Del:
Top 10 uløste mysterier i fysik
Hvis du nogensinde har set en episode af Star Trek eller Big Bang teorien, så ved du, at fysik kan gøres tilgængelig for masserne på en sjov måde. Vores yndlingssci-fi og komedieforfattere kan ikke få alle detaljer ret, men de gnister vores interesse for de vældige aspekter af videnskabelige teorier.
I dag skal vi tale om 10 virkelige mysterier, som fysikken endnu ikke har forklaret. Fra alien kommunikation til tid rejser til gushing vandhaner, vil vi forsøge at gøre disse mysterier forståelige for alle.
Du vil måske endda udforske disse emner videre alene. Der er trods alt millioner dollar præmier venter på de mennesker, der løser nogle kosmiske puslespil. (Læs videre for at finde ud af, hvilken af disse 10 mysterier kan gøre dig rig.) Du får nok en Nobelpris og ændrer verden også.
10 Hvor kommer kosmetiske stråler med høj energi fra?
Vores atmosfære bliver konstant ramt af partikler fra det ydre rum med høje energier. Disse kaldes "kosmiske stråler." Selvom de ikke udgør meget skade for mennesker, har de fascineret fysikere. Observation af kosmiske stråler har lært os meget om astrofysik og partikelfysik. Men der er nogle - dem med den mest energi - der er mystiske for denne dag.
I 1962 oplevede Dr. John D. Linsley og Livio Scarsi noget utrolig ved vulkanforretningseksperimentet: en kosmetisk stråle med høj energi og en energi på mere end 16 joules. For at give dig et perspektiv er en joule stort set den energi, det tager at løfte et æble fra gulvet på et bord.
Al den energi er dog koncentreret i en partikel hundrede millioner milliarder gange mindre end æblet. Det betyder at det rejser meget tæt på lysets hastighed!
Fysikere ved endnu ikke, hvordan disse partikler får denne utrolige mængde energi. Nogle teorier indbefatter ideen om, at de kan komme fra supernovaer, når stjerner eksploderer i slutningen af deres liv. Partiklerne kan også accelereres i skiverne af sammenfaldende materiale, der dannes omkring sorte huller.
9 Var vores univers domineret af inflation?
Universet er utrolig fladt på store skalaer. Dette er noget, der hedder det "kosmologiske princip" - ideen om, at hvor som helst du går i universet, er der omtrent det samme antal ting i gennemsnit.
Men teorien om big bang tyder på, at der i de aller tidligste tider må have været nogle store forskelle i tæthed i det tidlige univers. Så det var meget klumpere end vores univers er i dag.
Teorien om inflation tyder på, at universet vi ser i dag kommer fra et lille volumen af det tidlige univers. Denne lille mængde pludselig og hurtigt ekspanderet - langt hurtigere end universet ekspanderer i dag.
Ligesom hvis du trak en ballon og derefter fyldte den med luft, "udspændte" alle klumperne i det tidlige univers og forklarer, hvorfor vi har et ret fladt univers - hvor forholdene er ens, uanset hvor du går i dag.
Selv om dette forklarer meget om det, vi ser, ved fysikere stadig ikke, hvad der forårsagede inflation. Detaljer om hvad der skete under denne inflation er også skitseret. En bedre forståelse af denne æra kan fortælle os meget om universet som det er i dag.
8 Kan vi finde mørk energi og mørk materie?
Det er en fantastisk kendsgerning: Kun omkring 5 procent af universet består af det spørgsmål, vi kan se. Fysikere bemærkede nogle årtier siden, at stjernerne på de yderste kanter af galakser løb rundt om midt i disse galakser hurtigere end forudsagt.
For at forklare dette foreslog forskerne, at der kunne være noget uset "mørkt" spørgsmål i de galakser, der fik stjernerne til at rotere hurtigere. Herefter førte observationer af det ekspanderende univers fysikere til at konkludere, at der skal være meget mere mørkt materiale derude - fem gange så meget som det vi kan se.
Ved siden af dette ved vi, at universets ekspansion faktisk accelererer. Dette er mærkeligt, fordi vi forventer at gravitationstræk af materie - både "lys" og "mørkt" - for at bremse universets ekspansion.
Kombiner dette med det faktum, at universet er fladt-rum-tid, generelt er det ikke buet - og kosmologer har brug for en forklaring på noget, der afbalancerer materiens tyngdeattrækkende attraktion.
"Mørk energi" er løsningen. Det meste af energien i universet kan ikke låses op i materien, men i stedet driver det universets ekspansion. Fysikere mener, at mindst 70 procent af universets energi er i form af mørk energi.
Men til dags dato er partiklerne, der udgør mørk materiel og marken, der udgør mørk energi, ikke direkte observeret i laboratoriet. Det er svært at observere mørkt materiale, fordi det ikke interagerer med lys, hvilket er hvordan observationer normalt laves.
Men fysikere håber, at partikler af mørk materiel kan produceres i Large Hadron Collider (LHC), hvor de kan studeres. Det kan vise sig, at partikler af mørk materiel er tungere end noget, som LHC kan producere, i hvilket tilfælde det kan forblive et mysterium i meget længere tid.
Mørk energi understøttes af mange forskellige observationer af universet, men det er stadig dybt mystisk. I en meget reel forstand kan det være, at "rummet bare kan lide at udvide", og vi kan kun se det udvide, når vi ser på meget store skalaer.
Eller måske er det mørke materie og mørke energiforklaringer forkerte, og der kræves en helt ny teori. Men det ville skulle forklare alt, hvad vi ser bedre end den nuværende teori, før fysikere vil vedtage det. Alligevel er det utroligt at tro, at vi måske ved meget lidt omkring 95 procent af universet.
7 Hvad er der i hjertet af et sort hul?
Sorte huller er nogle af de mest berømte objekter i astrofysik. Vi kan beskrive dem som områder af rumtiden med så stærke gravitationsområder, at selv lys ikke kan undslippe.
Helt siden Albert Einstein viste, at tyngdekraften "rummer" rum og tid med sin teori om generel relativitet, har vi vidst, at lys ikke er immun mod gravitationseffekter. Faktisk blev Einsteins teori vist under en solformørkelse, der viste, at solens tyngdekraft afbøjede fjerne stråler fra fjerne stjerner.
Siden da er der blevet observeret mange sorte huller, herunder en enorm supermassiv i hjertet af vores egen galakse. (Du skal ikke bekymre dig. Det vil ikke sluge Solen helst snart.)
Men mysteriet om hvad der sker i hjertet af et sort hul er stadig uløst. Nogle fysikere mente, at der kunne være en "singularitet" - et punkt med uendelig tæthed med en masse koncentreret ned i et uendeligt lille rum. Det er svært at forestille sig. Endnu værre fører nogen singularitet til et sort hul i denne teori, så der er ingen måde, vi kunne observere en singularitet direkte.
Der er stadig debat om, hvorvidt information er tabt inde i sorte huller. De absorberer partikler og stråling og udsender Hawking-stråling, men Hawking-strålingen synes ikke at indeholde yderligere oplysninger om, hvad der sker inden for det sorte hul. Nogle oplysninger om partiklerne, der falder ud over begivenhedshorisonten i det sorte hul, ser ud til at være tabt.
Den kendsgerning, at det i det mindste for øjeblikket er umuligt at forstå, hvad der er kernen i sorte huller, har gjort sci-fi forfattere spekulere i årtier om, om de kunne indeholde forskellige universer eller blive brugt til teleportation eller tidsrejse.
Da det bliver absorberet af et sort hul involverer at blive strakt ind i en række atomer ("spaghettification"), er vi ikke frivillige til at vove sig ind og finde ud af.
6 Er der intelligent liv derude?
Folk har drømt om udlændinge så længe de har kigget op på nattehimlen og spekuleret på, hvad der kunne eksistere derude. Men i de seneste årtier har vi opdaget masser af spændende beviser.
Til en begyndelse er planeter langt mere almindelige end folk oprindeligt troede, med de fleste stjerner der har et planetarisk system. Vi ved også, at tidsgabet mellem vores planet bliver beboelig og liv, der kommer frem på det, var ret lille. Foreslår dette, at livet sandsynligvis vil danne sig? Hvis ja, har vi det berømte "Fermi paradoks": Hvorfor har vi ikke kommunikeret med udlændinge endnu?
Der er masser af løsninger på Fermi-paradokset, lige fra det vilde til de mere triste og jordiske. Det viser virkelig vanskeligheden ved at nå gode videnskabelige konklusioner, når du kun har et datapunkt: os.
Vi ved, at det intelligente liv udviklede sig på denne planet (okay, måske er det diskutabelt), hvilket betyder at det kan ske. Men vi kan ikke vide, om vi lige blev utroligt heldige. Eller måske er der noget særligt om vores planet, der gør det ekstremt sjældent, men egnet til hosting af livet. Eller måske er sandsynligheden for livets begyndelse ekstremt lav, så der er få, hvis nogen, fremmede civilisationer derude.
Astronom Frank Drake sammensætter sin "Drake Equation" som en måde at se på alle de forskellige aspekter af dette problem. Hver af betingelserne repræsenterer en grund til, at vi måske ikke kommunikerer med det intelligente liv.
Måske er livet almindeligt, men intelligent liv er sjældent. Måske beslutter alle civilisationer efter et stykke tid mod at kommunikere med andre livsformer. De er derude, men de vil ikke tale med os.
Eller chillende, måske viser dette, at mange fremmede civilisationer ødelægger sig kort tid efter at være teknologisk avancerede nok til at kommunikere. Vi kan bekymre os om dette på Jorden med atomvåben eller uden for kontrol AI.
Det er endda blevet antydet, at manglen på kommunikation fra udlændinge er et bevis på, at verden blev skabt - enten af en Gud eller som en del af en computersimulering. Dette ville forklare, hvorfor der kun er os. De kosmiske spillere spiller i singleplayer mode.
Virkeligheden er, at vi ikke har kigget på så længe, og rummet er utænkeligt stort. Signaler kan let gå tabt, og en udlændinges civilisation skulle sende et kraftigt radiosignal, så vi kan hente det. Men det er spændende at tro, at opdagelsen af en fremmed civilisation kunne ske i morgen og ændre vores forståelse af universet for evigt.
5 Kan noget rejse hurtigere end lysets hastighed?
Siden Einstein har ændret fysikens ansigt med sin teori om speciel relativitet, har fysikere været sikre på, at intet kan rejse hurtigere end lysets hastighed. Faktisk forudsiger relativitet, at for alt med masse til selv at rejse med lysets hastighed kræves uendelig energi.
Vi ser dette i de ovennævnte ultra-high-energy kosmiske stråler. De har ekstraordinære energier i forhold til deres størrelse, men de rejser stadig ikke så hurtigt. Lysets hastighed som en hård grænse kan også forklare, hvorfor kommunikation fra fremmede civilisationer er usandsynlig. Hvis de også er begrænset af dette, kan signaler tage tusindvis af år at ankomme.
Men folk spørger hele tiden, om der kan være nogle måder omkring universets hastighedsgrænse. I 2011 havde OPERA-eksperimentet nogle foreløbige resultater, der tyder på, at neutrinoer rejste hurtigere end lysets hastighed. Men forskere opdagede senere nogle yderligere fejl i deres eksperimentelle opsætning, der bekræftede, at resultaterne var forkerte.
Hvis der findes nogen form for kommunikation om materiel eller information hurtigere end lysets hastighed, ville det uden tvivl ændre verden. Hurtigere end lysrejser krænker noget, der kaldes kausalitet - forholdet mellem årsager og virkninger af hændelser.
På grund af den måde, hvorpå tiden og rummet er indbyrdes forbundne i speciel relativitet, vil information, der rejser hurtigere end lysets hastighed, tillade en person at modtage information om en begivenhed, før det er "sket" (ifølge dem) - en type tidsrejse.
Hurtigere end lys kommunikation vil skabe alle slags paradokser, som vi ikke ved, hvordan vi skal løse. Så det forekommer sandsynligt, at det ikke eksisterer. Men hvis du klarer at udvikle det, bedes du fortælle os om det i går.
4 Kan vi finde en måde at beskrive turbulens på?
Flytning tilbage til jorden er der stadig masser af ting, der opstår i vores hverdag, som er vanskelige at forstå. Prøv at lege med vandhanerne i dit hjem.
Hvis du lader vandet strømme forsigtigt, kigger du på opløst fysik - en form for strøm, vi forstår godt, der hedder "laminar flow". Men hvis du skruer op for vandet til det maksimale tryk og ser det sputter og spurt, er du ser på et eksempel på turbulens. På mange måder er turbulens stadig et uopløst problem i fysikken.
Navier-Stokes-ligningen bestemmer, hvordan væsker som vand og luft skal strømme. Denne ligning er lidt som en kraftbalance. Vi forestiller os, at væsken er brudt op i små pakker af masse. Derefter tager ligningen hensyn til alle de forskellige kræfter, der virker på denne pakke-tyngdekraft, friktion, tryk og forsøger at bestemme, hvordan pakkehastigheden skal reagere.
For enkle eller konstante strømme kan vi finde løsninger på Navier-Stokes ligningen, der beskriver flowet fuldstændigt. Fysikere kan derefter skrive ned en ligning, der fortæller dig hastigheden (hastighed og retning) af væsken på et hvilket som helst punkt i strømmen.
Men for komplicerede turbulente strømme begynder disse løsninger at bryde ned. Vi kan stadig gøre en masse videnskab med turbulente strømme ved at løse ligningerne numerisk med store computere. Dette giver os et omtrentligt svar uden en formel, der forklarer fuldt ud, hvordan væsken opfører sig.
Vi regner med vejret på denne måde. Men indtil vi finder disse unnvikende løsninger, bliver vores viden ufuldstændig. Af den måde er dette en af de uløste Clay Institute pris problemer. Så hvis du klarer det, er der en million dollars i det for dig.
3 Kan vi opbygge en rumtemperatur superledere?
Superledere kan være nogle af de vigtigste enheder og teknologier, som mennesker nogensinde opdager. De er specielle typer materiale. Når temperaturen falder tilstrækkeligt lavt, falder materialets elektriske modstand til nul.
Dette betyder, at du kan opnå store strømme for en lille anvendelse af spænding over superlederen. Hvis du indstiller den elektriske strøm, der strømmer i en superledende ledning, kan den fortsætte med at strømme i milliarder år uden at sprede, fordi der ikke er modstand mod strømmen.
En stor del strøm går tabt i vores nuværende strømkabler. De er ikke superledende og har elektrisk modstand, hvilket får dem til at varme op, når du passerer en strøm gennem dem. Superledere kan reducere disse tab til nul.
Men superledernes muligheder er endnu mere spændende end dette. Magnetfeltet produceret af en ledning har en styrke, der afhænger af strømmen, der strømmer gennem denne ledning. Hvis du kan få meget høje strømme i en superleder billigt, kan du få rigtig kraftfulde magnetfelter.
Disse felter bruges i øjeblikket i Large Hadron Collider til at omlede de hurtigt bevægede ladede partikler rundt om sin ring. De bruges også i eksperimentelle atomfusionsreaktorer, som kunne give vores elektricitet i fremtiden.
Problemet er, at alle kendte superledere skal være ved disse meget lave temperaturer til arbejde. Selv vores varmeste temperatur superledere skal være på -140 grader (-220 ° F), før de begynder at udstille denne vidunderlige ejendom.
Køling dem ned til disse lave temperaturer kræver normalt flydende nitrogen eller noget lignende. Derfor er det meget dyrt at gøre. Mange fysikere og materialerforskere over hele verden arbejder på at udvikle den hellige gral - en superleder, der kunne arbejde ved stuetemperatur. Men ingen har formået det endnu.
2 Hvorfor er der mere materiel end antimatter?
På nogle måder ved vi stadig ikke, hvorfor der slet ikke findes noget. En dristig erklæring men sandt! For hver partikel er der en lige og modsat partikel kaldet en antipartikel. Så for elektroner er der positrons. For protoner er der antiprotoner. Og så videre.
Hvis en partikel nogensinde rører ved sin antipartikel, udsletter de og bliver til stråling. Da du sandsynligvis ikke vil blive udslettet, er det godt, at antimateriel er utroligt sjælden. Sommetider falder det i kosmiske stråler. Vi kan også gøre antimatter i partikelacceleratorer for billioner af dollars et gram. Men i det hele synes det at være utroligt sjældent i vores univers.
Dette er et ægte mysterium. Vi ved simpelthen ikke, hvorfor sagen dominerer i vores univers og ikke antimateriel. Enhver kendt proces, der ændrer energi (stråling) til materie, producerer samme mængde stof og antimateriel. Så hvis universet begyndte at dominere af energi, hvorfor producerede det så ikke lige store mængder materie og antimateriel?
Vi kan forestille os et univers, hvor energi bliver til materie-antimatterpar. Så ville de udslette hinanden og vende tilbage til energi for evigt. Men der ville ikke være nogen struktur, ingen stjerner og intet liv.
Der er nogle teorier, der kan forklare dette. Forskere, der undersøger partiklernes interaktioner på Large Hadron Collider, søger eksempler på "CP-overtrædelse".
Hvis de opstår, kunne disse interaktioner vise, at fysikkens love er forskellige for materie- og antimatterpartikler.Så kan vi forestille os, at der måske er processer derude, der er lidt mere tilbøjelige til at producere materiale end antimatter, og derfor ser vi et asymmetrisk univers domineret af materie.
Wilder teorier tyder på, at der kan være hele regioner i universet, der domineres af antimateriel. Interessant nok kan det være sværere at anfægte dette end du tror.
Antimater og materiel interagerer med stråling på samme måde, og så ser de nøjagtigt ud. Vores teleskoper kunne ikke skelne mellem en antimattergalakse og en materielgalakse.
Men disse teorier skal forklare, hvordan sagen og antimatteren blev adskilt, og hvorfor vi ikke ser tegn på, at masser af stråling bliver produceret, når sagen og antimateriet kolliderer og udslett.
Medmindre vi opdager bevis for antimattergalakser, ser CP-overtrædelse i det tidlige univers ud som den bedste løsning. Men vi ved stadig ikke præcis, hvordan det virker.
1 Kan vi have en samlet teori?
I det 20. århundrede blev der udviklet to store teorier, der forklarede meget om fysik. Den ene var kvantemekanik, som beskriver, hvordan små, subatomære partikler opførte sig og interagere. Kvantemekanik og standardmodellen for partikelfysik har forklaret tre af de fire fysiske kræfter i naturen: elektromagnetisme og de stærke og svage atomkræfter. Dens forudsigelser er utroligt nøjagtige, selv om folk stadig argumenterer for teoriens filosofiske konsekvenser.
Den anden store teori var Einsteins generelle relativitet, som forklarer tyngdekraften. I almindelighed relativitet forekommer tyngdekraften som tilstedeværelsen af massebøjninger plads og tid, hvilket forårsager, at partikler følger stier, der er buede på grund af at rumtiden er bøjet ud af form. Det kan forklare ting der forekommer på de største skalaer - dannelsen af galakser og stjernens dans.
Der er kun et problem. De to teorier er uforenelige. Vi kan ikke forklare tyngdekraften på en måde, der giver mening med kvantemekanik, og generel relativitet omfatter ikke kvantemekanikernes virkninger. Så vidt vi kan fortælle, er begge teorier korrekte. Men de synes ikke at arbejde sammen.
Siden dette blev realiseret, har fysikere arbejdet på en slags løsning, der kan forene de to teorier. Dette kaldes en Grand Unified Theory (GUT) eller bare Theory of Everything.
Forskere er vant til ideen om teorier, der kun arbejder inden for visse grænser. For eksempel er Newtons bevægelseslove det, du får, når du tager en lavhastighedsgrænse for speciel relativitet. Også elektricitet og magnetisme plejede at blive betragtet som helt forskellige teorier, indtil Maxwell forenede dem til elektromagnetisme.
Fysikere håber at kunne "zoome ud" og se, at kvantemekanik og generel relativitet er begge dele af en større teori, som patches i et quilt. Stringteori er et forsøg, der kan reproducere funktioner i generel relativitet og kvantemekanik. Men det er svært at teste sine forudsigelser med forsøg, så det kan ikke bekræftes.
Søgen efter en grundlæggende teori - en der kan forklare alt - fortsætter. Måske vil vi aldrig finde det. Men hvis fysik har lært os noget, er det at universet er virkelig bemærkelsesværdigt, og der er altid nye ting at opdage.