Нерешенные проблемы науки: HTTP status 402 – payment required, требуется оплата

7 крупнейших нерешенных загадок науки

За последние два столетия наука ответила на множество вопросов о природе и законах, которым она подчиняется. Мы смогли исследовать галактики и атомы, составляющие материю. Мы построили машины, которые могут считать и решать проблемы, неподвластные решению силами человека. Мы решили вековые математические задачи и создали теории, которые дали математике новые проблемы. Эта статья не об этих достижениях. Эта статья о проблемах в науке, которые по-прежнему заставляют ученых искать и задумчиво чесать головы в надежде, что когда-нибудь эти вопросы приведут к возгласу «Эврика!».

Содержание

• 1 Турбулентность
• 2 Происхождение жизни
• 3 Фолдинг белка
• 4 Квантовая теория гравитации
• 5 Гипотеза Римана
• 6 Механизмы выживания тихоходок
• 7 Темная энергия и темная материя

Турбулентность

Турбулентность — слово далеко не новое. Вам оно известно как слово, описывающее внезапную тряску во время полета. Тем не менее турбулентность в механике жидкостей — совершенно другое дело. Летная турбулентность, технически называемая «турбулентностью при ясном небе», возникает при встрече двух воздушных тел, движущихся на разных скоростях. Физики, однако, с трудом объясняют это явление турбулентности в жидкостях. Математикам снятся кошмары о ней.

Турбулентность в жидкостях окружает нас всюду. Струя, вытекающая из крана, полностью распадается на хаотичные частицы жидкости, отличные от единого потока, которые мы получаем, когда открываем кран. Это один из классических примеров турбулентности, который используется для объяснения явления школьникам и студентам. Турбулентность распространена в природе, ее можно встретить в различных геофизических и океанических потоках. Она также важна для инженеров, поскольку часто рождается в потоках над лопастями турбин, закрылками и другими элементами. Турбулентность характеризуется случайными колебаниями в таких переменных, как скорость и давление.

Хотя на тему турбулентности было проведено много экспериментов и получено много эмпирических данных, мы все еще далеки от убедительной теории о том, что именно вызывает турбулентность в жидкости, как она контролируется и что именно упорядочивает этот хаос. Решение проблемы осложняется еще и тем, что уравнения, определяющие движение жидкости — уравнения Навье-Стокса — весьма трудно анализировать. Ученые прибегают к высокопроизводительным методикам вычислений, наряду с экспериментами и теоретическими упрощениями в процессе изучения явления, но полной теории турбулентности нет и нет. Таким образом, турбулентность жидкости остается одной из важнейших нерешенных проблем физики на сегодняшний день. Нобелевский лауреат Ричард Фейнман назвал ее «наиболее важной нерешенной проблемой классической физики». Когда квантового физика Вернера Гейзенберга спросили, если бы он предстал перед Богом и получил возможность попросить его о чем угодно, что бы это было, физик ответил: «Я задал бы ему два вопроса. Почему относительность? И почему турбулентность? Думаю, на первый вопрос у него точно будет ответ».

Ресурс Digit.in получил шанс поговорить с профессором Роддамом Нарасимхой и вот, что тот ответил:

«На сегодняшний день мы не в состоянии прогнозировать простейшие турбулентные потоки, не обращаясь к экспериментальным данным о самом потоке. К примеру, в настоящее время невозможно предсказать потерю давления в трубе с турбулентным потоком, но благодаря умному использованию данных, полученных в экспериментах, она становится известна. Основная проблема в том, что интересные нам проблемы турбулентных потоков почти всегда в высочайшей степени нелинейны, и математики, которая сумела бы справиться с такими чрезвычайно нелинейными проблемами, похоже, не существует. Среди многих физиков долгое время было распространено поверье, что когда в их теме всплывает новая проблема, каким-то образом, словно по волшебству, необходимая для решения математика вдруг оказывается уже изобретенной. Проблема турбулентности демонстрирует исключение из этого правила. Законы, управляющие проблемой, хорошо известны и для простых жидкостей не под давлением в нормальных условиях заключены в уравнениях Навье-Стокса. Но решения остаются неизвестными. Нынешняя математика неэффективна в решении проблемы турбулентности. Как сказал Ричард Фейнман, турбулентность остается величайшей из нерешенных проблем классической физики».

Важность изучений турбулентности породила новое поколение вычислительных методик. Решение, хотя бы приблизительное, теории турбулентности позволит науке делать лучшие прогнозы погоды, проектировать энергоэффективные автомобили и самолеты и лучше понимать различные природные явления.

Происхождение жизни

Мы всегда были одержимы изучением возможности существования жизни на других планетах, но есть один вопрос, который волнует ученых больше: как жизнь появилась на Земле? Хотя ответ на этот вопрос не принесет особой практической пользы, путь к ответу может привести к ряду интересных открытий в областях от микробиологии до астрофизики.

Ученые считают, что ключ к пониманию происхождения жизни может быть в выяснении того, как две характерных особенности жизни — размножение и генетическая передача — появились в виде процессов в молекулах, которые получили способность репликации. Это привело к образованию так называемой теории «первичного бульона», согласно которой на юной Земле непонятным образом появилась смесь, этакий бульон из молекул, которая насыщалась энергией солнца и молний. За долгое время эти молекулы должны были сложиться в более сложные органические структуры, из которых состоит жизнь. Эта теория получила частичную поддержку в процессе знаменитого эксперимента Миллера-Ури, когда двое ученых создали аминокислоту, пропуская электрические заряды через смесь простых элементов из метана, аммиака, воды и водорода. Однако открытие ДНК и РНК поумерило изначальный восторг, поскольку кажется невозможным, что такая элегантная структура, как ДНК, сможет развиться из примитивного бульона химических веществ.

Существует течение, которое предполагает, что юный мир был скорее РНК-миром, чем ДНК-миром. РНК, как выяснилось, обладает способностью ускорять реакции, оставаясь неизменной, и хранить генетический материал вместе со способностью к воспроизводству. Но чтобы назвать РНК оригинальным репликатором жизни вместо ДНК, ученые должны найти свидетельства элементов, которые могли образовать нуклеотиды — строительные блоки молекул РНК. Дело в том, что нуклеотиды крайне сложно произвести, даже в лабораторных условиях. Первичный бульон кажется неспособным к произведению этих молекул. Такой вывод привел к другой школе мысли, которая полагает, что органические молекулы, присутствующие в примитивной жизни, обладают внеземным происхождением и были доставлены на Землю из космоса на метеоритах, что привело к развитию теории панспермии. Другое возможное объяснение сводится к теории «железо-серного мира», которая утверждает, что жизнь на Земле образовалась глубоко под водой, вышла из химических реакций, которые происходят в горячей воде под высоким давлением, найденной вблизи гидротермальных источников.

Весьма примечательно, что даже после 200-летней эпохи индустриализации мы до сих пор не знаем, как на Земле появилась жизнь. Впрочем, интерес к этой задаче всегда остается на хорошем температурном уровне.

Фолдинг белка

Путешествие в чертоги памяти приведет нас к школьным урокам химии или физики, которые мы все так любили (ну, почти все), где нам объясняли, что белки — крайне важные молекулы и строительные кирпичики жизни. Молекулы белка состоят из последовательностей аминокислот, которые влияют на их структуру и, в свою очередь, определяют специфическую деятельность белка. То, как белок укладывается и принимает уникальную нативную пространственную структуру, остается старой загадкой в науке. Журнал Science когда-то назвал фолдинг белка одной из крупнейших нерешенных проблем науки. Проблема, по своей сути, состоит из трех частей: 1) как именно белок эволюционирует в свою финальную нативную структуру? 2) можем ли мы вывести вычислительный алгоритм, чтобы спрогнозировать структуру белка по последовательности его аминокислот? 3) учитывая большое число возможных конформаций, как белок укладывается так быстро? За последние несколько десятилетий на всех трех фронтах был проделан существенный прогресс, тем не менее ученые до сих пор полностью не расшифровали ведущие механизмы и скрытые принципы фолдинга белка.

В процессе фолдинга задействовано большое количество сил и взаимодействий, которые позволяют белку достичь состояния самой низкой из возможных энергий, что придает ему стабильность. Из-за большой сложности структуры и большого количества вовлеченных силовых полей, довольно трудно понять точную физику процесса фолдинга небольших белков. Проблему прогнозирования структуры пытались решить в комбинации с физикой и мощными компьютерами. И хотя с небольшими и относительно простыми белками был достигнут определенный успех, ученые до сих пор пытаются точно спрогнозировать сложенную форму сложных многодоменных белков по их аминокислотной последовательности.

Чтобы понять процесс, представьте, что находитесь на перекрестке тысячи дорог, которые ведут в одном направлении, и вам нужно выбрать путь, который приведет вас к цели за наименьшее время. Точно такая же, только более масштабная проблема лежит в кинетическом механизме фолдинга белка в определенное состояние из возможных. Было выяснено, что случайные тепловые движения играют большую роль в быстрой природе фолдинга и что белок «пролетает» через конформации локально, избегая неблагоприятные структуры, но физический путь остается открытым вопросом — и его решение может привести к появлению более быстрых алгоритмов прогнозирования структуры белка.

Проблема фолдинга белка остается горячей темой в биохимических и биофизических исследованиях современности. Физика и вычислительные алгоритмы, разработанные для фолдинга белка, привели к разработке новых искусственных полимерных материалов. Помимо вклада в рост научных вычислений, проблема привела к лучшему пониманию заболеваний вроде диабета II типа, Альцгеймера, Паркинсона и Хантингтона — в этих расстройствах неправильный фолдинг белков играет важную роль. Лучшее понимание физики фолдинга белка может не только привести к прорывам в материаловедении и биологии, но и произвести революцию в медицине.

Квантовая теория гравитации

Мы все знаем о яблоке, которое упало на голову Ньютона и привело к открытию гравитации. Сказать, что после этого мир перестал быть прежним, — не сказать ничего. Затем появился Альберт Эйнштейн с его общей теорией относительности. Он заново взглянул на гравитацию и искривление пространства-времени, ткани, из которой состоит Вселенная. Представьте тяжелый шар, лежащий на кровати, и небольшой шар, который лежит неподалеку. Тяжелый шар давит на простынь, искривляя ее, и маленький шар скатывается по направлению к первому шару. Теория гравитации Эйнштейна работает шикарно и объясняет даже искривление света. Тем не менее, когда дело доходит до субатомных частиц, работа которых объясняется законами квантовой механики, ОТО выдает довольно странные результаты. Разработка теории гравитации, которая сможет объединить квантовую механику и теорию относительности, две наиболее успешных теории 20 века, остается крупнейшей исследовательской задачей науки.

Эта проблема породила новые и любопытные области в физике и математике. Наибольшее внимание привлекла так называемая теория струн. Теория струн заменяет понятие частиц крошечными вибрирующими струнами, которые могут принимать различные формы. Каждая струна может вибрировать определенным образом, который придает ей определенную массу и спин. Теория струн невероятно сложна и математически устроена в десяти измерениях пространства-времени — на шесть больше, чем мы привыкли считать. Эта теория успешно объясняет множество странностей брака гравитации с квантовой механикой и в свое время была устойчивым кандидатом на должность «теория всего».

Другая теория, формулирующая квантовую гравитацию, называется петлевой квантовой гравитацией. ПКГ относительно менее амбициозна и старается быть, прежде всего, уверенной теорией гравитации, не замахиваясь на великое объединение. ПКГ представляет пространство-время как ткань, образованную крошечными петельками, отсюда и названием. В отличие от теории струн, ПКГ не добавляет лишних измерений.

Хотя у обеих теорией есть свои плюсы и минусы, теория квантовой гравитации остается нерешенным вопросом, поскольку ни одна из теорий не была доказана экспериментально. Экспериментальная проверка и подтверждение любой из вышеупомянутых теорией остается гигантской проблемой экспериментальной физики.

Теория квантовой гравитации едва ли возымеет значимый эффект в нашей повседневной жизни, однако, будучи обнаруженной и доказанной, станет мощным свидетельством того, что мы далеко продвинулись в науке и можем двигаться дальше, в направлении физики черных дыр, путешествий во времени и червоточин.

Гипотеза Римана

В одном из интервью известный теоретик чисел Теренс Тао назвал простые числа атомными элементами теории чисел, довольно веская характеристика. У простых чисел только два делителя, 1 и само число, и таким образом они являются простейшими элементами в мире чисел. Простые числа также чрезвычайно неустойчивы и не вписываются в шаблоны. Большие числа (произведение двух простых чисел) используются для шифрования миллионов безопасных транзакций онлайн. Простая факторизация такого числа займет вечность. Тем не менее, если мы каким-то образом постигнем случайный, на первый взгляд, характер простых чисел и лучше поймем их работу, мы приблизимся к чему-то великому и буквально взломаем Интернет. Решение гипотезы Римана может привести нас на десять шагов ближе к пониманию простых чисел и будет иметь серьезные последствия в банковской, коммерческой структурах и безопасности.

Как уже было упомянуто, простые числа известны своим непростым поведением. В 1859 году Бернхард Риман обнаружил, что количество простых чисел, не превосходящих x, — функция распределения простых чисел, обозначаемая пи (x) — выражается через распределение так называемых «нетривиальных нулей» дзета-функции. Решение Римана связано с дзета-функцией и связанным распределением точек на линии целых чисел, для которых функция равна 0. Гипотеза связана с определенным набором этих точек, «нетривиальных нулей», которые, как полагают, лежат на критической линии: все нетривиальные нули дзета-функции имеют действительную часть, равную ½. Эта гипотеза подтвердила более миллиарда таких нулей и может открыть тайну, окутывающую распределение простых чисел.

Любой математик знает, что гипотеза Римана остается одной из самых крупных загадок без ответа. Решение ее не только повлияет на науку и общество, но и гарантирует автору решения приз в миллион долларов. Это одна из семи великих загадок тысячелетия. Попыток доказать гипотезу Римана было великое множество, но все они остались безуспешными.

Механизмы выживания тихоходок

Тихоходки — это класс микроорганизмов, которые довольно распространены в природе во всех климатических зонах и на любых высотах наших семи континентов. Но это не обычные микроорганизмы: они обладают чрезвычайными способностями к выживанию. Взять хотя бы то, что это первые живые организмы, которые могут пережить опасный вакуум космоса. Немного тихоходок вышли на орбиту ракеты «Фотон-М3», были подвергнуты воздействию всех сортов космической радиации и вернулись практически невредимыми.

Эти организмы не только способны выживать в космосе, но и могут выдерживать температуры чуть выше абсолютного нуля и кипения воды. Также они спокойно переносят давление Марианской впадины, 11-километровой трещины в Тихом океане.

Исследования сводят ряд невероятных способностей тихоходок к криптобиозу, ангидробиозу (высушиванию) — состоянию, в котором метаболическая активность чрезвычайно замедляется. Высушивание позволяет существу терять воду и практически останавливать метаболизм. Получив доступ к воде, тихоходка восстанавливает свое исходное состояние и продолжает жить, будто ничего не произошло. Эта способность помогает ей выживать в пустыне и при засухе, но как этот «маленький водяной медведь» умудряется выживать в космосе или при экстремальных температурах?

В своей высушенной форме тихоходка активирует некоторые жизненно важные функции. Молекула сахара запрещает клеточное расширение, а произведенные антиоксиданты нейтрализуют угрозу, исходящую от вступающих в реакцию с кислородом молекул, присутствующих в излучении космического пространства. Антиоксиданты помогают восстановить поврежденные ДНК, и эта же способность объясняет способность тихоходка переживать экстремальное давление. Хотя все эти функции объясняют сверхспособности тихоходок, мы очень мало знаем об их функциях на молекулярном уровне. Эволюционная история маленьких водяных медведей тоже остается загадкой. Связаны ли их таланты с внеземным происхождением?

Изучение тихоходок может иметь интересные последствия. Если крионика станет возможным, применения ее будут невероятными. Лекарства и таблетки можно будет хранить при комнатной температуре, станет возможно создание суперскафандров для освоения других планет. Астробиологи настроят свои приборы для поиска жизни за пределами Земли еще точнее. Если микроорганизм на Земле может выживать в таких невероятных условиях, есть вероятность, что и на спутниках Юпитера находятся такие тихоходки и спят, ожидая, пока их обнаружат.

Темная энергия и темная материя

Исследование материи на Земле можно сравнить с ковырянием в песочнице. Вся материя, известная нам, составляет всего около 5% известной Вселенной. Остальная часть Вселенной является «темной» и по большей части состоит из «темной материи» (27%) и «темной энергии» (68%).

Любой список нерешенных проблем в науке будет неполным без упоминания загадочных темной материи и темной энергии. Темная энергия выступает в качестве предложенной причины расширения Вселенной. В 1998 году, когда две независимых группы ученых подтвердили, что расширение Вселенной ускоряется, это опровергло популярное на тот момент мнение, что гравитация замедляет расширение Вселенной. Теоретики до сих пор ломают голову, пытаясь объяснить это, и темная энергия остается самым подходящим объяснением. Но чем она является на самом деле — никто не знает. Есть предположения, что темная энергия может быть свойством пространства, своего рода энергией космоса, или пронизывающими космос флюидами, которые непонятным образом приводят к ускорению расширения Вселенной, тогда как «обычная» энергия на это не способна.

Темная материя тоже странная штука. Она практически ни с чем не взаимодействует, даже со светом, существенно затрудняя свое обнаружение. Темная материя была обнаружена вместе со странностями в динамике некоторых галактик. Известная масса галактики не может объяснить расхождения с наблюдаемыми данными, поэтому ученые пришли к выводу, что существует некоторая форма невидимой материи, гравитационная тяга которой удерживает галактики вместе. Темная материя никогда не наблюдалась напрямую, но ученые наблюдали оказываемые ей эффекты с помощью гравитационного линзирования (искривления света, взаимодействующего гравитационно с невидимой материей).

Состав темной материи остается одной из величайших проблем в физике элементарных частиц и космологии. Ученые считают, что темная материя состоит из экзотических частиц — вимпов — которые обязаны своим существованием теории суперсимметрии. Ученые также предполагают, что темная материя может состоять из барионов.

В то время как обе теории — темной материи и темной энергии — вытекают из нашей неспособности объяснить некоторые наблюдаемые особенности Вселенной, они являются в сущности фундаментальными силами космоса и привлекают финансирование крупных экспериментов. Темная энергия отталкивает, а темная материя притягивает. В случае превалирования одной из сил соответствующим образом решится и судьба Вселенной — будет ли она расширяться или сжиматься. Но пока обе теории остаются темными, как и виновники их появления.

Нерешенные проблемы науки. Нерешенные проблемы

Актуальные проблемы – значит важные для данного времени. Когда-то актуальность проблем физики была совсем иной. Решались вопросы типа «почему ночью становится темно», «почему дует ветер» или «почему вода мокрая». Давайте посмотрим, над чем ломают головы ученые в наши дни.

Несмотря на то, что мы можем все полнее и подробнее объяснить окружающий мир, вопросов со временем становится все больше. Ученые устремляют мысли и приборы в глубины Вселенной и дебри атомов, находя там такие вещи, которые пока не поддаются объяснению.

Нерешенные проблемы физики

Часть актуальных и нерешенных вопросов современной физики носит чисто теоретический характер. Некоторые проблемы теоретической физики просто невозможно проверить экспериментально. Еще одна часть – это вопросы, связанные с экспериментами.

Например, эксперимент не согласуется с ранее разработанной теорией. Существуют также прикладные задачи. Пример: экологические проблемы физики, связанные с поиском новых источников энергии. Наконец, четвертая группа – чисто философские проблемы современной науки, ищущие ответ на «главный вопрос смысла жизни, Вселенной и всего такого».

Темная энергия и будущее Вселенной

Согласно сегодняшним представлениям Вселенная расширяется. Причем по данным анализа реликтового излучения и излучения сверхновых, расширяется с ускорением. Расширения происходит за счет темной энергии. Темная энергия – это неопределенный вид энергии, который был введен в модель Вселенной для объяснения ускоренного расширения. Темная энергия не взаимодействует с материей известными нам способами, и ее природа – большая загадка. Есть два представления о темной энергии:

• Согласно первому она заполняет Вселенную равномерно, то есть является космологической константой и имеет постоянную энергетическую плотность.
• Согласно второму динамическая плотность темной энергии меняется в пространстве и времени.

В зависимости от того, какое из представлений о темной энергии верно, можно предположить дальнейшую судьбу Вселенной. Если плотность темной энергии растет, то нас ждет

Большой разрыв , в котором вся материя развалится.

Еще один вариант – Большое сжатие , когда гравитационные силы победят, расширение остановится и сменится сжатием. При таком сценарии все, что было во Вселенной, сначала коллапсирует в отдельные черные дыры, а потом схлопнется в одну общую сингулярность.

Множество неразрешенных вопросов связано с черными дырами и их излучением. Читайте отдельную об этих загадочных объектах.

Материя и антиматерия

Все, что мы наблюдаем вокруг себя – материя , состоящая из частиц. Антиматерия – это вещество, состоящее из античастиц. Античастица – это двойник частицы. Единственное отличие частицы и античастицы – это заряд.

Например, заряд электрона – отрицательный, тогда как его двойник из мира античастиц – позитрон – имеет такой же по величине положительный заряд. Получить античастицы можно в ускорителях частиц, однако никто не встречал их в природе.

При взаимодействии (столкновении) материя и антиматерия аннигилируют, в результате образуются фотоны. Почему во Вселенной преобладает именно вещество – большой вопрос современной физики. Предполагается, что эта асимметрия возникла в первые доли секунды после Большого взрыва.

Ведь если бы вещества и антивещества было поровну, все частицы бы аннигилировали, оставив в результате только фотоны. Есть предположения, что дальние и совсем неизученные области Вселенной заполнены антивеществом. Но так ли это, еще предстоит выяснить, проведя огромную мозговую работу.

Кстати! Для наших читателей сейчас действует скидка 10% на

Теория всего

Есть ли теория, которая может объяснить абсолютно все физические явления на элементарном уровне? Наверное, есть. Другой вопрос – можем ли мы до нее додуматься. Теория всего , или Теория Великого объединения – это теория, которая объясняет значения всех известных физических констант и объединяет

5 фундаментальных взаимодействий:

• сильное взаимодействие;
• слабое взаимодействие;
• электромагнитное взаимодействие;
• гравитационное взаимодействие;
• поле Хиггса.

Кстати, о том, что такое и почему он так важен, вы можете почитать в нашем блоге.

Среди множества предложенных теорий всего ни одна не прошла экспериментальную проверку. Одним из самых перспективных направлений в этом вопросе является объединение квантовой механики и общей теории относительности в теорию квантовой гравитации . Однако данные теории имеют разные области применения, и пока что все попытки их объединения приводят к расходимости, которую не удается убрать.

Сколько существует измерений?

Мы привыкли к трехмерному миру. Можем двигаться в известных нам трех измерениях вперед-назад, вверх и вниз, чувствуя себя комфортно. Однако существует M-теория , согласно которой есть аж 11 измерений, лишь 3 из которых доступны нам.

Представить это достаточно сложно, если не невозможно. Правда, для таких случаев существует математический аппарат, который помогает справиться с проблемой. Чтобы не взорвать мозг себе и вам, мы не будем приводить математические выкладки из М-теории. Лучше приведем цитату физика Стивена Хокинга:

Мы всего лишь развитые потомки обезьян на маленькой планете с ничем не примечательной звездой. Но у нас есть шансы постичь Вселенную. Это и делает нас особенными.

Что говорить о далеком космосе, когда знаем далеко не все о нашем родном доме. Например, до сих пор нет четкого объяснения происхождению и периодической инверсии его полюсов.

Загадок и задач очень много. Такие же нерешенные задачи есть и в химии, астрономии, биологии, математике, философии. Разгадывая одну тайну, мы получаем две взамен. В этом и есть радость познания. Напомним, что с любой задачей, какой бы она не была сложной, вам помогут справиться . Проблемы обучения физике, как и любой другой науке, решаются гораздо легче, чем фундаментальные научные вопросы.

Необходимо проверить качество перевода и привести статью в соответствие со стилистическими правилами Википедии. Вы можете помочь … Википедия

В этой статье перечисляются некоторые из проблем в биологии, нерешённые по сей день. Широко известные проблемы Биологическое старение: Различные теории старения приводят разные причины того, почему оно происходит. Существуют генетические,… … Википедия

I. Предмет и структура физики Ф. – наука, изучающая простейшие и вместе с тем наиболее общие закономерности явлений природы, свойства и строение материи и законы её движения. Поэтому понятия Ф. и сё законы лежат в основе всего… … Большая советская энциклопедия

Наука о сравнит, изучении культур, в амер. традиции часть или синоним культурной антропологии, в европейской (брит. и франц.) аналог социальной антропологии, в странах нем. языка самостоят. направление исследования. Базовая единица… … Энциклопедия культурологии

Парадигма – (Paradigm) Определение парадигмы, история возникновения парадигмы Информация об определении парадигмы, история возникновения парадигмы Содержание Содержание История возникновения Частные случаи (лингвистика) Управленческая парадигма Парадигма… … Энциклопедия инвестора

Модернизация – (Modernization) Модернизация это процесс изменения чего либо в соответствии с требованиями современности, переход к более совершенным условиям, с помощью ввода разных новых обновлений Теория модернизации, типы модернизации, органическая… … Энциклопедия инвестора

ПЕТРОВ Михаил Константинович – (1924 1987) русский философ, культуролог, социолог, лингвист. Специально занимался проблемами науки о науке, в частности наукометрией, а также историей науки и социологией (по)знания.

Особая область интересов П. тезаурусная динамика (в 1986 он… … Социология: Энциклопедия

ИОАНН ПАВЕЛ II – К. Войтыла с родителями. Фотография. Нач. 20 х гг. XX в. К. Войтыла с родителями. Фотография. Нач. 20 х гг. XX в. (18.05.1920, Вадовице, близ Кракова, Польша 2.04.2005, Ватикан; до избрания папой Кароль Юзеф Войтыла), папа Римский (с 16 окт.… … Православная энциклопедия

Византинология, отрасль ист. науки, изучающая историю и культуру Византии. Возникновение В. Интенсивные экономич., политич. и культурные связи Византии с различными странами Европы и Азии, высокий уровень развития визант. культуры, оказавшей… … Советская историческая энциклопедия

Анатолий Иванович Гретченко (родился 30 января 1951, с. Мачеха, Волгоградская область) российский экономист, д.э.н.(1991), профессор (1993), заслуженный деятель науки РФ (2002), ректор Международного института Бизнес Тренинга. 1975г. окончил… … Википедия

Книги

• , Бережко Евгений Григорьевич. Книга написана на основе курса лекций по основам космической физики, который автор читал в течение ряда лет студентам физического факультета Северо-Восточного федерального университета (до…
• Введение в физику космоса. Учебное пособие. Гриф УМО по классическому университетскому образованию , Бережко Евгений Григорьевич. Книга написана на базе курса лекций по основам космической физики, который автор читал в течение ряда лет студентам физического факультета Северо-Восточного федерального университета (до 2010…

Ниже приведён список нерешённых проблем современной физики . Некоторые из этих проблем носят теоретический характер. Это означает, что существующие теории оказываются неспособными объяснить определённые наблюдаемые явления или экспериментальные результаты. Другие проблемы являются экспериментальными, а это означает, что имеются трудности в создании эксперимента по проверке предлагаемой теории или по более подробному исследованию какого-либо явления. Следующие проблемы являются либо фундаментальными теоретическими проблемами, либо теоретическими идеями, для которых отсутствуют экспериментальные данные. Некоторые из этих проблем тесно взаимосвязаны. Например, дополнительные измерения или суперсимметрия могут решить проблему иерархии.

Считается, что полная теория квантовой гравитации способна ответить на бомльшую часть из перечисленных вопросов (кроме проблемы острова стабильности).

• 1. Квантовая гравитация. Можно ли квантовую механику и общую теорию относительности объединить в единую самосогласованную теорию (возможно, это квантовая теория поля)? Является ли пространство-время непрерывным или оно дискретно? Будет ли самосогласованная теория использовать гипотетический гравитон или она будет полностью продуктом дискретной структуры пространства-времени (как в петлевой квантовой гравитации)? Существуют ли отклонения от предсказаний ОТО для очень малых или очень больших масштабов или в других чрезвычайных обстоятельствах, которые вытекают из теории квантовой гравитации?
• 2. Чёрные дыры, исчезновение информации в чёрной дыре, излучение Хокинга. Производят ли чёрные дыры тепловое излучение, как это предсказывает теория? Содержит ли это излучение информацию об их внутренней структуре, как это предполагает дуальность тяготение-калибровочная инвариантность, или нет, как следует из оригинального расчета Хокинга? Если нет и чёрные дыры могут непрерывно испаряться, то что происходит с информацией, хранящейся в них (квантовая механика не предусматривает уничтожение информации)? Или излучение в какой-то момент остановится, когда от чёрной дыры мало что останется? Есть ли какой-либо другой способ исследования их внутренней структуры, если такая структура вообще существует? Выполняется ли закон сохранения барионного заряда внутри чёрной дыры? Неизвестно доказательство принципа космической цензуры, а также точная формулировка условий, при которых он выполняется. Отсутствует полная и законченная теория магнитосферы черных дыр. Неизвестна точная формула для вычисления числа различных состояний системы, коллапс которой приводит к возникновению черной дыры с заданными массой, моментом количества движения и зарядом. Неизвестно доказательство в общем случае “теоремы об отсутствии волос” у чёрной дыры.
• 3. Размерность пространства-времени. Существуют ли в природе дополнительные измерения пространства-времени, кроме известных нам четырёх? Если да, то каково их количество? Является ли размерность «3+1» (или более высокая) априорным свойством Вселенной или она является результатом других физических процессов, как предполагает, например, теория причинной динамической триангуляции? Можем ли мы экспериментально «наблюдать» высшие пространственные измерения? Справедлив ли голографический принцип, по которому физика нашего «3+1»-мерного пространства-времени эквивалентна физике на гиперповерхности с размерностью «2+1»?
• 4. Инфляционная модель Вселенной. Верна ли теория космической инфляции, и если да, то каковы подробные детали этой стадии? Что представляет собой гипотетическое инфлатонное поле, ответственное за рост инфляции? Если инфляция произошла в одной точке, является ли это началом самоподдерживающегося процесса за счёт инфляции квантово-механических колебаний, который будет продолжаться в совершенно другом, удалённом от этой точки месте?
• 5. Мультивселенная. Существуют ли физические причины существования других вселенных, которые принципиально ненаблюдаемы? Например: существуют ли квантово-механические «альтернативные истории» или «множество миров»? Существуют ли «другие» вселенные с физическими законами, являющимися результатом альтернативных способов нарушения очевидной симметрии физических сил при высоких энергиях, расположенные, возможно, невероятно далеко из-за космической инфляции? Могли ли другие вселенные влиять на нашу, вызвав, например, аномалии в распределении температуры реликтового излучения? Является ли оправданным использование антропного принципа для решения глобальных космологических дилемм?
• 6. Принцип космической цензуры и гипотеза защиты хронологии. Могут ли сингулярности, не скрывающиеся за горизонтом событий и известные как «голые сингулярности», возникать из реалистичных начальных условий, или же можно доказать какую-то версию «гипотезы космической цензуры» Роджера Пенроуза, в которой предполагается, что это невозможно? В последнее время появились факты в пользу несостоятельности гипотезы космической цензуры, а значит голые сингулярности должны встречаться гораздо чаще, чем только лишь как экстремальные решения уравнений Керра — Ньюмена, тем не менее неоспоримых доказательств этому представлено ещё не было. Аналогично, будут лизамкнутые времениподобные кривые, которые возникают в некоторых решениях уравнений общей теории относительности (и которые предполагают возможность путешествия во времени в обратном направлении) исключены теорией квантовой гравитации, которая объединяет общую теорию относительности с квантовой механикой, как предполагает «гипотеза защиты хронологии» Стивена Хокинга?
• 7. Ось времени. Что могут сказать нам о природе времени явления, которые отличаются друг от друга хождением по времени вперёд и назад? Чем время отличается от пространства? Почему нарушения CP-инвариантности наблюдаются только в некоторых слабых взаимодействиях и более нигде? Являются ли нарушения CP-инвариантности следствием второго закона термодинамики или же они являются отдельной осью времени? Есть ли исключения из принципа причинности? Является ли прошлое единственно возможным? Является ли настоящий момент физически отличным от прошлого и будущего или это просто результат особенностей сознания? Как люди научились договариваться о том, что является настоящим моментом? (См. также ниже Энтропия (ось времени)).
• 8. Локальность. Существуют ли нелокальные явления в квантовой физике? Если существуют, не имеют ли они ограничения в передаче информации, или: может ли энергия и материя также двигаться по нелокальному пути? При каких условиях наблюдаются нелокальные явления? Что влечёт наличие или отсутствие нелокальных явлений для фундаментальной структуры пространства-времени? Как это связано с квантовой сцепленностью? Как это истолковать с позиций правильной интерпретации фундаментальной природы квантовой физики?
• 9. Будущее Вселенной. Движется ли Вселенная по направлению к Большому замерзанию, Большому разрыву, Большому сжатию или Большому отскоку? Является ли наша Вселенная частью бесконечно повторяющейся циклической модели?
• 10. Проблема иерархии. Почему гравитация является такой слабой силой? Она становится большой только в планковском масштабе, для частиц с энергией порядка 10 19 ГэВ, что гораздо выше электрослабого масштаба (в физике низких энергий доминирующей является энергия в 100 ГэВ). Почему эти масштабы так сильно отличаются друг от друга? Что мешает величинам электрослабого масштаба, таким как масса бозона Хиггса, получать квантовые поправки на масштабах порядка планковских? Являются ли решением этой проблемы суперсимметрия, дополнительные измерения или просто антропная тонкая настройка?
• 11. Магнитный монополь. Существовали ли частицы — носители «магнитного заряда» в какие-либо прошлые эпохи с более высокими энергиями? Если да, то есть ли какие-либо на сегодняшний день? (Поль Дирак показал, что наличие некоторых типов магнитных монополей могло бы объяснить квантование заряда. )
• 12. Распад протона и Великое объединение. Как можно объединить три различных квантово-механических фундаментальных взаимодействия квантовой теории поля? Почему легчайший барион, являющийся протоном, абсолютно стабилен? Если же протон нестабилен, то каков его период полураспада?
• 13. Суперсимметрия. Реализована ли суперсимметрия пространства в природе? Если да, то каков механизм нарушения суперсимметрии? Стабилизирует ли суперсимметрия электрослабый масштаб, предотвращая высокие квантовые поправки? Состоит ли тёмная материя из лёгких суперсимметричных частиц?
• 14. Поколения материи. Существует ли более трёх поколений кварков и лептонов? Связано ли число поколений с размерностью пространства? Почему вообще существуют поколения? Существует ли теория, которая могла бы объяснить наличие массы у некоторых кварков и лептонов в отдельных поколениях на основании первых принципов (теория взаимодействия Юкавы)?
• 15. Фундаментальная симметрия и нейтрино. Какова природа нейтрино, какова их масса и как они формировали эволюцию Вселенной? Почему сейчас во Вселенной обнаруживается вещества больше, чем антивещества? Какие невидимые силы присутствовали на заре Вселенной, но исчезли из поля зрения в процессе развития Вселенной?
• 16. Квантовая теория поля. Совместимы ли принципы релятивистской локальной квантовой теории поля с существованием нетривиальной матрицы рассеяния?
• 17. Безмассовые частицы. Почему безмассовые частицы без спина не существуют в природе?
• 18. Квантовая хромодинамика. Каковы фазовые состояния сильно взаимодействующей материи и какую роль они играют в космосе? Каково внутреннее устройство нуклонов? Какие свойства сильно взаимодействующей материи предсказывает КХД? Что управляет переходом кварков и глюонов в пи-мезоны и нуклоны? Какова роль глюонов и глюонного взаимодействия в нуклонах и ядрах? Что определяет ключевые особенности КХД и каково их отношение к природе гравитации и пространства-времени?
• 19. Атомное ядро и ядерная астрофизика. Какова природа ядерных сил, которая связывает протоны и нейтроны в стабильные ядра и редкие изотопы? Какова причина соединения простых частиц в сложные ядра? Какова природа нейтронных звёзд и плотной ядерной материи? Каково происхождение элементов в космосе? Что такое ядерные реакции, которые движут звёзды и приводят к их взрывам?
• 20. Остров стабильности. Какое самое тяжёлое из стабильных или метастабильных ядер может существовать?
• 21. Квантовая механика и принцип соответствия (иногда называемый квантовым хаосом). Есть ли предпочтительные интерпретации квантовой механики? Как квантовое описание реальности, которое включает в себя такие элементы, как квантовая суперпозиция состояний и коллапс волновой функции или квантовая декогеренция, приводят к реальности, которую мы видим? Сформулировать то же самое можно с помощью проблемы измерения: что представляет собой «измерение», которое заставляет волновую функцию сваливаться в определённое состояние?
• 22. Физическая информация. Существуют ли физические феномены, такие как чёрные дыры или коллапс волновой функции, которые безвозвратно уничтожают информацию о своих предшествующих состояниях?
• 23. Теория всего («Теории Великого объединения»). Существует ли теория, которая объясняет значения всех фундаментальных физических констант? Существует ли теория, которая объясняет, почему калибровочная инвариантность стандартной модели такая, как она есть, почему наблюдаемое пространство-время имеет 3 + 1 измерения, и поэтому законы физики таковы, как они есть? Меняются ли с течением времени «фундаментальные физические константы»? Являются ли какие-нибудь частицы в стандартной модели физики элементарных частиц на самом деле состоящими из других частиц, связанных настолько сильно, что их невозможно наблюдать при современных экспериментальных энергиях? Существуют ли фундаментальные частицы, которые ещё не наблюдались, и если да, то какие они и каковы их свойства? Существуют ли ненаблюдаемые фундаментальные силы, которые предполагает теория, объясняющие другие нерешённые проблемы физики?
• 24. Калибровочная инвариантность. Существуют ли реально неабелевы калибровочные теории со щелью в спектре масс?
• 25. CP-симметрия. Почему не сохраняется CP-симметрия? Почему она сохраняется в большинстве наблюдаемых процессов?
• 26. Физика полупроводников. Квантовая теория полупроводников не может точно вычислить ни одной постоянной полупроводника.
• 27. Квантовая физика. Неизвестно точное решение уравнения Шредингера для многоэлектронных атомов.
• 28. При решении задачи о рассеянии двух пучков на одном препятствии сечение рассеяния получается бесконечно большим.
• 29. Фейнманиум: Что будет происходить с химическим элементом, атомный номер которого окажется выше 137, вследствие чего 1s 1 -электрону придётся двигаться со скоростью, превышающей скорость света (согласно модели атома Бора)? Является ли «Фейнманиум» последним химическим элементом, способным существовать физически? Проблема может проявиться приблизительно на 137 элементе, где расширение дистрибуции заряда ядра достигает финальной точки. Смотрите статью Расширенная периодическая таблица элементов и секцию Relativistic effects.
• 30. Статистическая физика. Отсутствует систематическая теория необратимых процессов, дающая возможность проводить количественные расчёты для любого заданного физического процесса.
• 31. Квантовая электродинамика. Существуют ли гравитационные эффекты, вызываемые нулевыми колебаниями электромагнитного поля? Неизвестно, как при вычислениях квантовой электродинамики в области высоких частот одновременно выполнить условия конечности результата, релятивистской инвариантности и суммы всех альтернативных вероятностей, равной единице.
• 32. Биофизика. Отсутствует количественная теория для кинетики конформационной релаксации белковых макромолекул и их комплексов. Отсутствует законченная теория электронного переноса в биологических структурах.
• 33. Сверхпроводимость. Невозможно теоретически предсказать, зная структуру и состав вещества, перейдёт ли оно в сверхпроводящее состояние с понижением температуры.

Ниже мы приведем список нерешенных проблем современной физики.

Некоторые из этих проблем носят теоретический характер. Это означает, что существующие теории оказываются неспособными объяснить определённые наблюдаемые явления или экспериментальные результаты.

Другие проблемы являются экспериментальными, а это означает, что имеются трудности в создании эксперимента по проверке предлагаемой теории или по более подробному исследованию какого-либо явления.

Некоторые из этих проблем тесно взаимосвязаны. Например, дополнительные измерения или суперсимметрия могут решить проблему иерархии. Считается, что полная теория квантовой гравитации способна ответить на бо́льшую часть из перечисленных вопросов.

Каким будет конец Вселенной?

Разгадка во многом зависит от тёмной энергии, которая остаётся неизвестным членом уравнения.

Тёмная энергия ответственна за ускоряющееся расширение Вселенной, но ее происхождение - тайна, покрытая мраком. Если тёмная энергия постоянна в течение долгого времени, нас, вероятно, ждёт «большое замораживание»: Вселенная продолжит расширяться всё быстрее, и в конечном счёте галактики настолько удалятся друг от друга, что нынешняя пустота космоса покажется детской забавой.

Если тёмная энергия возрастает, расширение станет настолько быстрым, что увеличится пространство не только между галактиками, но и между звёздами, то есть сами галактики будут разорваны; этот вариант называется «большим разрывом».

Ещё один сценарий состоит в том, что тёмная энергия уменьшится и уже не сможет противодействовать силе тяжести, что заставит Вселенную свернуться («большое сжатие»).

Ну а суть в том, что, как бы ни разворачивались события, мы обречены. До этого ещё, впрочем, миллиарды или даже триллионы лет - достаточно, чтобы разобраться в том, как же всё-таки погибнет Вселенная.

Квантовая гравитация

Несмотря на активные исследования, теория квантовой гравитации пока не построена. Основная трудность в её построении заключается в том, что две физические теории, которые она пытается связать воедино, - квантовая механика и общая теория относительности (ОТО) - опираются на разные наборы принципов.

Так, квантовая механика формулируется как теория, описывающая временну́ю эволюцию физических систем (например атомов или элементарных частиц) на фоне внешнего пространства-времени .

В ОТО внешнего пространства-времени нет - оно само является динамической переменной теории, зависящей от характеристик находящихся в нём классических систем.

При переходе к квантовой гравитации, как минимум, нужно заменить системы на квантовые (то есть произвести квантование). Возникающая связь требует какого-то квантования геометрии самого пространства-времени, причём физический смысл такого квантования абсолютно неясен и сколь-либо успешная непротиворечивая попытка его проведения отсутствует.

Даже попытка провести квантование линеаризованной классической теории гравитации (ОТО) наталкивается на многочисленные технические трудности - квантовая гравитация оказывается неперенормируемой теорией вследствие того, что гравитационная постоянная является размерной величиной.

Ситуация усугубляется тем, что прямые эксперименты в области квантовой гравитации, из-за слабости самих гравитационных взаимодействий, недоступны современным технологиям. В связи с этим в поиске правильной формулировки квантовой гравитации приходится пока опираться только на теоретические выкладки.

Бозон Хиггса не имеет абсолютно никакого смысла. Почему же он существует?

Бозон Хиггса объясняет, как все остальные частицы приобретают массу, но в то же время поднимает множество новых вопросов. Например, почему бозон Хиггса взаимодействует со всеми частицами по-разному? Так, t-кварк взаимодействует с ним сильнее, чем электрон, из-за чего масса первого намного выше, чем у второго.

Кроме того, бозон Хиггса - первая элементарная частица с нулевым спином.

«Перед нами совершенно новая область физики элементарных частиц, - говорит учёный Ричард Руис  - Мы понятия не имеем, какова её природа».

Излучение Хокинга

Производят ли чёрные дыры тепловое излучение, как это предсказывает теория? Содержит ли это излучение информацию об их внутренней структуре или нет, как следует из оригинального расчета Хокинга?

Почему случилось так, что Вселенная состоит из материи, а не антиматерии?

Антиматерия - та же материя: она обладает точно такими же свойствами, как вещество, из которого состоят планеты, звёзды, галактики.

Отличие только одно - заряд. Согласно современным представлениям, в новорождённой Вселенной того и другого было поровну. Вскоре после Большого взрыва материя и антиматерия аннигилировали (прореагировали с взаимным уничтожением и возникновением других частиц друг друга).

Спрашивается, как так вышло, что некоторое количество материи всё-таки осталось? Почему именно материя добилась успеха, а антивещество проиграло «перетягивание каната»?

Чтобы объяснить это неравенство, учёные усердно ищут примеры нарушения CP-инвариантности, то есть процессов, при которых частицы предпочитают распадаться с образованием материи, но не антиматерии.

«Прежде всего хотелось бы понять, различаются ли нейтринные осцилляции (превращение нейтрино в антинейтрино) между нейтрино и антинейтрино, - говорит поделившаяся вопросом Алисия Мэрино из Колорадского университета. - Ничего подобного до сих пор не наблюдалось, но мы надеемся на следующее поколение экспериментов».

Теория всего

Существует ли теория, которая объясняет значения всех фундаментальных физических констант? Существует ли теория, которая объясняет, почему законы физики таковы, как они есть?

Для обозначения теории, которая бы объединила все четыре фундаментальные взаимодействия в природе.

В течение двадцатого века было предложено множество «теорий всего», но ни одна из них не смогла пройти экспериментальную проверку, или существуют значительные затруднения в организации экспериментальной проверки для некоторых из кандидатов.

Бонус: Шаровая молния

Какова природа этого явления? Является ли шаровая молния самостоятельным объектом или подпитывается энергией извне? Все ли шаровые молнии имеют одну и ту же природу или существуют разные их типы?

Шаровая молния - светящийся плавающий в воздухе огненный шар, уникально редкое природное явление.

Единой физической теории возникновения и протекания этого явления к настоящему времени не представлено, также существуют научные теории, которые сводят феномен к галлюцинациям.

Существуют около 400 теорий, объясняющих явление, но ни одна из них не получила абсолютного признания в академической среде. В лабораторных условиях похожие, но кратковременные явления удалось получить несколькими разными способами, так что вопрос о природе шаровой молнии остаётся открытым. По состоянию на конец XX века не было создано ни одного опытного стенда, на котором это природное явление искусственно воспроизводилось бы в соответствии с описаниями очевидцев шаровой молнии.

Широко распространено мнение, что шаровая молния - явление электрического происхождения, естественной природы, то есть представляет собой особого вида молнию, существующую продолжительное время и имеющую форму шара, способного перемещаться по непредсказуемой, иногда удивительной для очевидцев траектории.

Традиционно достоверность многих свидетельств очевидцев шаровой молнии остаётся под сомнением, в том числе:

• сам факт наблюдения хоть какого-то явления;
• факт наблюдения именно шаровой молнии, а не какого-то другого явления;
• отдельные подробности явления, приводимые в свидетельстве очевидца.

Сомнения в достоверности многих свидетельств осложняют изучение явления, а также создают почву для появления разных спекулятивно-сенсационных материалов, якобы связанных с этим явлением.

По материалам: несколько десятков статей из

Нерешённые проблемы биологии

Однако все примеры, которые я приводил, показывают, насколько сложна и трудна проблема происхождения жизни, и, хотя она, возможно, никогда не будет решена, соблазнительно стать одной из основных нерешенных проблем в биологии. В специальном выпуске журнала Scientific American за сентябрь 2014 г. (том 311, № 3, сентябрь 2014 г.) было опубликовано девять статей, посвященных нескольким аспектам «Саги о людях», начиная с «Эволюция переписана» на «Все еще эволюционирует (после всех этих лет)». Это ясно показывает, что осталось еще много проблем, и последнее слово еще не сказано. В передовой статье этого специального выпуска «Добро пожаловать в семью» Бернард Вуд говорит: «Последние молекулярные анализы и находки окаменелостей показывают, что история эволюции человека намного сложнее… чем кто-либо мог себе представить».

Системная биология
Я полностью согласен с Шарпом, который сказал: «Самый сложный центральный вопрос, который будет исследоваться в течение десятилетий, а может быть, столетий, — это интегрированная модель процессов, составляющих и поддерживающих динамическим образом состояние клетки. Это то, что называется «Системная биология». Я подробно обсуждал как систему, так и синтетическую биологию в более ранней публикации.

Я особо выделил работу Института системной биологии в Сиэтле и Института Бауэра в Гарварде. Системная биология нуждается, по словам Лероя Гуда, в «междисциплинарной среде, состоящей из биологов, химиков, специалистов по информатике, инженеров, математиков, физиков и врачей, говорящих на общих языках дисциплин». Институт Коха по интегративным исследованиям рака при Массачусетском технологическом институте применяет аналогичный подход к системной биологии и «совместно локализует» преподавателей кафедр биологии и инженерии, а также многих членов институтов Уайтхеда и Броуда. Такой комплексный подход стал ключевым компонентом быстрого прогресса, а не проектами, которыми занимаются по отдельности разные отделы университетского городка.

В недавнем обзоре излагается сценарий системной биологии от биологической сети до современной терапии.

Авторы исходят из предположения, что диагностика заболевания аналогична диагностике неисправности в инженерной системе, и применяют инженерные методологии к человеческому заболеванию. Далее они показывают синтетическую диаграмму обработки информации в клеточной сети и, что более впечатляюще, системную карту инсулинорезистентности и дефектного метаболического гомеостаза. Конечная идея здесь заключается в разработке лекарств и, надеюсь, подходящих терапевтических средств, основанных на таком подключении к сети. Как можно перемонтировать такую сеть, уже обсуждалось в этой работе Louisa Fintoft.

Теория эволюции Дарвина получает дополнительные основания. J.S. Weitz с коллегами в интересной статье обсуждают роль биологических сетей и их убеждение, «что линза эволюции дает прекрасную возможность связать дисциплины таким образом, чтобы решить фундаментальные проблемы биологии».

Очень важно отметить классическую работу Denis Noble по системной биологии. Он хорошо рассмотрел эту тему, начиная с работ Ходжкина и Хаксли.

Как можно было заметить, схема подключения к сети далеко не проста. Мой личный подход основан на интеграции, как у Лероя Гуда из Института системной биологии (ISB), где теория и эксперимент идут рука об руку. Худ называет это «P4 Medicine». Он говорит: «Медицина P4, которая является прогнозирующей, профилактической, персонализированной и основанной на участии». Худ использует междисциплинарный подход, включающий биологию, химию, информатику, инженерию, математику и физику. Он называет это «Святым Граалем». Используя такую стратегию, Худ и его команда смогли идентифицировать, например, «новую модификацию белка, критически важную для роста патогена, вызывающего туберкулез».

В обзоре Chuang с коллегами обсуждались четыре новых применения системной биологии:

1. Биомаркеры, основанные на сигнальных путях;
   
2. Карты глобального генетического взаимодействия;
   
3. Системные подходы к идентификации генов болезней;
   
4. Системная биология стволовых клеток.

Мета-анализ публикаций по системной биологии за последнее десятилетие был проведен с 2001 по 2009 год.

Позвольте мне проиллюстрировать это одним примером. В наши дни мы говорим о «больших данных». Остается вопрос, как объединить биоинформатику и системную биологию для получения наиболее релевантной терапевтической информации из огромного количества омических данных, полученных из ДНК, РНК, белков и метаболомики из «единственного образца биопсии» за разумный промежуток времени, чтобы это было полезным. Это обсуждалось в данной работе.

Нейропластичность
В Оксфордском словаре английского языка определение пластичности в применении к биологии звучит так: «Приспособляемость организма к изменениям в окружающей среде или различиям между разными средами обитания». И мозг именно такой. Он податливый. Это обобщенный термин, который может быть как синаптическим, так и несинаптическим. Изменения могут возникать в результате изменений в поведении, окружающей среде, нейрональных изменений или в результате простых телесных повреждений. Работа с мозгом очень важна для большинства биологов. Он охватывает такой широкий спектр тем, о которых говорилось ранее, от нейронной пластичности до памяти и поведения.

В частности, о нейропластичности и старении мозга опубликован этот обзор и этот. А ещё о нейропластичности есть книга 2007 года (в нескольких главах от нескольких авторов).

Хотя еще предстоит проделать большую работу, недавно появилась замечательная статья, которая демонстрирует, как, в принципе, нейронную пластичность можно вызвать с помощью интерфейса мозг-компьютер для восстановления функции, в конечном итоге, использовать как терапевтическое применение. В статье обсуждаются будущие задачи.

Ещё одна новость касается сотрудничества между США и Европой. Американский проект, финансируемый программой BRAIN (Исследование мозга через продвижение инновационных нейротехнологий) стоимостью 1 миллиард долларов, и программой Европейского Союза стоимостью $1,3 млрд. , известен как HBP (Human Brain Project). Как сообщила Сара Рирдон, «инициатива BRAIN направлена на создание инструментов для визуализации и контроля активности мозга, в то время как HBP стремится создать рабочую вычислительную модель всего мозга». Это будет необходимо для ответа на вопросы, которые задают многие биологи.

Согласно веб-сайту Стэнфордского университета, дальнейшие исследования будут направлены на «разработку подходов и лекарств, которые могут улучшить нормальное развитие мозга, а также восстановить поврежденный мозг».

В статье в журнале Discover одного из ведущих нейробиологов мира Дэвид Иглман красиво резюмировал, какие важные проблемы, связанные с мозгом, еще предстоит решить Это: « Как информация кодируется в нейронной активности? Как воспоминания сохраняются и восстанавливаются? Что представляет собой базовая активность мозга? Как мозг моделирует будущее? Как возникают эмоции? Что такое интеллект? Как время представлено в мозгу? Почему мозг спит и мечтает? Как специализированные системы мозга интегрируются друг с другом? И, наконец, что такое сознание?» Он продолжает, что даже если бы мы могли ответить на эти вопросы частично, «это могло бы в корне перестроить наше понимание». Утверждение, которое трудно переоценить.

Хотя совместная программа сотрудничества США и Европы по инициативе мозга подверглась критике из-за огромных затрат и выраженных сомнений относительно того, насколько такие проекты улучшат наше понимание, я вспоминаю, что аналогичные сомнения были высказаны при секвенировании генома человека. Теперь, по прошествии нескольких лет, мы обнаруживаем, что стоимость секвенирования всего генома человека снизилась с 2 миллиардов до почти 1000 долларов. Гораздо более важным является тот факт, что такие усилия хорошо окупаются во многих различных областях как с точки зрения базового понимания, так и с точки зрения его приложений.

Генная регуляция у животных и растений
Берг, на мой взгляд, правильно говорит, что это «глубоко». Это подтверждается Шеффлером: « Генная регуляция: все время мы не были достаточно скромными, чтобы оценить сложность этой проблемы. Последние разработки в области эпигенетики, микроРНК и других РНК, далеки от понимания. Классическая работа Mark Ptashne о регуляции генов говорит нам, что «транскрипцией генов можно управлять с помощью регуляторных белков, которые связываются с участками ДНК, расположенными поблизости, либо на значительном расстоянии. Недавние эксперименты предлагают единый взгляд на эти явно несопоставимые типы регуляции генов».

Недавние исследования ясно установили важную роль эпигенетики, упомянутой Шеффлером. Хороший пример — это однояйцевые близнецы. Ранее считалось, что фенотипические различия у таких близнецов обусловлены окружающей средой, но новые результаты — как теоретические, так и экспериментальные — четко установили, что эпигенетика может объяснить такие различия.

Было продемонстрировано, что микроРНК растений, полученные перорально с пищей, напрямую влияют на экспрессию генов у животных после миграции через плазму и доставки в определенные органы.

Важная роль некодирующей микроРНК была установлена у червей, мух, растений и млекопитающих.

Здесь уместно упомянуть, что все основные открытия у эукариот были впервые обнаружены на растениях. В недавней редакционной статье «Геномы сошли с ума» в The Scientist М. Scudellari пишет, что «странная и чудесная ДНК растений бросает вызов предубеждениям об эволюции жизни, включая наш собственный вид».

К упомянутому выше списку я лично хотел бы добавить следующие моменты:

Стволовые клетки и регенеративная медицина
Несмотря на недавнее опровержение некоторых статей из Nature учеными из Института Рикена и Гарвардского университета, потенциал этого направления остается огромным. Это особенно верно после новаторской работы Shinya Yamanaka по индуцированным плюрипотентным стволовым клеткам (ИПСК) из клеток кожи взрослого человека с использованием только четырех факторов транскрипции. За что он был удостоен Нобелевской премии. В настоящее время осуществляется большое количество проектов по стволовым клеткам, их слишком много, чтобы описывать здесь. Достаточно сказать, что усилия варьируются от лечения болезни Альцгеймера до рака и многих других болезней. С момента объявления президентом Никсоном «войны с раком» были потрачены миллиарды долларов, но мы еще далеки от реализации этой мечты, хотя прогресс был достигнут. Было написано много статей о прогрессе, которого мы достигли в отношении некоторых видов рака. Я хотел бы, в частности, упомянуть интервью (прим.: к сожалению, ссылка в исходной статье нерабочая) с Майклом Бишопом, который получил Нобелевскую премию вместе с Гарольдом Вармусом «за открытие клеточного происхождения ретровирусных онкогенов».

Рецидив рака приписывают неспособности уничтожить раковые стволовые клетки, которых мало и далеко друг от друга, с помощью любого из доступных традиционных методов, а именно химиотерапии, лучевой терапии, хирургии и т. д. Возникающие при этом проблемы были адекватно описаны в этой работе.

Недавний всесторонний обзор использования плюрипотентных стволовых клеток человека [hPSC] для регенеративной медицины показывает, что теперь возможно получить из таких клеток релевантные для болезни типы клеток. Также там описываются проблемы, которые еще предстоит решить для полной реализации в клинических условиях.

К сожалению, особенно в естественных науках, когда дело доходит до применения поистине революционных открытий, шумиха в СМИ порождает неоправданный оптимизм. В качестве примера можно привести малую интерферирующую РНК (siRNA). Случайное открытие, которое показывает механизм прерывания информационного потока от ДНК к РНК и белку и «заглушает» гены. Его механизм не мог быть объяснен в течение многих лет, но, в конце концов, Файер и Мелло были удостоены Нобелевской премии в 2006 году. Феномен молчания генов был обнаружен задолго до 2006 года у растений, но именно работа Файер и Мелло доказала, что такой молчание происходило также у эукариот. Однако его практическое применение в медицине, например, натолкнулось на множество препятствий.

Однако эта тема приобрела большое значение, как видно из обзора, сделанного Baltimore и соавт. Где показано, что miRNA влияют на иммунную систему млекопитающих.

Следовательно, прежде чем исследования на животных моделях могут быть эффективно применены к людям, необходима гораздо более фундаментальная работа.

Биологическое старение
Kunlin Jin в своей статье о теориях старения задает следующие вопросы: «Почему мы стареем? Когда мы начинаем стареть? Что такое маркер старения? Есть ли предел тому, сколько лет мы можем жить?»

Эти вопросы в той или иной форме существовали в течение сотен лет, но на них никогда не было удовлетворительного ответа. Как указал Шеффлер в своем ответе, старение — важное явление. В некоторых СМИ распространено заблуждение, что исследования старения означают продление жизни. Продление жизни в обычном понимании бессмысленно, если человек живет дольше, но пронизан болезнью. Вся идея здесь в том, чтобы иметь возможность ответить на вопросы, которые задавал K. Jin. Предел Хейфлика в клеточном старении и роль гена сиртуина широко изучался в связи со старением.

В красивой презентации в PowerPoint от NTNU (прим. : к сожалению, ссылка в исходной статье нерабочая) и больницы Св. Олафа в Тронхейме, Норвегия, на тему «Теории и исследования биологического старения», совершенно справедливо, на мой взгляд, говорится, что «старение является центральным аспектом биологии человека». И одним из наименее понятных. Биологическое старение может происходить на разных уровнях, включая ДНК, органеллы и клетки, ткани, органы и т. д. Временная шкала в «Перспективе жизни» показывает приблизительную продолжительность, начиная с оплодотворения -> плод (0,7–0,8 года) -> рождение -> младенец (0–3) -> Подросток (начало-10–20) -> Родитель (16–22) -> Средний возраст (снижение фертильности: для женщин 40–50 лет и мужчин после 50) -> Здоровый пожилой возраст (продолжительность 0–30) -> Астения (старческая хрупкость) (продолжительность 0–5) -> Смерть.

Следует понимать, что люди могут стареть с очень разной скоростью в зависимости от различных факторов. Это показывает, что необходимо принять во внимание большое количество переменных, прежде чем можно будет создать единую теорию, которая поддаётся проверке.

Было предложено много теорий старения, но ни одна из них не могла объяснить различные вопросы, которые я описываю. Среди них: зависимость продолжительности жизни от скорости репарации ДНК; митохондриальная теория; теория накопления белка; сетевые теории, укорочение теломер и др. (прим.: к сожалению, ссылка в исходной статье нерабочая).

Недавно несколько всемирно известных генетиков, таких как Дэвид Ботштейн (Принстон) и Синтия Кеньон (UCSF), были наняты Google для работы над проблемами старения. Кеньон показала, что мутация одного гена позволяет круглому червю жить вдвое дольше, чем без таких манипуляций. Однако, когда ее спросили в интервью, сколько времени потребуется, чтобы такая таблетка стала доступной для людей, она сказала: «Требуется очень много времени, чтобы выяснить, есть ли тот же молекулярный механизм, который влияет на старение в клетках крошечных круглых червей, у высших организмов».

Обсуждение биологического старения ясно показывает, почему старение является такой фундаментальной проблемой наряду с другими упомянутыми проблемами.

В биологии было сделано много фундаментальных открытий и, вполне оправданно, ученые были удостоены многих престижных премий. Ученые, участвовавшие в такой работе, не обязательно были мотивированы такими призами, но движимы любопытством. Само собой разумеется, что многие из этих открытий, которые дали ответ на самые важные поставленные вопросы и в процессе этого также изменили многие человеческие жизни, легко попали бы в категорию нерешенных проблем, если бы существовал такой список, как Премия тысячелетия в области математики. Однако в будущем будет еще много нерешенных проблем и новых задач. Я бы привел один пример, а именно открытие клонирования ДНК и генной инженерии Хербом Бойером и Стэнли Коэном, в результате которого в 2004 году была присуждена премия Shaw.

Нерешенные проблемы науки – Виктор Долонько — ЖЖ

Герман ДЬЯКОНОВ *
Рисунок Сергея САВИНА

Наука умеет много гитик. Много, но не все. Надо отдавать себе отчет в том, что, помимо нерешенных, есть неразрешимые проблемы, и доказательство неразрешимости какой-либо проблемы – уже достижение.

Ведь если понять, что проблема неразрешима, то можно усилия направить на проблему пока нерешенную. Сравнительно недавно академик РАН Е. Д. Свердлов в журнале «Биохимия» открытым текстом заявил: «Нельзя победить рак». Правда, подробно пояснил причины, по которым он считает, что эти причины непоколебимы, но это при сегодняшнем уровне развития науки. Об этом в своем комментарии замечает его коллега С. А. Мошковский, биохимик, доктор биологических наук, профессор РАН, заведующий кафедрой Медуниверситета имени Н. И. Пирогова.

[Нажмите, чтобы прочитать]
Но давайте определим, что мы должны велеть науке для правильных ее занятий. Начнем со всем памятного выражения «Науку – на службу человечеству». И здесь главная проблема состоит в том, что у нас с вами только два источника ресурсов: наша планета и наша звезда, то есть Земля и Солнце. Tertium non datur. И только один сток. Опять-таки Земля.
Мы ресурсы-то потребляем, но не на сто процентов, какие-то непригодные для дальнейшего использования хвосты остаются. Куда их девать? Посмотрите на окрестности любого мегаполиса. На океанское дно вообще не заглядывайте: там еще хуже. А нас становится всё больше. Всем хочется покушать повкуснее, да и всё прочее. Откуда взять, и главное – куда выбросить?
Науке надо, прежде всего, найти, откуда, и отыскать, куда. Так что пусть наука нас всех еще и накормит. А как у нас со здоровьем будет? Тут встают острые проблемы биологии вообще и медицины в частности. Настоятельно необходимо научиться все-таки лечить рак – эффективно и желательно медикаментозно. Тут паровозиком – СПИД, благодаря некоторым общим свойствам в строении онковирусов, и ВИЧ. Лечение сердечно-сосудистых заболеваний идет более успешно, зато число этих самых заболеваний всё еще велико.
Однако не забудем, что кроме больных людей у нас есть еще недообследованные, и это не значит, что у них все проблемы уже решены. Взять хотя бы такую науку, как нейробиология, которая изучает проблемы нашей высшей деятельности (кстати говоря, не только нашей и не только высшей). Как из первоначально неживой материи (другой не было) само по себе возникло такое чудо, такое совершенство, как мы с вами (при желании можете меня вычеркнуть)? Как и почему люди мыслят? И почему вдруг сходят с ума? С чего бы это так некстати приходят к нам незваные гости Паркинсон и Альцгеймер? Как восстановить функции поджелудочной железы и избавить людей от сахарного диабета? Или вот грипп треклятый! Тупой вирус эволюционирует (мутирует) с такой скоростью, что и не снится нашим мудрецам.
Я даже не намекаю на проблему личного физического бессмертия. Как сделать уход человека из жизни, – увы, неизбежный, а в условиях конкуренции за ресурсы в общечеловеческом понимании даже полезный, – как сделать его безболезненным (эвтаназию не предлагать!)?
В других науках дел не меньше, чем в биологии. Ну, скажем, надо бы окончательно определиться, где мы всё-таки живем, куда вселены? Как это устроено? Мы знаем все фундаментальные частицы, из которых состоит Вселенная, но внутри нее имеются еще два подобных набора, из которых тоже можно собрать Вселенную. Какой она была бы, если эти стройматериалы пустить в дело? Зачем это нужно? И почему Вселенная у нас одна, а Единая Теория отсутствует? И возможна ли она? Вдруг мы изначально пошли по ложному пути и забрели в тупик?
И еще одна проблема, которая, вроде, и не проблема в наши дни, она кажется решенной окончательно, как мне говорили на лекциях по диамату. Это проблема Первопричины Всего Сущего. Короче, мы все знаем о принципах универсальной эволюции, о самоорганизации, о неравновесной термодинамике, синергетике, фракталах… Иными словами, нам знаком волшебник Оно Само. Однако…
Довелось мне свыше 20 лет вести курс «Концепции современного естествознания» в родном политехе. Всё хорошо, пристойно, в рамках материалистических парадигм. Но вот на одном семинаре, посвященном проблемам космогонии, то есть возникновения Вселенной, сцепились в полемике несколько студентов. Умненькие ребята, как и все мои. Один решил усомниться в отсутствии, как бы это сказать поаккуратнее, некоего Демиурга, «Творца небу и земли, видимым же всем и невидимым», как сказано сами знаете где. Тут все на него накинулись, дескать, Вселенная возникла и развивается по объективным законам самоорганизации, и всё они говорили правильно, теша мою преподавательскую душу. Как вдруг этот Первый вдруг спросил: «А где были эти ваши законы, когда Вселенная находилась в сингулярном состоянии?» И тут я оторопел. Ведь сингулярное состояние – это состояние до Большого взрыва, Вселенная имела тогда размер чудовищно малый, меньше атома водорода, а давление и температура, как говорится, зашкаливали за все мыслимые шкалы. Где же были эти законы? Внутри? Смешно подумать. Снаружи? А где это, «снаружи»? Нет-нет, не подумайте чего, а вот в самом деле, где?

* Специалист по теории информатики, старший преподаватель СГТУ.

Опубликовано в «Свежей газете. Культуре» 30 января 2020 года, № 2 (175)

Метки: Наука

Читать “Пять нерешенных проблем науки” – Уиггинс Артур, Уинн Чарлз – Страница 1

Артур Уиггинс, Чарлз Уинн

Пять нерешенных проблем науки

Предисловие

Мы, ЛЮДИ, ютимся на обломке скалы под названием ««планета», обращающейся вокруг ядерного реактора под названием ««звезда», которая входит в огромное собрание звезд под названием «Галактика», а та в свою очередь — часть скоплений галактик, составляющих Вселенную. Наше состояние, именуемое нами жизнью, присуще множеству иных организмов на этой планете, но, похоже, мы одни обладаем орудием ума для постижения Вселенной и всего, чем она располагает. Свои усилия по выяснению природы Вселенной мы подводим под понятие науки. Такое понимание дается нелегко, и путь к нему долог. Однако успехи налицо.

Данная книга поведает читателю о крупнейших нерешенных проблемах науки, над которыми работают сегодня ученые. При всем изобилии экспериментальных данных их оказывается недостаточно, чтобы подтвердить ту или иную гипотезу. Мы рассмотрим события и открытия, приведшие к этим проблемам, а затем ознакомим вас с тем, как сегодня их пытаются решить ученые, находящиеся на переднем крае науки. Сидни Харрис, лучший американский иллюстратор научных изданий, оживит наши рассуждения присущим его рисункам юмором, не только поясняя затрагиваемые идеи, но и высвечивая их совершенно по-новому.

Мы обсуждаем здесь также нерешенные проблемы в основных отраслях естествознания, руководствуясь в своем выборе степенью их значимости, трудности, широты охвата и масштабом последствий. Наряду с ними мы включили в книгу краткий обзор и некоторых других проблем в каждой из затронутых отраслей знания, а также «Список идей», где читатель найдет дополнительные сведения о подоплеке некоторых нерешенных проблем. Наконец, мы привели «Источники для углубленного изучения», где перечислены информационные ресурсы, призванные помочь больше узнать о заинтересовавших вас предметах.

Особой благодарности заслуживают Кейт Бредфорд, старший редактор издательства Wiley, первый подавший мысль о такой книге, и наш литературный агент Луиза Кетц за ее неизменные слова поддержки.

Глава 1. Видение науки

Ведь человеку образованному свойственно добиваться точности для каждого рода [предметов] [1]в той степени, в какой это допускает природа предмета. Одинаково [нелепые] кажется и довольствоваться пространными рассуждениями математика, и требовать от ритора строгих доказательств.

Аристотель

Наука ≠ техника

Разве наука и техника не одно и то же? Нет, они различны.

Хотя техника, определяющая современную культуру, развивается благодаря постижению наукой Вселенной, техника и наука руководствуются разными побуждениями. Рассмотрим основные различия между наукой и техникой. Если занятия наукой вызваны желанием человека познать и понять Вселенную, то технические новшества — стремлением людей изменить условия своего существования, чтобы добыть себе пропитание, помочь другим, а нередко и совершить насилие ради личной выгоды.

Люди зачастую одновременно занимаются «чистой» и прикладной наукой, но в науке можно вести фундаментальные исследования без оглядки на конечный результат. Британский премьер — министр Уильям Гладстон заметил как-то Майклу Фарадею по поводу его основополагающих открытий, связавших воедино электричество и магнетизм: «Все это весьма занятно, но каков в этом прок?» Фарадей ответил: «Сэр, я не знаю, но однажды вы от этого выгадаете». Почти половину нынешнего богатства развитым странам принесла связь электричества с магнетизмом.

Прежде чем научные достижения станут достоянием техники, требуется принять во внимание дополнительные соображения: разработка какого устройства возможна, что допустимо построить (вопрос, по сути, относящийся к области этики). Этика же принадлежит к совершенно иной области умственной деятельности человека: гуманитарным наукам. Основное различие между естествознанием и гуманитарными науками состоит в объективности. Естествознание стремится изучать поведение Вселенной по возможности объективно, тогда как перед гуманитарными науками такой цели или требования нет. Перефразируя слова ирландской писательницы XIX века Маргарет Волф Хангерфорд, можно сказать: «Красота [и истина, и справедливость, и благородство, и…] видится всеми по-разному».

Наука далеко не монолитна. Естественные науки заняты изучением как окружающей среды, так и самих людей, поскольку они функционально подобны иным формам жизни. А гуманитарные науки исследуют рациональное (эмоциональное) поведение людей и их установки, которые необходимы им для социального, политического и экономического взаимодействия. На рис. 1. 1 графически представлены эти взаимосвязи.

Как бы ни способствовало такое стройное изложение пониманию существующих связей, действительность всегда оказывается значительно сложнее. Этика помогает определить, что исследовать, какие исследовательские методы, приемы использовать и какие эксперименты недопустимы ввиду таящейся в них угрозы благополучию людей. Политэкономия и политология также играют огромную роль, поскольку наука может изучать лишь то, что культура склонна поощрять как орудия производства, рабочую силу или что — то, политически приемлемое.

Рис. 1.1. Сферы умственной деятельности

Механизм работы науки

Успех науки в изучении Вселенной складывается из наблюдений и выдвижения идей. Такого рода взаимообмен именуют научным методом (рис. 1.2).

Рис. 1.2. Научный метод

В ходе наблюдения то или иное явление воспринимается органами чувств при помощи приборов или без них. Если в естествознании наблюдения ведутся за множеством подобных предметов (например, атомов углерода), то науки о человеке имеют дело с меньшим числом различных субъектов (например, людей, пусть даже однояйцевых близнецов).

После сбора данных наш ум, стремясь их упорядочить, начинает строить образы или объяснения. В этом и заключается работа человеческой мысли. Данный этап именуют этапом выдвижения гипотезы. Построение общей гипотезы на основе полученных наблюдений ведется посредством индуктивного умозаключения, которое содержит обобщение и поэтому считается самым ненадежным видом умозаключения. И как бы ни пытались искусственно строить выводы, в рамках научного метода подобного рода деятельность ограничена, поскольку на последующих этапах гипотеза сталкивается с действительностью.

Зачастую гипотеза целиком или отчасти формулируется на языке, отличающемся от обиходной речи, языке математики. Для приобретения математических навыков требуется приложить большие усилия, иначе несведущим в математике людям при объяснении научных гипотез понадобится перевод математических понятий на повседневный язык. К сожалению, при этом смысл гипотезы может существенно пострадать.

После построения гипотезу можно использовать для предсказания некоторых событий, которые должны произойти, если гипотеза верна. Такое предсказание выводится из гипотезы посредством дедуктивного умозаключения. Например, второй закон Ньютона гласит, что F = mа. Если m равно 3 единицам массы, а а — 5 единицам ускорения, то F должна равняться 15 единицам силы. Выполнение математических расчетов на данном этапе могут взять на себя вычислительные машины, работающие на основе дедуктивного метода.

Следующий этап — проведение опыта, чтобы выяснить, подтверждается ли предсказание, сделанное на предыдущем этапе. Некоторые опыты провести довольно просто, но чаще — крайне затруднительно. Даже изготовив сложное и дорогостоящее научное оборудование для получения весьма ценных данных, нередко бывает нелегко найти деньги, а затем запастись терпением, необходимым для обработки и осмысления огромного массива этих данных. Естествознание обладает преимуществом: здесь можно обособить изучаемый предмет, тогда как наукам о человеке и обществе приходится иметь дело с многочисленными переменными, зависящими от различных взглядов (пристрастий) многих людей.

Актуальные проблемы теоретической физики: филосовские, научные, экологические

Актуальные проблемы – значит важные для данного времени. Когда-то актуальность проблем физики была совсем иной. Решались вопросы типа «почему ночью становится темно», «почему дует ветер» или «почему вода мокрая». Давайте посмотрим, над чем ломают головы ученые в наши дни.

Несмотря на то, что мы можем все полнее и подробнее объяснить окружающий мир, вопросов со временем становится все больше. Ученые устремляют мысли и приборы в глубины Вселенной и дебри атомов, находя там такие вещи, которые пока не поддаются объяснению.

Нерешенные проблемы физики

Часть актуальных и нерешенных вопросов современной физики носит чисто теоретический характер. Некоторые проблемы теоретической физики просто невозможно проверить экспериментально. Еще одна часть – это вопросы, связанные с экспериментами.

Например, эксперимент не согласуется с ранее разработанной теорией. Существуют также прикладные задачи. Пример: экологические проблемы физики, связанные с поиском новых источников энергии. Наконец, четвертая группа – чисто философские проблемы современной науки, ищущие ответ на «главный вопрос смысла жизни, Вселенной и всего такого».

Ответ на вопрос смысла жизни, Вселенной и всего такого

Темная энергия и будущее Вселенной

Согласно сегодняшним представлениям Вселенная расширяется. Причем по данным анализа реликтового излучения и излучения сверхновых, расширяется с ускорением. Расширения происходит за счет темной энергии. Темная энергия – это неопределенный вид энергии, который был введен в модель Вселенной для объяснения ускоренного расширения. Темная энергия не взаимодействует с материей известными нам способами, и ее природа – большая загадка. Есть два представления о темной энергии:

• Согласно первому она заполняет Вселенную равномерно, то есть является космологической константой и имеет постоянную энергетическую плотность.
• Согласно второму динамическая плотность темной энергии меняется в пространстве и времени.

В зависимости от того, какое из представлений о темной энергии верно, можно предположить дальнейшую судьбу Вселенной. Если плотность темной энергии растет, то нас ждет Большой разрыв, в котором вся материя развалится.

Еще один вариант – Большое сжатие, когда гравитационные силы победят, расширение остановится и сменится сжатием. При таком сценарии все, что было во Вселенной, сначала коллапсирует в отдельные черные дыры, а потом схлопнется в одну общую сингулярность.

Множество неразрешенных вопросов связано с черными дырами и их излучением. Читайте отдельную статью об этих загадочных объектах.

 

Материя и антиматерия

Все, что мы наблюдаем вокруг себя – материя,  состоящая из частиц. Антиматерия – это вещество, состоящее из античастиц. Античастица – это двойник частицы. Единственное отличие частицы и античастицы – это заряд. Например, заряд электрона – отрицательный, тогда как его двойник из мира античастиц – позитрон – имеет такой же по величине положительный заряд.   Получить античастицы можно в ускорителях частиц, однако никто не встречал их в природе.

При взаимодействии (столкновении) материя и антиматерия аннигилируют, в результате образуются фотоны. Почему во Вселенной преобладает именно вещество – большой вопрос современной физики. Предполагается, что эта асимметрия возникла в первые доли секунды после Большого взрыва.

Ведь если бы вещества и антивещества было поровну, все частицы бы аннигилировали, оставив в результате только фотоны.  Есть предположения, что дальние и совсем неизученные области Вселенной заполнены антивеществом. Но так ли это, еще предстоит выяснить, проведя огромную мозговую работу.

Кстати! Для наших читателей сейчас действует скидка 10% на любой вид работы

Электрон и позитрон

Теория всего

Есть ли теория, которая может объяснить абсолютно все физические явления на элементарном уровне? Наверное, есть. Другой вопрос – можем ли мы до нее додуматься. Теория всего, или Теория Великого объединения – это теория, которая объясняет значения всех известных физических констант и объединяет 5 фундаментальных взаимодействий:

• сильное взаимодействие;
• слабое взаимодействие;
• электромагнитное взаимодействие;
• гравитационное взаимодействие;
• поле Хиггса.

Кстати, о том, что такое бозон Хиггса и почему он так важен, вы можете почитать в нашем блоге.

Среди множества предложенных теорий всего ни одна не прошла экспериментальную проверку. Одним из самых перспективных направлений в этом вопросе является объединение квантовой механики и общей теории относительности в теорию квантовой гравитации. Однако данные теории имеют разные области применения, и пока что все попытки их объединения приводят к расходимости, которую не удается убрать.

Квантовая гравитация

Сколько существует измерений?

Мы привыкли к трехмерному миру. Можем двигаться в известных нам трех измерениях вперед-назад, вверх и вниз, чувствуя себя комфортно. Однако существует M-теория, согласно которой есть аж 11 измерений, лишь 3 из которых доступны нам.

Представить это достаточно сложно, если не невозможно. Правда, для таких случаев существует математический аппарат, который помогает справиться с проблемой. Чтобы не взорвать мозг себе и вам, мы не будем приводить математические выкладки из М-теории. Лучше приведем цитату физика Стивена Хокинга:

Мы всего лишь развитые потомки обезьян на маленькой планете с ничем не примечательной звездой. Но у нас есть шансы постичь Вселенную. Это и делает нас особенными.

Что говорить о далеком космосе, когда знаем далеко не все о нашем родном доме. Например, до сих пор нет четкого объяснения происхождению магнитного поля Земли и периодической инверсии его полюсов.

Загадок и задач очень много. Такие же нерешенные задачи есть и в химии, астрономии, биологии, математике, философии. Разгадывая одну тайну, мы получаем две взамен. В этом и есть радость познания. Напомним, что с любой задачей, какой бы она не была сложной, вам помогут справиться студенческий сервис. Проблемы обучения физике, как и любой другой науке, решаются гораздо легче, чем фундаментальные научные вопросы.

7 самых больших неразгаданных тайн науки

За последние два столетия наука ответила на множество вопросов о природе и законах, которые ею управляют. Мы смогли исследовать галактики и атомы, из которых состоит материя. Мы создали машины, которые могут вычислять и решать проблемы, с которыми не может справиться ни один человек. Мы решили давние проблемы по математике и создали теории, которые поставили перед математикой новые задачи. Эта статья, однако, не об этих достижениях. Речь идет о тех проблемах в науке, которые заставляют ученых чесать затылки, задаваясь вопросом, будут ли они когда-нибудь кричать: «Эврика!»

Турбулентность
Турбулентность — не новое слово. Вы, вероятно, более знакомы с ним как со словом, описывающим внезапную тряску во время полета. Однако турбулентность в гидромеханике — это совсем другое дело. Турбулентность в полете, более технически называемая «турбулентностью при ясном небе», возникает из-за встречи двух воздушных масс, движущихся с разными скоростями. Физикам, однако, гораздо труднее объяснить это явление турбулентности в жидкостях. Математикам снятся кошмары по этому поводу.

Нас окружает турбулентность жидкости. Струя из открытого крана полностью разбивается на хаотичные пятна жидкости, в отличие от единого потока струи, который мы получаем, когда мы открываем его только наполовину. Это один из классических примеров турбулентности, который используется для объяснения как школьникам, так и выпускникам. Турбулентность распространена в природе повсеместно, возникает в различных геофизических и океанических течениях. Это также важно для инженеров, так как это часто происходит при обтекании турбинных лопаток, аэродинамических поверхностей и других тел. Турбулентность характеризуется случайными колебаниями таких переменных, как скорость и давление.

Хотя было проведено множество экспериментов и эмпирических данных, касающихся турбулентности, мы все еще далеки от убедительной теории о том, что именно вызывает турбулентность в жидкости, как ею управлять и что именно придает ей порядок в хаосе. Проблема еще более усложняется тем фактом, что уравнения, управляющие движением жидкости, а именно уравнения Навье-Стокса, общеизвестно трудны для анализа. Ученые прибегают к методам высокопроизводительных вычислений, а также к экспериментам и теоретическим упрощениям для изучения явлений, но полной теории турбулентности по-прежнему нет, что делает турбулентность жидкости одной из самых важных нерешенных проблем современной физики. На самом деле лауреат Нобелевской премии Ричард Фейнман объявил ее «самой важной нерешенной проблемой в классической физике». Квантовый физик Вернер Гейзенберг, когда его спросили, о чем бы он попросил Бога, если бы представилась такая возможность, заметил: «Я задам ему два вопроса. Почему относительность? И почему турбулентность? Я действительно верю, что у него будет ответ на первый».

Снимок моделирования, показывающий турбулентность в струе

У нас была возможность поговорить с получателем Падма Вибушан, профессором Роддамом Нарасимхой, и вот что он сказал: «По сей день мы не можем предсказывать простейшие турбулентные течения, исходя из первых принципов механики, таких как законы Ньютона, никогда не обращаясь к экспериментальным данным о самом течении. Например, в настоящее время невозможно предсказать потерю давления в трубе с турбулентным течением, но она известна благодаря грамотному использованию данных на каком-то уровне, полученных в экспериментах. Основная проблема заключается в том, что интересующие нас задачи турбулентного потока почти всегда сильно нелинейны, и математики для решения таких сильно нелинейных задач, по-видимому, не существует. Среди многих физиков было широко распространено мнение, что всякий раз, когда возникает новая проблема в их предмете, оказывается, что каким-то образом, как по волшебству, математика, необходимая для ее решения, оказывается уже изобретенной. Проблема турбулентности дает контрпример этому правилу. Законы задачи хорошо известны и для простых несжимаемых жидкостей при нормальных условиях воплощаются в уравнениях Авье — Стокса. Но решения остаются неизвестными. Поэтому ясно, что современная математика исключительно неэффективна в решении проблемы турбулентности. Как выразился Ричард Фейнман, турбулентность остается величайшей нерешенной проблемой классической физики».

Такова важность исследований турбулентности, что на их основе появилось целое поколение вычислительных технологий. Решение или даже приближение к теории турбулентности позволит науке делать более точные прогнозы погоды, проектировать энергоэффективные автомобили и самолеты и лучше понимать различные природные явления.

Происхождение жизни
Мы всегда были одержимы изучением возможности жизни на других планетах, но еще больше сбил ученых с толку другой вопрос: как именно жизнь, какой мы ее знаем, возникла на Земле? Хотя ответ на этот вопрос будет иметь мало практического применения, путь к ответу может привести к нескольким интересным открытиям в различных областях, от микробиологии до астрофизики.

Ученые считают, что ключ к пониманию происхождения жизни может заключаться в выяснении того, как две характерные черты жизни — размножение и генетический перенос — могли начаться как процессы с участием молекул, обладающих способностью к репликации. Это привело к формированию популярной теории «первичного бульона», согласно которой на ранней Земле каким-то образом была смесь, своего рода бульон из молекул, питавшихся солнечной энергией и электрическими бурями. В течение длительного периода времени эти молекулы реагировали, образуя более сложные органические структуры, из которых состоит жизнь. Эта теория была поддержана знаменитым экспериментом Миллера-Юри, в котором дуэту удалось создать аминокислоту, пропуская электрические разряды через смесь более простых элементов, таких как метан, аммиак, вода и водород. Однако открытие ДНК и РНК погасило первоначальное волнение, поскольку казалось невероятным, что сложная и элегантная структура ДНК могла возникнуть из примитивного бульона из химических веществ.

Абиогенез

Существует школа мысли, которая полагает, что ранний мир был миром РНК, а не ДНК. Было обнаружено, что РНК обладает способностью ускорять реакции и оставаться неизменной, а также воспроизводить и хранить генетический материал. Но для того, чтобы РНК была провозглашена первоначальным репликатором жизни, а не ДНК, ученым необходимо найти доказательства существования элементов, которые могут образовывать нуклеотиды — строительные блоки молекулы РНК. Проблема в том, что нуклеотиды чрезвычайно сложно производить даже в контролируемой среде лаборатории. Опять же, первичный бульон, похоже, не способен создать эти молекулы. Эта загадка привела к другой школе мысли, которая считала, что основные органические молекулы, присутствующие в примитивной жизни, имеют внеземное происхождение и были доставлены на Землю из космоса с помощью метеоров, что привело к развитию теории «панспермии». Другим возможным объяснением может быть теория «мира железа и серы», которая предполагает, что жизнь на Земле имеет глубоководное происхождение, возникающее в результате химических реакций, происходящих в горячей воде под высоким давлением, обнаруженной вблизи гидротермальных источников вулканической природы.

Весьма примечательно, что даже после добрых 200 с лишним лет после индустриализации мы так и не приблизились к выяснению того, как наша Земля породила жизнь. Исследовательские группы в междисциплинарных науках проявили огромный интерес к этой проблеме, что привело к нескольким инициативам по проведению целенаправленных исследований для решения одной из самых больших загадок науки.

Белковый фолдинг
Путешествие по закоулкам памяти вернет нас в школьный класс химии/физики, где мы все выучили (в основном наизусть), что белки являются чрезвычайно важными молекулами и строительными блоками жизни. Белковые молекулы состоят из аминокислотных последовательностей, влияющих на их структуру и, в свою очередь, определяющих специфическое действие белка. Как белок сворачивается и принимает определенную функциональную форму, является давней проблемой в науке. Это даже было объявлено журналом Science одной из самых больших нерешенных проблем в науке. По сути, проблема состоит из трех частей: 1. Как именно белок эволюционирует в свою окончательную нативную структуру? 2. Можем ли мы придумать вычислительный алгоритм для предсказания структуры белка по его аминокислотной последовательности? 3. Учитывая большое количество возможных конформаций, как именно белок сворачивается так быстро? За последние несколько десятилетий был достигнут значительный прогресс по всем трем направлениям, однако ученым еще предстоит полностью расшифровать движущие механизмы и основные принципы, управляющие свертыванием белков.

В процессе сворачивания задействовано большое количество сил и взаимодействий, заставляющих белок достигать состояния с наименьшей возможной свободной энергией, что придает ему стабильность. Из-за исключительной сложности структуры и большого количества задействованных силовых полей трудно понять точную физику процесса сворачивания, кроме небольших белков. Проблема предсказания структуры подверглась нападению с помощью комбинации физики и мощных компьютеров. Хотя они добились успеха с небольшими и относительно простыми белками, ученые все еще пытаются точно предсказать свернутую форму более сложных многодоменных белков по их аминокислотной последовательности, известной как «априори».

ДНК-связывающий домен

Чтобы понять процесс, представьте, что вы стоите на перекрестке с 1000 разных дорог, ведущих к одному и тому же пункту назначения, и выбираете путь, который занимает наименьшее количество времени, чтобы добраться туда. Похожая, но более масштабная проблема – это кинетический механизм сворачивания белка в определенное состояние среди множества возможных структур. Было выяснено, что случайные тепловые движения играют важную роль в быстром характере фолдинга и что белок локально «застегивается» через конформации, избегая неблагоприятных структур, физический путь является открытым вопросом, решение которого также может привести к более быстрым алгоритмам. для предсказания структуры белка.

Проблема сворачивания белка, пожалуй, самая горячая тема сегодня в биохимических и биофизических исследованиях. Физические и вычислительные алгоритмы, разработанные для сворачивания белков, привели к разработке новых искусственных полимерных материалов. Помимо вклада в развитие научных вычислений, эта проблема привела к лучшему пониманию таких заболеваний, как диабет II типа, болезни Альцгеймера, Паркинсона и Гентингтона — заболеваний, в которых играет роль неправильное свертывание белков. Лучшее физическое понимание фолдинга белков могло бы не только привести к нескольким прорывам в материаловедении и биологических науках, но и произвести революцию в медицине.

Квантовая теория гравитации
Все мы знаем, что яблоко якобы упало на голову Ньютона и привело к открытию гравитации. Достаточно сказать, что мир уже не был прежним. Затем появился Альберт Эйнштейн со своей знаменитой общей теорией относительности. Он переосмыслил гравитацию как искажение пространства-времени, ткань, из которой состоит Вселенная. Представьте себе тяжелый мяч на натянутой простыне и еще один мяч поменьше чуть дальше от него. Большой шар будет давить на лист, вдавливая его, заставляя меньший шар притягиваться к нему. Теория гравитации Эйнштейна творила чудеса и даже объясняла искривление света. Однако когда дело дошло до субатомных частиц, подчиняющихся законам квантовой механики, теория выдала всевозможные странные результаты. Разработка теории гравитации, которая может объединить квантовую механику и теорию относительности, две из самых успешных теорий 20-го века, с тех пор стала крупнейшей темой исследований.

Эта задача породила несколько новых интересных областей в физике и математике. Область, получившая наибольшее распространение, — «теория струн». Теория струн заменяет понятие частиц крошечными вибрирующими струнами, которые могут принимать различные формы. Каждая струна может вибрировать в определенном режиме, придавая ей определенную массу и вращение. Теория струн невероятно сложна и математически имеет дело с десятью измерениями пространства-времени — на шесть больше, чем люди могут физически воспринимать. Теория успешно объяснила многие странности союза гравитации с квантовой механикой и была провозглашена одним из главных претендентов на «теорию всего».

Другой теорией для формулировки квантовой гравитации является «петлевая квантовая гравитация» (LQG). LQG относительно менее амбициозна в том смысле, что она в первую очередь нацелена на то, чтобы быть последовательной теорией гравитации, не пытаясь достичь какой-либо великой унификации. LQG представляет пространство-время состоящим из тонкой ткани, сшитой из крошечных петель, отсюда и название. В отличие от теории струн, LQG не требует дополнительных измерений.

Хотя у обеих теорий есть свои достоинства и недостатки, теория квантов гравитации остается нерешенным вопросом, поскольку ни одна из двух не была доказана экспериментально. Проверка любой из вышеупомянутых теорий является серьезной проблемой в экспериментальной физике.

Теория квантовой гравитации, возможно, не окажет заметного влияния на нашу повседневную жизнь, но она станет истинным свидетельством того, насколько далеко мы продвинулись в науке, и позволит нам совершить скачок в увлекательных футуристических областях, таких как физика черных дыр, путешествия во времени и червоточины.

Гипотеза Римана
В интервью выдающийся теоретик чисел Теренс Тао назвал простые числа атомарными элементами теории чисел, что, конечно же, является точной характеристикой. Простые числа не имеют делителей, кроме 1 и самих себя, и поэтому являются простейшими элементами построения чисел. Простые числа также чрезвычайно неустойчивы и не следуют установленному образцу. Большое число (произведение двух простых чисел) используется для шифрования миллионов безопасных транзакций, обрабатываемых в Интернете. В настоящее время простая факторизация этого числа занимает практически вечность. Однако, если бы мы каким-то образом смогли укротить кажущуюся случайной природу простых чисел и лучше понять, как они работают, мы могли бы приблизиться к тому, чтобы фактически сломать Интернет. Решение «гипотезы Римана» может приблизить нас на десять шагов к пониманию простых чисел и иметь серьезные последствия для банковского дела, торговли и безопасности.

Как уже упоминалось, простые числа не всегда хорошо себя ведут. Что сделал Бернхард Риман в 1859 году, так это выяснил, сколько простых чисел меньше заданного числа. Решение Римана связано с функцией, называемой «Дзета-функция Римана», и соответствующим распределением точек на прямой с целыми числами, для которых функция становится равной 0. Гипотеза связана со специальным набором таких точек, называемых «нетривиальными нулями». которые должны лежать на критической прямой. Эта гипотеза была подтверждена для более чем миллиарда таких нулей и может раскрыть тайну распределения простых чисел.

Бернхард Риман

Любой, кто знаком с математикой, знает, что гипотеза Римана — одна из самых больших проблем, оставшихся без ответа. Мало того, что решение окажет огромное влияние на науку и общество, оно также гарантирует решателю приз в миллион долларов. Гипотеза Римана была включена в список Математического института Клэя (частный благотворительный фонд, занимающийся математикой) как одна из семи задач премии тысячелетия. Интернет изобилует попытками доказать гипотезу, но все они были отвергнуты математическим сообществом как действительные доказательства. Будьте уверены, интернет пока в безопасности.

Механизмы выживания тихоходок
Тихоходки — это класс микроорганизмов, в изобилии встречающихся в природе в регионах, охватывающих большинство климатических зон и высот на семи наших континентах. Но это не ваши обычные микроорганизмы, это существа с такими экстремальными навыками выживания, что все эти реалити-шоу о выживании кажутся скучными по сравнению с ними. Начнем с забавного факта — тихоходки — первые животные, которые смогли выжить в опасном космическом вакууме. Группа этих существ вращалась в открытом космосе на внешней стороне ракеты FOTONM3. Их бомбардировали всевозможными космическими излучениями, и многие из них вернулись домой, чтобы рассказать нам свою историю!

Мало того, что эти организмы удивительно подходят для жизни в космосе, они также могут выдерживать температуры в диапазоне от чуть выше абсолютного нуля до намного выше точки кипения воды. Кроме того, попробуйте это: они могут выдержать вакуум, а также давление в Марианской впадине — 11-километровой глубине в Тихом океане.

Исследования связывают некоторые из этих удивительных способностей со способностью тихоходок практиковать формы криптобиоза — состояния, при котором метаболическая активность сильно замедляется. Это состояние, называемое высыханием, позволяет существу терять воду и практически прекращать обмен веществ. Получив благословение на воду, тихоходка просто восстанавливает состояние покоя и продолжает жить, как будто ничего не произошло. Конечно, эта способность может помочь ему выжить в пустынях и засухе, но как она поможет этому водяному медведю выжить в космосе или при экстремальных температурах?

Тихоходки

В высушенном виде тихоходки выполняют некоторые жизненно важные функции. Молекула сахара препятствует расширению клеток, а вырабатываемые антиоксиданты нейтрализуют угрозу, исходящую от реагирующих с кислородом молекул, присутствующих в космическом излучении. Антиоксиданты могут помочь восстановить поврежденную ДНК, и эта способность может объяснить умение тихоходок выживать в экстремальных условиях. Хотя все эти функции раскрывают тайну сверхспособностей тихоходок, мы очень мало понимаем, как тихоходки функционируют на молекулярном уровне. Также мало свидетельств о его эволюционной истории. Указывает ли его склонность к выживанию в открытом космосе на внеземное происхождение?

Исследования тихоходок могут иметь интересные последствия. Если крионика стала возможной, подумайте о приложениях! Лекарства и таблетки можно было бы хранить при комнатной температуре, и, возможно, мы могли бы разработать суперкостюм, предназначенный для экстремальных исследований. Астробиологи смогут расширить свои параметры для поиска жизни за пределами Земли. Если микроорганизмы на Земле могут испытать пределы природы до такой степени, возможно, такие организмы есть в таких местах, как спутники Юпитера, лежащие в неактивном состоянии и ожидающие своего открытия.

Темная энергия и темная материя
Изучение материи на Земле является всеохватывающей областью. Жаль, что вся известная нам материя составляет всего около 5% известной Вселенной! Остальная часть Вселенной является «темной», и ее основные составляющие удачно названы «темной материей» (~ 27%) и «темной энергией» (~ 68%).

Любой список нерешенных проблем в науке будет неполным без упоминания о тайне темной материи и темной энергии. Темная энергия является предполагаемой причиной ускорения Вселенной. В 1998, когда две разные исследовательские группы подтвердили, что расширение Вселенной ускоряется, это развенчало популярное тогда представление о том, что гравитация замедляет расширение Вселенной. У теоретиков была и остается головная боль, объясняющая это, и они напыщенно назвали возможное объяснение темной энергией. До сих пор не появилось реального претендента на правильное объяснение формы, которую принимает темная энергия. Текущие решения утверждают, что темная энергия может быть свойством пространства и давать энергию пустого пространства, или она может быть своего рода заполняющей пространство жидкостью, которая каким-то образом приводит к ускорению Вселенной, чего не может «нормальная» энергия.

Темная материя

Темная материя странная. Он почти ни с чем не взаимодействует, даже со светом, что делает его обнаружение очень трудным. Темная материя была открыта, когда исследователи обнаружили странности в динамике некоторых галактик. Известная масса галактики не могла объяснить отклонения, и они пришли к выводу, что во Вселенной существует какая-то форма невидимой материи с гравитационным притяжением. Темная материя никогда не была обнаружена напрямую, но ученые, тем не менее, наблюдали эффекты темной материи с помощью гравитационного линзирования (искривление света из-за гравитационного взаимодействия с невидимой материей). Слава Богу за гравитационное притяжение темной материи!

Состав темной материи является сегодня одной из самых больших проблем в физике элементарных частиц и космологии. Ученые придерживаются мнения, что темная материя состоит из определенных экзотических частиц, называемых «WIMP» (или «слабо взаимодействующие массивные частицы»), которые обязаны своим существованием теории, называемой «суперсимметрией». Ученые также предполагают, что темная материя может состоять из барионов. Барионная темная материя может быть «MACHO» (или «массивными астрофизическими компактными гало-объектами»), как маленькие черные дыры.

Хотя обе теории — темной материи и темной энергии — возникают из-за нашей неспособности объяснить некоторые наблюдаемые особенности Вселенной, они, по сути, являются конкурирующими силами космоса и обе привлекают огромные средства для крупномасштабных экспериментов. Темная энергия отталкивает, а темная материя притягивает. Преобладание любой из этих сил решит, будет ли Вселенная расширяться вечно или будет притягиваться к самой себе и в конечном итоге взорвется в довольно интересном событии типа Большого взрыва, получившем название «Большой сжатие». На данный момент, однако, мы действительно в неведении относительно обеих теорий.

Метки:

турбулентность Происхождение жизни Квантовая теория гравитации Гипотеза Римана Механизмы выживания тихоходок Темная энергия и темная материя

18 самых больших неразгаданных тайн физики

Глубокая физика

(Изображение предоставлено: Изображение (открывается в новой вкладке) через Shutterstock)

Говорят, что в 1900 году британский физик лорд Кельвин произнес: «Сейчас в физике нет ничего нового. Все, что осталось становится все более и более точным измерением». За три десятилетия квантовая механика и теория относительности Эйнштейна произвели революцию в этой области. Сегодня ни один физик не посмеет утверждать, что наши физические знания о Вселенной близки к завершению. Наоборот, кажется, что каждое новое открытие открывает ящик Пандоры с еще большими, еще более глубокими физическими вопросами. Это наш выбор для самых глубоких открытых вопросов из всех.

Связанный: Ознакомьтесь с 14 величайшими историческими тайнами, которые, возможно, никогда не будут разгаданы.

Внутри вы узнаете о параллельных вселенных, почему кажется, что время движется только в одном направлении, и почему мы не понимаем хаос.

Что такое темная энергия?

(Изображение предоставлено НАСА)

Как бы астрофизики ни подсчитывали числа, Вселенная просто не сходится. Несмотря на то, что гравитация притягивает пространство-время внутрь — «ткань» космоса — она продолжает расширяться наружу все быстрее и быстрее. Чтобы объяснить это, астрофизики предложили невидимый агент, который противодействует гравитации, раздвигая пространство-время. Они называют это темной энергией. В наиболее широко принятой модели темной энергии это «космологическая постоянная»: неотъемлемое свойство самого пространства, которое имеет «отрицательное давление», раздвигающее пространство. По мере расширения пространства создается больше пространства, а вместе с ним и больше темной энергии. Основываясь на наблюдаемой скорости расширения, ученые знают, что сумма всей темной энергии должна составлять более 70 процентов всего содержимого Вселенной. Но никто не знает, как его искать. Лучшее, что удалось сделать исследователям за последние годы, — это выяснить, где может скрываться темная энергия, что стало темой исследования, опубликованного в августе 2015 года.0003

Далее: темная материя (прокрутите вверх, чтобы увидеть кнопку «Далее»)

Что такое темная материя?

(Изображение предоставлено ESO/L. Calçada)

Очевидно, около 84 процентов материи во Вселенной не поглощает и не излучает свет. «Темную материю», как ее называют, нельзя увидеть напрямую, и она еще не обнаружена косвенными средствами. Вместо этого существование и свойства темной материи выводятся из ее гравитационного воздействия на видимую материю, излучение и структуру Вселенной. Считается, что это темное вещество пронизывает окраины галактик и может состоять из «слабо взаимодействующих массивных частиц» или вимпов. Во всем мире есть несколько детекторов, ищущих вимпы, но до сих пор ни один не был найден. Одно недавнее исследование предполагает, что темная материя может образовывать длинные мелкозернистые потоки по всей Вселенной, и что такие потоки могут исходить от Земли, как волосы. [См.: Если не темная материя, то что?]

Далее: Стрела времени

Почему существует стрела времени?

(Изображение предоставлено: Изображение (открывается в новой вкладке) через Shutterstock)

Время движется вперед, потому что свойство Вселенной, называемое «энтропией», примерно определяемое как уровень беспорядка, только увеличивается, и поэтому нет способа обратить рост энтропии после того, как он произошел. Тот факт, что энтропия увеличивается, является вопросом логики: неупорядоченных расположений частиц больше, чем упорядоченных, и поэтому по мере изменения вещей они имеют тенденцию приходить в беспорядок. Но основной вопрос здесь заключается в том, почему энтропия в прошлом была такой низкой? Иными словами, почему Вселенная была такой упорядоченной в начале своего существования, когда огромное количество энергии было сосредоточено в небольшом пространстве? [Какова общая энергия во Вселенной?]

Далее: Параллельные вселенные

Существуют ли параллельные вселенные?

(Изображение предоставлено: Изображение (открывается в новой вкладке) через Shutterstock)

Астрофизические данные предполагают, что пространство-время может быть «плоским», а не искривленным, и поэтому оно продолжается вечно. Если это так, то область, которую мы можем видеть (которую мы думаем как «вселенную»), является всего лишь одним пятном в бесконечно большой «стёганой мультивселенной». 122 различных возможностей). Таким образом, с бесконечным числом космических пятен расположение частиц внутри них вынуждено повторяться — бесконечно много раз. Это означает, что существует бесконечно много параллельных вселенных: космические участки, точно такие же, как наши (содержащие кого-то точно такого же, как вы), а также участки, отличающиеся только положением одной частицы, участки, отличающиеся положением двух частиц, и так далее вплоть до патчи, которые полностью отличаются от наших.

Что-то не так с этой логикой или ее странный результат верен? И если это правда, как мы сможем обнаружить наличие параллельных вселенных? Посмотрите на эту прекрасную перспективу 2015 года, в которой рассматривается, что означают «бесконечные вселенные».

Далее: материя против антиматерии

Почему материи больше, чем антиматерии?

(Изображение предоставлено: Изображение (открывается в новой вкладке) через Shutterstock)

Вопрос о том, почему существует гораздо больше материи, чем ее противоположно заряженный и вращающийся в противоположных направлениях близнец, антиматерия, на самом деле является вопросом, почему что-либо существует на все. Можно предположить, что Вселенная будет относиться к материи и антиматерии симметрично, и, таким образом, в момент Большого взрыва должно было образоваться равное количество материи и антиматерии. Но если бы это произошло, то произошла бы полная аннигиляция обоих: протоны сошлись бы с антипротонами, электроны с антиэлектронами (позитронами), нейтроны с антинейтронами и т. простор. По какой-то причине осталась лишняя материя, которая не аннигилировала, и вот мы здесь. Для этого нет общепринятого объяснения. Самый подробный на сегодняшний день тест различий между материей и антиматерией, объявленный в августе 2015 года, подтверждает, что они являются зеркальным отражением друг друга, и не дает ровно никаких новых путей к пониманию тайны того, почему материя гораздо более распространена.

Далее: Судьба Вселенной

Какова судьба Вселенной?

(Изображение предоставлено: Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported | Bjarmason)

Судьба Вселенной сильно зависит от фактора неизвестного значения: Ω, меры плотности материи и энергии во всем космосе. Если Ω больше 1, то пространство-время было бы «замкнутым», как поверхность огромной сферы. Если бы не было темной энергии, такая вселенная в конечном итоге перестала бы расширяться и вместо этого начала бы сжиматься, в конечном итоге схлопываясь сама по себе в событии, получившем название «Большое сжатие». Если вселенная закрыта но есть — это темной энергии, сферическая вселенная будет расширяться вечно.

В качестве альтернативы, если Ω меньше 1, то геометрия пространства будет «открытой», как поверхность седла. В этом случае ее окончательная судьба — это «Большое замораживание», за которым следует «Большой разрыв»: сначала внешнее ускорение Вселенной разорвет галактики и звезды на части, оставив всю материю холодной и одинокой. Затем ускорение станет настолько сильным, что пересилит действие сил, удерживающих атомы вместе, и все разорвется на части.

Если Ω = 1, Вселенная была бы плоской, простирающейся во всех направлениях подобно бесконечной плоскости. Если бы не было темной энергии, такая плоская вселенная расширялась бы вечно, но с постоянно замедляющейся скоростью, приближаясь к остановке. Если бы существовала темная энергия, плоская Вселенная в конечном счете подверглась бы безудержному расширению, ведущему к Большому Разрыву. Независимо от того, как это будет происходить, Вселенная умирает, и этот факт подробно обсуждался астрофизиком Полом Саттером в эссе от декабря 2015 года.

Que sera, sera.

Далее: Еще более странная концепция

Как измерения коллапсируют квантовые волновые функции?

(Изображение предоставлено Джоном Д. Нортоном)

В странном царстве электронов, фотонов и других фундаментальных частиц квантовая механика является законом. Частицы ведут себя не как крошечные шарики, а как волны, распространяющиеся по большой площади. Каждая частица описывается «волновой функцией» или распределением вероятностей, которое говорит о том, каковы ее местоположение, скорость и другие свойства, но не о том, каковы эти свойства. Частица на самом деле имеет диапазон значений для всех свойств, пока вы экспериментально не измерите одно из них — например, ее местоположение — и в этот момент волновая функция частицы «схлопывается», и она принимает только одно местоположение. [Новорожденные понимают квантовую механику]

Но как и почему измерение частицы приводит к коллапсу ее волновой функции, создавая конкретную реальность, которую мы воспринимаем как существующую? Вопрос, известный как проблема измерения, может показаться эзотерическим, но наше понимание того, что такое реальность и существует ли она вообще, зависит от ответа.

Далее: Теория струн

Верна ли теория струн?

(Изображение предоставлено Creative Commons | Lunch)

Когда физики предполагают, что все элементарные частицы на самом деле являются одномерными петлями или «струнами», каждая из которых вибрирует с разной частотой, физика становится намного проще. Теория струн позволяет физикам согласовать законы, управляющие частицами, называемые квантовой механикой, с законами, управляющими пространством-временем, называемыми общей теорией относительности, и объединить четыре фундаментальные силы природы в единую структуру. Но проблема в том, что теория струн может работать только во Вселенной с 10 или 11 измерениями: тремя большими пространственными, шестью или семью компактными пространственными и временным измерением. Сжатые пространственные размеры — как и сами вибрирующие струны — составляют примерно одну миллиардную от триллионной доли размера атомного ядра. Нет никакого мыслимого способа обнаружить что-то настолько маленькое, и, следовательно, нет известного способа экспериментально подтвердить или опровергнуть теорию струн.

Наконец: мы заканчиваем с хаосом. . .

Есть ли порядок в хаосе?

(Изображение предоставлено: Изображение (открывается в новой вкладке) через Shutterstock)

Физики не могут точно решить набор уравнений, описывающих поведение жидкостей, от воды до воздуха и всех других жидкостей и газов. На самом деле неизвестно, существует ли вообще общее решение так называемых уравнений Навье-Стокса, а если и существует, то описывает ли оно жидкости повсюду или содержит внутренне непознаваемые точки, называемые сингулярностями. Как следствие, природа хаоса изучена недостаточно. Физики и математики задаются вопросом: погода просто трудно предсказуема или она непредсказуема по своей природе? Выходит ли турбулентность за пределы математического описания, или все это имеет смысл, когда вы решаете ее с помощью правильной математики?

Поздравляем с завершением этого списка сложных тем. Как насчет чего-нибудь полегче? 25 занимательных фактов из науки и истории

Силы вселенной сливаются воедино?

(Изображение предоставлено Lucas Taylor/CMS)

Во Вселенной действуют четыре фундаментальных взаимодействия: электромагнетизм, сильное ядерное взаимодействие, слабое взаимодействие (также известное как слабое ядерное взаимодействие) и гравитация. На сегодняшний день физики знают, что если вы увеличите достаточное количество энергии — например, внутри ускорителя частиц — три из этих сил «объединятся» и станут единой силой. Физики запустили ускорители частиц и объединили электромагнитное взаимодействие и слабое взаимодействие, и при более высоких энергиях то же самое должно произойти с сильным ядерным взаимодействием и, в конце концов, с гравитацией.

Но хотя теории говорят, что должно произойти , природа не всегда обязывает. До сих пор ни один ускоритель частиц не достиг энергий, достаточно высоких, чтобы объединить сильное взаимодействие с электромагнетизмом и слабым взаимодействием. Включение гравитации означало бы еще больше энергии. Неясно, смогут ли ученые построить такую ​​мощную машину; Большой адронный коллайдер (БАК) недалеко от Женевы может посылать частицы, сталкивающиеся друг с другом с энергией в триллионы электрон-вольт (около 14 тераэлектрон-вольт, или ТэВ). Чтобы достичь энергий великого объединения, частицам потребуется по крайней мере в триллион раз больше, поэтому физикам остается искать косвенные доказательства таких теорий. 936 лет), должны превратиться в другие частицы. Такого никогда не наблюдалось, так что либо протоны существуют гораздо дольше, чем кто-либо думал, либо они действительно стабильны вечно. Еще одним предсказанием некоторых типов ТВО является существование магнитных монополей — изолированных «северного» и «южного» полюсов магнита — и ни одного из них тоже никто не видел. Возможно, у нас просто нет достаточно мощного ускорителя частиц. Или физики могут ошибаться в том, как устроена Вселенная.

Что происходит внутри черной дыры?

(Изображение предоставлено ESO/L. Calçada)

Что происходит с информацией об объекте, если его засасывает черная дыра? Согласно современным теориям, если вы бросите железный куб в черную дыру, не будет никакой возможности получить эту информацию. Это потому, что гравитация черной дыры настолько сильна, что ее скорость убегания выше скорости света, а свет — самое быстрое из существующих существ. Однако раздел науки под названием квантовая механика утверждает, что квантовая информация не может быть уничтожена. «Если вы каким-то образом уничтожите эту информацию, что-то пойдет не так», — сказал Роберт Макнис, адъюнкт-профессор физики Чикагского университета Лойолы. [Как телепортировать информацию из черной дыры]

Квантовая информация немного отличается от информации, которую мы храним в виде единиц и нулей на компьютере, или информации в нашем мозгу. Это связано с тем, что квантовые теории не дают точной информации, например, о том, где будет находиться объект, подобно расчету траектории бейсбольного мяча в механике. Вместо этого такие теории раскрывают наиболее вероятное местонахождение или наиболее вероятный результат какого-либо действия. Как следствие, все вероятности различных событий должны составлять в сумме 1 или 100 процентов. (Например, когда вы бросаете шестигранный кубик, вероятность того, что данная грань выпадет, равна одной шестой, поэтому вероятности всех граней в сумме составляют 1, и вы не можете быть более чем на 100 % уверены в чем-либо. произойдет.) Поэтому квантовая теория называется унитарной. Если вы знаете, чем заканчивается система, вы можете вычислить, как она началась.

Чтобы описать черную дыру, вам нужны только масса, угловой момент (если она вращается) и заряд. Из черной дыры не выходит ничего, кроме медленной струйки теплового излучения, называемого излучением Хокинга. Насколько известно, нет способа провести обратный расчет, чтобы выяснить, что на самом деле поглотила черная дыра. Информация уничтожена. Однако квантовая теория утверждает, что информация не может быть полностью недосягаемой. В этом заключается «информационный парадокс».

Макнис сказал, что по этому вопросу было проведено много работы, в частности, Стивеном Хокингом и Стивеном Перри, которые в 2015 году предположили, что информация не хранится в глубоких тисках черной дыры, а остается на ее границе, называемой горизонт событий. Многие другие пытались решить этот парадокс. Пока что физики не могут прийти к согласию в объяснении, и, вероятно, в течение некоторого времени они будут расходиться во мнениях.

Существуют ли голые сингулярности?

(Изображение предоставлено NASA E/PO, Государственный университет Сономы, Аврора Симоннет)

Сингулярность возникает, когда некоторые свойства «вещи» бесконечны, и поэтому законы физики, какими мы их знаем, нарушаются. В центре черных дыр находится бесконечно маленькая и плотная точка (наполненная конечным количеством материи) — точка, называемая сингулярностью. В математике постоянно возникают сингулярности — деление на ноль — это один случай, а вертикальная линия на координатной плоскости имеет «бесконечный» наклон. На самом деле наклон вертикальной линии просто не определен. Но как будет выглядеть сингулярность? И как он будет взаимодействовать с остальной вселенной? Что значит сказать, что что-то не имеет реальной поверхности и бесконечно мало?

“Голая” сингулярность – это та, которая может взаимодействовать с остальной вселенной. У черных дыр есть горизонты событий — сферические области, из которых ничто, даже свет, не может выйти. На первый взгляд может показаться, что проблема голых сингулярностей частично решена, по крайней мере, для черных дыр, поскольку ничто не может покинуть горизонт событий и сингулярность не может повлиять на остальную Вселенную. (Она, так сказать, «одета», тогда как голая сингулярность — это черная дыра без горизонта событий.)

Но вопрос о том, могут ли сингулярности образовываться без горизонта событий, остается открытым. И если они могут существовать, то общая теория относительности Альберта Эйнштейна потребует пересмотра, потому что она не работает, когда системы слишком близки к сингулярности. Обнаженные сингулярности также могут функционировать как червоточины, которые также могут быть машинами времени, хотя в природе нет никаких доказательств этого.

Нарушение симметрии заряда и четности

(Изображение предоставлено: agsandrew | Shutterstock.com)

Если вы поменяете частицу на ее собрата из антивещества, законы физики останутся прежними. Так, например, положительно заряженный протон должен выглядеть так же, как отрицательно заряженный антипротон. Это принцип симметрии заряда. Если вы снова поменяете местами левое и правое, законы физики должны выглядеть одинаково. Это паритетная симметрия. Вместе они называются СР-симметрией. В большинстве случаев это правило физики не нарушается. Однако некоторые экзотические частицы нарушают эту симметрию. Макнис сказал, что именно поэтому это странно. «В квантовой механике не должно быть никаких нарушений СР, — сказал он. «Мы не знаем, почему это так».

Когда звуковые волны излучают свет

(Изображение предоставлено DmitrySteshenko/Shutterstock)

Хотя многие нерешенные проблемы связаны с физикой элементарных частиц, некоторые загадки можно наблюдать в лабораторных условиях. Сонолюминесценция является одним из них. Если вы возьмете немного воды и ударите по ней звуковыми волнами, образуются пузырьки. Эти пузырьки представляют собой области низкого давления, окруженные высоким давлением; внешнее давление давит на воздух с более низким давлением, и пузырьки быстро схлопываются. Когда эти пузыри схлопываются, они излучают свет вспышками, которые длятся триллионные доли секунды.

Проблема в том, что далеко не ясно, что является источником света. Теории варьируются от крошечных реакций ядерного синтеза до некоторого типа электрического разряда или даже нагрева газов внутри пузырей при сжатии. Физики измерили высокие температуры внутри этих пузырей, порядка десятков тысяч градусов по Фаренгейту, и сделали многочисленные снимки испускаемого ими света. Но нет хорошего объяснения того, как звуковые волны создают эти огни в пузыре.

Что находится за пределами Стандартной модели?

(Изображение предоставлено: Роберт Сприггс (открывается в новой вкладке) | Shutterstock (открывается в новой вкладке))

Стандартная модель — одна из самых успешных когда-либо разработанных физических теорий. Он выдерживает эксперименты, чтобы проверить его в течение четырех десятилетий, и новые эксперименты продолжают показывать, что это правильно. Стандартная модель описывает поведение частиц, составляющих все вокруг нас, а также объясняет, почему, например, частицы имеют массу. На самом деле открытие бозона Хиггса — частицы, придающей массе материи, — в 2012 году стало исторической вехой, поскольку оно подтвердило давнее предсказание о его существовании.

Но Стандартная модель не все объясняет. Стандартная модель сделала много успешных предсказаний — например, бозон Хиггса, бозоны W и Z (которые опосредуют слабые взаимодействия, управляющие радиоактивностью) и кварки среди них — так что трудно увидеть, где физика может пойти дальше этого. При этом большинство физиков согласны с тем, что Стандартная модель неполна. Есть несколько претендентов на новые, более полные модели — одна из таких моделей — теория струн, — но пока ни одна из них не была окончательно подтверждена экспериментами.

Фундаментальные константы

(Изображение предоставлено Андреасом Гускосом (открывается в новой вкладке) | Shutterstock.com (открывается в новой вкладке))

Безразмерные константы — это числа, к которым не привязаны единицы измерения. Скорость света, например, является фундаментальной константой, измеряемой в метрах в секунду (или 186 282 миль в секунду). В отличие от скорости света, безразмерные константы не имеют единиц измерения, и их можно измерить, но их нельзя вывести из теорий, тогда как такие константы, как скорость света, могут.

В своей книге «Всего шесть чисел: глубинные силы, формирующие Вселенную» (Basic Books, 2001) астроном Мартин Риз сосредотачивается на некоторых «безразмерных константах», которые он считает фундаментальными для физики. На самом деле их намного больше шести; около 25 существует в Стандартной модели. [9 самых больших существующих чисел]

Например, постоянная тонкой структуры, обычно обозначаемая как альфа, определяет силу магнитных взаимодействий. Это около 0,007297. Что делает это число странным, так это то, что если бы оно было другим, стабильной материи не существовало бы. Другим является отношение масс многих фундаментальных частиц, таких как электроны и кварки, к планковской массе (которая составляет 1,22 ´ 10 ¹⁹ ГэВ/с ² ). Физики хотели бы выяснить, почему эти конкретные числа имеют такие значения, потому что, если бы они были очень разными, физические законы Вселенной не позволили бы людям быть здесь. И все же до сих пор нет убедительного теоретического объяснения того, почему они имеют такие значения.

Что такое гравитация?

(Изображение предоставлено: koya979 (открывается в новой вкладке) | Shutterstock (открывается в новой вкладке))

Что такое гравитация? Другие силы опосредованы частицами. Электромагнетизм, например, представляет собой обмен фотонами. Слабое ядерное взаимодействие переносится бозонами W и Z, а глюоны переносят сильное ядерное взаимодействие, удерживающее атомные ядра вместе. Макнис сказал, что все остальные силы можно квантовать, то есть они могут быть выражены в виде отдельных частиц и иметь прерывистые значения.

Гравитация, кажется, не такая. Большинство физических теорий говорят, что его должна переносить гипотетическая безмассовая частица, называемая гравитоном. Проблема в том, что гравитоны еще никто не нашел, и неясно, сможет ли их обнаружить какой-либо детектор частиц, который можно было бы построить, потому что если гравитоны и взаимодействуют с материей, то очень-очень редко — настолько редко, что были бы невидимы на их фоне. фоновый шум. Неясно даже, являются ли гравитоны безмассовыми, хотя если они вообще имеют массу, то очень и очень малую — меньше, чем у нейтрино, которые являются одними из самых легких известных частиц. Теория струн утверждает, что гравитоны (и другие частицы) представляют собой замкнутые энергетические петли, но математические исследования пока не принесли большого понимания.

Поскольку гравитоны еще не наблюдались, гравитация сопротивлялась попыткам понять ее так, как мы понимаем другие силы – как обмен частицами. Некоторые физики, особенно Теодор Калуца ​​и Оскар Кляйн, утверждали, что гравитация может действовать как частица в дополнительных измерениях помимо трех известных нам пространств (длина, ширина и высота) и одного времени (продолжительность). правда пока неизвестно.

Мы живем в ложном вакууме?

(Изображение предоставлено Shutterstock/Sandy MacKenzie)

Вселенная кажется относительно стабильной. В конце концов, он существует уже около 13,8 миллиардов лет. Но что, если все это было крупной аварией?

Все начинается с бозона Хиггса и вакуума во Вселенной. Вакуум, или пустое пространство, должен быть самым низким энергетическим состоянием, потому что в нем ничего нет. Между тем, бозон Хиггса — через так называемое поле Хиггса — придает массе всему. В статье для журнала Physics Александр Кузенко, профессор физики и астрономии Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, сказал, что энергетическое состояние вакуума можно рассчитать по потенциальной энергии поля Хиггса и массам бозона Хиггса и волчка. кварк (фундаментальная частица).

На данный момент эти расчеты показывают, что вакуум во вселенной может находиться не в самом низком из возможных энергетических состояний. Это будет означать, что это ложный вакуум. Если это правда, наша Вселенная не может быть стабильной, потому что ложный вакуум может быть переведен в более низкое энергетическое состояние достаточно сильным и высокоэнергетическим событием. Если бы это произошло, возникло бы явление, называемое зарождением пузырьков. Сфера низкоэнергетического вакуума начнет расти со скоростью света. Ничто, даже сама материя, не выжило бы. По сути, мы заменили бы вселенную другой, в которой могли бы действовать совсем другие физические законы. [5 причин, по которым мы можем жить в мультивселенной]

Звучит пугающе, но учитывая, что Вселенная все еще существует, очевидно, что такого события еще не было, и астрономы видели гамма-всплески, сверхновые звезды и квазары, все из которых обладают довольно высокой энергией. Так что, вероятно, достаточно маловероятно, что нам не нужно беспокоиться. Тем не менее, идея ложного вакуума означает, что наша Вселенная могла появиться именно таким образом, когда ложный вакуум предыдущей вселенной был переведен в более низкое энергетическое состояние. Возможно, мы были результатом аварии с ускорителем частиц.

Примечание редактора: этот список был первоначально опубликован в 2012 году. Он был обновлен 27 февраля 2017 года, чтобы включить новую информацию и последние исследования.

Джесси Эмспак — автор статей для Live Science, Space.com и Toms Guide. Он занимается физикой, здоровьем человека и общей наукой. Джесси имеет степень магистра искусств Калифорнийского университета, Школы журналистики Беркли и степень бакалавра искусств Университета Рочестера. Джесси провел годы, освещая финансы, и набился зубами в местных газетах, работая с местными политиками и полицией. Джесси любит вести активный образ жизни и имеет черный пояс третьей степени по каратэ, что означает, что теперь он знает, как многому ему еще предстоит научиться.

Величайшие нерешенные проблемы в науке

Величайшие нерешенные проблемы в науке (Пожалуйста, заходите периодически, так как информация будет время от времени добавляться)

Многое о мире было узнал в прошлом несколько веков, но некоторые загадки все еще остаются. Судя по всему, Природа не раскрыла нам всех своих секретов, но ученые упорно трудился над их расшифровкой.

28 августа 1999 г. Национальное общественное радио Программа «Научная пятница» представил некоторые из величайших нерешенных проблем в науке. Здесь входит в список Jupiter Scientific.

Более подробная информация будет будут предоставлены в ближайшие месяцы, так что вернитесь и узнайте больше.

---

В астрономии: The Тайна темной материи

Что такое темная материя?
Астрономы обнаружили удивительную ореол таинственного невидимого материала, который поглощает галактики и скопления галактик. Астрономы понятия не имею, что это такое, и он составляет около 95% масса Вселенной.
Если это невидимо, то Как можно ощутить его существование?
Астрономы обнаружили темную материю косвенно его гравитационное притяжение. Например, темная материя вызывает звезды во внешних регионах галактики вращаются быстрее чем они были бы, если бы присутствовала только обычная материя.
Каковы некоторые из Спекуляции относительно его состава?
Если нейтрино имеют массу, они могут быть компонентом темного иметь значение. Черные дыры и неизведанное, экзотическое элементарно частицы – другие возможности.
Почему темная материя Важный?
Темная материя сыграла решающую роль в формировании галактик во время эволюция космоса. Он также определяет окончательную судьба Вселенной.

Нажмите здесь для дополнительная информация о темной материи.
Чтобы прочитать стенограмму радиопередачи о темной материи, кликните сюда.

---

Гравитация: Строительство последовательной квантовой теории гравитации

В чем сложность?
Теория гравитации, сформулированная Эйнштейном, несовместимы с законами квантовой механики. Теоретики столкнуться с серьезными трудностями при попытке построить квантовая версия гравитации.
Как бы наше понимание гравитации быть затронуты?
Теория квантовой гравитации привела бы к нескольким заметным эффекты в макроскопическом мире. На расстояниях много-много Однако теория гравитации Эйнштейна меньше атома. был бы существенно изменен.
Почему эта проблема важна?
Квантовая механика и гравитация — два великих столпа науки. Соединение этих двух принципов будет создать новое фундаментальное понимание природы. Там также могут иметь значение для черных дыр.

Для более подробного обсуждения щелкните здесь.

---

В физике элементарных частиц: Механизм, создающий основную массу

В чем проблема?
Массы электрона, протона и нейтрона равны генерируются в результате так называемого «электрослабого разрушения», но физики элементарных частиц не знают, как работает этот механизм разрушения.
Делает “Electroweak” Разрушение» влияет на макроскопический мир?
Поскольку весь материал состоит из атомов и поскольку атомы состоят из электронов, протонов и нейтронов, «ломка» производит масса всего.
Когда ученые Вероятность решения этой проблемы?
Большой адронный коллайдер, строящийся недалеко от Женева, Швейцария, должно быть завершено примерно в 2005 год. К концу следующего десятилетия физики возможно, ответ будет известен.

Щелкните здесь для получения дополнительной информации. Смотрите также Юпитер Научный отчет о возможном открытии «частицы Бога».

---

Теоретический высокоэнергетический Физика: объединение основных сил

Что означает объединение?
Две, казалось бы, разные силы объединяются, когда найдена теория, объединяющая их. Две силы затем становятся проявлениями единой теоретической структуры.
Примеры объединения?
В девятнадцатом веке ученые смогли объединить электрические и магнитные силы в одну структуру называется электромагнетизмом. В 1960-х годах слабые субъядерные сила была объединена с электромагнетизмом, чтобы сформировать электрослабая теория, которая впоследствии была проверена в экспериментах на ускорителях частиц.
Какие силы есть Не был унифицирован?
Две другие фундаментальные силы — гравитация и сильная ядерная сила оставаться независимой, изолированной силы. Однако теоретики подозревают, но не знают за уверены, что все фундаментальные силы проявятся из одной теории. В Библия Согласно Эйнштейну , это теория называется Единым Законом.
Другие силы, такие как Унифицированное трение?
Все остальные силы трение, натяжение струны, опора силы, силы в пружинах, силы столкновения, атомные силы, молекулярные силы и т. д. создаются фундаментальные силы. Поэтому необходимо только объединить четыре фундаментальных взаимодействия электромагнетизм, гравитация, слабое субъядерное взаимодействие и сильное ядерное взаимодействие.
Что лучше Кандидат на объединение?
Теория струн потенциально может объединить не только все фундаментальные силы, но и элементарные частицы. Читать краткий доклад о теории струн, кликните сюда.
Что такое ТВО?
GUT расшифровывается как теория великого объединения. GUT объединяются электромагнетизм, слабое субъядерное взаимодействие и сильное ядерное взаимодействие в единую теорию. Сила тяжести не включено. Возможно, появится теория ТВО. как часть структуры теории струн.

---

В космологии: Сотворение Вселенной

Сколько стоят ученые Знаешь о Начале Вселенной?
Космологи определили общую историю Вселенная, начиная с одной триллионной доли секунды после создания. Эта великая история рассказана в «Ветхий Завет» Библия согласно Эйнштейну . Чтобы прочитать комментарий Стивена Хокинга к созданию Вселенная, нажмите здесь.
Что такое Высшее Поиски в космологии?
Большой вопрос: «Как родилась наша Вселенная?» и что произошло, когда Вселенная впервые возникла сразу после момент создания?”
Что-нибудь известно о Вселенная до одной триллионной секунды?
С самого начала предполагалось, что ткань пространство подверглось колоссальному растяжению, что привело к излучение и вещество во Вселенной рассеяться. Этот идея называется инфляцией. Для получения дополнительной информации см. рецензия на книгу на Инфляционная Вселенная
Что нужно знать понять Творение?
Временами менее 10 ^-43 секунд a период, известный как эпоха Планка Вселенная была настолько малы, что гравитационные квантовые эффекты были важный. Чтобы понять Вселенную во время Эпоха Планка, нужна квантовая теория гравитации. См. выше.

---

В биологии: как основа Процессы жизни Осуществляются ДНК и белками

Что такое ДНК?
ДНК кодирует биологические молекулы (такие как белки) которые либо контролируют фундаментальные биологические процессы, либо составляют основные структуры жизни.
В чем проблема?
Где-то в начале 21 века последовательности ДНК многих форм жизни, включая человека. См. отчет Jupiter Scientific о проекте генома. Большая проблема состоит в том, чтобы определить, что делают все белки и как из этого знания можно воспроизвести жизнь.
Насколько это важно понять ДНК?
Понять ДНК — значит понять жизнь на фундаментальный уровень.
Как это будет Знания влияют на нашу жизнь?
Если биологи научатся манипулировать последовательности ДНК по желанию, тогда они смогут изменить и создать жизнь. Технологические преимущества будет ошеломляющим. Потенциальные злоупотребления могут быть ужасающими.

---

В Неврология: Свобода воли

Как это? У людей есть свобода решать и действовать?
Наш мозг и органы чувств позволяют нам реагировать на наше окружение таким образом, который не является детерминированным. У нас, людей, есть развил замечательную способность принимать решения, планировать наши действия и отчасти решать наши судьбы. Но как это происходит?
Что играет Роль в свободной воле?
До некоторой степени должна быть задействована квантовая механика. Если мир не был квантово-механическим, то будущее определился бы. Мозг как сложный, динамичный система важна. Обучение и отсроченная реакция два других основных ингредиента. Книга «Эволюция. разведки» Библия согласно Эйнштейну подарков некоторые из этих идей.

---

Другие важные научные проблемы:

В астрофизике: источник гамма-всплесков

В теоретической космологии и физике элементарных частиц: космологический Постоянная проблема (звонящий на 28 августа В эфире Science Friday спросили вопрос по этому важному вопросу)

Обновление: недавние наблюдения показывают, что Вселенная ускоряется и поэтому вероятен ненулевой космологический. Это увеличивает важность проблемы космологической постоянной. Однако теоретики придумали новое решение называют квинтэссенцией.

В физике элементарных частиц и астрофизике: проблема солнечных нейтрино

Обновление: эта проблема, скорее всего, решена. Имеются убедительные доказательства того, что нейтрино имеют массу и что электронные нейтрино испускаются в ядре Солнца превращаться в другие нейтрино через колебания на пути к Земле.

В физике твердого тела: механизм позади Высокотемпературные сверхпроводники

В биологии: свертывание белков

In Neuroscience: Consciousness (Флойд Блюм, редактор

Журнал Science , приподнятый этот важный вопрос в 28 августа Научная пятница)

В палеонтологии: как современные микробиологические Информация может быть использована для реконструкции «Древнего древа жизни»

В геологии: динамика внутренней Земли

В геологии: предсказание землетрясений

В химии: как производят микроскопические атомные силы Различное макроскопическое поведение

В химии: изготовление и обработка Структуры на основе углерода (фуллерены)

---

Если у вас есть предложение для этого списка замечательных нерешенные проблемы в науке, пожалуйста, на почту это к [email protected].

---

Настоящий доклад подготовлен сотрудниками Юпитер Научный, организация, занимающаяся популяризацией наука через книги, интернет и другие средства связи.

Эту веб-страницу ЗАПРЕЩАЕТСЯ копировать на другие веб-сайты. сайты, но другие сайты могут ссылаться на эту страницу.

---

Авторское право © 1998, 1999, 2000, Jupiter Scientific

---

На информационную страницу Jupiter Scientific

11 эпических научных загадок, которые исследователи никак не могут разгадать

Чтобы исследовать некоторые из самых больших загадок в науке, вы должны отправиться в довольно отдаленные места: на дно океанов, внутрь человеческого мозга, на вершины гор , и даже конец времени.

Вот что мы сделали на Необъяснимое , — научный подкаст, который Vox запустил в марте, чтобы исследовать самые важные, интересные и внушающие благоговейный трепет вопросы науки, оставшиеся без ответа. Мы собираемся задавать важные вопросы, которые вдохновляют ученых на работу — вопросы, которые наполняют их удивлением или целеустремленностью или напоминают им, что Вселенная по-прежнему представляет собой огромное место с неиспользованным потенциалом.

Изучая эти истории, мы узнали некоторые удивительные причины, по которым крупные научные загадки могут оставаться неразгаданными годами или даже десятилетиями: некоторые из них связаны с ограничениями технологий, другие — с человеческими недостатками. Несмотря ни на что, работаю на Необъяснимое напомнило нам, что в вопросе есть надежда. Зачем спрашивать, если не веришь, что ответ возможен?

Здесь мы собрали 11 вопросов, которые поразили нас больше всего.

Чтобы узнать больше, подпишитесь на Unexplainable , где бы вы ни слушали подкасты .

Из чего состоит большая часть Вселенной?

Это простой вопрос, на который, к сожалению, нет ответа: из чего состоит Вселенная? Оказывается, все звезды во всех галактиках во всей Вселенной едва ли могут объяснить все вещи там. Большая часть материи во Вселенной на самом деле невидима, неприкасаема и до сих пор не обнаружена. Это называется темной материей, и, несмотря на то, что ее ищут десятилетиями, ученые до сих пор понятия не имеют, что это такое.

Дополнительная литература: необъяснимая темная материя

Что живет в «сумеречной зоне» океана?

По мере того, как вы погружаетесь все глубже в океан, через него проходит все меньше и меньше солнечного света, и примерно на 200 метров ниже поверхности вы достигаете области, называемой «сумеречная зона». Солнечный свет почти полностью исчезает из виду, и наши знания об этих темных глубинах тоже исчезают.

«Почти легче определить его по тому, чего мы не знаем, чем по тому, что мы знаем», — сказал Берду Пинкертону из Vox Андоне Лавери, акустик из Океанографического института Вудс-Хоул.

Тем не менее, этот регион океана чрезвычайно важен. Возможно — но не точно — что в сумеречной зоне обитает больше рыб, чем во всем остальном океане вместе взятом, а существа темного океана играют большую роль в регулировании климата.

Дальнейшее чтение: «Это глубоко. Темно. Это неуловимо». Сумеречная зона океана полна чудес.

Что убило Венеру?

«Пейзаж ада» — наиболее подходящее слово для описания поверхности Венеры, второй планеты от Солнца. При температуре 900 градусов по Фаренгейту это самая горячая планета в Солнечной системе, отчасти благодаря атмосфере, почти полностью состоящей из углекислого газа. Облака высококоррозионной серной кислоты нависают над вулканическим ландшафтом из острых, как бритва, потоков лавы. Самое поразительное, что давление на поверхности Венеры примерно в 92 раза превышает давление, которое вы ощущаете на уровне моря на Земле.

Прослушать 

Необъяснимое

Необъяснимое  – это еженедельный научный подкаст обо всем, чего мы не знаем. Чтобы узнать истории о великих научных тайнах, следите за нами, где бы вы ни слушали подкасты.

Тем не менее, некоторые ученые подозревают, что когда-то Венера была очень похожа на Землю, с жидким водным океаном, подобным тем, которые поддерживают жизнь на нашей планете. Это вызывает экзистенциальный вопрос о жизни на Земле. «Это действительно вопрос о том, почему мы здесь», — говорит Робин Джордж Эндрюс, вулканолог и автор книги « Супервулканы: что они говорят о Земле и других мирах .

«Венера и Земля — планетарные братья и сестры, — говорит Эндрюс. «Они были сделаны в одно и то же время и из одного и того же материала, но Венера апокалиптична и ужасна во всех смыслах. Земля – это рай. Так почему же у нас есть рай рядом с потерянным раем?»

Есть две ведущие гипотезы. Во-первых, солнце сожгло Венеру до смерти. Во-вторых, это сделали вулканы.

Дополнительная литература: Венера могла быть раем, но превратилась в ад. Земляне, обратите внимание.

Как будут выглядеть животные в будущем?

Невозможно полностью предсказать, как будет развиваться эволюция в будущем, но это не значит, что мы не можем попробовать. Репортер Мэнди Нгуен попросила биологов и других экспертов высказать свое мнение: как животные могут выглядеть через миллион лет?

Эксперты серьезно подошли к вопросу. «Я действительно думаю, что это действительно полезное и важное упражнение», — сказала Нгуен Лиз Альтер, профессор эволюционной биологии Калифорнийского государственного университета Монтерей-Бей. Размышляя о силах, которые будут определять будущее жизни на Земле, мы должны думать о том, как люди меняют окружающую среду прямо сейчас.

Дополнительная литература: Животные, которые могут существовать через миллион лет, в воображении биологов

Что вызывает болезнь Альцгеймера?

Не существует ни лекарства от болезни Альцгеймера, нейродегенеративного заболевания, вызывающего деменцию, ни высокоэффективных методов лечения, несмотря на десятилетия исследований. Почему? Во-первых, у ученых нет полного понимания того, что вызывает болезнь.

В течение многих лет господствовала теория о том, что болезнь Альцгеймера вызывается скоплением белков, называемых амилоидами, которые фактически создают бляшки в мозгу. Но лекарства, которые помогают очистить мозг от амилоидов, похоже, не очень хорошо борются с болезнью.

Некоторые ученые считают, что исследователи болезни Альцгеймера были слишком сосредоточены на этой теории в ущерб изучению других потенциальных причин, таких как вирусные инфекции.

Дополнительная литература: Новое лекарство от болезни Альцгеймера, которое может сломать Medicare

Как безмозглая желтая слизь, известная как «слизевики», такая умная?

Слизевики — чрезвычайно простые организмы, но в то же время необычайно сложные.

Технически это одноклеточные организмы. Но многие отдельные клетки слизевика могут сливаться в огромную массу, способную, ну… думать.

Слизевики могут проходить лабиринты и, кажется, способны принимать решения о риске и пользе. Есть даже свидетельства того, что слизевики могут отслеживать время. Все это они делают без мозга и даже без единой клетки мозга. Какой бы механизм ни позволял слизевику решать эти проблемы, он эволюционировал иначе, чем человек. Как именно они это делают? И что это может рассказать нам о природе интеллекта?

Дополнительная литература: Хэмпширский колледж продвигал безмозглую слизевиковую форму на своих факультетах. И он работает над пограничной политикой.

Какого максимально возможного возраста может достичь человек?

Жив ли сегодня первый человек, доживший до 150 лет? Мы не знаем. В среднем продолжительность жизни человека увеличилась за десятилетия в большинстве стран мира, но неясно, существует ли потолок. Может ли человек дожить до своего второго столетия? Технологии и лекарства, которые могли бы сделать это возможным, возможно, уже находятся в разработке. Но если это сработает, перед обществом встанут тревожные вопросы.

Дополнительная литература: статья научного репортера Ферриса Джабра «Как долго мы можем жить?» для New York Times Magazine вдохновил этот эпизод.

Являются ли долговременные симптомы уникальными для Covid-19?

Миллионы людей во всем мире сталкиваются с длительными симптомами Covid-19 в течение недель или месяцев после того, как их первоначальная инфекция прошла. Некоторые ученые говорят, что эти «долгосрочные» симптомы не уникальны для Covid. Вместо этого они утверждают, что многие типы вирусных инфекций могут оставлять людей с длительными симптомами, которые часто остаются незамеченными в медицине. Возникает вопрос: что связывает все эти дальние симптомы?

«Всегда было [и есть] то, что пациенты, которые заболевают, испытывают высокий уровень симптомов, подобных тем, которые описаны у пациентов с длительным течением Covid», — сказала Vox’s Меган Хози, доцент кафедры физической медицины и реабилитации Университета Джона Хопкинса. Юлия Беллуз. «Мы только что проделали ужасную работу по признанию [и] лечению их».

Дополнительная литература: Ноющие симптомы, с которыми сталкиваются дальнобойщики, раскрывают разочаровывающее слепое пятно в медицине.

Почему врачи мало знают об эндометриозе?

У людей с эндометриозом ткань, подобная той, что растет внутри матки, растет в других частях тела. Это хроническое заболевание, которое может быть изнурительно болезненным. Тем не менее, врачи не до конца понимают, что вызывает это заболевание, и возможности лечения ограничены.

Хуже того, многие люди с эндометриозом обнаруживают, что врачи могут игнорировать их опасения. На то, чтобы поставить точный диагноз, могут уйти годы, а исследования этого состояния плохо финансируются.

Репортер Vox Берд Пинкертон подчеркнул, как неприятно страдать от часто игнорируемого хронического заболевания. «Это так, так, так душераздирающе просто жить в этом теле изо дня в день», — сказал один пациент Пинкертону.

Дополнительная литература: Люди с эндометриозом испытывают ужасную боль. Наконец-то новое лечение.

Почему у нас есть анусы — или, если уж на то пошло, задницы?

Это вопрос, на который мы даже не подозревали, что хотим ответить, пока не услышали, как Кэтрин Ву из Atlantic объясняет, что «появление ануса имело важное значение в эволюции животных». До появления ануса животные должны были питаться и испражняться через одно и то же отверстие. Анус позволил создать более эффективную систему и позволил животной жизни на Земле вырасти больше и принять новые формы и формы.

Но здесь у ученых нет полной картины истории эволюции; они не знают, у какого существа первым развился анус и когда. «Очень сложно изучать что-то, чему должно быть миллионы и миллионы лет, и что оно не окаменело, — говорит Ву.

И еще один вопрос: почему задница человека такая большая по сравнению с другими млекопитающими?

Дополнительная литература: Кэтрин Ву «Самый неловкий орган тела — чудо эволюции», журнал Atlantic.

Что такое шаровая молния?

На протяжении тысячелетий люди рассказывали истории о таинственных светящихся сферах, которые светятся, потрескивают и устрашающе парят во время грозы. Их замечали в домах, в сельской местности, в городах, в самолетах и ​​даже в окнах.

Кажется, что они не от мира сего, но ученые считают, что они очень похожи на этот мир. Эти явления называются шаровыми молниями, и они остаются одним из самых загадочных погодных явлений на Земле.

Шаровая молния обычно длится всего несколько мгновений, и невозможно предсказать, где и когда она появится. Вы не можете охотиться за шаровой молнией и надежно ее найти. Шаровая молния найдет вас.

Встречается редко, но многие видели. Ученые точно не знают, откуда он берется, но это не мешает им пытаться сделать его самостоятельно в своих лабораториях.

Дополнительная литература: Шаровая молния реальна и очень редка. Вот каково это испытать.

И многое другое…

Это лишь 11 тайн, которые мы раскрыли в Необъяснимое . Есть так много других! Они включают такие вопросы, как: Можем ли мы предсказать, когда сформируются торнадо? Куда девается весь пластик в океане? Почему некоторые люди думают, что могут разговаривать с мертвыми? Что делать с «синдромом Гаваны»? Как закончится вселенная? Какова высота горы Эверест? Почему работает эффект плацебо? Найти все эпизоды здесь.

Если у вас есть идеи для будущих шоу, пришлите нам письмо по адресу [email protected].

---

Наша цель в этом месяце

Сейчас не время для платного доступа. Настало время указать на то, что скрыто на виду (например, сотни отрицателей выборов в бюллетенях по всей стране), четко объяснить ответы на вопросы избирателей и дать людям инструменты, необходимые им для активного участия в американской политике. демократия. Подарки читателям помогают сделать наши журналистские статьи, основанные на исследованиях, бесплатными для всех. К концу сентября мы планируем добавить 5000 новых финансовых спонсоров в наше сообщество сторонников Vox. Поможете ли вы нам достичь нашей цели, сделав подарок сегодня?

13 Научные тайны, ожидающие своего решения

Наука помогла нам понять многие вещи в нашей Вселенной, но эти примеры, похоже, обманули ее.

Звезда Табби, Марсианская дыра1, 2

Наука — очень мощный инструмент, помогающий нам понять Вселенную вокруг нас. Но это не надежно.

Настолько, что есть некоторые фундаментальные аспекты, в общем, все, что еще предстоит выяснить. Вот несколько интересных примеров.

Итак, без лишних слов, вот несколько научных загадок, которые еще предстоит разгадать. Поверьте нам, когда мы говорим, что этот список далеко не исчерпывающий.

Тоже в произвольном порядке.

1. Мы до сих пор не знаем, почему мы спим

Источник: Вячеслав Перетятько/iStock

Несмотря на десятилетия исследований и множество теорий, наука до сих пор не может точно объяснить, почему мы спим. Мы более или менее знаем, что происходит, пока мы спим, но главная причина этого до сих пор неизвестна.

Существует множество других форм жизни, которые никогда не спят, например, медузы, бактерии, растения и губки. Так почему же высшие животные должны спать, чтобы оставаться в здравом уме, в форме и быть здоровыми?

Очевидно, что это имеет некоторые эволюционные преимущества, но нам еще предстоит объяснить, почему мы это делаем.

2. Как работает привод EM?

Ходило довольно много слухов о двигательной установке НАСА, явно разрушающей физику, — электромагнитном приводе. Документ был выпущен и рецензирован, и Китай даже заявил, что у них есть свои собственные версии.

Тем не менее, никто не может толком объяснить, как этот бестопливный двигатель может нарушить третий закон Ньютона. То есть, как он может создать импульс из ниоткуда? Надеюсь, мы сможем прояснить это очень скоро.

3. Где-то там есть девятая планета… но где?

После того, как Плутон потерял свой официальный титул девятой планеты нашей Солнечной системы, общее количество планет в нашей системе сократилось до восьми. Но ученые нашли доказательства того, что где-то там существует огромная девятая планета.

Расположенный где-то на краю Солнечной системы, астрономам еще предстоит выяснить его местонахождение. После того, как НАСА наняло тысячи новых людей для его поиска, еще в 2017 году были обнаружены дразнящие улики.

4. Горбатые киты по какой-то причине образуют «супергруппы»

Источник: ashala Tylor/Flickr

Похоже, горбатые киты по каким-то загадочным причинам любят собираться в большие группы. Еще в марте 2017 года у берегов Южной Африки были замечены невиданные ранее группы из более чем 200 особей.

СВЯЗАННЫЕ С: ЗАГАДКИ ПЛАТО ГИЗА

Это очень странно, поскольку ученые привыкли видеть этих обычно одиночных существ только в группах не более 7. Теории варьируются от изменений в доступности добычи до видов, создающих впечатляющее Вернись.

Самый популярный

Но жюри действительно еще не вынесено.

5. Под Великой пирамидой в Гизе огромная пустота, но почему?

Источник: Never House/Flickr 900:02 Археологи обнаружили свидетельства существования огромной пустоты под северной стеной пирамиды. Есть еще одна полость высоко на ее северо-восточном краю.

Предполагается, что это могут быть секретные комнаты, которые тысячелетиями ускользали от мародеров и археологов. Теперь есть надежда получить к ним доступ и создать несколько сканов, чтобы выяснить, что они представляют собой очень скоро.

6. Какие, к черту, быстрые радиовсплески?

Быстрые радиовсплески, пожалуй, самые странные явления в известной Вселенной. Это одни из самых взрывоопасных сигналов, когда-либо обнаруженных наукой из космоса.

У ученых возникают проблемы с выяснением того, что именно они собой представляют, до такой степени, что некоторые утверждают, что они могут быть от пришельцев. Однако вскоре эта загадка может быть раскрыта благодаря тому, что точное местонахождение одного из них было установлено еще в 2017 году. Источник: Джеймс Сент-Джон/Flickr. У него были плавники, как у каракатицы, стебли глаз, как у краба, и впечатляюще жуткая «челюсть на палочке».

Выглядя как нечто, созданное сумасшедшим из запасных частей животных, наука не может определить, какое место оно занимает на генеалогическом древе животных.

8. Что происходит со “Звездой Табби”?

Источник: Kanijoman/Flickr. Обычные звезды затемняются всего на 1%, , так что же здесь происходит?

В настоящее время ученые не могут объяснить это, а некоторые даже утверждают, что это доказательство существования некой “инопланетной мегаструктуры”, вращающейся вокруг Солнца.

9.

На Марсе есть странная глубокая дыра. Но почему?

Марсианский разведывательный орбитальный аппарат НАСА недавно обнаружил странную особенность поверхности Марса над его южным полюсом. Похоже, что на марсианской поверхности есть очень большая, сотни метров в диаметре, дыра.

Что-то пробило его поверхность? Или в регионе был какой-то колоссальный коллапс? Ученым еще предстоит предложить удовлетворительное объяснение без дальнейших исследований.

10. Что такое гравитация?

Источник: vchal/iStock

Несмотря на то, что гравитация является одной из фундаментальных сил Вселенной, она очень странная вещь. Настолько, что многие ученые постулируют, что это может быть притворством чего-то другого, а не «реальной» вещи.

“У теоретиков есть несколько идей. Одна давняя попытка согласовать теорию относительности, которая описывает гравитацию как следствие искривления пространства-времени, с квантовой механикой путем приписывания гравитации полям частиц, называемых гравитонов . Или, возможно, гравитация действительно так же сильна, как и три другие силы, но ее влияние просачивается в дополнительные измерения». — National Geographic.

11. Где все? Мы одни во Вселенной? самая странная, но еще не решенная научная загадка, если мы одни во Вселенной?Согласно парадоксу Ферми, шансы на то, что они являются другими живыми планетами, довольно высоки, но мы еще ни от кого не слышим ни звука

Некоторые постулируют, что законы Вселенной неизбежно ведут к гибели жизни, где бы и когда бы она ни возникла. Если это правда, то жизнь зарождалась, процветала и, возможно, много раз достигала развитых цивилизаций в прошлом только для того, чтобы в конце концов угаснуть.

Как бы страшно это ни звучало, это вряд ли помешает человечеству охотиться за потенциальными соседями до нашей собственной возможной гибели.

12. Из чего состоит Вселенная?

Источник: haru_q/Flickr

Все, что человек нашел во Вселенной, от галактик до атомов, составляет лишь около 5% всего того, что там есть. Что осталось?

Примерно 27% или около того считается чем-то, называемым темной материей, но поскольку она не отражает свет, мы не можем ее обнаружить. Астрономы убеждены, что этот материал существует, так как без него все просто разлетелось бы.

Некоторые предполагают, что он состоит из чего-то, что называется слабо взаимодействующими массивными частицами (WIMPS), в то время как другие предполагают, что он может состоять из стерильных нейтрино.

Что бы это ни было, пока мы не разработаем детекторы для его обнаружения, мы никогда не узнаем наверняка.

13. Каково происхождение жизни?

Источник: NASA GODDARD/Flickr

И, наконец, один из самых больших. Науке еще предстоит объяснить, как зародилась жизнь.

Но это вопрос не только науки. Человечество пыталось ответить на этот вопрос на протяжении многих тысячелетий.

Помимо религиозных объяснений, существует множество научных теорий о том, как появились мы и все остальные живые существа. Идеи варьируются от жизни, доставленной на Землю откуда-то еще (панспермия), до частиц глины, помогающих создать первые нити РНК.

Сможем ли мы когда-нибудь ответить на этот вопрос, зависит от каждого, но это, безусловно, один из самых интригующих вопросов, на которые пытается ответить наука.

Еще новости

культура
Северная Корея атакует американского хакера. Поэтому он отключил интернет по всей стране

Амейя Палеха| 04.02.2022

Наука
Пролей чай: Кто живет в твоем напитке?

Дина Тереза| 31.07.2022

инновации
YouTube-блогер демонстрирует прорыв в области аккумуляторов, позволяющий заряжать электромобили всего за несколько минут

Лукия Пападопулос| 12.06.2022

Неразрешимая проблема — Scientific American

Коротко

Курт Гёдель в 1930-х годах знаменито обнаружил, что некоторые утверждения невозможно доказать, истинны они или ложны, — они всегда будут «неразрешимыми».

Математики недавно решили выяснить, относится ли к этой категории одна фундаментальная проблема квантовой физики — так называемый вопрос о спектральной щели. Спектральная щель относится к разнице энергий между самым низким энергетическим состоянием, которое может занимать материал, и следующим за ним состоянием.

После трех лет мозгового штурма на доске, полуночных расчетов и многочисленных теоретизирований за чашечкой кофе математики подготовили 146-страничное доказательство того, что проблема спектральной щели на самом деле неразрешима. Результат повышает вероятность того, что другие важные вопросы также могут остаться без ответа.

Мы втроем сидели в кафе в Зеефельде, маленьком городке глубоко в австрийских Альпах. Это было летом 2012 года, и мы застряли. Не застряли в кафе — светило солнце, блестел снег в Альпах, а красивые окрестности сильно манили нас бросить математическую задачу, над которой мы застряли, и отправиться на улицу. Мы пытались исследовать связи между математическими результатами Курта Гёделя и Алана Тьюринга 20-го века и квантовой физикой. По крайней мере, так было во сне. Мечта, которая началась еще в 2010 году, во время семестровой программы по квантовой информации в Институте Миттаг-Леффлера недалеко от Стокгольма.

Некоторые вопросы, которые мы изучали, уже исследовались другими, но для нас это направление исследований было совершенно новым, поэтому мы начали с чего-то простого. Как раз тогда мы пытались доказать небольшой и не очень значительный результат, чтобы прочувствовать ситуацию. Уже несколько месяцев у нас было доказательство (своего рода) этого результата. Но чтобы доказательство сработало, нам пришлось поставить задачу искусственным и неудовлетворительным образом. Было ощущение, что вопрос нужно изменить, чтобы он соответствовал ответу, и мы были не очень довольны этим. Вновь поднимая проблему в перерыве после первой сессии переговоров на семинаре в Зеефельде, собравшей нас вместе в 2012 году, мы по-прежнему не видели выхода из наших проблем. Полушутя один из нас (Майкл Вольф) спросил: «Почему бы нам не доказать неразрешимость чего-то, что действительно волнует людей, например спектральной щели?»

В то время нас интересовало, являются ли определенные проблемы в физике «разрешимыми» или «неразрешимыми», то есть могут ли они когда-либо быть решены? Мы застряли, пытаясь исследовать разрешимость гораздо более второстепенного вопроса, о котором мало кто заботится. Проблема «спектральной щели», которую Майкл предложил нам решить (которую мы объясним позже), была одной из центральных по важности для физики. В то время мы не знали, разрешима эта проблема или нет (хотя у нас было предчувствие, что это не так) и сможем ли мы доказать ее тем или иным способом. Но если бы мы могли, результаты имели бы реальное отношение к физике, не говоря уже о существенном математическом достижении. Амбициозное предложение Майкла, преподнесенное почти как шутка, отправило нас в грандиозное приключение. Спустя три года и 146 страниц математики наше доказательство неразрешимости спектральной щели было опубликовано в Природа .

Чтобы понять, что это значит, нам нужно вернуться в начало 20-го века и проследить некоторые нити, которые породили современную физику, математику и информатику. Все эти разрозненные идеи восходят к немецкому математику Давиду Гильберту, которого часто считают величайшей фигурой в этой области за последние 100 лет. (Конечно, никто, кроме математиков, о нем не слышал. Эта дисциплина — не лучший путь к известности и известности, хотя и имеет свои преимущества.)

Математика квантовой механики

Влияние Гильберта на математику было огромным. Ранее он разработал раздел математики, называемый функциональным анализом, в частности, область, известную как спектральная теория, которая в конечном итоге станет ключом к вопросу нашего доказательства. Гильберт интересовался этой областью по чисто абстрактным причинам. Но, как это часто бывает, его математика оказалась именно тем, что было необходимо для понимания вопроса, который ставил в тупик физиков того времени.

Если вы нагреете вещество, оно начнет светиться, поскольку атомы в нем излучают свет (отсюда и фраза «раскаленный докрасна»). Хорошим примером является желто-оранжевый свет натриевых уличных фонарей: атомы натрия преимущественно излучают свет с длиной волны 590 нанометров, в желтой части видимого спектра. Атомы поглощают или испускают свет, когда электроны внутри них «прыгают» между энергетическими уровнями, и точная частота этого света зависит от энергетического зазора между уровнями. Таким образом, частоты света, излучаемого нагретыми материалами, дают нам «карту» промежутков между различными энергетическими уровнями атома. Объяснение этих атомных выбросов было одной из проблем, с которыми физики боролись в первой половине 20-го века. Этот вопрос привел непосредственно к развитию квантовой механики, и главную роль в ней сыграла математика спектральной теории Гильберта.

Один из этих зазоров между квантовыми энергетическими уровнями особенно важен. Самый низкий возможный энергетический уровень материала называется его основным состоянием. Это уровень, на котором он будет находиться, когда в нем нет тепла. Чтобы перевести материал в исходное состояние, ученые должны охладить его до чрезвычайно низких температур в лаборатории. Затем, если материал должен делать что-либо, кроме пребывания в своем основном состоянии, что-то должно возбудить его до более высокой энергии. Самый простой способ — поглотить наименьшее количество энергии, какое только возможно, ровно столько, чтобы перевести ее на следующий энергетический уровень выше основного состояния — первое возбужденное состояние. Энергетическая щель между основным состоянием и этим первым возбужденным состоянием настолько критична, что ее часто называют просто спектральной щелью.

Предоставлено: Jen Christiansen

В некоторых материалах существует большой разрыв между основным состоянием и первым возбужденным состоянием. В других материалах энергетические уровни простираются вплоть до основного состояния без каких-либо промежутков. Наличие или отсутствие зазоров в материале имеет серьезные последствия для его поведения при низких температурах. Особенно существенную роль он играет в квантовых фазовых переходах.

Фазовый переход происходит, когда материал подвергается резкому и резкому изменению своих свойств. Мы все хорошо знакомы с некоторыми фазовыми переходами, такими как превращение воды из твердой формы льда в жидкую форму при нагревании. Но есть и более экзотические квантовые фазовые переходы, которые происходят даже при очень низкой температуре. Например, изменение магнитного поля вокруг материала или давления, которому он подвергается, может привести к тому, что изолятор станет сверхпроводником, а твердое тело станет сверхтекучим.

Как материал может пройти через фазовый переход при температуре абсолютного нуля (-273,15 градусов по Цельсию), при которой вообще нет тепла для получения энергии? Это сводится к спектральной щели. Когда спектральная щель исчезает — когда в материале нет щели — энергия, необходимая для достижения возбужденного состояния, становится равной нулю. Малейшего количества энергии будет достаточно, чтобы подтолкнуть материал к фазовому переходу. На самом деле, благодаря странным квантовым эффектам, которые доминируют в физике при этих очень низких температурах, материал может временно «одолжить» эту энергию из ниоткуда, пройти через фазовый переход и «отдать» энергию обратно. Следовательно, чтобы понять квантовые фазовые переходы и квантовые фазы, нам необходимо определить, когда материалы имеют зазоры, а когда нет.

Фото: Ben Gilliland

Поскольку проблема спектральной щели настолько фундаментальна для понимания квантовых фаз материи, она возникает повсеместно в теоретической физике. Многие известные и давно открытые проблемы физики конденсированного состояния сводятся к решению этой задачи для конкретного материала. Тесно связанный вопрос возникает даже в физике элементарных частиц: есть очень убедительные доказательства того, что фундаментальные уравнения, описывающие кварки и их взаимодействия, имеют «массовую щель». Экспериментальные данные с коллайдеров частиц, таких как Большой адронный коллайдер недалеко от Женевы, подтверждают это мнение, как и массивные результаты работы суперкомпьютеров. Но строго доказать эту идею из теории представляется чрезвычайно трудным. На самом деле настолько сложная, что эта проблема, называемая проблемой разрыва масс Янга-Миллса, была названа Институтом математики Клэя одной из семи задач Премии тысячелетия, и любой, кто решит ее, получит приз в 1 миллион долларов. Все эти проблемы являются частными случаями общего вопроса о спектральной щели. Однако у нас есть плохие новости для тех, кто пытается их решить. Наше доказательство показывает, что общая проблема еще сложнее, чем мы думали. Причина сводится к вопросу под названием Entscheidungsproblem .

Вопросы, на которые нет ответов

К 1920-м годам Гильберт занялся созданием прочной и строгой основы для фундаментов математики — это усилие стало известно как программа Гильберта. Он считал, что какое бы математическое предположение ни было сделано, в принципе можно доказать либо его истинность, либо ложность. (Лучше бы невозможно было доказать, что это и то, и другое, иначе что-то пошло не так с математикой!) Эта идея может показаться очевидной, но математика предназначена для установления понятий с абсолютной уверенностью. Гильберт хотел строгого доказательства.

В 1928 году он сформулировал Entscheidungsproblem . На английском языке это переводится как «проблема решения». Он спрашивает, существует ли процедура или «алгоритм», который может решить, являются ли математические утверждения истинными или ложными.

Например, утверждение «Умножение любого целого числа на 2 дает четное число» можно легко доказать, используя элементарную логику и арифметику. Другие утверждения менее ясны. Как насчет следующего примера? «Если вы возьмете любое целое число и несколько раз умножите его на 3 и прибавите 1, если оно нечетное, или разделите его на 2, если оно четное, вы всегда в конечном итоге получите число 1». (Подумайте об этом.)

К несчастью для Гильберта, его надежды не оправдались. В 1931 году Гёдель опубликовал несколько замечательных результатов, известных теперь как его теоремы о неполноте. Гёдель показал, что существуют вполне разумные математические утверждения о целых числах, которые нельзя ни доказать, ни опровергнуть. В некотором смысле эти утверждения находятся за пределами досягаемости логики и арифметики. И он доказал это утверждение. Если это трудно уложить в голове, вы в хорошей компании. Теоремы Гёделя о неполноте потрясли основы математики до основания.

Вот одна из идей Гёделя: если кто-то говорит вам: «Это предложение — ложь», говорит ли этот человек правду или лжет? Если он или она говорит правду, то заявление действительно должно быть ложью. Но если он или она лжет, то это правда. Это затруднительное положение известно как парадокс лжеца. Несмотря на то, что это кажется совершенно разумным английским предложением, нет никакого способа определить, истинно оно или ложно. Что удалось сделать Гёделю, так это построить строгую математическую версию парадокса лжеца, используя только базовую арифметику.

Следующим крупным игроком в истории Entscheidungsproblem является Алан Тьюринг, английский ученый-компьютерщик. Тьюринг наиболее известен среди широкой публики своей ролью во взломе немецкого кода Enigma во время Второй мировой войны. Но среди ученых он наиболее известен своей статьей 1937 года «О вычислимых числах с приложением к Entscheidungsproblem ». Под сильным влиянием результата Гёделя молодой Тьюринг дал отрицательный ответ на Entscheidungsproblem 9 Гильберта.0018, доказав, что не может существовать никакого общего алгоритма, позволяющего решить, истинны или ложны математические утверждения. (Американский математик Алонзо Черч также независимо доказал это незадолго до Тьюринга. Но доказательство Тьюринга было в конечном счете более значительным. Часто в математике доказательство результата оказывается более важным, чем сам результат.)

Чтобы решить Entscheidungsproblem , Тьюринг должен был точно определить, что значит «вычислить» что-то. В настоящее время мы думаем о компьютерах как об электронных устройствах, которые стоят у нас на столе, на коленях или даже в кармане. Но компьютеров, какими мы их знаем, не существовало в 1936. На самом деле под «компьютером» изначально подразумевался человек, выполняющий вычисления с помощью ручки и бумаги. Тем не менее вычисления с ручкой и бумагой, как вы делали это в старшей школе, с математической точки зрения ничем не отличаются от вычислений на современном настольном компьютере — просто они намного медленнее и гораздо более подвержены ошибкам.

Тьюринг придумал идеализированный воображаемый компьютер, названный машиной Тьюринга. Эта очень простая воображаемая машина не похожа на современный компьютер, но она может вычислить все, что может самый мощный современный компьютер. На самом деле любой вопрос, который когда-либо можно было вычислить (даже на квантовых компьютерах или компьютерах 31-го века, которые еще предстоит изобрести), можно было бы вычислить и на машине Тьюринга. Просто машине Тьюринга потребовалось бы гораздо больше времени.

Машина Тьюринга имеет бесконечно длинную ленту и «голову», которая может считывать и записывать на ленту по одному символу за раз, а затем перемещаться по ней на один шаг вправо или влево. Входными данными для вычислений являются любые символы, первоначально записанные на ленту, а выходными данными — все, что осталось записанным на ней, когда машина Тьюринга, наконец, перестанет работать (остановится). Изобретение машины Тьюринга было даже более важным, чем решение Entscheidungsproblem . Дав точную, математически строгую формулировку того, что значит производить вычисления, Тьюринг основал современную область компьютерных наук.

Построив свою воображаемую математическую модель компьютера, Тьюринг затем доказал, что существует простой вопрос о машинах Тьюринга, который не может решить никакая математическая процедура: остановится ли когда-нибудь машина Тьюринга, работающая на заданном входе? Этот вопрос известен как проблема остановки. В то время этот результат был шокирующим. Математики привыкли к тому факту, что любая гипотеза, над которой мы работаем, может быть доказуемой, опровержимой или неразрешимой.

Где мы находимся

В результате нам пришлось связать все эти разрозненные нити вместе. Мы хотели объединить квантовую механику спектральной щели, информатику неразрешимости и спектральную теорию Гильберта, чтобы доказать, что — как и проблема остановки — проблема спектральной щели была одной из неразрешимых, о которых нас учили Гёдель и Тьюринг.

Разговаривая в том кафе в Зеефельде в 2012 году, у нас возникла идея, как мы могли бы доказать более слабый математический результат, связанный со спектральной щелью. Мы обдумывали эту идею, даже не нацарапав на обратной стороне салфетки, и казалось, что она может сработать. Затем началась очередная сессия переговоров. И там мы оставили это.

Через несколько месяцев один из нас (Тоби Кубитт) навестил Майкла в Мюнхене, и мы сделали то, чего не делали в Зеефельде: набросали несколько уравнений на клочке бумаги и убедились, что идея работает. В последующие недели мы завершили аргументацию и надлежащим образом изложили ее в личной четырехстраничной заметке. (Ничто в математике не является по-настоящему доказанным, пока вы не запишете это — или, что еще лучше, не напечатаете и не покажете коллеге для изучения.) Концептуально это было большим достижением. До этого идея доказательства неразрешимости спектральной щели была скорее шуткой, чем серьезной перспективой. Теперь у нас появились первые проблески того, что это действительно возможно. Но до этого было еще очень далеко. Мы не могли расширить нашу первоначальную идею, чтобы доказать неразрешимость самой проблемы спектральной лакуны.

Сжигание полуночного кофе

Мы попытались сделать следующий шаг, связав проблему спектральной щели с квантовыми вычислениями. В 1985 году лауреат Нобелевской премии по физике Ричард Фейнман опубликовал одну из статей, в которой зародилась идея квантовых компьютеров. В этой статье Фейнман показал, как связать основные состояния квантовых систем с вычислениями. Вычисление — это динамический процесс: вы предоставляете компьютеру входные данные, и он выполняет несколько шагов для вычисления результата и вывода ответа. Но основные состояния квантовых систем полностью статичны: основное состояние — это просто конфигурация, в которой находится материал при нулевой температуре, вообще ничего не делая. Так как же он может производить вычисления?

Ответ приходит через одну из определяющих черт квантовой механики: суперпозицию, которая представляет собой способность объектов одновременно занимать множество состояний, как, например, знаменитый квантовый кот Эрвина Шредингера может быть живым и мертвым одновременно. Фейнман предложил построить квантовое состояние, которое находится в суперпозиции различных шагов вычисления — начального ввода, каждого промежуточного шага вычисления и конечного вывода — всех сразу. Алексей Китаев из Калифорнийского технологического института позже существенно развил эту идею, сконструировав воображаемый квантовый материал, основное состояние которого выглядит именно так.

Если бы мы использовали конструкцию Китаева, чтобы поместить всю историю машины Тьюринга в основное состояние материала в суперпозиции, могли бы мы преобразовать проблему остановки в проблему спектральной щели? Другими словами, можем ли мы показать, что любой метод решения проблемы спектральной щели решит и проблему остановки? Поскольку Тьюринг уже показал, что проблема остановки неразрешима, это доказывает, что проблема спектральной щели также должна быть неразрешимой.

Кодирование проблемы остановки в квантовом состоянии не было новой идеей. Сет Ллойд, ныне работающий в Массачусетском технологическом институте, предложил это почти два десятилетия назад, чтобы показать неразрешимость еще одного квантового вопроса. Даниэль Готтесман из Института теоретической физики «Периметр» в Ватерлоо и Сэнди Ирани из Калифорнийского университета в Ирвине использовали идею Китаева, чтобы доказать, что даже отдельные линии взаимодействующих квантовых частиц могут демонстрировать очень сложное поведение. На самом деле мы надеялись использовать вариант конструкции Китаева Готтесмана и Ирани.

Но спектральная щель — это проблема другого рода, и мы столкнулись с некоторыми явно непреодолимыми математическими препятствиями. Первый был связан с вводом данных в машину Тьюринга. Помните, что неразрешимость проблемы остановки заключается в том, останавливает ли машина Тьюринга при заданном вводе . Как мы могли бы спроектировать наш воображаемый квантовый материал таким образом, чтобы мы могли выбирать входные данные для машины Тьюринга, чтобы закодировать их в основном состоянии?

Когда мы работали над этой более ранней задачей (той, над которой мы все еще застревали в кафе в Зеефельде), у нас возникла идея, как исправить проблему, сделав «изюминку» во взаимодействиях между частицами и используя угол это вращение для создания входных данных для машины Тьюринга. В январе 2013 года мы встретились на конференции в Пекине и вместе обсудили этот план. Но мы быстро поняли, что то, что нам нужно было доказать, очень близко противоречило известным результатам о квантовых машинах Тьюринга. Мы решили, что нам нужно полное и строгое доказательство того, что наша идея работает, прежде чем продолжить проект.

К этому моменту Тоби уже более двух лет был частью группы Давида Переса-Гарсии в Мадридском университете Комплутенсе. В том же месяце он переехал в Кембриджский университет, но его новая квартира там еще не была готова, поэтому его друг и коллега-теоретик квантовой информации Эшли Монтанаро предложил поселить его. В течение этих двух месяцев он приступил к работе, производя строгое доказательство этой идеи. Его друг находил его утром за кухонным столом, рядом стоял ряд пустых кофейных кружек, собирался лечь спать, проработав всю ночь, выясняя детали и печатая их. По истечении этих двух месяцев Тоби разослал готовые доказательства.

В память о плитках прошлого

Это 29-страничное доказательство показало, как преодолеть одно из препятствий на пути подключения основного состояния квантового материала к вычислениям с помощью машины Тьюринга. Но на пути к этой цели было еще большее препятствие: полученный квантовый материал всегда был без зазоров. Если он всегда без зазоров, проблема спектральной щели для этого конкретного материала решается очень легко: ответ – без зазоров!

Фото: Джен Кристиансен

Наша первая идея из Зеефельда, давшая гораздо более слабый результат, чем мы хотели, тем не менее, сумела обойти это препятствие. Ключом было использование «плиток». Представьте, что вы укладываете плиткой пол в большой ванной комнате. На самом деле представьте, что это бесконечно большая ванная комната. На плитках очень простой рисунок: каждая из четырех сторон плитки имеет свой цвет. У вас есть различные коробки с плитками, каждая из которых имеет разное расположение цветов. А теперь представьте, что в каждой коробке бесконечное количество плиток. Вы, конечно, хотите выложить плиткой бесконечный пол в ванной так, чтобы цвета соседних плиток совпадали. Это возможно?

Ответ зависит от того, какие коробки плиток у вас есть. С помощью нескольких наборов цветной плитки вы сможете выложить плиткой бесконечный пол в ванной комнате. С другими не будешь. Прежде чем выбрать, какие коробки плитки купить, вы хотели бы знать, будут ли они работать. К сожалению для вас, в 1966 году математик Роберт Бергер доказал, что эта проблема неразрешима.

Один из простых способов выложить плиткой бесконечный пол ванной комнаты — сначала выложить плиткой небольшой прямоугольник так, чтобы цвета на противоположных сторонах совпадали. Затем вы можете покрыть весь пол, повторяя этот прямоугольный узор. Поскольку они повторяются через каждые несколько тайлов, такие шаблоны называются периодическими. Причина неразрешимости проблемы мозаики заключается в том, что существуют и непериодические мозаики: узоры, которые покрывают бесконечный пол, но никогда не повторяются.

Когда мы обсуждали наш первый небольшой результат, мы изучали упрощение исходного доказательства Бергера в 1971 году, сделанное Рафаэлем М. Робинсоном из Калифорнийского университета в Беркли. Робинсон сконструировал набор из 56 различных плиток, которые, когда они используются для облицовки пола, создают взаимосвязанный узор из все более крупных квадратов. Этот фрактальный узор выглядит периодическим, но на самом деле он никогда полностью не повторяется. Мы широко обсуждали способы использования результатов тайлинга для доказательства неразрешимости квантовых свойств. Но тогда мы даже не думали о спектральной щели. Идея дремала.

В апреле 2013 года Тоби нанес визит Чарли Беннету в Исследовательском центре IBM Томаса Дж. Уотсона. Среди многих достижений Беннета до того, как он стал одним из отцов-основателей квантовой теории информации, была его основополагающая работа 1970-х годов о машинах Тьюринга. Мы хотели расспросить его о некоторых технических деталях нашего доказательства, чтобы убедиться, что мы ничего не упускаем из виду. Он сказал, что не думал об этом в течение 40 лет, и пришло время молодому поколению взять верх. (Затем он очень любезно объяснил некоторые тонкие математические детали своего 1970-х годов, что убедило нас в том, что с нашим доказательством все в порядке. )

Беннет обладает огромным запасом научных знаний. Поскольку мы говорили о машинах Тьюринга и неразрешимости, он отправил по электронной почте копии нескольких старых статей о неразрешимости, которые, по его мнению, могут нас заинтересовать. Одной из них была та же статья Робинсона 1971 года, которую мы изучали. Теперь пришло время для того, чтобы идеи, посеянные в наших предыдущих дискуссиях, ожили. Перечитав статью Робинсона еще раз, мы поняли, что это именно то, что нам нужно, чтобы предотвратить исчезновение спектральной щели.

Наша первоначальная идея состояла в том, чтобы закодировать одну копию машины Тьюринга в основное состояние. Тщательно спроектировав взаимодействие между частицами, мы могли бы сделать энергию основного состояния немного выше, если бы машина Тьюринга остановилась. Спектральная щель — скачок энергии в первое возбужденное состояние — тогда будет зависеть от того, остановится ли машина Тьюринга или нет. Была только одна проблема с этой идеей, и она была большой. По мере увеличения числа частиц дополнительный вклад в энергию основного состояния становился все ближе и ближе к нулю, что приводило к тому, что материал всегда был бесщелевым.

Но, адаптировав мозаичную конструкцию Бергера, мы могли бы вместо этого закодировать множество копий точно такой же машины Тьюринга в основное состояние. На самом деле мы могли бы прикрепить по одной копии к каждому квадрату мозаичного узора Робинсона. Поскольку это идентичные копии одной и той же машины Тьюринга, если одна из них останавливается, останавливаются все они. Энергетические вклады всех этих копий складываются. По мере увеличения количества частиц количество квадратов в мозаичном узоре становится больше. Таким образом, количество копий машины Тьюринга увеличивается, а их энергетический вклад становится огромным, что дает нам возможность спектральной щели.

Экзамены и сроки

В доказанном нами результате осталась одна существенная слабость. Мы ничего не могли сказать о том, насколько большой была энергетическая щель, когда материал был щелью. Эта неопределенность оставила наш результат открытым для критики, что разрыв может быть настолько мал, что его может и не быть. Нам нужно было доказать, что разрыв, когда он существовал, на самом деле был большим. Первое решение, которое мы нашли, возникло, когда мы рассмотрели материалы в трех измерениях вместо плоских материалов, о которых мы думали до этого.

Когда вы не можете перестать думать о математической задаче, вы делаете успехи в самых неожиданных местах. Дэвид работал над деталями этой идеи в своей голове, пока наблюдал за экзаменом. Прогуливаясь по рядам столов в холле, он совершенно не обращал внимания на студентов, лихорадочно трудившихся вокруг него. Как только тест был закончен, он записал эту часть доказательства на бумагу.

Теперь мы знали, что можно получить большой спектральный разрыв. Можем ли мы также получить его в двух измерениях или необходимо три? Вспомните проблему облицовки плиткой бесконечного пола в ванной. Что нам нужно было показать, так это то, что для мозаики Робинсона, если вы где-то ошиблись в одной плитке, но цвета по-прежнему совпадают во всем остальном, то узор, образованный плитками, будет нарушен только в небольшой области с центром на этой неправильной плитке. Если бы мы могли показать эту «надежность» мозаики Робинсона, это означало бы, что невозможно получить небольшую спектральную щель, нарушив мозаику лишь на крошечную часть.

К концу лета 2013 года мы почувствовали, что у нас есть все ингредиенты для нашего доказательства. Но оставалось еще решить некоторые важные детали, такие как доказательство того, что надежность тайлинга может быть объединена со всеми другими компонентами доказательства, чтобы получить полный результат. Весь осенний семестр 2013 года Институт математических наук имени Исаака Ньютона в Кембридже, Англия, проводил специальный семинар по квантовой информации. Мы все трое были приглашены на него. Это была прекрасная возможность поработать вместе над завершением проекта. Но Дэвиду не удалось надолго задержаться в Кембридже. Мы были полны решимости завершить доказательство до того, как он уйдет.

В Институте Исаака Ньютона доски повсюду — даже в ванных комнатах! Для обсуждения мы выбрали одну из досок в коридоре (ближайшую к кофемашине). Мы часами сидели у доски, разрабатывая недостающие идеи, а затем разделили между собой задачу сделать эти идеи математически строгими. Этот процесс всегда требует гораздо больше времени и усилий, чем кажется на доске. Поскольку день отъезда Дэвида приближался, мы работали без перерыва весь день и большую часть ночи. Всего за несколько часов до того, как он уехал домой, мы наконец получили полное доказательство.

В физике и математике исследователи впервые обнародуют большинство результатов, размещая черновой вариант статьи на сервере препринтов arXiv.org, прежде чем отправить его в журнал для рецензирования. Хотя теперь мы были достаточно уверены, что весь аргумент сработал и самая трудная часть позади, наше доказательство еще не было готово к публикации. Предстояло заполнить много математических деталей. Мы также хотели переписать и привести в порядок статью (мы надеялись уменьшить количество страниц в процессе, хотя в этом мы полностью потерпели неудачу). Самое главное, хотя по крайней мере один из нас проверил каждую часть доказательства, никто не прошел его полностью от начала до конца.

Летом 2014 года Дэвид вместе с Михаэлем был в творческом отпуске в Мюнхенском техническом университете. Тоби вышел, чтобы присоединиться к ним. План состоял в том, чтобы потратить это время на проверку и завершение всего доказательства, строчка за строчкой. Дэвид и Тоби делили офис. Каждое утро Дэвид приходил с новой распечаткой черновика, обильными примечаниями и вопросами, нацарапанными на полях и на прослоенных листах. Мы втроем выпивали кофе, а затем продолжали с того места, на котором остановились накануне, обсуждая следующий раздел доказательства у доски. Во второй половине дня мы разделили работу по переписыванию статьи и добавлению нового материала, а также по следующему разделу доказательства. Тоби страдал от соскальзывания диска и не мог сесть, поэтому он работал со своим ноутбуком, опираясь на перевернутый мусорный бак на столе. Дэвид сидел напротив, растущая стопка распечаток и заметок занимала все больше и больше места на его столе. В нескольких случаях мы обнаружили существенные пробелы в доказательстве. Они оказались преодолимыми, но их преодоление означало добавление к этому существенного материала. Количество страниц продолжало расти.

Через шесть недель мы проверили, завершили и улучшили каждую строчку доказательства. На то, чтобы все написать, уйдет еще полгода. Наконец, в феврале 2015 года мы загрузили статью на arXiv.org.

Что все это значит

В конечном счете, что говорят нам эти 146 страниц сложной математики?

Во-первых, и это самое главное, они дают строгое математическое доказательство того, что один из основных вопросов квантовой физики не может быть решен вообще. Обратите внимание, что слово «в целом» здесь имеет решающее значение. Хотя проблема остановки в общем случае неразрешима, для конкретный ввод в машину Тьюринга, часто еще можно сказать, остановится она или нет. Например, если первой инструкцией ввода является «остановка», ответ довольно ясен. То же самое происходит, если первая инструкция говорит машине Тьюринга зацикливаться вечно. Таким образом, хотя неразрешимость означает, что проблема спектральной щели не может быть решена для всех материалов, ее вполне возможно решить для конкретных материалов. На самом деле, физика конденсированного состояния изобилует такими примерами. Тем не менее, наш результат строго доказывает, что даже совершенного, полного описания микроскопических взаимодействий между частицами материала не всегда достаточно, чтобы вывести его макроскопические свойства.

Вы можете спросить себя, имеет ли это открытие какое-либо значение для «реальной физики». Ведь ученые всегда могут попытаться измерить спектральную щель в экспериментах. Представьте, если бы мы могли создать квантовый материал из нашего математического доказательства и произвести его часть в лаборатории. Его взаимодействия настолько необычайно сложны, что эта задача выходит далеко за рамки всего, что ученые когда-либо могли решить. Но если бы мы могли, а затем взяли его кусок и попытались измерить его спектральную щель, материал не мог бы просто развести руками и сказать: «Я не могу вам сказать — это неразрешимо». Эксперимент должен был измерить что-то .

Ответ на этот кажущийся парадокс заключается в том, что, строго говоря, термины «с зазорами» и «без зазоров» имеют математический смысл только тогда, когда кусок материала бесконечно велик. Итак, 10 ²³ или около того атомов, содержащихся даже в очень маленьком кусочке материала, действительно представляют собой очень большое число. Для обычных материалов это достаточно близко к бесконечности, чтобы не иметь значения. Но для очень странного материала, построенного в нашем доказательстве, большое не эквивалентно бесконечному. Возможно с 10 ²³ атомов материал в экспериментах оказывается бесщелевым. Просто для уверенности вы берете образец материала в два раза большего размера и снова измеряете. Еще без зазоров. Затем, однажды поздно ночью, ваш аспирант приходит в лабораторию и добавляет всего один дополнительный атом. На следующее утро, когда вы снова измерите его, материал стал дырявым! Наш результат доказывает, что размер, при котором может произойти этот переход, невычислим (в том же смысле Гёделя-Тьюринга, с которым вы сейчас знакомы). Эта история пока полностью гипотетична, потому что мы не можем создать такой сложный материал. Но это показывает, подкрепленное строгим математическим доказательством, что ученые должны проявлять особую осторожность при экстраполяции экспериментальных результатов, чтобы сделать вывод о поведении того же материала при больших размерах.

После завершения описанной здесь работы мы расширили ее до одномерных систем и фазовых диаграмм. С тех пор было показано, что другие важные проблемы квантовой физики неразрешимы с использованием методов информатики, что имеет глубокие последствия для математики. В 1935 году Эйнштейн, Подольский и Розен поняли, что квантовая механика предсказала то, что они назвали «призрачным действием на расстоянии» — корреляции между парами запутанных квантовых частиц, которые невозможны в рамках классической физики. Совершив крупный прорыв, команда под руководством Чжэнфэн Цзи из Технологического университета Сиднея недавно объявила о результате, доказывающем, что оценка таких корреляций, даже с некоторой разумной точностью, в общем случае неразрешима. Их результат опровергает глубокую догадку в математике, которая была открыта более 40 лет.

А теперь мы возвращаемся к проблеме Янга-Миллса — вопросу о наличии массовой щели в уравнениях, описывающих кварки и их взаимодействия. Компьютерное моделирование показывает, что ответ положительный, но наш результат предполагает, что определение наверняка может быть другим вопросом. Может ли быть так, что данные компьютерного моделирования о разрыве масс Янга-Миллса исчезнут, если мы увеличим модель хотя бы на чуть-чуть? Наш результат не может сказать, но он открывает дверь к интригующей возможности того, что проблема Янга-Миллса и другие проблемы, важные для физиков, могут оказаться неразрешимыми.

А что насчет того оригинального небольшого и не очень важного результата, который мы пытались доказать все эти годы назад в кафе в австрийских Альпах? На самом деле, мы все еще работаем над этим.

Эта статья была первоначально опубликована под названием «Неразрешимая проблема» в журнале Scientific American 319, 4, 28-37 (октябрь 2018 г. )

Неразрешимость и непериодичность разбиений плоскости. Рафаэль М. Робинсон в Inventiones Mathematicae , Vol. 12, № 3, стр. 177–209; Сентябрь 1971 г.

Неразрешимость спектральной щели. Тоби С. Кубитт, Дэвид Перес-Гарсия и Майкл М. Вольф в Nature , Vol. 528, страницы 207–211; 10 декабря 2015 г. Препринт доступен по адресу https://arxiv.org/abs/1502.04573

ОБ АВТОРЕ(АХ)

Тоби С. Кубитт — научный сотрудник Университета Королевского общества и читатель квантовой информации в Университете Колледж Лондон. После получения докторской степени. по физике, постдокторские должности по математике и должность преподавателя компьютерных наук, теперь он работает над квантовыми проблемами, которые охватывают эти области. Кредит: Ник Хиггинс

Давид Перес-Гарсия — профессор математики Мадридского университета Комплутенсе и преподаватель Института математических наук в Мадриде.