8 крупнейших тайн физики, которые до сих пор не разгаданы

1. Почему время течёт только вперёд

В физике существует понятие «стрела (или ось) времени». Оно описывает течение времени от прошлого к будущему. И есть множество подтверждений тому, что время предпочитает определённое направление.

Согласно второму закону термодинамики, в изолированной системе энтропия (мера беспорядка) со временем будет возрастать. Это означает, что процессы в природе обычно протекают в направлении, где энергия распределяется более равномерно и система становится более беспорядочной.

Например, когда мы ломаем яйцо, само собой оно не восстанавливается. Нельзя повернуть время назад и сделать всё как было. Энтропия беспощадна.

Кроме того, согласно общей теории относительности, с течением времени Вселенная расширяется. Наблюдения показывают, что она прошла через состояние высокой плотности и низкой энтропии в прошлом (это событие мы называем «Большой взрыв») и движется к будущему состоянию высокой энтропии.

В общем, несложно заметить, что время необратимо и всегда движется в одну сторону. И учёные никак не возьмут в толк, почему это так. И возможно ли, чтобы время текло ещё и назад.

2. Что такое тёмная энергия

Вселенная расширяется. Она это делает прямо как воздушный шарик, только быстрее скорости света.

В 1990‑х годах астрономы обнаружили, что расширение Вселенной со временем только набирает скорость, а не замедляется под воздействием гравитации, как должно было бы быть по идее. Это наблюдение привело к предположению, что существует некая форма энергии, которая противодействует гравитации и способствует ускоренному расширению Вселенной.

Тёмная энергия предположительно заполняет всю пространственно‑временную структуру Вселенной и является основным компонентом её энергетического содержимого. Но её нельзя непосредственно наблюдать или измерять.

74% нашей Вселенной — тёмная энергия, 22% — тёмная материя, 3,6% — межгалактический газ и ещё 0,4% — банальные, никому не интересные звёзды, планеты и прочая мелочовка.

Почему расклад именно такой, непонятно.

Сама природа тёмной энергии также остаётся загадкой для науки. Существуют различные теории, которые пытаются объяснить её происхождение, включая концепции квантового вакуума и космологической постоянной.

Между тем тёмная энергия имеет огромное значение для понимания фундаментальных свойств Вселенной и её будущей судьбы. От неё зависит, будет ли расширение Вселенной продолжаться бесконечно, замедлится или вовсе обратится вспять в будущем.

3. Что такое тёмная материя

Тёмной называют гипотетическую форму материи, которая не взаимодействует с электромагнитным излучением и, следовательно, не излучает, не поглощает и не отражает свет. Её нельзя обнаружить нашими обычными инструментами и приборами, поэтому она так называется.

Но есть много доказательств существования тёмной материи во Вселенной. Они основаны на гравитационном влиянии, которое она оказывает на видимые объекты.

Тёмная материя хоть и невидима, но влияет на движение звёзд, галактик и галактических скоплений.

Астрономические исследования показывают, что эти объекты движутся так, как если бы на них воздействовала дополнительная масса, и это нельзя объяснить тем количеством вещества, которое мы наблюдаем. Стало быть, тёмная материя удерживает галактики и другие гигантские структуры вместе под действием своей гравитационной силы.

В общем, физики никак не возьмут в толк, что такое тёмная материя, из каких частиц она состоит, каковы её свойства и существует ли она вообще. Может, наблюдаемое поведение звёзд и галактик ни с какой материей не связано и это просто странности гравитации. Наука пока ещё не разобралась.

4. Почему фундаментальные константы именно такие

Фундаментальные константы — это числовые значения, которые характеризуют физические свойства и взаимодействия во Вселенной. Они являются базовыми и не зависят от конкретных систем единиц измерения.

Константы определяют основные свойства и законы природы, оказывая влияние на структуру и развитие мироздания в целом. Всего этих чисел около 25. Среди них:

• Скорость света в вакууме (c) — определяет максимальную скорость, с которой информация или взаимодействия могут распространяться во Вселенной.
• Постоянная Планка (h), или квант действия, — определяет соотношение между энергией и частотой частиц и волн, проводя границу между макромиром, где действуют законы механики Ньютона, и микромиром, где вступают в силу законы квантовой механики.
• Постоянная гравитации (G) — определяет силу гравитационного взаимодействия между массами и влияет на структуру и движение объектов во Вселенной.
• Масса электрона (mₑ).
• Элементарный заряд (e).
• Космологическая постоянная (Λ), которую тоже относят к фундаментальным.

И учёные никак не могут понять, почему все эти числа имеют именно такие значения, какие имеют, а не другие.

Возможно, мы способны наблюдать лишь те значения, которые совместимы с нашим существованием, поскольку жизнь могла зародиться только в такой Вселенной. Это называется антропным принципом.

Например, постоянная тонкой структуры, которая обычно обозначается буквой «альфа», определяет силу магнитных взаимодействий. Её числовое значение равно примерно 0,007297. Если бы циферки были другими, в нашей Вселенной могло бы и не быть стабильной материи.

И всё равно физики ломают голову, как бы изменилась Вселенная с другими физическими параметрами. Существуют гипотезы, согласно которым значения фундаментальных констант являются случайными и определяются флуктуациями в ранней Вселенной — просто какой‑то набор чисел. Это предположение подразумевает, что существует множество Вселенных с разными значениями констант. А нам просто повезло находиться именно в той, где эти значения лучше всего подходят для развития жизни.

5. Что творится в чёрных дырах

Чёрные дыры — это области космического пространства с невероятно сильной гравитацией. За границей чёрной дыры, так называемым горизонтом событий, гравитационное притяжение настолько сильно, что никакая материя и даже свет не могут оттуда выбраться.

В самом центре чёрной дыры, как полагают физики, находится сингулярность — точка с бесконечной плотностью и бесконечно сильным гравитационным полем. Но что это такое, как оно может выглядеть и как в точности работает, ни одна теория объяснить не в состоянии.

Некоторые учёные даже предполагают, что сингулярность может быть не точкой, а иметь разные формы — это справедливо для вращающихся чёрных дыр. В так называемой чёрной дыре Керра — гипотетическом объекте, описанном математиком и астрофизиком Роем Керром, — сингулярность кольцеобразная. Такую дыру можно будет даже пролететь насквозь и уцелеть. В теории.

Но для точного описания физических процессов внутри сингулярности необходима объединённая теория гравитации и квантовой механики, которую пока разработать не удалось.

6. Почему во Вселенной так мало антиматерии

В обычной материи элементарные частицы, такие как электроны и протоны, имеют отрицательный и положительный заряды соответственно. В антиматерии эти заряды инвертированы: антиэлектроны (их также называют позитронами) имеют положительный заряд, а антипротоны — отрицательный.

Антиматерия обладает такими же физическими свойствами, как и обычная, включая массу, спин и другие характеристики частиц. Но когда античастица встречается с соответствующей обычной, они могут аннигилировать друг друга, превращаясь в чистую энергию.

Литр какого‑нибудь антиводорода при контакте с воздухом бахнет, как атомная бомба.

Как же хорошо, что максимальное количество антиводорода, которое умудрились синтезировать учёные за раз, — 309 атомов.

Астрономические наблюдения показывают, что Вселенная и даже самые далёкие звёзды и галактики состоят из материи, и антивещества в ней очень мало. Это различие между количеством барионов (частиц, состоящих из трёх кварков) и антибарионов (античастиц, состоящих из трёх антикварков) в нашей Вселенной называется барионной асимметрией.

Если бы Вселенная была полностью симметричной, то количество барионов и антибарионов должно было бы быть равным, и мы наблюдали бы целые галактики из антиматерии. Однако в реальности из барионов сделано всё подряд, а антибарионы приходится на ускорителях частиц синтезировать не то что по чайной ложке, а по атому. Поэтому антивещество — самая дорогая штука в мире.

Согласно стандартной модели элементарных частиц, сразу после Большого взрыва во Вселенной должно было быть равное количество кварков и антикварков. Однако что‑то случилось, что именно — непонятно, но антибарионы почти все аннигилировали, а из оставшихся барионов образовалось вещество. Из него, собственно, и состоит Вселенная. И вы, кстати, тоже. И учёные, которые всё никак не поймут, почему в космосе так мало антивещества.

7. Стабилен ли вакуум

Вакуум — это пространство с минимально возможной энергией, но, вопреки своему названию, оно не является полностью пустым. В нём всё ещё присутствуют квантовые поля, которые определяют поведение элементарных частиц. Учёные полагают, что истинный, или физический, вакуум, который мы знаем, является наиболее стабильным состоянием во Вселенной, так как он считается глобальным минимумом энергии.

Однако в теории существует возможность, что состояние физического вакуума представляет собой конфигурацию квантовых полей, которая является лишь локальным, а не глобальным минимумом энергии. То есть вакуум, который мы можем наблюдать в глубоком космосе или создавать в лаборатории, — «ложный». А значит, может существовать и «истинный».

И если «истинный» вакуум существует, у нас большие проблемы.

Если предположить, что наша Вселенная находится в состоянии не «истинного», а «ложного» вакуума, то становится возможен процесс его распада до более стабильного состояния. Последствия такого процесса могут быть самыми ужасающими и варьироваться от едва заметных изменений космологических параметров, которые зависят от разности потенциалов между «ложным» и «истинным» вакуумом, до полного прекращения функционирования элементарных частиц и фундаментальных сил.

Если где‑нибудь в космосе появится пузырь «настоящего» вакуума, это может привести к полному разрушению барионного вещества или даже мгновенному гравитационному коллапсу Вселенной.

Короче, будем надеяться, что наш вакуум — самый надёжный в мире. А что ещё остаётся?

8. Каким будет конец Вселенной

И раз уж мы заговорили о таких волнующих глобальных вопросах, как гравитационный коллапс Вселенной: физики составили список самых интересных вещей, которые могут случиться с космосом в будущем, но никак не решат, какой сценарий наиболее вероятный.

Согласно теории Большого взрыва, Вселенная возникла около 13,8 млрд лет назад из плотного и горячего состояния, называемого сингулярностью, и с тех пор всё растёт и остывает. Эта теория хорошо объясняет ряд наблюдаемых феноменов, таких как реликтовое фоновое излучение космоса и расширение Вселенной. Но что будет дальше? Выбирайте, что вам больше нравится:

• Тепловая смерть. В рамках этой концепции предполагается, что со временем Вселенная будет становиться всё более и более холодной и равномерной. Энергия в ней будет исчерпываться, все процессы, такие как образование звёзд и тепловое движение, замедлятся и прекратятся. Это приведёт к состоянию максимальной энтропии, когда все частицы будут находиться в состоянии равновесия и никакие события во Вселенной больше не будут возможны.
• Большой разрыв. Вселенная продолжит расширяться. Это означает, что галактики и другие космические объекты будут всё быстрее отдаляться друг от друга. Если ничего не изменится, в далёком будущем гравитационные силы перестанут быть достаточно сильными для того, чтобы противостоять давлению тёмной энергии. Это приведёт к тому, что на всех уровнях структуры внутри Вселенной, включая галактики, звёзды и атомы, будет действовать сила, превосходящая их собственную силу притяжения. В итоге все объекты будут постепенно разорваны на отдельные частицы.
• Большое сжатие. Согласно этому сценарию расширение Вселенной, вызванное Большим взрывом, замедлится и в конечном счёте перейдёт в обратное движение. Гравитационное притяжение между галактиками, звёздами и планетами станет преобладающей силой. Расстояние между ними будет всё уменьшаться, пока Вселенная не сожмётся обратно в сингулярность, где плотность и температура становятся бесконечно высокими. А там и до нового Большого взрыва недалеко.

Но какая именно судьба ждёт космос, пока что неясно. Подождите, пожалуйста, ещё несколько тысяч септиллиардов лет.