أكبر 8 ألغاز في الفيزياء لم تحل بعد

1. لماذا يتدفق الوقت فقط إلى الأمام

في الفيزياء ، هناك مفهوم "سهم (أو محور) الوقت". يصف تدفق الوقت من الماضي إلى المستقبل. وهناك الكثير من الأدلة على أن الوقت يفضل اتجاهًا معينًا.

وفقًا للقانون الثاني للديناميكا الحرارية ، في نظام معزول ، ستزداد الإنتروبيا (مقياس للاضطراب) بمرور الوقت. هذا وسائلعادة ما تسير هذه العمليات في الطبيعة في اتجاه يتم فيه توزيع الطاقة بشكل متساوٍ ويصبح النظام أكثر اضطرابًا.

على سبيل المثال ، عندما نكسر بيضة ، فإنها لا تتجدد من تلقاء نفسها. لا يمكنك العودة بالزمن إلى الوراء والقيام بالأشياء بالطريقة التي كانت عليها. الانتروبيا بلا رحمة.

بالإضافة إلى ذلك ، وفقًا للنظرية النسبية العامة ، الكون بمرور الوقت يتوسع. تظهر الملاحظات أنه قد مر بحالة من الكثافة العالية والانتروبيا المنخفضة في الماضي (هذا الحدث نسميه "الانفجار الكبير") ويتجه نحو حالة مستقبلية عالية من الانتروبيا.

بشكل عام ، من السهل رؤية أن الوقت لا رجوع فيه ودائمًا يتحرك في اتجاه واحد. ولن يفهم العلماء أبدًا سبب ذلك. وهل من الممكن أن يتدفق الوقت إلى الوراء أيضًا؟

2. ما هي الطاقة المظلمة

الكون يتوسع. إنها تفعل ذلك تمامًا مثل البالون ، فقط أسرع من سرعة الضوء.

في التسعينيات ، علماء الفلك اكتشفأن تمدد الكون لا يزيد سرعته إلا بمرور الوقت ، ولا يتباطأ تحت تأثير الجاذبية ، كما ينبغي أن يكون من الناحية النظرية. أدت هذه الملاحظة إلى اقتراح أن هناك شكلاً من أشكال الطاقة يعارض الجاذبية ويساهم في التوسع المتسارع للكون.

يفترض الطاقة المظلمة يملأ الهيكل الكامل للزمان والمكان للكون وهو المكون الرئيسي لمحتواه من الطاقة. لكن لا يمكن ملاحظتها أو قياسها بشكل مباشر.

74٪ من الكون عبارة عن طاقة مظلمة ، و 22٪ مادة مظلمة ، و 3.6٪ غاز بين المجرات ، و 0.4٪ أخرى عبارة عن نجوم عادية وكواكب وأشياء صغيرة أخرى رتيبة.

لماذا المحاذاة بهذه الطريقة ليست واضحة.

إن طبيعة الطاقة المظلمة هي أيضًا بقايا لغز للعلم. هناك العديد النظرياتالذين يحاولون شرح أصله ، بما في ذلك مفاهيم الفراغ الكمومي والثابت الكوني.

وفي الوقت نفسه ، تعتبر الطاقة المظلمة ذات أهمية كبيرة لفهم الخصائص الأساسية للكون ومصيره في المستقبل. يعتمد الأمر على ما إذا كان توسع الكون سيستمر إلى أجل غير مسمى ، أو يتباطأ أو حتى ينعكس في المستقبل.

3. ما هي المادة المظلمة

الظلام هو شكل افتراضي للمادة لا يتفاعل مع الإشعاع الكهرومغناطيسي وبالتالي لا ينبعث أو يمتص أو يعكس الضوء. لا يمكن اكتشافه بأدواتنا العادية ، وهذا هو سبب تسميته بذلك.

لكن هناك الكثير شهادة وجود المادة المظلمة في الكون. وهي تستند إلى تأثير الجاذبية على الأشياء المرئية.

تؤثر المادة المظلمة ، على الرغم من كونها غير مرئية ، على حركة النجوم والمجرات والعناقيد المجرية.

البحث الفلكي يعرضأن هذه الأشياء تتحرك كما لو أنها تأثرت بكتلة إضافية ، ولا يمكن تفسير ذلك بكمية المادة التي نلاحظها. لذلك ، فإن المادة المظلمة تحافظ على المجرات وغيرها من الهياكل العملاقة معًا تحت تأثير قوة الجاذبية.

بشكل عام ، لن يفهم الفيزيائيون ماهية المادة المظلمة ، وما هي الجسيمات التي تتكون منها ، وما هي خصائصها ، وما إذا كانت موجودة أصلاً. ربما لا يرتبط السلوك المرصود للنجوم والمجرات بأي مادة وهو مجرد شذوذ في الجاذبية. لم يكتشف العلم ذلك بعد.

4. لماذا الثوابت الأساسية على ما هي عليه؟

الثوابت الأساسية هي قيم عددية تميز الخصائص الفيزيائية والتفاعلات في الكون. إنها أساسية ولا تعتمد على أنظمة محددة للوحدات.

تحدد الثوابت الخصائص الأساسية وقوانين الطبيعة ، مما يؤثر على هيكل وتطور الكون ككل. كل هذه الأرقام حوالي 25. فيما بينها:

• تحدد سرعة الضوء في الفراغ (ج) السرعة القصوى التي يمكن أن تنتشر بها المعلومات أو التفاعلات في الكون.
• ثابت بلانك (ح) ، أو كم الفعل ، - يحدد العلاقة بين الطاقة وتكرار الجسيمات والموجات ، وإجراء الحد الفاصل بين العالم الكبير ، حيث تنطبق قوانين ميكانيكا نيوتن ، والعالم المصغر ، حيث تدخل قوانين ميكانيكا الكم حيز التنفيذ. علم الميكانيكا.
• ثابت الجاذبية (G) - يحدد قوة تفاعل الجاذبية بين الكتل ويؤثر على بنية وحركة الأجسام في الكون.
• كتلة الإلكترون (mₑ).
• الشحنة الأولية (ه).
• الثابت الكوني (Λ) ، والذي يشار إليه أيضًا على أنه أساسي.

ولا يمكن للعلماء فهم سبب تحمل كل هذه الأرقام معانيها بالضبط وليس غيرها.

ربما يمكننا فقط ملاحظة المعاني التي تتوافق مع وجودنا ، لأن حياة يمكن أن تنشأ فقط في مثل هذا الكون. وهذا ما يسمى بالمبدأ الأنثروبي.

على سبيل المثال ، ثابت البنية الدقيقة ، والذي يُشار إليه عادةً بالحرف "alpha" ، يحدد قوة التفاعلات المغناطيسية. قيمتها العددية حوالي 0.007297. إذا كانت الأرقام مختلفة ، فقد لا تكون هناك مادة مستقرة في كوننا.

ومع ذلك ، لا يزال علماء الفيزياء في حيرة من أمرهم بشأن الكيفية التي سيتغير بها الكون بمعايير فيزيائية أخرى. يخرج الفرضيات، والتي وفقًا لها تكون قيم الثوابت الأساسية عشوائية ويتم تحديدها من خلال التقلبات في الكون المبكر - فقط مجموعة من الأرقام. هذا الافتراض يعني أن هناك العديد من الأكوان بقيم مختلفة من الثوابت. ونحن محظوظون لأن نكون في مكان تتناسب فيه هذه القيم بشكل أفضل مع تطور الحياة.

5. ماذا يحدث في الثقوب السوداء

الثقوب السوداء هذه مناطق من الفضاء الخارجي ذات جاذبية قوية بشكل لا يصدق. وراء الثقب الأسود ، ما يسمى بأفق الحدث ، تكون قوة الجاذبية قوية جدًا بحيث لا يمكن لأي مادة ، ولا حتى الضوء ، الهروب.

يعتقد الفيزيائيون أنه يوجد في مركز الثقب الأسود تفرد - نقطة ذات كثافة لا نهائية ومجال جاذبية قوي غير محدود. ولكن ما هي ، وكيف يمكن أن تبدو ، وكيف تعمل بالضبط ، لا يمكن لأي نظرية أن تشرح.

حتى أن بعض العلماء يفترضأن التفرد قد لا يكون نقطة ، ولكن قد يكون له أشكال مختلفة - وهذا صحيح بالنسبة للثقوب السوداء الدوارة. ما يسمى بثقب كير الأسود ، وهو كائن افتراضي وصفه عالم الرياضيات والفيزياء الفلكية روي كير ، له تفرد حلقي. سيكون من الممكن حتى أن تطير عبر هذه الفتحة وتبقى على قيد الحياة. نظريا.

ولكن لوصف العمليات الفيزيائية داخل التفرد بدقة ، هناك حاجة إلى نظرية موحدة جاذبية وميكانيكا الكم ، والتي لم يتم تطويرها بعد.

6. لماذا يوجد القليل جدًا من المادة المضادة في الكون؟

في المادة العادية ، الجسيمات الأولية ، مثل الإلكترونات والبروتونات ، لها شحنة سالبة وموجبة ، على التوالي. في المادة المضادة ، هذه الشحنات مقلوبة: الإلكترونات المضادة (تسمى أيضًا البوزيترونات) مشحونة إيجابًا ، بينما البروتونات المضادة مشحونة سالبة.

المادة المضادة لديه نفس الخصائص الفيزيائية مثل العادية ، بما في ذلك الكتلة والدوران والخصائص الأخرى للجسيمات. ولكن عندما يلتقي الجسيم المضاد بجسم عادي مناظر ، يمكن أن يبيد كل منهما الآخر ، ويتحول إلى طاقة نقية.

اللتر من نوع من الهيدروجين المضاد ، عندما يتلامس مع الهواء ، ستشتم رائحته مثل القنبلة الذرية.

كم هو جيد أن أقصى كمية من الهيدروجين المضاد تمكنوا من ذلك تركيب العلماء في وقت واحد - 309 ذرات.

الملاحظات الفلكية يعرضأن الكون وحتى الأبعد النجوم والمجرات مصنوعة من المادة ، ولا يوجد فيها سوى القليل من المادة المضادة. هذا الاختلاف بين عدد الباريونات (الجسيمات المكونة من ثلاثة كواركات) والمضادات (الجسيمات المضادة المكونة من ثلاثة كواركات مضادة) في كوننا يسمى عدم تناسق الباريون.

إذا كان الكون متماثلًا تمامًا ، فيجب أن يكون عدد الباريونات والمضادات متساويًا ، وسنلاحظ مجرات كاملة من المادة المضادة. ومع ذلك ، في الواقع ، كل شيء مصنوع من الباريونات ، ويجب تصنيع الباريونات المضادة في مسرعات الجسيمات ليس فقط بواسطة ملعقة صغيرة ، ولكن بواسطة ذرة. لذلك ، المادة المضادة هي الأكثر شيء باهظ الثمن فى العالم.

وفقًا للنموذج القياسي للجسيمات الأولية ، مباشرة بعد الانفجار العظيم ، كان يجب أن يكون هناك عدد متساوٍ من الكواركات والكواركات المضادة في الكون. ومع ذلك ، حدث شيء ما ، بالضبط ما هو غير واضح ، ولكن تقريبا جميع الباريونات المضادة أباد، وتشكلت المادة من الباريونات المتبقية. إنه ، في الواقع ، ما يتكون منه الكون. وبالمناسبة ، أنت أيضًا. والعلماء الذين ما زالوا غير قادرين على معرفة سبب وجود القليل من المادة المضادة في الفضاء.

7. هل الفراغ مستقر؟

الفراغ هو مكان به أقل طاقة ممكنة ، ولكنه على عكس اسمه ليس فارغًا تمامًا. لا يزال يحتوي على حقول كمومية تحدد سلوك الجسيمات الأولية. العلماء يعتقدأن الفراغ الحقيقي أو المادي الذي نعرفه هو الحالة الأكثر استقرارًا في الكون ، حيث يعتبر الحد الأدنى العالمي للطاقة.

ومع ذلك ، من الناحية النظرية ، هناك احتمال أن تكون حالة الفراغ الفيزيائي عبارة عن تكوين للحقول الكمية ، وهي مجرد حقل محلي ، وليس حدًا أدنى عالميًا للطاقة. وهذا يعني أن الفراغ الذي يمكن أن نلاحظه في الفضاء السحيق أو نخلقه في المختبر هو "خاطئ". لذلك ، يمكن أن يكون هناك "صحيح".

وإذا كان هناك فراغ "حقيقي" ، فإننا في ورطة كبيرة.

إذا افترضنا أن كوننا في حالة فراغ "غير حقيقي" ولكن "خاطئ" ، فإن عملية تحللها إلى حالة أكثر استقرارًا تصبح ممكنة. يمكن أن تكون عواقب مثل هذه العملية هي الأكثر مرعب وتتنوع من التغيرات الطفيفة في البارامترات الكونية التي تعتمد على فرق الجهد بين الفراغ "الكاذب" و "الحقيقي" ، حتى التوقف التام لعمل الجسيمات الأولية والأساسية القوات.

إذا ظهرت فقاعة من الفراغ "الحقيقي" في مكان ما في الفضاء ، فقد يؤدي ذلك إلى التدمير الكامل للمادة الباريونية أو حتى الانهيار الجاذبي الفوري للكون.

باختصار ، دعونا نأمل أن يكون فراغنا هو الأكثر موثوقية في العالم. ماذا بقي؟

8. ماذا ستكون نهاية الكون

وبما أننا نتحدث عن قضايا عالمية مثيرة مثل انهيار الجاذبية للكون: قام الفيزيائيون بتجميعها قائمة الأشياء الأكثر إثارة للاهتمام التي يمكن أن تحدث للفضاء في المستقبل ، ولكن لا تقرر أبدًا أي سيناريو محتمل.

وفقًا لنظرية الانفجار العظيم ، الكون نشأت منذ حوالي 13.8 مليار سنة من حالة كثيفة وساخنة تسمى التفرد ، ومنذ ذلك الحين كل شيء ينمو ويبرد. تشرح هذه النظرية جيدًا عددًا من الظواهر المرصودة ، مثل إشعاع الخلفية الكونية والتوسع كون. لكن ماذا سيحدث بعد ذلك؟ اختر ما تفضله:

• الموت الحراري. ضمن هذا المفهوم مفترضأنه بمرور الوقت سيصبح الكون أكثر برودة وتوحيدًا. سيتم استنفاد الطاقة الموجودة فيه ، وستتباطأ جميع العمليات ، مثل تكوين النجوم والحركة الحرارية ، وتتوقف. سيؤدي هذا إلى حالة من الانتروبيا القصوى ، عندما تكون جميع الجسيمات في حالة توازن ولن تكون هناك أحداث أخرى في الكون ممكنة.
• فجوة كبيرة. كون وسوف تواصل يوسع. هذا يعني أن المجرات والأجسام الفضائية الأخرى ستبتعد بشكل متزايد عن بعضها البعض. إذا لم يتغير شيء ، في المستقبل البعيد ، لن تكون قوى الجاذبية قوية بما يكفي لمقاومة ضغط الطاقة المظلمة. سيؤدي هذا إلى حقيقة أنه في جميع مستويات البنية داخل الكون ، بما في ذلك المجرات والنجوم والذرات ، ستكون هناك قوة تتجاوز قوة الجذب الخاصة بها. نتيجة لذلك ، سيتم تقسيم جميع الكائنات تدريجيًا إلى جزيئات منفصلة.
• ضغط كبير. وفقًا لهذا السيناريو ، فإن توسع الكون الناجم عن الانفجار العظيم ، ابطئ وينعكس في النهاية. ستصبح قوة الجاذبية بين المجرات والنجوم والكواكب القوة المهيمنة. ستستمر المسافة بينهما في التناقص حتى ينهار الكون مرة أخرى إلى حالة فردية ، حيث تصبح الكثافة ودرجة الحرارة عالية بلا حدود. وليس هناك بعيد عن الانفجار العظيم الجديد.

لكن أي نوع من المصير ينتظر فضاء، لا يزال غير واضح. من فضلك انتظر بضعة آلاف أخرى من سبتمبر.