10 головних загадок фізики, вирішення яких змінить наші уявлення про Всесвіт

Де з'єднується мікро- та макросвіт?

«Якщо вам здається, що ви розумієте квантову механіку — ви не розумієте квантову механіку», — казав Річард Фейнман, американський лауреат Нобелівської премії з фізики 1965 року.

Зараз у фізиці є велика колізія — ми маємо одразу дві теорії, які ідеально описують наш світ. Водночас вони між собою не пов’язані, що приводить нас до двох варіантів: або в одну з цих теорій закралася помилка (яку фізики безуспішно намагаються знайти вже дуже давно), або є якийсь «міст» між цими двома теоріями, який ми поки що не знайшли.

З одного боку існує теорія відносності Ейнштейна, яка описує навколишній Всесвіт і все, що в ньому існує у вигляді простору-часу. Взаємодія між об'єктами відбувається за допомогою гравітації, що збільшується залежно від маси об'єкта. Теорія відносності ідеально пояснює взаємодію великих об'єктів на кшталт зірок і планет, які завдяки своїй масі мають потужну гравітацію, що впливає на інші тіла.

Однак елементарні частинки практично не мають гравітації, яка могла б суттєво впливати на інші об'єкти. У мікросвіті панує квантова механіка, яка пояснює взаємодію елементарних частинок за допомогою одразу трьох показників — електромагнітної, сильної та слабкої ядерної взаємодії. Поняття простору-часу тут повністю нівелюється, адже квантова механіка — це цілком хаотичний світ із погляду класичної фізики.

Вчені вже давно намагаються зафіксувати, де квантова механіка перетікає в теорію відносності і навпаки. Вирішення цього питання поставило б крапку в одній із найважливіших загадок науки. Хтось упевнений, що відповідь слід шукати у сингулярності чорних дір; багато вчених намагаються знайти чарівну теорію всього, найголовнішим кандидатом якої є теорія струн, що передбачає існування квантової гравітації.

Так чи інакше, відповідь на це питання стане одним із найважливіших рішень у сучасній науці. Той, хто знайде зв’язок між мікро- та макросвітом фізично, стане справжньою науковою легендою.

Теорія суперструн

Як ми написали вище, теорія струн, що еволюціонувала пізніше в теорію суперструн, вважається одним із головних претендентів на поєднання теорії відносності та квантової механіки за допомогою квантової гравітації.

Відповідно до теорії струн, крізь наш Всесвіт проходять міріади ультрамікроскопічних струн, які замінюють усі елементарні частинки. Проблема в тому, що ця теорія не працює в нашому тривимірному світі — вона може існувати лише в 10- або навіть 11-мірному Всесвіті. Експериментально перевірити, чи існують інші виміри, ми поки що не можемо (і не факт, що ця можливість колись у нас з’явиться), а тому і довести чи спростувати теорію струн на сьогоднішній момент неможливо.

Що таке чорна матерія?

Будова нашого Всесвіту — не менша загадка для фізиків. За останніми підрахунками, на звичайну матерію — тобто все, що ми бачимо навколо себе, включно з планетами та зірками — припадає трохи менше ніж 5% від загальної маси Всесвіту. Темна матерія становить близько 27%, а про решту 68% ми поговоримо трохи нижче.

Темна матерія — один із загадкових компонентів космосу, існування якого вчені досі не довели. Це досі невиявлений тип матерії, який зовсім не взаємодіє зі світлом, через що логічнішою була б назва прозора матерія. Однак, що є, те є.

Головним доказом існування темної матерії є її гравітаційний вплив на зірки та галактики, рух яких не можна пояснити виключно звичайною матерією. Вважається, що вона є основою космічного павутиння — найбільшої структури у Всесвіті. Переплетення її «павутинок» ми звикли називати галактиками.

Звідки взялася темна матерія, що утримує її у просторі та яка її глобальна роль у Всесвіті — це лише мала частина запитань, відповіді на які шукають вчені. Зараз їхній головний пріоритет — виявити його безпосередньо, щоб практично довести існування цього компонента Всесвіту, інакше дуже багато наших припущень та гіпотез про те, як влаштований наш світ, будуть зламані.

Що таке чорна енергія?

Це решта 68% нашого Всесвіту. Темна енергія — це ще один досі не вивчений компонент нашого світу, відповідальний за його постійне розширення. Навіть поки ви читали статтю до цього моменту (або просто доскролили за кілька секунд), Всесвіт став більшим. Проте порахувати цей показник не так просто — нещодавно ми написали великий матеріал про те, як вчені ганяються за вирішенням загадки про розширення Всесвіту.

Якщо говорити просто, то темна енергія — це антипод темної та звичайної матерії. Поки ці два компоненти, «стягують» простір-час один до одного, темна енергія займається протилежним, «розтягуючи» його. Однак що її породжує, в якому вигляді вона існує, навіщо взагалі Всесвіту потрібне це неймовірне розширення — це питання без відповідей.

Чому матерії більше, ніж антиматерії?

Насправді, навіть саме існування нашого світу є великою загадкою. Згідно з найпоширенішою теорією його виникнення, під час Великого вибуху в нашому Всесвіті з’явилася рівна кількість матерії та антиматерії. Різниця між ними маленька і величезна одночасно — це різний заряд частинки.

Штука в тому, що будь-яка з взаємодія призведе до повної анігіляції — частки речовини та антиречовини знищать одна одну, виділивши при цьому неймовірну кількість енергії. Однак ми досі тут, створюємо і вирішуємо проблеми на Землі, паралельно досліджуючи космос, який постійно розширюється. Виникає питання — куди поділася вся антиматерія і чому наш світ не був знищений у перші миті свого існування? (Спойлер: можливо, нас врятувала кварк-глюонна плазма).

П’ята сила природи

Стандартна модель — це найкраща наукова теорія, яку створило людство. Вона визначає електромагнітну, сильну і слабку взаємодію всіх елементарних частинок. Також не забуваємо про гравітацію, яка представлена теорією відносності Ейнштейна.

Втім, ми знаємо, що Стандартна модель неповна, а тому вчені перебувають у постійному пошуку нової фізики або п’ятої сили природи — аномалій, які розходяться з усталеними теоретичними знаннями.

Експеримент LHCb (Large Hadron Collider beauty experiment), який проводився у 2021 році на Великому адронному колайдері, показав, що ці пошуки, можливо, були безглуздими. Вже цього року буде проведено ще один етап експерименту, який зможе підтвердити здогади вчених — докладно про цю цікаву подорож ми розповідали у цьому матеріалі.

Чи реальна термоядерна енергія?

Перша асоціація, яка виникає у багатьох людей при згадці слова «термоядерний» — найпотужніший вибух і гриб з пилу і диму, який здіймається безпосередньо в небо. Однак поступово цей стереотип ставатиме все менш актуальним, адже термоядерний синтез — це найприродніший процес із тих, що є у Всесвіті.

Сонце та міріади інших зірок — це природні термоядерні реактори, які живлять наш Всесвіт. Завдяки роботі цих реакторів у світі з’явилися хімічні елементи, які відіграли важливу роль у виникненні життя Землі.

Тепер створення термоядерних реакторів може допомогти людству не лише забезпечити весь світ чистою енергією, а й уберегти землю від кліматичної кризи. Проблема в тому, що це досить складний процес — у науковому світі вже давно гуляє жарт, що до створення робочого термоядерного реактора залишилося 30 років — і так буде завжди. Історія жарту в тому, що подібні розмови ведуться з 1950-х років, коли про перспективність цього напряму заговорили вперше.

Однак тепер, як запевняють багато вчених, ми нарешті зрушили з мертвої точки, а деякі оптимісти зовсім впевнені — до енергетичної революції залишилося чекати 10−20 років.

Чи існує гола сингулярність?

Сингулярність — це гіпотетична точка у просторі-часі, в якій не працюють відомі нам закони фізики. Відповідно до теорій, гравітація цих місць настільки потужна, що повністю змінює простір-час навколо себе. Багато вчених упевнені, що саме сингулярність допоможе нам об'єднати теорію відносності та квантову механіку, проте ми не можемо просто взяти та досліджувати її. На жаль.

Проблема в тому, що гола сингулярність — тобто та, яка може взаємодіяти з Всесвітом — існує у центрі чорних дір. Ще одна існувала на самому початку нашого світу, перш ніж Великий вибух зробив свою справу, а наш світ став набувати знайомих нам рис. Спочатку наш світ був сингулярністю — нескінченно маленькою та надщільною точкою.

Одне із припущень про те, як ми зможемо «побачити» сингулярність, запропонував завідувач кафедри астрономії Гарвардського університету Абрахам Леб у 2018 році. Він вважає, що її сліди можна буде виявити у гравітаційних хвилях — космічних слідах найпотужніших подій у Всесвіті на кшталт зіткнення чорних дірок.

Дещо інакше до питання підійшли фізики Луїс Ленер і Франс Преторіус, які ще більше ніж 10 років тому за допомогою комп’ютерної симуляції показали, що чорні дірки можуть розпадатися і залишати голі сингулярності. Однак виявити їх ми не можемо, оскільки ці події відбуваються у недоступному для нас вимірі. Загальна теорія відносності описує лише три доступні нам виміри (четвертим вважається час), тоді як подібні пертурбації відбуваються «десь вище» — наприклад, у п’ятому вимірі, який передбачає існування паралельних Всесвітів.

Скільки існує Всесвіт?

Продовжуючи бесіду про сингулярність — якщо вже ми згадали про чорні діри, варто також згадати і народження Всесвіту. Згідно з загальноприйнятою теорією, наш світ почався з Великого вибуху, який не варто сприймати як вибухи, до яких ми звикли у звичайному житті. Це радше різке розширення простору на всі боки, а швидкість цього процесу постійно збільшується. Якщо це припущення слушне, Всесвіту приблизно 13,7 млрд років.

Проте зараз дедалі більше вчених пропонують альтернативну теорію — що насправді Всесвіт існував… вічно. Великий вибух не був моментом його створення, а лише один із етапів його еволюції. Яким був наш світ до Великого вибуху — одне з головних питань, яке стоятиме перед вченими під час їхніх подальших досліджень. Для пояснення ролі Великого вибуху у розвитку Всесвіту може знадобитися нова математика, тому доказів цієї теорії точно доведеться почекати деякий час.

Варп-двигуни

Варп-двигун — це технологія, яка довго здавалася виключно вигадкою фантастів, сценаристів і розробників відеоігор. Вони можуть викривляти час і простір, створюючи кротову нору — «тунель», що сполучає різні частини Всесвіту. Це дало б нам можливість подорожувати на великі відстані за лічені секунди.

Однак останні дослідження показують, що існування цієї технології може бути ближчим до реальності, ніж нам здавалося. На початку 2021 року вчені з групи Applied Physics повідомили, що їм вдалося створити першу модель варп-двигунів, а вже наприкінці того ж року американські фізики вигадали концепцію першої варп-бульбашки.