8 התעלומות הגדולות של הפיזיקה שעדיין לא פתורות
Miscellanea / / July 28, 2023
השאלות העיקריות של החיים, היקום וכל השאר.
1. למה הזמן רק זורם קדימה
בפיזיקה קיים המושג "חץ (או ציר) של זמן". הוא מתאר את זרימת הזמן מהעבר לעתיד. ויש הרבה עדויות לכך שהזמן מעדיף כיוון מסוים.
לפי החוק השני של התרמודינמיקה, במערכת מבודדת, האנטרופיה (מדד לאי-סדר) תגדל עם הזמן. זֶה אומרשתהליכים בטבע מתנהלים בדרך כלל בכיוון שבו האנרגיה מפוזרת בצורה שווה יותר והמערכת הופכת לא מסודרת יותר.
לדוגמה, כאשר אנו שוברים ביצה, היא לא מתחדשת מעצמה. אי אפשר להחזיר את הזמן אחורה ולעשות דברים כמו שהם היו. אנטרופיה היא חסרת רחמים.
בנוסף, על פי תורת היחסות הכללית, לאורך זמן, היקום מתרחב. תצפיות מראות כי הוא עבר בעבר מצב של צפיפות גבוהה ואנטרופיה נמוכה (אירוע זה אנו מכנים "המפץ הגדול") והוא נע לעבר מצב עתידי של אנטרופיה גבוהה.
באופן כללי, קל לראות שהזמן הוא בלתי הפיך ותמיד נע לכיוון אחד. ומדענים לעולם לא יבינו מדוע זה כך. והאם יתכן שהזמן יזרום גם לאחור?
2. מהי אנרגיה אפלה
היקום מתרחב. היא עושה את זה ממש כמו בלון, רק מהר יותר ממהירות האור.
בשנות ה-90, אסטרונומים גילהשהתפשטות היקום רק תופסת תאוצה עם הזמן, ואינה מואטת בהשפעת כוח הכבידה, כפי שצריך להיות בתיאוריה. תצפית זו הובילה להצעה שקיימת צורה כלשהי של אנרגיה שמתנגדת לכוח הכבידה ותורמת להתפשטות המואצת של היקום.
אנרגיה אפלה כנראה ממלא כל מבנה המרחב-זמן של היקום והוא המרכיב העיקרי בתכולת האנרגיה שלו. אבל לא ניתן לצפות או למדוד אותו ישירות.
74% מהיקום שלנו הם אנרגיה אפלה, 22% הם חומר אפל, 3.6% הם גז בין-גלקטי, ועוד 0.4% הם כוכבים בנאליים, לא מעניינים, כוכבי לכת ודברים קטנים אחרים.
מדוע היישור הוא כך לא ברור.
גם טבעה של האנרגיה האפלה שְׂרִידִים תעלומה למדע. יש שונות תיאוריותשמנסים להסביר את מקורו, כולל מושגי הוואקום הקוונטי והקבוע הקוסמולוגי.
בינתיים, לאנרגיה אפלה חשיבות רבה להבנת התכונות הבסיסיות של היקום וגורלו העתידי. זה תלוי בזה אם התפשטות היקום תימשך ללא הגבלת זמן, תאט או אפילו תתהפך בעתיד.
3. מהו חומר אפל
כהה היא צורה היפותטית של חומר שאינה מקיימת אינטראקציה עם קרינה אלקטרומגנטית ולכן אינה פולטת, סופגת או מחזירה אור. לא ניתן לזהות את זה עם המכשירים והמכשירים הרגילים שלנו, ולכן זה נקרא כך.
אבל יש הרבה עֵדוּת קיומו של חומר אפל ביקום. הם מבוססים על ההשפעה הכבידתית שיש לה על עצמים גלויים.
חומר אפל, למרות שאינו נראה, משפיע על תנועת הכוכבים, הגלקסיות וצבירי הגלקסיות.
מחקר אסטרונומי הופעהשעצמים אלו נעים כאילו הושפעו ממסה נוספת, ולא ניתן להסביר זאת על ידי כמות החומר שאנו רואים. לכן, חומר אפל מחזיק גלקסיות ומבני ענק אחרים יחד בהשפעת כוח הכבידה שלו.
באופן כללי, פיזיקאים לא יבינו מהו חומר אפל, מאילו חלקיקים הוא מורכב, מהן תכונותיו והאם הוא קיים בכלל. אולי ההתנהגות הנצפית של כוכבים וגלקסיות אינה קשורה לשום עניין וזו רק המוזרויות של כוח המשיכה. המדע עדיין לא הבין את זה.
4. מדוע הקבועים הבסיסיים הם כפי שהם?
קבועים בסיסיים הם ערכים מספריים המאפיינים את התכונות הפיזיקליות והאינטראקציות ביקום. הם בסיסיים ואינם תלויים במערכות ספציפיות של יחידות.
הקבועים קובעים את המאפיינים וחוקי הטבע הבסיסיים, ומשפיעים על המבנה וההתפתחות של היקום בכללותו. כל המספרים האלה בסביבות 25. ביניהם:
- מהירות האור בוואקום (ג) - קובעת את המהירות המרבית שבה מידע או אינטראקציות יכולים להתפשט ביקום.
- הקבוע של פלאנק (h), או קוונט הפעולה, - קובע את הקשר בין האנרגיה והתדירות של חלקיקים וגלים, מוליכים הגבול בין המקרוקוסמוס, שבו חלים חוקי המכניקה הניוטונית, לבין המיקרוקוסמוס, שבו נכנסים לתוקף חוקי מכניקת הקוונטים. מֵכָנִיקָה.
- קבוע כבידה (G) - קובע את עוצמת האינטראקציה הגרביטציונית בין מסות ומשפיע על מבנה ותנועה של עצמים ביקום.
- מסה של אלקטרון (mₑ).
- מטען אלמנטרי (ה).
- קבוע קוסמולוגי (Λ), המכונה גם יסודי.
ומדענים לא יכולים להבין מדוע לכל המספרים הללו יש בדיוק את המשמעויות שיש להם, ולא לאחרים.
אולי נוכל להתבונן רק במשמעויות התואמות את קיומנו, כי חַיִים יכול להיות שמקורו רק ביקום כזה. זה נקרא העיקרון האנתרופי.
לדוגמה, קבוע המבנה העדין, המסומן בדרך כלל באות "אלפא", מגדיר חוזק של אינטראקציות מגנטיות. הערך המספרי שלו הוא בערך 0.007297. אם המספרים היו שונים, ייתכן שלא היה חומר יציב ביקום שלנו.
ועדיין, פיזיקאים מתלבטים כיצד היקום עם פרמטרים פיזיקליים אחרים ישתנה. קיימים השערות, לפיה ערכי הקבועים הבסיסיים הם אקראיים ונקבעים על ידי תנודות ביקום המוקדם - רק קבוצה מסוימת של מספרים. הנחה זו מרמזת שיש הרבה יקומים עם ערכים שונים של הקבועים. ואנחנו פשוט ברי מזל להיות במקום שבו הערכים האלה מתאימים ביותר להתפתחות החיים.
5. מה קורה בחורים שחורים
חורים שחורים אלו אזורים בחלל החיצון עם כוח משיכה חזק להפליא. מעבר לחור השחור, מה שנקרא אופק האירועים, כוח המשיכה הוא כל כך חזק ששום חומר, אפילו לא אור, יכול לברוח.
ממש במרכזו של חור שחור, מאמינים הפיזיקאים, ישנה ייחוד – נקודה בעלת צפיפות אינסופית ושדה כבידה חזק לאין שיעור. אבל מה זה, איך זה עשוי להיראות ואיך בדיוק זה עובד, שום תיאוריה לא יכולה להסביר.
יש מדענים אפילו לְהַצִיעַשהסינגולריות אולי אינה נקודה, אבל עשויה להיות בעלת צורות שונות - זה נכון לגבי חורים שחורים מסתובבים. מה שנקרא החור השחור של קר, עצם היפותטי שתואר על ידי המתמטיקאי והאסטרופיזיקאי רוי קר, הוא בעל ייחוד טבעתי. אפילו יהיה אפשר לעוף דרך חור כזה ולשרוד. בתיאוריה.
אבל כדי לתאר במדויק את התהליכים הפיזיקליים בתוך הסינגולריות, יש צורך בתיאוריה מאוחדת כוח משיכה ומכניקת הקוונטים, שטרם פותחה.
6. מדוע יש כל כך מעט אנטי-חומר ביקום?
בחומר רגיל, לחלקיקים אלמנטריים, כמו אלקטרונים ופרוטונים, יש מטען שלילי וחיובי, בהתאמה. באנטי-חומר, המטענים הללו הופכים: אנטי-אלקטרונים (הנקראים גם פוזיטרונים) טעונים חיובית, ואילו אנטי-פרוטונים טעונים שלילי.
אנטי חומר יש ל אותן תכונות פיזיקליות כמו זה הרגיל, כולל המסה, הספין ומאפיינים אחרים של החלקיקים. אבל כאשר אנטי-חלקיק פוגש חלק רגיל מקביל, הם יכולים להשמיד זה את זה, ולהפוך לאנרגיה טהורה.
ליטר של אנטי מימן כלשהו, כאשר הוא בא במגע עם אוויר, יריח כמו פצצת אטום.
כמה טוב זה הכמות המקסימלית של אנטי מימן שהם הצליחו לסנתז מדענים בכל פעם - 309 אטומים.
תצפיות אסטרונומיות הופעהשהיקום ואפילו הרחוק ביותר כוכבים וגלקסיות עשויות מחומר, ויש בו מעט מאוד אנטי-חומר. ההבדל הזה בין מספר הבריון (חלקיקים המורכבים משלושה קווארקים) לאנטי-בריונים (אנטי-חלקיקים המורכבים משלושה אנטי-קווארקים) ביקום שלנו נקרא אסימטריה באריונים.
אם היקום היה סימטרי לחלוטין, אז מספר הבריון והאנטיבאריונים היה צריך להיות שווה, והיינו צופים בגלקסיות שלמות של אנטי-חומר. עם זאת, במציאות, הכל עשוי מבאריונים, ואנטי-בריונים צריכים להיות מסונתזים במאיצי חלקיקים לא רק על ידי כפית, אלא על ידי אטום. לכן, אנטי-חומר הוא הכי הרבה דבר יקר בעולם.
לפי המודל הסטנדרטי של חלקיקים יסודיים, מיד לאחר המפץ הגדול, היה צריך להיות מספר שווה של קווארקים ואנטי-קווארקים ביקום. עם זאת, משהו קרה, מה בדיוק לא ברור, אבל כמעט כל האנטיבריונים הושמד, והחומר נוצר מהבריונים הנותרים. זה, למעשה, מה שהיקום מורכב ממנו. וגם אתה, אגב. ומדענים שעדיין לא מצליחים להבין מדוע יש כל כך מעט אנטי-חומר בחלל.
7. האם השואב יציב?
ואקום הוא חלל עם האנרגיה הכי נמוכה שאפשר, אבל בניגוד לשמו, הוא לא ריק לגמרי. הוא עדיין מכיל שדות קוונטיים שקובעים את התנהגותם של חלקיקים יסודיים. מדענים לְהֶאֱמִיןשהוואקום האמיתי, או הפיזי, שאנו מכירים הוא המצב היציב ביותר ביקום, שכן הוא נחשב למינימום האנרגיה העולמי.
עם זאת, בתיאוריה קיימת אפשרות שמצב הוואקום הפיזי הוא תצורה של שדות קוונטיים, שהיא רק מינימום אנרגיה מקומי ולא גלובלי. כלומר, הוואקום שאנו יכולים לצפות בחלל העמוק או ליצור במעבדה הוא "שקרי". אז, יכול להיות "אמת".
ואם קיים ואקום "אמיתי", אנחנו בבעיה גדולה.
אם נניח שהיקום שלנו נמצא במצב של ואקום לא "נכון", אלא "שקרי", אז תהליך ההתפרקות שלו למצב יציב יותר הופך לאפשרי. ההשלכות של תהליך כזה יכולות להיות הכי הרבה מפחיד ולהשתנות משינויים עדינים בפרמטרים קוסמולוגיים התלויים בהבדל הפוטנציאלי בין ואקום "שקרי" ל"אמיתי", עד להפסקה מוחלטת של תפקודם של חלקיקים יסודיים ובסיסיים. כוחות.
אם איפשהו בחלל מופיעה בועה של ואקום "אמיתי", זה יכול להוביל להרס מוחלט של חומר בריוני או אפילו להתמוטטות כבידתית מיידית של היקום.
בקיצור, נקווה שהשואב שלנו הוא הכי אמין בעולם. מה עוד נשאר?
8. מה יהיה סופו של היקום
ומכיוון שאנו מדברים על סוגיות גלובליות מרגשות כמו קריסת הכבידה של היקום: פיזיקאים חיברו רשימה הדברים המעניינים ביותר שיכולים לקרות לחלל בעתיד, אבל לעולם אל תחליט איזה תרחיש הוא הסביר ביותר.
לפי תיאוריית המפץ הגדול, היקום עלה לפני כ-13.8 מיליארד שנים ממצב צפוף וחם שנקרא סינגולריות, ומאז הכל גדל ומתקרר. תיאוריה זו מסבירה היטב מספר תופעות שנצפו, כגון קרינת הרקע הקוסמית וההתפשטות עוֹלָם. אבל מה יקרה אחר כך? בחר מה שאתה הכי אוהב:
- מוות בחום. בתוך הקונספט הזה אמורשעם הזמן היקום יהפוך להיות יותר ויותר קר ואחיד. האנרגיה בו תמות, כל התהליכים, כמו היווצרות כוכבים ותנועה תרמית, יואטו וייעצרו. זה יוביל למצב של אנטרופיה מקסימלית, כאשר כל החלקיקים יהיו במצב של שיווי משקל ולא יהיו אירועים נוספים ביקום אפשריים.
- פער גדול. עוֹלָם ימשיך לְהַרְחִיב. המשמעות היא שגלקסיות וחפצי חלל אחרים יתרחקו זה מזה יותר ויותר. אם שום דבר לא ישתנה, בעתיד הרחוק, כוחות הכבידה כבר לא יהיו חזקים מספיק כדי לעמוד בפני לחץ האנרגיה האפלה. זה יוביל לכך שבכל רמות המבנה ביקום, כולל גלקסיות, כוכבים ואטומים, יהיה כוח העולה על כוח המשיכה שלהם. כתוצאה מכך, כל העצמים ישברו בהדרגה לחלקיקים נפרדים.
- לחיצה גדולה. לפי תרחיש זה, התפשטות היקום, שנגרמה על ידי המפץ הגדול, האט ובסופו של דבר מתהפך. כוח המשיכה בין גלקסיות, כוכבים וכוכבי לכת יהפוך לכוח הדומיננטי. המרחק ביניהם ימשיך להצטמצם עד שהיקום יקרוס בחזרה ליחידות, שבה הצפיפות והטמפרטורה הופכות גבוהות לאין שיעור. ויש לא רחוק מהמפץ הגדול החדש.
אבל איזה סוג של גורל מחכה לו מֶרחָב, עדיין לא ברור. אנא המתן עוד כמה אלפי ספטיליון שנים.
קרא גם🧐
- האסטרופיזיקאי בוריס שטרן: 3 הידע המדהים ביותר על היקום שקיבלנו במאה ה-21
- ג'וקר, מורד וחתן פרס נובל: מה היו חייו של הפיזיקאי הסובייטי לב לנדאו
- האם זה נכון שהיקום מורכב מדי ואין טעם לחקור אותו: אסטרופיזיקאי מפזר מיתוסים פופולריים