5 питань, які не дають фізикам спати

Відкриті питання у фізиці, на які вчені найбільше хотіли б отримати відповіді. Фундаментальні загадки природи покриті таємницею.

Вся фізика як наука складається в дослідженні найбільш фундаментальних загадок природи, і тому не дивно, що фізики постійно думають про декілька основних питаннях щодо всесвіту. Нещодавно журнал Symmetry Magazine (видається двома фінансуються американським урядом фізичним лабораторіями) попросив групу фізиків-ядерників назвати відкриті питання у фізиці, на які вони найбільше хотіли б отримати відповіді. Ось приклади тих загадок у фізиці, які були названі.

Яка доля уготована нашого всесвіту?

Як відомо, поет Роберт Фрост (Robert Frost) одного разу запитав, чи закінчилася світ у вогні або в льоду? І фізики досі не можуть відповісти на це питання. Майбутнє всесвіту - це питання назвав Стів Уімпенні (Steve Wimpenny) з Каліфорнійського університету в Ріверсайді - багато в чому залежить від темної енергії, яка в даний час залишається невідомою величиною.

Темна енергія відповідальна за прискорення розширення Всесвіту, однак походження цієї енергії залишається загадкою. Якщо темна енергія стане згодом постійною, то, ймовірно, в майбутньому нас чекає великий холод - в цей момент всесвіт буде розширюватися все швидше і швидше, і в кінцевому підсумку галактики виявляться так далеко один від одного, що космічний простір здаватиметься величезним пустирем. Якщо темна енергія буде зростати, то розширення може стати ще більш інтенсивним, і тоді не тільки простір між галактиками, але і простір усередині них буде розширюватися, і тоді самі галактики розлетяться на шматки. Цей варіант долі отримав назву великий розрив.

Ще одна можливість полягає в тому, що темна енергія буде зменшуватися, і в такому випадку вона вже не зможе протистояти центростремительной силі гравітації, що призведе до відступу всесвіту всередину себе в процесі великого стиснення (big crunch). Тобто, по суті, в будь-якому випадку ми приречені.

Що стосується світлої сторони, то жодне з цих можливих подій не відбудеться в найближчі мільярди або навіть трильйони років - достатньо часу для вирішення питання про те, який варіант вибрати - вогонь або лід?

У бозон Хіггса немає абсолютно ніякого сенсу. Чому він тоді існує?

Тон цього питання глузливий, стверджує поставив його Річард Руїс (Richard Ruiz) з Піттсбурзького університету, однак сам по собі питання вказує на вельми реально існуюче нерозуміння природи частки, яка настільки чудовим чином була відкрита в минулому році на Великому адронному колайдері (ВАК) в Європі . Бозон Хіггса допомагає пояснити, яким чином всі інші частинки отримали свою масу, однак він також піднімає і велика кількість інших питань. Чому, наприклад, бозони Хіггса по-різному взаємодіють з іншими частинками: верхній кварк більш сильно взаємодіє з бозоном Хіггса, ніж електрон, що дає верхньому кварку велику масу, ніж електрону.

Це лише один приклад дії неуніверсальних сил в Стандартної моделі, - підкреслює Руїс. Більше того, бозон Хіггса є першою фундаментальною частинкою, виявленої в природі з нульовим обертанням. Це абсолютно новий сектор Стандартної моделі фізики елементарних частинок, - зазначає Ріус. - Однак ми не маємо ні найменшого уявлення про те, як це відбувається.

Чому всесвіт збалансована настільки досконалим чином, що може існувати життя?

З точки зору ймовірності, нас, насправді, тут взагалі не повинно було бути. Галактики, зірки, планети і люди можливі тільки в такий всесвіту, яка розширювалася з необхідною швидкістю в своїй ранній період. Це розширення управлялося спрямованим назовні тиском темної енергії, яка перебувала в конфлікті з спрямованими всередину гравітаційними силами маси всесвіту, в якій домінувала невидима субстанція по імені темна матерія. Якби співвідношення сил між цими елементами було іншим, якби, наприклад, темної енергії було лише трішки більше після народження всесвіту, то простір розширювався б занадто швидко для того, щоб змогли утворитися галактики і зірки. А якби темної енергії було крапельку менше, то це призвело б до колапсу всередині самого всесвіту.

Але чому ж, запитує Ерік Рамберг (Eric Ramberg) з лабораторії Фермілабі в місті Батавия, штат Іллінойс, вони були настільки майстерно збалансовані, що утворилася всесвіт, в якій ми можемо жити? Нам не відома фундаментальна причина, - зазначає він. - Немає сумнівів в тому, що кількість темної енергії у Всесвіті є найдосконаліше налагодженою системою в історії фізики.

Звідки приходять астрофізичні нейтрино?

Що володіють виключно великою енергією нейтрино, як прийнято вважати, є результатом зіткнення швидких заряджених частинок, які називаються космічними променями, зі світловими частками (фотонами) в умовах фонової космічної мікрохвильової радіації, поширюваної у всесвіті. Але що ж приводить в рух цей процес, і яким чином космічні промені розганяються - це відкриті питання. Провідна теорія полягає в тому, що матерія падає в голодні надмасивні чорні діри, що знаходяться в центрі галактик, і таким чином породжує космічні промені, проте доказів цієї гіпотези поки немає. Утворилися нейтрино, як вважають, переміщаються з такою високою швидкістю, що будь-яка крихітна частинка має таку ж кількість енергії всередині себе, як і летить з великою швидкістю бейсбольний м'яч (якої складається з мільярдів мільярдів атомів). Ми не може навіть зрозуміти, звідки з'являються ці частинки, - зізнається Абігейл Віерегг (Abigeil Vieregg) з факультету космологічної фізики Кавлі Чиказького університету (Kavli Institute for Cosmological Physics). - З'ясувавши це, ми зможемо дізнатися про джерела прискорення цих частинок до виключно високих енергій.

Як вийшло, що всесвіт складається з матерії, а не з антиматерії?

Антиматерія подібна матерії, тільки в ній все навпаки, як в День протилежностей (Opposite Day). У неї такі ж якості, як і у того речовини, з якого складаються планети, зірки і галактики, але один важливий елемент у неї інший - заряд. Всесвіт, як прийнято вважати, зародилася з рівною кількістю матерії і антиматерії, але якимось чином матерія перемогла, і в результаті значні частини обох субстанцій знищили один одного під час великого вибуху, після чого залишилося лише невелика кількість матерії. Чому антиматерія програла змагання з перетягування каната, ніхто не знає. Для пояснення подібного диспаритету вчені займаються пошуками процесу, що отримав назву порушення зарядовим парності, при якому частинки воліють розкладатися до матерії, а не до антиматерії. Ми особливо зацікавлені в тому, щоб зрозуміти наступне: чи відрізняються коливання нейтрино від коливання антинейтрино, - зазначає Алісія Мариино (Alysia Marino) з Колорадського університету, яка поділилася своїми поглядами з журналом Symmetry. - Поки що цього не вдалося побачити, але ми сподіваємося, що учасники наступних поколінь експериментів зможуть більш детально в цьому розібратися.

Джерело: Клара Московіц inosmi.ru