7 вопросов физики, которые все еще остаются без ответа
Над чем бьются ученые со всего мира?
Если бы Исаак Ньютон переместился в будущее, он был бы рад увидеть, как далеко продвинулась физика. Вещи, которые несколько столетий назад представляли из себя загадку, сегодня преподают на школьных уроках. Ньютон был бы удивлен, увидев в работе Большой адронный коллайдер, а квантовая механика, скорее всего, показалась бы ему очень странным разделом физики. Хотя некоторые современные ученые считают так же.
Однако несмотря на многочисленные достижения, физика таит в себе еще много вопросов, на которые нет ответов.
1. Мы знаем, что материя состоит из атомов, атомы — из протонов, нейтронов и электронов, протоны и нейтроны — из кварков. Но из чего состоят кварки?
youtube.com
К сожалению, у ученых нет проверенной информации о том, являются ли кварки самой маленькой единицей или существует нечто меньшего размера. Здесь мы и сталкиваемся со Стандартной моделью, которая описывает взаимодействие элементарных частиц.
Gifer
С помощью нее в 2012 году, после серии экспериментов в женевской лаборатории ЦЕРН, был открыт бозон Хиггса, который положил начало новым исследованиям и новому пониманию реальности. Ученые надеются, что его открытие расширит Стандартную модель, что в итоге поможет выяснить, что такое темная материя.
Смотрите также
22 факта о квантовой механике, запутанных фотонах и удачном эксперименте японских ученых
2. Время движется только вперед. Или нет?
giphy.com
Благодаря Альберту Эйнштейну мы знаем, что во Вселенной есть не менее четырех измерений — три пространственных и одно временное.
Но время и пространство обладают отличными друг от друга свойствами. И эта особенность делает невозможными путешествия во времени. Если в пространстве можно двигаться вперед, назад и в любом другом направлении, то перемещаться во времени вперед или назад невозможно (а очень жаль!).
Здесь мы подходим к такому понятию, как «энтропия» — единственной функции в физике, которая показывает направленность процессов.
Shutterstock
Именно благодаря энтропии время «течет» вперед и не может быть повернуто вспять. По предположениям некоторых ученых, во время Большого взрыва общая энтропия Вселенной была гораздо ниже, чем сегодня. А значит, у нашей Вселенной могут быть «соседи», в которых время течет в обратную сторону. Однако единодушного мнения по этому поводу все еще нет.
3. Что такое антивещество, и существует ли оно?
spacegid.com / mining-cryptocurrency.ru
Антивещество — само по себе противоречие. Это вещество, которое состоит из античастиц, которое не образуется в природе. Иными словами, наблюдательные данные об обнаружении антивещества в нашей Галактике и за ее пределами отсутствуют. Так же как и данные о скоплениях антивещества в наблюдаемой части Вселенной.
Асимметрия вещества и антивещества во Вселенной — один из самых больших нерешенных вопросов физики.
4. Почему Вселенная состоит из материи, а не из антиматерии?
scitechdaily.com
Физики считают, что в момент Большого взрыва возникло равное количество обычной материи и антиматерии, но почему «выжила» только материя — загадка для ученых со всего мира.
Смотрите также
15 вещей, которые не поддаются научному объяснению
5. Существует ли точка пересечения общей теории относительности и квантовой механики?
Gifer
Общая теория относительности объясняет движение всего, начиная с листьев дерева и заканчивая планетами, а квантовая механика — свойства атомов и субатомных частиц. Идеи теории относительности и квантовой механики сочетает в себе теория струн — направление в физике, которое изучает динамику взаимодействия объектов, как одномерных протяженных объектов.
Согласно этой теории, элементарные частицы возникают в результате колебаний квантовых струн.
Но в чем загвоздка — экспериментального подтверждения этой гипотезы все еще нет. Так что этот вопрос ждет своего решения, а теория струн — научного признания.
6. Наша жизнь тоже полна вопросов, на которые нет ответов
theweek.in
В частности, то, как происходит спонтанное зарождение живых существ из неорганической материи. Например, Аристотель утверждал, что внезапное возникновение живых существ вызвано не чем иным, как воздействием духовного начала на безжизненную материю.
Получается, если взглянуть на окружающий нас мир, можно предположить, что несколько тысяч лет все было «мертвым», а потом внезапно приобрело признаки жизни. Но почему? Это еще один вопрос, который ждет логичного ответа.
7. Что такое темная материя?
wikipedia.org
Порой наблюдаемое движение небесных тел отклоняется от законов небесной механики. Осознавая расширение Вселенной, физики думают, что это расширение — больше, чем темная энергия.
Однако вопрос о том, что именно представляет собой темная энергия, пока остается нерешенным.
Обложка: 1Gai.Ru
Источники: Wikipedia / youtube.com / nbcnews.com
Смотрите также
От телепортации до путешествий во времени: все, что нужно знать о квантовой механике
Смотрите также
14 научных теорий и фактов о времени, которые расширят ваши перспективы и горизонты
Смотрите также
20 фактов о времени, которые нужно осознать
Открытые вопросы в физике
Придётся провести большие исследования прежде, чем вы придумаете теорию, которая ответит на один из этих вопросов и обеспечит вам Нобелевскую премию!
Open Questions in Physics
John Baez
Physics FAQ содержит ответы на такие часто задаваемые вопросы, ответы на которые известны.
Но в физике есть ещё множество простых и интересных вопросов, которые пока не имеют ответов. Прежде чем самостоятельно подступиться к ответам на эти вопросы, обратите внимание, что, хотя никто и не знает правильных ответов, но уже была сделана некоторая, а иногда и большая, работа по всем этим темам. Уже высказано множество разумных идей по многим из этих вопросов. Поэтому придётся провести большие исследования прежде, чем вы придумаете теорию, которая ответит на один из таких вопросов и обеспечит вам Нобелевскую премию! Можете быть уверены, что вы по-настоящему и всесторонне изучите физику прежде, чем продвинетесь в этом исследовании.
Этот список «открытых» вопросов разделён на три группы: Сплошная среда и Нелинейная динамика, Космология и Астрофизика, Элементарные частицы и Квантовая физика.
Есть много интересных и фундаментальных вопросов в других областях и их даже больше, чем перечислено здесь. Они не упоминаются не потому, что менее важны, просто они выходят за рамки этой статьи.
Но в физике есть ещё множество простых и интересных вопросов,
которые пока не имеют ответов. Прежде чем самостоятельно подступиться
к ответам на эти вопросы, обратите внимание, что, хотя никто и
не знает правильных ответов, но уже была сделана некоторая, а
иногда и большая, работа по всем этим темам. Уже высказано множество
разумных идей по многим из этих вопросов. Поэтому придётся провести
большие исследования прежде, чем вы придумаете теорию, которая
ответит на один из таких вопросов и обеспечит вам Нобелевскую
премию! Можете быть уверены, что вы по-настоящему и всесторонне
изучите физику прежде, чем продвинетесь в этом исследовании.
Конечно, такое разделение
несколько искусственно, так как физика элементарных частиц и нелинейная
динамика используются в космологии, есть и другие связи между
этими группами. Следовательно, сама классификация тоже несколько
произвольна.Сплошная среда и Нелинейная динамика
1 . Как объяснить сонолюминисценцию? Сонолюминисценция
— это вызываемые звуком слабые вспышки света в жидкости. В точках
низкого давления в жидкости образуются пузырьки, которые схлопываются
при проходе волны высокого давления. Вспышка света происходит
в момент схлопывания. Точная причина этого явления сейчас интенсивно
обсуждается и исследуется.
2 . Как правильно понимать турбулентность и как рассчитывать, к чему она приводит? Это одна из старейших проблем из всех перечисленных.
3
Космология и Астрофизика
1 . Что происходило в момент Большого взрыва и до него? На самом ли деле была начальная сингулярность? Следующий вопрос, может быть, не имеет смысла, но, возможно, и имеет. Возвращается ли история вселенной к исходной точке вечно и точно, или только частично?
2 . Будущее вселенной вечно или нет? Будет ли «Большое схлопывание» в будущем? Бесконечна ли пространственная протяжённость вселенной?
3 .
4 . Действительно ли пространство-время четырёхмерно? Если да, то почему? Или почему это глупый вопрос? Сохраняет ли пространство-время свои геометрические свойства в очень малых масштабах?
5 . Существуют ли чёрные дыры? (Очень похоже, что существуют.) Действительно ли они излучают энергию и испаряются в соответствии с теорией Хокинга? Если да, то что происходит по истечении конечного времени в момент их полного испарения? Что остаётся? Действительно ли в чёрной дыре нарушаются все законы сохранения кроме сохранения энергии, импульса, момента вращения и электрического заряда? Что происходит с информацией, которая содержится на объекте, падающем на чёрную дыру? Она исчезает при испарении дыры? Требует ли это модификации квантовой механики?
6 .
Справедлива ли Гипотеза о космической цензуре?
Грубо говоря, гарантируется ли, что в изолированной гравитирующей
системе, в которой могут развиться сингулярности, эти сингулярности
будут скрыты за горизонтом событий? Если эта гипотеза не верна,
то как эти сингулярности проявляются? То есть какие принципиальные
физические последствия это имеет?
7 . Почему галактики распределены в виде скоплений и нитей? Верно ли, что большая часть материи во вселенной — это барионы? Та ли это материя, которую ищет современная физика?
8 . Почему кажется, что масса галактик превышает массу всего, что мы можем наблюдать, даже если принять во внимание спорные невидимые «тёмные карлики», «Юпитеры» и т.п.? Существует ли «Скрытая масса»? Если да, то это барионное, нейтринное или другое, более экзотическое вещество? Если нет, то это проблема в понимании гравитации, или в понимании чего-то другого?
9 .
Какова причина вспышек космического гамма излучения?
Есть буквально сотни теорий об этих загадочных вспышках, которые,
предположительно, исходят из различных космических катаклизмов.
10 . Каково происхождение и природа космических лучей
сверхвысокой энергии? Рекордная зарегистрированная (by the Fly’s
eye detector in the US) энергия в потоке космических лучей составляет
3×10
Элементарные частицы и Квантовая физика
1 . Почему законы физики не симметричны относительно левого и правого, будущего и прошлого, материи и антиматерии? То есть в чём состоит механизм нарушения CP инвариантности и какова причина нарушения чётности в Слабом взаимодействии? Существуют ли правые Слабые токи, которые так слабы, что пока не обнаружены? Если да, то что «портит» симметрию? Объясняется ли CP инвариантность полностью в рамках Стандартной модели, или для её объяснения нужна новая сила или механизм?
2 .
Почему величины фундаментальных сил (электромагнитной,
слабой, сильной и гравитационной) именно таковы? В частности,
почему постоянная тонкой структуры, которая является мерой электромагнитных
сил, примерно равна 1/137.036? Откуда в природе взялась эта безразмерная
константа? Действительно ли произойдёт «Великое объединение»
этих сил при достаточно большой энергии?
3 . Почему имеется 3 группы лептонов и кварков? Почему они имеют именно такие отношения масс? Например, мюон — это частица, во всём похожая на электрон, за исключением того, что мюон в 207 раз тяжелее. Почему он существует, и почему именно во столько раз тяжелее? Имеют ли кварки или лептоны внутреннюю структуру?
4 . Есть ли логичная и приемлемая релятивистская
квантовая теория поля, которая может описать взаимодействующие
поля в четырёхмерном пространстве-времени? В частности, является
ли Стандартная модель математически непротиворечивой? А квантовая
электродинамика? Даже классическая электродинамика точечных частиц
пока не имеет строгой математической формулировки.
5 . Правильно ли квантовая хромодинамика описывает динамику кварков? Можно ли рассчитать массы адронов (таких как протон, нейтрон и др.) правильно, исходя из Стандартной модели? Предсказывает ли квантовая хромодинамика освобождающий фазовый переход кварк-глюон при высокой температуре? Какова природа этого перехода? Существует ли он в природе?
6 . Почему материи больше, чем антиматерии, по крайней мере здесь? Действительно ли материи больше, чем антиматерии везде во вселенной?
7 . Как понимать «измерение» в квантовой механике? Существует ли такой физический процесс, как «коллапс волновой функции»? Если да, то как и при каких условиях он происходит? Если нет, то что происходит на самом деле?
8 . Каковы гравитационные последствия, если они есть, огромной (может быть, бесконечной) энергии вакуума, которая, похоже, следует из квантовой теории поля? Действительно ли она так огромна? Если да, почему она не проявляется как огромная космологическая постоянная?
9 .
Почему поток солнечных нейтрино не согласуется
с теорией? Важно ли это? Если да, то ошибка содержится в модели
Солнца, в теории ядерной физики, в теории нейтрино? Действительно
ли нейтрино не имеют массы?
Большой вопрос
(TM)Этот завершающий вопрос относится к двум последним группам.
Как объединить Квантовую механику и Общую теорию относительности, чтобы создать квантовую теорию гравитации? Справедлива ли Эйнштейновская (классическая) теория гравитации в микроскопическом пределе, или возможны/необходимы исправления, которые незаметны в пределах существующих наблюдений? Действительно ли гравитация — это кривизна? Или это что-то другое — тогда почему она похожа на кривизну?
Ответ на этот вопрос неразрывно связан с перечисленными выше
вопросами, и в то же время он, похоже, будет ответом на большую
часть этих вопросов.
J.Baez, 1997
Перевод Е.Корниенко
вопросов по физике | Научные вопросы с неожиданными ответами
вопросов по физике | Научные вопросы с неожиданными ответами- Когда свет от звезды распространяется и ослабевает, образуются ли промежутки между фотонами?
- Может ли огонь иметь тень?
- Может ли воздух создавать тени?
- Можно ли создать золото из других элементов?
- Может ли свет огибать углы?
- Может ли импульс быть скрыт от человеческого глаза, как кинетическая энергия может быть скрыта в виде тепла?
- Может ли один кусочек света отражаться от другого?
- Могут ли радиоантенны излучать видимый свет?
- Могут ли звуковые волны генерировать тепло?
- Можно ли изменить период полураспада радиоактивного материала?
- Сможете ли вы двигаться достаточно быстро, чтобы набрать массу, достаточную для превращения в черную дыру?
- Можно ли создать ударную волну света, преодолев световой барьер, как сверхзвуковые самолеты преодолевают звуковой барьер?
- Можно ли сделать закат в чашке молока?
- Могут ли электронные устройства заряжаться без подключения к источнику электроэнергии?
- Смогут ли ученые идеально смоделировать на компьютере всю Вселенную, вплоть до последнего атома?
- Соприкасаются ли когда-нибудь атомы друг с другом?
- Содержит ли пламя плазму?
- Всегда ли в источнике электричества заканчиваются электроны?
- Имеет ли атом цвет?
- Движется ли вообще электрон в атоме?
- Означает ли отрицательная масса антиматерии, что она гравитационно отталкивается от звезд?
- Наверху здания время течет быстрее, чем внизу?
- Насколько серьезными будут травмы человека, если тросы лифта оборвутся на 100-м этаже, и лифт упадет на дно?
- Как чистый объект может быть прозрачным и видимым одновременно?
- Как материал при определенной температуре может иметь все молекулы с одинаковой энергией?
- Как может электрон прыгать между атомными уровнями, не проходя через все пространство между ними?
- Как может быть так трудно тащить резину по гладкому стеклу, если трение вызвано шероховатостью поверхности?
- Как может произойти радиоактивный распад, если его не спровоцировать?
- Как мы можем путешествовать в прошлое?
- Как Архимед использовал зеркала, чтобы сжечь корабли захватчиков?
- Как самолеты летают вверх ногами, если они летают из-за формы крыльев?
- Как работают машины свободной энергии?
- Как рычаги создают энергию, если закон сохранения энергии не позволяет создавать энергию?
- Как проекторы проецируют черный цвет?
- Как ученые охлаждают объекты до абсолютного нуля?
- Как работают тяговые лучи?
- Как сфокусировать обычный свет, чтобы превратить его в лазерный луч?
- Как создать луч света толщиной в один фотон?
- Как микроволновая печь нагревает пищу, даже если она не излучает теплового излучения?
- Как копейка, оставленная на пути, может пустить поезд под откос?
- Как фотон так быстро разгоняется до скорости света?
- Как квантовая теория позволяет камню внезапно превратиться в утку?
- Как замедление звука в воде затрудняет разговор с кем-то под водой?
- Какой высоты должно быть здание, чтобы монета, упавшая сверху, убила человека на земле?
- Как магнитное поле просто электрическое поле с применением теории относительности?
- Как долго можно пользоваться мобильным телефоном, прежде чем появится опухоль головного мозга?
- Если бы я вколотил и расплющил копейку, смог бы я покрыть ею всю землю?
- Если я нахожусь в лифте, который отрывается и падает вниз по шахте, могу ли я избежать травм, прыгнув в последнюю секунду?
- Можно ли создавать магнитные волны?
- Свет — это частица или волна?
- Является ли металл хорошим теплозащитным экраном?
- Причина того, что ничто не может двигаться быстрее света, в том, что мы недостаточно старались?
- Есть ли разница между антивеществом, темной материей, темной энергией и вырожденной материей?
- Свет не имеет массы, поэтому согласно Эйнштейну он также не имеет энергии, но как солнечный свет может нагревать землю без энергии?
- Поскольку гравитация безгранична, можем ли мы использовать ее как бесконечный источник энергии?
- Какие есть другие способы экономии энергии в автомобиле, помимо выключения кондиционера и опускания окон?
- Что доказал эксперимент с котом Шредингера?
- Какова форма электрона?
- Какова скорость темноты?
- Какова скорость электричества?
- Какова скорость гравитации?
- Какое возможно самое сильное магнитное поле? Есть ли предел?
- Что удерживает велосипед в равновесии?
- Что вызывает повышение температуры?
- Что заставляет радиоактивные атомы так быстро стареть и распадаться?
- Что делает световые волны в лазерном свете параллельными?
- Какой психологический эффект заставляет ноты на фортепиано, разнесенные на октаву, звучать одинаково?
- Что мешает листу бумаги согнуться более семи раз?
- Что произойдет, если вы разгоните свой автомобиль до скорости света и включите фары?
- Когда световой луч имеет только одну частоту?
- Когда я ударяю один конец длинного металлического стержня, другой конец мгновенно двигается. Могу ли я использовать это для отправки сообщений быстрее света?
- Когда я сижу у костра, как его горячий воздух согревает меня?
- Когда я выхожу из душа, почему плиточный пол намного холоднее, чем коврик для ванной?
- Почему все металлы магнитятся?
- Почему звуковые волны невидимы?
- Почему микроволны в микроволновой печи настроены на воду?
- Почему существует только шесть основных цветов: красный, оранжевый, желтый, зеленый, синий и фиолетовый?
- Почему плоские линзы не могут фокусировать свет?
- Почему бриллианты вечные?
- Почему зеркала переворачиваются слева направо, а не вверх-вниз?
- Почему квантовые эффекты проявляются только в атомном масштабе?
- Почему радуга содержит чистый набор спектральных цветов?
- Почему радуга существует только в узкой полосе?
- Почему трение о воздух влияет на расход бензина автомобиля?
- Почему молния проталкивает электричество через воздух, а обычные батарейки — нет?
- Почему в моей комнате становится темно, когда я выключаю свет, даже если окно закрыто?
- Почему рубашка темнеет от воды?
- Почему свет не имеет импульса?
- Почему мой ноутбук не излучает радиацию?
- Почему атомы не коллапсируют, если они в основном состоят из пустого пространства?
- Почему электроны в атоме не входят в ядро?
- Почему я не чувствую, как мили воздуха надо мной придавливают меня?
- Почему ученые больше не используют фрактальные концепции, учитывая, что фракталы повсюду?
- Почему 12-вольтовая бытовая батарея безвредна, а удар от 12-вольтовой автомобильной батареи вас убьет?
- Почему гравитация не является реальной силой?
- Почему свет является чистой энергией?
- Почему физический масштаб инвариантен?
- Почему так много говорят о центробежной силе, если она не реальна?
- Почему самая низкая температура называется абсолютным нулем, если она относительно системы отсчета?
- Почему время застыло с точки зрения света?
- Зачем люди изобрели цвет?
- Почему электроны были выбраны отрицательно заряженными? Не лучше ли было бы назвать электроны положительно заряженными, потому что, когда они двигаются, они производят электричество?
- Почему грузовик с птицами, сидящими на полу, будет тяжелее, чем грузовик, внутри которого летают такие же птицы.
Могу ли я использовать это для отправки сообщений быстрее света?
Когда свет от звезды распространяется и ослабевает, образуются ли промежутки между фотонами?
Категория: Физика Опубликовано: 12 февраля 2015 г.
Public Domain Image, источник: ESA/NASA.
Ответ зависит от того, как вы смотрите на свет. Однако в наиболее точном подходе промежутки между фотонами не образуются по мере распространения света. Свет состоит из крошечных элементарных частиц, называемых фотонами. Фотон — это квантовый объект. Таким образом, фотон действует немного как частица и немного как волна, но на самом деле представляет собой нечто более сложное.
Если вы посмотрите на свет как на набор маленьких частиц, вы можете сказать, что более тусклый свет имеет более рассеянные фотоны. Но они не распространяются в пространстве во время путешествия. Скорее, они распределяются во времени и пространстве по мере их получения. Достаточно чувствительное устройство счетчика фотонов может обнаруживать прием света по одному фотону за раз.
Направьте свет на такое устройство, и оно не будет воспринимать свет в виде постоянного потока. Скорее, он получает свет как ряд дискретных пучков энергии, разделенных промежутками во времени. Точно так же свет направляется на достаточно чувствительный массив счетчиков фотонов, и он получает свет в точках с пространственными промежутками между ними. Если смотреть таким образом, световой пучок всегда имеет промежутки между фотонами , будь свет очень ярким или очень тусклым. Очень тусклые световые лучи имеют большие промежутки во времени и пространстве между приемом каждого фотона по сравнению с более яркими световыми лучами. Свет от очень далекой звезды распространился на очень большую площадь и в процессе стал очень тусклым. Таким образом, промежутки между приемом фотонов от очень далекой тусклой звезды велики. Опять же, пробелы есть только во времени и местоположении приема. В пространстве между фотонами нет промежутков, когда они путешествуют.
Если смотреть на свет как на волну, то пробелов нет, если только они специально туда не помещены.
Конечно, если вы будете постоянно включать и выключать фонарик, световой луч, исходящий от вашего фонарика, будет иметь промежутки. Точно так же, если вы направляете непрерывный луч света через жалюзи, которые постоянно открываются и закрываются, вы можете создать просветы. Но если вы направите непрерывный луч света в свободное пространство, волна начнется без промежутков и, следовательно, не будет образовываться промежутков по мере своего движения. Волны — это колебания поля, плавно распространяющиеся в пространстве. Распространение волны на большую площадь просто приводит к ослаблению силы волны, но не вызывает образования зазоров. Следовательно, если вы посмотрите на фотоны как на волны, пространственные щели никогда не образуются в свете, когда он путешествует в свободном пространстве, каким бы тусклым он ни становился. Свет далекой звезды действительно распространяется и ослабевает по мере движения, но это лишь уменьшает силу волны, а не создает пробелов.
Грубый, но полезный способ взглянуть на фотоны состоит в том, что они действуют как волны во время движения и действуют как частицы при взаимодействии с материей.