Най-големите физични въпроси без отговор

Ето някои от най-интригуващите и сложни въпроси, които физиците се опитват да решат. 

1. Как да съчетаем квантовата механика и относителността?

Двата върха на човешката изобретателност са формулирани в началото на 20-ти век. Това са квантовата механика и Общата теория относителността на Айнщайн.

През последните 100 години, те са били разширени и тествани многократно и продължават да служат на учените изключително добре. Но има един проблем. Те не работят добре заедно.

Общата относителността обяснява гравитацията в макросвета. Квантовата механика описва останалите три фундаментални сили: електромагнетизма, слабото и силно ядрено взаимодействие или всичко в микросвета. Двете теории са формулирани и конструирани по различен начин, така че в момента не е възможно едната да обясни явления в областта на действие на другата. Проблемите възникват, когато трябва да работят заедно и обикновено се получават безсмислени отговори.

Това означава, че е нужна по-добра теория, която да включва както относителността, така и квантовата механика. Струнната теория и квантовата гравитация са съществуващите предложения да изпълнят тази роля. Досега обаче не са налице успешни проверки на двете теории, които претендират за титлата"теория на всичко". 

2. Какво представляват тъмната енергия и тъмната материя?

Всичко, което виждаме около нас и ние самите сме направени от обикновена материя. А обикновената материя е само 4% от цялото съдържание на Вселената. Останалата част е направена от два неизвестни компонента - тъмна материя и тъмна енергия.

Тъмната материя беше предложена преди почти пет десетилетия, за да обясни как галактиките се въртят около оста си. Ако вземем предвид цялата маса на звездите и междузвездното вещество, тя не оправдава тяхното въртене. Тъмната енергия беше предложена преди 20 години, за да обясни ускореното разширяване на Вселената.

Ефектите от тези два компонента са широко разбрани. Ние ги използвахме в много симулации и те са произвели предсказания в съгласие с това, което наблюдаваме във Вселената. И все пак след много години на изучаване, ние не познаваме истината за тяхната природа.

Тъмната материя се смята, че е направена от слабо взаимодействащи масивни частици (WIMPs), които са се образували няколко мига след Големия взрив. Тъмната енергия изглежда е космологична константа или вакуумна енергия, присъща собственост на всяка отделна частица от пространство-време. Все още обаче не са намерени директни доказателства в подкрепа на тази идея.

Има алтернативни идеи, които се опитват да обяснят Вселената без тези два компонента. Някои от тях са корекции на уравненията на Общата теория на относителността, а някои използват по-сложни идеи. Причината, поради която повечето физици се придържат към "тъмната вселена", е проста: защото когато тъмната енергия и тъмната материя са събрани в стандартния модел на космологията, те работят изключително добре.

3. Какво става в черна дупка?

Нищо, дори и светлината, не може да напусне черната дупка. Но ако можем да я посетим, какво ще видим вътре? Ние нямаме представа. Всички математически и физически средства, които имаме, не са добри в описването на екстремния свят зад хоризонта на събитията, повърхността, която разделя черната дупка от останалата част на Вселената и точката, от която светлината не може да избяга.

Преди да бъдат открити като действителни физически обекти, черните дупки бяха конкретен набор от решения от Общата теория на относителността на Айнщайн. Математиката е абсолютно очарователна, защото ни отвежда по-дълбоко, отколкото бихме могли да стигнем в реалния живот, чак до центъра на черната дупка, в т.н. състояние сингулярност или точката на безкрайна плътност. Така че вече имаме проблем. Имаме нещо с огромна маса и малък размер. Затова се нуждаем както от квантовата механика, така и от относителността, но вече знаем, че това няма как да се случи.

Но дори и да задълбочим обяснението на сингулярността, все още има странности, които идват на базата на математиката. Времето изглежда се държи като пространство и обратно. Има дори случай на въртяща се черна дупка, където сингулярността е пръстен, а не точка. И още по-странно, ако преминете през този пръстен, тогава времето и пространството се връщат към "нормалното", сякаш има изходна точка, ако минавате през черна дупка точно под прав ъгъл.

Макар че е очарователно да се разглеждат тези математически възгледи, те нямат физическо обяснение. Не знаем дали сингулярността е пръстен или дори точка и още не знаем дали черните дупки образуват други вселени. Отговорите на тези въпроси може да се разглеждат като упражнение в безсмислието. Никой от нас няма да свърши в черна дупка и дори да го направим, няма да оцелеем, за да разкажем историята. Независимо от това, черните дупки са тези крайни обекти, които създават граница между квантовата механика и относителността. Разбирането им може да ни каже как да накараме двете теории да работят заедно. 

4. Каква физика се намира извън Стандартния модел?

Повечето от откритията на квантовата механика са залегнали в Стандартния модел на физиката на частиците, който позволява на физиците през последните 50 години да предсказват и организират основните фундаменталните частици и частиците носителите на взаимодействие. Частицата Хигс Бозон, открита през 2012 г., формира една от тези прогнози.

Стандартният модел е феноменално постижение. И все пак знаем, че той има ограничено действие, защото не включва гравитация. Моделът не споменава за тъмната материя и тъмната енергия. Той очаква неутриното да бъде безмасова частица. Предполага още, че материята и анти-материята са идентични според законите на физиката. Ние знаем, че това не е така, защото в противен случай, Вселената няма да съществува, тъй като всички частици и античастици взаимно ще се унищожат. Въпреки това, до момента нямаме алтернатива на Стандартния модел.

Има няколко процеси, между които известният разпад на частици, които намекват за съществуване на нова физика и няколко прогнози, които не са били наблюдавани в реалния свят. Но досега изследователите не успяват да направят истинско откритие, което би могло да наруши Стандартния модел.

5. Защо времето има посока?

Времето е величина, която е в основата на нашия живот. Във физиката то е само едно от четирите измерения на пространствено-времевия континуум, но въпреки това е специално, защото за разлика от пространството, той може да бъде изследвано само в една посока.

Проблемът се нарича стрела на времето. В нашия всекидневен опит времето не е симетрично, но много физични закони и процеси не се интересуват от посоката на времето. Физиците се съсредоточават върху всичко, което изглежда да действа по различен начин с течение на времето, за да намеряг възможно обяснение за преференциалната посока, която  времето притежава.

Определени процеси на разпад на частици са предложени, за да обяснят стрелата на времето. Разширяването на Вселената също беше предложено. Вторият закон за термодинамиката е също фаворит. Знаем, че ентропията се увеличава с течение на времето. Тези обяснения биха могли да предполагат по-дълбока връзка между времето и други физически величини или тяхната еволюция може да бъде естествена последица от Вселената, в която времето има посока.

За да разрешим този загадки, трябва да преминем отвъд настоящата физика, която познаваме. Пробивите в други области на физиката могат да доведат до по-добро разбиране какво представлява времето и какво го прави толкова специално.

Източник:  iflscience.com