Dele:
Topp 10 uløste mysterier i fysikk
Hvis du noen gang har sett en episode av Star Trek eller Big Bang teorien, da vet du at fysikk kan gjøres tilgjengelig for massene på en morsom måte. Våre favoritt-sci-fi og komedieforfattere kan ikke få alle detaljer rett, men de gnistrer vår interesse for de rike aspekter av vitenskapsteorier.
I dag skal vi snakke om 10 ekte mysterier som fysikk har ennå ikke å forklare. Fra fremmed kommunikasjon til tid reise til gushing kraner, vil vi prøve å gjøre disse mysteriene forståelig for alle.
Du kan til og med ønske å utforske disse emnene videre alene. Tross alt er det millioner dollar premier venter på folkene som løser noen kosmiske puslespill. (Les videre for å finne ut hvilken av disse 10 mysteriene som kan gjøre deg rik.) Du får nok en Nobelpris og endrer verden også.
10 Hvor kommer kosmetiske stråler med høy energi fra?
Vår atmosfære blir stadig rammet av partikler fra verdensrommet med høye energier. Disse kalles "kosmiske stråler." Selv om de ikke utgjør mye skade for mennesker, har de fascinert fysikere. Observasjon av kosmiske stråler har lært oss mye om astrofysikk og partikkelfysikk. Men det er noen som har mest energi - det er mystisk i dag.
I 1962, ved Volcano Ranch-eksperimentet, så Dr John D. Linsley og Livio Scarsi noe utrolig: en kosmetisk stråle med høy energi og en energi på over 16 joules. For å gi deg noe perspektiv, er en jule omtrent den energien det tar å løfte et eple fra gulvet til et bord.
All den energien er konsentrert, men i en partikkel er hundre millioner milliarder milliarder ganger mindre enn epleet. Det betyr at den reiser veldig nær lysets hastighet!
Fysikere vet ennå ikke hvordan disse partiklene får denne utrolige mengden energi. Noen teorier inkluderer ideen om at de kan komme fra supernovaer, når stjernene eksploderer i slutten av livet. Partiklene kan også akselereres i diskene av sammenfallende materiale som danner rundt sorte hull.
9 Var vårt univers dominert av inflasjon?
Universet er utrolig flatt på store skalaer. Dette kalles det "kosmologiske prinsippet" - ideen om at uansett hvor mye du går i universet, er det omtrent like mange ting i gjennomsnitt.
Men teorien om big bang tyder på at det i de aller tidligste tider må ha vært noen store forskjeller i tetthet i tidlig univers. Så det var mye klumpere enn vårt univers er i dag.
Teorien om inflasjon tyder på at universet vi ser i dag kommer fra et lite volum av det tidlige universet. Dette lille volumet plutselig og raskt utvidet - langt raskere enn universet utvider seg i dag.
På samme måte som om du trakk en ballong og fylte den med luft, ble "streket" alle klumper i det tidlige universet og forklarer hvorfor vi har et ganske flatt univers - hvor forholdene ligner hvor du går - i dag.
Selv om dette forklarer mye om hva vi ser, vet fysikere fortsatt ikke hva som forårsaket inflasjon. Detaljer om hva som skjedde under denne inflasjonen er også sketchy. En bedre forståelse av denne epoken kan fortelle oss mye om universet som det er i dag.
8 Kan vi finne mørk energi og mørkt materiale?
Det er et utrolig faktum: Bare rundt 5 prosent av universet består av saken som vi kan se. Fysikere la merke til noen tiår siden at stjernene på de ytre kantene av galakser var omkretset rundt sentrum av disse galakser raskere enn antatt.
For å forklare dette fortalte forskerne at det kunne være noe usett "mørkt" saken i de galakser som førte til at stjernene roterte raskere. Etter dette har observasjoner fra det ekspanderende universet ført til fysikere å konkludere med at det må være mye mer mørkt materie der ute - fem ganger så mye som det vi ser.
Ved siden av dette vet vi at utvidelsen av universet faktisk øker. Dette er rart fordi vi forventer at gravitasjonsspenningen av materie - både "lys" og "mørk" - for å bremse universets ekspansjon.
Kombiner dette med det faktum at universet er flat-rom-tid, generelt, er ikke buet, og kosmologer trenger en forklaring på noe som balanserer gravitasjonssituasjonen til saken.
"Mørk energi" er løsningen. Det meste av energien i universet kan ikke låses opp i sak, men i stedet driver det universets ekspansjon. Fysikere tror at minst 70 prosent av universets energi er i form av mørk energi.
Til dags dato har partiklene som utgjør mørk materie og feltet som utgjør mørk energi, ikke blitt observert direkte i laboratoriet. Det er vanskelig å observere mørk materie fordi det ikke samhandler med lys, det er hvordan observasjoner vanligvis gjøres.
Men fysikere er håpfulle at partikler fra mørke partikler kan produseres i Large Hadron Collider (LHC), der de kan bli studert. Det kan vise seg at partikler i mørke sager er tyngre enn noe som LHC kan produsere, i så fall kan det forbli et mysterium for mye lengre tid.
Mørk energi støttes av mange forskjellige observasjoner av universet, men det er fortsatt dypt mystisk. I en veldig reell følelse kan det være at "plass bare liker å ekspandere", og vi kan bare se det ekspandere når vi ser på store skalaer.
Eller kanskje det mørke saken og de mørke energiforklaringene er feil, og en helt ny teori er nødvendig. Men det må forklare alt vi ser bedre enn dagens teori før fysikere vil vedta det. Likevel er det utrolig å tenke at vi kanskje vet svært lite om 95 prosent av universet.
7 Hva er i hjertet av et svart hull?
Svarte hull er noen av de mest berømte gjenstandene i astrofysikk. Vi kan beskrive dem som områder av romtid med så sterke gravitasjonsfelt at selv lys ikke kan unnslippe.
Helt siden Albert Einstein viste at tyngdekraften "bøyer" rom og tid med sin teori om generell relativitet, har vi kjent at lys ikke er immun mot gravitasjonseffekter. Faktisk var Einsteins teori vist under en solformørkelse som viste at solens tyngdekraft var å avlede fjerne stråler fra fjerne stjerner.
Siden da har mange svarte hull blitt observert, inkludert en stor, supermassiv en i hjertet av vår egen galakse. (Ikke bekymre deg. Det vil ikke svelge Solen helst snart.)
Men mysteriet om hva som skjer i hjertet av et svart hull er fortsatt uløst. Noen fysikere trodde at det kunne være en "singularitet" - et punkt med uendelig tetthet med litt masse konsentrert ned i et uendelig lite rom. Det er vanskelig å forestille seg. Verre ennå, fører noen singularitet til et svart hull i denne teorien, så det er ingen måte vi kunne observere en singularitet direkte.
Det er fortsatt diskusjon om hvorvidt informasjon går tapt inne i svarte hull. De absorberer partikler og stråling og avgir Hawking-stråling, men Hawking-strålingen synes ikke å inneholde ytterligere informasjon om hva som skjer i det svarte hullet. Enkelte opplysninger om partiklene som faller utenfor hendelseshorisonten i det svarte hullet ser ut til å gå tapt.
Det faktum at det i det minste for øyeblikket er umulig å forstå hva som er i hjertet av sorte hull, har gjort at sci-fi-forfattere spekulerer i flere tiår om hvorvidt de kunne inneholde forskjellige universer eller bli brukt til teleportasjon eller tidsreiser.
Siden det blir absorbert av et svart hull, innebærer det å bli strukket inn i en rekke atomer ("spaghettification"), er vi ikke frivillige til å våge inn og finne ut.
6 Er det intelligent liv der ute?
Folk har drømt om romvesener så lenge de har sett opp på nattehimmelen og lurt på hva som kan eksistere der ute. Men i de siste tiårene har vi oppdaget mange tantaliserende beviser.
For en start er planeter langt mer vanlige enn folk opprinnelig trodde, med de fleste stjerner som har et planetarisk system. Vi vet også at tidsgapet mellom vår planet blir beboelig og livet som kommer fram på det, var ganske lite. Antyder dette at livet sannsynligvis vil danne seg? I så fall har vi det berømte "Fermi paradokset": Hvorfor har vi ikke kommunisert med romvesen ennå?
Det er mange løsninger på Fermi-paradokset, alt fra det ville til de mer triste og verdslige. Det viser virkelig vanskeligheten med å nå noen gode vitenskapelige konklusjoner når du bare har ett datapunkt: oss.
Vi vet at det intelligente livet utviklet seg på denne planeten (ok, kanskje det er diskutabelt), noe som betyr at det kan skje. Men vi kan ikke vite om vi bare fikk utrolig heldig. Eller kanskje er det noe spesielt med planeten vår, som gjør det ekstremt sjeldent, men egnet for hosting av livet. Eller kanskje sannsynligheten for livet begynner er ekstremt lavt, så det er få, hvis noen, fremmede sivilisasjoner der ute.
Astronom Frank Drake satte sammen sin "Drake Equation" som en måte å se på alle de forskjellige aspektene ved dette problemet. Hver av betingelsene representerer en grunn til at vi kanskje ikke kommuniserer med det intelligente livet.
Kanskje livet er vanlig, men det intelligente livet er sjeldent. Kanskje, etter en stund, bestemmer alle sivilisasjoner seg for å kommunisere med andre livsformer. De er der ute, men de vil ikke snakke med oss.
Eller, chillingly, dette viser kanskje at mange fremmede sivilisasjoner ødelegger seg kort tid etter å bli teknologisk avanserte nok til å kommunisere. Vi kan bekymre oss for dette som skjer på jorden med atomvåpen eller utenom-kontroll AI.
Det er til og med blitt antydet at mangelen på kommunikasjon fra romvesener er et bevis for at verden ble skapt - enten av en Gud eller som en del av en datasimulering. Dette ville forklare hvorfor det bare er oss. De kosmiske spillerne spiller i singleplayer-modus.
Virkeligheten er at vi ikke har latt etter så lenge, og det er ufattelig stor plass. Signaler kan lett gå seg vill, og en fremmed sivilisasjon må sende et kraftig radiosignal for at vi skal hente det opp. Men det er spennende å tro at oppdagelsen av en fremmed sivilisasjon kunne skje i morgen og forandre vår forståelse av universet for alltid.
5 Kan noe reise raskere enn lysets hastighet?
Siden Einstein forandret fysikkens ansikt med sin teori om spesialrelativitet, har fysikere vært sikre på at ingenting kan reise raskere enn lysets hastighet. Faktisk forutsetter relativitet at for alt med masse til selv å reise med lysets hastighet, er det nødvendig med uendelig energi.
Vi ser dette i de ovennevnte ultra-høy-energiske kosmiske strålene. De har ekstraordinære energier i forhold til deres størrelse, men de reiser fortsatt ikke så fort. Lysets hastighet som en vanskelig grense kan også forklare hvorfor kommunikasjon fra fremmede sivilisasjoner er usannsynlig. Hvis de også er begrenset av dette, kan signaler ta flere tusen år å ankomme.
Men folk spør etter hvert om det kan være noen måter rundt universets fartsgrense. I 2011 hadde OPERA-eksperimentet noen foreløpige resultater som antydet at neutrinos var på reise raskere enn lysets hastighet. Men forskere oppdaget senere flere feil i deres eksperimentelle oppsett som bekreftet at resultatene var feil.
Hvis det er noen måte å kommunisere materie eller informasjon som er raskere enn lysets hastighet, vil det utvilsomt forandre verden. Hurtigere enn lysreiser bryter med noe som kalles kausalitet - forholdet mellom årsakene og effektene av hendelsene.
På grunn av måten tid og rom er forbundet med spesiell relativitet, vil informasjon som reiser raskere enn lysets hastighet tillate en person å motta informasjon om et arrangement før det er "skjedd" (ifølge dem) - en type tidsreise.
Hurtigere enn lys kommunikasjon vil skape alle slags paradokser som vi ikke vet hvordan vi skal løse. Så det virker sannsynlig at det ikke eksisterer. Men hvis du klarer å utvikle det, vennligst fortell oss om det i går.
4 Kan vi finne en måte å beskrive turbulens på?
Flytter tilbake til jorden, er det fortsatt mange ting som oppstår i hverdagen som er vanskelige å forstå. Prøv å leke med kranene i hjemmet ditt.
Hvis du lar vannet strømme forsiktig, ser du på løst fysikk - en type flyt vi forstår godt, som kalles "laminar flyt". Men hvis du setter opp vannet til maksimalt trykk og ser det sputter og spurt, er du ser på et eksempel på turbulens. På mange måter er turbulens fortsatt et uløst problem i fysikk.
Navier-Stokes-ligningen bestemmer hvordan væsker som vann og luft skal strømme. Denne ligningen er litt som en kraftbalanse. Vi forestiller oss at væsken er brutt opp i små pakker med masse. Deretter tar ligningen hensyn til alle de forskjellige kreftene som virker på denne pakke-tyngdekraften, friksjonen, trykket og prøver å bestemme hvordan pakkenes hastighet skal svare.
For enkle eller jevne strømmer kan vi finne løsninger på Navier-Stokes-ligningen som beskriver strømmen helt. Fysikere kan da skrive ned en ligning som forteller deg hastigheten (hastighet og retning) av væsken når som helst i strømmen.
Men for kompliserte, turbulente strømmer, begynner disse løsningene å bryte ned. Vi kan fortsatt gjøre mye vitenskap med turbulente strømmer ved å løse ligningene numerisk med store datamaskiner. Dette gir oss et omtrentlig svar uten en formel som fullt ut forklarer hvordan væsken oppfører seg.
Vi regner med været på denne måten. Men til vi finner de unnvikende løsningene, vil vår kunnskap være ufullstendig. Forresten, dette er en av de uløste Clay Institute-premieproblemer. Så hvis du klarer det, er det en million dollar i den for deg.
3 Kan vi bygge en rom-temperatur superledere?
Superledere kan være noen av de viktigste enhetene og teknologiene som mennesker noensinne oppdager. De er spesielle typer materiale. Når temperaturen faller lavt, faller materialets elektriske motstand til null.
Dette betyr at du kan få store strømmer for en liten spenning over superlederen. Hvis du setter strømstrømmen i en superledende ledning, kan den fortsette å strømme i milliarder år uten å løsne fordi det ikke er motstand mot strømmen.
En stor del strøm går tapt i våre strømkabler. De er ikke superledende og har elektrisk motstand, noe som får dem til å varme opp når du passerer en strøm gjennom dem. Superledere kan redusere disse tapene til null.
Men mulighetene for superledere er enda mer spennende enn dette. Magnetfeltet som produseres av en ledning har en styrke som avhenger av strømmen som strømmer gjennom den ledningen. Hvis du kan få svært høye strømmer i en superleder billig, kan du få virkelig kraftige magnetfelt.
Disse feltene brukes for tiden i Large Hadron Collider for å avlede de raskt bevegelige ladede partiklene rundt ringen. De brukes også i eksperimentelle atomfusjonsreaktorer, som kan gi strøm til oss i fremtiden.
Problemet er at alle kjente superledere må være på disse svært lave temperaturer til arbeid. Selv våre varmeste temperatur superledere må være på -140 grader (-220 ° F) før de begynner å utstille denne fantastiske eiendommen.
Kjøling dem ned til disse lave temperaturer krever vanligvis flytende nitrogen eller noe lignende. Derfor er det veldig dyrt å gjøre. Mange fysikere og materialforskere over hele verden jobber med å utvikle den hellige gral - en superleder som kan fungere ved romtemperatur. Men ingen har klart det ennå.
2 Hvorfor er det mer enn antimatter?
På noen måter vet vi fortsatt ikke hvorfor noe eksisterer i det hele tatt. En dristig uttalelse men sant! For hver partikkel er det en lik og motsatt partikkel som kalles en antipartikkel. Så for elektroner er det positrons. For protoner er det antiprotoner. Og så videre.
Hvis en partikkel noen gang berører sin antipartikkel, forintetgjør de seg og blir til stråling. Siden du sannsynligvis ikke vil bli utslettet, er det en god ting at antimatter er utrolig sjelden. Noen ganger faller det i kosmiske stråler. Vi kan også gjøre antimateriell i partikkel akseleratorer for trillioner av dollar et gram. Men i det hele tatt ser det ut til å være utrolig sjelden i vårt univers.
Dette er et ekte mysterium. Vi vet bare ikke hvorfor saken dominerer i vårt univers og ikke antimateriell. Hver kjent prosess som forandrer energi (stråling) til materie gir samme mengde materie og antimatter. Så hvis universet begynte å dominere av energi, hvorfor produserte det da ikke like store mengder materie og antimateriell?
Vi kan forestille oss et univers der energi blir til materie-antimatterpar. Da ville de ødelegge hverandre og vende tilbake til energi for alltid. Men det ville ikke være noen struktur, ingen stjerner og intet liv.
Det er noen teorier som kan forklare dette. Forskere som undersøker samspillet mellom partikler på Large Hadron Collider, ser etter eksempler på "CP-overtredelse".
Hvis de oppstår, kan disse interaksjonene vise at fysikkloven er forskjellige for materiell og antimatterpartikler.Da kan vi forestille oss at det kanskje finnes prosesser der ute som er litt mer sannsynlig å produsere saken enn antimatter, og derfor ser vi et asymmetrisk univers dominert av materie.
Wilder teorier antyder at det kan være hele regioner i universet som domineres av antimatter. Interessant kan det være vanskeligere å bestride dette enn du tror.
Antimatter og materie interagerer med stråling på samme måte, og så ser de ut akkurat det samme. Våre teleskoper kunne ikke skille mellom en antimattergalakse og en materiellgalakse.
Men disse teoriene må forklare hvordan saken og antimatteren ble separert, og hvorfor vi ikke ser bevis på at mye stråling blir produsert når saken og antimatteren kolliderer og ødelegger.
Med mindre vi oppdager bevis for antimatter-galakser, ser CP-brudd i tidlig univers ut som den beste løsningen. Men vi vet fortsatt ikke nøyaktig hvordan det fungerer.
1 Kan vi ha en enhetlig teori?
I det 20. århundre ble to store teorier utviklet som forklarte mye om fysikk. Den ene var kvantemekanikk, som beskriver hvordan små, subatomære partikler oppførte seg og interaksjonerte. Kvantemekanikk og standardmodellen for partikkelfysikk har forklart tre av de fire fysiske kreftene i naturen: elektromagnetisme og de sterke og svake atomkraftene. Dens spådommer er utrolig nøyaktige, selv om folk fremdeles argumenterer for teoriens filosofiske implikasjoner.
Den andre store teorien var Einsteins generelle relativitet, noe som forklarer tyngdekraften. Generelt relativitet forekommer tyngdekraften som tilstedeværelsen av massebøyer plass og tid, noe som forårsaker at partikler følger stier som er buet på grunn av at romtid er bøyd ut av form. Det kan forklare ting som oppstår på de største skalaene - dannelsen av galakser og stjernens dans.
Det er bare ett problem. De to teoriene er uforenlige. Vi kan ikke forklare tyngdekraft på en måte som gir mening med kvantemekanikk, og generell relativitet inkluderer ikke kvantemekanikkens effekter. Så langt vi kan fortelle, er begge teoriene korrekte. Men de ser ikke ut til å jobbe sammen.
Siden dette ble innså, har fysikere jobbet med en slags løsning som kan forene de to teoriene. Dette kalles en Grand Unified Theory (GUT) eller bare Theory of Everything.
Forskere er vant til ideen om teorier som bare fungerer innenfor bestemte grenser. For eksempel er Newtons bevegelseslover det du får når du tar en lavhastighetsgrense med spesiell relativitet. Også, elektrisitet og magnetisme pleide å bli vurdert helt forskjellige teorier til Maxwell forenet dem til elektromagnetisme.
Fysikere håper å kunne "zoome ut" og se at kvantemekanikk og generell relativitet er begge deler av en større teori, som flekker i et quilt. Stringteori er et forsøk som kan gjengi funksjoner av generell relativitet og kvantemekanikk. Men det er vanskelig å teste sine spådommer med eksperimenter, så det kan ikke bekreftes.
Søket etter en grunnleggende teori - en som kan forklare alt - fortsetter. Kanskje vil vi aldri finne den. Men hvis fysikk har lært oss noe, er det at universet er virkelig bemerkelsesverdig, og det er alltid nye ting å oppdage.