10-те най-големи физически пъзела на нашето време - спектър на науката
Знания: 10-те най-големи физически пъзела на нашето време
Когато Макс Планк изрази желанието си да изучава физика пред професор по физика в края на 19-ти век, му беше казано, че основно всичко е известно. Във физиката има само незначителни пропуски. Планк не беше възпиран и като съосновател на квантовата физика направи революция в нашия образ на света.
Сега безспорно е, че физиката далеч не е приключила. Колкото по-обширни са знанията, толкова по-големи са пъзелите! Това са нашите десет фаворити сред най-големите пъзели във физиката:
Безброй малки частици непрекъснато валят върху нас от космоса. Сред тях има и няколко, които шумолят тук с изумително висока енергия. Учените бяха толкова изумени от откритието си през 1991 г., че нарекоха частиците „О-боже частици“ или „OMG частици“. Произходът му е загадъчен и енергията му е тревожно висока: той надвишава този на обикновените частици от космоса с около 20 милиона пъти. Удрянето на частица от OMG ще се почувства като силно ударено от бейзбол. За щастие частиците са много редки и също така се забавят рано от атмосферата.
Повечето от космическите лъчи идват от атмосферата на звезди, експлозии на свръхнова или различни високоенергийни процеси. Астрофизиците подозират определени галактики или ядра на галактики, така наречените квазари, за произход на частиците OMG. Наскоро те откриха, че частиците всъщност изглежда идват от посоката на определен галактически клъстер. Но ако частиците наистина дойдоха оттам, те щяха да загубят твърде много енергия по време на пътуването си до Земята и нямаше да пристигнат тук с толкова бързи темпове - очевидно противоречие.
Изследователите размишляват върху високотемпературни свръхпроводници от откриването на тези материали преди 27 години: Те провеждат електричество без съпротивление и при температури, при които това явление всъщност не трябва.
Когато през нашите кабели протича електрически ток, част от енергията винаги се губи. Това не е така при свръхпроводниците: Те провеждат без загуба на енергия, при условие че са охладени до далеч под нулата градуса. За разлика от високотемпературната свръхпроводимост се разбира основният принцип. Тя се основава на образуването на електронни двойки, така наречените купърски двойки. Такива двойки могат да се образуват при много ниски температури и да мигрират през проводниковия материал без съпротивление. Физиците подозират подобни механизми във високотемпературните свръхпроводници, но все още не са успели да представят точен модел. Но дори човек да разбере явлението, използването на тези проводници ще бъде ограничено. Терминът "висока температура" се вижда относително: Температурата на околната среда, при която те проявяват свръхпроводящи свойства, все още е много ниска, те са минус 140 градуса по Целзий и по-студени. Въпреки това в бъдеще високотемпературните свръхпроводници могат да се превърнат в алтернатива на конвенционалните проводници, поне в рамките на специални приложения. И кой знае, може би ще се отворят нови възможности, след като разберете как работи.
Звучи чудовищно: тъмна дупка, която мистериозно поглъща всичко. Астрофизиците ги наричат черни дупки, но те не знаят как точно да опишат физически тези структури. Те възникват, когато една много масивна звезда е изразходвала енергията си и се срутва поради гравитацията. Според теорията на относителността тази невероятно компресирана маса деформира пространството и времето толкова силно, че всичко е „погълнато“, за да не се вижда повече. Тук дебне голям проблем. Защото черна дупка тогава би била в състояние да унищожи информацията. Квантовата механика обаче твърди, че всяка информация, която е била там, т.е. оригиналната конфигурация на частиците, винаги може да бъде възстановена от крайните продукти. Но какво, ако крайният продукт просто го няма? Тогава информацията би била безвъзвратно загубена. Много физици направиха този парадокс на съществуването на черни дупки съмнителен. Други спекулират, че много силна деформация на времето и пространството може да създаде затворени пространствено-времеви контури. Това може би би направило възможно пътуването във времето. Визионерски изследвания или просто научна фантастика? Черните дупки остават необяснима и завладяваща глава във физиката.
Турбуленцията - с други думи, вихри в течности или газове - се оказа невероятно здрав орех за физиците. В продължение на много десетилетия те търсят теоретичен модел, който може напълно да опише подобни бурни движения. Без успех. Турбуленцията е такова ежедневно явление: когато вятърът духа, водата кипи на котлона или разбъркваме млякото в кафето. Всички турбулентни движения са част от нелинейната динамика, към която принадлежи и изследването на хаоса. Системите от този вид са изключително чувствителни. Малките смущения или минимално променените условия в началото могат да доведат до съвсем различно поведение. Това прави (досега) невъзможно да се предвиди развитието на едно бурно движение в дългосрочен план. Физиците обаче продължават търпеливо да търсят универсалните закони, присъщи на всяка турбуленция. Общо валидно описание би било от голямо значение, тъй като може да се използва в най-различни области: при прогнозиране на времето, минимизиране на въздушното съпротивление, в сложни превозни средства или дори при изследване на образуването на галактики.
Нашата Вселена не би съществувала без гравитация - но как работи тя все още не е окончателно изяснена. Изглежда толкова очевидно: той ни държи на земята, планетите в техните орбити и галактиките заедно. Исак Нютон вече беше признал в края на 17-ти век, че тълпите се привличат един друг. Според теорията на относителността на Айнщайн обаче е малко по-сложно: гравитацията не действа директно между телата, но масата на тялото първоначално само деформира пространството и времето. Следователно Вселената има много вдлъбнатини и издутини. Телата са склонни към вдлъбнатини, което за нас в крайна сметка се проявява в привличането на тълпи. За да проверят тази теория, физиците търсят така наречените гравитационни вълни. Те трябва да се излъчват от ускорени маси, да се разпространяват в пространството със скоростта на светлината и да се разтягат и компресират. Засега обаче са намерени само косвени доказателства за тяхното съществуване.
Също така не е ясно дали има обменна частица на гравитацията, която функционира като носител на сила - подобно на случая с другите три основни физически сили. Някои теории постулират така наречения гравитон за това. Тъй като обаче предаваната сила е много малка, все още не е възможно действително да се докаже съществуването на гравитони. Физиците не могат да разберат защо гравитацията е толкова слаба в сравнение с другите три основни сили - този факт дори води до значителни проблеми във физическите модели. Много въпроси, почти никакви отговори. Гравитацията засега е и ще остане загадка!
10, 11 или дори 26 - кой предлага повече? Почти изглежда, сякаш физиците превъзхождат своите модели с броя на измеренията. Но как изглеждат те? Трудно е да си представим, че има и други измерения в допълнение към трите пространствени измерения горе-долу, отпред-отзад и отляво-отдясно. Алберт Айнщайн първи призна, че трябва да се добави време като четвърта ос към предишната триизмерна координатна система X-Y-Z, за да се опише реалността по по-математически правилен начин. Това четиримерно пространство-време беше революция във физиката.
Все още няма продължение: нито едно допълнително измерение не е доказано експериментално. Но това не пречи на физиците да въвеждат допълнителни измерения по почти инфлационен начин. Толкова различни, колкото теориите, толкова различни като броя: Ако теорията на струните все още се справя с десет измерения, М-теорията и контурната квантова гравитация изискват единадесет, а теорията за бозонните струни дори 26. За концепция за реалност би било много полезно, обаче, да знаят точния брой измерения и тяхното въздействие върху света. Но засега човек дори не разбира природата на четвъртото измерение, времето.
Слънце, луна и звезди - небесните тела, с които сме запознати, в никакъв случай не са всичко, което носи във Вселената. Според сегашното състояние на знанието нашата Вселена се състои само от около пет процента от материята, с която сме запознати. Астрономическите явления говорят в полза на това предположение: Например, центробежната сила веднага ще разпръсне въртящите се галактики, ако не е невидима материя, която държи галактиките заедно. Не знаем как изглежда тази така наречена тъмна материя. Защото освен косвено - чрез гравитационния си ефект - все още не е доказано. Астрономите изчисляват, че тя представлява около 27 процента от масата на Вселената.
Предполага се, че най-големият дял от масата е зад неизвестна досега форма на енергия. В резултат на гравитационния ефект на масите Вселената ще трябва да се разширява все по-бавно. Но случаят е точно обратният. Изследователите предполагат, че зад все по-бързото разширяване има тласкаща сила, така наречената тъмна енергия. Той противодейства на гравитацията и продължава да надува Вселената. Тъй като енергията винаги може да се разглежда като маса, приносът на тъмната енергия към общата маса на Вселената може да бъде изчислен: Тя допринася около 68 процента. Следователно Вселената е пълна с материя, която е не само затворена за нашето възприятие, но и за всички усъвършенствани досега методи за откриване!
Не би ли било хубаво да имаме една единствена теория, от която да могат да се изведат всички закони на физиката? Много известни физици, включително Айнщайн, намериха тази идея не само примамлива, но и правдоподобна. Търсенето на тази „световна формула“ обаче беше напразно. Независимо от това, дори и днес много учени все още са убедени, че трябва или поне би могло да има една единна обединяваща теория. Първата голяма стъпка би била така наречената „Велика обединена теория“ (GUT). Той трябва да извлече три от четирите основни физически сили от една елементарна сила: (i) електромагнитната, (ii) слабото взаимодействие, което участва в процесите на разпад и трансформация, и (iii) силното взаимодействие, което държи атомните ядра заедно. Тъй като тези три сили имат сходна математическа структура, физиците подозират, че съществуването на GUT е вероятно.
В действителната формула на света или „Теория на всичко“ (TOE) човек също трябва да побере четвъртата сила, гравитацията. Очакванията на TOE са големи: Той трябва да обясни същността на тъмната материя и тъмната енергия, както и много явления в историята на нашата Вселена. Горещи кандидати за световна формула са М-теория (обобщена и разширена теория на струните) и квантова квантова гравитация. И двете теории обаче все още се сблъскват със значителни проблеми и далеч не могат да служат като изчерпателни описания. Трудно е да се търси нещо, което не знаете дали наистина съществува.
Може да звучи като магия: частици, които са на няколко места едновременно или които са свързани помежду си на разстояние. В случая на квантово-механичните частици обаче това е реалност и се означава като нелокалност и заплитане. Последното беше подигравателно наречено от Айнщайн като „призрачно действие на разстояние“, тъй като по това време споменатите явления не бяха съвместими с предишната валидна физика. В заплитането две частици, които преди са се появявали като двойка, все още са свързани една с друга след пространственото им разделяне. Измерванията върху едната частица имат незабавен ефект върху състоянието на другата частица без никакво забавяне във времето.
Освен това не могат да бъдат дадени точни позиции за квантово-механичните частици. Вместо това математическата формула предоставя само вероятността, с която частицата се намира на различни места в пространството. Следователно квантово-механичната реалност е суперпозиция на много състояния. Подобни явления са доказани многократно в експерименти, а квантовата механика също е предоставила подходящите теоретични модели. И все пак никой не знае до каква степен квантовомеханичните явления всъщност са част от нашата реалност и какви последствия би имало това: Може ли всичко да е свързано помежду си? И има ли дори паралелни вселени, в които се реализират всички квантово-механично възможни състояния? Подобни спекулации вече доведоха до много противоречия сред физиците. Едно обаче е сигурно: квантовата механика ни показва границите на нашия интелект. Вероятно светът има съвсем различна структура, отколкото ние вярваме въз основа на ежедневния ни опит. Това би било възможно обяснение защо някои неща ни се струват магия.
Как започна всичко и как завършва? Съществуват ли изобщо началото и краят? С тези въпроси се занимават не само философите. За физиците както историята, така и бъдещето на Вселената са може би най-елементарният пъзел във физиката. Теорията за големия взрив се счита за относително сигурна и казва, че всичко - материя, пространство и време - е възникнало от невероятно гъста точка, така наречената сингулярност. Но дори да има много индикации за тази теория, физическо описание на това първоначално състояние все още не е намерено, нито е намерено за първите части от секундата след "Големия взрив". Що се отнася до въпроса за съдбата на нашата Вселена, конкретният отговор не е по-добър. Едно е сигурно: в момента се разпространява. Но колко още не е ясно. Може никога да не спре. Може би Вселената също се стреми към стационарен финален етап или дори има обрат в процеса на разширяване. Последствието от последното би било подновено компресиране на Вселената - вероятно обратно към сингулярност. И може би тогава всичко ще започне отначало. Това поне би предположило какво се е случило преди Големия взрив.