Нерозв'язані проблеми сучасної фізики

Незважаючи на те, що людство досягло значнимих наукових досягнень, вчені досі ламають голову над багатьма проблемами. Ми запускаємо людей у відкритий космос, досліджуємо дно океану, зіштовхуємо частинки в адронному колайдері. Однак, чим більше відповідей, тим більше питань народжується.

Складений довгий список нерозв'язаних проблем у сучасній фізиці. Деякі із них носять теоретичний характер, тобто сучасні теорії виявляються нездатними пояснити певні спостережувані явища або експериментальні результати. Інші проблеми є експериментальними, - є труднощі експериментальної перевірки пропонованої теорії.

Загальна фізика

Стріла часу

Чому час має напрям? У чому різниця між часом та простором? Чи можливе лише одне минуле? Цей принцип означає односторонній напрямок або часову асиметрію. Був сформульований британським астрономом Артуром Еддінгтоном у 1927 році. Фізичні процеси на мікроскопічному рівні повністю або майже завжди симетричні у часі. Якщо раптом напрямок часу зміниться, теоретичні твердження, які описують ці процеси, залишаться вірними. Але на макроскопічному рівні це не завжди так: існує певний напрямок часу. Таким чином, якби час був абсолютно симетричним, то відео, відтворене задом наперед, завжди здавалося б реалістичним.

Теоретичні проблеми

Квантова гравітація

Простір-час безперервний чи дискретний? Чи існують відхилення від передбачень теорії відносності для надто малих чи надто великих масштабів чи за інших обставин, які випливають з теорії квантової гравітації?

Основна складність цієї теорії полягає в тому, що вона намагається об'єднати квантову механіку і загальну теорію відносності, які спираються на різні набори принципів. Квантова механіка визначає тимчасову еволюцію фізичних систем на фоні зовнішнього простору-часу. У теорії відносності немає зовнішнього простору-часу, оскільки він і є динамічною змінною теорії. Оскільки гравітаційна стала — це розмірна величина, квантова гравітація являється неперенормованою теорією.

Чорні діри

Чи є спосіб досліджувати внутрішню структуру чорної дірки, якщо вона існує? Чи виробляє вона теплове випромінювання?

Чорна діра — це область простору-часу. У ній настільки велике гравітаційне тяжіння, що залишити її не можуть навіть об'єкти, які рухаються зі швидкістю світла і навіть саме світло. Питання про існування та утворення чорних дірок пов'язане з теорією гравітації. Твердження про їх існування може бути пов'язане і з іншими астрономічними об'єктами. Вони за своєю щільністю і масою схожі з чорними дірами, але можуть мати й інші властивості. Однак їх все одно можна інтерпретувати як чорні діри у загальній теорії відносності.

Розмірність простору-часу

Чи існують у природі інші виміри простору-часу, крім відомих нам чотирьох? Якщо так, то скільки їх? Чи ми можемо спостерігати їх експериментально?

Простір-час — це фізична модель, яка доповнює простір часовим виміром. Таким чином, створюється теоретико-фізична конструкція — просторово-часовий континуум. Класичні фізичні теорії описують лише тривимірні фізичні простори.

Мультивсесвіт

Чи існують паралельні світи? Чи є інші всесвіти з іншими фізичними законами? Чи могли інші всесвіти впливати на наш, викликавши, наприклад, аномалії у розподілі температури теплового випромінювання у Всесвіті?

Ідея про існування інших паралельних всесвітів активно використовується в теорії струн, а також у багатометровій інтерпретації квантової механіки та в теорії вічної інфляції мультивсесвіту. Багато вчених вважають цю ідею антинауковою, оскільки її не можна спростувати за допомогою експерименту.

Проблеми елементарної фізики

Проблеми в цій категорії поділяються на два види:

• з чого складається все навколо, і чому воно побудоване саме так, сюди також відноситься пошук нових частинок та форм їх взаємодій;
• як із відомих нам частинок утворюються відомі явища.

Механізм Хіггса

Скільки бозонів Хіггса існує? Чи можна їх описати в рамках стандартної моделі?

Механізм Хіггса — це теорія, яка описує набуття маси частинок-переносників слабкої взаємодії.

Введення цієї теорії і самого бозона Хіггса було необхідним з деяких причин. Експерименти показували наявність маси у частинок, через обмін якими характеризуються фундаментальні взаємодії. Тому потрібно було ввести вираз для маси рівняння руху цих частинок. Але він порушував би закони природи.

Проблеми ядерної фізики

Квантова хромодинаміка

Які фазові стани сильно взаємодіючої матерії, яку роль вони відіграють у космосі? Якою є внутрішня будова нуклонів? Що визначає ключові особливості квантової хромодинаміки, і яке їхнє відношення до природи гравітації та простору-часу? Квантова хромодинаміка— це калібрувальна теорія квантових полів, яка описує сильну взаємодію елементарних частинок.

Ядерна астрофізика

Чому прості частинки з'єднуються у складні ядра? Звідки походять елементи у космосі? Що таке ядерні реакції, що призводять до вибухів зірки?

Атомне ядро — це центральна частина атома. Саме в ядрі зосереджена його основна маса. Воно складається з нуклонів — позитивно заряджених протонів та нейтральних нейтронів. Вони пов'язані між собою за допомогою сильної взаємодії.

Надплинність

Ця проблема є невирішеною за кількома ознаками:

• не створена послідовна квантова гідродинамічна теорія надплинної рідини — вона могла б об'єднати дворідинну теорію Ландау та теорію градієнтів макроскопічної хвильової функції;
• теорія надплинності на макроскопічному рівні не враховує взаємодією між спостерігачем і квантовою системою;
• формулювання квантової механіки не дозволяє отримати опис надплинної системи;
• невідомо, як взаємодіють частинки при квантовому підході.

Інші проблеми

Квантова механіка та принцип відповідності

Чи існують кращі інтерпретації квантової механіки?

У КМ принципом відповідності називається твердження про поведінку квантомеханічної системи, яке прагне до класичної фізики на межі квантових чисел. Принцип відповідності — це один із інструментів фізиків, який допомагає їм вибрати відповідну до дійсності квантову теорію.

Теорія всього

Чи є теорія, яка поєднує значення всіх фундаментальних та незмінних фізичних величин?

Ця теорія описує всі відомі фундаментальні взаємодії. Протягом усього минулого століття було запропоновано безліч «теорій всього». Але побудувати їх з погляду наукового підходу складно, оскільки квантова механіка та загальна теорія відносності мають різні сфери застосування. Якщо квантова механіка — для опису мікросвіту, то ЗТВ — для макросвіту.

Ми стоїмо на порозі виникнення нового світу. Перед нами з'являється все більше і більше завдань, які потребують вирішення. Ми освоюємо космос, вивчаємо нові світи на макро та мікро рівнях, відкриваємо нові хімічні елементи... Але заради чого? Цікавість? Чи заради іншої, вищої мети?

ТОП-5 нерозгаданих таємниць сучасної фізики

Згідно з легендою англійський фізик лорд Кельвін у 1900 році заявив: «У фізиці вже немає нічого нового. Треба лише робити більш точніші виміри». Через три десятиліття квантова механіка та теорія відносності Ейнштейна зробили революцію в науці. Сьогодні жоден фізик не скаже, що людство знайшло відповіді на всі питання про Всесвіт і навколишній світ. Зараз кожне нове відкриття породжує нові загадки, над якими десятиліттями б’ються фізики-теоретики.

Незворотність часу та ентропії

Одна з найважливіших властивостей Всесвіту — перебіг часу. Рухається він лише «вперед», і цей процес незворотний. Він називається «ентропією» і знайомий із законів термодинаміки. Ентропія означає, що рівень хаосу з часом зростає і немає способу повернути його назад. Факт, що ентропія росте, є невирішеним питанням фізики: у міру зміни речей вони мають тенденцію до безладдя. Наприклад, прибирання у кімнаті — це своєрідна «боротьба з ентропією». Основне питання у тому, чому ентропія у минулому була такою низькою? Чому на початку свого існування Всесвіт був таким упорядкованим, коли величезна кількість енергії була зосереджена в невеликому просторі?

Мультивсесвіт

Астрофізичні дані припускають, що простір-час може бути «плоским», а не викривленим. Тобто, він може бути нескінченним. Якщо це так, то область нашого видимого Всесвіту діаметром 93 млрд світлових років є лише однією цяткою в нескінченно великому мультивсесвіті. Але закони квантової механіки говорять, що є кінцеве число можливих конфігурацій частинок у межах кожної космічної ділянки (10 000 000 000¹²² різних варіацій). У випадку з нескінченним числом космічних цяток розташування частинок усередині них змушене повторюватися нескінченно багато разів. Тобто існує нескінченно багато паралельних Всесвітів: космічні ділянки, такі самі, як наші, а також ділянки, що відрізняються положенням всього однієї частинки, а також ділянки, що відрізняються положенням двох частинок, і т. д., аж до Всесвітів, де навіть закони фізики інші.

Нерівномірність матерії та антиматерії

Звичайна матерія значно переважає антиматерію. Але чому це так? Відповідь це питання допоможе пояснити, чому у Всесвіті взагалі щось існує. Теоретично на момент Великого вибуху мала утворитися однакова кількість матерії та антиматерії. Але якби це сталося, то відбулася б повна анігіляція обох: протони зійшлися б з антипротонами, електрони з позитронами, нейтрони з антинейтронами тощо. З якоїсь причини у Всесвіті залишилася зайва матерія, яка не анігілювала. З неї утворилися зорі, галактики, планети та все інше. Як і чому це сталося, загальноприйнятого пояснення поки немає.

Що буде з Всесвітом?

Доля Всесвіту сильно залежить від фактора невідомого значення — Ω, або міри щільності матерії та енергії у всьому космосі. Якщо Ω>1, то простір-час буде «замкнутим», як поверхня величезної сфери. Якби не було темної енергії, такий Всесвіт зрештою перестав би розширюватися і натомість почав би стискатися, зрештою схлопуючись сам по собі - «Велике стиснення». Якщо Всесвіт закритий, але є темна енергія, сферичний Всесвіт буде розширюватися вічно.

Якщо Ω<1, то геометрія простору буде «відкритою». У цьому разі її остаточна доля — це Велике заморожування, за яким слідує Великий розрив. Спочатку зовнішнє прискорення Всесвіту через трильйони років розірве галактики та зорі на частини, залишивши всю матерію холодною і самотньою. Потім прискорення стане настільки сильним, що пересилить дію сил, які утримують атоми разом, і все розірветься на частини.

У випадку якщо Ω=1, Всесвіт буде плоским, що простягається як нескінченна площина у всіх напрямках. Якби не було темної енергії, такий плоский всесвіт розширювався би вічно, але зі швидкістю, що постійно сповільнюється, наближаючись до повної зупинки. Якби існувала темна енергія, плаский Всесвіт зрештою зазнав би нестримного розширення, що веде до Великого розриву. Справжнє значення Ω є нерозв’язною загадкою сучасної фізики.

Що таке гравітація?

Чим є гравітація? Інші сили опосередковані частинками. Електромагнетизм являє собою обмін фотонами. Слабка ядерна взаємодія переноситься бозонами W і Z, глюони переносять сильну ядерну взаємодію, що утримує атомні ядра разом. Але гравітація відрізняється від них. Більшість фізичних теорій кажуть, що гравітацію має переносити безмасова гіпотетична частка, названа гравітоном. Але гіпотетичні гравітони досі не виявлені. Вчені взагалі сумніваються, що їх зможе виявити будь-який детектор частинок. Все тому, що якщо гравітони існують, то дуже рідко взаємодіють із матерією. Незрозуміло навіть, чи вони є безмасовими, хоча якщо вони і мають масу, то надзвичайно малу — меншу, ніж у нейтрино, які є одними з найлегших відомих частинок у Всесвіті. Пошук гравітонів триває, але поки що безрезультатно. Тому загадка гравітації залишається незрозумілою.