8 grootste mysteries van de natuurkunde die nog steeds niet zijn opgelost

1. Waarom de tijd alleen maar vooruit stroomt

In de natuurkunde is er het concept van 'een pijl (of as) van de tijd'. Het beschrijft de stroom van tijd van het verleden naar de toekomst. En er is voldoende bewijs dat de tijd een bepaalde richting begunstigt.

Volgens de tweede wet van de thermodynamica zal in een geïsoleerd systeem de entropie (een maatstaf voor wanorde) in de loop van de tijd toenemen. Dit middelendat processen in de natuur meestal verlopen in een richting waarin energie gelijkmatiger wordt verdeeld en het systeem meer ontregeld raakt.

Als we bijvoorbeeld een ei breken, regenereert het niet vanzelf. Je kunt de tijd niet terugdraaien en de dingen doen zoals ze waren. Entropie is genadeloos.

Bovendien, volgens de algemene relativiteitstheorie, in de loop van de tijd, het heelal breidt uit. Waarnemingen tonen aan dat het in het verleden door een staat van hoge dichtheid en lage entropie is gegaan (dit evenement noemen we de "Big Bang") en op weg is naar een toekomstige staat van hoge entropie.

Over het algemeen is het gemakkelijk in te zien dat tijd onomkeerbaar is en altijd in één richting beweegt. En wetenschappers zullen nooit begrijpen waarom dit zo is. En kan de tijd ook terugvloeien?

2. Wat is donkere energie

Het heelal dijt uit. Ze doet het net als een ballon, alleen sneller dan de snelheid van het licht.

In de jaren negentig, astronomen ontdektdat de uitdijing van het heelal pas na verloop van tijd sneller gaat en niet afremt onder invloed van de zwaartekracht, zoals het in theorie zou moeten zijn. Deze observatie leidde tot de suggestie dat er een vorm van energie is die de zwaartekracht tegenwerkt en bijdraagt ​​aan de versnelde uitdijing van het universum.

Donkere energie vermoedelijk vult de gehele ruimte-tijd structuur van het heelal en is de belangrijkste component van zijn energie-inhoud. Maar het kan niet direct worden waargenomen of gemeten.

74% van ons universum is donkere energie, 22% is donkere materie, 3,6% is intergalactisch gas en nog eens 0,4% is banale, oninteressante sterren, planeten en andere kleine dingen.

Waarom de uitlijning op deze manier is, is niet duidelijk.

De aard van donkere energie is dat ook stoffelijk overschot een mysterie voor de wetenschap. Er zijn verschillende theorieëndie de oorsprong ervan proberen te verklaren, inclusief de concepten van het kwantumvacuüm en de kosmologische constante.

Ondertussen is donkere energie van groot belang voor het begrijpen van de fundamentele eigenschappen van het heelal en zijn toekomstig lot. Het hangt ervan af of de uitdijing van het heelal in de toekomst oneindig doorgaat, vertraagt ​​of zelfs omkeert.

3. Wat is donkere materie

Donker is een hypothetische vorm van materie die geen interactie heeft met elektromagnetische straling en daarom geen licht uitzendt, absorbeert of weerkaatst. Het kan niet worden opgespoord met onze gewone instrumenten en instrumenten, daarom wordt het zo genoemd.

Maar er zijn er veel bewijs het bestaan ​​van donkere materie in het heelal. Ze zijn gebaseerd op het zwaartekrachteffect dat het heeft op zichtbare objecten.

Hoewel donkere materie onzichtbaar is, beïnvloedt het de beweging van sterren, sterrenstelsels en clusters van sterrenstelsels.

Astronomisch onderzoek showdat deze objecten bewegen alsof ze worden beïnvloed door extra massa, en dit kan niet worden verklaard door de hoeveelheid materie die we waarnemen. Daarom houdt donkere materie sterrenstelsels en andere gigantische structuren bij elkaar onder invloed van zijn zwaartekracht.

Over het algemeen zullen natuurkundigen niet begrijpen wat donkere materie is, uit welke deeltjes het bestaat, wat de eigenschappen ervan zijn en of het überhaupt bestaat. Misschien is het waargenomen gedrag van sterren en sterrenstelsels niet gerelateerd aan enige materie en zijn het gewoon de eigenaardigheden van de zwaartekracht. De wetenschap is er nog niet achter.

4. Waarom zijn de fundamentele constanten zoals ze zijn?

Fundamentele constanten zijn numerieke waarden die de fysieke eigenschappen en interacties in het universum karakteriseren. Ze zijn eenvoudig en zijn niet afhankelijk van specifieke systemen van eenheden.

Constanten bepalen de basiseigenschappen en natuurwetten en beïnvloeden zo de structuur en ontwikkeling van het universum als geheel. Al deze cijfers rond de 25. Onder hen:

• De lichtsnelheid in een vacuüm (c) - bepaalt de maximale snelheid waarmee informatie of interacties zich in het universum kunnen voortplanten.
• De constante van Planck (h), of kwantum van actie, - bepaalt de relatie tussen de energie en frequentie van deeltjes en golven, geleidend de grens tussen de macrokosmos, waar de wetten van de Newtoniaanse mechanica gelden, en de microkosmos, waar de wetten van de kwantummechanica van kracht worden. mechanica.
• Zwaartekrachtconstante (G) - bepaalt de sterkte van de zwaartekrachtinteractie tussen massa's en beïnvloedt de structuur en beweging van objecten in het universum.
• Massa van een elektron (mₑ).
• Elementaire lading (e).
• Kosmologische constante (Λ), ook wel fundamenteel genoemd.

En wetenschappers kunnen niet begrijpen waarom al deze getallen precies de betekenis hebben die ze hebben, en andere niet.

Misschien kunnen we alleen betekenissen waarnemen die verenigbaar zijn met ons bestaan, omdat leven zou alleen in zo'n universum kunnen ontstaan. Dit wordt het antropische principe genoemd.

Bijvoorbeeld de fijne structuurconstante, die meestal wordt aangeduid met de letter "alpha", definieert kracht van magnetische interacties. De numerieke waarde is ongeveer 0,007297. Als de cijfers anders waren, zou er misschien geen stabiele materie in ons universum zijn.

En toch puzzelen natuurkundigen over hoe het heelal met andere fysieke parameters zou veranderen. Bestaan hypothesen, volgens welke de waarden van fundamentele constanten willekeurig zijn en worden bepaald door fluctuaties in het vroege universum - slechts een reeks getallen. Deze aanname houdt in dat er veel universums zijn met verschillende waarden van de constanten. En we hebben gewoon het geluk dat we ons in degene bevinden waar deze waarden het meest geschikt zijn voor de ontwikkeling van het leven.

5. Wat gebeurt er in zwarte gaten

Zwarte gaten Dit zijn gebieden in de ruimte met een ongelooflijk sterke zwaartekracht. Voorbij het zwarte gat, de zogenaamde gebeurtenishorizon, is de aantrekkingskracht zo sterk dat er geen materie, zelfs geen licht, kan ontsnappen.

In het centrum van een zwart gat, geloven natuurkundigen, bevindt zich een singulariteit - een punt met een oneindige dichtheid en een oneindig sterk zwaartekrachtveld. Maar wat het is, hoe het eruit zou kunnen zien en hoe het precies werkt, kan geen theorie verklaren.

Sommige wetenschappers zelfs veronderstellendat de singulariteit misschien geen punt is, maar verschillende vormen kan hebben - dit geldt voor roterende zwarte gaten. Het zogenaamde zwarte gat van Kerr, een hypothetisch object beschreven door wiskundige en astrofysicus Roy Kerr, heeft een ringvormige singulariteit. Het zal zelfs mogelijk zijn om door zo'n gat te vliegen en te overleven. In theorie.

Maar om de fysieke processen binnen de singulariteit nauwkeurig te beschrijven, is een uniforme theorie nodig zwaartekracht en kwantummechanica, die nog niet is ontwikkeld.

6. Waarom is er zo weinig antimaterie in het universum?

In gewone materie hebben elementaire deeltjes, zoals elektronen en protonen, respectievelijk negatieve en positieve ladingen. Bij antimaterie zijn deze ladingen omgekeerd: anti-elektronen (ook wel positronen genoemd) zijn positief geladen, terwijl antiprotonen negatief geladen zijn.

antimaterie heeft dezelfde fysieke eigenschappen als de gewone, inclusief de massa, spin en andere kenmerken van de deeltjes. Maar wanneer een antideeltje een overeenkomstig gewoon deeltje ontmoet, kunnen ze elkaar vernietigen en in pure energie veranderen.

Een liter van een soort anti-waterstof zal, wanneer het in contact komt met lucht, ruiken als een atoombom.

Hoe goed is het dat ze de maximale hoeveelheid anti-waterstof weten te bereiken synthetiseren wetenschappers tegelijk - 309 atomen.

Astronomische waarnemingen showdat het universum en zelfs de meest afgelegen sterren en sterrenstelsels zijn gemaakt van materie, en er zit heel weinig antimaterie in. Dit verschil tussen het aantal baryonen (deeltjes bestaande uit drie quarks) en antibaryonen (antideeltjes bestaande uit drie antiquarks) in ons universum wordt baryonasymmetrie genoemd.

Als het heelal volledig symmetrisch zou zijn, dan zou het aantal baryonen en antibaryonen gelijk moeten zijn en zouden we hele sterrenstelsels van antimaterie observeren. In werkelijkheid is alles echter gemaakt van baryonen, en antibaryonen moeten in deeltjesversnellers worden gesynthetiseerd, niet alleen met een theelepel, maar met een atoom. Daarom is antimaterie het meest duur ding in de wereld.

Volgens het standaardmodel van elementaire deeltjes zouden er direct na de oerknal evenveel quarks als antiquarks in het heelal moeten zijn geweest. Er is echter iets gebeurd, wat precies is niet duidelijk, maar bijna alle antibaryonen vernietigd, en materie werd gevormd uit de resterende baryonen. Het is in feite waar het universum uit bestaat. En jij trouwens ook. En wetenschappers die nog steeds niet kunnen achterhalen waarom er zo weinig antimaterie in de ruimte is.

7. Is het vacuüm stabiel?

Vacuüm is ruimte met de laagst mogelijke energie, maar in tegenstelling tot de naam is het niet helemaal leeg. Het bevat nog kwantumvelden die het gedrag van elementaire deeltjes bepalen. Wetenschappers gelovendat het echte of fysieke vacuüm dat we kennen de meest stabiele toestand in het universum is, aangezien het wordt beschouwd als het wereldwijde minimum aan energie.

In theorie is er echter een mogelijkheid dat de toestand van het fysieke vacuüm een ​​configuratie is van kwantumvelden, wat slechts een lokaal en geen globaal energieminimum is. Dat wil zeggen, het vacuüm dat we in de verre ruimte kunnen waarnemen of in het laboratorium kunnen creëren, is "vals". Er kan dus "waar" zijn.

En als er een "echt" vacuüm bestaat, zitten we in grote problemen.

Als we aannemen dat ons universum zich in een staat van niet "echt", maar "vals" vacuüm bevindt, dan wordt het proces van verval naar een stabielere staat mogelijk. De gevolgen van een dergelijk proces kunnen het grootst zijn angstaanjagend en variëren van subtiele veranderingen in kosmologische parameters die afhangen van het potentiaalverschil tussen "vals" en "echt" vacuüm, tot de volledige stopzetting van het functioneren van elementaire deeltjes en fundamentele krachten.

Als ergens in de ruimte een luchtbel van "echt" vacuüm verschijnt, kan dit leiden tot de volledige vernietiging van baryonische materie of zelfs tot een onmiddellijke ineenstorting van het universum door de zwaartekracht.

Kortom, laten we hopen dat onze stofzuiger de meest betrouwbare ter wereld is. Wat blijft er nog over?

8. Wat zal het einde van het universum zijn

En aangezien we het hebben over zulke opwindende mondiale problemen als de ineenstorting van het heelal door de zwaartekracht: natuurkundigen hebben lijst de meest interessante dingen die in de toekomst met de ruimte kunnen gebeuren, maar beslis nooit welk scenario het meest waarschijnlijk is.

Volgens de Big Bang-theorie is het heelal ontstond ongeveer 13,8 miljard jaar geleden vanuit een dichte en hete staat die een singulariteit wordt genoemd, en sindsdien is alles aan het groeien en afkoelen. Deze theorie verklaart een aantal waargenomen verschijnselen goed, zoals de kosmische achtergrondstraling en de uitzetting universum. Maar wat zal er daarna gebeuren? Kies wat je het leukst vindt:

• hitte dood. Binnen dit begrip veronderstelddat het universum na verloop van tijd steeds kouder en uniformer zal worden. De energie erin zal worden uitgeput, alle processen, zoals de vorming van sterren en thermische beweging, zullen vertragen en stoppen. Dit zal leiden tot een toestand van maximale entropie, wanneer alle deeltjes in evenwicht zijn en er geen verdere gebeurtenissen in het heelal mogelijk zijn.
• grote kloof. Universum wordt vervolgd uitbreiden. Dit betekent dat sterrenstelsels en andere ruimtevoorwerpen steeds verder van elkaar weg zullen bewegen. Als er niets verandert, zullen de zwaartekrachten in de verre toekomst niet langer sterk genoeg zijn om de druk van donkere energie te weerstaan. Dit zal ertoe leiden dat er op alle structuurniveaus binnen het universum, inclusief sterrenstelsels, sterren en atomen, een kracht zal zijn die hun eigen aantrekkingskracht overtreft. Als gevolg hiervan zullen alle objecten geleidelijk worden opgedeeld in afzonderlijke deeltjes.
• Grote drukte. Volgens dit scenario zal de uitdijing van het heelal, veroorzaakt door de oerknal, vertragen en keert uiteindelijk om. De aantrekkingskracht tussen sterrenstelsels, sterren en planeten zal de dominante kracht worden. De afstand tussen hen zal blijven afnemen totdat het heelal weer ineenstort tot een singulariteit, waar de dichtheid en temperatuur oneindig hoog worden. En er is niet ver van de nieuwe Big Bang.

Maar wat voor soort lot wacht ruimte, is nog onduidelijk. Wacht alstublieft nog een paar duizend zeven miljard jaar.