskih delcev. Kvantna mehanika in standardni model fizike delcev sta razložila tri od štirih fizičnih pojavov v naravi: elektromagnetizem in močne in šibke jedrske sile.
Druga velika teorija je bila Einsteinova splošna teorija relativnosti, ki razlaga gravitacijo. V tej teoriji se gravitacija pojavi, ko prisotnost mase upogne prostor in čas, zaradi česar se delci premikajo po ukrivljenih poteh zaradi ukrivljene oblike vesolja. Lahko razloži stvari, ki se dogajajo v največjem obsegu, na primer nastajanje galaksij.
Obstaja samo ena težava. Ti dve teoriji sta nezdružljivi. Kolikor vemo, sta obe teoriji pravilni. A zdi se, da ne delata skupaj. In ker so fiziki to spoznali, so iskali neko rešitev, ki bi jih lahko združila. Ta odločitev se je imenovala Velika združena teorija ali Teorija vsega.
Znanstveniki so navajeni na teorije, ki delujejo le v določenih mejah. Fiziki upajo, da bodo presegli njihove omejitve in bodo videli, da sta teorija kvantne mehanike in splošne relativnosti del večje teorije, kot krpa odeje. Teorija strun je poskus poustvariti značilnosti splošne relativnosti in teorije kvantne mehanike. Toda njegove napovedi je težko preizkusiti s poskusi, zato jih ni mogoče potrditi.
Iskanje temeljne teorije - teorije, ki lahko razloži vse - se nadaljuje. Mogoče je ne bomo nikoli našli. Če pa nas je fizika česa naučila, je to, da je vesolje resnično čudovito in da je v njem vedno prostor za nova odkritja.
Glede na članek s spletnega mesta listverse.com - prevedel Sergey Maltsev