В 1900 году британский физик Лорд Кельвин, как говорят, заявил: «В физике больше нет ничего нового для открытия. Все, что остается, — это все более точные измерения». В течение трех десятилетий квантовая механика и теория относительности Эйнштейна революционизировали эту область. Сегодня ни один физик не осмелился бы утверждать, что наши физические знания о Вселенной близки к завершению. Напротив, каждое новое открытие, кажется, открывает ящик Пандоры еще более глубоких вопросов в физике. Ниже представлена выборка наиболее глубоких открытых вопросов.
1. Что такое темная энергия?
Несмотря на то что гравитация тянет пространство-время — «ткань» космоса — внутрь, она постоянно расширяется все быстрее и быстрее. Для объяснения этого астрофизики предложили невидимого агента, который противодействует гравитации, отталкивая пространство-время в стороны. Его называют темной энергией. В наиболее широко принятой модели темной энергии это «космологическая постоянная»: внутреннее свойство самого пространства, которое имеет «отрицательное давление», выталкивающее пространство друг от друга. По мере расширения пространства создается больше пространства, и вместе с ним — больше темной энергии. Исходя из наблюдаемой скорости расширения, ученые знают, что сумма всей темной энергии должна составлять более 70 процентов от общего содержания Вселенной. Но никто не знает, как ее искать. Лучшее, что исследователи смогли сделать в последние годы, — это сузить область, в которой темная энергия, возможно, скрывается.
2. Что такое темная материя?
Оказывается, около 84 % вещества во Вселенной не поглощает и не излучает свет. «Темная материя», как ее называют, не может быть наблюдаема напрямую и не была обнаружена и косвенными средствами. Вместо этого существование и свойства темной материи выводятся из ее гравитационного воздействия на видимое вещество, излучение и структуру Вселенной. Это таинственное вещество, вероятно, проникает за пределы галактик и может состоять из «слабо взаимодействующих массивных частиц» или WIMP. По всему миру есть несколько детекторов, ищущих WIMP, но до сих пор ни одна не была найдена. Один недавний исследовательский доклад предполагает, что темная материя может образовывать длинные, мелкозернистые потоки во всей Вселенной.
3. Почему существует стрела времени?
Тот факт, что вы не можете разбить яйцо на обратно, — это общий пример закона увеличения энтропии.
Время движется вперед, потому что свойство Вселенной, называемое «энтропией», просто увеличивается, и поэтому нет способа отменить рост энтропии после того, как он произошел. Тот факт, что энтропия увеличивается, является вопросом логики: более беспорядочных расположений частиц, чем упорядоченных, и, следовательно, по мере изменения вещей, они склонны к беспорядку. Но здесь поднимается вопрос, почему энтропия была такой низкой в прошлом? Другими словами, почему Вселенная была такой упорядоченной в своем начале, когда огромное количество энергии было сжато в небольшом объеме пространства?
4. Существуют ли параллельные вселенные?
Астрофизические данные подсказывают, что пространство-время может быть «плоским», а не изогнутым, и, таким образом, оно продолжается бесконечно. Если это так, то область, которую мы видим (которую мы называем «Вселенной»), является всего лишь одним участком в бесконечно большой «пледовой мультивселенной». В то же время законы квантовой механики утверждают, что в каждом космическом участке существует только конечное число возможных конфигураций частиц (10^10^122 различных возможности). Таким образом, с бесконечным числом космических участков расположение частиц в них вынуждено повторяться — бесконечное количество раз. Это означает, что существует бесконечно много параллельных вселенных: космических участков, точно таких же, как наша (содержащих кого-то точно такого же, как вы), а также участков, отличающихся только положением одной частицы, участков, отличающихся положением двух частиц и так далее до участков, полностью отличающихся от нашего.
5. Почему существует больше материи, чем антиматерии?
Вопрос о том, почему существует гораздо больше материи, чем ее заряженного и противоположно вращающегося двойника — антиматерии, фактически является вопросом о том, почему вообще что-то существует. Мы предполагаем, что Вселенная должна обращаться с материей и антиматерией симметрично, и, следовательно, в момент Большого взрыва должны были быть произведены равные количества материи и антиматерии. Но если бы это произошло, произошла бы полная аннигиляция обоих: протоны аннулировались бы с антипротонами, электроны с антиэлектронами (позитронами), нейтроны с антинейтронами и так далее, оставив за собой скучное море фотонов в безматериальном пространстве. По какой-то причине была избыточная материя, которая не была уничтожена, и вот мы здесь. На сегодняшний день нет принятого объяснения этому. Самое подробное исследование различий между материей и антиматерией, объявленное в августе 2015 года, подтверждает, что они являются зеркальными изображениями друг друга, не предоставляя никаких новых путей для понимания тайны того, почему материя гораздо более распространена.
6. Какова судьба вселенной?
Судьба вселенной сильно зависит от неизвестного значения фактора Ω, который измеряет плотность материи и энергии в космосе. Если Ω больше 1, то пространство-время будет «закрытым», подобно поверхности огромной сферы. Если нет темной энергии, такая вселенная в конечном итоге прекратит расширение и начнет сжиматься, в конечном итоге обрушившись на себя в событие, которое называется «Большим Сжатием». Если вселенная закрыта, но существует темная энергия, то сферическая вселенная будет бесконечно расширяться.
В противном случае, если Ω меньше 1, то геометрия пространства будет «открытой», подобно поверхности седла. В этом случае ее окончательной судьбой будет «Большая Заморозка», а затем «Большой Разрыв»: сначала ускорение расширения вселенной разорвет галактики и звезды, оставив всю материю холодной и одинокой. Затем ускорение станет настолько сильным, что оно переполошит воздействие сил, удерживающих атомы вместе, и все развалится.
Если Ω = 1, то вселенная будет плоской, распространяющейся как бесконечная плоскость во всех направлениях. Если нет темной энергии, такая плоская вселенная в конечном итоге будет бесконечно расширяться, но с постоянно замедляющейся скоростью, приближаясь к остановке. Если есть темная энергия, то плоская вселенная в конечном итоге переживет неуклонное расширение, приводящее к Большому Разрыву. Вне зависимости от того, как это будет развиваться, вселенная умирает, факт, подробно рассмотренный астрофизиком Полом Саттером в эссе от декабря 2015 года.
7. Как измерения приводят к схлопыванию квантовых волновых функций?
В странном мире электронов, фотонов и других фундаментальных частиц квантовая механика является законом. Частицы не ведут себя как маленькие шарики, а скорее как волны, распространяющиеся по большой площади. Каждая частица описывается «волновой функцией» или вероятностным распределением, которое показывает, где наиболее вероятно находится частица, ее скорость и другие характеристики, но не показывает, что это за характеристики. Фактически у частицы есть диапазон значений для всех характеристик, пока вы не измерите одну из них — например, ее местоположение — на этот момент волновая функция частицы «схлопывается», и она принимает только одно местоположение.
Но как и почему измерение частицы делает ее волновую функцию схлопываться, создавая конкретную реальность, которую мы воспринимаем? Вопрос, известный как проблема измерения, может показаться эзотерическим, но наше понимание того, что такое реальность, или существует ли она вообще, зависит от ответа.
8. Правильна ли теория струн?
Когда физики предполагают, что все элементарные частицы на самом деле одномерные петли, или «струны», каждая из которых вибрирует с разной частотой, физика становится гораздо проще. Теория струн позволяет физикам согласовать законы, управляющие частицами, называемыми квантовой механикой, с законами управления пространство-временем, называемыми общей теорией относительности, и объединить четыре фундаментальные силы природы в один общий фреймворк. Но проблема заключается в том, что теория струн может работать только во вселенной с 10 или 11 измерениями: тремя большими пространственными измерениями, шестью или семью упакованными пространственными измерениями и временным измерением. Упакованные пространственные измерения, а также сами колеблющиеся струны, имеют размер порядка миллиарда триллионных частицы ядра. Нет ни одного способа обнаружить что-либо такое маленькое, и поэтому нет известного способа экспериментально подтвердить или опровергнуть теорию струн.
9. Существует ли порядок в хаосе?
Физики не могут точно решить набор уравнений, описывающих поведение жидкостей, от воды до воздуха и всех других жидкостей и газов. Фактически неизвестно, существует ли вообще общее решение так называемых уравнений Навье-Стокса (одна из так называемых «загадок тысячилетия«), или, если существует решение, описывает ли оно жидкости повсюду или содержит в себе неизбежные точки, называемые сингулярностями. В связи с этим природа хаоса плохо понимается. Физики и математики задаются вопросом: может ли погода быть всего лишь труднопредсказуемой, или она в принципе непредсказуема? Превосходит ли турбулентность математическое описание, или все становится ясным, если вы подходите к ней с правильной математикой?
10. Сливаются ли силы вселенной в одну?
Вселенная испытывает четыре фундаментальные силы: электромагнетизм, сильное ядерное взаимодействие, слабое взаимодействие (также известное как слабое ядерное взаимодействие) и гравитацию. До настоящего времени физики знают, что при достаточно высокой энергии — например, внутри ускорителя частиц — три из этих сил «объединяются» и становятся единой силой. Физики проводили эксперименты с ускорителями частиц и объединили электромагнитную силу и слабое взаимодействие, и при более высоких энергиях то же самое должно произойти с сильным ядерным взаимодействием и, в конечном итоге, с гравитацией.
Но несмотря на то, что теории говорят, что это должно произойти, природа не всегда подчиняется. До сих пор ни один ускоритель частиц не достиг энергии, достаточной для объединения сильной силы с электромагнетизмом и слабым взаимодействием. Включение гравитации также потребовало бы еще больше энергии. Не ясно даже, смогли бы ученые построить ускоритель такой мощности; Большой адронный коллайдер (БАК) вблизи Женевы может отправлять частицы сталкиваться друг с другом с энергией в триллионах электрон-вольт (примерно 14 тераэлектрон-вольт, или ТэВ). Чтобы достичь энергии грандиозного объединения, частицам потребуется как минимум триллион раз больше, поэтому физики вынуждены искать косвенные доказательства таких теорий.
Помимо проблем с энергией у теорий Великого объединения (ВО) все еще есть некоторые проблемы, потому что они предсказывают другие наблюдения, которые до сих пор не подтвердились. Есть несколько ВО, которые говорят, что протоны, на протяжении огромных периодов времени (порядка 10^36 лет), должны превращаться в другие частицы. Это никогда не было замечено, поэтому либо протоны живут гораздо дольше, чем кто-либо думал, либо они действительно стабильны навсегда. Другим предсказанием некоторых видов ВО является существование магнитных монополей — изолированных «северных» и «южных» полюсов магнита — и никто из них не видел одного из них. Возможно, у нас просто нет достаточно мощного ускорителя частиц. Или физики могут ошибаться в том, как устроена вселенная.
11. Что происходит внутри черной дыры?
Что происходит с информацией объекта, если он попадает в черную дыру? Согласно текущим теориям, если бы вы бросили кубик железа в черную дыру, не было бы способа извлечь какую-либо информацию об этом. Это потому, что гравитация черной дыры настолько сильна, что скорость ее побега быстрее света — а свет — самая быстрая вещь, которая существует. Тем не менее, раздел науки, называемый квантовой механикой, говорит, что квантовую информацию нельзя уничтожить. «Если вы каким-либо образом уничтожите эту информацию, что-то пойдет не так», — сказал Роберт Макниз, профессор физики в Университете Лойолы в Чикаго.
Квантовая информация немного отличается от информации, которую мы храним в виде 1 и 0 на компьютере или в наших мозгах. Это потому, что квантовые теории не предоставляют точной информации о том, где будет находиться объект, например, вычисление траектории мяча в механике. Вместо этого такие теории показывают наиболее вероятное местоположение или наиболее вероятный результат некоторого действия. В результате все вероятности различных событий должны суммироваться до 1 или 100 процентов. (Например, когда вы кидаете кость с шестью гранями, вероятность выпадения определенной грани составляет одну шестую часть, поэтому вероятности всех граней складываются в 1, и вы не можете быть более чем 100-процентно уверены в будущем.)
Например, вся масса чёрной дыры может быть спрятана за горизонтом событий. Горизонт событий — это место, вокруг которого свет и информация не могут попасть вне черную дыру. Вероятность, что объект попадет в черную дыру, кажется близкой к 100 процентам, но никогда не достигает этой точки. Это означает, что информация о массе объекта, который попал в черную дыру, затем исчезает.
Однако есть загадочный аспект, называемый «проблемой информационного парадокса черных дыр». Суть проблемы заключается в том, что согласно квантовой механике, информация не может быть уничтожена, и она должна сохраняться. Это создает противоречие с тем, как черные дыры работают в соответствии с теорией общей относительности Альберта Эйнштейна, где информация исчезает за горизонтом событий. Разрешение этой проблемы до сих пор остается одной из самых больших загадок в физике, и физики продолжают искать способы совмещения квантовой механики и общей теории относительности.
12. Существуют ли голые сингулярности?
Сингулярность возникает, когда какое-либо свойство «вещи» бесконечно, и поэтому законы физики, как мы их знаем, нарушаются. В центре черных дыр находится точка, бесконечно крошечная и плотная (наполненная конечным количеством вещества) — точка, называемая сингулярностью. В математике сингулярности возникают постоянно — деление на ноль — один из примеров, и вертикальная линия на координатной плоскости имеет «бесконечный» уклон. Фактически уклон вертикальной линии просто неопределен. Но как бы выглядела сингулярность? И как она взаимодействует с остальной вселенной? Что означает сказать, что у чего-то нет настоящей поверхности и оно бесконечно мало?
«Голая» сингулярность — это та, которая может взаимодействовать с остальной вселенной. У черных дыр есть горизонты событий — сферические области, из которых ничто, даже свет, не может выбраться. С первого взгляда вы можете подумать, что проблема голых сингулярностей, по крайней мере, частично решена для черных дыр, так как ничто не может выйти из горизонта событий, и сингулярность не может воздействовать на остальную вселенную. (Она «одета», так сказать, тогда как голая сингулярность — это черная дыра без горизонта событий.)
Но вопрос о том, могут ли сингулярности образовываться без горизонта событий, все еще остается открытым. И если они могут существовать, то теория общей теории относительности Альберта Эйнштейна потребует пересмотра, потому что она распадается, когда системы находятся слишком близко к сингулярности. Голые сингулярности также могут функционировать как червоточины, которые также могли бы быть машинами времени, хотя в природе нет на это доказательств.
13. Нарушение симметрии заряда и четности
Если вы поменяете частицу с ее античастицей, законы физики должны оставаться прежними. Так, например, положительно заряженный протон должен выглядеть так же, как и отрицательно заряженный антипротон. Это принцип симметрии заряда. Если вы поменяете местами лево и право, снова, законы физики должны выглядеть так же. Это симметрия четности. Вместе они называются симметрией CP. В большинстве случаев этот физический закон не нарушается. Тем не менее, некоторые экзотические частицы нарушают эту симметрию.
14. Когда звуковые волны создают свет
Хотя многие нерешенные проблемы относятся к вопросам частиц и физики элементарных частиц, некоторые загадки можно наблюдать на столешнице в лабораторных условиях. Одной из таких загадок является сонолюминесценция. Если взять немного воды и подвергнуть ее воздействию звуковых волн, образуются пузырьки. Эти пузырьки представляют собой области низкого давления, окруженные высоким давлением; внешнее давление давит на воздух с низким давлением, и пузырьки быстро сжимаются. Когда эти пузырьки сжимаются, они излучают свет в виде вспышек, которые длительностью в триллионные доли секунды.
Проблема заключается в том, что пока не ясно, каков источник света. Теории варьируются от маленьких ядерных реакций до какого-то вида электрического разряда или даже сжатия газов внутри пузырьков. Физики измерили высокие температуры внутри этих пузырьков, порядка десятков тысяч градусов Фаренгейта, и сделали множество снимков света, которое они излучают. Но пока нет хорошего объяснения тому, как звуковые волны создают этот свет в пузырьке.
15. Что находится за пределами Стандартной модели?
Стандартная модель — одна из самых успешных физических теорий, когда-либо разработанных. Она выдержала испытания, чтобы проверить ее в течение четырех десятилетий, и новые эксперименты продолжают подтверждать ее правильность. Стандартная модель описывает поведение частиц, из которых состоит все вокруг нас, а также объясняет, почему, например, частицы имеют массу. Фактически, открытие бозона Хиггса — частицы, придающей веществу его массу, в 2012 году было историческим событием, потому что оно подтвердило давно существующее предсказание ее существования.
Но Стандартная модель не объясняет все. Стандартная модель дала много успешных предсказаний — например, бозон Хиггса, бозоны W и Z (которые посредничают в слабых взаимодействиях, управляющих радиоактивностью), и кварки среди них — поэтому сложно сказать, куда может двигаться физика за ее пределами. Тем не менее, большинство физиков согласны в том, что Стандартная модель не является завершенной. Существует несколько претендентов на новые, более полные модели — струнная теория — одна из таких моделей, но пока ни одна из них не была окончательно подтверждена экспериментами.
16. Фундаментальные константы
Безразмерные константы — это числа, к которым не прикреплены единицы измерения. Скорость света, например, является фундаментальной константой, измеряемой в единицах измерения метров в секунду (или 186 282 миль в секунду). В отличие от скорости света, безразмерные константы можно измерить, но их нельзя вывести из теорий, в то время как константы, такие как скорость света, можно.
В своей книге «Только шесть чисел: глубокие силы, формирующие вселенную» (Издательство Basic Books, 2001 г.), астроном Мартин Рис фокусируется на некоторых «безразмерных константах», которые он считает фундаментальными для физики. На самом деле таких констант гораздо больше, чем шесть; в Стандартной модели их около 25.
Например, тонкая структурная постоянная, обычно обозначаемая как альфа, управляет силой магнитного взаимодействия. Она составляет около 0,007297. То, что делает это число странным, заключается в том, что если бы оно было иным, устойчивая материя не существовала бы. Другой константой является отношение масс многих фундаментальных частиц, таких как электроны и кварки, к массе Планка (которая составляет 1,22 ´1019 ГэВ/с2). Физики хотели бы выяснить, почему именно эти числа имеют такие значения, потому что если бы они были очень разными, законы физики Вселенной не позволили бы существовать людям. И все же до сих пор нет убедительного теоретического объяснения тому, почему они имеют именно такие значения.
17. Что такое гравитация вообще?
Что такое гравитация вообще? Другие силы взаимодействуют частицами. Электромагнетизм, например, осуществляется через обмен фотонами. Слабое ядерное взаимодействие переносится бозонами W и Z, а сильное ядерное взаимодействие, объединяющее ядерные ядра, осуществляется через глюоны.
Гравитация, по-видимому, не такая. Большинство физических теорий говорят, что она должна переноситься гипотетической бесмассовой частицей, называемой гравитоном. Проблема в том, что никто пока не обнаружил гравитонов, и неясно, может ли какой-либо детектор частиц, который можно было бы построить, видеть их, потому что если гравитоны взаимодействуют с веществом, они делают это очень, очень редко — настолько редко, что они были бы невидимы на фоне фонового шума. Даже неясно, бесмассовы ли гравитоны, хотя если у них есть масса, то она очень, очень мала — меньше массы нейтрино, которые являются одними из самых легких известных частиц. Струнная теория предполагает, что гравитоны (и другие частицы) представляют собой закрытые петли энергии, но математическая работа пока не принесла много понимания.
Поскольку гравитоны пока не были обнаружены, гравитация сопротивляется попыткам понять ее так, как мы понимаем другие силы — как обмен частицами. Некоторые физики, в частности Теодор Калуца и Оскар Кляйн, предположили, что гравитация может действовать как частица в дополнительных измерениях, кроме трех измерений пространства (длина, ширина и высота) и одного измерения времени (продолжительность), с которыми мы знакомы, но пока неясно, верно ли это.
18. Мы живем в ложном вакууме?
Вселенная кажется относительно стабильной. В конце концов, ей уже около 13,8 миллиардов лет. Но что, если все это было массовой случайностью?
Все начинается с Хиггса и вакуума вселенной. Вакуум, или пустое пространство, должен быть состоянием наименьшей энергии, потому что в нем ничего нет. Тем временем бозон Хиггса через так называемое поле Хиггса придает массу всему. Александр Кусенко, профессор физики и астрономии Университета Калифорнии в Лос-Анджелесе, написал в журнале Physics, что энергетическое состояние вакуума можно рассчитать на основе потенциальной энергии поля Хиггса и масс бозона Хиггса и верхнего кварка (фундаментальной частицы).
Пока эти расчеты показывают, что вакуум вселенной может быть не в состоянии наименьшей энергии. Это означает, что это ложный вакуум. Если это правда, наша вселенная может быть нестабильной, потому что ложный вакуум можно вывести из состояния более низкой энергии достаточно сильным и высокоэнергетическим событием. Если бы это произошло, возникло бы явление, называемое ядерной нуклеацией. Сфера вакуума с более низкой энергией начала бы расти со скоростью света. Ничто, даже само вещество, не выжило бы. По сути, мы бы заменили вселенную другой, которая могла бы иметь совсем другие физические законы.
Это может показаться пугающим, но, учитывая, что вселенная до сих пор существует, явно не произошло ничего подобного, и астрономы видели гамма-лучевые всплески, сверхновые и квазары, все они довольно энергичные события. Поэтому, вероятно, это достаточно маловероятно, чтобы беспокоиться. Тем не менее, идея ложного вакуума означает, что наша вселенная могла возникнуть именно таким образом, когда ложный вакуум предыдущей вселенной был сброшен в состояние с более низкой энергией. Возможно, мы были результатом случайности в частиценой акселератора.
