10 nevyriešených problémov moderná fyzika
Nižšie uvádzame zoznam nevyriešených problémov modernej fyziky.

Niektoré z týchto problémov sú teoretické. To znamená, že existujúce teórie nie sú schopné vysvetliť niektoré pozorované javy alebo experimentálne výsledky.

Ostatné problémy sú experimentálne, čo znamená, že existujú ťažkosti pri vytváraní experimentu na testovanie navrhovanej teórie alebo na podrobnejšie štúdium javu.

Niektoré z týchto problémov spolu úzko súvisia. Napríklad extra dimenzie alebo supersymetria môžu vyriešiť problém hierarchie. Predpokladá sa, že úplná teória kvantovej gravitácie môže zodpovedať väčšinu týchto otázok.

Aký bude koniec vesmíru?

Odpoveď do značnej miery závisí od temnej energie, ktorá zostáva neznámym členom rovnice.

Temná energia je zodpovedná za zrýchľujúcu sa expanziu Vesmíru, no jej pôvod je tajomstvom zahaleným temnotou. Ak je temná energia v priebehu času konštantná, pravdepodobne zažijeme „veľké zmrazenie“: Vesmír sa bude naďalej rýchlejšie rozpínať a nakoniec sa galaxie vzdialia tak ďaleko, že súčasná prázdnota vesmíru bude pôsobiť ako detská hra.

Ak sa tmavá energia zvýši, expanzia bude taká rýchla, že sa zväčší priestor nielen medzi galaxiami, ale aj medzi hviezdami, to znamená, že samotné galaxie budú roztrhané; táto možnosť sa nazýva „veľká medzera“.

Ďalším scenárom je, že tmavá energia sa zníži a už nebude schopná pôsobiť proti sile gravitácie, čo spôsobí kolaps vesmíru (“veľká kríza”).

Ide o to, že bez ohľadu na to, ako sa udalosti vyvinú, sme odsúdení na zánik. Predtým však stále existujú miliardy alebo dokonca bilióny rokov - dosť na to, aby sme zistili, ako vesmír zomrie.

Kvantová gravitácia

Napriek aktívnemu výskumu teória kvantovej gravitácie ešte nebola skonštruovaná. Hlavným problémom pri jeho konštrukcii je, že dve fyzikálne teórie, ktoré sa pokúša spojiť – kvantová mechanika a všeobecná teória relativity (GR) – sa spoliehajú na rôzne súbory princípov.

Kvantová mechanika je teda formulovaná ako teória, ktorá popisuje časový vývoj fyzikálnych systémov (napríklad atómov alebo elementárnych častíc) na pozadí vonkajšieho časopriestoru.

Vo všeobecnej teórii relativity neexistuje vonkajší časopriestor – sám je dynamický premenná teória v závislosti od vlastností tých, ktoré sú v ňom obsiahnuté klasický systémov

Pri prechode na kvantovú gravitáciu je minimálne potrebné nahradiť systémy kvantovými (teda kvantovať). Vznikajúce spojenie si vyžaduje istý druh kvantovania geometrie samotného časopriestoru a fyzický význam takéto kvantovanie je absolútne nejasné a neexistuje žiadny úspešný konzistentný pokus o jeho uskutočnenie.

Dokonca aj pokus o kvantovanie linearizovaného klasickej teórie gravitácie (GR) naráža na množstvo technických ťažkostí — kvantová gravitácia sa ukazuje ako nerenormalizovateľná teória v dôsledku skutočnosti, že gravitačná konštanta je rozmerová veličina.

Situáciu zhoršuje skutočnosť, že priame experimenty v oblasti kvantovej gravitácie kvôli slabosti samotných gravitačných interakcií nie sú dostupné. moderné technológie. V tomto smere sa pri hľadaní správnej formulácie kvantovej gravitácie musíme spoliehať len na teoretické výpočty.

Higgsov bozón nedáva absolútne žiadny zmysel. Prečo existuje?

Higgsov bozón vysvetľuje, ako všetky ostatné častice získavajú hmotnosť, no vyvoláva aj mnohé nové otázky. Prečo napríklad Higgsov bozón interaguje so všetkými časticami inak? T-kvark s ním teda interaguje silnejšie ako elektrón, a preto je hmotnosť prvého kvarku oveľa vyššia ako hmotnosť druhého.

Higgsov bozón je navyše prvou elementárnou časticou s nulovým spinom.

"Máme úplne novú oblasť časticovej fyziky," hovorí vedec Richard Ruiz, "nemáme ani poňatia, aká je jej povaha."

Hawkingovo žiarenie

Produkujú čierne diery tepelné žiarenie, ako predpovedá teória? Obsahuje toto žiarenie informácie o ich vnútornej štruktúre alebo nie, ako naznačuje pôvodný Hawkingov výpočet?

Prečo sa stalo, že vesmír pozostáva z hmoty a nie z antihmoty?

Antihmota je tá istá hmota: má presne tie isté vlastnosti ako látka, z ktorej sú vyrobené planéty, hviezdy a galaxie.

Jediný rozdiel je poplatok. Podľa moderné nápady, vo vesmíre novorodencov bolo rovnaké množstvo oboch. Krátko po Veľkom tresku sa hmota a antihmota anihilovali (reagovali tak, že sa navzájom anihilovali a vytvorili zo seba ďalšie častice).

Otázkou je, ako sa stalo, že nejaké množstvo hmoty ešte zostalo? Prečo hmota uspela a antihmota prehrala preťahovanie lanom?

Aby vedci vysvetlili túto nerovnosť, usilovne hľadajú príklady porušenia CP, teda procesov, v ktorých častice uprednostňujú rozpad na hmotu a nie na antihmotu.

„V prvom rade by som chcela pochopiť, či sa neutrínové oscilácie (premena neutrín na antineutrína) líšia medzi neutrínami a antineutrínami,“ hovorí Alicia Marino z University of Colorado, ktorá zdieľala otázku.  "Nič také nebolo doteraz pozorované, ale tešíme sa na ďalšiu generáciu experimentov."

Teória všetkého

Existuje teória, ktorá vysvetľuje hodnoty všetkých základných fyzikálnych konštánt? Existuje teória, ktorá vysvetľuje, prečo sú fyzikálne zákony také, aké sú?

Teória všetkého   — hypotetická zjednotená fyzikálna a matematická teória, ktorá popisuje všetko známe zásadné interakcie.

Spočiatku sa tento výraz používal ironickým spôsobom na označenie rôznych zovšeobecnených teórií. Časom sa tento termín udomácnil v popularizácii kvantovej fyziky na označenie teórie, ktorá by zjednotila všetky štyri základné sily v prírode.

Počas dvadsiateho storočia bolo navrhnutých mnoho „teórií všetkého“, ale žiadna nebola testovaná experimentálne, alebo existujú značné ťažkosti pri zavádzaní experimentálneho testovania pre niektorých kandidátov.

Bonus: Guľový blesk

Aká je povaha tohto javu? Je guľový blesk nezávislý objekt alebo je napájaný energiou zvonku? Je to všetko guľový blesk Sú rovnakého charakteru alebo existujú rôzne typy?

Guľový blesk — žiariaci vznášajúci sa vo vzduchu ohnivá guľa, jedinečne vzácne prírodný úkaz.

Dodnes neexistuje jednotná fyzikálna teória výskytu a priebehu tohto javu vedeckých teórií, ktoré redukujú jav na halucinácie.

Existuje asi 400 teórií, ktoré tento jav vysvetľujú, no žiadnej z nich sa v akademickom prostredí nedostalo absolútneho uznania. V laboratórnych podmienkach podobné, no krátkodobé javy získali viacerí rôzne cesty, takže otázka o povahe guľového blesku zostáva otvorená. Koncom 20. storočia nebol vytvorený jediný pokusný stánok, v ktorom by bol tento prírodný úkaz umelo reprodukovaný v súlade s opismi očitých svedkov guľových bleskov.

Všeobecne sa verí, že guľový blesk je jav elektrického pôvodu, prirodzenej povahy, to znamená, že predstavuje špeciálny typ blesk, ktorý existuje už dlho a má tvar gule, schopný pohybovať sa po nepredvídateľnej trajektórii, niekedy prekvapujúcej pre očitých svedkov.

Tradične zostáva spoľahlivosť mnohých výpovedí očitých svedkov o guľových bleskoch pochybná, vrátane:

• samotný fakt pozorovania aspoň nejakého javu;
• skutočnosť pozorovania guľového blesku a nie nejaký iný jav;
• jednotlivé detaily javu uvedené vo výpovedi očitých svedkov.

Pochybnosti o spoľahlivosti mnohých dôkazov komplikujú štúdium tohto javu a vytvárajú tiež pôdu pre objavenie sa rôznych špekulatívnych a senzačných materiálov údajne súvisiacich s týmto javom.

Na základe materiálov z: niekoľko desiatok článkov z

fyzika

• Preklad

Náš štandardný model elementárnych častíc a interakcií sa nedávno stal tak úplným, ako by sme si želali. Každá jedna elementárna častica - vo všetkých svojich možných formách - bola vytvorená v laboratóriu, zmeraná a určené jej vlastnosti. Tie najdlhšie trvajúce, top kvark, antikvark, tau neutríno a antineutríno a nakoniec Higgsov bozón, sa stali obeťou našich schopností.

A posledný - Higgsov bozón - tiež vyriešil starý problém vo fyzike: konečne môžeme ukázať, odkiaľ získavajú elementárne častice svoju hmotnosť!

To všetko je skvelé, ale veda nekončí, keď vyriešite túto hádanku. Naopak, vyvoláva dôležité otázky a jednou z nich je „čo ďalej? Čo sa týka štandardného modelu, môžeme povedať, že ešte nevieme všetko. A pre väčšinu fyzikov je jedna otázka obzvlášť dôležitá – aby sme ju popísali, uvažujme najskôr o nasledujúcej vlastnosti Štandardného modelu.

Na jednej strane môžu byť slabé, elektromagnetické a silné sily veľmi dôležité v závislosti od ich energií a vzdialeností, v ktorých dochádza k interakcii. Ale to nie je prípad gravitácie.

Môžeme zobrať ľubovoľné dve elementárne častice – akejkoľvek hmotnosti a podliehajúce akýmkoľvek interakciám – a zistiť, že gravitácia je o 40 rádov slabšia ako akákoľvek iná sila vo vesmíre. To znamená, že sila gravitácie je 10 40-krát slabšia ako tri zostávajúce sily. Napríklad, hoci nie sú zásadné, ak vezmete dva protóny a oddelíte ich meter, elektromagnetické odpudzovanie medzi nimi bude 10 40-krát silnejšie ako gravitačná príťažlivosť. Alebo inými slovami, musíme zvýšiť gravitačnú silu o faktor 10 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000, aby sa vyrovnala akejkoľvek inej sile.

V tomto prípade nemôžete jednoducho zvýšiť hmotnosť protónu 10 20-krát, aby ich gravitácia stiahla k sebe a prekonala elektromagnetickú silu.

Namiesto toho, aby k reakciám, ako je tá ilustrovaná vyššie, došlo spontánne, keď protóny prekonajú svoje elektromagnetické odpudzovanie, musíte spojiť 10 56 protónov. Iba tým, že sa spoja a podľahnú sile gravitácie, môžu prekonať elektromagnetizmus. Ukazuje sa, že 10 56 protónov predstavuje minimálnu možnú hmotnosť hviezdy.

Toto je popis fungovania Vesmíru – ale nevieme, prečo funguje tak, ako funguje. Prečo je gravitácia oveľa slabšia ako iné interakcie? Prečo je „gravitačný náboj“ (tj hmotnosť) oveľa slabší ako elektrický alebo farebný, alebo dokonca slabý?

Toto je problém hierarchie a je to z mnohých dôvodov najväčší nevyriešený problém vo fyzike. Nepoznáme odpoveď, ale nemôžeme povedať, že sme úplne ignoranti. Teoreticky máme niekoľko dobrých nápadov na nájdenie riešenia a nástroj na nájdenie dôkazov o ich správnosti.

Doteraz Veľký hadrónový urýchľovač – urýchľovač s najvyššou energiou – dosiahol v laboratóriu bezprecedentnú energetickú úroveň, zhromaždil množstvo údajov a zrekonštruoval, čo sa stalo v miestach kolízie. To zahŕňa vytváranie nových, doteraz neviditeľných častíc (ako je Higgsov bozón) a objavenie sa starých, dobre známych častíc štandardného modelu (kvarky, leptóny, kalibračné bozóny). Je tiež schopný, ak existujú, produkovať akékoľvek iné častice, ktoré nie sú zahrnuté v štandardnom modeli.

Sú tu štyri možné spôsoby, mne známy - teda štyri dobré nápady– riešenia problému hierarchie. Dobrou správou je, že ak si príroda vyberie jedného z nich, LHC ho nájde! (A ak nie, hľadanie bude pokračovať).

Okrem Higgsovho bozónu, ktorý sa našiel pred niekoľkými rokmi, neexistujú žiadne nové základné častice Na LHC to nenašli. (Okrem toho neboli vôbec pozorovaní žiadni zaujímaví kandidáti na častice). A predsa nájdená častica plne zodpovedala popisu Štandardného modelu; neboli pozorované žiadne štatisticky významné náznaky novej fyziky. Nie na zložené Higgsove bozóny, nie na viaceré Higgsove častice, nie na neštandardné rozpady, nič také.

Ale teraz sme začali získavať údaje z ešte vyšších energií, dvojnásobných oproti predchádzajúcim, až do 13-14 TeV, aby sme našli niečo iné. A aké sú možné a rozumné riešenia problému hierarchie v tomto smere?

1) Supersymetria alebo SUSY. Supersymetria je špeciálna symetria, ktorá môže spôsobiť, že normálne hmotnosti akýchkoľvek častíc dostatočne veľkých na to, aby bola gravitácia porovnateľná s inými vplyvmi, sa navzájom vyrušia s vysokým stupňom presnosti. Táto symetria tiež znamená, že každá častica v štandardný model existuje častica superpartnera a že existuje päť Higgsových častíc a ich päť superpartnerov. Ak takáto symetria existuje, musí byť porušená, inak by superpartneri mali rovnakú hmotnosť ako bežné častice a boli by dávno nájdení.

Ak SUSY existuje v mierke vhodnej na riešenie problému hierarchie, potom by LHC, dosahujúci energie 14 TeV, mal nájsť aspoň jedného superpartnera, ako aj druhú Higgsovu časticu. V opačnom prípade samotná existencia veľmi ťažkých superpartnerov povedie k ďalšiemu problému hierarchie, ktorý nebude mať dobré rozhodnutie. (Je zaujímavé, že absencia častíc SUSY pri všetkých energiách by vyvrátila teóriu strún, pretože supersymetria je nevyhnutná podmienka pre strunové teórie obsahujúce štandardný model elementárnych častíc).

Tu je váš prvý Možné riešenie problémy hierarchie, ktorá má v súčasnosti neexistujú žiadne dôkazy.

Je možné vytvoriť malé podchladené konzoly vyplnené piezoelektrickými kryštálmi (ktoré pri deformácii produkujú elektrinu) so vzdialenosťou medzi nimi. Táto technológia nám umožňuje stanoviť limity 5-10 mikrónov na „veľké“ merania. Inými slovami, gravitácia funguje podľa predpovedí všeobecnej relativity na mierkach oveľa menších ako milimeter. Takže ak existujú veľké extra dimenzie, sú na energetických úrovniach neprístupných pre LHC a čo je dôležitejšie, neriešia problém hierarchie.

Samozrejme, pre problém hierarchie môže existovať úplne iné riešenie, ktoré nemožno nájsť na moderných urýchľovačoch, alebo neexistuje žiadne riešenie; môže to byť len vlastnosť prírody bez akéhokoľvek vysvetlenia. Veda však nepokročí bez toho, aby sa o to pokúsila, a o to sa tieto nápady a výpravy snažia: posunúť naše znalosti o vesmíre dopredu. A ako vždy, so začiatkom druhého chodu LHC sa teším na to, čo sa tam môže objaviť, okrem už objaveného Higgsovho bozónu!

Značky:

• gravitácia
• zásadné interakcie
• nádrž

Pridať značky

ARTHUR WIGGINS, CHARLES WYNN

PÄŤ

NEVYRIEŠENÝ

PROBLÉMY

VEDA

Kresby Sidneyho Harrisa

WigginsA. , vyhraťH.

PÄŤ NAJVÄČŠÍCH NEVYRIEŠENÝCH PROBLÉMOV VEDY

ARTHUR W. WIGGINS CHARLES M. WYNN

S kresleným komentárom Sidneyho Harrisa

John Wiley & Sons, Inc.

Kniha hovorí o najväčších problémoch astronómie, fyziky, chémie, biológie a geológie, na ktorých vedci v súčasnosti pracujú. Autori skúmajú objavy, ktoré viedli k týmto problémom, uvádzajú prácu na ich vyriešenie a diskutujú o nových teóriách vrátane teórie strún, teórie chaosu, ľudského genómu a skladania proteínov.

Predslov

My ľudia sme schúlení na kuse skaly nazývanom „planéta“, ktorý obieha okolo jadrového reaktora nazývaného „hviezda“, ktorý je súčasťou obrovskej zbierky hviezd nazývanej „Galaxia“, ktorá je zase súčasťou zhlukov galaxií. ktoré tvoria Vesmír. Náš stav, ktorý nazývame život, je vlastný mnohým iným organizmom na tejto planéte, ale zdá sa, že my sami máme nástroj mysle na pochopenie vesmíru a všetkého, čo má. Naše úsilie o objasnenie podstaty vesmíru zahŕňame pod pojem veda. Takéto pochopenie nie je jednoduché a cesta k nemu je dlhá. Pokrok je však evidentný.

Táto kniha povie čitateľovi o najväčších nevyriešených problémoch vedy, na ktorých dnes vedci pracujú. Napriek množstvu experimentálnych údajov nestačia na potvrdenie tej či onej hypotézy. Pozrieme sa na udalosti a objavy, ktoré viedli k týmto problémom, a potom vás prevedieme tým, ako sa ich dnes snažia riešiť vedci v popredí vedy. Sidney Harris, popredný americký vedecký ilustrátor, oživuje naše diskusie humorom obsiahnutým v jeho kresbách, nielen objasňuje súvisiace myšlienky, ale ich aj zdôrazňuje úplne novým spôsobom.

Diskutujeme tu aj o nevyriešených problémoch v hlavných odvetviach prírodných vied, pričom sa pri výbere riadime stupňom ich dôležitosti, náročnosťou, šírkou záberu a rozsahom dôsledkov. Spolu s nimi sme zaradili do knihy krátka recenzia a niektoré ďalšie problémy v každej z dotknutých oblastí vedomostí, ako aj „Zoznam nápadov“, kde čitateľ nájde ďalšie informácie o pozadí niektorých nevyriešených problémov. Nakoniec sme zahrnuli Deeper Resources, ktorý obsahuje informačné zdroje, ktoré vám pomôžu dozvedieť sa viac o témach, ktoré vás zaujímajú.

Špeciálne poďakovanie patrí Kate Bradfordovej, hlavnej redaktorke Wiley, ako prvý navrhol takúto knihu a našej literárnej agentke Louise Ketzovej za jej neustále slová povzbudenia.

Prvá kapitola

Vízia vedy

Koniec koncov, je bežné, že vzdelaný človek sa snaží o presnosť pre každý druh [predmetov] 1

v rozsahu, ktorý dovoľuje povaha predmetu. Rovnako [absurdné] sa zdá byť spokojný so zdĺhavým uvažovaním matematika a požadovať od rétora rigorózne dôkazy.

Aristoteles

Veda ≠ technológia

Nie je veda a technika to isté? nie, sú rozdielne.

Hoci technológia, ktorá definuje modernú kultúru, sa vyvíja prostredníctvom vedeckého chápania vesmíru, technológie a veda sa riadia rôznymi motívmi. Pozrime sa na hlavné rozdiely medzi vedou a technikou. Ak je veda spôsobená túžbou človeka poznať a pochopiť vesmír, potom sú technické inovácie spôsobené túžbou ľudí zmeniť podmienky svojej existencie, aby získali jedlo pre seba, pomohli druhým a často páchali násilie pre osobný zisk.

Ľudia sa často venujú „čistej“ a aplikovanej vede súčasne, ale vedu možno vykonávať základný výskum bez ohľadu na konečný výsledok. Britský premiér William Gladstone raz povedal Michaelovi Faradayovi o jeho zásadných objavoch spájajúcich elektrinu a magnetizmus: „Je to všetko veľmi zaujímavé, ale na čo to slúži? Faraday odpovedal: "Pane, neviem, ale jedného dňa z toho budeš mať úžitok." Takmer polovica súčasného bohatstva rozvinutých krajín pochádza zo spojenia elektriny a magnetizmu.

Predtým, ako bude technológia sprístupnená vedeckým pokrokom, musia sa vziať do úvahy ďalšie úvahy: aký druh zariadenia by sa mal vyvinúť? možné,Čo prijateľné stavať (otázka v podstate súvisiaca s oblasťou etiky). Etika patrí do úplne inej oblasti ľudskej duševnej činnosti: humanitných vied.

Hlavným rozdielom medzi vedou a humanitnými vedami je objektivita. Prírodné vedy sa snažia študovať správanie Vesmíru čo najobjektívnejšie, zatiaľ čo humanitné vedy takýto cieľ ani požiadavku nemajú. Aby sme parafrázovali slová írskej spisovateľky Margaret Wolfe Hungerford z 19. storočia, môžeme povedať: „Krásu [a pravdu, spravodlivosť a ušľachtilosť a...] každý vidí inak.“

Veda ani zďaleka nie je monolitická. Prírodné vedy sa zaoberajú skúmaním toho, ako životné prostredie a samotných ľudí, keďže sú funkčne podobní iným formám života. A humanitné vedy skúmajú racionálne (emocionálne) správanie ľudí a ich postoje, ktoré potrebujú pre sociálnu, politickú a ekonomickú interakciu. Na obr. 1.1 tieto vzťahy graficky znázorňuje.

Bez ohľadu na to, ako veľmi takáto harmonická prezentácia prispieva k pochopeniu existujúcich súvislostí, realita sa vždy ukáže oveľa komplikovanejšia. Etika pomáha určiť, čo študovať, čo výskumné metódy, techniky na použitie a aké experimenty sú neprijateľné z dôvodu ohrozenia ľudského blaha, ktoré sa v nich skrýva. Politická ekonómia a politológia tiež zohrávajú obrovskú úlohu, pretože veda môže študovať len to, čo má kultúra tendenciu podporovať ako nástroje výroby, práce alebo čohokoľvek, čo je politicky prijateľné.

Ako funguje veda

Úspech vedy pri štúdiu vesmíru sa skladá z pozorovaní a nápadov. Tento druh výmeny sa nazýva vedecká metóda(obr. 1.2).

Počas pozorovania ten alebo onen jav je vnímaný zmyslami s nástrojmi alebo bez nich. Ak sa v prírodných vedách pozorujú mnohé podobné objekty (napríklad atómy uhlíka), potom sa humanitné vedy zaoberajú menším počtom rôznych predmetov (napríklad ľudí, dokonca aj identických dvojčiat).

Po zhromaždení údajov naša myseľ, ktorá sa ich snaží usporiadať, začne vytvárať obrázky alebo vysvetlenia. Toto je dielo ľudského myslenia. Toto štádium sa nazýva štádium predloženie hypotézy. Konštrukcia všeobecnej hypotézy na základe získaných pozorovaní sa uskutočňuje prostredníctvom induktívnej inferencie, ktorá obsahuje zovšeobecnenie, a preto sa považuje za najnespoľahlivejší typ inferencie. A bez ohľadu na to, ako sa snažia umelo vyvodzovať závery, v rámci vedecká metóda Tento druh aktivity je obmedzený, pretože v ďalších fázach hypotéza koliduje s realitou.

Hypotéza je často úplne alebo čiastočne formulovaná v jazyku odlišnom od bežnej reči, v jazyku matematiky. Získanie matematických zručností si vyžaduje veľa úsilia, inak tí, ktorí matematiku neznajú, budú musieť pri vysvetľovaní vedeckých hypotéz prekladať matematické pojmy do bežného jazyka. Žiaľ, význam hypotézy môže byť výrazne ovplyvnený.

Po vytvorení hypotézy možno predpovedať určité udalosti, ktoré by sa mali vyskytnúť, ak je hypotéza pravdivá. Toto predpoveď odvodené z hypotézy deduktívnym uvažovaním. Hovorí to napríklad druhý Newtonov zákon F = ta. Ak T rovná sa 3 jednotkám hmotnosti a A - 5 jednotiek zrýchlenia, potom sa F musí rovnať 15 jednotkám sily. V tomto štádiu môžu byť matematické výpočty vykonávané počítačmi pracujúcimi na základe deduktívnej metódy.

Ďalšia fáza sa vykonáva skúsenosť, aby ste zistili, či sa potvrdila predpoveď urobená v predchádzajúcom kroku. Niektoré experimenty sa dajú pomerne ľahko vykonať, ale častejšie je to mimoriadne ťažké. Dokonca aj po vybudovaní zložitého a drahého vedeckého zariadenia na produkciu veľmi cenných údajov môže byť často ťažké nájsť peniaze a potom trpezlivosť potrebnú na spracovanie a pochopenie obrovského množstva údajov. Prírodné vedy majú tú výhodu, že dokážu izolovať skúmanú látku, kým humanitné a spoločenské vedy sa musia vysporiadať s mnohými premennými v závislosti od rôznych názorov (zaujatostí) mnohých ľudí.

Po dokončení experimentov sa ich výsledky porovnajú s predpoveďou. Keďže hypotéza je všeobecná a experimentálne údaje sú špecifické, výsledok, keď experiment súhlasí s predpoveďou, hypotézu nepotvrdzuje, ale iba potvrdzuje. Ak však výsledok experimentu nesúhlasí s predpoveďou, určitá stránka hypotézy sa ukáže ako nepravdivá. Táto vlastnosť vedeckej metódy, nazývaná falzifikovateľnosť (falzifikovateľnosť), kladie na hypotézy určitú prísnu požiadavku. Ako povedal Albert Einstein: „Žiadne množstvo experimentov nemôže dokázať teóriu; ale na vyvrátenie stačí jeden experiment.“

Hypotéza, ktorá sa ukáže ako nepravdivá, musí byť nejakým spôsobom revidovaná, teda mierne zmenená, dôkladne prepracovaná alebo úplne zavrhnutá. Môže byť mimoriadne ťažké rozhodnúť, aké zmeny sú vhodné. Upravené hypotézy budú musieť znova prejsť rovnakou cestou a buď prežijú, alebo sa od nich pri ďalšom porovnávaní predpovedí so skúsenosťami upustí.

Druhá strana vedeckej metódy, ktorá vám nedovolí zablúdiť, je prehrávanie Každý pozorovateľ s vhodným výcvikom a vybavením by mal byť schopný zopakovať experimenty alebo predpovede a získať porovnateľné výsledky. Inými slovami, veda sa vyznačuje neustálou dvojitou kontrolou. Napríklad tím vedcov z Národného laboratória pomenovaný po. Lawrence University of California, Berkeley 2 sa pokúsila vyrobiť nový chemický prvok streľbou na olovený cieľ výkonný lúč kryptónové ióny a následne štúdium výsledných látok. V roku 1999 vedci oznámili syntézu prvku s sériové číslo 118.

Syntéza nového prvku je vždy dôležitou udalosťou. V tomto prípade by jeho syntéza mohla potvrdiť prevládajúce predstavy o stabilite ťažkých prvkov. Vedci z iných laboratórií Spoločnosti pre štúdium ťažkých iónov (Darmstadt, Nemecko), Veľkého štátneho urýchľovača ťažkých iónov Univerzity v Cayenne (Francúzsko) a Laboratória atómovej fyziky Riken Institute of Physics and Chemistry ( Japonsko) nedokázali zopakovať syntézu prvku 118. Rozšírený tím laboratória v Berkeley experiment zopakoval, ale nepodarilo sa mu reprodukovať predtým získané výsledky. Berkeley znova skontroloval pôvodné experimentálne údaje pomocou programu s upraveným kódom a nedokázal potvrdiť prítomnosť prvku 118. Svoju žiadosť museli stiahnuť. Tento prípad naznačuje, že vedecký výskum je nekonečný.

Niekedy sa spolu s experimentmi preverujú aj hypotézy. Vo februári 2001 oznámilo Brookhaven National Laboratory v New Yorku experiment, v ktorom magnetický moment miónu (ako elektrónu záporne nabitej častice, ale oveľa ťažšej) mierne prevyšuje hodnotu predpovedanú štandardným modelom časticovej fyziky (viac na tomto modeli pozri kapitolu .2). A keďže predpoklady štandardného modelu o mnohých ďalších vlastnostiach častíc boli vo veľmi dobrej zhode s experimentálnymi údajmi, takýto rozpor týkajúci sa veľkosti magnetického momentu miónu zničil základ štandardného modelu.

Predpoveď magnetického momentu miónu bola výsledkom zložitých a zdĺhavých výpočtov, ktoré nezávisle vykonali vedci v Japonsku a New Yorku v roku 1995. V novembri 2001 tieto výpočty zopakovali francúzski fyzici, ktorí objavili chybný negatívny znak pri jednom z členov rovnice a svoje výsledky zverejnili na internete. Výsledkom bolo, že skupina z Brookhaven prekontrolovala svoje vlastné výpočty, priznala chybu a zverejnila opravené výsledky. V dôsledku toho bolo možné znížiť nesúlad medzi predikciou a experimentálnymi údajmi. Štandardný model bude musieť opäť obstáť v testoch, ktoré mu pripravuje prebiehajúci vedecký výskum.

Aktuálne problémy znamenajú pre danú dobu dôležité. Kedysi bola relevantnosť fyzikálnych problémov úplne iná. Vyriešené boli otázky ako „prečo sa v noci stmieva“, „prečo fúka vietor“ alebo „prečo je voda mokrá“. Pozrime sa, nad čím sa vedci v týchto dňoch škrabú na hlave.

Napriek tomu, že svet okolo seba dokážeme vysvetľovať čoraz plnšie a podrobnejšie, postupom času pribúda čoraz viac otázok. Vedci smerujú svoje myšlienky a nástroje do hlbín vesmíru a džungle atómov a nachádzajú tam veci, ktoré sa zatiaľ nedajú vysvetliť.

Nevyriešené úlohy vo fyzike

Niektoré zo súčasných a nevyriešené problémy moderná fyzika je čisto teoretická. Nejaké problémy teoretickej fyziky je jednoducho nemožné experimentálne testovať. Ďalšou časťou sú otázky súvisiace s experimentmi.

Napríklad experiment nesúhlasí s predtým vyvinutou teóriou. Existujú aj aplikované problémy. Príklad: ekologické problémy fyzikov súvisiacich s hľadaním nových zdrojov energie. Napokon, štvrtá skupina sú čisto filozofické problémy moderná veda, hľadajúc odpoveď na „hlavnú otázku zmyslu života, vesmíru a všetkého“.

Temná energia a budúcnosť vesmíru

Podľa dnešných predstáv sa Vesmír rozpína. Navyše, podľa analýzy kozmického mikrovlnného žiarenia pozadia a žiarenia supernov, expanduje so zrýchlením. K expanzii dochádza v dôsledku temnej energie. Temná energia je nedefinovaná forma energie, ktorá bola zavedená do modelu vesmíru na vysvetlenie zrýchlenej expanzie. Temná energia neinteraguje s hmotou spôsobmi, ktoré sú nám známe, a jej povaha je veľkou záhadou. Existujú dve predstavy o temnej energii:

• Podľa prvého vypĺňa Vesmír rovnomerne, to znamená, že je kozmologickou konštantou a má konštantnú hustotu energie.
• Podľa druhého sa dynamická hustota temnej energie mení v priestore a čase.

Podľa toho, ktorá z predstáv o temnej energii je správna, môžeme predpokladať budúci osud Vesmíru. Ak sa hustota temnej energie zvýši, budeme čeliť Veľká priepasť, v ktorom sa všetka hmota rozpadne.

Ďalšia možnosť - Veľké stlačenie, keď gravitačné sily zvíťazia, expanzia sa zastaví a nahradí ju kompresia. V takomto scenári by sa všetko, čo bolo vo vesmíre, najskôr zrútilo na jednotlivé čierne diery a potom sa zrútilo do jednej spoločnej singularity.

Je spojených veľa nevyriešených problémov čierne diery a ich vyžarovanie. Prečítajte si samostatný článok o týchto záhadných objektoch.

Hmota a antihmota

Všetko, čo okolo seba vidíme, je záležitosť, pozostávajúce z častíc. Antihmota je látka pozostávajúca z antičastíc. Antičastica je dvojča častice. Jediný rozdiel medzi časticou a antičasticou je náboj. Napríklad náboj elektrónu je záporný, zatiaľ čo jeho náprotivok zo sveta antičastíc – pozitrón – má rovnaký kladný náboj. Antičastice sa dajú získať v urýchľovačoch častíc, no v prírode sa s nimi nikto nestretol.

Pri interakcii (zrážke) dochádza k anihilácii hmoty a antihmoty, čo vedie k tvorbe fotónov. Prečo hmota vo vesmíre prevláda, je v modernej fyzike veľkou otázkou. Predpokladá sa, že táto asymetria vznikla v prvých zlomkoch sekundy po Veľkom tresku.

Ak by totiž existovalo rovnaké množstvo hmoty a antihmoty, všetky častice by anihilovali a vo výsledku by zostali len fotóny. Existujú návrhy, že vzdialené a úplne nepreskúmané oblasti vesmíru sú plné antihmoty. Či je to tak, sa však ukáže až po veľkej práci mozgu.

Mimochodom! Pre našich čitateľov je teraz zľava 10%.

Teória všetkého

Existuje teória, ktorá dokáže vysvetliť úplne všetko? fyzikálnych javov na elementárnej úrovni? Možno existuje. Ďalšou otázkou je, či na to prídeme. Teória všetkého, alebo Grand Unified Theory, je teória, ktorá vysvetľuje hodnoty všetkých známych fyzikálnych konštánt a zjednocuje ich 5 základné interakcie:

• silná interakcia;
• slabá interakcia;
• elektromagnetická interakcia;
• gravitačná interakcia;
• Higgsovo pole.

Mimochodom, o tom, čo to je a prečo je to také dôležité, si môžete prečítať na našom blogu.

Spomedzi mnohých navrhovaných teórií ani jedna neprešla experimentálnym testovaním. Jedným z najsľubnejších smerov v tejto veci je zjednotenie kvantovej mechaniky a všeobecnej teórie relativity v teória kvantovej gravitácie. Tieto teórie však majú rôzne oblasti použitia a zatiaľ všetky pokusy o ich kombináciu vedú k rozdielom, ktoré sa nedajú odstrániť.

Koľko rozmerov je tam?

Sme zvyknutí na trojrozmerný svet. Môžeme sa pohybovať v troch dimenziách, ktoré sú nám známe, tam a späť, hore a dole, cítiac sa pohodlne. Existuje však M-teória, podľa ktorého existuje už 11 iba merania 3 z ktorých máme k dispozícii.

Je dosť ťažké, ak nie nemožné, si to predstaviť. Je pravda, že pre takéto prípady existuje matematický aparát, ktorý pomáha vyrovnať sa s problémom. Aby sme si nevyfúkli hlavu aj vy, nebudeme uvádzať matematické výpočty z M-teórie. Lepší citát od fyzika Stephena Hawkinga:

Sme len vyvinutí potomkovia opíc na malej planéte s nevýraznou hviezdou. Ale máme šancu pochopiť vesmír. To je to, čo nás robí výnimočnými.

Čo môžeme povedať o vzdialenom vesmíre, keď nevieme všetko o našom domove? Napríklad stále neexistuje jasné vysvetlenie pôvodu a periodickej inverzie jeho pólov.

Je tam veľa záhad a úloh. Podobné nevyriešené problémy sú v chémii, astronómii, biológii, matematike a filozofii. Vyriešením jednej záhady dostaneme na oplátku dve. Toto je radosť z poznania. Pripomeňme vám, že vám pomôžeme zvládnuť akúkoľvek úlohu, bez ohľadu na to, aká náročná môže byť. Problémy vyučovania fyziky, ako aj akejkoľvek inej vedy, sa riešia oveľa ľahšie ako základné vedecké otázky.

Fyzikálne problémy

Aká je povaha svetla?

Svetlo sa v niektorých prípadoch správa ako vlna a v mnohých iných ako častica. Otázka znie: čo je on? Ani jedno, ani druhé. Častica a vlna sú len zjednodušeným znázornením správania svetla. V skutočnosti svetlo nie je ani častica, ani vlna. Ukazuje sa, že svetlo je zložitejšie ako obraz, ktorý tieto zjednodušené nápady vykresľujú.

Aké sú podmienky vo vnútri čiernych dier?

Čierne diery diskutované v kap. 1 a 6, sú zvyčajne skladacie jadrá veľké hviezdy ktorí prežili výbuch supernovy. Majú takú obrovskú hustotu, že ani svetlo nie je schopné opustiť ich hĺbku. Kvôli enormnej vnútornej kompresii čiernych dier na ne neplatia bežné fyzikálne zákony. A keďže nič nemôže opustiť čierne diery, nie je možné vykonávať žiadne experimenty na testovanie určitých teórií.

Koľko dimenzií je súčasťou vesmíru a je možné vytvoriť „teóriu všetkého, čo existuje“?

Ako je uvedené v kap. 2, ktorý sa pokúša nahradiť štandardnú teóriu modelu, môže nakoniec objasniť počet dimenzií a tiež nám môže poskytnúť „teóriu všetkého“. Ale nenechajte sa zmiasť názvom. Ak „teória všetkého“ poskytuje kľúč k pochopeniu podstaty elementárnych častíc, pôsobivý zoznam nevyriešených problémov je zárukou, že takáto teória ponechá mnoho dôležitejších otázok nezodpovedaných. Rovnako ako klebety o smrti Marka Twaina, aj reči o zániku vedy s príchodom „teórie všetkého“ sú značne prehnané.

Je možné cestovať v čase?

Teoreticky takéto cestovanie umožňuje Einsteinova všeobecná teória relativity. Požadovaný dopad na čierne diery a ich teoretických príbuzných, „červích dier“, si však vyžiada obrovské množstvo energie, ktorá výrazne prevyšuje naše súčasné technické možnosti. Vysvetľujúci popis cestovania v čase je uvedený v knihách Michio Kaku Hyperspace (1994) a Images (1997) a na webovej stránke http://mkaku. org

Budú detekované gravitačné vlny?

Niektoré observatóriá hľadajú dôkazy o existencii gravitačných vĺn. Ak sa takéto vlny podarí nájsť, tieto fluktuácie v samotnej časopriestorovej štruktúre budú indikovať kataklizmy vyskytujúce sa vo vesmíre, ako sú výbuchy supernov, zrážky čiernych dier a možno ešte neznáme udalosti. Podrobnosti nájdete v článku W. Waite Gibbsa „Spacetime Ripple“.

Aká je životnosť protónu?

Niektoré teórie, ktoré nezodpovedajú štandardnému modelu (pozri kapitolu 2), predpovedajú rozpad protónov a na detekciu takéhoto rozpadu bolo vytvorených niekoľko detektorov. Hoci samotný rozpad ešte nebol pozorovaný, spodná hranica polčasu rozpadu protónu sa odhaduje na 10 32 rokov (výrazne presahuje vek Vesmíru). S príchodom citlivejších senzorov možno bude možné detekovať rozpad protónov alebo sa bude musieť posunúť spodná hranica jeho polčasu rozpadu.

Sú supravodiče možné pri vysokých teplotách?

Supravodivosť nastáva, keď elektrický odpor kovu klesne na nulu. Za takýchto podmienok, usadených v dirigente elektriny prúdi bez strát, ktoré sú charakteristické pre obyčajný prúd pri prechode cez vodiče, ako je medený drôt. Fenomén supravodivosti bol prvýkrát pozorovaný pri extrémne nízkych teplotách (mierne vyšších). absolútna nula t.t. -273 °C). V roku 1986 sa vedcom podarilo vyrobiť materiály supravodivé pri bode varu tekutého dusíka (-196 °C), čo už umožnilo vznik priemyselných produktov. Mechanizmus tohto javu ešte nie je úplne objasnený, no výskumníci sa snažia dosiahnuť supravodivosť pri izbovej teplote, čo zníži straty elektriny.

Z knihy Zaujímavosti o astronómii autora Tomilin Anatolij Nikolajevič

5. Problémy relativistickej nebeskej navigácie Jedným z najnechutnejších testov, ktorým je pilot a dnes už aj astronaut vystavený, ako sa ukazuje vo filmoch, je kolotoč. My, piloti z nedávnej minulosti, sme to raz nazvali „točňa“ alebo „separátor“. Tí, ktorí nie

Z knihy Päť nevyriešených problémov vedy od Wigginsa Arthura

Nevyriešené problémy Teraz, keď sme pochopili, ako veda zapadá do ľudskej duševnej činnosti a ako funguje, môžeme vidieť, že jej otvorenosť nám umožňuje ísť rôznymi spôsobmi k úplnejšiemu pochopeniu vesmíru. Vznikajú nové javy o ktorých

Z knihy Svet v kocke [il. kniha-časopis] autora Hawking Stephen William

Úlohy chémie Ako zloženie molekuly určuje jej vzhľad? orbitálna štruktúra atómov v jednoduchých molekulách je celkom ľahké určiť vzhľad molekuly. Teoretické štúdie o vzhľade zložitých molekúl, najmä biologicky dôležitých, však ešte neboli

Z knihy História laseru autora Bertolotti Mario

Problémy biológie Ako sa z jedného oplodneného vajíčka vyvinie celý organizmus? hlavnou úlohou z ch. 4: Aká je štruktúra a účel proteómu? Samozrejme, každý organizmus má svoje vlastné

Z knihy The Atomic Problem od Ran Philipa

Geologické problémy Čo spôsobuje veľké zmeny v klíme Zeme, ako je rozšírené otepľovanie a ľadové doby, sa ľadové doby, charakteristické pre Zem za posledných 35 miliónov rokov, vyskytovali približne každých 100 tisíc rokov. Ľadovce napredujú a ustupujú

Z knihy Asteroid-Comet Hazard: Yesterday, Today, Tomorrow autora Šustov Boris Michajlovič

Problémy astronómie Sme vo vesmíre sami Napriek nedostatku akýchkoľvek experimentálnych dôkazov o existencii mimozemského života existuje na túto tému množstvo teórií, ako aj pokusov odhaliť správy zo vzdialených civilizácií

Z knihy The King's New Mind [O počítačoch, myslení a zákonoch fyziky] od Penrose Rogera

Nevyriešené problémy modernej fyziky

Z knihy Gravitácia [Od krištáľových gúľ po červie diery] autora Petrov Alexander Nikolajevič

Teoretické problémy Vložiť z Wikipedie.Psychedelic - August 2013 Nižšie je uvedený zoznam nevyriešených problémov v modernej fyzike. Niektoré z týchto problémov sú teoretického charakteru, čo znamená, že existujúce teórie nie sú schopné vysvetliť určité

Z knihy Perpetual Motion. Príbeh o posadnutosti od Ord-Hume Arthura

KAPITOLA 14 RIEŠENIE PRI HĽADANÍ PROBLÉMU ALEBO MNOHÝCH PROBLÉMOV S ROVNAKÝM RIEŠENÍM? APLIKÁCIE LASEROV V roku 1898 si pán Wells vo svojej knihe The War of the Worlds predstavil ovládnutie Zeme Marťanmi, ktorí používali lúče smrti, ktoré mohli ľahko prejsť cez tehly, spáliť lesy a

Z knihy Ideálna teória[Boj o všeobecnú teóriu relativity] od Ferreira Pedro

II. Sociálna stránka problému Táto stránka problému je bezpochyby najdôležitejšia a najzaujímavejšia. Vzhľadom na jeho veľkú zložitosť sa tu obmedzíme len na najvšeobecnejšie úvahy.1. Zmeny vo svetovej ekonomickej geografii Ako sme videli vyššie, náklady

Z knihy autora

1.2. Astronomický aspekt problému ACO Otázka posúdenia významu nebezpečenstva asteroid-kométa je spojená predovšetkým s našimi znalosťami populácie slnečná sústava malé telesá, najmä tie, ktoré sa môžu zraziť so Zemou. Astronómia poskytuje takéto poznatky.

Z knihy autora

Z knihy autora

Z knihy autora

Nové problémy kozmológie Vráťme sa k paradoxom nerelativistickej kozmológie. Pripomeňme si, že dôvodom gravitačného paradoxu je, že na jednoznačné určenie gravitačného vplyvu buď nie je dostatok rovníc, alebo neexistuje spôsob, ako správne nastaviť

Z knihy autora

Z knihy autora

Kapitola 9. Problémy zjednotenia V roku 1947, čerstvo promovaný na postgraduálnej škole, sa Brice DeWitt stretol s Wolfgangom Paulim a povedal mu, že pracuje na kvantovaní gravitačného poľa. Devitt nechápal, prečo dva veľké koncepty 20. storočia - kvantová fyzika a všeobecná teória