Сложные вопросы по физике: 7 вопросов физики, которые все еще остаются без ответа

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. 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.

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.

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 . Какова причина высокотемпературной сверхпроводимости? Можно ли создать материал, который является сверхпроводником при комнатной температуре? Теория сверхпроводимости при очень низких температурах была создана в 1957 году, но высокотемпературная сверхпроводимость, открытая в 1986 году, всё ещё не объяснена.

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 .

Как объяснить направление времени? Другими словами, почему будущее так сильно отличается от прошлого? Если вселенная конечна и она периодически схлопывается, то обратится ли термодинамическое направление времени при коллапсе в сторону этого «большого схлопывания»?

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

20 эв. Похожее явление зафиксировано японским сцинтиляционным детектором AGASA. Когда такие энергии были обнаружены впервые, они настолько превышали что-либо ожидаемое, что пока придумано только несколько возможных гипотез для их объяснения.

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.

7 самых больших оставшихся без ответа вопросов в физике

Большие вопросы

Физики разгадали некоторые из самых больших загадок Вселенной. Но они еще не сделаны.

Steven Hunt / Getty Images

8 августа 2017 г., 18:56 UTC , он был бы рад увидеть, как далеко продвинулась физика. Вещи, которые несколько столетий назад казались глубоко загадочными, теперь преподаются на уроках физики для первокурсников (хорошим примером является состав звезд).

Ньютон был бы ошеломлен, увидев огромные эксперименты, такие как Большой адронный коллайдер (БАК) в Швейцарии, и, возможно, был бы возмущен, узнав, что его теория гравитации была заменена теорией, придуманной каким-то парнем по имени Эйнштейн. Квантовая механика, вероятно, показалась бы ему странной, хотя современные ученые думают так же.

Но как только он наберется скорости, Ньютон, несомненно, будет аплодировать тому, чего достигла современная физика — от открытия природы света в 19века до определения структуры атома в 20 веке до прошлогоднего открытия гравитационных волн. И все же современные физики первыми признают, что у них нет ответов на все вопросы. «Есть основные факты о Вселенной, о которых мы не знаем», — говорит доктор Дэниел Уайтсон, физик из Калифорнийского университета и соавтор новой книги «У нас нет идей: Путеводитель по неизвестной Вселенной».

Далее следует краткий обзор семи крупнейших нерешенных проблем физики. (Если вам интересно, почему в списке нет таких головоломок, как темная материя и темная энергия, это потому, что они были в нашей предыдущей статье о пяти самых важных вопросах о Вселенной.)

1. Из чего состоит материя?

Мы знаем, что материя состоит из атомов, а атомы состоят из протонов, нейтронов и электронов. И мы знаем, что протоны и нейтроны состоят из более мелких частиц, известных как кварки. Может ли более глубокое исследование обнаружить еще более фундаментальные частицы? Мы не знаем наверняка.

У нас есть так называемая Стандартная модель физики элементарных частиц, которая очень хорошо объясняет взаимодействие между субатомными частицами. Стандартная модель также использовалась для предсказания существования ранее неизвестных частиц. Последней частицей, которая была обнаружена таким образом, был бозон Хиггса, открытый исследователями LHC в 2012 году9.0213

Но есть загвоздка.

«Стандартная модель не все объясняет», — говорит доктор Дон Линкольн, физик частиц из Национальной ускорительной лаборатории Ферми (Fermilab) недалеко от Чикаго. «Это не объясняет, почему существует бозон Хиггса. Это не объясняет в деталях, почему бозон Хиггса имеет такую ​​массу». На самом деле бозон Хиггса оказался намного менее массивным, чем предполагалось — теория утверждала, что он будет примерно «в квадриллион раз тяжелее, чем есть на самом деле», — говорит Линкольн.

Один из детекторов частиц в Большом адронном коллайдере ЦЕРН. Rex Features via AP

На этом загадки не заканчиваются. Известно, что атомы электрически нейтральны — положительный заряд протонов уравновешивается отрицательным зарядом электронов — но почему это так, Линкольн говорит: «Никто не знает».

2. Почему гравитация такая странная?

Нет силы более привычной, чем гравитация — в конце концов, именно она удерживает наши ноги на земле. А общая теория относительности Эйнштейна дает математическую формулировку гравитации, описывая ее как «искривление» пространства. Но гравитация в триллион триллионов триллионов раз слабее трех других известных взаимодействий (электромагнетизма и двух видов ядерных сил, действующих на крошечных расстояниях).

Одна возможность — на данный момент спекулятивная — заключается в том, что в дополнение к трем измерениям пространства, которые мы замечаем каждый день, существуют скрытые дополнительные измерения, возможно, «свернутые» таким образом, что их невозможно обнаружить. Если эти дополнительные измерения существуют — и если гравитация способна «просачиваться» в них — это может объяснить, почему гравитация кажется нам такой слабой.

«Возможно, гравитация так же сильна, как и эти другие силы, но она быстро разбавляется, выплескиваясь в другие невидимые измерения», — говорит Уайтсон. Некоторые физики надеялись, что эксперименты на БАК дадут намек на эти дополнительные измерения, но пока безрезультатно.

3. Почему кажется, что время течет только в одном направлении?

Со времен Эйнштейна физики думали о пространстве и времени как о формировании четырехмерной структуры, известной как «пространство-время». Но пространство отличается от времени в некоторых очень фундаментальных аспектах. В космосе мы вольны двигаться как хотим. Когда дело доходит до времени, мы застряли. Мы взрослеем, а не моложе. И мы помним прошлое, но не будущее. Время, в отличие от пространства, кажется, имеет предпочтительное направление — физики называют его «стрелой времени».

Некоторые физики подозревают, что второй закон термодинамики дает ключ к разгадке. В нем говорится, что энтропия физической системы (грубо говоря, степень беспорядка) со временем увеличивается, и физики считают, что это увеличение определяет направление времени. (Например, разбитая чашка имеет большую энтропию, чем целая, и, конечно же, разбитые чашки всегда появляются после целых, а не раньше. )

Энтропия может расти сейчас, потому что раньше она была ниже, но почему это низко для начала? Была ли энтропия Вселенной необычно низкой 14 миллиардов лет назад, когда она возникла в результате Большого взрыва?

Для некоторых физиков, включая Шона Кэрролла из Калифорнийского технологического института, это недостающая часть головоломки. «Если вы можете сказать мне, почему в ранней Вселенной была низкая энтропия, тогда я смогу объяснить все остальное», — говорит он. По мнению Уайтсона, энтропия — это еще не все. «Для меня, — говорит он, — самая глубокая часть вопроса заключается в том, почему время так отличается от пространства?» (Недавние компьютерные симуляции, кажется, показывают, как асимметрия времени может возникать из фундаментальных законов физики, но работа вызывает споры, а окончательная природа времени продолжает вызывать страстные споры.)

4. Куда делась вся антиматерия?

Антиматерия может быть более известна в художественной литературе, чем в реальной жизни. В оригинальном «Звездном пути» антивещество вступает в реакцию с обычным веществом, приводя в действие варп-двигатель, который приводит в движение США. Предприятие на сверхсветовых скоростях. В то время как варп-двигатель — чистая выдумка, антиматерия вполне реальна. Мы знаем, что для каждой частицы обычного вещества может быть идентичная частица с противоположным электрическим зарядом. Например, антипротон похож на протон, но с отрицательным зарядом. Между тем античастица, соответствующая отрицательно заряженному электрону, — это положительно заряженный позитрон.

Физики создали антивещество в лаборатории. Но когда они это делают, они создают равное количество материи. Это говорит о том, что Большой взрыв должен был создать материю и антиматерию в равных количествах. Однако почти все, что мы видим вокруг себя, от земли под нашими ногами до самых отдаленных галактик, состоит из обычного вещества.

Что происходит? Почему материи больше, чем антиматерии? Наше лучшее предположение состоит в том, что Большой взрыв каким-то образом произвел чуть больше материи, чем антиматерии. «То, что должно было произойти в начале истории Вселенной — в самые моменты после Большого взрыва — это то, что на каждые 10 миллиардов частиц антиматерии приходилось 10 миллиардов и одна частица материи», — говорит Линкольн. «И материя и антиматерия уничтожили 10 миллиардов, оставив один. И этот маленький «один» — это масса, из которой мы состоим».

Но почему в первую очередь небольшой избыток материи над антиматерией? «Мы действительно этого не понимаем, — говорит Линкольн. «Это странно». Если бы начальные количества материи и антиматерии были равны, они бы полностью уничтожили друг друга в результате выброса энергии. В этом случае, говорит Линкольн, «нас бы не существовало».

Национальная ускорительная лаборатория Ферми в Батавии, Иллинойс. М. Spencer Green / AP file

Некоторые ответы могут прийти, когда Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) начнет собирать данные в 2026 году. DUNE будет анализировать пучок нейтрино — крошечных, беззарядных и почти безмассовых частиц — запущенных из Фермилаборатории в подземный исследовательский центр Сэнфорда. в Южной Дакоте, примерно в 800 милях отсюда. Луч будет включать в себя нейтрино и антинейтрино с целью увидеть, ведут ли они себя одинаково, что потенциально может дать ключ к разгадке природной асимметрии материи и антиматерии.

5. Что происходит в серой зоне между твердым телом и жидкостью?

Твердые и жидкие вещества хорошо изучены. Но некоторые материалы ведут себя и как жидкость, и как твердое тело, поэтому их поведение трудно предсказать. Песок является одним из примеров. Песчинка тверда, как камень, но миллион песчинок может пройти через воронку почти как вода. Точно так же может вести себя и автомобильный транспорт, свободно движущийся до тех пор, пока он не заблокируется в каком-нибудь узком месте.

Песчинка тверда, как камень, но миллион песчинок может течь через воронку почти как вода. Владислав Данилин / Getty Images

Таким образом, лучшее понимание этой «серой зоны» может иметь важное практическое применение.

«Люди спрашивали, при каких условиях вся система заклинивает или забивается?» — говорит доктор Керстин Нордстром, физик из колледжа Маунт-Холиок. «Каковы важные параметры, чтобы избежать засорения?» Как ни странно, препятствие в потоке транспорта может при определенных условиях фактически уменьшить пробки. «Это очень нелогично, — говорит она.

6. Можем ли мы найти единую теорию физики?

Теперь у нас есть две всеобъемлющие теории, объясняющие почти каждое физическое явление: теория гравитации Эйнштейна (общая теория относительности) и квантовая механика. Первый хорошо объясняет движение всего, от мячей для гольфа до галактик. Квантовая механика в равной степени впечатляет и в своей области — в области атомов и субатомных частиц.

Проблема в том, что две теории описывают наш мир очень по-разному. В квантовой механике события разворачиваются на фиксированном фоне пространства-времени, тогда как в общей теории относительности само пространство-время гибко. Как будет выглядеть квантовая теория искривленного пространства-времени? Мы не знаем, говорит Кэрролл. «Мы даже не знаем, что мы пытаемся квантовать».

Это не остановило людей от попыток. Уже несколько десятилетий теория струн, которая изображает материю как состоящую из крошечных вибрирующих струн или энергетических петель, рекламировалась как лучший способ создать единую теорию физики. Но некоторые физики предпочитают петлевую квантовую гравитацию, в которой само пространство представляется состоящим из крошечных петель.

Каждый из подходов имел определенный успех — методы, разработанные, в частности, специалистами по теории струн, оказались полезными для решения некоторых сложных физических задач. Но ни теория струн, ни петлевая квантовая гравитация не были проверены экспериментально. Пока долгожданная «теория всего» продолжает ускользать от нас.

7. Как возникла жизнь из неживой материи?

Первые полмиллиарда лет Земля была безжизненной. Затем жизнь вошла в свои права, и с тех пор она процветает. Но как возникла жизнь? Ученые считают, что до начала биологической эволюции происходила химическая эволюция, когда простые неорганические молекулы реагировали с образованием сложных органических молекул, скорее всего, в океанах. Но что в первую очередь запустило этот процесс?

Физик из Массачусетского технологического института доктор Джереми Ингланд недавно выдвинул теорию, которая пытается объяснить происхождение жизни с точки зрения фундаментальных принципов физики. С этой точки зрения жизнь является неизбежным результатом роста энтропии. Если теория верна, появление жизни «должно быть таким же неудивительным, как камни, катящиеся вниз по склону», — сказал Ингланд журналу Quanta в 2014 году9.0213

Идея весьма гипотетическая. Однако недавние компьютерные симуляции могут его поддержать. Моделирование показывает, что обычные химические реакции (типа тех, которые были обычным явлением на только что образовавшейся Земле) могут привести к созданию высокоструктурированных соединений — по-видимому, важной ступенькой на пути к живым организмам.

Как только жизнь пустила корни на нашей планете, примерно четыре миллиарда лет назад, она распространилась повсюду. Но то, как жизнь развилась из неживой материи, остается загадкой.