10 главных загадок физики, решение которых изменит наши представления о Вселенной

Где соединяется микро- и макромир?

«Если вам кажется, что вы понимаете квантовую механику — вы не понимаете квантовую механику», — говорил Ричард Фейнман, американский лауреат Нобелевской премии по физике 1965 года.

Сейчас в физике существует большая коллизия — у нас есть сразу две теории, которые идеально описывают наш мир. При этом они никак между собой не связаны, что приводит нас к двум вариантам: либо в одну из этих теорий закралась ошибка (которую физики безуспешно пытаются найти уже очень давно), либо существует некий «мост» между этими двумя теориями, который мы пока что не нашли.

С одной стороны существует теория относительности Эйнштейна, которая описывает окружающую нас Вселенную и все, что в ней существует в виде пространства-времени. Взаимодействие между объектами происходит с помощью гравитации, которая увеличивается в зависимости от массы объекта. Теория относительности идеально объясняет взаимодействие больших объектов вроде звезд и планет, которые благодаря своей массе обладают мощной гравитацией, влияющей на другие тела.

Однако элементарные частицы практически не обладают гравитацией, которая могла бы существенно влиять на другие объекты. В микромире царствует квантовая механика, которая объясняет взаимодействие элементарных частиц с помощью сразу трех показателей — электромагнитного, сильного и слабого ядерного взаимодействия. Понятие пространства-времени здесь полностью нивелируется, ведь квантовая механика — это полностью хаотичный мир с точки зрения классической физики.

Ученые уже давно пытаются зафиксировать, где же квантовая механика перетекает в теорию относительности и наоборот. Решение этого вопроса поставило бы точку в одной из самых важных загадок науки. Кто-то уверен, что ответ стоит искать в сингулярности черных дыр; многие ученые пытаются найти волшебную теорию всего, самым главным кандидатом которой является теория струн, предполагающая существование квантовой гравитации.

Так или иначе, ответ на этот вопрос станет одним из важнейших решений в современной науке. Тот, кто найдет связь между микро- и макромиром на физическом уровне, станет настоящей научной легендой.

Теория суперструн

Как мы написали выше, теория струн, эволюционировавшая позднее в теорию суперструн, считается одним из главных претендентов на объединение теории относительности и квантовой механики при помощи квантовой гравитации.

Согласно теории струн, сквозь нашу Вселенную проходят мириады ультрамикроскопических струн, которые заменяют все элементарные частицы. Проблема в том, что эта теория не работает в нашем трехмерном мире — она может существовать лишь в 10- или даже 11-мерной Вселенной. Экспериментально проверить, существуют ли другие измерения, мы пока что не можем (и не факт, что эта возможность когда-нибудь у нас появится), а потому и доказать или опровергнуть теорию струн на сегодняшний момент невозможно.

Что такое темная материя?

Строение нашей Вселенной — не меньшая загадка для физиков. Согласно последним подсчетам, на обычную материю — то есть все, что мы видим вокруг себя, включая планеты и звезды — приходится чуть меньше 5% от общей массы Вселенной. Темная материя составляет около 27%, а про остальные 68% мы поговорим чуть ниже.

Темная материя — один из загадочных компонентов космоса, существование которого ученые до сих пор не доказали. Это до сих пор необнаруженный тип материи, который совершенно не взаимодействует со светом, из-за чего более логичным было бы название прозрачная материя. Однако что есть, то есть.

Главным доказательством существования темной материи является ее гравитационное влияние на звезды и галактики, движение которых нельзя объяснить исключительно обычной материей. Считается, что она составляет основу космической паутины — крупнейшей структуры во Вселенной. Переплетения ее «паутинок» мы привыкли называть галактиками.

Откуда взялась темная материя, что удерживает ее в пространстве и какова ее глобальная роль во Вселенной — это лишь малая часть вопросов, ответы на которые ищут ученые. Сейчас их главный приоритет — обнаружить ее напрямую, чтобы практически доказать существование этого компонента Вселенной, иначе очень многие наши предположения и гипотезы о том, как устроен наш мир, будут сломаны.

Что такое темная энергия?

Это остальные 68% нашей Вселенной. Темная энергия — это еще один до сих пор не изученный компонент нашего мира, ответственный за его постоянное расширение. Даже пока вы читали статью до этого момента (или просто доскроллили за несколько секунд), Вселенная стала больше. Однако посчитать этот показатель не так просто — недавно мы написали большой материал о том, как ученые гоняются за решением загадки о расширении Вселенной.

Если говорить просто, то темная энергия — это антипод темной и обычной материи. Пока эти два компонента «стягивают» пространство-время друг ко другу, темная энергия занимается противоположным, «растягивая» его. Однако что ее порождает, в каком виде она существует, зачем вообще Вселенной нужно это невероятное расширение — это все вопросы без ответов.

Почему материи больше, чем антиматерии?

На самом деле даже само существование нашего мира является большой загадкой. Согласно самой распространенной теории его возникновения, во время Большого взрыва в нашей Вселенной появилось равное количество материи и антиматерии. Разница между ними маленькая и огромная одновременно — это разный заряд частицы.

Штука в том, что любое из взаимодействие приведет к полной аннигиляции — частицы вещества и антивещества уничтожат друг друга, выделив при этом невероятное количество энергии. Однако мы до сих пор здесь, создаем и решаем проблемы на Земле, параллельно исследуя постоянно расширяющийся космос. Возникает вопрос — куда делась вся антиматерия и почему наш мир не был уничтожен в первые мгновения своего существования? (Спойлер: возможно, нас спасла кварк-глюонная плазма).

Пятая сила природы

Стандартная модель — это лучшая научная теория, которую создало человечество. Она описывает электромагнитное, сильное и слабое взаимодействие всех элементарных частиц. Также не забываем о гравитации, которая представлена теорией относительности Эйнштейна.

Тем не менее, мы знаем, что Стандартная модель неполная, а потому ученые находятся в постоянном поиске новой физики или пятой силы природы — аномалий, которые расходятся с устоявшимися теоретическими знаниями.

Эксперимент LHCb (Large Hadron Collider beauty experiment), который проводился в 2021 году на Большом адронном коллайдере, показал, что эти поиски, возможно, были не бессмысленными. Уже в этом году будет проведен еще один этап эксперимента, который сможет подтвердить догадки ученых — во всех подробностях об этом интересном путешествии мы рассказывали в этом материале.

Реальна ли термоядерная энергия?

Первая ассоциация, которая возникает у многих людей при упоминании слова «термоядерный» — мощнейший взрыв и гриб из пыли и дыма, который вздымается в самое небо. Однако постепенно этот стереотип будет становиться все менее актуальным, ведь термоядерный синтез — это самый природный процесс из тех, что есть во Вселенной.

Солнце и мириады других звезд — это естественные термоядерные реакторы, которые питают нашу Вселенную. Благодаря работе этих реакторов в нашем мире появились химические элементы, которые сыграли свою важную роль в возникновении жизни на Земле.

Теперь создание термоядерных реакторов может помочь человечеству не только обеспечить весь мир чистой энергией, но и уберечь Землю от климатического кризиса. Проблема в том, что это достаточно сложный процесс — в научном мире уже давно гуляет шутка про то, что до создания рабочего термоядерного реактора осталось 30 лет — и так будет всегда. История шутки в том, что подобные разговоры ведутся с 1950-х годов, когда о перспективности этого направления заговорили впервые.

Однако теперь, как уверяют многие ученые, мы наконец сдвинулись с мертвой точки, а некоторые оптимисты и вовсе уверены — до энергетической революции осталось ждать 10−20 лет.

Существует ли голая сингулярность?

Сингулярность — это гипотетическая точка в пространстве-времени, в которой не работают известные нам законы физики. Согласно теориям, гравитация этих мест настолько мощная, что полностью меняет пространство-время вокруг себя. Многие ученые уверены, что именно сингулярность поможет нам объединить теорию относительности и квантовую механику, однако мы не можем просто взять и исследовать ее. К сожалению.

Проблема в том, что голая сингулярность — то есть та, которая может взаимодействовать со Вселенной — существует в центре черных дыр. Еще одна существовала в самом начале нашего мира, прежде чем Большой взрыв сделал свое дело, а наш мир стал обретать знакомые нам черты. Сначала наш мир был сингулярностью — бесконечно маленькой и сверхплотной точкой.

Одно из предположений о том, как мы сможем «увидеть» сингулярность, предложил заведующий кафедрой астрономии Гарвардского университета Абрахам Леб в 2018 году. Он считает, что ее следы можно будет обнаружить в гравитационных волнах — космических следах мощнейших событий во Вселенной вроде столкновения черных дыр.

Немного иначе к вопросу подошли физики Луис Ленер и Франс Преториус, которые еще более 10 лет назад при помощи компьютерной симуляции показали, что черные дыры могут распадаться и оставлять голые сингулярности. Однако обнаружить их мы не можем, поскольку эти события происходят в недоступном для нас измерении. Общая теория относительности описывает лишь три доступных нам измерения (четвертым считается время), тогда как подобные пертурбации происходят «где-то выше» — например, в пятом измерении, которое предполагает существование параллельных Вселенных.

Сколько существует Вселенная?

В продолжении беседы о сингулярности — если уж мы вспомнили о черных дырах, стоит также упомянуть и рождение Вселенной. Согласно относительно общепринятой теории, наш мир начался с Большого взрыва, который не стоит воспринимать как взрывы, к которым мы привыкли в обычной жизни. Это скорее резкое ресширение пространства во все стороны, а скорость этого процесса постоянно увеличивается. Если это предположение верно, Вселенной приблизительно 13,7 млрд лет.

Однако сейчас все больше ученых предлагают альтернативную теорию — что на самом деле Вселенная существовала… вечно. Большой взрыв не был моментом ее создания, а лишь один из этапов ее эволюции. Каким был наш мир до Большого взрыва — один из главных вопросов, который будет стоять перед учеными во время их дальнейших исследований. Для объяснения роли Большого взрыва в развитии Вселенной может потребоваться новая математика, а потому доказательств этой теории точно придется подождать некоторое время.

Варп-двигатели

Варп-двигатель — это технология, которая долгое время казалась исключительно выдумкой фантастов, сценаристов и разработчиков видеоигр. Они могут искривлять время и пространство, создавая кротовую нору — «тоннель», соединяющий разные части Вселенной. Это позволило бы нам путешествовать на огромные расстояния за считанные секунды.

Однако последние исследования показывают, что существование этой технологии может быть ближе к реальности, чем нам казалось. В начале 2021 года ученые из группы Applied Physics сообщили, что им удалось создать первую модель варп-двигателей, а уже в конце того же года американские физики придумали концепцию первого варп-пузыря.