Podíl:
Top 10 nevyřešených tajemství ve fyzice
Pokud jste někdy sledovali nějakou epizodu Star Trek nebo Teorie velkého třesku, pak víte, že fyziku lze zábavně zpřístupnit mostem. Naši nejoblíbenější sci-fi a komediální spisovatelé nemusí dostat každý detail správně, ale vzbuzují zájem o zákeřnější aspekty vědeckých teorií.
Dnes budeme mluvit o deseti skutečných záhadách, které ještě musí fyzikou vysvětlit. Od cizorodé komunikace až po cestování na čas do splachovacích kohoutků se pokusíme tyto záhady pochopit pro všechny.
Můžete dokonce chtít tyto témata prozkoumat dále samostatně. Koneckonců, tam jsou miliony dolarů, které čekají na lidi, kteří řeší nějaké kosmické hádanky. (Přečtěte si, který z těchto 10 tajemství vás může zbohatnout.) Pravděpodobně získáte i Nobelovu cenu a změníte i svět.
10 Kde přicházejí kosmické paprsky s vysokou energií?
Naše atmosféra neustále zasahují částice z vesmíru s vysokými energiemi. Tito se nazývají "kosmické paprsky". Přestože lidem nepůsobí velké škody, fascinovali fyziky. Pozorování kosmických paprsků nás naučil hodně o astrofyzice a fyzice částic. Ale jsou tu - ty s největší energií - které jsou dodnes tajemné.
V roce 1962 na experimentu s Volcano Ranch viděli Dr. John D. Linsley a Livio Scarsi něco neuvěřitelného: kosmický paprsek s ultra vysokou energií s energií více než 16 jula. Chcete-li vám nějakou perspektivu, jeden joule je zhruba energie, kterou potřebujete, abyste zvedli jablko z podlahy na stůl.
Celá tato energie je soustředěna v částice sto milionů miliard miliardykrát menší než jablko. To znamená, že jde velmi blízko rychlosti světla!
Fyzici zatím neví, jak tyto částice získají toto neuvěřitelné množství energie. Některé teorie zahrnují myšlenku, že mohou pocházet ze supernovy, kdy hvězdy explodují na konci svého života. Částice mohou být také zrychleny v discích zhroucených látek, které se tvoří kolem černých děr.
9 byl náš vesmír ovládaný inflací?
Vesmír je úžasně plochý na velkých měřítcích. To je něco, co se nazývá "kosmologický princip" - myšlenka, že tam, kde jdete ve vesmíru, je v průměru zhruba stejné množství materiálu.
Teorie velkého třesku však naznačuje, že v nejranějších dobách musely být v počátcích vesmíru nějaké velké rozdíly v hustotě. Takže to bylo mnohem lumpier než náš vesmír je dnes.
Teorie inflace naznačuje, že vesmír, který dnes vidíme, pochází z malého objemu raného vesmíru. Tento malý objem se náhle a rychle rozšířil - mnohem rychleji než vesmír se dnes rozšiřuje.
Stejně jako kdybyste nakreslili balón a naplnili ho vzduchem, inflace "roztáhla" všechny kusy v raném vesmíru a vysvětluje, proč máme poměrně plochý vesmír - kde jsou podmínky podobné všude, kam jdete - dnes.
I když to vysvětluje hodně co vidíme, fyzici stále nevědí, co způsobilo inflaci. Podrobnosti o tom, co se při této inflaci děje, jsou také skryté. Lepší pochopení této doby by nám mohlo říci hodně o vesmíru, jak je dnes.
8 Můžeme najít temnou energii a temnou záležitost?
Je to úžasný fakt: Jen asi 5 procent vesmíru tvoří záležitost, kterou můžeme vidět. Fyzici si před několika desetiletími všimli, že hvězdy na vnějších okrajích galaxií obíhají kolem středu těchto galaxií rychleji, než se předpokládalo.
Abychom to vysvětlili, vědci navrhli, že v těch galaxiích by mohlo dojít k nějaké neviditelné "temné" záležitosti, která způsobila rychlejší otáčení hvězd. Poté pozorování rozšiřujícího se vesmíru vedly fyzici k závěru, že tam musí být mnohem více tmavé hmoty - pětkrát tolik, kolik je věc, kterou vidíme.
Vedle toho víme, že expanze vesmíru se ve skutečnosti zrychluje. To je zvláštní, protože bychom očekávali gravitační tah hmoty - jak "lehké", tak "temné" - abychom zpomalili expanzi vesmíru.
Kombinujte to se skutečností, že vesmír je plochý čas, celkově není zakřivený - a kosmologové potřebují vysvětlení něčeho, co vyrovnává gravitační přitažlivost hmoty.
"Tmavá energie" je řešení. Většina energie ve vesmíru nemůže být uzamčena ve hmotě, ale místo toho to vede k expanzi vesmíru. Fyzici věří, že alespoň 70 procent energie vesmíru je ve formě temné energie.
Až dosud nebyly v laboratoři přímo pozorovány částice, které tvoří temnou hmotu, a pole, které vytváří temnou energii. Pozorování temné hmoty je obtížné, protože nereaguje se světlem, což je způsob, jakým se obvykle provádějí pozorování.
Ale fyzici doufají, že částice temné hmoty by mohly být vyráběny ve Velkém Hadronovém Collideru (LHC), kde by se mohly studovat. Mohlo by se ukázat, že částice tmavé hmoty jsou těžší než cokoliv, co LHC může produkovat, v takovém případě by mohlo zůstat tajemstvím mnohem delší dobu.
Tmavá energie je podporována mnoha různými pozorováními vesmíru, ale je stále hluboce tajemná. Ve skutečném smyslu může být, že "prostor prostě rád rozšiřuje" a vidíme, že se rozšiřuje pouze tehdy, když se podíváme na velmi velké měřítka.
Nebo možná vysvětlení temné hmoty a temné energie jsou nesprávné a je zapotřebí zcela nové teorie. Ale muselo by vysvětlit všechno, co vidíme lépe než aktuální teorie, než ji fyzici přijmou. Přesto je neuvěřitelné, že si myslíme, že asi 95 procent vesmíru víme jen málo.
Co je v srdci černé díry?
Černé díry jsou některé z nejslavnějších objektů v astrofyziky. Můžeme je popsat jako oblasti časoprostoru s tak silnými gravitačními poli, že ani světlo nemůže uniknout.
Od té doby, co Albert Einstein ukázal, že gravitace "ohýbá" prostor a čas svou teorií obecné relativity, víme, že světlo není imunní vůči gravitačním účinkům. Ve skutečnosti byla Einsteinova teorie dokázána během zatmění Slunce, které ukázalo, že gravitace Slunce odráží vzdálené záření od vzdálených hvězd.
Od té doby se pozorovalo mnoho černých děr, včetně velkého, supermasivního v srdci naší vlastní galaxie. (Nedělej si starosti. Nebude to brzy pohltit Slunce.)
Ale tajemství toho, co se děje v srdci černé díry, je stále nevyřešeno. Někteří fyzici si mysleli, že by mohlo existovat "singularita" - bod nekonečné hustoty s nějakou hmotností soustředěnou do nekonečně malého prostoru. Je těžké si to představit. Ještě horší je, že každá singularita vede k černé díře v této teorii, takže neexistuje žádný způsob, jak přímo pozorovat singularitu.
Stále existuje debata o tom, zda se uvnitř černých děr ztrácejí informace. Zachycují částice a záření a vyzařují Hawkingové záření, ale zdá se, že Hawkingové záření neobsahuje žádné další informace o tom, co se děje uvnitř černé díry. Některé informace o částicích, které přesahují horizont události do černé díry, se zdají být ztraceny.
Skutečnost, že se zdá být nemožné, alespoň v tomto okamžiku, pochopit, co je v srdci černých děr, způsobilo, že sci-fi autori po desetiletí spekulují o tom, zda mohou obsahovat různé vesmíry nebo zda se budou používat pro teleportaci nebo cestování na čas.
Vzhledem k tomu, že černá díra je absorbována černým otvorem, znamená to, že jsme se protáhli do řetězce atomů ("spaghettifikace"), nebudeme se dobrovolně snažit dovnitř a zjistit.
6 Je tam inteligentní život?
Lidé snívali o mimozemšťanech tak dlouho, jak se dívali na noční oblohu a uvažovali, co tam může existovat. Ale v posledních desetiletích jsme objevili spoustu vyčerpávajících důkazů.
Na začátku jsou planety mnohem častější než lidé původně mysleli, přičemž většina hvězd má planetární systém. Také víme, že časová propast mezi naší planety se stává obývanou a život se na ní objevuje poměrně malý. Znamená to, že život se pravděpodobně vytvoří? Pokud ano, máme slavný "Fermiho paradox": Proč jsme s cizinci zatím nekomunikovali?
Existuje spousta řešení paradoxu Fermi, od divočiny až po smutnější a světlé. To opravdu ukazuje, že je obtížné dosáhnout dobrých vědeckých závěrů, pokud máte pouze jeden datový bod: nás.
Víme, že na této planetě se vyvinul inteligentní život (dobře, možná je to diskutabilní), což znamená, že se to může stát. Ale nemůžeme vědět, jestli máme jen neuvěřitelně štěstí. Nebo možná existuje něco zvláštního o naší planetě, která z ní činí extrémně vzácné, ale vhodné pro hostování života. Nebo možná je pravděpodobnost, že začátek života je extrémně nízká, takže existuje jen málo cizích civilizací.
Astronomer Frank Drake sestavil svou "Drakeovu rovnici" jako způsob, jak se podívat na všechny aspekty tohoto problému. Každý z termínů představuje důvod, proč nemusíme komunikovat s inteligentním životem.
Možná je život obyčejný, ale inteligentní život je vzácný. Možná, po nějaké době, se všechny civilizace rozhodnou proti komunikaci s jinými formami života. Jsou tam venku, ale s námi nechtějí mluvit.
Nebo, mrazivě, možná to dokazuje, že mnoho cizích civilizací se zničilo krátce poté, co se dostalo technologicky dost pokročilé, aby komunikovalo. Můžeme se starat o to, že se to děje na Zemi s jadernými zbraněmi nebo mimo kontrolou AI.
Bylo dokonce navrženo, že nedostatek komunikace od cizinců je důkazem toho, že svět byl vytvořen - buď od Boha, nebo jako součást počítačové simulace. To by vysvětlovalo, proč to máme jen my. Vesmírní hráči hrají v režimu jednoho hráče.
Skutečnost spočívá v tom, že jsme dlouho netušili a prostor je nepředstavitelně obrovský. Signály se mohou snadno ztratit a cizinecká civilizace bude muset poslat mocný rádiový signál, abychom je mohli vyzvednout. Ale je vzrušující si myslet, že objev cizí civilizace se může stát zítra a změnit naše chápání vesmíru navždy.
5 Může něco cestovat rychleji než rychlost světla?
Protože Einstein změnil tvář fyziky svou teorií zvláštní relativity, fyzici si byli jisti, že nic nemůže jít rychleji než rychlost světla. Ve skutečnosti relativita předpovídá, že pro cokoliv s hmotností dokonce cestovat rychlostí světla je zapotřebí nekonečná energie.
Vidíme to v kosmických paprscích ultra-vysokých energií zmíněných dříve. Mají mimořádnou energii v poměru k jejich velikosti, ale stále to tak rychle nechodí. Rychlost světla jako tvrdé omezení může také vysvětlovat, proč jsou komunikace cizích civilizací nepravděpodobné. Jsou-li také omezeny, signály mohou trvat tisíce let, než dorazí.
Ale lidé neustále pochybují o tom, zda může existovat nějaká cesta kolem omezení rychlosti vesmíru. V roce 2011 experiment OPERA měl několik předběžných výsledků, které naznačovaly, že neutrinové cestují rychleji než rychlost světla. Ale vědci později zaznamenali v experimentálním nastavení několik dalších chyb, které potvrdily, že výsledky byly nesprávné.
Pokud nějaký způsob komunikace hmoty nebo informací rychlejší než rychlost světla, to by nepochybně změnilo svět. Rychlejší cestování než světlo porušuje něco nazvaného kauzalita - vztah mezi příčinami a účinky událostí.
Vzhledem k tomu, že čas a prostor jsou vzájemně propojeny ve zvláštní relativitě, informace, které cestují rychleji než rychlost světla, by umožnily jedné osobě získat informace o události předtím, než se "stalo" (podle nich) - typ cesty v čase.
Rychlejší než světle komunikace by vytvořila všechny druhy paradoxů, které neumíme vyřešit. Je tedy pravděpodobné, že neexistuje. Ale pokud se jí podaří rozvíjet, řekněte nám o tom včera.
4 Můžeme najít způsob, jak popsat turbulence?
Vracíme-li se dolů na Zemi, je stále mnoho věcí, které se vyskytují v našem každodenním životě, které jsou obtížné pochopit. Zkuste si zahrát s bateriemi v domě.
Pokud necháte vodu plynout jemně, díváte se na vyřešenou fyziku - typ průtoku, který dobře rozumíme, který se nazývá "laminární tok." Ale pokud zvednete vodu na maximální tlak a sledujte, jak se rozprašuje a roztáčí, jste při pohledu na příklad turbulence. V mnoha ohledech je turbulence stále nevyřešeným problémem ve fyzice.
Navier-Stokesova rovnice určuje, jak by měly proudit tekutiny, jako voda a vzduch. Tato rovnice je trochu jako rovnováha síly. Představujeme si, že tekutina je rozdělena na malé partie hmoty. Pak rovnice zohledňuje všechny různé síly, které působí na tuto parciální gravitaci, tření, tlak - a snaží se určit, jak má reagovat rychlost parcely.
Pro jednoduché nebo rovnoměrné toky nalezneme řešení Navier-Stokesovy rovnice, která zcela popisuje tok. Fyzici pak mohou napsat rovnici, která vám říká rychlost (rychlost a směr) kapaliny v kterémkoliv okamžiku průtoku.
Ale kvůli komplikovaným, turbulentním proudům se tato řešení začínají rozpadat. Můžeme stále dělat hodně vědy s turbulentními toky tím, že řešíme rovnice numericky s velkými počítači. To nám dává přibližnou odpověď bez vzorce, které plně vysvětluje, jak se tekutina chová.
Předpovídáme počasí takto. Ale dokud nenajdeme ty nepolapitelné řešení, naše znalosti budou neúplné. Mimochodem, je to jedna z nevyřešených problémů Clay Institute. Takže pokud to zvládneš, je pro tebe milion dolarů.
3 Můžeme vytvořit povrchový supravodič?
Supravodiče by mohly být některé z nejdůležitějších zařízení a technologií, které lidé někdy objevují. Jsou to speciální druhy materiálu. Když teplota poklesne dostatečně nízký, elektrický odpor materiálu klesne na nulu.
To znamená, že můžete získat obrovské proudy pro malé použití napětí přes supravodič. Pokud nastavíte elektrický proud, který proudí v supravodivém drátu, může pokračovat proudit miliardy let bez rozptýlení, protože jeho tok není odolný.
V našich současných napájecích kabelech je ztracena velká síla. Nejsou supravodivé a mají elektrický odpor, který způsobuje, že se zahřívají, když projdete proudem. Supravodiče by mohly tyto ztráty snížit na nulu.
Ale možnosti supravodičů jsou ještě víc vzrušující než toto. Magnetické pole vytvářené drátem má pevnost, která závisí na proudu protékajícím tímto drátem. Pokud můžete získat velmi vysoké proudy v supravodičce levně, můžete získat opravdu silné magnetické pole.
Tato pole jsou v současné době používána ve Velkém Hadronovém Collideru k přesměrování rychle se pohybujících nabitých částic kolem jeho kroužku. Používají se také v experimentálních reaktorech jaderné syntézy, které by mohly v budoucnu poskytovat naši elektřinu.
Problém je v tom, že všechny známé supravodiče musí pracovat při těchto velmi nízkých teplotách. Dokonce i naše supravodiče s nejvyšší teplotou potřebují být před -40 ° C, než začnou vystavovat tuto nádhernou vlastnost.
Chladící je na tyto nízké teploty obvykle vyžaduje tekutý dusík nebo něco podobného. Proto je velmi nákladné. Mnoho fyziků a vědců o materiály po celém světě pracuje na vývoji svatého grálu - supravodiče, který by mohl pracovat při pokojové teplotě. Ale nikdo to ještě neudělal.
2 Proč je něco víc než antihmoty?
V některých ohledech stále nevíme, proč vůbec něco existuje. Odvážný výrok, ale pravda! Pro každou částic je stejná a protilehlé částice nazývané antičástice. Takže pro elektrony existují pozitrony. Protony obsahují antiprotony. A tak dále.
Pokud se nějaká částicka dotkne své antičástice, zničí a promění se do záření. Vzhledem k tomu, že pravděpodobně nechcete být zničeni, je dobré, že antihmoty jsou neuvěřitelně vzácné. Někdy spadá do kosmických paprsků. Můžeme také udělat antihmotu urychlovačů částic za trilióny dolarů za gram. Ale celkově se zdá, že je v našem vesmíru neuvěřitelně vzácný.
To je skutečné tajemství. Prostě nevíme, proč záleží na hmotě našeho vesmíru a nikoli na antihmotu. Každý známý proces, který mění energii (záření) do hmoty, produkuje stejné množství hmoty a antihmoty. Takže pokud vesmír začal ovládat energie, proč to potom nevytváří stejné množství hmoty a antihmoty?
Dokážeme si představit vesmír, v němž se energie změní ve dvojice hmoty-antimatter. Pak se navzájem zničí a navrátí se navždy do energie. Ale nebyla by žádná struktura, žádné hvězdy a žádný život.
Existují některé teorie, které by to mohly vysvětlit. Vědci zkoumající vzájemné působení částic u Large Hadron Collider hledají příklady "porušení CP".
Pokud k nim dojde, mohou tyto interakce ukázat, že fyzikální zákony se liší od částic hmoty a antimateriálu.Pak si můžeme představit, že možná existují procesy, které jsou o něco málo pravděpodobné, že budou produkovat hmotu než antihmoty, a proto vidíme asymetrický vesmír, na němž dominuje hmota.
Wilderovy teorie naznačují, že mohou existovat celé oblasti vesmíru, které jsou ovládány antihmotou. Je zajímavé, že by bylo mnohem obtížnější se o to potýkat, než si myslíte.
Antihmoty a hmoty interagují s radiací stejným způsobem, a tak vypadají přesně stejně. Naše teleskopy nemohly rozlišovat mezi galaxií antihmoty a galaxií hmoty.
Ale tyto teorie musí vysvětlovat, jak se záležitost a antihmoty staly odděleny a proč nevidíme důkazy o tom, že by se mnoho radiačních záření vytvořilo, když se záležitost a antihmoty střetnou a zničí.
Pokud nenajdeme důkazy o galaxiích antihmoty, porušení CP v časném vesmíru vypadá jako nejlepší řešení. Ale stále nevíme přesně, jak to funguje.
1 Můžeme mít sjednocenou teorii?
Ve 20. století vznikly dvě velké teorie, které vysvětlovaly hodně o fyzice. Jedna byla kvantová mechanika, která podrobně popisovala, jak se drobné, subatomové částice chovaly a vzájemně ovlivňovaly. Kvantová mechanika a standardní model částicové fyziky vysvětlily tři ze čtyř fyzických sil v přírodě: elektromagnetismus a silné a slabé nukleární síly. Jeho předpovědi jsou neuvěřitelně přesné, přestože lidé stále tvrdí o filozofických důsledcích teorie.
Další velkou teorií byla Einsteinova obecná relativita, která vysvětluje gravitaci. V obecné relativitě dochází k gravitaci, neboť přítomnost hmoty ohýbá prostor a čas, což způsobuje, že částice budou sledovat cesty, které jsou zakřivené kvůli tomu, že vesmírný čas je ohnutý. Může vysvětlovat věci, které se vyskytují na nejkrásnějších stupnicích - formování galaxií a tanec hvězd.
Je tu jen jeden problém. Dvě teorie jsou neslučitelné. Nemůžeme vysvětlit gravitace způsobem, který má smysl pro kvantovou mechaniku, a obecná relativita nezahrnuje účinky kvantové mechaniky. Jak můžeme říct, obě teorie jsou správné. Ale zdá se, že spolu nefungují.
Vzhledem k tomu, že se to uskutečnilo, fyzici pracují na nějakém řešení, které dokáže sladit obě teorie. Toto se nazývá Velká sjednocená teorie (GUT) nebo teorie všeho.
Vědci jsou zvyklí na myšlenku teorií, které fungují pouze v určitých mezích. Například Newtonovy zákony pohybu jsou to, co získáte, když používáte nízkorychlostní limit speciální relativity. Také elektřina a magnetismus byly považovány za zcela odlišné teorie, dokud Maxwell sjednotil je do elektromagnetismu.
Fyzikové doufají, že budou schopni "oddálit" a uvidí, že kvantová mechanika a obecná relativita jsou součástí větší teorie, jako jsou náplasti v deku. Teorie řetězce je pokus, který dokáže reprodukovat rysy obecné relativity a kvantové mechaniky. Je však obtížné otestovat své předpovědi experimenty, takže to nelze potvrdit.
Hledání základní teorie - která dokáže vše vysvětlit - pokračuje. Možná ji nikdy nenajdeme. Ale pokud nás fyzik naučil něco, je to, že vesmír je skutečně pozoruhodný a vždycky se objevují nové věci.