8 největších záhad fyziky, které stále nebyly vyřešeny

10 záhad z oblasti fyziky, jejichž řešení je zajímavé nejen pro vědce

Dostávejte jeden z nejčtenějších článků e-mailem jednou denně. Připojte se k nám na Zen a VKontakte.

Předplatné
Z odběru se můžete kdykoli odhlásit.

Kvantová fyzika – existuje více otázek než odpovědí.

Sci-fi je jasným potvrzením toho, že fyzika může zajímat nejen vědce, ale i lidi daleko od výzkumných laboratoří. Knihy a filmy samozřejmě nehovoří o vědeckých teoriích, ale zábavnou a zajímavou formou předkládají fyzikální fakta. Tato recenze obsahuje tucet záhad z oblasti fyziky, které vědci dosud nevysvětlili.

1. Ultravysoké energetické paprsky

Nevyřešený problém: odkud se bere ultravysoké kosmické záření?

Atmosféra Země je neustále bombardována vysokoenergetickými částicemi z vesmíru nazývanými „kosmické záření“. Přestože lidem příliš neškodí, fyziky jimi fascinují. Pozorování kosmického záření naučilo vědce hodně o astrofyzice a fyzice částic. Jsou ale paprsky, které dodnes zůstávají záhadou. V roce 1962, během experimentu Volcano Ranch, John D. Linsley a Livio Scarsi viděli něco neuvěřitelného: kosmické záření s ultravysokou energií s energií více než 16 joulů.

Abychom jasně vysvětlili, kolik to je, můžeme uvést následující příklad: jeden joule je množství energie potřebné k zvednutí jablka z podlahy na stůl. Veškerá tato energie se však soustředila do částice sto milionů miliardkrát menší než jablko. Fyzici netuší, jak tyto částice získávají tak neuvěřitelné množství energie.

2. Inflační model vesmíru

Nevyřešený problém: má vesmír inflační model?

Vesmír je ve velkých měřítcích pozoruhodně jednotný. Takzvaný „kosmologický princip“ říká, že kamkoli ve vesmíru půjdete, v průměru tam bude přibližně stejné množství materiálu. Teorie velkého třesku ale naznačuje, že v době vzniku vesmíru musely existovat velké rozdíly v hustotě. Byl tedy mnohem méně homogenní, než je dnešní vesmír.

Inflační model naznačuje, že vesmír, který dnes každý vidí, pochází z malého objemu raného vesmíru. Tento malý objem se náhle a rychle rozšířil, mnohem rychleji, než se dnes rozpíná vesmír. Řečeno na rovinu, vypadalo to, jako by se balón náhle nafoukl vzduchem. I když to vysvětluje, proč je vesmír dnes homogennější, fyzici stále nevědí, co tuto inflaci způsobilo.

3. Temná energie a temná hmota

Nevyřešený problém: lze najít temnou energii a temnou hmotu?

Je to úžasný fakt: jen asi 5 procent vesmíru se skládá z toho, co lidé mohou vidět. Před několika desetiletími si fyzici všimli, že hvězdy na vnějších okrajích galaxií se točí kolem středu těchto galaxií rychleji, než se předpokládalo, aby to vědci vysvětlili, že v těchto galaxiích může být nějaký druh neviditelné „temné“ hmoty, která způsobila vznik těchto galaxií. aby se hvězdy točily rychleji.

Po vzniku této teorie vedla další pozorování rozpínajícího se Vesmíru fyziky k závěru, že temné hmoty musí být pětkrát více než čehokoli, co mohou lidé vidět (tedy běžné hmoty). Spolu s tím vědci vědí, že expanze vesmíru se skutečně zrychluje. To je zvláštní, protože by se dalo očekávat, že gravitační přitažlivost hmoty („pravidelné“ a „temné“) zpomalí rozpínání vesmíru.

Aby vysvětlili, co vyvažuje gravitační přitažlivost hmoty, vědci navrhli existenci „temné energie“, která přispívá k expanzi vesmíru. Fyzici se domnívají, že nejméně 70 procent vesmíru je ve formě „temné energie“. Přesto dodnes nebyly částice tvořící temnou hmotu a pole tvořící temnou energii nikdy přímo v laboratoři pozorovány. Ve skutečnosti vědci nevědí nic o 95 procentech vesmíru.

4. Srdce černé díry

Nevyřešený problém: co je v srdci černé díry?

Černé díry jsou jedním z nejznámějších objektů v astrofyzice. Lze je popsat jako oblasti časoprostoru s tak silnými gravitačními poli, že světlo nemůže zevnitř ani prorazit. Od doby, kdy Albert Einstein ve své obecné teorii relativity dokázal, že gravitace „ohýbá“ prostor a čas, vědci vědí, že světlo není imunní vůči gravitačním účinkům.

Ve skutečnosti byla Einsteinova teorie prokázána během zatmění Slunce, které prokázalo, že gravitace Slunce odklání světelné paprsky přicházející ze vzdálených hvězd. Od té doby bylo pozorováno mnoho černých děr, včetně té obrovské, která se nachází ve středu naší galaxie. Ale záhada toho, co se děje v srdci černé díry, stále není vyřešena.

Někteří fyzici se domnívají, že může existovat „singularita“ – bod nekonečné hustoty s nějakou hmotou soustředěnou v nekonečně malém prostoru. Stále se však diskutuje o tom, zda se informace neztrácejí uvnitř černých děr, které pohlcují všechny částice a záření. Černé díry sice vyzařují Hawkingovo záření, ale neobsahuje žádné další informace o tom, co se děje uvnitř černé díry.

5. Inteligentní život mimo Zemi

Nevyřešený problém: existuje inteligentní život mimo Zemi?

Od nepaměti lidé snili o mimozemšťanech, když se dívali na noční oblohu a přemýšleli, jestli by tam někdo mohl žít. Ale v posledních desetiletích bylo objeveno mnoho důkazů, že to není jen sen. Pro začátek, exoplanety jsou mnohem běžnější, než se dříve myslelo, přičemž většina hvězd má planetární systémy. Je také známo, že časový odstup mezi tím, kdy se na Zemi objevil život a kdy se objevil inteligentní život, je velmi malý. Znamená to, že na mnoha místech měl vzniknout život?

Pokud je to tak, pak musíme odpovědět na slavný „Fermiho paradox“: proč lidé ještě nepřišli do kontaktu s mimozemšťany. Život může být obyčejný, ale inteligentní život je vzácný. Možná se po nějaké době všechny civilizace rozhodnou nekomunikovat s jinými formami života. Možná jen nechtějí mluvit s lidmi. Nebo, kupodivu, možná to ukazuje, že mnoho mimozemských civilizací se zničí brzy poté, co se stanou dostatečně technologicky vyspělými, aby mohly komunikovat.

6. Cestování rychleji, než je rychlost světla

Nevyřešený problém: Může něco cestovat rychleji, než je rychlost světla?

Od té doby, co Einstein svou speciální teorií relativity změnil celou fyziku, byli fyzici přesvědčeni, že nic nemůže cestovat rychleji než rychlostí světla. Ve skutečnosti teorie relativity říká, že když se jakákoliv hmota pohybuje rychlostí blízkou rychlosti světla, vyžaduje obrovskou energii. To je vidět na výše zmíněných ultravysokoenergetických kosmických paprscích. Vzhledem ke své velikosti mají mimořádnou energii, ale také necestují rychleji, než je rychlost světla.

Přísné omezení rychlosti světla může také vysvětlit, proč jsou zprávy od mimozemských civilizací nepravděpodobné. Pokud jsou také omezeny tímto faktorem, pak signály mohou trvat tisíce let. V roce 2011 experiment OPERA přinesl předběžné výsledky, které naznačovaly, že neutrina cestují rychleji, než je rychlost světla.

Vědci si později všimli některých chyb ve svém experimentálním nastavení, což potvrdilo, že výsledky byly nesprávné. V každém případě, pokud existuje nějaký způsob, jak přenášet hmotu nebo informace rychleji, než je rychlost světla, nepochybně to změní svět.

7. Způsob popisu turbulence

Nevyřešený problém: je možné najít způsob, jak popsat turbulence?

Pokud se vrátíte z vesmíru na Zemi, ukáže se, že v každodenním životě je mnoho věcí, které je těžké pochopit. Jednoduchý příklad nemusíte hledat daleko – kohoutek si můžete zapnout doma. Pokud ji neotevřete až na doraz, voda poteče plynule (říká se tomu „laminární proudění“). Pokud ale kohoutek otevřete úplně, voda začne téct nerovnoměrně a cákat. Toto je nejjednodušší příklad turbulence. V mnoha ohledech je turbulence ve fyzice stále nevyřešeným problémem.

8. Supravodič pokojové teploty

Nevyřešený problém: je možné vytvořit supravodič při pokojové teplotě?

Supravodiče jsou jedny z nejdůležitějších zařízení a technologií, které kdy lidé objevili. Jedná se o speciální druh materiálu. Když teplota klesne dostatečně nízko, elektrický odpor materiálu klesne na nulu. To znamená, že je možné získat obrovský proud po přivedení malého napětí na supravodič.

Elektrický proud může teoreticky téci v supravodivém drátu miliardy let, aniž by se rozptýlil, protože jeho toku neklade žádný odpor. V moderních konvenčních drátech a kabelech se značná část energie ztrácí kvůli odporu. Supravodiče by mohly snížit tyto ztráty na nulu.

Je tu jeden problém – dokonce i vysokoteplotní supravodiče musí být ochlazeny na minus 140 stupňů Celsia, než začnou vykazovat své pozoruhodné vlastnosti. Chlazení na takto nízké teploty obvykle vyžaduje tekutý dusík nebo něco podobného. Proto je velmi drahý. Mnoho fyziků po celém světě se snaží vytvořit supravodič, který by mohl fungovat při pokojové teplotě.

9. Hmota a antihmota

Nevyřešený problém: proč je více hmoty než antihmoty?

V některých ohledech lidé stále nevědí, proč vůbec něco existuje. Pro každou částici existuje „opačná“ částice, nazývaná antičástice. Takže pro elektrony existují pozitrony, pro protony jsou antiprotony a tak dále. Pokud se částice někdy dotkne své antičástice, anihiluje a změní se v záření.

Není žádným překvapením, že antihmota je neuvěřitelně vzácná, protože všechno by bylo jednoduše zničeno. Někdy se zachytí v kosmickém záření. Vědci také dokážou vyrobit antihmotu v urychlovačích částic, ale to bude stát biliony dolarů za gram. Obecně je však antihmota (podle vědců) v našem Vesmíru neuvěřitelně vzácná. Proč tomu tak je, je skutečnou záhadou.

Jen nikdo neví, proč našemu Vesmíru dominuje hmota a ne antihmota, protože každý známý proces měnící energii (záření) na hmotu produkuje stejné množství hmoty a antihmoty. Wilderova teorie naznačuje, že mohou existovat celé oblasti vesmíru, kterým dominuje antihmota.

10. Jednotná teorie

Nevyřešený problém: lze vytvořit jednotnou teorii?

Ve 20. století byly vyvinuty dvě velké teorie, které ve fyzice mnohé vysvětlily. Jedním z nich byla kvantová mechanika, která podrobně popsala, jak se chovají a interagují drobné subatomární částice. Kvantová mechanika a standardní model částicové fyziky vysvětlily tři ze čtyř fyzikálních sil v přírodě: elektromagnetismus a silné a slabé jaderné síly.

Další velkou teorií byla Einsteinova obecná teorie relativity, která vysvětlovala gravitaci. V obecné teorii relativity nastává gravitace, když přítomnost hmoty ohýbá prostor a čas, což způsobuje, že částice sledují specifické zakřivené dráhy. To může vysvětlit věci, které se dějí v největším měřítku – vznik galaxií a hvězd. Je tu jen jeden problém. Tyto dvě teorie jsou neslučitelné.

Vědci nedokážou vysvětlit gravitaci způsobem, který dává smysl v kvantové mechanice, a obecná teorie relativity nezahrnuje účinky kvantové mechaniky. Pokud můžeme říci, obě teorie jsou správné. Ale zdá se, že spolu nefungují. Fyzici dlouho pracovali na nějakém řešení, které by mohlo obě teorie uvést do souladu. Říká se tomu Velká jednotná teorie nebo jednoduše Teorie všeho. Pátrání pokračuje.