8 größte Rätsel der Physik, die noch ungelöst sind
Verschiedenes / / July 28, 2023
Die Hauptfragen des Lebens, des Universums und allem anderen.
1. Warum die Zeit nur vorwärts fließt
In der Physik gibt es das Konzept eines „Pfeils (oder einer Zeitachse)“. Es beschreibt den Zeitfluss von der Vergangenheit in die Zukunft. Und es gibt viele Beweise dafür, dass die Zeit eine bestimmte Richtung begünstigt.
Nach dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik nimmt in einem isolierten System die Entropie (ein Maß für die Unordnung) mit der Zeit zu. Das bedeutetdass Prozesse in der Natur normalerweise in eine Richtung verlaufen, in der die Energie gleichmäßiger verteilt wird und das System ungeordneter wird.
Wenn wir beispielsweise ein Ei zerbrechen, regeneriert es sich nicht von selbst. Man kann die Zeit nicht zurückdrehen und die Dinge so machen, wie sie waren. Entropie ist gnadenlos.
Darüber hinaus verändert sich nach der Allgemeinen Relativitätstheorie im Laufe der Zeit das Universum erweitert sich. Beobachtungen zeigen, dass es in der Vergangenheit einen Zustand hoher Dichte und niedriger Entropie durchlaufen hat (dieses Ereignis nennen wir den „Urknall“) und sich auf einen zukünftigen Zustand hoher Entropie zubewegt.
Generell ist leicht zu erkennen, dass die Zeit irreversibel ist und sich immer in eine Richtung bewegt. Und Wissenschaftler werden nie verstehen, warum das so ist. Und kann die Zeit auch rückwärts fließen?
2. Was ist dunkle Energie?
Das Universum dehnt sich aus. Sie macht es wie ein Ballon, nur schneller als Lichtgeschwindigkeit.
In den 1990er Jahren Astronomen entdecktdass die Expansion des Universums mit der Zeit nur an Geschwindigkeit zunimmt und sich nicht unter dem Einfluss der Schwerkraft verlangsamt, wie es theoretisch sein sollte. Diese Beobachtung führte zu der Vermutung, dass es eine Energieform gibt, die der Schwerkraft entgegenwirkt und zur beschleunigten Expansion des Universums beiträgt.
Vermutlich dunkle Energie füllt die gesamte Raum-Zeit-Struktur des Universums und ist der Hauptbestandteil seines Energiegehalts. Aber es kann nicht direkt beobachtet oder gemessen werden.
74 % unseres Universums bestehen aus dunkler Energie, 22 % aus dunkler Materie, 3,6 % aus intergalaktischem Gas und weitere 0,4 % sind banale, uninteressante Sterne, Planeten und andere kleine Dinge.
Warum die Ausrichtung so ist, ist nicht klar.
Es liegt auch in der Natur der Dunklen Energie Überreste ein Rätsel für die Wissenschaft. Es gibt verschiedene Theoriendie versuchen, seinen Ursprung zu erklären, einschließlich der Konzepte des Quantenvakuums und der kosmologischen Konstante.
Mittlerweile ist dunkle Energie von großer Bedeutung für das Verständnis der grundlegenden Eigenschaften des Universums und seines zukünftigen Schicksals. Es hängt davon ab, ob die Expansion des Universums in Zukunft unbegrenzt anhält, sich verlangsamt oder sich sogar umkehrt.
3. Was ist dunkle Materie?
Dunkelheit ist eine hypothetische Form von Materie, die nicht mit elektromagnetischer Strahlung interagiert und daher kein Licht emittiert, absorbiert oder reflektiert. Es kann mit unseren gewöhnlichen Instrumenten und Instrumenten nicht nachgewiesen werden, weshalb es so genannt wird.
Aber es gibt viele Beweis die Existenz dunkler Materie im Universum. Sie basieren auf dem Einfluss der Schwerkraft auf sichtbare Objekte.
Dunkle Materie ist zwar unsichtbar, beeinflusst aber die Bewegung von Sternen, Galaxien und Galaxienhaufen.
Astronomische Forschung zeigendass sich diese Objekte bewegen, als ob sie von zusätzlicher Masse beeinflusst würden, und dies kann nicht durch die Menge an Materie erklärt werden, die wir beobachten. Daher hält Dunkle Materie Galaxien und andere riesige Strukturen unter dem Einfluss ihrer Gravitationskraft zusammen.
Im Allgemeinen werden Physiker nicht verstehen, was dunkle Materie ist, aus welchen Teilchen sie besteht, welche Eigenschaften sie hat und ob sie überhaupt existiert. Vielleicht hat das beobachtete Verhalten von Sternen und Galaxien nichts mit irgendeiner Materie zu tun, sondern nur mit den Eigenheiten der Schwerkraft. Die Wissenschaft hat es noch nicht herausgefunden.
4. Warum sind die Grundkonstanten so, wie sie sind?
Fundamentalkonstanten sind Zahlenwerte, die die physikalischen Eigenschaften und Wechselwirkungen im Universum charakterisieren. Sie sind grundlegend und hängen nicht von bestimmten Einheitensystemen ab.
Konstanten bestimmen die grundlegenden Eigenschaften und Gesetze der Natur und beeinflussen die Struktur und Entwicklung des Universums als Ganzes. All diese Zahlen etwa 25. Unter ihnen:
- Die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum (c) – bestimmt die maximale Geschwindigkeit, mit der sich Informationen oder Wechselwirkungen im Universum ausbreiten können.
- Das Plancksche Wirkungsquantum (h) bestimmt die Beziehung zwischen der Energie und der Frequenz von Teilchen und Wellen, die leiten die Grenze zwischen dem Makrokosmos, wo die Gesetze der Newtonschen Mechanik gelten, und dem Mikrokosmos, wo die Gesetze der Quantenmechanik in Kraft treten. Mechanik.
- Gravitationskonstante (G) – bestimmt die Stärke der Gravitationswechselwirkung zwischen Massen und beeinflusst die Struktur und Bewegung von Objekten im Universum.
- Masse eines Elektrons (mₑ).
- Grundladung (e).
- Kosmologische Konstante (Λ), die auch als Fundamentalkonstante bezeichnet wird.
Und Wissenschaftler können nicht verstehen, warum all diese Zahlen genau die Bedeutung haben, die sie haben, und nicht andere.
Vielleicht können wir nur Bedeutungen beobachten, die mit unserer Existenz vereinbar sind, weil Leben konnte nur in einem solchen Universum entstehen. Dies wird als anthropisches Prinzip bezeichnet.
Beispielsweise die Feinstrukturkonstante, die üblicherweise mit dem Buchstaben „Alpha“ bezeichnet wird. definiert Stärke magnetischer Wechselwirkungen. Sein Zahlenwert beträgt ungefähr 0,007297. Wenn die Zahlen unterschiedlich wären, gäbe es in unserem Universum möglicherweise keine stabile Materie.
Und noch immer rätseln Physiker darüber, wie sich das Universum mit anderen physikalischen Parametern verändern würde. Existieren Hypothesen, wonach die Werte fundamentaler Konstanten zufällig sind und durch Schwankungen im frühen Universum bestimmt werden – nur eine Reihe von Zahlen. Diese Annahme impliziert, dass es viele Universen mit unterschiedlichen Werten der Konstanten gibt. Und wir haben einfach das Glück, dort zu sein, wo diese Werte am besten für die Entwicklung des Lebens geeignet sind.
5. Was passiert in Schwarzen Löchern?
Schwarze Löcher Dies sind Bereiche des Weltraums mit unglaublich starker Schwerkraft. Jenseits des Schwarzen Lochs, dem sogenannten Ereignishorizont, ist die Anziehungskraft so stark, dass jegliche Materie, nicht einmal Licht, entkommen kann.
Physiker glauben, dass sich im Zentrum eines Schwarzen Lochs eine Singularität befindet – ein Punkt mit unendlicher Dichte und einem unendlich starken Gravitationsfeld. Aber was es ist, wie es aussehen könnte und wie genau es funktioniert, kann keine Theorie erklären.
Einige Wissenschaftler sogar vermutendass die Singularität möglicherweise kein Punkt ist, sondern unterschiedliche Formen haben kann – das gilt für rotierende Schwarze Löcher. Das sogenannte Kerr-Schwarze Loch, ein hypothetisches Objekt, das vom Mathematiker und Astrophysiker Roy Kerr beschrieben wurde, weist eine ringförmige Singularität auf. Es wird sogar möglich sein, durch ein solches Loch zu fliegen und zu überleben. In der Theorie.
Um die physikalischen Prozesse innerhalb der Singularität jedoch genau zu beschreiben, ist eine einheitliche Theorie erforderlich Schwere und Quantenmechanik, die noch nicht entwickelt wurde.
6. Warum gibt es im Universum so wenig Antimaterie?
In gewöhnlicher Materie haben Elementarteilchen wie Elektronen und Protonen jeweils negative und positive Ladungen. In Antimaterie sind diese Ladungen umgekehrt: Antielektronen (auch Positronen genannt) sind positiv geladen, während Antiprotonen negativ geladen sind.
Antimaterie hat die gleichen physikalischen Eigenschaften wie die gewöhnlichen Teilchen, einschließlich der Masse, des Spins und anderer Eigenschaften der Teilchen. Wenn jedoch ein Antiteilchen auf ein entsprechendes gewöhnliches Teilchen trifft, können sie sich gegenseitig vernichten und sich in reine Energie verwandeln.
Ein Liter einer Art Antiwasserstoff riecht, wenn er mit Luft in Berührung kommt, wie eine Atombombe.
Wie gut ist es, dass ihnen die maximale Menge an Antiwasserstoff gelungen ist synthetisieren Wissenschaftler auf einmal - 309 Atome.
Astronomische Beobachtungen zeigendass das Universum und sogar das am weitesten entfernte Sterne und Galaxien bestehen aus Materie, und es gibt sehr wenig Antimaterie darin. Dieser Unterschied zwischen der Anzahl der Baryonen (Teilchen bestehend aus drei Quarks) und Antibaryonen (Antiteilchen bestehend aus drei Antiquarks) in unserem Universum wird Baryonenasymmetrie genannt.
Wenn das Universum völlig symmetrisch wäre, müsste die Anzahl der Baryonen und Antibaryonen gleich sein, und wir würden ganze Galaxien aus Antimaterie beobachten. In Wirklichkeit besteht jedoch alles aus Baryonen, und Antibaryonen müssen in Teilchenbeschleunigern nicht nur durch einen Teelöffel, sondern durch ein Atom synthetisiert werden. Daher ist Antimaterie am meisten vorhanden teure Sache in der Welt.
Nach dem Standardmodell der Elementarteilchen hätte es unmittelbar nach dem Urknall im Universum gleich viele Quarks und Antiquarks geben müssen. Allerdings ist etwas passiert, was genau, ist nicht klar, aber fast alle Antibaryonen vernichtet, und aus den verbleibenden Baryonen wurde Materie gebildet. Es ist tatsächlich das, woraus das Universum besteht. Und Sie übrigens auch. Und Wissenschaftler, die immer noch nicht herausfinden können, warum es im Weltraum so wenig Antimaterie gibt.
7. Ist das Vakuum stabil?
Vakuum ist ein Raum mit der geringstmöglichen Energie, der jedoch entgegen seinem Namen nicht völlig leer ist. Es enthält noch Quantenfelder, die das Verhalten von Elementarteilchen bestimmen. Wissenschaftler glaubendass das wahre oder physikalische Vakuum, das wir kennen, der stabilste Zustand im Universum ist, da es als globales Energieminimum gilt.
Theoretisch besteht jedoch die Möglichkeit, dass der Zustand des physikalischen Vakuums eine Konfiguration von Quantenfeldern ist, die nur ein lokales und kein globales Energieminimum darstellt. Das heißt, das Vakuum, das wir im Weltraum beobachten oder im Labor erzeugen können, ist „falsch“. Es kann also „wahr“ sein.
Und wenn ein „echtes“ Vakuum existiert, sind wir in großen Schwierigkeiten.
Wenn wir davon ausgehen, dass sich unser Universum nicht in einem Zustand eines „wahren“, sondern eines „falschen“ Vakuums befindet, dann wird der Prozess seines Zerfalls in einen stabileren Zustand möglich. Die Folgen eines solchen Prozesses können die größten sein schrecklich und variieren von subtilen Änderungen der kosmologischen Parameter, die von der Potentialdifferenz abhängen zwischen „falschem“ und „wahrem“ Vakuum, bis zur völligen Funktionsstörung von Elementarteilchen und Fundamentalteilchen Kräfte.
Wenn irgendwo im Weltraum eine Blase aus „echtem“ Vakuum entsteht, kann dies zur vollständigen Zerstörung der baryonischen Materie oder sogar zu einem sofortigen Gravitationskollaps des Universums führen.
Kurz gesagt, hoffen wir, dass unser Staubsauger der zuverlässigste der Welt ist. Was bleibt noch übrig?
8. Was wird das Ende des Universums sein?
Und da wir über so spannende globale Themen wie den Gravitationskollaps des Universums sprechen: Physiker haben zusammengestellt Liste die interessantesten Dinge, die dem Weltraum in der Zukunft passieren könnten, aber entscheiden Sie nie, welches Szenario am wahrscheinlichsten ist.
Nach der Urknalltheorie das Universum entstand vor etwa 13,8 Milliarden Jahren aus einem dichten und heißen Zustand namens Singularität, und seitdem ist alles gewachsen und abgekühlt. Diese Theorie erklärt gut eine Reihe beobachteter Phänomene, wie etwa die kosmische Hintergrundstrahlung und die Expansion Universum. Aber was wird als nächstes passieren? Wählen Sie, was Ihnen am besten gefällt:
- Wärmetod. Innerhalb dieses Konzepts angeblichdass das Universum mit der Zeit immer kälter und gleichmäßiger wird. Die darin enthaltene Energie wird erschöpft sein, alle Prozesse, wie die Sternentstehung und die thermische Bewegung, werden verlangsamt und zum Stillstand kommen. Dies führt zu einem Zustand maximaler Entropie, in dem sich alle Teilchen im Gleichgewicht befinden und keine weiteren Ereignisse im Universum mehr möglich sind.
- große Lücke. Universum Fortsetzung wird folgen expandieren. Das bedeutet, dass sich Galaxien und andere Weltraumobjekte zunehmend voneinander entfernen. Wenn sich nichts ändert, werden die Gravitationskräfte in ferner Zukunft nicht mehr stark genug sein, um dem Druck der dunklen Energie zu widerstehen. Dies wird dazu führen, dass auf allen Strukturebenen des Universums, einschließlich Galaxien, Sternen und Atomen, eine Kraft vorhanden ist, die ihre eigene Anziehungskraft übersteigt. Dadurch werden alle Objekte nach und nach in einzelne Partikel zerlegt.
- Großer Druck. Nach diesem Szenario ist die durch den Urknall verursachte Expansion des Universums verlangsamen und kehrt sich schließlich um. Die Anziehungskraft zwischen Galaxien, Sternen und Planeten wird zur dominierenden Kraft werden. Der Abstand zwischen ihnen wird weiter abnehmen, bis das Universum wieder in eine Singularität kollabiert, in der Dichte und Temperatur unendlich hoch werden. Und der neue Urknall ist nicht mehr weit.
Aber was für ein Schicksal erwartet uns Raum, ist noch unklar. Bitte warten Sie noch ein paar tausend Septillionen Jahre.
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