10 nerešenih problemov sodobne fizike
Spodaj predstavljamo seznam nerešenih problemov sodobne fizike.

Nekatere od teh težav so teoretične. To pomeni, da obstoječe teorije ne morejo pojasniti določenih opazovanih pojavov ali eksperimentalnih rezultatov.

Druge težave so eksperimentalne, kar pomeni, da obstajajo težave pri ustvarjanju eksperimenta za preizkušanje predlagane teorije ali za podrobnejšo študijo pojava.

Nekatere od teh težav so med seboj tesno povezane. Na primer, dodatne dimenzije ali supersimetrija lahko rešijo problem hierarhije. Menijo, da lahko popolna teorija kvantne gravitacije odgovori na večino teh vprašanj.

Kakšen bo konec vesolja?

Odgovor je v veliki meri odvisen od temne energije, ki ostaja neznan člen enačbe.

Temna energija je odgovorna za pospešeno širjenje vesolja, vendar je njen izvor skrivnost, zavita v temo. Če je temna energija sčasoma konstantna, bomo verjetno doživeli "veliko zamrznitev": Vesolje se bo še naprej hitreje širilo in sčasoma se bodo galaksije premaknile tako daleč narazen, da se bo trenutna praznina vesolja zdela kot otroška igra.

Če se temna energija poveča, bo širitev postala tako hitra, da se bo povečal prostor ne le med galaksijami, ampak tudi med zvezdami, torej same galaksije bodo raztrgane; ta možnost se imenuje "velika vrzel".

Drug scenarij je, da se bo temna energija zmanjšala in ne bo mogla več preprečiti gravitacije, zaradi česar se bo vesolje sesedlo (»veliki krč«).

No, bistvo je, da smo, ne glede na to, kako se dogodki odvijajo, obsojeni na propad. Pred tem pa so še milijarde ali celo trilijoni let — dovolj, da ugotovimo, kako bo vesolje umrlo.

Kvantna gravitacija

Kljub aktivnim raziskavam teorija kvantne gravitacije še ni izdelana. Glavna težava pri njegovi konstrukciji je, da se dve fizikalni teoriji, ki ju skuša povezati – kvantna mehanika in splošna teorija relativnosti (GR) – opirata na različne sklope načel.

Tako je kvantna mehanika oblikovana kot teorija, ki opisuje časovno evolucijo fizičnih sistemov (na primer atomov ali osnovnih delcev) glede na zunanji prostor-čas.

V splošni teoriji relativnosti ni zunanjega prostora-časa — sam je dinamična spremenljivka teorije, odvisna od značilnosti tistih v njej klasična sistemi

Pri prehodu na kvantno gravitacijo je treba sisteme vsaj zamenjati s kvantnimi (torej kvantizirati). Nastajajoča povezava zahteva nekakšno kvantizacijo same geometrije prostora-časa, fizični pomen takšne kvantizacije pa je popolnoma nejasen in ni nobenega uspešnega, doslednega poskusa, da bi jo izvedli.

Celo poskus kvantizacije linearizirane klasične teorije gravitacije (GTR) naleti na številne tehnične težave - kvantna gravitacija se izkaže za nerenormalizacijsko teorijo zaradi dejstva, da je gravitacijska konstanta dimenzionalna količina.

Situacijo otežuje dejstvo, da so neposredni poskusi na področju kvantne gravitacije, zaradi šibkosti samih gravitacijskih interakcij, sodobnim tehnologijam nedostopni. V zvezi s tem se moramo pri iskanju pravilne formulacije kvantne gravitacije zanašati le na teoretične izračune.

Higgsov bozon nima prav nobenega smisla. Zakaj obstaja?

Higgsov bozon pojasnjuje, kako vsi drugi delci pridobijo maso, vendar odpira tudi številna nova vprašanja. Na primer, zakaj Higgsov bozon vpliva na vse delce drugače? Tako t-kvark z njim sodeluje močneje kot elektron, zato je masa prvega veliko večja od mase drugega.

Poleg tega je Higgsov bozon prvi osnovni delec z ničelnim spinom.

"Imamo popolnoma novo področje fizike delcev," pravi znanstvenik Richard Ruiz, "nimamo pojma, kakšna je njegova narava."

Hawkingovo sevanje

Ali črne luknje proizvajajo toplotno sevanje, kot napoveduje teorija? Ali to sevanje vsebuje informacije o njihovi notranji strukturi ali ne, kot nakazuje prvotni Hawkingov izračun?

Zakaj se je zgodilo, da je vesolje sestavljeno iz materije in ne iz antimaterije?

Antimaterija je ista snov: ima popolnoma enake lastnosti kot snov, iz katere so sestavljeni planeti, zvezde in galaksije.

Edina razlika je naboj. Po sodobnih predstavah je bilo v novorojenem vesolju obojega v enaki meri. Kmalu po velikem poku sta materija in antimaterija anihilirali (odzvali sta se medsebojno anihilirali in drug iz drugega ustvarili druge delce).

Vprašanje je, kako se je zgodilo, da je nekaj snovi še ostalo? Zakaj je materija uspela in je antimaterija izgubila vlečenje vrvi?

Da bi razložili to neenakost, znanstveniki pridno iščejo primere kršitve CP, to je procesov, pri katerih delci raje razpadejo in tvorijo snov kot antimaterijo.

"Najprej bi rada razumela, ali se oscilacije nevtrinov (pretvorba nevtrinov v antinevtrine) med nevtrini in antinevtrini razlikujejo," pravi Alicia Marino z univerze v Koloradu, ki je delila vprašanje.  "Nič takega še nismo opazili, vendar se veselimo naslednje generacije poskusov."

Teorija vsega

Ali obstaja teorija, ki pojasnjuje vrednosti vseh osnovnih fizikalnih konstant? Ali obstaja teorija, ki pojasnjuje, zakaj so fizikalni zakoni takšni, kot so?

Teorija vsega   — hipotetična enotna fizikalna in matematična teorija, ki opisuje vse znane temeljne interakcije.

Sprva je bil ta izraz uporabljen na ironičen način za označevanje različnih posplošenih teorij. Sčasoma se je izraz uveljavil v popularizacijah kvantne fizike za označevanje teorije, ki bi poenotila vse štiri temeljne interakcije v naravi.

V dvajsetem stoletju je bilo predlaganih veliko "teorij vsega", vendar nobena ni bila eksperimentalno preizkušena ali pa obstajajo velike težave pri vzpostavitvi eksperimentalnega testiranja za nekatere kandidate.

Bonus: kroglasta strela

Kakšna je narava tega pojava? Je kroglična strela samostojen objekt ali se napaja z energijo od zunaj? Ali so vse kroglične strele enake narave ali obstajajo različne vrste?

Kroglasta strela je svetleča ognjena krogla, ki lebdi v zraku, edinstveno redek naravni pojav.

Do danes še ni predstavljene enotne fizikalne teorije o nastanku in poteku tega pojava, obstajajo pa tudi znanstvene teorije, ki pojav reducirajo na halucinacije.

Obstaja približno 400 teorij, ki pojasnjujejo pojav, vendar nobena od njih ni dobila absolutnega priznanja v akademski skupnosti. V laboratorijskih pogojih so bili podobni, a kratkotrajni pojavi pridobljeni na več različnih načinov, zato vprašanje narave kroglične strele ostaja odprto. Konec 20. stoletja ni bilo ustvarjeno niti eno poskusno stojalo, v katerem bi ta naravni pojav umetno reproducirali v skladu z opisi očividcev kroglične strele.

Splošno prepričanje je, da je kroglasta strela pojav električnega izvora, naravne narave, torej gre za posebno vrsto strele, ki obstaja dolgo časa in ima obliko krogle, ki se lahko premika po nepredvidljivi poti, včasih presenetljivo za očividce.

Tradicionalno je zanesljivost številnih poročil očividcev o kroglični streli vprašljiva, vključno z:

• samo dejstvo opazovanja vsaj nekega pojava;
• dejstvo opazovanja kroglične strele in ne kakšnega drugega pojava;
• posamezne podrobnosti pojava, navedene v pripovedi očividca.

Dvomi o zanesljivosti številnih dokazov otežujejo preučevanje pojava, poleg tega pa ustvarjajo podlago za pojav različnih špekulativnih in senzacionalnih gradiv, ki naj bi bila povezana s tem pojavom.

Na podlagi gradiva iz: več deset člankov iz

Ali bodo zaznani gravitacijski valovi?

Nekateri observatoriji iščejo dokaze o obstoju gravitacijskih valov. Če je mogoče najti takšne valove, bodo ta nihanja v sami prostorsko-časovni strukturi kazala na kataklizme, ki se dogajajo v vesolju, kot so eksplozije supernov, trki črnih lukenj in morda še neznani dogodki. Za podrobnosti glejte članek W. Waite Gibbsa "Spacetime Ripple."

Kakšna je življenjska doba protona?

Nekatere teorije, ki se ne ujemajo s standardnim modelom (glej 2. poglavje), napovedujejo razpad protona in za zaznavanje takega razpada je bilo izdelanih več detektorjev. Čeprav samega razpada še niso opazili, je spodnja meja razpolovne dobe protona ocenjena na 10 32 let (kar bistveno presega starost vesolja). S pojavom bolj občutljivih senzorjev bo morda mogoče zaznati razpad protona ali pa bo treba spodnjo mejo njegove razpolovne dobe premakniti nazaj.

Ali so superprevodniki možni pri visokih temperaturah?

Superprevodnost se pojavi, ko električni upor kovine pade na nič. V takšnih pogojih električni tok, vzpostavljen v prevodniku, teče brez izgub, ki so značilne za običajni tok pri prehodu skozi vodnike, kot je bakrena žica. Pojav superprevodnosti so prvič opazili pri izjemno nizkih temperaturah (tik nad absolutno ničlo, - 273 °C). Leta 1986 je znanstvenikom uspelo izdelati superprevodne materiale pri vrelišču tekočega dušika (-196 °C), kar je že omogočilo ustvarjanje industrijskih izdelkov. Mehanizem tega pojava še ni popolnoma razumljen, a raziskovalci poskušajo doseči superprevodnost pri sobni temperaturi, kar bo zmanjšalo izgube energije.

Kako sestava molekule določa njen videz?

Poznavanje orbitalne strukture atomov v enostavnih molekulah omogoča precej enostavno določitev videza molekule. Vendar pa teoretične študije o pojavu kompleksnih molekul, zlasti biološko pomembnih, še niso bile izvedene. Eden od vidikov tega problema je zvijanje beljakovin, o katerem razpravljamo na seznamu idej 8.

Kakšni so kemični procesi pri raku?

Biološki dejavniki, kot sta dednost in okolje, verjetno igrajo veliko vlogo pri razvoju raka. S poznavanjem kemičnih reakcij, ki se pojavljajo v rakavih celicah, je morda mogoče ustvariti molekule za prekinitev teh reakcij in razvoj odpornosti proti raku v celicah.

Kako molekule komunicirajo v živih celicah?

Za obveščanje se v celicah uporabljajo molekule želene oblike, ko se sporočilo prenaša s »prilagoditvijo« v obliki komplementarnosti. Proteinske molekule so najpomembnejše, zato njihov videz [konformacijo] določa način, kako so zvite. Zato bo globlje poznavanje zvijanja beljakovin pomagalo rešiti komunikacijsko težavo.

Kje se staranje celic določa na molekularni ravni?

Druga biokemična težava staranja je lahko povezana z DNK in beljakovinami, ki sodelujejo pri »popravljanju« DNK, ki je razrezana med ponavljajočo se replikacijo (glejte: Seznam idej, 9. Genetske tehnologije).

Kako se iz enega oplojenega jajčeca razvije celoten organizem?

Zdi se, da je na to vprašanje mogoče odgovoriti takoj, ko je glavni problem iz pogl. 4: kakšna je struktura in namen proteoma? Seveda ima vsak organizem svoje značilnosti v strukturi beljakovin in njihovem namenu, zagotovo pa boste lahko našli veliko skupnega.

Kaj povzroča množična izumrtja?

V zadnjih 500 milijonih let je do popolnega izumrtja vrst prišlo petkrat. Znanost še naprej išče razloge za to. Zadnje izumrtje, ki se je zgodilo pred 65 milijoni let, na prelomu krede in terciarja, je povezano z izginotjem dinozavrov. Kot postavlja vprašanje David Rop v svoji knjigi Extinction: So bili to geni ali sreča? (Glej: Viri za poglobljeno študijo), ali so izumrtje večine takrat živečih organizmov povzročili genetski dejavniki ali kakšna kataklizma? Po hipotezi, ki sta jo postavila oče in sin Luis in Walter Alvarez, je pred 65 milijoni let na Zemljo padel ogromen meteorit (premera približno 10 km). Udarec, ki ga je povzročil, je dvignil ogromne oblake prahu, ki so motili fotosintezo, kar je povzročilo smrt številnih rastlin in s tem živali, ki so sestavljale isto prehranjevalno verigo, vse do ogromnih, a ranljivih dinozavrov. Potrditev te hipoteze je velik meteoritski krater, odkrit v južnem Mehiškem zalivu leta 1993. Ali je možno, da so bila prejšnja izumrtja posledica podobnih trkov? Raziskave in razprave se nadaljujejo.

Ali so bili dinozavri toplokrvne ali hladnokrvne živali?

Britanski profesor anatomije Richard Owen je skoval izraz "dinozaver" (kar pomeni "strašni kuščarji") leta 1841, ko so našli samo tri nepopolna okostja. Britanski umetnik živali in kipar Benjamin Waterhouse Hawkins je začel poustvarjati videz izumrlih živali. Ker so imeli prvi najdeni primerki zobe, podobne legvanom, so njegove plišaste živali spominjale na ogromne legvane, kar je povzročilo pravo razburjenje med obiskovalci.

Toda kuščarji so hladnokrvni plazilci, zato so se sprva odločili, da so dinozavri takšni. Več znanstvenikov je nato predlagalo, da so bili vsaj nekateri dinozavri toplokrvne živali. Do leta 2000, ko so v Južni Dakoti odkrili fosilizirano srce dinozavra, ni bilo nobenih dokazov. To srce, ki ima strukturo štirih komor, potrjuje domnevo, da so bili dinozavri toplokrvni, saj ima srce kuščarja le tri komore. Vendar je potrebnih več dokazov, da bi ostali svet prepričali o tej predpostavki.

Kaj je osnova človeške zavesti?

Kot predmet proučevanja v humanistiki to vprašanje daleč presega obseg te knjige, a se ga preučevanja lotevajo številni naši znanstveni kolegi.

Kot lahko pričakujete, obstaja več pristopov k razlagi človeške zavesti. Zagovorniki redukcionizma trdijo, da so možgani ogromna zbirka medsebojno delujočih molekul in da bomo sčasoma razkrili pravila njihovega delovanja (glej članek Cricka in Kocha "Problem zavesti" [V svetu znanosti. 1992. št. 11–12]).

Drug pristop sega v kvantno mehaniko. Po njegovih besedah ​​ne moremo razumeti nelinearnosti in nepredvidljivosti možganov, dokler ne razumemo povezav med atomsko in makroskopsko ravnjo obnašanja snovi (glej knjigo Rogerja Penrosa The New Mind of the King: On Computers, Razmišljanje in zakoni fizike [M., 2003]; tudi Shadows of the Mind: In Search of the Science of Consciousness [M., 2003]).

Po dolgoletnem pristopu ima človeški um mistično komponento, ki je znanstveni razlagi nedostopna, tako da znanost človekove zavesti sploh ne more dojeti.

Glede na nedavno delo Stephena Wolframa o ustvarjanju urejenih podob z večkratno uporabo istih preprostih pravil (glej 5. poglavje), ni presenetljivo, da se ta pristop uporablja v zvezi s človeško zavestjo; To vam bo dalo drugo stališče.

Kaj povzroča velike spremembe v zemeljskem podnebju, kot so vsesplošno segrevanje in ledene dobe?

Ledene dobe, značilne za Zemljo zadnjih 35 milijonov let, so se pojavljale približno vsakih 100 tisoč let. Ledeniki napredujejo in se umikajo po celotnem severnem zmernem pasu in puščajo spomenike v obliki rek, jezer in morij. Pred 30 milijoni let, ko so dinozavri tavali po Zemlji, je bilo podnebje precej toplejše kot danes, zato so drevesa rasla tudi blizu severnega tečaja. Kot že omenjeno v pogl. 5 je temperatura zemeljskega površja odvisna od ravnotežnega stanja vhodnih in odhajajočih energij. Na to ravnovesje vplivajo številni dejavniki, vključno z energijo, ki jo oddaja Sonce, odpadki v vesolju, skozi katerega se premika Zemlja, vhodno sevanje, spremembe v Zemljini orbiti, atmosferske spremembe in razlike v količini energije, ki jo Zemlja oddaja (albedo).

To je smer, v katero potekajo raziskave, zlasti glede na nedavne polemike o učinku tople grede. Obstaja veliko teorij, vendar še vedno ni pravega razumevanja, kaj se dogaja.

Ali je mogoče napovedati vulkanske izbruhe ali potrese?

Nekateri vulkanski izbruhi so predvidljivi, kot je nedavni (1991) izbruh gore Pinatubo na Filipinih, drugi pa so nedostopni s sodobnimi sredstvi - še vedno presenečajo vulkanologe (na primer izbruh gore St. Helens, Washington, maja 18, 1980). Vulkanske izbruhe povzročajo številni dejavniki. Ni enotnega teoretičnega pristopa, ki bi veljal za vse vulkane.

Potrese je še težje napovedati kot vulkanske izbruhe. Nekateri znani geologi celo dvomijo o možnosti zanesljive napovedi (glej: Seznam idej, 13. Napovedovanje potresov).

Kaj se dogaja v zemeljskem jedru?

Dve nižji lupini Zemlje, zunanje in notranje jedro, sta nam zaradi globoke lege in visokega pritiska nedostopni, kar onemogoča neposredne meritve. Geologi pridobijo vse informacije o zemeljskih jedrih na podlagi opazovanj površinske in celotne gostote, sestave in magnetnih lastnosti ter študij z uporabo seizmičnih valov. Poleg tega preučevanje železovih meteoritov pomaga zaradi podobnosti procesa njihovega nastajanja s tistim na Zemlji. Nedavni rezultati, pridobljeni s seizmičnimi valovi, so razkrili različne hitrosti valov v smereh sever-jug in vzhod-zahod, kar kaže na večplastno trdno notranje jedro.

Ali smo sami v vesolju?

Kljub odsotnosti kakršnih koli eksperimentalnih dokazov o obstoju nezemeljskega življenja obstaja veliko teorij na to temo, pa tudi poskusov zaznavanja novic iz oddaljenih civilizacij.

Kako se galaksije razvijajo?

Kot že omenjeno v pogl. 6 je Edwin Hubble razvrstil vse znane galaksije glede na njihov videz. Kljub natančnemu opisu njihovega trenutnega stanja nam ta pristop ne omogoča razumevanja razvoja galaksij. Predstavljenih je bilo več teorij, ki pojasnjujejo nastanek spiralnih, eliptičnih in nepravilnih galaksij. Te teorije temeljijo na fiziki plinskih oblakov, ki so nastali pred galaksijami. Simulacije na superračunalniku so omogočile nekaj razumeti, vendar še niso pripeljale do enotne teorije nastanka galaksij. Ustvarjanje takšne teorije zahteva dodatne raziskave.

Ali so Zemlji podobni planeti pogosti?

Matematični modeli predvidevajo obstoj planetov, podobnih Zemlji, v Mlečni cesti od nekaj do milijonov. Zmogljivi teleskopi so odkrili več kot 70 planetov zunaj našega osončja, a večina jih je velikosti Jupitra ali večjih. Ko se bodo teleskopi izboljšali, bo mogoče najti druge planete, kar bo pomagalo ugotoviti, kateri matematični model najbolj ustreza realnosti.

Kaj je izvor izbruhov žarkov Y?

Približno enkrat na dan opazimo najmočnejše γ-žarke, ki so pogosto močnejši od vseh ostalih skupaj (γ-žarki so podobni vidni svetlobi, vendar imajo veliko večjo frekvenco in energijo). Pojav so prvič zabeležili v poznih 1960-ih, vendar so o njem poročali šele v 1970-ih, ker so bili vsi senzorji uporabljeni za spremljanje skladnosti s prepovedjo jedrskih poskusov.

Sprva so astronomi verjeli, da so bili viri teh emisij v Rimski cesti. Visoka intenzivnost sevanja je povzročila ugibanja o bližini njegovih virov. Ko pa so se podatki kopičili, je postalo očitno, da te emisije prihajajo od vsepovsod in niso koncentrirane na ravnini Rimske ceste.

Izbruh, ki ga je leta 1997 zaznal vesoljski teleskop Hubble, je pokazal, da prihaja z obrobja šibke galaksije, ki je oddaljena več milijard svetlobnih let. Ker je bil vir daleč od središča galaksije, ni bilo verjetno, da bi šlo za črno luknjo. Domneva se, da ti izbruhi sevanja žarkov γ izvirajo iz običajnih zvezd v galaktičnem disku, verjetno zaradi trka nevtronskih zvezd ali drugih nebesnih teles, ki nam še niso znana.

Zakaj je Pluton tako osupljivo drugačen od vseh drugih planetov?

Štirje notranji planeti - Merkur, Venera, Zemlja in Mars - so relativno majhni, kamniti in blizu Sonca. Štirje zunanji planeti - Jupiter, Saturn, Uran in Neptun - so veliki, plinasti in oddaljeni od Sonca. Zdaj o Plutonu. Pluton je majhen (kot notranji planeti) in oddaljen od Sonca (kot zunanji planeti). V tem smislu Pluton izpade iz splošne serije. Kroži okoli Sonca blizu območja, imenovanega Kuiperjev pas, ki vsebuje veliko teles, podobnih Plutonu (nekateri astronomi jih imenujejo Plutino).

Pred kratkim se je več muzejev odločilo Plutonu odvzeti status planeta. Dokler ne bo mogoče kartirati več teles Kuiperjevega pasu, se bo razprava o statusu Plutona nadaljevala.

Koliko je staro vesolje?

Starost vesolja je mogoče oceniti na več načinov. Ena metoda ocenjuje starost kemičnih elementov v Rimski cesti na podlagi radioaktivnega razpada elementov z znanimi razpolovnimi dobami, ki temelji na predpostavki, da se elementi sintetizirajo (znotraj supernov velikih zvezd) s konstantno hitrostjo. S to metodo je starost vesolja določena na 14,5±3 milijarde let.

Druga metoda vključuje ocenjevanje starosti zvezdnih kopic na podlagi določenih predpostavk o obnašanju in odstranitvi kopic. Starost najstarejših grozdov je ocenjena na 11,5 ± 1,3 milijarde let, za vesolje pa na 11–14 milijard.

Starost vesolja, določena s hitrostjo njegovega širjenja in razdaljo do najbolj oddaljenih predmetov, je 13–14 milijard let. Zaradi nedavnega odkritja pospešenega širjenja vesolja (glej 6. poglavje) je ta količina bolj negotova.

Nedavno je bila razvita še ena metoda. Vesoljski teleskop Hubble, ki je deloval na svojih mejah, je izmeril temperature najstarejših belih pritlikavk v kroglasti kopici M4. (Ta metoda je podobna ocenjevanju časa, ki je pretekel po tem, ko je ogenj zgorel zaradi temperature pepela.) Izkazalo se je, da je starost najstarejših belih pritlikavk 12–13 milijard let. Ob predpostavki, da so prve zvezde nastale šele 1 milijardo let po velikem poku, je starost vesolja 13–14 milijard let, ocena pa služi kot preverjanje indikatorjev, pridobljenih z drugimi metodami.

Februarja 2003 so bili pridobljeni podatki Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP), ki so omogočili najnatančnejši izračun starosti vesolja: 13,7 ± 0,2 milijarde let.

Ali obstaja več vesolj?

V skladu z eno možno rešitvijo, obravnavano v pogl. 6 problema pospešenega širjenja vesolja, dobimo veliko vesolj, ki naseljujejo ločene »brane« (večdimenzionalne membrane). Kljub vsej svoji špekulativnosti daje ta ideja širok prostor za vse vrste špekulacij. Več informacij o več vesoljih najdete v knjigi Martina Reesa Naše vesoljsko bivališče.

Kdaj se bo Zemlja naslednjič srečala z asteroidom?

Vesoljski odpadki nenehno udarjajo po Zemlji. In zato je tako pomembno vedeti, kakšne velikosti nebesna telesa padajo na nas in kako pogosto. Telesa s premerom 1 m zaidejo v Zemljino atmosfero večkrat na mesec. Pogosto eksplodirajo na velikih nadmorskih višinah, pri čemer se sprosti energija, enaka eksploziji majhne atomske bombe. Približno enkrat na stoletje do nas prileti telo s premerom 100 m in za seboj pusti velik spomin (opazen udarec). Po eksploziji podobnega nebesnega telesa leta 1908 nad sibirsko tajgo, v porečju reke Podkamennaya Tunguska [Krasnojarsko ozemlje], so bila drevesa posekana na območju približno 2 tisoč km 2.

Trk nebesnega telesa s premerom 1 km, ki se zgodi enkrat na milijon let, bi lahko povzročil ogromno uničenje in celo povzročil podnebne spremembe. Trčenje z nebesnim telesom s premerom 10 km je verjetno povzročilo izumrtje dinozavrov na prelomu krede in terciarja pred 65 milijoni let. Čeprav se lahko telo te velikosti pojavi le enkrat na 100 milijonov let, na Zemlji že izvajajo korake, da ne bi bili ujeti nepripravljeni. V razvoju sta projekta Near-Earth Objects (NEO) in Near-Earth Asteroid Observations (NEAT), po katerih bo do leta 2010 mogoče slediti 90 % asteroidov s premerom več kot 1 km, kar je skupno število ki je po različnih ocenah znotraj 500 -1000. Drug program, Spacewatch, ki ga izvaja Univerza v Arizoni, spremlja nebo za morebitne kandidate za trčenje na Zemljo.

Za podrobnejše informacije obiščite vozlišča svetovnega spleta: http://neat.jpl. nasa. gov, http://neo.jpl.nasa.gov in http://apacewatch.Ipl. arizona. edu/

Kaj se je zgodilo pred velikim pokom?

Ker se čas in prostor začneta z velikim pokom, koncept "pred" nima pomena. To je enakovredno vprašanju, kaj je severno od severnega tečaja. Ali, kot bi rekla ameriška pisateljica Gertrude Stein, takrat ni "takrat". Toda te težave teoretikov ne ustavijo. Morda je bil čas pred »velikim pokom« namišljen; verjetno ni bilo ničesar in vesolje je nastalo zaradi nihanja vakuuma; ali pa je prišlo do trka z drugo »brano« (glej prej postavljeno vprašanje o več vesoljih). Takšne teorije je težko najti eksperimentalno potrditev, saj ogromna temperatura prvotne ognjene krogle ni dovolila nastanka nobenih atomskih ali subatomskih formacij, ki bi lahko obstajale pred začetkom širjenja vesolja.

Opombe:

Occamova britev – načelo, da je treba vse iskati za najpreprostejšo interpretacijo; Najpogosteje je to načelo formulirano takole: »Po nepotrebnem ne bi smeli trditi veliko stvari« (pluralitas non est ponenda sine necessitate) ali: »Kar je mogoče pojasniti z manj, ne bi smeli izraziti z več« (frustra fit per plura quod potest fieri per pauciora ). Formulacije, ki jo običajno navajajo zgodovinarji, »Entitete se ne smejo množiti brez potrebe« (entia non sunt multiplicandasine necessitate), ni mogoče najti v Occamovih spisih (to so besede Duranda iz Saint-Pourcina, okoli 1270–1334, francoskega teolog in dominikanski menih; zelo podoben izraz se prvič pojavi pri francoskem frančiškanskem menihu 1205–1275).

Tako imenovani topološki tuneli. Druga imena za te hipotetične objekte so mostovi Einstein-Rosen (1909–1995), Podolsky (1896–1966) in Schwarzschildov vrat (1873–1916). Tuneli lahko povezujejo tako ločene, poljubno oddaljene regije vesolja v našem vesolju kot regije z različnimi trenutki začetka njegove inflacije. Trenutno potekajo razprave o izvedljivosti predorov, njihovi prepustnosti in razvoju.

Kuiper Gerard Peter (1905–1973) – nizozemski in ameriški astronom. Odkriti so bili Uranov satelit - Miranda (1948), Neptunov satelit - Nereida (1949), ogljikov dioksid v atmosferi Marsa, atmosfera Saturnovega satelita Titan. Sestavil več podrobnih atlasov fotografij Lune. Identificiral veliko dvojnih zvezd in belih pritlikavk.

Satelit, imenovan v spomin na začetnika tega eksperimenta, astrofizika Davida T. Wilkinsona. Teža 840 kg. Byt je bil junija 2001 izstreljen v okolisončno orbito, na Lagrangeovo točko L2 (1,5 milijona km od Zemlje), kjer sta si gravitacijski sili Zemlje in Sonca enaki in so pogoji za natančna opazovanja celotnega neba. so najbolj ugodne. Pred Soncem, Zemljo in Luno (najbližji viri toplotnega hrupa) je sprejemna oprema zaščitena z velikim okroglim zaslonom, na osvetljeni strani katerega so nameščeni sončni paneli. Ta orientacija se ohranja ves čas leta. Dve sprejemni ogledali s površino 1,4 x 1,6 m, nameščeni zadaj ob hrbtu, skenirata nebo stran od orientacijske osi. Zaradi vrtenja postaje okoli lastne osi je dnevno vidnih 30% nebesne krogle. Ločljivost WMAP je 30-krat večja kot pri prejšnjem satelitu COBE (Cosmic Background Explorer), ki ga je NASA izstrelila leta 1989. Velikost izmerjene celice na nebu je 0,2x0,2°, kar je takoj vplivalo na točnost nebesnih kart. Večkrat se je povečala tudi občutljivost sprejemne opreme. Na primer, niz podatkov COBE, pridobljenih v 4 letih, se v novem poskusu zbere v samo 10 dneh.

Nekaj ​​sekund je bilo opaziti bleščečo svetlo ognjeno kroglo, ki se je premikala po nebu od jugovzhoda proti severozahodu. Na poti ognjene krogle, ki je bila vidna nad obsežnim ozemljem vzhodne Sibirije (v radiju do 800 km), je bila mogočna sled prahu, ki je trajala več ur. Po svetlobnih pojavih se je na razdalji več kot 1000 km slišala eksplozija. V številnih vaseh je bilo čutiti tresenje tal in zgradb, podobno kot pri potresu, pokajo okenska stekla, s polic so padale gospodinjske posode, nihali so viseči predmeti itd. Veliko ljudi, pa tudi domačih živali, je odbilo noge ob zračnem valu. Seizmografi v Irkutsku in v številnih krajih zahodne Evrope so zabeležili potresni val. Zračni udarni val je bil zabeležen na barogramih, pridobljenih na številnih sibirskih vremenskih postajah, v Sankt Peterburgu in številnih vremenskih postajah v Veliki Britaniji. Te pojave najpopolneje razloži hipoteza o kometu, po kateri jih je povzročil vdor majhnega kometa, ki se je premikal s kozmično hitrostjo, v zemeljsko atmosfero. Po sodobnih predstavah so kometi sestavljeni iz zmrznjene vode in različnih plinov s primesmi nikljevega železa in kamnitih snovi. G. I. Petrov je leta 1975 ugotovil, da je "Tungusko telo" zelo ohlapno in ni več kot 10-krat večja od gostote zraka na površini Zemlje. Bila je sipka snežna kepa s polmerom 300 m in gostoto manj kot 0,01 g/cm. Na višini približno 10 km se je telo spremenilo v plin, ki se je razpršil v ozračje, kar pojasnjuje nenavadno svetle noči v Zahodni Sibiriji in Evropi po tem dogodku. Udarni val, ki je padel na tla, je povzročil padec gozda.

Gertrude Stein (1874–1946) - ameriška pisateljica, literarna teoretičarka!. Modernistično. Formalno eksperimentalna proza ​​(»The Making of Americans«, 1906–1908, objavljeno 1925) v glavnem toku literature! "tok zavesti". Biografska knjiga "Avtobiografija Alice B. Toklas" (1933). Stein ima izraz "izgubljena generacija" (v ruščini: Stein G. Avtobiografija Alice B. Toklas. Sankt Peterburg, 2000; Stein G. Avtobiografija Alice B. Toklas. Picasso. Predavanja v Ameriki. M., 2001).

Namig na besede ni tam, tam iz 4. poglavja! novela iz leta 1936 (izdana 1937) »Biografija vsakega«, nadaljevanje njenega slavnega romana »Avtobiografija Alice B. Toklas«.

ARTHUR WIGGINS, CHARLES WYNN

PET

NEREŠENO

TEŽAVE

ZNANOST

Risbe Sidneyja Harrisa

WigginsA. , WinnH.

PET NAJVEČJIH NEREŠENIH PROBLEMOV V ZNANOSTI

ARTHUR W. WIGGINS CHARLES M. WYNN

S komentarjem risanke Sidneyja Harrisa

John Wiley & Sons, Inc.

Knjiga govori o največjih problemih astronomije, fizike, kemije, biologije in geologije, s katerimi se trenutno ukvarjajo znanstveniki. Avtorji pregledujejo odkritja, ki so privedla do teh težav, predstavljajo delo za njihovo rešitev in razpravljajo o novih teorijah, vključno s teorijo strun, teorijo kaosa, človeškim genomom in zvijanjem beljakovin.

Predgovor

Ljudje se stiskamo na kosu skale, imenovanem "planet", ki kroži okoli jedrskega reaktorja, imenovanega "zvezda", ki je del ogromne zbirke zvezd, imenovane "Galaksija", ta pa je del jate galaksij. ki sestavljajo vesolje. Naše stanje, ki mu pravimo življenje, je neločljivo povezano z mnogimi drugimi organizmi na tem planetu, vendar se zdi, da imamo samo mi orodje uma, da dojamemo vesolje in vse, kar ima. Naša prizadevanja za razjasnitev narave vesolja uvrščamo pod koncept znanosti. Tako razumevanje ni enostavno, pot do njega pa je dolga. Vendar je napredek očiten.

Ta knjiga bo bralcu povedala o največjih nerešenih problemih znanosti, s katerimi se danes ukvarjajo znanstveniki. Kljub obilici eksperimentalnih podatkov le-ti niso dovolj za potrditev te ali one hipoteze. Ogledali si bomo dogodke in odkritja, ki so privedli do teh težav, nato pa vas popeljali skozi to, kako jih danes znanstveniki na čelu znanosti poskušajo rešiti. Sidney Harris, vodilni ameriški znanstveni ilustrator, poživi naše razprave s humorjem, ki je neločljivo povezan z njegovimi risbami, ne samo da razjasni vpletene ideje, ampak jih tudi osvetli na povsem nov način.

Tu obravnavamo tudi nerešene probleme v glavnih panogah naravoslovja, pri čemer se pri izbiri osredotočamo na stopnjo njihove pomembnosti, težavnost, širino zajetja in obseg posledic. Poleg njih smo v knjigo vključili še kratek pregled nekaterih drugih problemov vsake od obravnavanih vej znanja ter »Seznam idej«, kjer bo bralec našel dodatne informacije o ozadju nekaterih nerešenih problemov. . Nazadnje smo vključili Deeper Resources, ki navaja vire informacij, ki vam pomagajo izvedeti več o temah, ki vas zanimajo.

Posebna zahvala Kate Bradford, višji urednici Wiley, prvi, ki je predlagal takšno knjigo, in naši literarni agentki Louise Ketz za njene nenehne spodbudne besede.

Prvo poglavje

Vizija znanosti

Navsezadnje je običajno, da si izobražena oseba prizadeva za natančnost vseh vrst [predmetov] 1

v obsegu, ki ga dovoljuje narava predmeta. Zdi se enako [absurdno] zadovoljiti se z dolgim ​​razmišljanjem matematika in zahtevati stroge dokaze od retorika.

Aristotel

Znanost ≠ tehnologija

Ali nista znanost in tehnologija ista stvar? ne, so drugačni.

Čeprav se tehnologija, ki definira sodobno kulturo, razvija skozi znanstveno razumevanje vesolja, tehnologijo in znanost vodijo različni motivi. Poglejmo si glavne razlike med znanostjo in tehnologijo. Če je znanost posledica človekove želje po spoznavanju in razumevanju vesolja, potem so tehnične inovacije posledica želje ljudi, da spremenijo pogoje svojega obstoja, da bi dobili hrano zase, pomagali drugim in pogosto izvajali nasilje za osebno korist.

Ljudje se pogosto ukvarjajo s »čisto« in uporabno znanostjo hkrati, vendar je v znanosti mogoče izvajati temeljne raziskave ne glede na končni rezultat. Britanski premier William Gladstone je nekoč pripomnil Michaelu Faradayu glede njegovih temeljnih odkritij, ki povezujejo elektriko in magnetizem: "Vse je zelo zanimivo, ampak kakšna je korist od tega?" Faraday je odgovoril: "Gospod, ne vem, toda nekega dne vam bo to koristilo." Skoraj polovica trenutnega bogastva razvitih držav izvira iz povezave med elektriko in magnetizmom.

Preden znanstveni napredek postane na voljo tehnologiji, je treba upoštevati dodatne premisleke: kakšno napravo je treba razviti? mogoče, Kaj sprejemljivo graditi (vprašanje, ki je bistveno povezano s področjem etike). Etika spada v povsem drugo področje človekove duševne dejavnosti: humanistiko.

Glavna razlika med znanostjo in humanistiko je objektivnost. Naravoslovje stremi k čim bolj objektivnemu proučevanju obnašanja vesolja, humanistika pa tega cilja ali zahteve nima. Če parafraziramo besede irske pisateljice Margaret Wolfe Hungerford iz 19. stoletja, lahko rečemo: »Lepoto [in resnico, in pravičnost, in plemenitost in ...] vsakdo vidi drugače.«

Znanost še zdaleč ni monolitna. Naravoslovne vede se ukvarjajo s preučevanjem okolja in ljudi samih, saj so funkcionalno podobni drugim oblikam življenja. In humanistika preučuje racionalno (čustveno) vedenje ljudi in njihove odnose, ki jih potrebujejo za družbeno, politično in ekonomsko interakcijo. Na sl. 1.1 grafično prikazuje ta razmerja.

Ne glede na to, koliko tak skladen prikaz prispeva k razumevanju obstoječih povezav, se resničnost vedno izkaže za veliko bolj zapleteno. Etika pomaga določiti, kaj raziskati, katere raziskovalne metode in tehnike uporabiti ter kateri poskusi so nesprejemljivi, ker ogrožajo človekovo blaginjo. Politična ekonomija in politologija imata prav tako veliko vlogo, saj lahko znanost preučuje le tisto, kar kultura spodbuja kot orodja za proizvodnjo, delo ali karkoli drugega, kar je politično sprejemljivo.

Kako deluje znanost

Uspeh znanosti pri proučevanju vesolja je sestavljen iz opažanj in idej. Takšna menjava se imenuje znanstvena metoda(slika 1.2).

Med opazovanja ta ali oni pojav zaznavajo čutila z instrumenti ali brez njih. Če se v naravoslovju opazuje veliko podobnih predmetov (na primer atomi ogljika), se humanistične vede ukvarjajo z manjšim številom različnih predmetov (na primer ljudje, tudi enojajčni dvojčki).

Po zbiranju podatkov naš um, ki jih poskuša organizirati, začne graditi slike ali razlage. To je delo človeške misli. Ta stopnja se imenuje faza postavljanje hipoteze. Konstrukcija splošne hipoteze na podlagi dobljenih opazovanj poteka z induktivnim sklepanjem, ki vsebuje posplošitev in zato velja za najbolj nezanesljivo vrsto sklepanja. In ne glede na to, kako poskušajo umetno zgraditi zaključke, je v okviru znanstvene metode tovrstna dejavnost omejena, saj na naslednjih stopnjah hipoteza trči v resničnost.

Pogosto je hipoteza v celoti ali delno oblikovana v jeziku, ki se razlikuje od vsakdanjega govora, v jeziku matematike. Pridobivanje matematičnih veščin zahteva veliko truda, sicer bodo morali tisti, ki niso vešči matematike, pri razlagi znanstvenih hipotez prevesti matematične pojme v vsakdanji jezik. Na žalost lahko pomembno vpliva na pomen hipoteze.

Ko je hipoteza sestavljena, jo je mogoče uporabiti za napovedovanje določenih dogodkov, ki bi se morali zgoditi, če je hipoteza resnična. to napoved izpeljati iz hipoteze z deduktivnim sklepanjem. To na primer pravi Newtonov drugi zakon F = ta.če T je enako 3 enotam mase in A - 5 enot pospeška, potem mora biti F enak 15 enotam sile. Na tej stopnji lahko matematične izračune izvajajo računalniki, ki delujejo na podlagi deduktivne metode.

Naslednja faza je izvedba izkušnje, da ugotovite, ali je napoved iz prejšnjega koraka potrjena. Nekatere poskuse je precej enostavno izvesti, pogosteje pa je izjemno težko. Tudi po izdelavi zapletene in drage znanstvene opreme za proizvodnjo zelo dragocenih podatkov je pogosto težko najti denar in nato potrpežljivost, ki je potrebna za obdelavo in razumevanje velikega števila podatkov. Prednost naravoslovja je v tem, da lahko izolira predmet, ki se preučuje, medtem ko se morajo humanistične in družboslovne vede ukvarjati s številnimi spremenljivkami, ki so odvisne od različnih pogledov (pristranskosti) mnogih ljudi.

Po zaključku poskusov se njihovi rezultati preverijo glede na napovedi. Ker je hipoteza splošna, eksperimentalni podatki pa specifični, rezultat, ko se poskus ujema z napovedjo, hipoteze ne dokazuje, temveč le potrdi. Če pa se izid poskusa ne ujema z napovedjo, se določena stran hipoteze izkaže za napačno. Ta značilnost znanstvene metode, imenovana falsifiabilnost (falsifiabilnost), postavlja določene stroge zahteve za hipoteze. Kot je rekel Albert Einstein: »Nobeno eksperimentiranje ne more dokazati teorije; a en sam poskus je dovolj, da to ovržemo.«

Hipotezo, ki se izkaže za napačno, je treba na nek način revidirati, torej nekoliko spremeniti, temeljito predelati ali popolnoma zavreči. Zelo težko se je odločiti, katere spremembe so primerne. Revidirane hipoteze bodo morale še enkrat skozi isto pot in bodisi bodo preživele bodisi bodo opuščene pri nadaljnjih primerjavah napovedi z izkušnjami.

Druga plat znanstvene metode, ki ne pusti zaiti s poti, je predvajanje Vsak opazovalec z ustreznim usposabljanjem in opremo bi moral biti sposoben ponoviti poskuse ali napovedi in pridobiti primerljive rezultate. Z drugimi besedami, za znanost je značilno nenehno dvojno preverjanje. Na primer, ekipa znanstvenikov iz Nacionalnega laboratorija poimenovana po. Lawrence University of California, Berkeley 2 je poskušal izdelati nov kemični element z izstrelitvijo močnega žarka kriptonskih ionov na svinčeno tarčo in nato proučevanjem nastalih snovi. Leta 1999 so znanstveniki napovedali sintezo elementa z atomsko številko 118.

Sinteza novega elementa je vedno pomemben dogodek. V tem primeru bi lahko njegova sinteza potrdila prevladujoče ideje o stabilnosti težkih elementov. Vendar pa so znanstveniki iz drugih laboratorijev Društva za preučevanje težkih ionov (Darmstadt, Nemčija), Velikega državnega pospeševalnika težkih ionov Univerze v Cayennu (Francija) in Laboratorija za atomsko fiziko Inštituta za fiziko in kemijo Riken ( Japonska) ni uspelo ponoviti sinteze elementa 118. Razširjena ekipa laboratorija Berkeley je poskus ponovila, vendar tudi njemu ni uspelo reproducirati predhodno pridobljenih rezultatov. Berkeley je ponovno preveril prvotne eksperimentalne podatke s programom s spremenjeno kodo in ni mogel potrditi prisotnosti elementa 118. Svojo prijavo so morali umakniti. Ta primer kaže, da je znanstveno iskanje neskončno.

Včasih se poleg poskusov ponovno testirajo tudi hipoteze. Februarja 2001 je Brookhaven National Laboratory v New Yorku poročal o eksperimentu, v katerem magnetni moment miona (kot elektron negativno nabitega delca, vendar veliko težji) nekoliko presega vrednost, ki jo predvideva standardni model fizike delcev (za več o tem modelu glejte poglavje .2). In ker so se predpostavke standardnega modela o številnih drugih lastnostih delcev zelo dobro ujemale z eksperimentalnimi podatki, je takšno neskladje glede velikosti mionovega magnetnega momenta uničilo osnovo standardnega modela.

Napoved mionovega magnetnega momenta je bila rezultat kompleksnih in dolgotrajnih izračunov, ki so jih neodvisno izvedli znanstveniki na Japonskem in v New Yorku leta 1995. Novembra 2001 so te izračune ponovili francoski fiziki, ki so v enem od členov enačbe odkrili napačen negativni predznak in svoje rezultate objavili na internetu. Posledično je skupina Brookhaven ponovno preverila lastne izračune, priznala napako in objavila popravljene rezultate. Posledično je bilo mogoče zmanjšati neskladje med napovedjo in eksperimentalnimi podatki. Standardni model bo ponovno moral prestati teste, ki mu jih pripravljajo tekoče znanstvene raziskave.

Spodaj je seznam nerešeni problemi sodobne fizike. Nekatere od teh težav so teoretične. To pomeni, da obstoječe teorije ne morejo pojasniti določenih opazovanih pojavov ali eksperimentalnih rezultatov. Druge težave so eksperimentalne, kar pomeni, da obstajajo težave pri ustvarjanju eksperimenta za preizkušanje predlagane teorije ali za podrobnejšo študijo pojava. Naslednji problemi so bodisi temeljni teoretični problemi bodisi teoretične ideje, za katere ni eksperimentalnih dokazov. Nekatere od teh težav so med seboj tesno povezane. Na primer, dodatne dimenzije ali supersimetrija lahko rešijo problem hierarhije. Menijo, da je popolna teorija kvantne gravitacije sposobna odgovoriti na večino naštetih vprašanj (razen problema otoka stabilnosti).

• 1. Kvantna gravitacija. Ali je mogoče kvantno mehaniko in splošno relativnost združiti v eno samokonsistentno teorijo (morda kvantno teorijo polja)? Ali je prostor-čas zvezen ali je diskreten? Ali bo samokonsistentna teorija uporabila hipotetični graviton ali bo v celoti produkt diskretne strukture prostora-časa (kot v zanki kvantni gravitaciji)? Ali obstajajo odstopanja od napovedi splošne teorije relativnosti za zelo majhne ali zelo velike lestvice ali druge ekstremne okoliščine, ki izhajajo iz teorije kvantne gravitacije?
• 2. Črne luknje, izginotje informacij v črni luknji, Hawkingovo sevanje. Ali črne luknje proizvajajo toplotno sevanje, kot napoveduje teorija? Ali to sevanje vsebuje informacije o njihovi notranji strukturi, kot nakazuje dvojnost nespremenljivosti merilnika gravitacije, ali ne, kot nakazuje Hawkingov prvotni izračun? Če ne in črne luknje lahko nenehno izhlapevajo, kaj se potem zgodi z informacijami, shranjenimi v njih (kvantna mehanika ne predvideva uničenja informacij)? Ali pa se bo sevanje ustavilo na neki točki, ko bo od črne luknje ostalo le malo? Ali obstaja še kakšen način za preučevanje njihove notranje strukture, če taka sploh obstaja? Ali zakon o ohranitvi barionskega naboja velja znotraj črne luknje? Dokaz načela kozmične cenzure, kot tudi natančna formulacija pogojev, pod katerimi je izpolnjena, nista znana. Popolne in popolne teorije o magnetosferi črnih lukenj ni. Natančna formula za izračun števila različnih stanj sistema, katerega kolaps povzroči nastanek črne luknje z dano maso, vrtilno količino in nabojem, ni znana. Za črno luknjo v splošnem primeru ni znanega dokaza "teorema brez las".
• 3. Razsežnost prostor-čas. Ali poleg štirih, ki jih poznamo, v naravi obstajajo še dodatne dimenzije prostora-časa? Če da, kakšno je njihovo število? Ali je dimenzija »3+1« (ali višja) apriorna lastnost vesolja ali je rezultat drugih fizičnih procesov, kot nakazuje na primer teorija vzročne dinamične triangulacije? Ali lahko eksperimentalno »opazujemo« višje prostorske dimenzije? Ali drži holografski princip, po katerem je fizika našega »3+1«-dimenzionalnega prostora-časa enakovredna fiziki na hiperpovršini z »2+1« dimenzijo?
• 4. Inflacijski model vesolja. Ali je teorija kozmične inflacije resnična in če je, kakšne so podrobnosti te stopnje? Kakšno je hipotetično inflatonsko polje, ki je odgovorno za naraščajočo inflacijo? Če je do inflacije prišlo na eni točki, ali je to začetek samovzdrževalnega procesa zaradi inflacije kvantno mehanskih nihanj, ki se bo nadaljeval na povsem drugem mestu, oddaljenem od te točke?
• 5. Multiverse. Ali obstajajo fizični razlogi za obstoj drugih vesolj, ki jih v osnovi ni mogoče opazovati? Na primer: ali obstajajo kvantnomehanske »alternativne zgodovine« ali »številni svetovi«? Ali obstajajo »druga« vesolja s fizikalnimi zakoni, ki izhajajo iz alternativnih načinov prekinitve navidezne simetrije fizičnih sil pri visokih energijah, ki se nahajajo morda neverjetno daleč stran zaradi kozmične inflacije? Ali bi lahko druga vesolja vplivala na naše in povzročila na primer anomalije v porazdelitvi temperature kozmičnega mikrovalovnega sevanja ozadja? Ali je za reševanje globalnih kozmoloških dilem upravičeno uporabljati antropični princip?
• 6. Načelo kozmične cenzure in hipoteza zaščite kronologije. Ali lahko singularnosti, ki niso skrite za obzorjem dogodkov, znane kot "gole singularnosti", izhajajo iz realističnih začetnih pogojev ali pa je mogoče dokazati neko različico "hipoteze kozmične cenzure" Rogerja Penrosa, ki nakazuje, da je to nemogoče? V zadnjem času so se pojavila dejstva v prid nedoslednosti hipoteze o kozmični cenzuri, kar pomeni, da bi se morale gole singularnosti pojavljati veliko pogosteje kot zgolj kot ekstremne rešitve Kerr-Newmanovih enačb, vendar prepričljivih dokazov za to še ni bilo. Podobno bodo obstajale zaprte časovne krivulje, ki se pojavljajo v nekaterih rešitvah enačb splošne relativnosti (in nakazujejo možnost potovanja nazaj v času), ki jih teorija kvantne gravitacije izključuje, ki združuje splošno relativnost s kvantno mehaniko, kot nakazuje Stephenova "domneva o zaščiti kronologije" Hawking?
• 7. Časovna os. Kaj lahko o naravi časa povedo pojavi, ki se med seboj razlikujejo po premikanju naprej in nazaj v času? Kako se čas razlikuje od prostora? Zakaj so kršitve CP opažene le pri nekaterih šibkih interakcijah in nikjer drugje? Ali so kršitve invariantnosti CP posledica drugega zakona termodinamike ali gre za ločeno časovno os? Ali obstajajo izjeme od načela vzročne zveze? Je preteklost edina možna? Ali se sedanji trenutek fizično razlikuje od preteklosti in prihodnosti ali je le posledica značilnosti zavesti? Kako so se ljudje naučili pogajati, kaj je sedanji trenutek? (Glej tudi spodaj Entropija (časovna os)).
• 8. Kraj. Ali v kvantni fiziki obstajajo nelokalni pojavi? Če obstajajo, ali imajo omejitve pri prenosu informacij oziroma: ali se lahko energija in snov gibljeta tudi po nelokalni poti? Pod kakšnimi pogoji opazimo nelokalne pojave? Kaj pomeni prisotnost ali odsotnost nelokalnih pojavov za temeljno strukturo prostora-časa? Kako je to povezano s kvantno prepletenostjo? Kako si lahko to razlagamo s stališča pravilne interpretacije temeljne narave kvantne fizike?
• 9. Prihodnost vesolja. Ali se vesolje usmerja proti velikemu zmrzovanju, velikemu raztrganju, velikemu škrtanju ali velikemu odskoku? Je naše vesolje del neskončno ponavljajočega se cikličnega vzorca?
• 10. Problem hierarhije. Zakaj je gravitacija tako šibka sila? Velika postane šele na Planckovi lestvici, za delce z energijami reda 10 19 GeV, kar je veliko več od elektrošibke lestvice (v nizkoenergijski fiziki je prevladujoča energija 100 GeV). Zakaj se te lestvice med seboj tako razlikujejo? Kaj preprečuje, da bi elektrošibke količine, kot je masa Higgsovega bozona, prejele kvantne popravke na lestvicah Planckovega reda? Je supersimetrija, dodatne dimenzije ali samo antropična fina nastavitev rešitev za ta problem?
• 11. Magnetni monopol. Ali so delci - nosilci "magnetnega naboja" - obstajali v kakšnih preteklih obdobjih z višjimi energijami? Če je tako, ali so danes na voljo? (Paul Dirac je pokazal, da lahko prisotnost določenih vrst magnetnih monopolov pojasni kvantizacijo naboja.)
• 12. Razpad protona in Velika združitev. Kako lahko poenotimo tri različne kvantnomehanske temeljne interakcije kvantne teorije polja? Zakaj je najlažji barion, ki je proton, absolutno stabilen? Če je proton nestabilen, kakšna je potem njegova razpolovna doba?
• 13. Supersimetrija. Ali je v naravi realizirana supersimetrija prostora? Če da, kakšen je mehanizem zloma supersimetrije? Ali supersimetrija stabilizira elektrošibko lestvico in preprečuje visoke kvantne popravke? Ali je temna snov sestavljena iz svetlih supersimetričnih delcev?
• 14. Generacije snovi. Ali obstajajo več kot tri generacije kvarkov in leptonov? Ali je število generacij povezano z dimenzijo prostora? Zakaj generacije sploh obstajajo? Ali obstaja teorija, ki bi lahko pojasnila prisotnost mase v nekaterih kvarkih in leptonih v posameznih generacijah na podlagi prvih principov (Yukawa interakcijska teorija)?
• 15. Osnovna simetrija in nevtrini. Kakšna je narava nevtrinov, kakšna je njihova masa in kako so oblikovali razvoj vesolja? Zakaj je zdaj v vesolju odkritih več snovi kot antimaterije? Katere nevidne sile so bile prisotne ob zori vesolja, a so izginile iz vidnega polja, ko se je vesolje razvijalo?
• 16. Kvantna teorija polja. Ali so načela relativistične lokalne kvantne teorije polja združljiva z obstojem netrivialne matrike sipanja?
• 17. Brezmasni delci. Zakaj brezmasni delci brez spina ne obstajajo v naravi?
• 18. Kvantna kromodinamika. Kakšna so fazna stanja močno medsebojno delujoče snovi in ​​kakšno vlogo igrajo v prostoru? Kakšna je notranja struktura nukleonov? Katere lastnosti močno medsebojno delujoče snovi napoveduje QCD? Kaj nadzira prehod kvarkov in gluonov v pi-mezone in nukleone? Kakšna je vloga gluonov in gluonske interakcije v nukleonih in jedrih? Kaj opredeljuje ključne značilnosti QCD in kakšen je njihov odnos do narave gravitacije in prostor-časa?
• 19. Atomsko jedro in jedrska astrofizika. Kakšna je narava jedrskih sil, ki vežejo protone in nevtrone v stabilna jedra in redke izotope? Kaj je razlog, da se enostavni delci združijo v kompleksna jedra? Kakšna je narava nevtronskih zvezd in goste jedrske snovi? Kakšen je izvor elementov v vesolju? Katere so jedrske reakcije, ki poganjajo zvezde in povzročajo njihovo eksplozijo?
• 20. Otok stabilnosti. Katero je najtežje stabilno ali metastabilno jedro, ki lahko obstaja?
• 21. Kvantna mehanika in princip korespondence (včasih imenovan kvantni kaos). Ali obstajajo prednostne interpretacije kvantne mehanike? Kako kvantni opis realnosti, ki vključuje elemente, kot so kvantna superpozicija stanj in kolaps valovne funkcije ali kvantna dekoherenca, vodi do realnosti, ki jo vidimo? Isto stvar lahko formuliramo z uporabo merilnega problema: kakšna je "meritev", ki povzroči kolaps valovne funkcije v določeno stanje?
• 22. Fizične informacije. Ali obstajajo fizični pojavi, kot so črne luknje ali kolaps valovne funkcije, ki trajno uničijo informacije o njihovih prejšnjih stanjih?
• 23. Teorija vsega (»Grand Unified Theories«). Ali obstaja teorija, ki pojasnjuje vrednosti vseh osnovnih fizikalnih konstant? Ali obstaja teorija, ki pojasnjuje, zakaj je merilna invariantnost standardnega modela takšna, kot je, zakaj ima opazovani prostor-čas 3+1 dimenzijo in zakaj so zakoni fizike takšni, kot so? Ali se »temeljne fizikalne konstante« s časom spreminjajo? Ali je kateri od delcev v standardnem modelu fizike delcev dejansko sestavljen iz drugih delcev, ki so med seboj tako tesno povezani, da jih ni mogoče opazovati pri trenutnih eksperimentalnih energijah? Ali obstajajo temeljni delci, ki še niso bili opaženi, in če da, kaj so in kakšne so njihove lastnosti? Ali obstajajo neopazne temeljne sile, ki jih teorija predlaga in ki pojasnjujejo druge nerešene probleme v fiziki?
• 24. Merilna invariantnost. Ali res obstajajo neabelske merilne teorije z vrzeljo v masnem spektru?
• 25. CP simetrija. Zakaj CP simetrija ni ohranjena? Zakaj se ohranja v večini opazovanih procesov?
• 26. Fizika polprevodnikov. Kvantna teorija polprevodnikov ne more natančno izračunati ene same konstante polprevodnika.
• 27. Kvantna fizika. Natančna rešitev Schrödingerjeve enačbe za večelektronske atome ni znana.
• 28. Pri reševanju problema sipanja dveh žarkov na eni oviri se izkaže, da je presek sipanja neskončno velik.
• 29. Feynmanium: Kaj se bo zgodilo s kemičnim elementom, katerega atomsko število je večje od 137, zaradi česar se bo moral 1s 1 elektron gibati s hitrostjo, ki presega svetlobno hitrost (po Bohrovem modelu atoma) ? Ali je Feynmanium zadnji kemični element, ki lahko fizično obstaja? Težava se lahko pojavi okoli elementa 137, kjer razširitev porazdelitve jedrskega naboja doseže končno točko. Oglejte si članek Razširjeni periodni sistem elementov in razdelek Relativistični učinki.
• 30. Statistična fizika. Ne obstaja sistematična teorija ireverzibilnih procesov, ki bi omogočala izvajanje kvantitativnih izračunov za kateri koli fizični proces.
• 31. Kvantna elektrodinamika. Ali obstajajo gravitacijski učinki, ki jih povzročajo nihanja ničelne točke elektromagnetnega polja? Ni znano, kako pri izračunu kvantne elektrodinamike v visokofrekvenčnem območju hkrati zadostiti pogojem končnosti rezultata, relativistične invariantnosti in vsote vseh alternativnih verjetnosti, enake enoti.
• 32. Biofizika. Za kinetiko konformacijske relaksacije beljakovinskih makromolekul in njihovih kompleksov ni kvantitativne teorije. Popolne teorije o prenosu elektronov v bioloških strukturah ni.
• 33. Superprevodnost. Nemogoče je teoretično napovedati, če poznamo zgradbo in sestavo snovi, ali bo z nižanjem temperature prešla v superprevodno stanje.

• Prevajanje

Naš standardni model osnovnih delcev in interakcij je nedavno postal popoln, kot bi si lahko želeli. Vsak posamezen elementarni delec – v vseh možnih oblikah – je bil ustvarjen v laboratoriju, izmerjen in določene njegove lastnosti. Najdlje obstojni, top kvark, antikvark, tau nevtrino in antinevtrino ter končno Higgsov bozon, so postali žrtev naših zmožnosti.

In slednji - Higgsov bozon - je rešil tudi star problem fizike: končno lahko pokažemo, od kod osnovnim delcem masa!

Vse to je kul, vendar se znanost ne konča, ko končate z reševanjem te uganke. Nasprotno, odpira pomembna vprašanja in eno izmed njih je "kaj pa?" Glede standardnega modela lahko rečemo, da še ne vemo vsega. In za večino fizikov je eno vprašanje še posebej pomembno - da bi ga opisali, najprej razmislimo o naslednji lastnosti standardnega modela.

Po eni strani so lahko šibke, elektromagnetne in močne sile zelo pomembne, odvisno od njihovih energij in razdalj, na katerih pride do interakcije. Vendar to ne velja za gravitacijo.

Vzamemo lahko katera koli dva osnovna delca – katere koli mase in podvržena kakršnim koli interakcijam – in ugotovimo, da je gravitacija za 40 velikostnih redov šibkejša od katere koli druge sile v vesolju. To pomeni, da je gravitacijska sila 10 40-krat šibkejša od treh preostalih sil. Na primer, čeprav nista temeljna, če vzamete dva protona in ju ločite za meter, bo elektromagnetni odboj med njima 10 40-krat močnejši od gravitacijske privlačnosti. Ali z drugimi besedami, silo težnosti moramo povečati za faktor 10,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000, da bo enaka kateri koli drugi sili.

V tem primeru ne morete preprosto povečati mase protona za 10 20-krat, tako da ju gravitacija potegne skupaj in premaga elektromagnetno silo.

Namesto tega morate združiti 10 56 protonov, da se spontano pojavijo reakcije, kot je prikazana zgoraj, ko protoni premagajo svoj elektromagnetni odboj. Le tako, da se združijo in podležejo gravitacijski sili, lahko premagajo elektromagnetizem. Izkazalo se je, da 10 56 protonov predstavlja najmanjšo možno maso zvezde.

To je opis delovanja vesolja – vendar ne vemo, zakaj deluje tako, kot deluje. Zakaj je gravitacija toliko šibkejša od drugih interakcij? Zakaj je "gravitacijski naboj" (tj. masa) toliko šibkejši od električnega ali barvnega ali celo šibkejši?

To je problem hierarhije in je iz več razlogov največji nerešen problem v fiziki. Odgovora ne poznamo, ne moremo pa reči, da smo popolnoma nevedni. V teoriji imamo nekaj dobrih idej za iskanje rešitve in orodje za iskanje dokazov o njihovi pravilnosti.

Doslej je veliki hadronski trkalnik – trkalnik z najvišjo energijsko vrednostjo – v laboratoriju dosegel nivoje energije brez primere, zbral množico podatkov in rekonstruiral, kaj se je zgodilo na točkah trka. To vključuje ustvarjanje novih, doslej nevidenih delcev (kot je Higgsov bozon) in pojav starih, dobro znanih delcev standardnega modela (kvarkov, leptonov, merilnih bozonov). Prav tako je sposoben, če obstajajo, proizvesti vse druge delce, ki niso vključeni v standardni model.

Obstajajo štirje možni načini, ki jih poznam – to so štiri dobre ideje – za rešitev problema hierarhije. Dobra novica je, da če je narava izbrala enega od njih, ga bo LHC našel! (In če ne, se bo iskanje nadaljevalo).

Razen Higgsovega bozona, ki so ga našli pred nekaj leti, na LHC niso našli novih osnovnih delcev. (Poleg tega sploh ni opaziti zanimivih novih kandidatov za delce). In vendar je najdeni delec popolnoma ustrezal opisu standardnega modela; ni bilo videti nobenih statistično pomembnih namigov nove fizike. Ne za sestavljene Higgsove bozone, ne za več Higgsovih delcev, ne za nestandardne razpade, nič takega.

Zdaj pa smo začeli pridobivati ​​podatke iz še višjih energij, dvakrat večjih od prejšnjih, do 13-14 TeV, da bi našli nekaj drugega. In kakšne so možne in razumne rešitve problema hierarhije v tem smislu?

1) Supersimetrija ali SUSY. Supersimetrija je posebna simetrija, ki lahko povzroči, da se običajne mase delcev, ki so dovolj veliki, da je gravitacija primerljiva z drugimi vplivi, med seboj izničijo z visoko stopnjo natančnosti. Ta simetrija tudi nakazuje, da ima vsak delec v standardnem modelu partnerja superdelca in da obstaja pet Higgsovih delcev in njihovih pet superpartnerjev. Če takšna simetrija obstaja, jo je treba porušiti, sicer bi imeli superpartnerji enake mase kot navadni delci in bi jih že zdavnaj našli.

Če SUSY obstaja na lestvici, ki je primerna za rešitev problema hierarhije, potem bi moral LHC, ki dosega energije 14 TeV, najti vsaj enega superpartnerja, pa tudi drugi Higgsov delec. V nasprotnem primeru bo obstoj zelo težkih superpartnerjev sam po sebi vodil do še enega hierarhičnega problema, ki ne bo imel dobre rešitve. (Zanimivo je, da bi odsotnost delcev SUSY pri vseh energijah ovrgla teorijo strun, saj je supersimetrija nujen pogoj za teorije strun, ki vsebujejo standardni model osnovnih delcev).

Tukaj je prva možna rešitev problema hierarhije, ki trenutno nima dokazov.

Možno je ustvariti majhne super ohlajene nosilce, napolnjene s piezoelektričnimi kristali (ki proizvajajo elektriko, ko so deformirani), z razdaljami med njimi. Ta tehnologija nam omogoča, da določimo omejitve 5-10 mikronov pri "velikih" meritvah. Z drugimi besedami, gravitacija deluje v skladu z napovedmi splošne teorije relativnosti na lestvicah, veliko manjših od milimetra. Torej, če obstajajo velike dodatne dimenzije, so na energijskih ravneh, ki so LHC nedostopne in, kar je še pomembneje, ne rešujejo problema hierarhije.

Seveda lahko za problem hierarhije obstaja povsem drugačna rešitev, ki je na sodobnih trkalnikih ni mogoče najti ali pa je sploh ni; lahko je samo lastnost narave brez kakršne koli razlage za to. Toda znanost ne bo napredovala brez poskusov, in to je tisto, kar poskušajo doseči te ideje in prizadevanja: pospešiti naše znanje o vesolju. In kot vedno, z začetkom druge vožnje LHC, se veselim, da vidim, kaj se lahko pojavi tam, poleg že odkritega Higgsovega bozona!

Oznake:

• gravitacija
• temeljne interakcije
• rezervoar