8 più grandi misteri della fisica che sono ancora irrisolti

1. Perché il tempo scorre solo in avanti

In fisica esiste il concetto di "freccia (o asse) del tempo". Descrive lo scorrere del tempo dal passato al futuro. E ci sono molte prove che il tempo favorisce una certa direzione.

Secondo la seconda legge della termodinamica, in un sistema isolato, l'entropia (una misura del disordine) aumenterà con il tempo. Questo significache i processi in natura di solito procedono in una direzione in cui l'energia è distribuita in modo più uniforme e il sistema diventa più disordinato.

Ad esempio, quando rompiamo un uovo, non si rigenera da solo. Non puoi tornare indietro nel tempo e fare le cose come prima. L'entropia è spietata.

Inoltre, secondo la teoria generale della relatività, nel tempo, l'Universo si espande. Le osservazioni mostrano che in passato ha attraversato uno stato di alta densità e bassa entropia (questo evento chiamiamo "Big Bang") e si sta muovendo verso uno stato futuro di alta entropia.

In generale, è facile vedere che il tempo è irreversibile e si muove sempre in una direzione. E gli scienziati non capiranno mai perché è così. Ed è possibile che anche il tempo scorra all'indietro?

2. Cos'è l'energia oscura

L'universo si sta espandendo. Lo fa proprio come un pallone, solo più veloce della velocità della luce.

Negli anni '90, gli astronomi scopertoche l'espansione dell'universo aumenta solo nel tempo e non rallenta sotto l'influenza della gravità, come dovrebbe essere in teoria. Questa osservazione ha portato a suggerire che esiste una qualche forma di energia che si oppone alla gravità e contribuisce all'espansione accelerata dell'universo.

Presumibilmente energia oscura riempie l'intera struttura spazio-temporale dell'Universo ed è la componente principale del suo contenuto energetico. Ma non può essere direttamente osservato o misurato.

Il 74% del nostro Universo è energia oscura, il 22% è materia oscura, il 3,6% è gas intergalattico e un altro 0,4% è stelle, pianeti e altre piccole cose banali e poco interessanti.

Perché l'allineamento è in questo modo non è chiaro.

Anche la natura stessa dell'energia oscura lo è resti un mistero per la scienza. Ce ne sono vari teorieche cercano di spiegarne l'origine, compresi i concetti del vuoto quantistico e della costante cosmologica.

Nel frattempo, l'energia oscura è di grande importanza per comprendere le proprietà fondamentali dell'Universo e il suo destino futuro. Dipende da questo se l'espansione dell'Universo continuerà indefinitamente, rallenterà o addirittura si invertirà in futuro.

3. Cos'è la materia oscura

Il buio è un'ipotetica forma di materia che non interagisce con la radiazione elettromagnetica e quindi non emette, assorbe o riflette la luce. Non può essere rilevato con i nostri strumenti e strumenti ordinari, motivo per cui è chiamato così.

Ma ce ne sono molti prova l'esistenza della materia oscura nell'universo. Si basano sull'influenza gravitazionale che ha sugli oggetti visibili.

La materia oscura, sebbene invisibile, influenza il movimento di stelle, galassie e ammassi di galassie.

Ricerca astronomica spettacoloche questi oggetti si muovono come se fossero interessati da una massa aggiuntiva, e questo non può essere spiegato dalla quantità di materia che osserviamo. Pertanto, la materia oscura tiene insieme galassie e altre strutture giganti sotto l'influenza della sua forza gravitazionale.

In generale, i fisici non capiranno cos'è la materia oscura, di quali particelle è composta, quali sono le sue proprietà e se esiste. Forse il comportamento osservato di stelle e galassie non è correlato a nessuna materia ed è solo la stranezza della gravità. La scienza non l'ha ancora capito.

4. Perché le costanti fondamentali sono così?

Le costanti fondamentali sono valori numerici che caratterizzano le proprietà fisiche e le interazioni nell'universo. Sono di base e non dipendono da specifici sistemi di unità.

Le costanti determinano le proprietà fondamentali e le leggi della natura, influenzando la struttura e lo sviluppo dell'universo nel suo insieme. Tutti questi numeri intorno alle 25. Tra loro:

• La velocità della luce nel vuoto (c) - determina la velocità massima alla quale le informazioni o le interazioni possono propagarsi nell'universo.
• La costante di Planck (h), o quanto d'azione, - determina la relazione tra l'energia e la frequenza di particelle e onde, conducendo il confine tra il macrocosmo, dove si applicano le leggi della meccanica newtoniana, e il microcosmo, dove entrano in vigore le leggi della meccanica quantistica. meccanica.
• Costante di gravità (G) - determina la forza dell'interazione gravitazionale tra le masse e influenza la struttura e il movimento degli oggetti nell'universo.
• Massa di un elettrone (mₑ).
• Carica elementare (e).
• Costante cosmologica (Λ), detta anche fondamentale.

E gli scienziati non riescono a capire perché tutti questi numeri abbiano esattamente i significati che hanno, e non altri.

Forse possiamo osservare solo significati compatibili con la nostra esistenza, perché vita potrebbe avere origine solo in un tale universo. Questo è chiamato il principio antropico.

Ad esempio, la costante di struttura fine, solitamente indicata con la lettera "alfa", definisce forza delle interazioni magnetiche. Il suo valore numerico è di circa 0,007297. Se i numeri fossero diversi, potrebbe non esserci materia stabile nel nostro Universo.

Eppure, i fisici si interrogano su come cambierebbe l'Universo con altri parametri fisici. Esistere ipotesi, secondo il quale i valori delle costanti fondamentali sono casuali e determinati dalle fluttuazioni nell'universo primordiale - solo un insieme di numeri. Questa ipotesi implica che ci sono molti Universi con diversi valori delle costanti. E siamo solo fortunati ad essere in quello in cui questi valori sono più adatti allo sviluppo della vita.

5. Cosa sta succedendo nei buchi neri

Buchi neri Queste sono aree dello spazio esterno con una gravità incredibilmente forte. Al di là del buco nero, il cosiddetto orizzonte degli eventi, l'attrazione gravitazionale è così forte che nessuna materia, nemmeno la luce, può sfuggire.

Al centro di un buco nero, secondo i fisici, c'è una singolarità: un punto con densità infinita e un campo gravitazionale infinitamente forte. Ma cos'è, come potrebbe apparire e come funziona esattamente, nessuna teoria può spiegarlo.

Alcuni scienziati anche suggerireche la singolarità potrebbe non essere un punto, ma potrebbe avere forme diverse - questo è vero per i buchi neri rotanti. Il cosiddetto buco nero di Kerr, un ipotetico oggetto descritto dal matematico e astrofisico Roy Kerr, ha una singolarità anulare. Sarà persino possibile volare attraverso un tale buco e sopravvivere. In teoria.

Ma per descrivere accuratamente i processi fisici all'interno della singolarità, è necessaria una teoria unificata gravità e la meccanica quantistica, che non è stata ancora sviluppata.

6. Perché c'è così poca antimateria nell'universo?

Nella materia ordinaria, le particelle elementari, come elettroni e protoni, hanno rispettivamente cariche negative e positive. Nell'antimateria, queste cariche sono invertite: gli antielettroni (chiamati anche positroni) sono caricati positivamente, mentre gli antiprotoni sono caricati negativamente.

antimateria ha le stesse proprietà fisiche di quella ordinaria, inclusa la massa, lo spin e altre caratteristiche delle particelle. Ma quando un'antiparticella incontra una corrispondente ordinaria, possono annichilarsi a vicenda, trasformandosi in pura energia.

Un litro di una specie di anti-idrogeno, a contatto con l'aria, puzzerà come una bomba atomica.

Com'è bello che la quantità massima di antidrogeno che sono riusciti a ottenere sintetizzare scienziati alla volta - 309 atomi.

Osservazioni astronomiche spettacoloche l'universo e anche il più lontano stelle e le galassie sono fatte di materia, e c'è pochissima antimateria in essa. Questa differenza tra il numero di barioni (particelle composte da tre quark) e antibarioni (antiparticelle composte da tre antiquark) nel nostro universo è chiamata asimmetria barionica.

Se l'Universo fosse completamente simmetrico, allora il numero di barioni e antibarioni dovrebbe essere uguale e osserveremmo intere galassie di antimateria. Tuttavia, in realtà, tutto è fatto di barioni e gli antibarioni devono essere sintetizzati negli acceleratori di particelle non solo da un cucchiaino, ma da un atomo. Pertanto, l'antimateria è il massimo cosa costosa nel mondo.

Secondo il modello standard delle particelle elementari, subito dopo il Big Bang, ci sarebbe dovuto essere un numero uguale di quark e antiquark nell'universo. Tuttavia, è successo qualcosa, cosa esattamente non è chiaro, ma quasi tutti gli antibarioni annientato, e la materia si è formata dai restanti barioni. È, infatti, ciò di cui è costituito l'universo. E tu, tra l'altro, anche tu. E scienziati che ancora non riescono a capire perché ci sia così poca antimateria nello spazio.

7. Il vuoto è stabile?

Il vuoto è lo spazio con l'energia più bassa possibile, ma contrariamente al suo nome, non è completamente vuoto. Contiene ancora campi quantistici che determinano il comportamento delle particelle elementari. Scienziati credereche il vuoto vero, o fisico, che conosciamo è lo stato più stabile dell'universo, poiché è considerato il minimo globale di energia.

Tuttavia, in teoria esiste la possibilità che lo stato del vuoto fisico sia una configurazione di campi quantistici, che è solo un minimo di energia locale e non globale. Cioè, il vuoto che possiamo osservare nello spazio profondo o creare in laboratorio è “falso”. Quindi, ci può essere "vero".

E se esiste un "vero" vuoto, siamo in grossi guai.

Se assumiamo che il nostro Universo sia in uno stato di vuoto non "vero", ma "falso", diventa possibile il processo del suo decadimento verso uno stato più stabile. Le conseguenze di un tale processo possono essere le più terrificante e variano da sottili cambiamenti nei parametri cosmologici che dipendono dalla differenza di potenziale tra "falso" e "vero" vuoto, fino alla completa cessazione del funzionamento delle particelle elementari e fondamentali forze.

Se da qualche parte nello spazio appare una bolla di vuoto "reale", ciò può portare alla completa distruzione della materia barionica o persino a un collasso gravitazionale istantaneo dell'Universo.

Insomma, speriamo che il nostro aspirapolvere sia il più affidabile al mondo. Cos'altro è rimasto?

8. Quale sarà la fine dell'universo

E poiché stiamo parlando di questioni globali così entusiasmanti come il collasso gravitazionale dell'Universo: i fisici hanno compilato elenco le cose più interessanti che potrebbero accadere nello spazio in futuro, ma non decidere mai quale scenario è più probabile.

Secondo la teoria del Big Bang, l'universo sorsero circa 13,8 miliardi di anni fa da uno stato denso e caldo chiamato singolarità, e da allora tutto è cresciuto e si è raffreddato. Questa teoria spiega bene una serie di fenomeni osservati, come la radiazione cosmica di fondo e l'espansione universo. Ma cosa succederà dopo? Scegli quello che ti piace di più:

• calore morte. All'interno di questo concetto ipoteticoche nel tempo l'universo diventerà sempre più freddo e uniforme. L'energia in essa contenuta si esaurirà, tutti i processi, come la formazione di stelle e il moto termico, rallenteranno e si fermeranno. Ciò porterà a uno stato di massima entropia, quando tutte le particelle saranno in uno stato di equilibrio e non saranno possibili ulteriori eventi nell'Universo.
• grande differenza. Universo Continuerà espandere. Ciò significa che le galassie e altri oggetti spaziali si allontaneranno sempre più gli uni dagli altri. Se non cambia nulla, in un lontano futuro le forze gravitazionali non saranno più abbastanza forti da resistere alla pressione dell'energia oscura. Ciò porterà al fatto che a tutti i livelli della struttura all'interno dell'Universo, comprese le galassie, le stelle e gli atomi, ci sarà una forza che supera la loro stessa forza di attrazione. Di conseguenza, tutti gli oggetti verranno gradualmente suddivisi in particelle separate.
• Grande stretta. Secondo questo scenario, l'espansione dell'universo, causata dal Big Bang, rallentare e alla fine si inverte. L'attrazione gravitazionale tra galassie, stelle e pianeti diventerà la forza dominante. La distanza tra loro continuerà a diminuire fino a quando l'Universo non collasserà nuovamente in una singolarità, dove la densità e la temperatura diventeranno infinitamente alte. E non è lontano dal nuovo Big Bang.

Ma che tipo di destino attende spazio, non è ancora chiaro. Per favore, aspetta ancora qualche migliaio di miliardi di anni.