10 нерешени проблема съвременна физика
По-долу представяме списък с нерешени проблеми в съвременната физика.

Някои от тези проблеми са теоретични. Това означава, че съществуващите теории не са в състояние да обяснят някои наблюдавани явления или експериментални резултати.

Други проблеми са експериментални, което означава, че има трудности при създаването на експеримент за тестване на предложена теория или за по-подробно изследване на феномен.

Някои от тези проблеми са тясно свързани помежду си. Например, допълнителни измерения или суперсиметрия могат да решат проблема с йерархията. Смята се, че пълната теория на квантовата гравитация може да отговори на повечето от тези въпроси.

Какъв ще бъде краят на Вселената?

Отговорът до голяма степен зависи от тъмната енергия, която остава неизвестен член на уравнението.

Тъмната енергия е отговорна за ускоряващото се разширяване на Вселената, но нейният произход е мистерия, обвита в мрак. Ако тъмната енергия е постоянна във времето, е вероятно да изпитаме „голямо замръзване“: Вселената ще продължи да се разширява по-бързо и в крайна сметка галактиките ще се отдалечат толкова далеч една от друга, че сегашната празнота на пространството ще изглежда като детска игра.

Ако тъмната енергия се увеличи, разширяването ще стане толкова бързо, че ще се увеличи пространството не само между галактиките, но и между звездите, тоест самите галактики ще бъдат разкъсани; тази опция се нарича "голяма празнина".

Друг сценарий е, че тъмната енергия ще намалее и вече няма да може да противодейства на силата на гравитацията, което ще доведе до колапс на Вселената („голямата криза“).

Въпросът е, че както и да се развият събитията, ние сме обречени. Преди това обаче има още милиарди или дори трилиони години — достатъчно, за да разберем как ще умре Вселената.

Квантова гравитация

Въпреки активните изследвания, теорията за квантовата гравитация все още не е изградена. Основната трудност при конструирането му е, че двете физически теории, които се опитва да свърже заедно - квантовата механика и общата теория на относителността (ОТО) - разчитат на различни набори от принципи.

Така квантовата механика се формулира като теория, която описва времевата еволюция на физическите системи (например атоми или елементарни частици) на фона на външното пространство-време.

В общата теория на относителността няма външно пространство-време — самото то е динамично теория на променливите, в зависимост от характеристиките на съдържащите се в него класическисистеми

При преминаване към квантова гравитация е необходимо най-малко системите да бъдат заменени с квантови (т.е. квантуване). Възникващата връзка изисква някакъв вид квантуване на самата геометрия на пространство-времето и физически смисълтакова квантуване е абсолютно неясно и няма успешен последователен опит да се осъществи.

Дори опит за квантуване на линеаризираното класическа теорияна гравитацията (GR) се сблъсква с многобройни технически трудности — квантовата гравитация се оказва непренормируема теория поради факта, че гравитационната константа е размерна величина.

Ситуацията се утежнява от факта, че директни експерименти в областта на квантовата гравитация, поради слабостта на самите гравитационни взаимодействия, не са налични модерни технологии. В тази връзка, в търсенето на правилната формулировка на квантовата гравитация, ние трябва да разчитаме само на теоретични изчисления.

Хигс бозонът няма абсолютно никакъв смисъл. Защо съществува?

Хигс бозонът обяснява как всички други частици придобиват маса, но също така повдига много нови въпроси. Например, защо бозонът на Хигс взаимодейства с всички частици по различен начин? Така t-кваркът взаимодейства с него по-силно от електрона, поради което масата на първия е много по-голяма от тази на втория.

Освен това Хигс бозонът е първата елементарна частица с нулев спин.

„Имаме напълно нова област на физиката на елементарните частици“, казва ученият Ричард Руиз, „нямаме представа каква е нейната природа.“

Радиация на Хокинг

Черните дупки произвеждат ли топлинна радиация, както прогнозира теорията? Това излъчване съдържа ли информация за тяхната вътрешна структура или не, както предполага първоначалното изчисление на Хокинг?

Защо се случи така, че Вселената се състои от материя, а не от антиматерия?

Антиматерията е същата материя: тя има абсолютно същите свойства като веществото, от което са направени планетите, звездите и галактиките.

Единствената разлика е таксата. Според модерни идеи, в новородената Вселена имаше еднакво количество и от двете. Малко след Големия взрив материята и антиматерията анихилираха (реагираха, за да се унищожат взаимно и да създадат други частици една от друга).

Въпросът е как е станало така, че все пак е останало някакво количество материя? Защо материята успя, а антиматерията загуби дърпането на въже?

За да обяснят това неравенство, учените усърдно търсят примери за нарушение на CP, тоест процеси, при които частиците предпочитат да се разпадат, за да образуват материя, а не антиматерия.

„Първо, бих искала да разбера дали неутрино осцилациите (преобразуването на неутрино в антинеутрино) се различават между неутрино и антинеутрино“, казва Алисия Марино от Университета на Колорадо, която сподели въпроса.  „Нищо подобно не е наблюдавано преди, но очакваме с нетърпение следващото поколение експерименти.“

Теория на всичко

Има ли теория, която обяснява стойностите на всички фундаментални физически константи? Има ли теория, която обяснява защо законите на физиката са такива, каквито са?

Теория на всичко   — хипотетична единна физическа и математическа теория, която описва всички познати фундаментални взаимодействия.

Първоначално този термин се използва по ироничен начин за обозначаване на различни обобщени теории. С течение на времето терминът се утвърди в популяризирането на квантовата физика, за да обозначи теория, която ще обедини четирите основни сили в природата.

През двадесети век са предложени много „теории за всичко“, но нито една не е тествана експериментално или има значителни трудности при установяването на експериментално тестване за някои от кандидатите.

Бонус: Кълбовидна мълния

Каква е природата на това явление? Кълбовидната мълния независим обект ли е или се захранва с енергия отвън? Това ли е всичко кълбовидна мълнияОт едно и също естество ли са или има различни видове?

Кълбовидна мълния — светеща, носеща се във въздуха огнена топка, уникално рядък природен феномен.

Към днешна дата не е представена и единна физическа теория за възникването и протичането на това явление; научни теории, които свеждат явлението до халюцинации.

Има около 400 теории, които обясняват феномена, но нито една от тях не е получила абсолютно признание в академичната среда. В лабораторни условия подобни, но краткотрайни явления са получени от няколко различни начини, така че въпросът за природата на кълбовидната мълния остава открит. В края на 20-ти век не е създаден нито един експериментален стенд, в който това природно явление да бъде изкуствено възпроизведено в съответствие с описанията на очевидци на кълбовидна мълния.

Широко разпространено е мнението, че кълбовидната мълния е явление с електрически произход, от естествена природа, т.е. представлява специален типмълния, която съществува дълго време и има формата на топка, способна да се движи по непредвидима траектория, понякога изненадваща за очевидците.

Традиционно надеждността на много разкази на очевидци за кълбовидната мълния остава под съмнение, включително:

• самият факт на наблюдение на поне някакво явление;
• фактът на наблюдение на кълбовидна мълния, а не някакво друго явление;
• отделни подробности за явлението, дадени в разказ на очевидец.

Съмненията относно надеждността на много доказателства усложняват изследването на феномена, а също така създават почва за появата на различни спекулативни и сензационни материали, уж свързани с това явление.

По материали от: няколко десетки статии от

Физика

• Превод

Нашият стандартен модел на елементарни частици и взаимодействия наскоро стана толкова завършен, колкото би могло да се желае. Всяка една елементарна частица - във всичките й възможни форми - е създадена в лаборатория, измерена е и нейните свойства са определени. Най-дълготрайните, топ кваркът, антикваркът, тау неутриното и антинеутриното и накрая бозонът на Хигс, станаха жертва на нашите способности.

А последният – бозонът на Хигс – също реши един стар проблем във физиката: най-накрая можем да демонстрираме откъде елементарните частици получават масата си!

Всичко това е страхотно, но науката не свършва, когато приключите с решаването на тази загадка. Напротив, повдига важни въпроси, един от които е „какво следва?“ По отношение на стандартния модел можем да кажем, че все още не знаем всичко. И за повечето физици един въпрос е особено важен - за да го опишем, нека първо разгледаме следното свойство на Стандартния модел.

От една страна, слабите, електромагнитните и силните сили могат да бъдат много важни в зависимост от техните енергии и разстоянията, на които се осъществява взаимодействието. Но това не е така при гравитацията.

Можем да вземем всеки две елементарни частици - с всякаква маса и подложени на всякакви взаимодействия - и да открием, че гравитацията е с 40 порядъка по-слаба от всяка друга сила във Вселената. Това означава, че силата на гравитацията е 10 40 пъти по-слаба от останалите три сили. Например, въпреки че не са фундаментални, ако вземете два протона и ги разделите на един метър, електромагнитното отблъскване между тях ще бъде 10 40 пъти по-силно от гравитационното привличане. Или, с други думи, трябва да увеличим силата на гравитацията с коефициент 10 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000, за да се изравни всяка друга сила.

В този случай не можете просто да увеличите масата на протона с 10 20 пъти, така че гравитацията да ги придърпа заедно, преодолявайки електромагнитната сила.

Вместо това, за да се появят реакции като илюстрираната по-горе спонтанно, когато протоните преодолеят своето електромагнитно отблъскване, трябва да съберете 10 56 протона. Само като се обединят и се поддадат на силата на гравитацията, те могат да преодолеят електромагнетизма. Оказва се, че 10 56 протона представляват минималната възможна маса на една звезда.

Това е описание на това как работи Вселената - но ние не знаем защо работи по този начин. Защо гравитацията е толкова по-слаба от другите взаимодействия? Защо "гравитационният заряд" (т.е. масата) е толкова по-слаб от електрическия или цветния, или дори слаб?

Това е проблемът с йерархията и по много причини това е най-големият нерешен проблем във физиката. Не знаем отговора, но не можем да кажем, че сме напълно невежи. На теория имаме някои добри идеи за намиране на решение и инструмент за намиране на доказателства за тяхната коректност.

Досега Големият адронен колайдер – колайдерът с най-висока енергия – е достигнал безпрецедентни енергийни нива в лабораторията, събрал е масиви от данни и е реконструирал какво се е случило в точките на сблъсък. Това включва създаването на нови, невиждани досега частици (като бозона на Хигс) и появата на стари, добре познати частици от Стандартния модел (кварки, лептони, калибровъчни бозони). Освен това е в състояние, ако съществуват, да произвежда всякакви други частици, които не са включени в Стандартния модел.

Има четири възможни начини, известни ми - тоест четири добри идеи– решения на проблема с йерархията. Добрата новина е, че ако природата е избрала един от тях, LHC ще го намери! (И ако не, търсенето ще продължи).

Освен бозона на Хигс, открит преди няколко години, няма нови фундаментални частициНе го намериха на LHC. (Освен това изобщо не се наблюдават интригуващи нови кандидати за частици). И все пак намерената частица напълно отговаряше на описанието на Стандартния модел; не бяха забелязани статистически значими намеци за нова физика. Не към комбинирани Хигс бозони, не към множество Хигс частици, не към нестандартни разпадания, нищо подобно.

Но сега започнахме да получаваме данни от още по-високи енергии, два пъти повече от предишните, до 13-14 TeV, за да намерим нещо друго. И какви са възможните и разумни решения на проблема с йерархията в този смисъл?

1) Суперсиметрия или SUSY. Суперсиметрията е специална симетрия, която може да накара нормалните маси на всякакви частици, достатъчно големи за гравитацията да бъдат сравними с други влияния, да се компенсират взаимно с висока степен на точност. Тази симетрия също предполага, че всяка частица в стандартен моделима частица суперпартньор и че има пет частици Хигс и техните пет суперпартньори. Ако такава симетрия съществува, тя трябва да бъде нарушена или суперпартньорите биха имали същите маси като обикновените частици и щяха да бъдат открити отдавна.

Ако SUSY съществува в мащаб, подходящ за решаване на проблема с йерархията, тогава LHC, достигайки енергии от 14 TeV, трябва да намери поне един суперпартньор, както и втора частица на Хигс. В противен случай самото съществуване на много тежки суперпартньори ще доведе до друг проблем на йерархията, който няма да има добро решение. (Интересното е, че отсъствието на SUSY частици при всички енергии би опровергало теорията на струните, тъй като суперсиметрията е необходимо условиеза струнни теории, съдържащи стандартния модел на елементарните частици).

Ето ти първия Възможно решениепроблеми на йерархията, която има понастоящемняма доказателства.

Възможно е да се създадат малки суперохладени скоби, пълни с пиезоелектрични кристали (които произвеждат електричество, когато се деформират), с разстояния между тях. Тази технология ни позволява да наложим ограничения от 5-10 микрона за „големи“ измервания. С други думи, гравитацията работи според предсказанията на общата теория на относителността в мащаби, много по-малки от милиметър. Така че, ако има големи допълнителни измерения, те са на енергийни нива, недостъпни за LHC и, което е по-важно, не решават проблема с йерархията.

Разбира се, за проблема с йерархията може да има напълно различно решение, което не може да бъде намерено на съвременните колайдери, или изобщо няма решение; може просто да е свойство на природата без никакво обяснение за това. Но науката няма да напредне, без да се опита, и това е, което тези идеи и търсения се опитват да направят: да тласнат нашите знания за Вселената напред. И както винаги, с началото на втория цикъл на LHC, очаквам с нетърпение да видя какво може да се появи там, освен вече открития Хигс бозон!

Тагове:

• земно притегляне
• фундаментални взаимодействия
• резервоар

Добави тагове

АРТЪР УИГИНС, ЧАРЛЗ УИН

ПЕТ

НЕРАЗРЕШЕН

ПРОБЛЕМИ

НАУКА

Рисунки от Сидни Харис

УигинсА. , Уинз.

ПЕТТЕ НАЙ-ГОЛЕМИ НЕРЕШЕНИ ПРОБЛЕМА В НАУКАТА

АРТЪР У. УИГИНС ЧАРЛЗ М. УИН

С анимационен коментар от Сидни Харис

John Wiley & Sons, Inc.

В книгата се говори за най-големите проблеми в астрономията, физиката, химията, биологията и геологията, върху които учените работят в момента. Авторите правят преглед на откритията, довели до тези проблеми, въвеждат работа за разрешаването им и обсъждат нови теории, включително теорията на струните, теорията на хаоса, човешкия геном и сгъването на протеини.

Предговор

Ние, хората, сме сгушени върху парче скала, наречено „планета“, обикалящо около ядрен реактор, наречен „звезда“, който е част от огромна колекция от звезди, наречена „Галактика“, която от своя страна е част от клъстерите от галактики които изграждат Вселената. Нашето състояние, което наричаме живот, е присъщо на много други организми на тази планета, но изглежда, че само ние имаме инструмента на ума, за да разберем Вселената и всичко, което има. Ние включваме усилията си да изясним природата на Вселената под понятието наука. Такова разбиране не е лесно, а пътят до него е дълъг. Напредъкът обаче е очевиден.

Тази книга ще разкаже на читателя за най-големите нерешени проблеми на науката, върху които учените работят днес. Въпреки изобилието от експериментални данни, те не са достатъчни, за да потвърдят тази или онази хипотеза. Ще разгледаме събитията и откритията, довели до тези проблеми, и след това ще ви преведем през начина, по който учените в челните редици на науката се опитват да ги разрешат днес. Сидни Харис, водещият американски научен илюстратор, оживява нашите дискусии с хумора, присъщ на рисунките му, като не само изяснява включените идеи, но и ги подчертава по напълно нов начин.

Тук също обсъждаме нерешени проблеми в основните клонове на естествените науки, като се ръководим в избора си от степента на тяхната важност, трудност, широта на обхват и мащаб на последствията. Наред с тях включихме в книгата кратък прегледи някои други проблеми във всеки от засегнатите клонове на знанието, както и „Списък с идеи“, където читателят ще намери допълнителна информация за основата на някои неразрешени проблеми. И накрая, включихме Deeper Resources, който изброява информационни ресурси, за да ви помогне да научите повече за темите, които ви интересуват.

Специални благодарности на Кейт Брадфорд, старши редактор Уайли, първият, който предложи такава книга, и нашия литературен агент Луиз Кец за постоянните й насърчителни думи.

Глава първа

Визия на науката

В края на краищата е обичайно образованият човек да се стреми към точност за всеки вид [предмети] 1

до степента, която позволява естеството на предмета. Изглежда еднакво [абсурдно] да се задоволяваме с дългите разсъждения на един математик и да изискваме строги доказателства от един ретор.

Аристотел

Наука ≠ технология

Науката и технологиите не са ли едно и също нещо? Не,те са различни.

Въпреки че технологията, която определя съвременната култура, се развива чрез разбирането на науката за Вселената, технологията и науката се ръководят от различни мотиви. Нека да разгледаме основните разлики между науката и технологиите. Ако науката е причинена от желанието на човек да опознае и разбере Вселената, тогава техническите иновации са причинени от желанието на хората да променят условията на своето съществуване, за да получат храна за себе си, да помогнат на другите и често да извършват насилие за лична изгода.

Хората често се занимават с „чиста“ и приложна наука едновременно, но науката може да се води фундаментални изследваниябез оглед на крайния резултат. Британският министър-председател Уилям Гладстон веднъж отбеляза на Майкъл Фарадей относно неговите фундаментални открития, свързващи електричеството и магнетизма: „Всичко е много интересно, но каква е ползата от това?“ Фарадей отговори: „Сър, не знам, но един ден ще се възползвате от това.“ Почти половината от настоящото богатство на развитите страни идва от връзката между електричеството и магнетизма.

Преди научните постижения да станат достъпни за технологията, трябва да се вземат предвид допълнителни съображения: какъв вид устройство трябва да се разработи? възможен,Какво приемливоизграждане (въпрос, свързан по същество с областта на етиката). Етиката принадлежи към съвсем различна област на човешката умствена дейност: хуманитарните науки.

Основната разлика между науката и хуманитарните науки е обективността. Естествената наука се стреми да изследва възможно най-обективно поведението на Вселената, докато хуманитарните науки нямат такава цел или изискване. Ако перифразираме думите на ирландската писателка от 19-ти век Маргарет Улф Хънгърфорд, можем да кажем: „Красотата [и истината, и справедливостта, и благородството, и...] се виждат по различен начин от всеки.“

Науката далеч не е монолитна. Естествените науки се занимават с изучаването на това как заобикаляща среда, и самите хора, тъй като те са функционално подобни на други форми на живот. А хуманитарните науки изучават рационалното (емоционалното) поведение на хората и техните нагласи, които са им необходими за социално, политическо и икономическо взаимодействие. На фиг. 1.1 графично представя тези връзки.

Колкото и толкова хармонично представяне да допринася за разбирането на съществуващите връзки, реалността винаги се оказва много по-сложна. Етиката помага да се определи какво да се изучава, какво изследователски методи, техники за използване и какви експерименти са недопустими поради заплахата за човешкото благополучие, която се крие в тях. Политическата икономия и политическата наука също играят огромна роля, тъй като науката може да изучава само това, което една култура има тенденция да насърчава като инструменти за производство, труд или каквото и да е политически приемливо.

Как работи науката

Успехът на науката в изучаването на Вселената се основава на наблюдения и идеи. Този вид обмен се нарича научен метод(фиг. 1.2).

По време на наблюдениятова или онова явление се възприема от сетивата със или без инструменти. Ако в естествените науки се наблюдават много подобни обекти (например въглеродни атоми), то хуманитарните науки се занимават с по-малък брой различни предмети (например хора, дори еднояйчни близнаци).

След като събере данни, умът ни, опитвайки се да ги организира, започва да изгражда образи или обяснения. Това е дело на човешката мисъл. Този етап се нарича етап излагане на хипотеза.Изграждането на обща хипотеза въз основа на получените наблюдения се осъществява чрез индуктивен извод, който съдържа обобщение и поради това се счита за най-ненадеждния вид извод. И колкото и да се опитват изкуствено да направят изводи, в рамките научен методТози вид дейност е ограничена, тъй като на следващите етапи хипотезата се сблъсква с реалността.

Често една хипотеза се формулира изцяло или отчасти на език, различен от ежедневната реч, на езика на математиката. Придобиването на математически умения изисква много усилия, в противен случай тези, които не са запознати с математиката, ще трябва да превеждат математическите концепции на ежедневен език, когато обясняват научни хипотези. За съжаление значението на хипотезата може значително да пострада.

Веднъж конструирана, хипотезата може да се използва за прогнозиране на определени събития, които трябва да се случат, ако хипотезата е вярна. Това прогнозаизведен от хипотеза чрез дедуктивни разсъждения. Например вторият закон на Нютон гласи това Е = та.Ако Tсе равнява на 3 единици маса и А - 5 единици ускорение, тогава F трябва да е равно на 15 единици сила. На този етап математическите изчисления могат да се извършват от компютри, работещи на базата на дедуктивния метод.

Следващият етап е изпълнението опит,за да разберете дали прогнозата, направена в предишната стъпка, е потвърдена. Някои експерименти са доста лесни за провеждане, но по-често е изключително трудно. Дори след изграждането на сложно и скъпо научно оборудване за производство на изключително ценни данни, често може да е трудно да се намерят парите и след това търпението, необходимо за обработка и осмисляне на огромния масив от данни. Естествените науки имат предимството да могат да изолират предмета, който се изучава, докато хуманитарните и социалните науки трябва да се справят с множество променливи в зависимост от различните възгледи (пристрастия) на много хора.

След приключване на експериментите резултатите от тях се сравняват с прогнозата. Тъй като хипотезата е обща, а експерименталните данни са конкретни, резултатът, когато експериментът е в съответствие с прогнозата, не доказва хипотезата, а само я потвърждава. Въпреки това, ако резултатът от експеримента не е в съответствие с прогнозата, определена страна на хипотезата се оказва невярна. Тази особеност на научния метод, наречена фалшифицируемост (фалшифицируемость), налага определено строго изискване към хипотезите. Както каза Алберт Айнщайн, „Никакви експерименти не могат да докажат една теория; но един експеримент е достатъчен, за да го опровергае.

Хипотеза, която се окаже невярна, трябва да бъде преработена по някакъв начин, тоест леко променена, напълно преработена или напълно отхвърлена. Може да бъде изключително трудно да се реши какви промени са подходящи. Ревизираните хипотези ще трябва отново да преминат през същия път и или ще оцелеят, или ще бъдат изоставени в хода на по-нататъшни сравнения на прогнозата с опита.

Другата страна на научния метод, която не ви позволява да се заблудите, е възпроизвежданеВсеки наблюдател с подходящо обучение и оборудване трябва да може да повтори експериментите или прогнозите и да получи сравними резултати. С други думи, науката се характеризира с постоянна двойна проверка. Например екип от учени от Националната лаборатория на името на. Калифорнийският университет "Лорънс", Бъркли 2 се опита да произведе нов химичен елемент чрез стрелба по оловна мишена мощен лъчкриптонови йони и след това изучаване на получените вещества. През 1999 г. учените обявиха синтеза на елемент с сериен номер 118.

Синтезът на нов елемент винаги е важно събитие. В този случай неговият синтез би могъл да потвърди преобладаващите идеи за стабилността на тежките елементи. Въпреки това, учени от други лаборатории на Обществото за изследване на тежките йони (Дармщат, Германия), Големия държавен ускорител на тежки йони на Университета в Кайен (Франция) и Лабораторията по атомна физика на Института по физика и химия Рикен ( Япония) не успяха да повторят синтеза на елемент 118. Разширеният екип на лабораторията в Бъркли повтори експеримента, но той също не успя да възпроизведе получените преди това резултати. Бъркли провери отново оригиналните експериментални данни с помощта на програма с модифициран код и не успя да потвърди наличието на елемент 118. Те трябваше да оттеглят заявлението си. Този случайпоказва, че научните изследвания са безкрайни.

Понякога заедно с експериментите се проверяват и хипотези. През февруари 2001 г. Националната лаборатория Брукхейвън в Ню Йорк съобщава за експеримент, при който магнитният момент на мюон (като електрона на отрицателно заредена частица, но много по-тежък) леко надвишава стойността, предвидена от стандартния модел на физиката на елементарните частици (за повече за този модел вижте глава .2). И тъй като предположенията на стандартния модел за много други свойства на частиците бяха в много добро съответствие с експерименталните данни, такова несъответствие по отношение на големината на магнитния момент на мюона разруши основата на стандартния модел.

Предсказанието за магнитния момент на мюона е резултат от сложни и дълги изчисления, извършени независимо от учени в Япония и Ню Йорк през 1995 г. През ноември 2001 г. тези изчисления бяха повторени от френски физици, които откриха погрешно отрицателен знакпри един от членовете на уравнението и публикуваха резултатите си в Интернет. В резултат на това групата Brookhaven провери отново собствените си изчисления, призна грешката и публикува коригирани резултати. В резултат на това беше възможно да се намали несъответствието между прогнозата и експерименталните данни. Стандартният модел отново ще трябва да издържи на тестовете, които продължаващите научни изследвания подготвят за него.

Актуалните проблеми означават важни за дадено време. Едно време значението на проблемите по физика беше съвсем различно. Бяха решени въпроси като „защо се стъмва през нощта“, „защо духа вятър“ или „защо водата е мокра“. Нека да видим какво учените си блъскат главите тези дни.

Въпреки факта, че можем да обясним света около нас все по-пълно, въпросите стават все по-ясни с времето. Учените насочват своите мисли и инструменти в дълбините на Вселената и джунглата от атоми, откривайки там неща, които все още не могат да бъдат обяснени.

Нерешени задачи по физика

Някои от настоящите и неразрешени въпросисъвременната физика има чисто теоретичен характер. Някакви проблеми теоретична физикапросто е невъзможно да се провери експериментално. Друга част са въпроси, свързани с експерименти.

Например, експериментът не е в съответствие с предварително разработена теория. Има и приложни задачи. Пример: екологични проблемифизици, свързани с търсенето на нови източници на енергия. И накрая, четвъртата група са чисто философски проблеми съвременна наука, търсейки отговор на „основния въпрос за смисъла на живота, Вселената и всичко останало“.

Тъмната енергия и бъдещето на Вселената

Според днешните представи Вселената се разширява. Освен това, според анализа на космическата микровълнова фонова радиация и радиацията на свръхнова, тя се разширява с ускорение. Разширяването става поради тъмна енергия. Тъмна енергияе недефинирана форма на енергия, която беше въведена в модела на Вселената, за да обясни ускореното разширяване. Тъмната енергия не взаимодейства с материята по познатите ни начини и нейната природа е голяма мистерия. Има две идеи за тъмната енергия:

• Според първата тя изпълва равномерно Вселената, тоест е космологична константа и има постоянна енергийна плътност.
• Според втория, динамичната плътност на тъмната енергия варира в пространството и времето.

В зависимост от това коя от представите за тъмната енергия е правилна, можем да предположим бъдещата съдба на Вселената. Ако плътността на тъмната енергия се увеличи, тогава ще се изправим Голяма празнина, в който цялата материя ще се разпадне.

Друг вариант - Голямо стискане, когато гравитационните сили победят, разширяването ще спре и ще бъде заменено от компресия. При такъв сценарий всичко, което е във Вселената, първо ще се срине в отделни черни дупки и след това ще се срине в една обща сингулярност.

Много неразрешени проблеми са свързани с черни дупкии тяхното излъчване. Прочетете отделна статия за тези мистериозни обекти.

Материя и антиматерия

Всичко, което виждаме около нас, е материя, състоящ се от частици. Антиматерияе вещество, състоящо се от античастици. Античастицата е близнак на частица. Единствената разлика между частица и античастица е зарядът. Например зарядът на електрона е отрицателен, докато неговият двойник от света на античастиците – позитронът – има същия положителен заряд. Античастиците могат да се получат в ускорителите на частици, но никой не ги е срещал в природата.

При взаимодействие (сблъсък) материята и антиматерията се унищожават, което води до образуването на фотони. Защо материята преобладава във Вселената е голям въпрос в съвременната физика. Предполага се, че тази асиметрия е възникнала в първите части от секундата след Големия взрив.

В края на краищата, ако имаше равни количества материя и антиматерия, всички частици биха се унищожили, оставяйки в резултат само фотони. Има предположения, че далечни и напълно неизследвани региони на Вселената са пълни с антиматерия. Но дали това е така, остава да се види след голяма мозъчна работа.

Между другото! За нашите читатели вече има 10% отстъпка от

Теория на всичко

Има ли теория, която може да обясни абсолютно всичко? физични явленияна начално ниво? Може би има. Друг е въпросът дали можем да го разберем. Теория на всичко, или Голямата обединена теория, е теория, която обяснява стойностите на всички известни физически константи и обединява 5 фундаментални взаимодействия:

• силно взаимодействие;
• слабо взаимодействие;
• електромагнитно взаимодействие;
• гравитационно взаимодействие;
• Хигс поле.

Между другото, можете да прочетете какво е това и защо е толкова важно в нашия блог.

Сред многото предложени теории нито една не е преминала експериментално тестване. Едно от най-обещаващите направления в тази област е обединяването на квантовата механика и общата теория на относителността в теория на квантовата гравитация. Тези теории обаче имат различни области на приложение и досега всички опити за комбинирането им водят до разминавания, които не могат да бъдат отстранени.

Колко измерения има?

Ние сме свикнали с триизмерен свят. Можем да се движим в трите познати ни измерения, напред и назад, нагоре и надолу, чувствайки се комфортно. Има обаче М-теория, според която вече има 11 измервания, само 3 от които са ни достъпни.

Доста трудно е, ако не и невъзможно, да си представим това. Вярно е, че за такива случаи има математически апарат, който помага да се справим с проблема. За да не объркаме и нашите, и вашите, няма да представяме математически изчисления от М-теорията. По-добър цитат от физика Стивън Хокинг:

Ние сме просто еволюирали потомци на маймуни на малка планета с незабележима звезда. Но имаме шанс да разберем Вселената. Това ни прави специални.

Какво можем да кажем за далечния космос, когато не знаем всичко за нашия дом? Например, все още няма ясно обяснение за произхода и периодичното обръщане на неговите полюси.

Има много мистерии и задачи. Подобни нерешени проблеми има в химията, астрономията, биологията, математиката и философията. Разрешавайки една мистерия, ние получаваме две в замяна. Това е радостта от знанието. Нека ви напомним, че ще ви помогнем да се справите с всяка задача, колкото и трудна да е тя. Проблемите на обучението по физика, както всяка друга наука, са много по-лесни за решаване от фундаменталните научни въпроси.

Проблеми по физика

Каква е природата на светлината?

Светлината се държи като вълна в някои случаи и като частица в много други. Въпросът е: какъв е той? Нито едното, нито другото. Частицата и вълната са просто опростено представяне на поведението на светлината. В действителност светлината не е нито частица, нито вълна. Светлината се оказва по-сложна от образа, който тези опростени идеи рисуват.

Какви са условията в черните дупки?

Черните дупки, разгледани в гл. 1 и 6, обикновено са сгъваеми ядра големи звездиоцелели след експлозия на свръхнова. Те имат такава огромна плътност, че дори светлината не е в състояние да напусне дълбините им. Поради огромната вътрешна компресия на черните дупки, обикновените закони на физиката не важат за тях. И тъй като нищо не може да остави черни дупки, също е невъзможно да се проведат каквито и да било експерименти за проверка на определени теории.

Колко измерения са присъщи на Вселената и възможно ли е да се създаде „теория за всичко съществуващо”?

Както е посочено в гл. 2, който се опитва да измести стандартната теория на модела, може в крайна сметка да изясни броя на измеренията, както и да ни представи „теория на всичко“. Но не позволявайте на името да ви заблуди. Ако „теорията на всичко“ дава ключа към разбирането на природата на елементарните частици, внушителният списък от нерешени проблеми е гаранция, че подобна теория ще остави много по-важни въпроси без отговор. Подобно на слуховете за смъртта на Марк Твен, слуховете за смъртта на науката с появата на „теорията за всичко“ са силно преувеличени.

Възможно ли е пътуването във времето?

На теория общата теория на относителността на Айнщайн позволява такова пътуване. Въпреки това, необходимото въздействие върху черните дупки и техните теоретични братовчеди, „червеевите дупки“, ще изисква огромни количества енергия, значително надхвърлящи настоящите ни технически възможности. Обяснително описание на пътуването във времето е дадено в книгите на Мичио Каку Хиперпространство (1994) и Изображения (1997) и на уебсайта http://mkaku. орг

Ще бъдат ли открити гравитационни вълни?

Някои обсерватории търсят доказателства за съществуването на гравитационни вълни. Ако могат да бъдат открити такива вълни, тези колебания в самата пространствено-времева структура ще показват катаклизми, случващи се във Вселената, като експлозии на свръхнови, сблъсъци на черни дупки и вероятно все още неизвестни събития. За подробности вижте статията на W. Waite Gibbs „Spacetime Ripple“.

Какъв е животът на протона?

Някои теории, които не отговарят на стандартния модел (вижте Глава 2), предсказват разпадане на протони и са създадени няколко детектора за откриване на такъв разпад. Въпреки че самият разпад все още не е наблюдаван, долната граница на времето на полуразпад на протона се оценява на 10 32 години (значително надвишаващо възрастта на Вселената). С появата на по-чувствителни сензори може да е възможно да се открие разпадането на протона или долната граница на неговия полуживот ще трябва да бъде изместена.

Възможни ли са свръхпроводници при високи температури?

Свръхпроводимостта възниква, когато електрическото съпротивление на метал спадне до нула. При такива условия, установени в проводника електричествотече без загуби, които са характерни за обикновения ток при преминаване през проводници като меден проводник. Явлението свръхпроводимост е наблюдавано за първи път при изключително ниски температури (малко над абсолютна нула, - 273 °C). През 1986 г. учените успяха да направят материали свръхпроводими при точката на кипене на течния азот (-196 °C), което вече позволи създаването на промишлени продукти. Механизмът на това явление все още не е напълно изяснен, но изследователите се опитват да постигнат свръхпроводимост при стайна температура, което ще намали загубите на енергия.

От книгата Интересно за астрономията автор Томилин Анатолий Николаевич

5. Проблеми на релативистичната небесна навигация Едно от най-отвратителните изпитания, на които е подложен един пилот, а сега и астронавт, както го показват във филмите, е въртележката. Ние, пилотите от близкото минало, веднъж го нарекохме „грамофона“ или „сепаратор“. Тези, които не го правят

От книгата Пет нерешени проблема на науката от Wiggins Arthur

Нерешени проблеми Сега, след като разбираме как науката се вписва в човешката умствена дейност и как тя функционира, можем да видим, че нейната отвореност ни позволява да отидем по различни начини до по-пълно разбиране на Вселената. Възникват нови явления, за които

От книгата Светът накратко [ил. книга-списание] автор Хокинг Стивън Уилям

Проблеми на химията Как съставът на една молекула определя нейния външен вид? орбитална структураатоми в прости молекули го прави доста лесно за определяне външен видмолекули. Все още обаче не са проведени теоретични изследвания на появата на сложни молекули, особено биологично важни.

От книгата История на лазера автор Бертолоти Марио

Проблеми на биологията Как се развива цял организъм от една оплодена яйцеклетка, изглежда, може да се отговори веднага щом бъде решен? основната задачаот гл. 4: каква е структурата и целта на протеома? Разбира се, всеки организъм има свой собствен

От книгата Атомният проблем от Ран Филип

Геоложки проблеми Какво причинява големи променив климата на Земята, подобно на широко разпространеното затопляне и ледниковите периоди? Ледени периоди, характерни за Земята през последните 35 милиона години, се случват приблизително на всеки 100 хиляди години. Ледниците напредват и се оттеглят навсякъде

От книгата Опасност от астероид-комета: вчера, днес, утре автор Шустов Борис Михайлович

Проблеми на астрономията Сами ли сме във Вселената? Въпреки липсата на каквито и да било експериментални доказателства за съществуването на извънземен живот, има много теории по този въпрос, както и опити да се открият новини от далечни цивилизации

От книгата Новият ум на краля [За компютрите, мисленето и законите на физиката] от Пенроуз Роджър

Нерешени проблеми на съвременната физика

От книгата Гравитация [От кристални сфери до червееви дупки] автор Петров Александър Николаевич

Теоретични проблеми Вмъкване от Wikipedia.Psychedelic - август 2013 г. По-долу е даден списък с нерешени проблеми в съвременната физика. Някои от тези проблеми са теоретични по природа, което означава, че съществуващите теории не са в състояние да обяснят някои

От книгата Вечно движение. Историята на една мания от Ord-Hume Arthur

ГЛАВА 14 РЕШЕНИЕ В ТЪРСЕНЕ НА ПРОБЛЕМ ИЛИ МНОГО ПРОБЛЕМИ С ЕДНО И СЪЩО РЕШЕНИЕ? ПРИЛОЖЕНИЯ НА ЛАЗЕРИТЕ През 1898 г. г-н Уелс си представи в книгата си Войната на световете превземането на Земята от марсианци, които използваха смъртоносни лъчи, които лесно можеха да преминат през тухли, да изгорят гори и

От книгата Идеална теория[Битката за общата теория на относителността] от Ферейра Педро

II. Социалната страна на проблема Тази страна на проблема без съмнение е най-важната и най-интересната. Предвид голямата му сложност тук ще се ограничим само до най-общи разсъждения.1. Промените в световната икономическа география Както видяхме по-горе, цената

От книгата на автора

1.2. Астрономически аспект на проблема ACO Въпросът за оценката на значимостта на астероидно-кометната опасност е свързан преди всичко с нашите познания за населението слънчева системамалки тела, особено тези, които могат да се сблъскат със Земята. Астрономията дава такива знания.

От книгата на автора

От книгата на автора

От книгата на автора

Нови проблеми на космологията Нека се върнем към парадоксите на нерелативистката космология. Нека си припомним, че причината за гравитационния парадокс е, че за да се определи недвусмислено гравитационното влияние, или няма достатъчно уравнения, или няма начин да се зададе правилно

От книгата на автора

От книгата на автора

Глава 9. Проблеми с обединението През 1947 г., току-що завършил аспирантура, Брис ДеВит се среща с Волфганг Паули и му казва, че работи върху квантуване на гравитационното поле. Девит не разбираше защо двете велики концепции на 20-ти век - квантовата физикаи обща теория