У 1900 году брытанскі фізік лорд Кельвін абвясціў: «у фізіцы больш няма нічога новага, усё, што можна было адкрыць, ужо адкрыта. Тое, што застаецца - гэта ўсё больш і больш дакладнае вымярэнне старога ». На працягу трох дзесяцігоддзяў фізіка паказала, што ён сур'ёзна памыляўся: былі адкрыты квантавая механіка і тэорыя адноснасці Эйнштэйна, якія вырабілі рэвалюцыю ў навуцы. Сёння ні адзін фізік не адважыўся б сцвярджаць, што мы ведаем усё пра сусвету. Наадварот, кожнае новае адкрыццё, здаецца, адкрывае скрыню Пандоры з яшчэ больш глыбокімі пытаннямі фізікі. У гэтым артыкуле мы пагаворым пра тыя пытанні ў фізіцы, якія да гэтага часу застаюцца без адказу.

Цёмная матэрыя і энергія

Як бы навукоўцы не спрабавалі растлумачыць нашу сусвет бягучымі законамі фізікі, у іх нічога не атрымліваецца. Калі ўлічваць толькі бачнае рэчыва, то яго гравітацыі не хопіць, каб утрымліваць галактыкі ад распаду на часткі. І, каб растлумачыць стабільнасць галактык ў сусвеце, была ўведзена цёмная матэрыя - гіпатэтычнае рэчыва, якое не выпускае электрамагнітнага выпраменьвання і ўзаемадзейнічае са звыклай матэрыяй толькі з дапамогай гравітацыі. Нажаль, хоць тэрміну «цёмная матэрыя» ужо 90 гадоў, яе да гэтага часу не выявілі, хоць і знайшлі патэнцыйнага прэтэндэнта , магчыма, цалкам які складаецца з яе.

Як гэта звычайна бывае, цёмнай матэрыі не хапіла, каб растлумачыць усё несастыкоўка бягучай фізікі і назіраных з'яў. Таму, каб растлумачыць пашырэнне Сусвету з паскарэннем, была ўведзена яшчэ і цёмная энергія, якая з'яўляецца касмалагічную канстантай - іншымі словамі, нязменнай энергетычнай шчыльнасцю, раўнамерна размеркаванай па Сусвету. Прычым, што самае цікавае, звыклае нам рэчыва займае па масе ўсяго 4% Сусвету, калі цёмная матэрыя - 22%, а цёмная энергія наогул 74%. Здавалася б, пры такім распаўсюдзе мы павінны знайсці яе сляды, але, на жаль, пакуль што гэтага не адбылося.

Чаму час ідзе толькі наперад?



Мабыць, гэтае пытанне задавалі сабе шматлікія - бо так хацелася б вярнуцца ў мінулае і нешта выправіць. Фізікі спрабавалі растлумачыць гэтую «стралу часу», накіраваную толькі наперад, энтрапіяй: груба кажучы, мерай хаосу ў сусвеце. Усё, што мы не рабілі, прыводзіць да павелічэння энтрапіі: гэта абвяшчае другі закон тэрмадынамікі. Яйка, будучы цэлым, мае нізкую энтрапію. Разбіўшы яго на патэльню, вы яе павялічыце. Але, здавалася б, у чым праблема сабраць назад жаўток і бялок у шкарлупіну і склеіць яе? Бо тым самым можна будзе паменшыць энтрапію і як бы зрабіць для яйкі «машыну часу».

Нажаль, гэта не так - у выніку на «зборку» яйкі зноў вы выдаткуеце некаторы колькасць энергіі, а, значыць, зноў павялічыце агульную энтрапію Сусвету. Здавалася б, вось і адказ на пытанне: раз энтрапія і час звязаны, і энтрапія можа толькі павялічвацца, то час можа ісці толькі наперад. Але і тут хапае загвоздок: так, у будучыні Сусвет дасягне раўнавагі і максімуму энтрапіі - яна будзе цалкам аднастайнай і цёмнай, без усялякіх зорак і галактык. Энтрапія ў ёй навечна стане канстантай - значыць, і час таксама? Бо ў такім свеце без розніцы, куды яно цячэ, у выніку ўсё роўна нічога не мяняецца!

З іншага боку, успомнім пачатак Сусвету з Вялікага Выбуху, калі энтрапія была мінімальнай, і з таго часу пастаянна расце. Узнікае пытанне - чаму гэта адбываецца менавіта так, а не наадварот? Нажаль - мы не ведаем адказу на гэтае пытанне. Так што сувязь часу і энтрапіі, вядома, цікавая, але ўсё роўна не адказвае нам на пытанне, чаму час ідзе наперад і толькі наперад.

Ці ёсць паралельныя сусветы?



Астрафізікі мяркуюць, што на вялікіх маштабах прастора-час плоскае, а не скрыўленае, гэта значыць яно бясконца. Аднак тая вобласць, якую мы бачым і называем Сусвету, цалкам сабе конечна і распасціраецца «усяго» на 41 млрд светлавых гадоў. А, значыць, усё часціцы нашай Сусвету могуць камбінавацца хоць і вельмі вялікім (10 ^ 10 ^ 122 ступені), але ўсё ж канчатковым лікам. А раз прастора-час бясконца, то на ім будзе бясконцай мноства розных сусветаў, і раз наша Сусвет канчатковая, то яна будзе мець ... бясконцую колькасць сваіх копій. І бясконцую колькасць копій, дзе вы паснедалі ня ёгуртам, а бутэрбродам з сырам. Але, вядома, гэта чыста матэматычныя выкладкі, якія мы ніяк не можам праверыць, так што гэтае пытанне так і застаецца пытаннем.

Чаму матэрыі больш, чым антыматэрыі?

След першага знойдзенага пазітронна ў пузырьковый камеры.

У звыклым нам свеце электрон зараджаны адмоўна, а пратон - станоўча. А ці можа быць наадварот? Цалкам: апошнія 50 гадоў навукоўцы ствараюць антипротоны і пазітронаў (антиэлектроны), якія адрозніваюцца ад сваіх «нармальных» братоў толькі зарадам і барионным лікам (гэта значыць пазітронна зараджаны станоўча). Пры сутыкненні часціцы з антычасцінка яны аннигилируют, вырабляюць вялікая колькасць энергіі.

Але адсюль узнікае цалкам лагічнае пытанне: калі матэрыя і антыматэрыі максімальна падобныя, то пасля Вялікага Выбуху іх павінна было апынуцца пароўну. Зразумела, яны б аннигилировали цалкам, і сусвет была б пустая (ну, амаль пустая - засталіся б адныя фатоны). А раз мы існуем, значыць, матэрыі ў выніку было створана больш, чым антыматэрыі. Чаму? Ніхто не ведае.

Як вымярэння руйнуюць квантавыя хвалевыя функцыі?

Мікрасвет працуе зусім не так, як звыклая нам рэальнасць. Часціцы паводзяць сябе не як шарыкі, а як хвалі. Кожная з часціц апісваецца так званай хвалевай функцыяй - размеркаваннем верагоднасцяў, якія кажуць нам толькі аб тым, якімі могуць быць яе месцазнаходжанне, хуткасць і іншыя ўласцівасці.

Фактычна, часціца мае дыяпазон значэнняў для кожнага з уласцівасцяў - але толькі да таго моманту, пакуль вы гэта ўласцівасць не станеце вымяраць. Напрыклад, калі вы захочаце даведацца месцазнаходжанне часціцы, то хвалевая функцыя калапсуе, і замест набору розных месцаў вы атрымаеце толькі адно, якое і ўтварае звыклую нам рэальнасць. Гэты парадокс, названы праблемай вымярэння, так і застаецца без рашэння.

Што адбываецца ўнутры чорнай дзіркі?



Куды знікае інфармацыя ўнутры чорнай дзіркі? Калі вы кінеце ў яе зонд, то вы не атрымаеце ад яго ніякіх дадзеных, так як хуткасць убегания ад чорнай дзіркі больш хуткасці святла. Але чорныя дзіркі не вечныя - існуе выпраменьванне Хокінга, дзякуючы якому яны павольна выпараюцца, і ў выніку цалкам знікаюць. Пры гэтым само выпраменьванне залежыць толькі ад характарыстык чорнай дзіркі (яе масы, хуткасці кручэння і гэтак далей), гэта значыць, атрымліваецца, дадзеныя аб нашым зондзе цалкам губляюцца - без розніцы, што вы кіне ў чорную дзірку, зонд або камень з той жа масай , на выхадзе выпраменьванне будзе абсалютна аднолькавае.

Але тут мы прыходзім да супярэчнасці з квантавай фізікай: яна абвяшчае, што квантавая інфармацыя не губляецца і не капіюецца, і, калі ведаць поўную інфармацыю аб пачатковым стане любога аб'екта (напрыклад, зонда), то можна разлічыць і любое наступнае. А «перажаваная» чорнай дзіркай рэчыва, атрымліваецца, губляе ўсю сваю інфармацыю - парадокс, рашэнне якога гуляе ключавую ролю для пабудовы законаў квантавай гравітацыі, і пакуль што гэтая праблема застаецца без рашэння.

Што такое гравітацыя?



Амаль усе сілы ў сусвеце вызначаны рознымі часціцамі. Так, за электрамагнетызм адказваюць фатоны, за слабую ядзерную сілу - W- і Z-базоны, за моцную ядзерную сілу - глюонную. Застаецца гравітацыя, і з ёй ёсць адна праблема: гіпатэтычная часціца, пераносчык гравітацыі - гравитон - так і не была знойдзена. Тэарэтычна, яна не мае масы і амаль не ўзаемадзейнічае з рэчывам, але на практыцы мы толькі атрымалі абмежаванне зверху на яе масу дзякуючы гравітацыйным хвалях ад сутыкнення чорных дзюр, і гэта не нуль, хоць і вельмі блізкая да яго лічба.

Пакуль мы не знайшлі гравитон, мы не можам працаваць з гравітацыяй так, як з іншымі фундаментальнымі ўзаемадзеяннямі, якія па сутнасці з'яўляюцца абменам часціц. Больш за тое, некаторыя фізікі нават мяркуюць, што гравитоны працуюць у дадатковых вымярэннях за межамі прасторы-часу. У любым выпадку, адказу на пытанне ў нас пакуль няма.

Мы жывем у ілжывым вакууме?

Што мы маем на ўвазе пад вакуумам? Адсутнасць чаго-небудзь у дадзенай кропцы прасторы. Ну добра, мы можам вызваліць ад часціц невялікі аб'ём (хоць зрабіць гэта ў выпадку з нейтрына, якія практычна не ўзаемадзейнічаюць з рэчывам, будзе, мякка кажучы, цяжкавата). Застаюцца яшчэ розныя выпраменьвання і палі - добра, паспрабуем пазбавіцца і ад іх. А вось гэта ўжо не атрымаецца - ёсць і цёмная энергія, і поле Хігса, і розныя квантавыя флуктуацый. Гэта значыць, атрымліваецца, вакуум, які мы можам стварыць, усё ж такі мае нейкую выдатную ад нуля энергію, таму ён і называецца ілжывым.

Адсюль узнікае цалкам лагічнае пытанне - раз наш вакуум ілжывы, то можа недзе ёсць праўдзівы, з нулявой энергіяй? Ці хаця ты крыху менш за ілжывы, дзе энергія вакууму крыху ніжэй? Цалкам можа быць, і адсюль прыходзіць «белы пушны звярок».

Часціцы маюць адно цікавае ўласцівасць - магчымасць туннелировать скрозь рэчыва, не звяртаючы на ​​яго ўвагу, у значэнне з другога энергіяй. Што адбудзецца, калі хаця б адна часціца перамесціцца ў значэнне з меншай энергіяй вакууму, чым у навакольнага нас сусвету? Правільна, яна пацягне за сабой усе іншыя, і, у канчатковым рахунку, увесь сусвет. Чым гэта пагражае нам? Ды тым, што мы проста перастанем існаваць: бо ўсё, што мы бачым, і ўсё, з чаго мы складаемся, падпарадкоўваецца пэўных законах фізікі з пэўнымі канстантамі. «Перескока» ў вобласць, дзе энергія фальшывага вакууму ніжэй, чым у нас, зменіць і законы, і канстанты. Так, сусвет ад гэтага існаваць не перастане, яна проста зменіцца. Але вось не факт, што мы застанемся жыць.

Вядома, усё напісанае вышэй выглядае страшылкі на ноч - так, уласна, ёй і з'яўляецца. Па разліках Хокінга, каб хоць бы адна часціца туннелировала ў стан з іншым ілжывым вакуумам, патрабуецца энергія амаль 100 мільёнаў ТэВ - гэта ў 10 мільёнаў разоў больш, чым можа даць Вялікі Адронны Калайдер. Такія значэнні энергій не сустракаюцца нават у сверхмассивных зорках, так што можаце быць спакойныя - з вельмі высокай верагоднасцю наша сусвет нікуды не дзенецца. Але ўсё ж можа, калі тэорыя фальшывага вакууму дакладная.

Што ляжыць за межамі Стандартнай мадэлі?



Стандартная мадэль - адна з самых паспяховых фізічных тэорый, якая праходзіць усе праверкі на працягу вось ужо больш за 40 гадоў. Гэтая мадэль апісвае паводзіны часціц вакол нас і, напрыклад, тлумачыць, чаму яны маюць масу. Дарэчы, адкрыццё базона Хігса - часціцы, якая дае матэрыі масу - як раз з'яўляецца адным з тых эксперыментаў, у чарговы раз пацвердзілі Стандартную мадэль.

Але ўжо зразумела, што сусвет ўладкованая складаней - узяць, напрыклад, страту квантавай інфармацыі ў чорнай дзюры. Таму становіцца відавочным, што трэба прыдумляць новыя мадэлі: напрыклад, існуе Тэорыя струн, якая кажа пра тое, што фундаментальныя ўзаемадзеяння ўзнікаюць у выніку ваганняў ультрамикроскопических струн з маштабамі парадку 10 -35 метра. Гэта на пару дзесяткаў парадкаў менш дыяметра атамнага ядра, і ў нас няма абсалютна ніякіх інструментаў для працы на такіх маштабах, таму мы не можам праверыць Тэорыю струн. Так што адказ на пытанне, што ж ляжыць за межамі Стандартнай мадэлі, застаецца адкрытым.

Як гукавыя хвалі выпраменьваюць святло?


Сіняя кропка - ня лазер і ня памылка камеры, гэта ўспышка ў бурбалцы ўнутры вады.

Адзін з тых рэдкіх прыкладаў загадак, якія можна назіраць у лабараторыі, але не атрымліваецца растлумачыць. Сам эксперымент максімальна просты: вазьміце трохі вады і накіруйце на яе гукавыя хвалі - ўнутры яе ўтворацца бурбалкі, якія ўтвараюцца з-за перападу ціску ад гукавых хваль. Зразумела, гэтыя бурбалкі хутка схлопываются, аднак у гэты момант ... яны выпраменьваюць святло ў выглядзе выбліскаў, якія доўжацца трыльённыя долі секунды - з'ява, званае сонолюминесценция.

Праблема тут у тым, што невядомы крыніца гэтага святла. Навукоўцы выявілі, што ўнутры бурбалак на долю секунды тэмпература дасягае дзясяткаў тысяч градусаў, адкуль будуюцца абсалютна фантастычныя тэорыі, пачынаючы ад маленькіх рэакцый ядзернага сінтэзу аж да электрычнага разраду. І хоць існуе мноства здымкаў гэтага працэсу, да гэтага часу няма добрага тлумачэння таго, што адбываецца.

Ці ёсць парадак у віры хаосу?


Школьны прыклад - ведаючы стан вады ў левай трубцы, яго можна вылічыць для правай.

Выдатным прыкладам таго, што нават у школьным курсе фізікі ёсць задачы тысячагоддзя, за рашэнні якіх прапаноўваюць мільён долараў, з'яўляюцца ўраўненні Навье-Стокса. Па сутнасці гэта сістэма дыферэнцыяльных раўнанняў, якая апісвае рух вязкай ньютоновской вадкасці. Праблема ў тым, што знаходжанне агульнага рашэння ў выпадку прасторавага патоку ўскладняецца тым, што яно нелінейна і моцна залежыць ад пачатковых і межавых умоў. І хоць у прыватных выпадках рашэнні ёсць (думаю, усё ў школе вырашалі задачкі па знаходжанні хуткасці патоку вады ў трубах рознага дыяметра), мы нават не ведаем, ці ёсць яно ўвогуле выпадку - а бо гэта важна нават для такіх, здавалася б, банальных рэчаў, як правільны прагноз надвор'я.

І гэта далёка не ўсе праблемы, з якімі сутыкаецца сучасная фізіка, і чым больш мы ў іх паглыбляемся, тым больш разумеем, што ўсе нашы веды, назапашаныя за стагоддзі і нават тысячагоддзі, ці не верныя, або вельмі павярхоўныя. Але гэта не падстава апускаць рукі - наадварот, гэта шанец даведацца больш аб навакольным нас міры і пусціць гэтыя веды нам жа на карысць.