1900 жылы британдық физик Лорд Кельвин мәлімдеді: «физикада жаңа ештеңе жоқ, ашылуы мүмкін барлық нәрсе ашық. Енді ескі нағыз дәл өлшеу болып қалады. « Соңғы үш онжылдықта физика қателескенін көрсетті: кванттық механика және ғылымдағы революцияларды шығарған Эйнштейннің салыстырмалық теориясы. Бүгінгі күні ешқандай физика ғаламның бәрін білетінімізді айтуға батыл болмайды. Керісінше, әрбір жаңа табылған Пандора қорабын физика туралы тереңірек сұрақ тудырады. Бұл мақалада физикадағы сұрақтар әлі де жауапсыз қалады.

Қараңғы заттар мен энергия

Қаншалықты ғалымдар қазіргі физика заңымен біздің ғаламымызға түсіндіруге тырысса да, олар сәтсіздікке ұшырайды. Егер тек көрінетін зат есепке алынады, онда гравитация галактиканы бөліктерге бөле алмайды. Әлемдегі галактикалардың тұрақтылығын түсіндіру үшін қара материя енгізілді - электромагниттік сәулеленуді шығармайтын және қарапайым затпен ауырлық дәрежесі арқылы ғана өзара әрекеттесетін гипотетикалық зат. Өкінішке орай, «қараңғы заттар» термині қазірдің өзінде 90 жаста болғанымен, ол әлі анықталған жоқ, дегенмен ол әлеуетті үміткерді тапқан болса да, ол толықтай тұрады.

Әдеттегідей, қара материя қазіргі физика мен бақыланатын құбылыстардың барлық сәйкессіздіктерін түсіндіру үшін жеткіліксіз. Сондықтан Әлемнің кеңеюін түсіндіру үшін қараңғы энергиясы енгізілді, яғни космологиялық тұрақты - яғни, бүкіл Әлем бойынша біркелкі бөлінген тұрақты энергия тығыздығы. Ең қызығы, біз үшін таныс зат массасы бойынша тек 4% Әлемді алады, қараңғы заттар 22%, қараңғы энергия 74% құрайды. Мұндай бөлу арқылы біз оның іздерін табуымыз керек, бірақ, өкінішке орай, бұл әлі күнге дейін орын алған жоқ.

Уақыт неге ғана алға жылжиды?



Мүмкін, бұл сұрақты көптеген адамдар сұраған шығар, себебі мен қайтып келіп, бірдеңені түзетуге тура келеді. Физиктер ғаламның хаос өлшемі бойынша, тек қана энтропия арқылы ғана алға қарай бағытталған бұл «уақыт көрсеткішін» түсіндіруге тырысты. Біз жасамаған барлық нәрселер энтропияның өсуіне алып келеді: термодинамиканың екінші заңы. Жұмыртқасы тұтастай алғанда төмен ентропияға ие. Оны шөпке айналдырып, оны көбейтеді. Бірақ қабығы мен сарысын ақшаны жинап, оны желімдеу мәселесі қалай көрінеді? Өйткені, бұл арқылы энтропияны азайтуға және жұмыртқаға арналған «уақыт машинасын» жасауға болады.

Өкінішке орай, бұл - ақыр аяғында жұмыртқаларды «жинау» үшін белгілі бір мөлшерде энергия жұмсайсыз, демек, сіз бүкіл Әлемнің толық энтропиясын арттырасыз. Бұл сұрақтың жауабы сияқты көрінеді: өйткені бойымыздағы энтропия мен уақыт бір-бірімен байланысты, ал бойымыздағы өсім тек қана алға жетуі мүмкін, ал уақыт тек алға баса алады. Бірақ тіпті мұнда да көп нәрсе бар: болашақта Әлемнің тепе-теңдігі мен энтропияға жетуі - бұл біртекті және қараңғы, жұлдызсыз және галактикасыз болады. Ондағы энтропия мәңгілікке айналады - уақыт да солай ма? Шынында да, мұндай әлемде, ол қай жерде ағын болса да, ештеңе өзгермейді!

Екінші жағынан, Үлкен Бангтан Әлемнің басталуын еске түсірейік, ол кезде энтропия ең аз болатын, содан бері үнемі өсіп келеді. Сұрақ туындайды - неліктен бұлай болып жатыр, керісінше емес? Өкінішке орай, біз бұл сұрақтың жауабын білмейміз. Уақыт пен энтропияның өзара байланысы, әрине, қызықты, бірақ әлі күнге неге уақытыңызды алға және тек алға жылжытатын сұраққа жауап бермейді.

Параллельдер бар ма?



Астрофизиктер ірі ауқымда кеңістіктік уақыттың тегіс, қисық емес, яғни шексіз екендігін болжайды. Дегенмен, біз көріп, Әлемді атайтын аймақ өте ақырлы және тек 41 миллиард жарық жылына созылады. Және бұл біздің Әлемнің барлық бөлшектерін өте үлкен болса да (10 ^ 10 ^ 122 градус) біріктіретінін білдіреді, бірақ әлі де соңғы санымен. Егер ғарыштық уақыт шексіз болса, онда онда әртүрлі ғаламның шексіз саны болады және біздің Әлемнің ақыры болғандықтан, оның көшірмелерінің шексіз саны болады. Және сізде йогуртпен емес, ірімшік сэндвичімен таңдалған дәмді көшірмелер саны. Бірақ, әрине, бұл таза математикалық есептеулер, біз мүлдем тексере алмаймыз, сондықтан бұл сұрақ қалады.

Неліктен антисементерден артық заттар бар?

Көпіршікті камерада анықталған алғашқы позитронның ізі.

Біздің таныс әлемімізде электрон теріс зарядты, ал протон оң. Бұл басқа жолмен бола ма? Толық: соңғы 50 жылда ғалымдар антипротондар мен позитрондарды (антиэлектрондар) құрады, олар тек қана «қалыпты» бауырлардан тек қана жауапты және барион санынан айырмашылығы бар (яғни позитрон оң ​​зарядталған). Бөлшектер антибактериалмен соқтығанда, олар жойылып, үлкен көлемде энергия шығарады.

Бірақ осыдан түбегейлі мәселе туындайды: егер зат және антиматтер мүмкін болса, онда Үлкен жарылыстан кейін олар бірдей бөлінуі керек еді. Әрине, олар толығымен жойылады, ал ғалам бос болады (жақсы, дерлік бос - тек фотондар қалады). Және біз бар болғандықтан, бұл дегеніміз, мәселе антисематикен көп пайда болды. Неліктен? Ешкім білмейді.

Кванттық толқындардың функцияларын өлшеу қалай жүзеге асырылады?

Микроұяшық мүлдем жұмыс істемей тұрғандай жұмыс істемейді. Бөлшектер шарларға ұқсамайды, бірақ толқындар сияқты. Бөлшектердің әрқайсысы толқынды деп аталатын функциямен сипатталады - бұл ықтималдықтың таралуы, ол тек оның орналасу орны, жылдамдығы және басқа қасиеттері туралы болуы мүмкін.

Шын мәнінде, бөлшектердің әр қасиет үшін мәндердің ауқымы бар - тек осы сипатты өлшегенше ғана. Мысалы, бөлшектердің орналасқан жерін білгіңіз келсе, онда толқын функциясы құлап түседі және әртүрлі орындардың орнына біреу ғана пайда болады, ол біз қолданатын шындықты қалыптастырады. Өлшеу мәселесі деп аталатын бұл парадокс шешімсіз қалады.

Қара шұңқырдың ішінде не болады?



Қара тордың ішіндегі ақпарат қайда жоғалады? Егер сіз зондты лақтырсаңыз, онда сіз оның деректерін ала алмайсыз, өйткені қара дырыдан құтылу жылдамдығы жарық жылдамдығынан үлкен. Бірақ қара саңылаулар мәңгі емес - Hawking радиациясы бар, соның арқасында олар баяу буланып, нәтижесінде мүлдем жоғалады. Бұл ретте, радиацияның өзі тек қара дыры (массасы, айналу жылдамдығы және т.б.) сипаттамаларына тәуелді болады, яғни қара зондыға, зондқа немесе сол массасы бар тасқа не тастасаңыз да, біздің зондымыз туралы деректер толықтай жоғалады , шығыс радиациясы дәл осындай болады.

Бірақ біз кванттық физика бойынша қайшылыққа келеміз: кванттық ақпарат жоғалмайды және көшіруге болмайды, және кез-келген объектінің (мысалы, зонд) бастапқы жағдайы туралы толық ақпаратты білсеңіз, кез-келген кейінгі есептелуі мүмкін. Қара шұңқырдың көмегімен «шайнайтын» заттар бар, ол барлық ақпаратты жоғалтады - парадокс, оның шешімі кванттық ауырлық заңдарын құруда шешуші рөл атқарады, және де бұл мәселе шешілмей қалады.

Гравитация дегеніміз не?



Әлемдегі барлық дерлік күштер әртүрлі бөлшектермен анықталады. Осылайша, фотонды электромагнетизмге, W және Z бозондарына - әлсіз ядролық күштерге, глюоналарға - күшті ядролық күштерге жауапты. Гравитация қалады және оған бір проблема бар: гипотетикалық бөлшектер, гравитациялық тасушы, гравитон, ешқашан табылмады. Теориялық тұрғыдан, ол массасы жоқ және іс жүзінде затпен өзара іс-қимыл жасамайды, бірақ іс жүзінде қара дыры соқтығысқан кезде гравитациялық толқындардың арқасында біз оның массасынан жоғары шектеніп алдық, ал бұл көрсеткіш оған өте жақын болса да.

Біз гравитонды тапқанға дейін бөлшектердің алмасуы болып табылатын басқа іргелі өзара әрекеттермен қатар, ауырлықпен жұмыс істей алмаймыз. Сонымен қатар, кейбір физиктер тіпті гравитондар ғарыштық уақыттан тыс қосымша өлшемдерде жұмыс істейді деп есептейді. Қалай болғанда да, бізде әлі ешқандай жауап жоқ.

Біз жалған вакуумда тұрамыз ба?

Біз вакуум арқылы нені білдіреді? Ғарышта берілген нүктеде ештеңенің болмауы. Жақсы, біз шағын бөлшектер көлемін босата аламыз (бірақ іс жүзінде заттармен өзара әрекеттеспейтін нейтрино жағдайда). Әр түрлі радиациялар мен өрістер әлі де бар - олардан құтылуға тырысамыз. Бірақ бұл жұмыс істемейді - қараңғы энергия, Хиггс өрісі және түрлі кванттық ауытқулар бар. Яғни, біз жасай алатын вакуум нөлдік емес энергияға ие, сондықтан ол жалған деп аталады.

Бұл жерден өте логикалық сұрақ бар - егер біздің вакуум жалған болса, онда бір жерде нөлдік энергиясы бар шындық бар ма? Немесе сіз аздап жалған болсаңыз да, вакуум қуаты аздап төменірек? Мүмкін, бұл жерде «ақ малды жануар» келеді.

Бөлшектердің бір қызықты қасиеті бар - заттарға туннелділік, оған назар аудармай, басқа энергиямен құндылық. Кем дегенде, бір бөлшектердің қоршаған ортаға қарағанда вакуумдық энергияның төменгі деңгейіне ауысқан кезде не болады? Бұл дұрыс, ол барлық қалғандарды, сайып келгенде бүкіл әлемді тартып алады. Бұл бізді қалай қорқытып отырады? Ия, шын мәнінде біз өмір сүруді тоқтатамыз: бәрінен де, біз көретін және біз тұратын нәрселердің бәрі белгілі бір тұрақты физика заңдарына бағынады. Жалаң вакуумның энергиясы біздің заңдарымыздан төмен болатын ауданға «секіру» заңдар мен тұрақты мәндерді өзгертеді. Иә, ғаламат өмір сүре бермейді, сондықтан ол жай ғана өзгереді. Бірақ бұл өмір сүруіміз емес.

Әрине, жоғарыда айтылғандардың бәрі түнде қоршау сияқты көрінеді - иә, шын мәнінде, ол. Хокинг есептеулеріне сәйкес, кем дегенде бір бөлшектердің басқа жалған вакууммен мемлекетке туннелінуі үшін 100 млн. TeV энергиясы талап етіледі - бұл үлкен Адрон коллайдер шығаратыннан 10 миллион есе көп. Мұндай энергетикалық құндылықтар тіпті супермассивтік жұлдыздарда да болмайды, сондықтан сіз тыныш бола аласыз - өте жоғары ықтималдықпен, біздің ғаламымыз ешқайда кетпейді. Бірақ жалған вакуум теориясы дұрыс болса да, мүмкін.

Стандартты модельден тыс жатыр?



Стандартты модель 40 жылдан астам уақыт бойы сыналған ең табысты физикалық теориялардың бірі болып табылады. Бұл модель айналасындағы бөлшектердің мінез-құлқын сипаттайды және мысалы, олар массасы бар екенін түсіндіреді. Айтпақшы, Хиггса бозоны - зат массасын беретін бөлшектер - бұл Үлгі Үлгіні тағы бір рет дәлелдеген эксперименттердің бірі ғана.

Бірақ ғаламның күрделі екендігі анық, мысалы, қара дырға кванттық ақпаратты жоғалту үшін. Сондықтан, жаңа модельдерді ойлап табу керек екені айқын болады: мысалы, 10 -35 метрлік ауқымымен ультрамикроскопиялық жолдардың дірілдеуі нәтижесінде іргелі өзара әрекеттесулер туындайды. Бұл атом ядросының диаметрінен кішігірім ондаған тапсырыстар, және бізде осындай таразыларда жұмыс істеу үшін ешқандай құралдар жоқ, сондықтан біз жол теориясын тексере алмаймыз. Сонымен, Стандартты модельден тыс жатқан мәселе бойынша жауап ашық қалады.

Дыбыстық толқындар қалай жарық шығарады?


Көк нүкте - бұл лазер емес, камераның қателігі емес, бұл судың ішіндегі көпіршікті жарқылы.

Лабораторияда байқалатын жұмбақтардың сирек кездесетін мысалдарының бірі, бірақ түсіндіру мүмкін емес. Эксперимент өзі барынша қарапайым: дыбыс толқындарын жіберіп, дыбыс толқындарын жіберіңіз - дыбыс толқындарының қысымының төмендеуіне байланысты қалыптасатын көпіршіктер пайда болады. Әрине, бұл көпіршіктер тез құлап кетеді, бірақ осы сәтте олар секундтан кейінгі триллиондардан астам уақытқа созылған жарық түрінде жарық шығарады - изолюминесценция деп аталатын құбылыс.

Міне, осы жарық көзі белгісіз. Ғалымдар екі секундтан кейін көпіршіктердің ішіндегі температура ондаған мың градусқа жететінін анықтады, мұнда мүлдем фантастикалық теориялар салынып, кішігірім ядролық синтез реакцияларынан электр разрядына дейін. Және бұл процестің көптеген суреттері бар болса да, әлі де не болып жатқаны туралы ешқандай түсінік жоқ.

Хаос төңірегіндегі тәртіп бар ма?


Мектеп үлгісі - сол түтіктегі судың жай-күйін білу, оны дұрыс деп есептеуге болады.

Мектеп физикасында тіпті мыңдаған мәселелер бар, тіпті шешімдер миллион доллар ұсынылғанына қарамастан, Навье-Стокс теңдеуі. Шындығында бұл тұтқырлық Ньютон сұйықтықтың қозғалысын сипаттайтын дифференциалдық теңдеулер жүйесі. Мәселе кеңістіктік ағын жағдайында ортақ шешім табудың сызықты емес және бастапқы және шекаралық жағдайларға байланысты екендігімен қиындайды. Дегенмен, нақты жағдайларда шешімдер бар (менің ойымша, мектептегі әркім әртүрлі диаметрдегі құбырлардағы судың шығынын анықтау үшін шешеді), біз тіпті ол жалпы болып табылатынын білмейміз - бұл тіпті осындай қарапайым ауа райының дұрыс болжамы сияқты нәрселер.

Және бұл қазіргі заманғы физиканың алдында тұрған барлық проблемалардан алыс және біз оларға неғұрлым көп көңіл бөлетін болсақ, ғасырлар бойы, тіпті мыңдаған жылдар бойына жиналған барлық мәліметтер шынайы емес немесе өте үстірт емес екенін түсінеміз. Бірақ бұл бас тартудың қажеті жоқ - керісінше, бұл айналамыздағы әлем туралы көбірек білуге ​​және бұл білімді біздің пайда көруімізге мүмкіндік береді.