7 самых больших вопросов в физике, на которые нет ответа

Физики решили некоторые из самых больших загадок Вселенной. Но они еще не закончили.

Если бы Исаак Ньютон внезапно выскочил из машины времени, он был бы рад увидеть, как далеко продвинулась физика. Вещи, которые были глубоко таинственными несколько столетий назад, теперь преподаются на уроках физики для первокурсников (состав звезд — один из лучших примеров).

Ньютон был бы ошеломлен, увидев огромные эксперименты, такие как большой адронный коллайдер в Швейцарии — и, возможно, возмущен, узнав, что его теория гравитации была заменена другой, выдуманной каким-то парнем по имени Эйнштейн. Квантовая механика, вероятно, поразила бы его своей странностью, хотя сегодняшние ученые чувствуют то же самое.

Но как только Ньютон наберет скорость, он, несомненно, будет аплодировать тому, чего достигла современная физика — от открытия природы света в 19 веке до определения структуры атома в 20 веке и открытия гравитационных волн в прошлом году. И все же физики сегодня первыми признают, что у них нет ответов на все вопросы.

”Есть основные факты о Вселенной, о которых мы не знаем»

,-говорит доктор Даниэль Уайтсон, физик из Калифорнийского университета и соавтор новой книги «О чем мы не имеем понятия: руководство к неизвестной Вселенной.»

Далее следует краткий обзор семи крупнейших нерешенных проблем физики.

1. ИЗ ЧЕГО СОСТОИТ МАТЕРИЯ?

Мы знаем, что материя состоит из атомов, а атомы состоят из протонов, нейтронов и электронов. И мы знаем, что протоны и нейтроны состоят из более мелких частиц, известных как кварки. Можем ли мы еще глубже раскрыть мир фундаментальных частиц? Мы не знаем наверняка.

У нас есть то, что называется стандартной моделью физики частиц, которая очень хорошо объясняет взаимодействие между субатомными частицами. Стандартная модель также использовалась для прогнозирования существования ранее неизвестных частиц. Последней частицей, найденной таким образом, был бозон Хиггса, который обнаружили в 2012 году исследователи.

Но есть одна загвоздка.

«Стандартная модель не объясняет всего”

, — говорит доктор Дон Линкольн, физик частиц в Национальной Ускорительной лаборатории Ферми (Fermilab) недалеко от Чикаго.

“Она не объясняет, почему существует бозон Хиггса. Она не объясняет подробно, почему бозон Хиггса имеет такую массу, какую он имеет. На самом деле, Хиггс оказался намного менее массивным, чем предсказывалось — теория утверждала, что он будет примерно в квадриллион раз тяжелее, чем на самом деле весит»

Тайны на этом не заканчиваются. Известно, что атомы — электрически нейтральны — положительный заряд протонов нейтрализуется отрицательным зарядом электронов — но почему это так, говорит Линкольн, “никто не знает.”

2. ПОЧЕМУ ГРАВИТАЦИЯ ТАКАЯ СТРАННАЯ?

Никакая сила не является нам более знакомой, чем гравитация — это то, что держит наши ноги на земле, в конце концов. Теория относительности Эйнштейна дает математическую формулировку для гравитации, описывая ее как “деформацию” пространства. Но гравитация в триллион триллионов триллионов раз слабее, чем три другие известные силы (электромагнетизм и два вида ядерных сил, которые действуют на крошечных расстояниях).

Одна из возможностей — спекулятивная на данный момент — заключается в том, что в дополнение к трем измерениям пространства, которые мы замечаем каждый день, есть скрытые дополнительные измерения, возможно, “свернутые” таким образом, что их невозможно обнаружить. Если эти дополнительные измерения существуют — и если гравитация способна «просачиваться» в них — это может объяснить, почему гравитация кажется нам такой слабой.

”Возможно, гравитация так же сильна, как и другие силы, но она быстро разбавляется, разливаясь в другие невидимые измерения»

, — говорит Уайтсон. Некоторые физики надеялись, что эксперименты на Коллайдере дадут намек на эти дополнительные измерения — но пока нам не везет.

3. ПОЧЕМУ ВРЕМЯ ТЕЧЕТ ТОЛЬКО В ОДНОМ НАПРАВЛЕНИИ?

Со времен Эйнштейна физики считали, что пространство и время образуют четырехмерную структуру, известную как «пространство-время». Но пространство отличается от времени очень фундаментально. В космосе мы можем передвигаться так, как хотим. Когда дело доходит до времени, мы застреваем. Мы становимся старше, а не моложе. И мы помним прошлое, но не будущее. Время, в отличие от пространства, кажется, имеет предпочтительное направление -физики называют его «стрелкой времени».”

Некоторые физики подозревают, что второй закон термодинамики дает ключ к решению этого вопроса. В нем говорится, что энтропия физической системы (грубо говоря, количество беспорядка) поднимается с течением времени, и физики думают, что это увеличение дает времени его направление. (Например, у разбитой чайной чашки энтропия больше, чем у неповрежденной — и, конечно же, разбитые чашки всегда возникают после неповрежденных, а не раньше.)

Энтропия может расти сейчас, потому что раньше она была ниже, но почему она была низкой? Была ли энтропия Вселенной необычно низкой 14 миллиардов лет назад, когда большой взрыв привел ее к существованию?

Для некоторых физиков, включая Шона Кэрролла из Калифорнийского технологического института, это недостающая часть головоломки.

“Если вы можете сказать мне, почему ранняя Вселенная имела низкую энтропию, тогда я смогу объяснить все остальное»

, — говорит он.

Согласно словам Уайтсона, энтропией проблема не исчерпывается.

“Для меня, — говорит он, — самая глубокая часть вопроса, почему время так отличается от пространства?»

4. КУДА ДЕЛАСЬ ВСЯ АНТИМАТЕРИЯ?

Антиматерия известна более по художественной литературе, чем по реальной жизни. В оригинальном Star Trek антивещество реагирует с обычным веществом для варп-двигателя, который движет U. S. S. Enterprise со скоростью, превышающей скорость света. В то время как варп-двигатель-чистая фантастика, антиматерия очень реальна. Мы знаем, что для каждой частицы обычной материи возможна идентичная частица с противоположным электрическим зарядом. Антипротон, например, — это как Протон, но с отрицательным зарядом. Античастица, соответствующая отрицательно заряженному электрону, между тем, является положительно заряженным позитроном.

Физики создали антиматерию в лаборатории. Но когда они это делают, они создают равное количество материи. Это предполагает, что большой взрыв создал материю и антиматерию в равных количествах. Тем не менее, почти все, что мы видим вокруг себя, от земли под ногами до самых отдаленных галактик, состоит из обычной материи.

Что здесь происходит? Почему материи больше, чем антиматерии? Мы предполагаем, что Большой взрыв каким-то образом произвел немного больше вещества, чем антиматерии.

”То, что должно было произойти в начале истории Вселенной — в самые первые моменты после большого взрыва, — это то, что на каждые 10 миллиардов частиц антиматерии должно было приходиться 10 миллиардов и одна частица материи»

, — говорит Линкольн.

«Но материя и антиматерия уничтожили 10 миллиардов, оставив одну. И этот маленький «один» — это масса, которая составляет нас.”

Но почему вначале должен был быть небольшой избыток вещества над антивеществом?

”Мы действительно этого не понимаем»

, — говорит Линкольн.

“Это довольно странно.”

Если первоначальное количество материи и антиматерии было бы равным, они бы полностью уничтожили друг друга. В этом случае, говорит Линкольн, “мы бы не существовали.”

Некоторые ответы могут появиться, когда эксперимент с глубоким подземным нейтрино (DUNE) начнет собирать данные в 2026 году. DUNE проанализирует пучок нейтрино-крошечных, заряженных и почти безмассовых частиц, запущенных из Фермилаб в подземный исследовательский центр Сэнфорда в Южной Дакоте, находящийся от него примерно в 800 милях.

Луч будет включать нейтрино и антинейтрино, с целью увидеть, ведут ли они себя таким же образом — потенциально давая ключ к загадке асимметрии материи-антиматерии природы.

5. ЧТО ПРОИСХОДИТ В СЕРОЙ ЗОНЕ МЕЖДУ ТВЕРДЫМ И ЖИДКИМ?

Твердые тела и жидкости хорошо понятны. Но некоторые материалы действуют и как жидкость и как твердое тело, что делает их поведение труднопредсказуемым. Песок является одним из таких примеров. Песчинка тверда, как камень, но миллион зерен может течь через воронку почти как вода. И движение хайвея может поступать подобным образом, пропуская свободно до тех пор пока оно не будет перегорожено на некотором узком участке.

Таким образом, лучшее понимание этой “серой зоны” может иметь важное практическое применение.

«Люди спрашивают, при каких условиях вся система заклинивает или забивается?»

, -говорит доктор Керстин Нордстром, физик из колледжа Маунт Холиок.

“Каковы критические параметры, чтобы избежать засорения?

Как ни странно, препятствие в потоке трафика может, при определенных условиях, фактически уменьшить пробки.

«Это очень парадоксально”

, -заключает она

6. МОЖЕМ ЛИ МЫ НАЙТИ ЕДИНУЮ ТЕОРИЮ ФИЗИКИ?

Теперь у нас есть две всеобъемлющие теории, объясняющие почти все физические явления: теория гравитации Эйнштейна (Общая теория относительности) и квантовая механика. Первая хорошо объясняет движение всего, от мячей для гольфа до галактик. Квантовая механика также впечатляет в своей области — области атомов и субатомных частиц.

Проблема заключается в том, что две теории описывают наш мир в совершенно разных терминах. В квантовой механике события разворачиваются на фиксированном фоне пространства-времени — в то время как в общей теории относительности само пространство-время — гибко. Как бы выглядела квантовая теория искривленного пространства-времени? Мы не знаем, говорит Кэрролл.

“Мы даже не знаем, что мы пытаемся квантовать.”

Это не остановило людей от попыток. В течение десятилетий теория струн, которая описывает материю как состоящую из крошечных вибрирующих струн или петель энергии, рекламировалась как лучший выбор для создания единой теории физики. Но некоторые физики предпочитают петлевую квантовую гравитацию, в которой само пространство представляется состоящим из крошечных петель.

Каждый подход пользовался успехом — методы, разработанные теоретиками струн, в частности, оказались полезными для решения некоторых сложных физических задач. Но ни теория струн, ни петлевая квантовая гравитация не были проверены экспериментально. Сегодня, долгожданная “Теория всего”, продолжает ускользать от нас.

7. КАК ЖИЗНЬ ЭВОЛЮЦИОНИРОВАЛА ИЗ НЕЖИВОЙ МАТЕРИИ?

Первые полмиллиарда лет земля была безжизненной. Потом жизнь взяла свое, и она процветала до сегодняшнего дня. Но как возникла жизнь? Ученые считают, что прежде чем началась биологическая эволюция, происходила химическая эволюция, с простыми неорганическими молекулами, реагирующими на образование сложных органических молекул, скорее всего, в океанах. Но что дало толчок этому процессу в первую очередь?

Физик Массачусетского технологического института доктор Джереми Ингланд недавно выдвинул теорию, которая пытается объяснить происхождение жизни с точки зрения фундаментальных принципов физики. С этой точки зрения, жизнь является неизбежным результатом роста энтропии. Если теория верна, приход жизни «должен быть таким же неудивительным, как камни, катящиеся под гору”, — сказал Ингланд журналу Quanta в 2014 году.

Идея весьма умозрительная. Однако недавние компьютерные симуляции могут оказать ему поддержку. Моделирование показывает, что обычные химические реакции (подобные тем, которые были бы распространены на новообразованной Земле) могут привести к созданию высокоструктурированных соединений — возможно, важнейшей ступеньке на пути к живым организмам.

Почему физикам так трудно исследовать природу? Все живое “далеко от равновесия”, как выразился бы физик. В системе, находящейся в равновесии, один компонент в значительной степени похож на любой другой, без движения энергии внутрь или наружу. (Например, скала или коробка, полная газа.) Жизнь — это нечто противположное. Например, растение поглощает солнечный свет и использует свою энергию для создания сложных молекул сахара, излучая тепло обратно в окружающую среду.

Понимание этих сложных систем “является большой нерешенной проблемой в физике», говорит Стивен Моррис, физик из Университета Торонто.