Cele mai mari 10 puzzle-uri fizice din timpul nostru

Cunoaștere: Cele mai mari 10 puzzle-uri fizice din timpul nostru

Când Max Planck și-a exprimat dorința de a studia fizica unui profesor de fizică la sfârșitul secolului al XIX-lea, i s-a spus că practic totul era cunoscut. Există doar lacune nesemnificative de completat în fizică. Planck nu a fost descurajat și, în calitate de cofondator al fizicii cuantice, a revoluționat imaginea noastră despre lume.

mari

Acum este incontestabil că fizica este departe de a fi terminată. Cu cât cunoștințele sunt mai extinse, cu atât sunt mai mari puzzle-urile! Acestea sunt cele zece preferate ale noastre printre cele mai mari puzzle-uri din fizică:

Nenumărate particule minuscule plouă constant asupra noastră din spațiu. Printre ei sunt și câțiva care foșnesc aici cu o energie uimitor de mare. Oamenii de știință au fost atât de uimiți de descoperirea lor din 1991 încât au numit particulele „Oh-My-God-Particles” sau „OMG-Particles”. Originea sa este misterioasă și energia sa este alarmant de mare: depășește cea a particulelor obișnuite din spațiu cu aproximativ 20 de milioane de ori. A fi lovit de o particulă OMG s-ar simți ca a fi lovit puternic de baseball. Din fericire, particulele sunt foarte rare și, de asemenea, sunt încetinite devreme de atmosferă.

Radiația cosmică provine în mare parte din atmosfera stelelor, explozii de supernove sau diverse procese cu energie ridicată. Astrofizicienii suspectează că anumite galaxii sau miezuri de galaxii, așa-numiții quasari, sunt originea particulelor OMG. Au descoperit recent că particulele par să provină din direcția unui anumit grup de galaxii. Dar dacă particulele ar veni cu adevărat de acolo, ar pierde prea multă energie în călătoria lor către Pământ și nu ar ajunge aici în acest ritm rapid - o contradicție evidentă.

Cercetătorii s-au gândit la supraconductori la temperaturi ridicate de la descoperirea acestor materiale în urmă cu 27 de ani: conduc electricitatea fără rezistență și la temperaturi la care acest fenomen nu ar trebui să se producă.

Când curentul electric curge prin cablurile noastre, o parte din energie se pierde întotdeauna. Acest lucru nu este cazul superconductoarelor: acestea conduc fără pierderi de energie, cu condiția să fie răcite cu mult sub zero grade. Spre deosebire de supraconductivitatea la temperaturi ridicate, se înțelege principiul de bază. Se bazează pe formarea perechilor de electroni, așa-numitele perechi Cooper. Astfel de perechi se pot forma la temperaturi foarte scăzute și pot migra prin materialul conductor fără rezistență. Fizicienii suspectează mecanisme similare în superconductorii la temperaturi ridicate, dar nu au reușit încă să prezinte un model exact. Dar chiar dacă s-ar înțelege fenomenul, utilizarea acestor conductori ar fi limitată. Termenul „temperatură ridicată” trebuie văzut relativ: temperaturile ambiante la care prezintă proprietăți supraconductoare sunt încă foarte scăzute, sunt minus 140 grade Celsius și mai reci. Cu toate acestea, în viitor, supraconductorii la temperaturi ridicate ar putea deveni o alternativă la conductorii convenționali, cel puțin în cadrul aplicațiilor speciale. Și cine știe, poate se vor deschide noi posibilități odată ce ați înțeles cum funcționează.

Sună monstruos: o gaură întunecată care înghite în mod misterios totul. Astrofizicienii le numesc găuri negre, dar nu știu exact cum să descrie aceste structuri fizic. Ele apar atunci când o stea foarte masivă și-a consumat energia și se prăbușește din cauza gravitației. Conform teoriei relativității, această masă incredibil de compactă deformează spațiul și timpul atât de puternic încât totul este „înghițit” pentru a nu mai fi văzut. O mare problemă se ascunde aici. Pentru că o gaură neagră ar putea apoi să distrugă informațiile. Cu toate acestea, mecanica cuantică susține că orice informație care a fost acolo, adică configurația originală a particulelor, poate fi întotdeauna reconstruită din produsele finale. Dar dacă produsul final tocmai a dispărut? Informațiile ar fi apoi irevocabil pierdute. Mulți fizicieni au făcut acest paradox al existenței găurilor negre discutabil. Alții speculează că o deformare foarte puternică a timpului și a spațiului ar putea crea bucle spațiu-timp închise. Acestea ar face posibilă călătoria în timp. Cercetare vizionară sau doar science fiction? Găurile negre rămân un capitol inexplicabil și fascinant în fizică.

Turbulențele - adică vârtejul de lichide sau gaze - s-au dovedit a fi o piuliță incredibil de dură pentru fisicieni. De mai multe decenii, ei au căutat un model teoretic care să descrie pe deplin astfel de mișcări turbulente. Fara succes. Turbulența este un fenomen atât de cotidian: când bate vântul, apa fierbe pe aragaz sau amestecăm laptele în cafea. Toate mișcările turbulente fac parte din dinamica neliniară, căreia îi aparține și cercetarea haosului. Sistemele de acest fel sunt extrem de sensibile. Tulburări mici sau condiții minim modificate la început pot duce la un comportament complet diferit. Acest lucru face (până acum) imposibilă prezicerea dezvoltării unei mișcări turbulente pe termen lung. Cu toate acestea, fizicienii continuă să caute cu răbdare legile universale inerente oricărei turbulențe. O descriere valabilă în general ar avea o mare importanță, deoarece ar putea fi utilizată într-o mare varietate de domenii: în prognoza meteo, minimizarea rezistenței aerului, în vehicule complicate sau chiar în cercetarea formării galaxiilor.

Universul nostru nu ar exista fără gravitație - dar modul în care funcționează nu a fost încă clarificat în mod concludent. Pare atât de evident: ne ține pe pământ, planetele pe orbita lor și galaxiile împreună. Isaac Newton recunoscuse deja la sfârșitul secolului al XVII-lea că mulțimile se atrag reciproc. Conform teoriei relativității lui Einstein, totuși, este puțin mai complicată: gravitația nu acționează direct între corpuri, dar masa unui corp deformează inițial doar spațiul și timpul. Prin urmare, universul are o mulțime de lovituri și umflături. Corpurile tind spre lovituri, ceea ce pentru noi se arată în cele din urmă în atracția mulțimilor. Pentru a verifica această teorie, fizicienii caută așa-numitele unde gravitaționale. Acestea ar trebui să fie emise de mase accelerate, răspândite prin spațiu cu viteza luminii și întindeți-le și comprimați-le. Cu toate acestea, până acum au fost găsite doar dovezi indirecte ale existenței lor.

De asemenea, nu este clar dacă există o particulă de gravitație de schimb, care acționează ca un fel de purtător de forță - similar cu cazul celorlalte trei forțe fizice de bază. Unele teorii postulează așa-numitul graviton pentru aceasta. Cu toate acestea, deoarece forța transmisă este foarte mică, nu a fost încă posibil să se demonstreze existența gravitonilor. Fizicienii nu pot înțelege de ce gravitația este atât de slabă în comparație cu celelalte trei forțe de bază - acest fapt duce chiar la probleme considerabile în modelele fizice. O mulțime de întrebări, cu greu răspunsuri. Gravitația este și va rămâne un mister pentru moment!

10, 11 sau chiar 26 - cine oferă mai multe? Aproape că se pare că fizicienii excelează în modelele lor cu numărul de dimensiuni. Dar cum arată? Este dificil să ne imaginăm că, pe lângă cele trei dimensiuni spațiale de sus-jos, față-spate și stânga-dreapta există și alte dimensiuni. Albert Einstein a fost primul care și-a dat seama că trebuie să adăugăm timp ca a patra axă la sistemul de coordonate tridimensional X-Y-Z pentru a descrie realitatea într-un mod mai corect matematic. Acest spațiu-timp în patru dimensiuni a fost o revoluție în fizică.

Nu a existat încă o continuare: nici o dimensiune suplimentară nu a fost dovedită experimental. Dar asta nu împiedică fizicienii să introducă dimensiuni suplimentare într-un mod aproape inflaționist. La fel de diferite ca teoriile, la fel de diferite ca numărul: Dacă teoria corzilor se descurcă în continuare cu zece dimensiuni, teoria M și gravitația cuantică în buclă necesită unsprezece și teoria coardelor bosonice chiar și 26. Pentru un concept de realitate ar fi totuși foarte util, pentru a cunoaște numărul exact de dimensiuni și impactul acestora asupra lumii. Dar până acum nu se înțelege nici măcar natura celei de-a patra dimensiuni, timpul.

Soarele, luna și stelele - corpurile cerești care ne sunt familiare nu sunt în niciun caz tot ceea ce cavortează în univers. Conform stării actuale a cunoașterii, universul nostru constă doar în aproximativ cinci la sută din materia cu care suntem familiarizați. Fenomenele astronomice vorbesc în favoarea acestei presupuneri: De exemplu, forța centrifugă ar îndepărta imediat galaxiile rotative, dacă nu ar fi o materie invizibilă care ține galaxiile laolaltă. Nu știm cum arată această așa-numită materie întunecată. Pentru că în afară de indirect - prin efectul său gravitațional - nu a fost încă dovedit. Astronomii estimează că aceasta reprezintă aproximativ 27% din masa universului.

Se presupune că cea mai mare proporție a masei se află în spatele unei forme de energie necunoscute anterior. Ca urmare a efectului gravitațional al maselor, universul ar trebui să se extindă din ce în ce mai lent. Dar opusul este cazul. Cercetătorii speculează că există o forță motrice în spatele expansiunii tot mai rapide, așa-numita energie întunecată. Contracarează gravitația și continuă să umfle universul. Deoarece energia poate fi întotdeauna privită ca masă, contribuția energiei întunecate la masa totală a universului poate fi calculată: contribuie în jur de 68%. Prin urmare, universul este plin de materie care nu este doar închisă percepției noastre, ci și tuturor metodelor sofisticate de detectare de până acum!

Nu ar fi frumos să existe o singură teorie din care să poată fi derivate toate legile fizicii? Mulți fizicieni celebri, inclusiv Einstein, au găsit ideea nu numai tentantă, dar plauzibilă. Cu toate acestea, căutarea dvs. pentru această „formulă mondială” a fost în zadar. Cu toate acestea, chiar și astăzi mulți oameni de știință sunt încă convinși că trebuie sau cel puțin ar putea exista o singură teorie unificatoare. Primul mare pas ar fi așa-numita „Marea Teorie Unificată” (GUT). Se intenționează să derive trei dintre cele patru forțe fizice de bază dintr-o singură forță elementară: (i) electromagnetică, (ii) interacțiunea slabă care este implicată în procesele de descompunere și transformare și (iii) interacțiunea puternică care ține împreună nucleii atomici. Deoarece aceste trei forțe au o structură matematică similară, fizicienii suspectează că este probabil existența GUT.

În formula lumii propriu-zise sau „Teoria Totului” (TOE) ar trebui să se includă și a patra forță, gravitația. Așteptările TOE sunt mari: ar trebui să explice natura materiei întunecate și a energiei întunecate, precum și multe fenomene din istoria universului nostru. Candidații fierbinți pentru o formulă mondială sunt teoria M (o teoria generalizată și extinsă a șirurilor) și gravitația cuantică în buclă. Ambele teorii, cu toate acestea, încă se confruntă cu probleme semnificative și sunt departe de a putea servi drept descrieri atotcuprinzătoare. Este dificil să cauți ceva care nu știi dacă există de fapt.

Poate suna ca magie: particule care se află în mai multe locuri în același timp sau care sunt conectate între ele la distanță. Totuși, în cazul particulelor mecanice cuantice, aceasta este realitate și este denumită nelocalitate și încurcătură. Acesta din urmă a fost denumit în mod batjocoritor de Einstein drept „acțiune înfricoșătoare la distanță”, deoarece la acel moment fenomenele menționate nu erau compatibile cu fizica valabilă anterior. În încurcătură, două particule care au apărut anterior ca o pereche sunt încă conectate între ele după separarea lor spațială. Măsurătorile pe o particulă au un efect imediat asupra stării celeilalte particule fără întârziere.

Mai mult, nu se pot da poziții exacte pentru particulele mecanice cuantice. În schimb, o formulă matematică oferă doar probabilitatea cu care o particulă se află la diferitele locații din spațiu. Realitatea mecanică cuantică este deci o suprapunere a multor stări. Astfel de fenomene au fost dovedite de multe ori în experimente, iar mecanica cuantică a furnizat, de asemenea, modelele teoretice adecvate. Cu toate acestea, nimeni nu știe în ce măsură fenomenele mecanice cuantice fac de fapt parte din realitatea noastră și ce consecințe ar avea: Este totul conectat? Și există chiar universuri paralele în care se realizează toate stările posibile mecanic cuantice? Astfel de speculații au dus deja la multe controverse în rândul fizicienilor. Totuși, un lucru este sigur: mecanica cuantică ne arată limitele intelectului nostru. Probabil că lumea are o structură complet diferită decât credem, bazată pe experiența noastră de zi cu zi. Aceasta ar fi o posibilă explicație de ce anumite lucruri ni se par magice.

Cum a început totul și cum se termină? Există chiar începutul și sfârșitul? Nu numai filozofii sunt preocupați de aceste întrebări. Pentru fizicieni, atât istoria, cât și viitorul universului sunt probabil cel mai elementar puzzle din fizică. Teoria big bang-ului este considerată relativ sigură și spune că totul - materia, spațiul și timpul - a apărut dintr-un punct incredibil de dens, așa-numita singularitate. Dar chiar dacă există multe indicații pentru această teorie, o descriere fizică a acestei stări originale nu a fost încă găsită și nici nu a fost găsită pentru primele fracțiuni de secundă după „Big Bang”. Când vine vorba de întrebarea despre soarta universului nostru, un răspuns concret nu este mai bun. Un lucru este cert: în prezent se răspândește. Dar cât de mult nu este clar. S-ar putea să nu se oprească niciodată. Poate că universul se străduiește și spre o etapă finală staționară sau chiar există o inversare a procesului de expansiune. Consecința acestuia din urmă ar fi o comprimare reînnoită a universului - posibil înapoi la o singularitate. Și poate atunci totul va începe din nou. Acest lucru ar sugera cel puțin ce s-a întâmplat înainte de Big Bang.