В 1900 году британский физик лорд Кельвин объявил: «в физике больше нет ничего нового, все, что можно было открыть, уже открыто. То, что остается — это все более и более точное измерение старого». В течение трех десятилетий физика показала, что он серьезно ошибался: были открыты квантовая механика и теория относительности Эйнштейна, которые произвели революции в науке. Сегодня ни один физик не посмел бы утверждать, что мы знаем все о вселенной. Напротив, каждое новое открытие, кажется, открывает ящик Пандоры с еще более глубокими вопросами физики. В этой статье мы поговорим про те вопросы в физике, которые до сих пор остаются без ответа.

Темная материя и энергия

Как бы ученые не пытались объяснить нашу вселенную текущими законами физики, у них ничего не получается. Если учитывать только видимое вещество, то его гравитации не хватит, чтобы удерживать галактики от распада на части. И, дабы объяснить стабильность галактик во вселенной, была введена темная материя — гипотетическое вещество, которое не испускает электромагнитного излучения и взаимодействует с привычной материей только с помощью гравитации. Увы, хотя термину «темная материя» уже 90 лет, ее до сих пор не обнаружили, хотя и нашли потенциального претендента, возможно, полностью состоящего из нее.

Как это обычно бывает, темной материи не хватило, чтобы объяснить все несостыковки текущей физики и наблюдаемых явлений. Поэтому, чтобы объяснить расширение Вселенной с ускорением, была введена еще и темная энергия, являющейся космологической константой — иными словами, неизменной энергетической плотностью, равномерно распределенной по Вселенной. Причем, что самое любопытное, привычное нам вещество занимает по массе всего 4% Вселенной, когда темная материя — 22%, а темная энергия вообще 74%. Казалось бы, при таком распространении мы должны найти ее следы, но, увы, пока что этого не произошло.

Почему время идет только вперед?



Пожалуй, этот вопрос задавали себе многие — ведь так хотелось бы вернуться в прошлое и что-то исправить. Физики пытались объяснить эту «стрелу времени», направленную только вперед, энтропией: грубо говоря, мерой хаоса во вселенной. Все, что мы не делали, приводит к увеличению энтропии: это гласит второй закон термодинамики. Яйцо, будучи целым, имеет низкую энтропию. Разбив его на сковородку, вы ее увеличите. Но, казалось бы, в чем проблема собрать обратно желток и белок в скорлупу и склеить ее? Ведь тем самым можно будет уменьшить энтропию и как бы сделать для яйца «машину времени».

Увы, это не так — в итоге на «сборку» яйца снова вы потратите некоторое количество энергии, а, значит, снова увеличите общую энтропию Вселенной. Казалось бы, вот и ответ на вопрос: раз энтропия и время связаны, и энтропия может только увеличиваться, то время может идти только вперед. Но и тут хватает загвоздок: так, в будущем Вселенная достигнет равновесия и максимума энтропии — она будет полностью однородной и темной, без всяких звезд и галактик. Энтропия в ней навечно станет константой — значит, и время тоже? Ведь в таком мире без разницы, куда оно течет, в итоге все равно ничего не меняется! 

С другой стороны, вспомним начало Вселенной из Большого Взрыва, когда энтропия была минимальной, и с тех пор постоянно растет. Возникает вопрос — почему это происходит именно так, а не наоборот? Увы — мы не знаем ответа на этот вопрос. Так что связь времени и энтропии, конечно, интересная, но все равно не отвечает нам на вопрос, почему время идет вперед и только вперед.

Есть ли параллельные вселенные?



Астрофизики предполагают, что на больших масштабах пространство-время плоское, а не искривленное, то есть оно бесконечно. Однако та область, которую мы видим и называем Вселенной, вполне себе конечна и простирается «всего» на 41 млрд световых лет. А, значит, все частицы нашей Вселенной могут комбинироваться хоть и крайне большим (10^10^122 степени), но все же конечным числом. А раз пространство-время бесконечно, то на нем будет бесконечной множество различных вселенных, и раз наша Вселенная конечна, то она будет иметь... бесконечное число своих копий. И бесконечное число копий, где вы позавтракали не йогуртом, а бутербродом с сыром. Но, конечно, это чисто математические выкладки, которые мы никак не можем проверить, так что этот вопрос так и остается вопросом.

Почему материи больше, чем антиматерии?

След первого обнаруженного позитрона в пузырьковой камере.

В привычном нам мире электрон заряжен отрицательно, а протон — положительно. А может ли быть наоборот? Вполне: последние 50 лет ученые создают антипротоны и позитроны (антиэлектроны), которые отличаются от своих «нормальных» братьев только зарядом и барионным числом (то есть позитрон заряжен положительно). При столкновении частицы с античастицей они аннигилируют, производят огромное количество энергии.

Но отсюда возникает вполне логичный вопрос: если материя и антиматерия максимально схожи, то после Большого Взрыва их должно было оказаться поровну. Разумеется, они бы аннигилировали полностью, и вселенная была бы пуста (ну, почти пуста — остались бы одни фотоны). А раз мы существуем, значит, материи в итоге было образовано больше, чем антиматерии. Почему? Никто не знает.

Как измерения разрушают квантовые волновые функции?

Микромир работает совсем не так, как привычная нам реальность. Частицы ведут себя не как шарики, а как волны. Каждая из частиц описывается так называемой волновой функцией — распределением вероятностей, которые говорят нам лишь о том, какими могут быть ее местоположение, скорость и другие свойства.

Фактически, частица имеет диапазон значений для каждого из свойств — но только до того момента, пока вы это свойство не станете измерять. Например, если вы захотите узнать местоположение частицы, то волновая функция коллапсирует, и вместо набора различных мест вы получите только одно, которое и образует привычную нам реальность. Этот парадокс, названный проблемой измерения, так и остается без решения.

Что происходит внутри черной дыры?



Куда исчезает информация внутри черной дыры? Если вы бросите в нее зонд, то вы не получите от него никаких данных, так как скорость убегания от черной дыры больше скорости света. Но черные дыры не вечны — существует излучение Хокинга, благодаря которому они медленно испаряются, и в итоге полностью исчезают. При этом само излучение зависит лишь от характеристик черной дыры (ее массы, скорости вращения и так далее), то есть, получается, данные о нашем зонде полностью теряются — без разницы, что вы кинете в черную дыру, зонд или камень с той же массой, на выходе излучение будет абсолютно одинаковое.

Но тут мы приходим к противоречию с квантовой физикой: она гласит, что квантовая информация не теряется и не копируется, и, если знать полную информацию о начальном состоянии любого объекта (например, зонда), то можно рассчитать и любое последующее. А «пережеванное» черной дырой вещество, получается, теряет всю свою информацию — парадокс, решение которого играет ключевую роль для построения законов квантовой гравитации, и пока что эта проблема остается без решения.

Что такое гравитация? 



Почти все силы во вселенной определены различными частицами. Так, за электромагнетизм отвечают фотоны, за слабую ядерную силу — W- и Z-бозоны, за сильную ядерную силу — глюоны. Остается гравитация, и с ней есть одна проблема: гипотетическая частица, переносчик гравитации — гравитон — так и не была обнаружена. Теоретически, она не имеет массы и почти не взаимодействует с веществом, но на практике мы лишь получили ограничение сверху на ее массу благодаря гравитационным волнам от столкновения черных дыр, и это не ноль, хотя и очень близкая к нему цифра.

Пока мы не нашли гравитон, мы не можем работать с гравитацией так, как с другими фундаментальными взаимодействиями, которые по сути являются обменом частиц. Более того, некоторые физики даже предполагают, что гравитоны работают в дополнительных измерениях за пределами пространства-времени. В любом случае, ответа на вопрос у нас пока нет.

Мы живем в ложном вакууме?

Что мы подразумеваем под вакуумом? Отсутствие чего-либо в данной точке пространства. Ну хорошо, мы можем освободить от частиц небольшой объем (хотя сделать это в случае с нейтрино, которые практически не взаимодействуют с веществом, будет, мягко говоря, трудновато). Остаются еще различные излучения и поля — ладно, попробуем избавиться и от них. А вот это уже не получится — есть и темная энергия, и поле Хиггса, и различные квантовые флуктуации. То есть, получается, вакуум, который мы можем создать, все-таки имеет какую-то отличную от нуля энергию, поэтому он и называется ложным.

Отсюда возникает вполне логичный вопрос — раз наш вакуум ложный, то может где-то есть истинный, с нулевой энергией? Или хотя ты чуть менее ложный, где энергия вакуума чуть ниже? Вполне может быть, и отсюда приходит «белый пушной зверек».

Частицы имеют одно интересное свойство — возможность туннелировать сквозь вещество, не обращая на него внимание, в значение с другой энергией. Что произойдет, когда хотя бы одна частица переместится в значение с меньшей энергией вакуума, чем в окружающей нас вселенной? Правильно, она потянет за собой все другие, и, в конечном счете, всю вселенную. Чем это грозит нам? Да тем, что мы просто перестанем существовать: ведь все, что мы видим, и все, из чего мы состоим, подчиняется определенным законам физики с определенными константами. «Перескок» в область, где энергия ложного вакуума ниже, чем у нас, изменит и законы, и константы. Да, вселенная от этого существовать не перестанет, она просто изменится. Но вот не факт, что мы останемся жить.

Конечно, все написанное выше выглядит страшилкой на ночь — да, собственно, ей и является. По расчетам Хокинга, дабы хотя бы одна частица туннелировала в состояние с другим ложным вакуумом, требуется энергия порядка 100 миллионов ТэВ — это в 10 миллионов раз больше, чем может дать Большой Адронный Коллайдер. Такие значения энергий не встречаются даже в сверхмассивных звездах, так что можете быть спокойны — с крайне высокой вероятностью наша вселенная никуда не денется. Но все же может, если теория ложного вакуума верна.

Что лежит за пределами Стандартной модели?



Стандартная модель — одна из самых успешных физических теорий, которая проходит все проверки на протяжении вот уже больше 40 лет. Эта модель описывает поведение частиц вокруг нас и, например, объясняет, почему они имеют массу. К слову, открытие бозона Хиггса — частицы, которая дает материи массу — как раз является одним из тех экспериментов, в очередной раз подтвердивших Стандартную модель.

Но уже понятно, что вселенная устроена сложнее — взять, например, потерю квантовой информации в черной дыре. Поэтому становится очевидным, что нужно придумывать новые модели: например, существует Теория струн, которая говорит о том, что фундаментальные взаимодействия возникают в результате колебаний ультрамикроскопических струн с масштабами порядка 10-35 метра. Это на пару десятков порядков меньше диаметра атомного ядра, и у нас нет абсолютно никаких инструментов для работы на таких масштабах, поэтому мы не можем проверить Теорию струн. Так что ответ на вопрос, что же лежит за пределами Стандартной модели, остается открытым.

Как звуковые волны излучают свет?


Синяя точка — не лазер и не ошибка камеры, это вспышка в пузырьке внутри воды.

Один из тех редких примеров загадок, которые можно наблюдать в лаборатории, но не получается объяснить. Сам эксперимент максимально прост: возьмите немного воды и направьте на нее звуковые волны — внутри нее образуются пузырьки, которые образуются из-за перепада давления от звуковых волн. Разумеется, эти пузырьки быстро схлопываются, однако в этот момент... они излучают свет в виде вспышек, длящихся триллионные доли секунды — явление, называемое сонолюминесценция.

Проблема тут в том, что неизвестен источник этого света. Ученые обнаружили, что внутри пузырьков на долю секунды температура достигает десятков тысяч градусов, откуда строятся абсолютно фантастические теории, начиная от крошечных реакций ядерного синтеза вплоть до электрического разряда. И хотя существует множество снимков этого процесса, до сих пор нет хорошего объяснения происходящего.

Есть ли порядок в водовороте хаоса?

Картинки по запросу уравнение навье стокса
Школьный пример — зная состояние воды в левой трубке, его можно вычислить для правой.

Отличным примером того, что даже в школьном курсе физики есть задачи тысячелетия, за решения которых предлагают миллион долларов, являются уравнения Навье-Стокса. По сути это система дифференциальных уравнений, которая описывает движение вязкой ньютоновской жидкости. Проблема в том, что нахождение общего решения в случае пространственного потока усложняется тем, что оно нелинейно и сильно зависит от начальных и граничных условий. И хотя в частных случаях решения есть (думаю, все в школе решали задачки по нахождению скорости потока воды в трубах разного диаметра), мы даже не знаем, есть ли оно в общем случае — а ведь это важно даже для таких, казалось бы, банальных вещей, как правильный прогноз погоды.

И это далеко не все проблемы, с которыми сталкивается современная физика, и чем больше мы в них углубляемся, тем больше понимаем, что все наши знания, накопленные за столетия и даже тысячелетия, или не верны, или крайне поверхностны. Но это не повод опускать руки — наоборот, это шанс узнать больше об окружающем нас мире и пустить эти знания нам же на благо.