Вопросы по физике интересные: Профессор Знаев - ЗАНИМАТЕЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ С ОТВЕТАМИ - Санкт-Петербургское государственное бюджетное учреждение социального обслуживания населения

Содержание

Занимательные вопросы с ответами по физике в общем смысле

Учитывая сложность преподавания современной физики и постоянным требованием по сдаче всевозможных работ: рефератов, эссе, курсовых, дипломов — свободного времени не остается совсем.

Не легче ли заказать работу здесь, а самим заняться ну, например, той же занимательной и интересной физикой.

Физика определяет правила, по которым мы живем в своем физическом существовании. Многие из нас ведут повседневную жизнь без какого-либо истинного понимания Законов, которые регулируют то, как мы взаимодействуем с нашим окружением.

Физика — это наш способ осмыслить силы, которые действуют на нас и определяют способ решения даже самых простых задач. Каждый может увидеть физику в действии — от прогулки до вождения машины или игры в прядки.

Мчащийся грузовик блокирует тормоза и останавливается. Если бы масса грузовика увеличилась вдвое, расстояние его скольжения было бы больше, меньше или осталось бы таким же?

Расстояние торможения остается то же самое.

Теннисный мяч и стальной мяч одинакового диаметра падают одновременно. На какой шар действует большая сила?

Стальной шар.

Теннисный мяч и стальной мяч одинакового диаметра падают одновременно. Не считая сопротивления воздуха, какой мяч ускоряется сильнее?

У обоих одинаковое ускорение.

Скорость объекта, падающего в воздухе, будет продолжать неограниченно расти. Правда или ложь.

Ложь.

Ускорение объекта обратно пропорционально действующей на него чистой силе. Правда или ложь?

Ложь

Физика — самая фундаментальная наука, потому что:

а) основа биологии — химия, а основа химии – физика;

б) это о природе основных вещей, таких как силы, энергия и движение;

с) идеи физики распространяются на более сложные науки;

д) вы сможете лучше понять науку в целом, если поймете физику;

е) все вышеперечисленное.

Ответ: е

Какой из следующих шагов НЕ является частью научного метода?

а) проведите эксперименты, чтобы проверить прогнозы;

б) повторяйте эксперименты до тех пор, пока ответы не совпадут с предсказаниями;

c) сформулируйте общее правило, основанное на предсказаниях и результатах экспериментов;

д) догадайтесь об ответе на проблему и спрогнозируйте ее последствия;

Ответ: б

Научный факт это:

а) то, что вы верите, правда, потому что вас этому научили;

б) предположение, которое проверялось снова и снова и всегда оказывалось верным;

с) полное согласие компетентных наблюдателей за одними и теми же явлениями;

д) обоснованное предположение, которое еще предстоит подтвердить экспериментально;

е) синтез набора данных, который включает хорошо проверенные предположения.

Ответ: с

Теория это:

а) обоснованное предположение, которое еще предстоит подтвердить экспериментально;

б) синтез большого количества информации, включая проверенные предположения;

c) полное согласие компетентных наблюдателей в наблюдениях за одними и теми же явлениями;

д) предположение, которое проверялось снова и снова и всегда оказывалось верным;

е) научный рассказ об атомах и молекулах.

Ответ: б

Что из этого является научной гипотезой:

а) атомы — это самые маленькие из существующих частиц материи;

б) Альберт Эйнштейн — величайший физик двадцатого века;

с) Вселенная окружена второй Вселенной, которую нельзя увидеть.

Ответ: а

Какое из следующих утверждений неверно:

а) наука — это метод ответа на теоретические вопросы;

б) технология — это метод решения практических задач;

c) технологии могут создавать проблемы для общества;

д) наука и технологии составляют большую часть повседневной жизни;

е) на хорошего ученого влияют его симпатии и антипатии.

Ответ: е

Наука, искусство и религия не противоречат друг другу, потому что:

а) если вы выберете религию и искусство, вы можете забыть о науке;

б) все три имеют разные значения;

c) если вы выберете правильный, вы можете забыть о двух других;

д) выбрав науку, можно забыть о религии и искусстве.

Ответ: б

Что из следующего является причиной математического выражения научных открытий?

а) результаты становится все труднее доказать экспериментально;

б) полученные данные легче проверить экспериментально;

с) результаты становятся более запутанными;

д) результаты становятся менее привлекательными для общественности.

Ответ: б

Учитель естественных наук, преподаватель искусства и учитель религиоведения спорят о своих дисциплинах. Что из следующего может быть утверждением, которое делает каждый учитель?

а) цель моей дисциплины — поиск порядка и смысла в мире;

б) цель моей дисциплины — обнаруживать и регистрировать природные явления;

c) цель моей дисциплины — описать человеческий опыт;

д) цель моей дисциплины — поклоняться высшему существу.

Ответ: а

Чтобы найти компоненты вектора, вы должны:

а) нарисовать вектор с правильной величиной и ориентацией;

б) измерить стороны прямоугольника;

с) нарисовать прямоугольник так, чтобы вектор был диагональю;

д) все вышеперечисленное.

Ответ: д

Ускорение определяется как изменение чего?

Скорость, деленная на временной интервал

Когда объект свободно падает в вакууме, увеличивается ли его скорость или ускорение?

Скорость

Если вы уроните одновременно перо и монету в трубку, наполненную воздухом, что первым достигнет дна трубки?

Монета

Рассмотрим капли воды, вытекающие из крана. Когда капли падают, они отдаляются друг от друга или сближаются?

Отдаляются

Мяч подбрасывается прямо вверх. На пике своего пути его ускорение сколько?

10 м/с²

Мяч подбрасывается прямо вверх. Какая у него скорость на вершине пути?

0 м/с.

Открытые вопросы в физике

Придётся провести большие исследования прежде, чем вы придумаете теорию, которая ответит на один из этих вопросов и обеспечит вам Нобелевскую премию!

Open Questions in Physics
John Baez

Physics FAQ содержит ответы на такие часто задаваемые вопросы, ответы на которые известны.
Но в физике есть ещё множество простых и интересных вопросов, которые пока не имеют ответов. Прежде чем самостоятельно подступиться к ответам на эти вопросы, обратите внимание, что, хотя никто и не знает правильных ответов, но уже была сделана некоторая, а иногда и большая, работа по всем этим темам. Уже высказано множество разумных идей по многим из этих вопросов. Поэтому придётся провести большие исследования прежде, чем вы придумаете теорию, которая ответит на один из таких вопросов и обеспечит вам Нобелевскую премию! Можете быть уверены, что вы по-настоящему и всесторонне изучите физику прежде, чем продвинетесь в этом исследовании.

Этот список “открытых” вопросов разделён на три группы: Сплошная среда и Нелинейная динамика, Космология и Астрофизика, Элементарные частицы и Квантовая физика. Конечно, такое разделение несколько искусственно, так как физика элементарных частиц и нелинейная динамика используются в космологии, есть и другие связи между этими группами. Следовательно, сама классификация тоже несколько произвольна.

Есть много интересных и фундаментальных вопросов в других областях и их даже больше, чем перечислено здесь. Они не упоминаются не потому, что менее важны, просто они выходят за рамки этой статьи.

Сплошная среда и Нелинейная динамика

1 . Как объяснить сонолюминисценцию? Сонолюминисценция – это вызываемые звуком слабые вспышки света в жидкости. В точках низкого давления в жидкости образуются пузырьки, которые схлопываются при проходе волны высокого давления. Вспышка света происходит в момент схлопывания. Точная причина этого явления сейчас интенсивно обсуждается и исследуется.

2 . Как правильно понимать турбулентность и как рассчитывать, к чему она приводит? Это одна из старейших проблем из всех перечисленных.

3 . Какова причина высокотемпературной сверхпроводимости? Можно ли создать материал, который является сверхпроводником при комнатной температуре? Теория сверхпроводимости при очень низких температурах была создана в 1957 году, но высокотемпературная сверхпроводимость, открытая в 1986 году, всё ещё не объяснена.

Космология и Астрофизика

1 . Что происходило в момент Большого взрыва и до него? На самом ли деле была начальная сингулярность? Следующий вопрос, может быть, не имеет смысла, но, возможно, и имеет. Возвращается ли история вселенной к исходной точке вечно и точно, или только частично?

2 . Будущее вселенной вечно или нет? Будет ли “Большое схлопывание” в будущем? Бесконечна ли пространственная протяжённость вселенной?

3 . Как объяснить направление времени? Другими словами, почему будущее так сильно отличается от прошлого? Если вселенная конечна и она периодически схлопывается, то обратится ли термодинамическое направление времени при коллапсе в сторону этого “большого схлопывания”?

4 . Действительно ли пространство-время четырёхмерно? Если да, то почему? Или почему это глупый вопрос? Сохраняет ли пространство-время свои геометрические свойства в очень малых масштабах?

5 . Существуют ли чёрные дыры? (Очень похоже, что существуют.) Действительно ли они излучают энергию и испаряются в соответствии с теорией Хокинга? Если да, то что происходит по истечении конечного времени в момент их полного испарения? Что остаётся? Действительно ли в чёрной дыре нарушаются все законы сохранения кроме сохранения энергии, импульса, момента вращения и электрического заряда? Что происходит с информацией, которая содержится на объекте, падающем на чёрную дыру? Она исчезает при испарении дыры? Требует ли это модификации квантовой механики?

6 . Справедлива ли Гипотеза о космической цензуре? Грубо говоря, гарантируется ли, что в изолированной гравитирующей системе, в которой могут развиться сингулярности, эти сингулярности будут скрыты за горизонтом событий? Если эта гипотеза не верна, то как эти сингулярности проявляются? То есть какие принципиальные физические последствия это имеет?

7 . Почему галактики распределены в виде скоплений и нитей? Верно ли, что большая часть материи во вселенной – это барионы? Та ли это материя, которую ищет современная физика?

8 . Почему кажется, что масса галактик превышает массу всего, что мы можем наблюдать, даже если принять во внимание спорные невидимые “тёмные карлики”, “Юпитеры” и т.п.? Существует ли “Скрытая масса”? Если да, то это барионное, нейтринное или другое, более экзотическое вещество? Если нет, то это проблема в понимании гравитации, или в понимании чего-то другого?

9 . Какова причина вспышек космического гамма излучения? Есть буквально сотни теорий об этих загадочных вспышках, которые, предположительно, исходят из различных космических катаклизмов.

10 . Каково происхождение и природа космических лучей сверхвысокой энергии? Рекордная зарегистрированная (by the Fly’s eye detector in the US) энергия в потоке космических лучей составляет 3×10 ²⁰ эв. Похожее явление зафиксировано японским сцинтиляционным детектором AGASA. Когда такие энергии были обнаружены впервые, они настолько превышали что-либо ожидаемое, что пока придумано только несколько возможных гипотез для их объяснения.

Элементарные частицы и Квантовая физика

1 . Почему законы физики не симметричны относительно левого и правого, будущего и прошлого, материи и антиматерии? То есть в чём состоит механизм нарушения CP инвариантности и какова причина нарушения чётности в Слабом взаимодействии? Существуют ли правые Слабые токи, которые так слабы, что пока не обнаружены? Если да, то что “портит” симметрию? Объясняется ли CP инвариантность полностью в рамках Стандартной модели, или для её объяснения нужна новая сила или механизм?

2 . Почему величины фундаментальных сил (электромагнитной, слабой, сильной и гравитационной) именно таковы? В частности, почему постоянная тонкой структуры, которая является мерой электромагнитных сил, примерно равна 1/137.036? Откуда в природе взялась эта безразмерная константа? Действительно ли произойдёт “Великое объединение” этих сил при достаточно большой энергии?

3 . Почему имеется 3 группы лептонов и кварков? Почему они имеют именно такие отношения масс? Например, мюон – это частица, во всём похожая на электрон, за исключением того, что мюон в 207 раз тяжелее. Почему он существует, и почему именно во столько раз тяжелее? Имеют ли кварки или лептоны внутреннюю структуру?

4 . Есть ли логичная и приемлемая релятивистская квантовая теория поля, которая может описать взаимодействующие поля в четырёхмерном пространстве-времени? В частности, является ли Стандартная модель математически непротиворечивой? А квантовая электродинамика? Даже классическая электродинамика точечных частиц пока не имеет строгой математической формулировки.

5 . Правильно ли квантовая хромодинамика описывает динамику кварков? Можно ли рассчитать массы адронов (таких как протон, нейтрон и др.) правильно, исходя из Стандартной модели? Предсказывает ли квантовая хромодинамика освобождающий фазовый переход кварк-глюон при высокой температуре? Какова природа этого перехода? Существует ли он в природе?

6 . Почему материи больше, чем антиматерии, по крайней мере здесь? Действительно ли материи больше, чем антиматерии везде во вселенной?

7 . Как понимать “измерение” в квантовой механике? Существует ли такой физический процесс, как “коллапс волновой функции”? Если да, то как и при каких условиях он происходит? Если нет, то что происходит на самом деле?

8 . Каковы гравитационные последствия, если они есть, огромной (может быть, бесконечной) энергии вакуума, которая, похоже, следует из квантовой теории поля? Действительно ли она так огромна? Если да, почему она не проявляется как огромная космологическая постоянная?

9 . Почему поток солнечных нейтрино не согласуется с теорией? Важно ли это? Если да, то ошибка содержится в модели Солнца, в теории ядерной физики, в теории нейтрино? Действительно ли нейтрино не имеют массы?

Большой вопрос

^(TM)

Этот завершающий вопрос относится к двум последним группам.

Как объединить Квантовую механику и Общую теорию относительности, чтобы создать квантовую теорию гравитации? Справедлива ли Эйнштейновская (классическая) теория гравитации в микроскопическом пределе, или возможны/необходимы исправления, которые незаметны в пределах существующих наблюдений? Действительно ли гравитация – это кривизна? Или это что-то другое – тогда почему она похожа на кривизну?

Ответ на этот вопрос неразрывно связан с перечисленными выше вопросами, и в то же время он, похоже, будет ответом на большую часть этих вопросов.

J.Baez, 1997

Перевод Е.Корниенко

Тест с логическими задачками по физики. Dropi

14 Января, 00:28 / Автор: Владимир Пьянов

Логические задачи – гимнастика для ума, необходимая для сохранения умственных способностей, концентрации внимания и памяти. Для решения этих задач не нужно быть физиком, достаточно школьной программы. Удачи!

Тесты по физике #логика #физика

Школьный тест по физике

Анатомический тест, с которым справится только профессиональный врач

Комментарии

Последние статьи

20 больших вопросов науки | Наука

1 Из чего состоит Вселенная?

Астрономы сталкиваются с неловкой загадкой: они не знают, из чего состоит 95% Вселенной. Атомы, из которых состоит все, что мы видим вокруг себя, составляют лишь жалкие 5%. За последние 80 лет стало ясно, что существенный остаток состоит из двух теневых сущностей — темной материи и темной энергии. Первый, впервые обнаруженный в 1933 году, действует как невидимый клей, связывая галактики и скопления галактик вместе. Открыт в 1998, последний ускоряет расширение Вселенной. Астрономы приближаются к истинным личностям этих невидимых нарушителей.

2 Как началась жизнь?

Четыре миллиарда лет назад что-то зашевелилось в первобытном бульоне. Несколько простых химических веществ собрались вместе и создали биологию — появились первые молекулы, способные к самовоспроизведению. Мы, люди, связаны эволюцией с этими ранними биологическими молекулами. Но как основные химические вещества, присутствующие на ранней Земле, спонтанно образовали нечто, напоминающее жизнь? Как мы получили ДНК? Как выглядели первые клетки? Спустя более полувека после того, как химик Стэнли Миллер предложил свою теорию «первичного бульона», мы до сих пор не можем прийти к единому мнению о том, что произошло. Одни говорят, что жизнь зародилась в горячих бассейнах возле вулканов, другие говорят, что ее начало положили метеориты, упавшие в море.

3 Мы одни во вселенной?

Возможно, нет. Астрономы прочесывают вселенную в поисках мест, где водные миры могли дать начало жизни, от Европы и Марса в нашей Солнечной системе до планет, находящихся за много световых лет от нас. Радиотелескопы подслушивали небеса, и в 1977 году был услышан сигнал, несущий потенциальные признаки инопланетного сообщения. Астрономы теперь могут сканировать атмосферы инопланетных миров на наличие кислорода и воды. Следующие несколько десятилетий будут захватывающим временем для охотников за инопланетянами, поскольку только в нашем Млечном Пути насчитывается до 60 миллиардов потенциально обитаемых планет.

4 Что делает нас людьми?

Просто взглянув на свою ДНК, вы ничего не узнаете — геном человека на 99 % идентичен геному шимпанзе и, если уж на то пошло, на 50 % геному банана. У нас, однако, мозг больше, чем у большинства животных — не самый большой, но содержащий в три раза больше нейронов, чем у гориллы (точнее, 86 миллиардов). Многие вещи, которые мы когда-то считали отличительными в нас — язык, использование инструментов, узнавание себя в зеркале — видны и у других животных. Возможно, дело в нашей культуре и ее последующем воздействии на наши гены (и наоборот). Ученые считают, что приготовление пищи и наше мастерство обращения с огнем, возможно, помогли нам обрести большой мозг. Но, возможно, именно наша способность к сотрудничеству и обмену навыками делает эту планету населенной людьми, а не обезьянами.

5 Что такое сознание?

Мы все еще не совсем уверены. Мы знаем, что это связано с различными областями мозга, объединенными в сеть, а не с одной частью мозга. Мысль заключается в том, что если мы выясним, какие части мозга задействованы и как работает нейронная схема, мы выясним, как возникает сознание, и в этом может помочь искусственный интеллект и попытки построить мозговой нейрон за нейроном. Более сложный, более философский вопрос почему все должно быть осознанным в первую очередь. Хорошее предположение состоит в том, что, объединяя и обрабатывая большое количество информации, а также фокусируясь и блокируя, а не реагируя на бомбардирующие нас сенсорные входы, мы можем различать, что реально, а что нет, и представлять множество будущих сценариев, которые помогают нам адаптироваться и выжить. .

6 Почему мы видим сны?

Около трети жизни мы проводим во сне. Учитывая, сколько времени мы тратим на это, можно подумать, что мы знаем об этом все. Но ученые все еще ищут полное объяснение того, почему мы спим и видим сны. Приверженцы взглядов Зигмунда Фрейда считали, что сны являются выражением несбывшихся желаний, часто сексуальных, в то время как другие задаются вопросом, являются ли сны чем-то иным, кроме случайных включений спящего мозга. Исследования на животных и достижения в области визуализации мозга привели нас к более сложному пониманию, которое предполагает, что сновидения могут играть роль в памяти, обучении и эмоциях. Например, было показано, что крысы воспроизводят во сне свой опыт бодрствования, что, по-видимому, помогает им решать сложные задачи, такие как навигация по лабиринтам.

7 Почему там вещи?

Вам действительно не следует здесь находиться. «Вещество», из которого вы состоите, — это материя, у которой есть аналог — антиматерия, отличающаяся только электрическим зарядом. Когда они встречаются, оба исчезают во вспышке энергии. Наши лучшие теории предполагают, что Большой взрыв создал равное количество обоих, а это означает, что с тех пор вся материя должна была столкнуться со своим аналогом из антиматерии, уничтожив их обоих и оставив Вселенную наполовину заполненной только энергией. Ясно, что у природы есть тонкий уклон в сторону материи, иначе вы бы не существовали. Исследователи просеивают данные таких экспериментов, как Большой адронный коллайдер, пытаясь понять, почему суперсимметрия и нейтрино являются двумя ведущими претендентами.

8 Существуют ли другие вселенные?

Наша вселенная очень необычное место. Измените хотя бы некоторые из его настроек, и жизнь, какой мы ее знаем, становится невозможной. В попытке решить эту проблему «тонкой настройки» физики все чаще обращаются к понятию других вселенных. Если бы их было бесконечное количество в «мультивселенной», то каждая комбинация сеттингов где-то бы разыгрывалась и, конечно же, вы оказывались бы во вселенной, где вы способны существовать. Это может показаться безумием, но данные космологии и квантовой физики указывают именно на это.

9 Куда мы положим весь углерод?

Последние пару сотен лет мы наполняем атмосферу углекислым газом, высвобождая его за счет сжигания ископаемого топлива, которое когда-то удерживало углерод под поверхностью Земли. Теперь мы должны вернуть весь этот углерод или рискнуть последствиями потепления климата. Но как мы это делаем? Одна идея состоит в том, чтобы похоронить его в старых нефтяных и газовых месторождениях. Другой — спрятать его на дне морском. Но мы не знаем, как долго он там пробудет и каковы могут быть риски. Между тем, мы должны защитить естественные долговременные запасы углерода, такие как леса и торфяные болота, и начать производить энергию таким образом, чтобы она не выбрасывалась еще больше.

10 Как мы можем получить больше энергии от солнца?

Истощение запасов ископаемого топлива означает, что нам нужен новый способ обеспечить нашу планету энергией. Наша ближайшая звезда предлагает более одного возможного решения. Мы уже используем солнечную энергию для производства солнечной энергии. Другая идея состоит в том, чтобы использовать энергию солнечного света для разделения воды на составные части: кислород и водород, которые могли бы стать чистым топливом для автомобилей будущего. Ученые также работают над энергетическим решением, которое зависит от воссоздания процессов, происходящих внутри самих звезд, — они строят машину для ядерного синтеза. Есть надежда, что эти решения смогут удовлетворить наши энергетические потребности.

11 Что такого странного в простых числах?

Тот факт, что вы можете безопасно делать покупки в Интернете, возможен благодаря простым числам — тем цифрам, которые могут делиться только на себя и на единицу. Шифрование с открытым ключом — сердцевина интернет-торговли — использует простые числа для создания ключей, способных скрыть вашу конфиденциальную информацию от посторонних глаз. И все же, несмотря на их фундаментальное значение для нашей повседневной жизни, простые числа остаются загадкой. Очевидная закономерность внутри них — гипотеза Римана — веками мучила некоторые из самых ярких умов математиков. Однако до сих пор никому не удалось укротить их странность. Это может просто сломать Интернет.

12 Как победить бактерии?

Антибиотики – одно из чудес современной медицины. Открытие сэра Александра Флеминга, удостоенное Нобелевской премии, привело к созданию лекарств, которые боролись с некоторыми из самых смертельных болезней и сделали возможным хирургическое вмешательство, трансплантацию и химиотерапию. Тем не менее, это наследие находится в опасности: в Европе около 25 000 человек ежегодно умирают от бактерий с множественной лекарственной устойчивостью. В течение десятилетий наш портфель лекарств истощался, и мы усугубляли проблему, выписывая чрезмерное количество рецептов и злоупотребляя антибиотиками — по оценкам, 80% антибиотиков в США идут на стимулирование роста сельскохозяйственных животных. К счастью, появление секвенирования ДНК помогает нам открывать антибиотики, которые, как мы никогда не знали, могут производить бактерии. Наряду с инновационными, хотя и грубыми методами, такими как пересадка «хороших» бактерий из фекалий и поиск новых бактерий в глубинах океанов, мы все еще можем идти в ногу с организмами, которые старше нас на 3 миллиарда лет.

13 Могут ли компьютеры работать быстрее?

Наши планшеты и смартфоны — это мини-компьютеры, обладающие большей вычислительной мощностью, чем астронавты доставили на Луну в 1969 году. Это? Существует не так много компонентов, которые вы можете втиснуть в компьютерный чип. Достигнут ли предел, или есть другой способ сделать компьютер? Ученые рассматривают новые материалы, такие как атомарно тонкий углерод — графен, а также новые системы, такие как квантовые вычисления.

14 Сможем ли мы когда-нибудь вылечить рак?

Короткий ответ — нет. Не отдельное заболевание, а свободная группа из многих сотен болезней, рак существует со времен динозавров, и, будучи вызванным неисправными генами, риск заложен в каждом из нас. Чем дольше мы живем, тем больше вероятность того, что что-то может пойти не так во всех отношениях. Рак — это живое существо, постоянно развивающееся, чтобы выжить. Тем не менее, несмотря на то, что это невероятно сложно, с помощью генетики мы узнаем все больше и больше о том, что вызывает его, как он распространяется, и становимся лучше в его лечении и профилактике. И знайте: до половины всех случаев рака — 3,7 миллиона в год — можно предотвратить; бросить курить, умеренно пить и есть, вести активный образ жизни и избегать длительного пребывания на полуденном солнце.

15 Когда у меня появится робот-дворецкий?

Роботы уже умеют подавать напитки и нести чемоданы. Современная робототехника может предложить нам «штат» индивидуально специализированных роботов: они готовят ваши заказы Amazon к доставке, доят ваших коров, сортируют вашу электронную почту и переправляют вас между терминалами аэропорта. Но по-настоящему «интеллектуальный» робот требует от нас взломать искусственный интеллект. Настоящий вопрос заключается в том, оставите ли вы робота-дворецкого наедине в доме со своей бабушкой. А учитывая, что к 2025 году Япония стремится к тому, чтобы роботы-помощники ухаживали за пожилыми людьми, мы сейчас серьезно об этом думаем.

Девяносто пять процентов океана не исследованы. Что там внизу? В 1960 году Дон Уолш и Жак Пикар спустились на семь миль вниз, в самую глубокую часть океана, в поисках ответов. Их путешествие раздвинуло границы человеческих возможностей, но дало им лишь отблеск жизни на морском дне. Добраться до дна океана настолько сложно, что по большей части приходится прибегать к отправке беспилотных аппаратов в качестве разведчиков. Открытия, которые мы сделали до сих пор — от причудливых рыб, таких как бочкообразный глаз, с его прозрачной головой, до потенциального лечения болезни Альцгеймера, сделанного ракообразными, — это крошечная часть странного мира, скрытого под волнами.

Это вопрос, на который у нас пока нет инструментов, чтобы ответить. Общая теория относительности Эйнштейна гласит, что когда черная дыра создается умирающей, коллапсирующей массивной звездой, она продолжает разрушаться до тех пор, пока не образует бесконечно маленькую, бесконечно плотную точку, называемую сингулярностью. Но в таких масштабах квантовой физике, вероятно, тоже есть что сказать. За исключением того, что общая теория относительности и квантовая физика никогда не были самыми счастливыми соседями — десятилетиями они выдерживали все попытки их объединить. Однако недавняя идея, называемая М-теорией, однажды может объяснить невидимый центр одного из самых экстремальных творений Вселенной.

18 Можем ли мы жить вечно?

Мы живем в удивительное время: мы начинаем воспринимать «старение» не как факт жизни, а как болезнь, которую можно лечить и, возможно, предотвратить или, по крайней мере, отсрочить на очень долгое время. Наши знания о том, что заставляет нас стареть и что позволяет некоторым животным жить дольше других, быстро расширяются. И хотя мы еще не разобрались со всеми деталями, сведения, которые мы собираем о повреждении ДНК, балансе старения, обмена веществ и репродуктивной способности, а также о генах, которые регулируют это, дополняют более широкую картину, потенциально приводя к наркотикам. лечения. Но настоящий вопрос не в том, как мы собираемся жить дольше, а в том, как мы собираемся жить дольше хорошо. А поскольку многие болезни, такие как диабет и рак, являются болезнями старения, ключом может стать лечение самого старения.

19 Как решить проблему населения?

Число людей на нашей планете удвоилось с 1960-х годов до более чем 7 миллиардов, и ожидается, что к 2050 году нас будет не менее 9 миллиардов. Где мы все будем жить и как мы собираемся производить достаточно еды и топлива для нашего постоянно растущего населения? Может быть, мы сможем отправить всех на Марс или начать строить многоквартирные дома под землей. Мы могли бы даже начать питаться выращенным в лаборатории мясом. Это может звучать как научно-фантастические решения, но нам, возможно, придется начать относиться к ним более серьезно.

20 Возможно ли путешествие во времени?

Путешественники во времени уже ходят среди нас. Благодаря специальной теории относительности Эйнштейна астронавты на орбите Международной космической станции ощущают, что время идет медленнее. При такой скорости эффект ничтожен, но если увеличить скорость, эффект означает, что однажды люди смогут отправиться на тысячи лет в будущее. Природа, кажется, меньше любит людей, которые идут другим путем и возвращаются в прошлое, однако некоторые физики придумали сложный план, как сделать это с помощью червоточин и космических кораблей. Его можно даже использовать, чтобы вручить себе подарок на Рождество или ответить на некоторые из многих вопросов, связанных с великими неизвестными Вселенной.

Большие вопросы науки: поиск решения великих неизвестных опубликован Андре Дойчем. Чтобы купить копию за 11,99 фунтов стерлингов по бесплатному тарифу P&P в Великобритании, перейдите на сайт guardianbookshop.co.uk.

11 величайших вопросов физики без ответов

Вот история современной физики: два ученых работают в одном университете в разных областях. Изучают огромные объекты вдали от Земли. Другой очарован крошечными вещами прямо перед ним. Чтобы удовлетворить свое любопытство, один строит самый мощный в мире телескоп, а другой — лучший в мире микроскоп. По мере того, как они фокусируют свои инструменты на все более отдаленных и все более мелких объектах, они начинают наблюдать структуры и поведение, которые раньше никогда не видели — или не воображали. Они взволнованы, но разочарованы, потому что их наблюдения не соответствуют существующим теориям.

Однажды они оставляют свои инструменты на кофе-брейке и случайно встречаются в холле факультета, где начинают сочувствовать тому, что делать со своими наблюдениями. Внезапно им обоим становится ясно, что, хотя кажется, что они смотрят на противоположные концы вселенной, они видят одни и те же явления. Подобно слепцам, ощупывающим зверя, один ученый ухватился за его мечущийся хвост, а другой — за чавкающую морду. Сравнивая записи, они понимают, что это один и тот же аллигатор.

Именно в такой ситуации сегодня оказались физики элементарных частиц и астрономы. Физики, используя линейные и круговые ускорители частиц в качестве своих «микроскопов» высокого разрешения, изучают частицы атомов, настолько маленькие, что их невозможно увидеть. Астрономы, используя дюжину или около того новых сверхбольших телескопов, также изучают те же крошечные частицы, но свои ждут их в космосе. Это странное столкновение информации означает, что святой Грааль физики элементарных частиц — понимание объединения всех четырех сил природы (электромагнетизма, слабого взаимодействия, сильного взаимодействия и гравитации) — будет частично достигнут астрономами.

Выводы волнуют ученых, потому что причудливые сочетания не связанных между собой явлений приводили к скачкам понимания в прошлом. Пифагор, например, дал толчок развитию науки, когда доказал, что абстрактную математику можно применить к реальному миру. Подобный скачок произошел, когда Ньютон обнаружил, что движение планет и падающих яблок происходит под действием гравитации. Максвелл создал новую эру в физике, объединив магнетизм и электричество. Эйнштейн, величайший объединитель из всех, сплел воедино материю, энергию, пространство и время. Но никто не сплел воедино крошечный мир квантовой механики и большой мир, который мы видим, когда смотрим в телескоп. Когда они объединяются, физики понимают, что они очень близки к единой «теории всего», объясняющей фундаментальные процессы в природе, к долгожданной единой теории поля.

Около двух лет назад, после презентации совета Национального исследовательского совета по физике и астрономии, которая показала сближение программ двух областей, администратор НАСА Дэниел Голдин предложил специальный отчет, в котором подробно описывалось бы, какую пользу астрономы и физики могут извлечь из одной чужое прозрение. Недавно комитет Совета по физике Вселенной опубликовал этот доклад. В нем подробно изложены 11 глубоких вопросов, на некоторые из которых можно ответить в течение десяти лет. Если это так, наука, вероятно, совершит один из величайших скачков в истории.

Но сначала о том, чего мы не знаем.

1. Что такое темная материя?

Вся обычная материя, которую мы можем найти, составляет лишь около 4 процентов Вселенной. Мы знаем это, подсчитав, сколько массы потребуется, чтобы удерживать галактики вместе и заставлять их двигаться так, как они делают, когда собираются в большие скопления. Другой способ взвесить невидимую материю — посмотреть, как гравитация искажает свет от удаленных объектов. Каждая мера говорит астрономам, что большая часть Вселенной невидима.

Заманчиво сказать, что Вселенная должна быть полна темных облаков пыли или мертвых звезд и покончить с этим, но есть убедительные аргументы, что это не так. Во-первых, хотя есть способы обнаружить даже самые темные формы материи, почти все попытки найти пропавшие облака и звезды терпят неудачу. Во-вторых, и это более убедительно, космологи могут провести очень точные расчеты ядерных реакций, происходивших сразу после Большого взрыва, и сравнить ожидаемые результаты с реальным составом Вселенной. Эти расчеты показывают, что общее количество обычной материи, состоящей из знакомых нам протонов и нейтронов, намного меньше, чем общая масса Вселенной. Чем бы ни было остальное, это не то, из чего мы сделаны.

Поиски пропавшей Вселенной — одно из ключевых направлений, объединивших космологов и физиков элементарных частиц. Ведущими кандидатами в темную материю являются нейтрино или два других типа частиц: нейтралино и аксионы, предсказанные некоторыми физическими теориями, но так и не обнаруженные. Считается, что все три эти частицы электрически нейтральны, поэтому неспособны поглощать или отражать свет, но при этом достаточно стабильны, чтобы выжить с самых первых моментов после Большого взрыва.

2. Что такое темная энергия?

Два недавних космологических открытия доказывают, что обычной материи и темной материи недостаточно для объяснения структуры Вселенной. Там есть третий компонент, и это не материя, а какая-то форма темной энергии.

Первое доказательство этого загадочного компонента исходит из измерений геометрии Вселенной. Эйнштейн предположил, что вся материя изменяет форму пространства и времени вокруг себя. Следовательно, общая форма Вселенной определяется общей массой и энергией внутри нее. Недавние исследования излучения, оставшегося после Большого взрыва, показывают, что Вселенная имеет простейшую форму — она плоская. Это, в свою очередь, показывает общую плотность массы Вселенной. Но после суммирования всех потенциальных источников темной материи и обычной материи астрономы все еще не досчитались двух третей. Вторая линия доказательств предполагает, что загадочным компонентом должна быть энергия. Наблюдения за далекими сверхновыми показывают, что скорость расширения Вселенной не замедляется, как когда-то предполагали ученые; на самом деле темпы расширения увеличиваются. Это космическое ускорение трудно объяснить, если только всепроникающая отталкивающая сила постоянно не выталкивает наружу ткань пространства и времени. Почему темная энергия создает силовое поле отталкивания, немного сложно. Квантовая теория утверждает, что виртуальные частицы могут появиться на кратчайшее мгновение, прежде чем вернуться в небытие. Это означает, что космический вакуум не является настоящей пустотой. Скорее, пространство заполнено энергией низкого качества, создаваемой, когда виртуальные частицы и их партнеры из антивещества на мгновение появляются и исчезают, оставляя после себя очень небольшое поле, называемое энергией вакуума. Эта энергия должна создавать своего рода отрицательное давление или отталкивание, что объясняет, почему расширение Вселенной ускоряется. Возьмем простую аналогию: если вы оттянете запечатанный поршень в пустом герметичном сосуде, вы создадите практически вакуум. Поначалу поршень будет оказывать небольшое сопротивление, но чем сильнее вы будете тянуть, тем больше будет вакуум и тем больше поршень будет оттягиваться к вам. Хотя энергия вакуума в космическом пространстве была закачана в него странными правилами квантовой механики, а не кем-то, кто тянет за поршень, этот пример иллюстрирует, как отрицательное давление может создавать отталкивание.

3. Как были получены тяжелые элементы от железа до урана?

Как темная материя, так и, возможно, темная энергия происходят с самых ранних дней существования Вселенной, когда возникли легкие элементы, такие как гелий и литий. Более тяжелые элементы позже образовались внутри звезд, где ядерные реакции сталкивали протоны и нейтроны вместе, создавая новые атомные ядра. Например, четыре ядра водорода (по одному протону в каждом) в результате ряда реакций сливаются в ядро гелия (два протона и два нейтрона). Это то, что происходит на нашем Солнце, и оно производит энергию, согревающую Землю. Но когда в результате синтеза образуются элементы тяжелее железа, требуется избыток нейтронов. Поэтому астрономы предполагают, что более тяжелые атомы чеканятся при взрывах сверхновых, где есть готовый запас нейтронов, хотя особенности того, как это происходит, неизвестны. Совсем недавно некоторые ученые предположили, что по крайней мере некоторые из самых тяжелых элементов, такие как золото и свинец, образуются в результате еще более мощных взрывов, происходящих, когда две нейтронные звезды — крошечные сгоревшие звездные трупы — сталкиваются и коллапсируют в черный отверстие.

4. Имеют ли нейтрино массу?

Ядерные реакции, такие как те, которые создают тяжелые элементы, также создают огромное количество призрачных субатомных битов, известных как нейтрино. Они принадлежат к группе частиц, называемых лептонами, таких как всем известный электрон, мюон и тау-частицы. Поскольку нейтрино почти не взаимодействуют с обычным веществом, они позволяют прямо заглянуть в сердце звезды. Это работает только в том случае, если мы можем зафиксировать и изучить их, что физики только сейчас учатся делать.

Не так давно физики считали нейтрино безмассовыми, но недавние достижения показывают, что эти частицы могут иметь небольшую массу. Любое такое свидетельство также помогло бы подтвердить теории, которые стремятся найти общее описание трех из четырех сил природы — электромагнетизма, сильного взаимодействия и слабого взаимодействия. Даже небольшая часть веса будет складываться, потому что после Большого взрыва осталось ошеломляющее количество нейтрино.

5. Откуда берутся частицы сверхвысоких энергий?

Наиболее энергичные частицы, которые поражают нас из космоса, включая нейтрино, фотоны гамма-излучения и различные другие фрагменты субатомной шрапнели, называются космическими лучами. Они постоянно бомбардируют Землю; некоторые проносятся сквозь вас, пока вы читаете эту статью. Космические лучи иногда настолько энергичны, что должны рождаться в космических ускорителях, подпитываемых катаклизмами ошеломляющих масштабов. Ученые подозревают некоторые источники: сам Большой взрыв, ударные волны от сверхновых, схлопывающихся в черные дыры, и ускорение материи, засасываемой массивными черными дырами в центрах галактик. Знание того, откуда берутся эти частицы и как они достигают таких колоссальных энергий, поможет нам понять, как действуют эти агрессивные объекты.

6. Нужна ли новая теория света и материи, чтобы объяснить, что происходит при очень высоких энергиях и температурах?

Все это насилие, упомянутое в вопросе 5, оставляет видимый след радиации, особенно в форме гамма-лучей — чрезвычайно энергичных кузенов обычного света. Астрономам уже три десятилетия известно, что яркие вспышки этих лучей, называемые гамма-всплесками, ежедневно появляются в небе со случайных направлений. Недавно астрономы определили местонахождение всплесков и предварительно идентифицировали их как массивные взрывы сверхновых и нейтронные звезды, сталкивающиеся как сами с собой, так и с черными дырами. Но даже сейчас никто толком не знает, что происходит, когда вокруг летает столько энергии. Материя становится настолько горячей, что взаимодействует с излучением незнакомыми способами, и фотоны излучения могут врезаться друг в друга и создавать новую материю. Грань между материей и энергией стирается. Добавьте к этому дополнительный фактор магнетизма, и физики могут делать только приблизительные предположения о том, что происходит в этих адских условиях. Возможно, современные теории просто неадекватны для их объяснения.

Это все предсказуемо, известно науке, но при температурах и плотностях, в миллиарды раз превышающих земные, возможно, что элементарные части атомов могут полностью отклеиться друг от друга, образуя плазму кварков и энергию, связывающую кварки вместе. Физики пытаются создать это состояние материи, кварк-глюонную плазму, на коллайдере частиц на Лонг-Айленде. При еще более высоких температурах и давлениях, намного превышающих те, которые ученые могут создать в лаборатории, плазма может трансмутироваться в новую форму материи или энергии. Такие фазовые переходы могут выявить новые силы природы.

Эти новые силы будут добавлены к трем силам, которые, как уже известно, регулируют поведение кварков. Так называемая сильная сила является основным фактором, который связывает эти частицы вместе. Второе атомное взаимодействие, называемое слабым взаимодействием, может превращать один тип кварка в другой (существует шесть различных «вкусов» кварка — верхний, нижний, очаровательный, странный, верхний и нижний). Последняя атомная сила, электромагнетизм, связывает вместе электрически заряженные частицы, такие как протоны и электроны. Как следует из названия, сильное взаимодействие, безусловно, является самым мускулистым из трех, более чем в 100 раз сильнее, чем электромагнетизм, и в 10 000 раз сильнее, чем слабое взаимодействие. Физики элементарных частиц подозревают, что эти три взаимодействия являются разными проявлениями единого энергетического поля во многом так же, как электричество и магнетизм являются разными гранями электромагнитного поля. На самом деле физики уже показали лежащее в основе единство между электромагнетизмом и слабым взаимодействием.

Некоторые единые теории поля предполагают, что в сверхгорячей первичной Вселенной сразу после Большого взрыва сильное, слабое, электромагнитное и другие взаимодействия были едины, а затем распались по мере расширения и охлаждения космоса. Возможность того, что в новорожденной Вселенной произошло объединение сил, является главной причиной, по которой физики элементарных частиц проявляют такой живой интерес к астрономии, и почему астрономы обращаются к физике элементарных частиц за подсказками о том, как эти силы могли сыграть роль в рождении Вселенной. вселенная. Чтобы произошло объединение сил, должен существовать новый класс сверхмассивных частиц, называемых калибровочными бозонами. Если они существуют, они позволят кваркам превращаться в другие частицы, вызывая распад протонов, лежащих в основе каждого атома. И если физики докажут, что протоны могут распадаться, открытие подтвердит существование новых сил.

Возникает следующий вопрос.

[Примечание редактора: мы, кажется, перепутали вопрос №7. Извинения.]

8. Протоны нестабильны?

Если вы беспокоитесь, что протоны, из которых вы состоите, распадутся, превратив вас в лужу элементарных частиц и свободной энергии, не переживайте. Различные наблюдения и эксперименты показывают, что протоны должны оставаться стабильными в течение как минимум миллиарда триллионов триллионов лет. Однако многие физики считают, что если три атомных взаимодействия на самом деле являются просто различными проявлениями единого единого поля, то алхимические сверхмассивные бозоны, описанные выше, будут время от времени материализоваться из кварков, вызывая вырождение кварков и составляющих их протонов. .

На первый взгляд, вы могли бы подумать, что у этих физиков произошел своего рода психический распад на том основании, что крошечные кварки вряд ли порождают гигантские бозоны, весящие более чем в 10 000 000 000 000 000 раз больше их самих. Но есть нечто, называемое принципом неопределенности Гейзенберга, который утверждает, что вы никогда не можете знать и импульс, и положение частицы одновременно, и косвенно допускает такое возмутительное утверждение. Следовательно, массивный бозон может выскочить из кварка, составляющего протон, на очень короткое время и вызвать распад этого протона.

9. Что такое гравитация?

Далее идет гравитация, странная сила, когда речь идет о мелких частицах, и энергия, удерживающая их вместе. Когда Эйнштейн усовершенствовал теорию Ньютона, он расширил понятие гравитации, приняв во внимание как чрезвычайно большие гравитационные поля, так и объекты, движущиеся со скоростями, близкими к скорости света. Эти расширения приводят к известным концепциям относительности и пространства-времени. Но теории Эйнштейна не обращают никакого внимания на квантовую механику, царство чрезвычайно малого, потому что гравитационными силами можно пренебречь на малых масштабах, а дискретные пакеты гравитации, в отличие от дискретных пакетов энергии, удерживающих атомы вместе, никогда не наблюдались экспериментально. Тем не менее, в природе существуют экстремальные условия, в которых гравитация вынуждена вплотную подходить к мелочам. Например, вблизи центра черной дыры, где огромное количество материи сжимается в квантовые пространства, гравитационные силы становятся очень мощными на крошечных расстояниях. То же самое должно было быть в плотной первичной Вселенной во времена Большого взрыва. Физик Стивен Хокинг определил конкретную проблему, связанную с черными дырами, которая требует соединения квантовой механики и гравитации, прежде чем мы сможем создать единую теорию чего бы то ни было. По словам Хокинга, утверждение, что ничто, даже свет, не может выйти из черной дыры, не совсем верно. Вокруг черных дыр излучается слабая тепловая энергия. Хокинг предположил, что эта энергия рождается, когда пары частица-античастица материализуются из вакуума вблизи черной дыры. Прежде чем частицы материи-антиматерии смогут рекомбинировать и аннигилировать друг друга, одна, которая может быть немного ближе к черной дыре, будет втянута внутрь, а другая, которая немного дальше, улетучится в виде тепла. Этот выброс никаким очевидным образом не связан с состояниями материи и энергии, которые ранее были втянуты в эту черную дыру, и, следовательно, нарушает закон квантовой физики, согласно которому все события должны быть прослеживаемы до предыдущих событий. Для объяснения этой проблемы могут потребоваться новые теории.

10. Есть ли дополнительные измерения?

Размышление об истинной природе гравитации в конечном итоге приводит к размышлению о том, существует ли что-то большее, чем четыре измерения, которые мы можем легко наблюдать. Чтобы добраться до этого места, мы могли бы сначала задаться вопросом, действительно ли природа шизофренична: должны ли мы признать, что есть два вида сил, которые действуют в двух разных масштабах — гравитация для больших масштабов, таких как галактики, другие три силы для крошечных мир атомов? Тупость, говорят сторонники единой теории, — должен быть способ связать три силы атомного масштаба с гравитацией. Возможно, но это будет непросто. Во-первых, гравитация странная. Общая теория относительности Эйнштейна утверждает, что гравитация — это не столько сила, сколько неотъемлемое свойство пространства и времени. Соответственно, Земля вращается вокруг Солнца не потому, что ее притягивает гравитация, а потому, что она попала в большую ямку в пространстве-времени, созданную Солнцем, и вращается внутри этой ямки, как быстро движущийся шарик, застрявший в большой чаше. Во-вторых, гравитация, насколько нам удалось обнаружить, является непрерывным явлением, в то время как все другие силы природы проявляются дискретными пакетами.

Все это приводит нас к сторонникам теории струн и их объяснению гравитации, включающей другие измерения. Первоначальная модель Вселенной, основанная на теории струн, объединяет гравитацию с тремя другими силами в сложном 11-мерном мире. В этом мире — нашем мире — семь измерений замкнуты сами на себя в невообразимо малых областях, которые ускользают от нашего внимания. Один из способов разобраться в этих дополнительных измерениях — визуализировать одну нить паутины. Невооруженному глазу нить кажется одномерной, но при большом увеличении она превращается в объект значительной ширины, ширины и глубины. Теоретики струн утверждают, что мы не можем видеть дополнительные измерения, потому что нам не хватает инструментов, достаточно мощных для их разрешения. Возможно, мы никогда не увидим эти дополнительные измерения напрямую, но мы сможем обнаружить свидетельства их существования с помощью инструментов астрономов и физиков элементарных частиц.

11. Как возникла Вселенная?

Если все четыре силы природы действительно представляют собой единую силу, которая принимает различные формы при температурах ниже нескольких миллионов градусов, то невообразимо горячая и плотная Вселенная, существовавшая во время Большого взрыва, должна была быть местом, где различия между гравитацией, сильным взаимодействием , частицы и античастицы не имели смысла. Теории материи и пространства-времени Эйнштейна, которые зависят от более привычных критериев, не могут объяснить, что заставило горячую изначальную точку Вселенной раздуться во вселенную, которую мы видим сегодня. Мы даже не знаем, почему Вселенная полна материи. Согласно современным представлениям физики, энергия в ранней Вселенной должна была производить равную смесь материи и антиматерии, которые впоследствии аннигилировали друг друга. Какой-то таинственный и очень полезный механизм склонил чашу весов в пользу материи, оставив достаточно, чтобы образовались галактики, полные звезд.

К счастью, первобытная вселенная оставила после себя несколько подсказок. Одним из них является космическое микроволновое фоновое излучение, послесвечение Большого взрыва. Вот уже несколько десятилетий это слабое излучение измеряется одинаково, где бы астрономы ни смотрели на края Вселенной. Астрономы полагали, что такое единообразие означало, что Большой взрыв начался с расширения пространства-времени, которое развивалось быстрее скорости света. Однако более поздние тщательные наблюдения показывают, что космическое фоновое излучение не является совершенно однородным. Существуют незначительные вариации от одного небольшого участка пространства к другому, которые распределяются случайным образом. Могли ли случайные квантовые флуктуации плотности ранней Вселенной оставить этот отпечаток? Очень возможно, говорит Майкл Тернер, заведующий кафедрой астрофизики Чикагского университета и председатель комитета, подготовившего эти 11 вопросов. Тернер и многие другие космологи теперь считают, что куски Вселенной — обширные участки пустоты, перемежающиеся галактиками и галактическими скоплениями — вероятно, являются значительно увеличенными версиями квантовых флуктуаций исходной Вселенной субатомного размера. И это именно тот брак бесконечного и бесконечно малого, который в наши дни заставляет физиков элементарных частиц подлизываться к астрономам, и почему все 11 из этих загадок вскоре могут быть объяснены одной идеей.

Как мы сюда попали?

Астрономы не могут заглянуть в прошлое до происхождения Вселенной, но, опираясь на множество подсказок и теорий, они могут представить, как все началось.

В их модели вся вселенная начинается с очень горячей точки, намного меньшей диаметра атома. Точка начала расширяться быстрее скорости света, это расширение назвали Большим взрывом. Космологи до сих пор спорят о точном механизме, который мог привести в движение это событие. С этого момента, однако, они пришли к удивительному согласию относительно того, что произошло. По мере того, как детская вселенная расширялась, она охлаждала содержащиеся в ней различные формы материи и антиматерии, такие как кварки и лептоны, а также их близнецы из антиматерии, антикварки и антилептоны.

Эти частицы быстро столкнулись и аннигилировали друг друга, оставив небольшой остаток материи и много энергии. Вселенная продолжала остывать до тех пор, пока несколько выживших кварков не смогли объединиться в протоны и нейтроны, которые, в свою очередь, сформировали ядра водорода, гелия, дейтерия и лития. В течение 300 000 лет этот суп оставался слишком горячим, чтобы электроны могли связываться с ядрами и образовывать целые атомы. Но как только температура достаточно понизилась, сформировались те же самые атомы водорода, гелия, дейтерия и лития, которые существуют сегодня, готовые начать долгое путешествие, чтобы превратиться в пыль, планеты, звезды, галактики и юристы.

Гравитация — самая слабая из сил, но единственная, которая действует кумулятивно на больших расстояниях — постепенно взяла верх, собирая газ и пыль в массивные шары, которые схлопывались сами по себе, пока не загорелись термоядерные реакции и не родились первые звезды. В гораздо больших масштабах гравитация стягивала огромные области газа с большей плотностью, чем в среднем. Они превратились в скопления галактик, каждая из которых наполнена миллиардами звезд.

На протяжении тысячелетий реакции синтеза внутри звезд превращали водород и гелий в другие атомные ядра, включая углерод, основу всей жизни на Земле.

Самые массивные звезды иногда взрывались энергичными сверхновыми, производя еще более тяжелые элементы, вплоть до железа. Откуда взялись самые тяжелые элементы, такие как уран и свинец, до сих пор остается загадкой.

Группа данных о частицах Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли предлагает отличный учебник по физике элементарных частиц. Прочтите полный отчет Национального исследовательского совета по 11 самым важным вопросам.

Открытые вопросы по физике

Джон Баэз

26 декабря 2020 г.

В то время как по большей части а FAQ содержит ответы на часто задаваемые вопросов, ответы на которые известны, в физике тоже полно простые и интересные вопросы чьи ответы , а не известны. Здесь мы перечисляем некоторые из них. Мы могли бы назвать эту статью Часто остающиеся без ответа вопросы , но получившаяся аббревиатура была бы довольно грубой.

Прежде чем приступить к ответу на эти вопросы самостоятельно, стоит отметить, что пока никто не знает, что такое ответы, много по большинству этих тем уже проделана работа. Итак, проведите много исследований и поспрашивайте, прежде чем пытаться состряпать теорию. который ответит на один из них и принесет вам Нобелевскую премию! Ты будешь наверное нужно действительно знать физику внутри и до того, как вы добьетесь какого-либо прогресса в этом.

Следующий неполный список открытых вопросов разделен на пять групп:

Конденсированное вещество и нелинейная динамика
Квантовая механика
Космология и астрофизика
Физика частиц
Большой вопрос

Однако, учитывая последствия физики элементарных частиц и нелинейных динамика космологии и другие связи между группами, деление несколько искусственное, поэтому классификация здесь несколько условна.

Есть много других интересных и фундаментальных вопросов в других поля и многое другое в этих полях, помимо перечисленных здесь. Их пропуск — это не суждение о важности, а просто решение о масштабах этой статьи.

Поскольку эта статья последний раз обновлялась в 1997 г., был достигнут значительный прогресс в ответах на некоторые большие открытые вопросы в физике. Мы включили ссылки на некоторые из этих вопросов. Также есть о чем почитать других открытых вопроса – особенно последний, который мы называем Большим вопросом. Но у нас не было энергии, чтобы перечислить его.

Что вызывает сонолюминесценцию? Сонолюминесценция – это генерация небольшие световые вспышки в жидкостях, вызванные звуком. Пузыри образуются в жидкость в точках низкого давления звуковой волны, затем разрушается снова, когда проходит волна высокого давления. В точку коллапса возникает небольшая вспышка света. Точный Причина была предметом интенсивных спекуляций и исследований.
Для получения более подробной информации попробуйте следующее:
- Дэвид Кнапп, Сонолюминесценция: введение.
Что вызывает высокотемпературную сверхпроводимость? Является ли это возможным сделать материал, который является сверхпроводником при комнатной температуре? Сверхпроводимость при очень низких температурах стала известна с тех пор. 1957 г. с точки зрения теории БКШ, но высокотемпературные сверхпроводники обнаруженные в 1986 году, до сих пор не объяснены.
Чтобы узнать больше о сверхпроводимости, см. эту веб-страницу и его многочисленные ссылки:
- Сверхпроводники.
Как можно понять турбулентность и рассчитать ее последствия? Одна из самых старых проблем из всех. Известно огромное количество о турбулентности, и мы можем смоделировать ее на компьютере, но многое в нем остается загадочным.
Уравнения Навье-Стокса являются основными уравнениями, описывающими жидкость. поток. Имеют ли эти уравнения решения, которые остаются неизменными во все времена, если задано произвольные достаточно хорошие исходные данные? Или особенности развиваются в потоке жидкости, которые препятствуют продолжению решения?
Это больше вопрос математической физики, чем физики se – но это связано с предыдущим вопросом, так как (можно спорить) как мы можем глубоко понять турбулентность, если мы даже не знаем что уравнения движения жидкости имеют решения? В рубеж тысячелетий, математика глины Институт предложил премию в размере 1 000 000 долларов за решение этой проблемы. Подробнее см.:
- Математический институт Клэя, уравнение Навье-Стокса.

Как мы должны думать о квантовой механике? Например, что понимается под «измерением» в квантовой механике? Делает «коллапс волновой функции» на самом деле происходит как физический процесс? Если да, то как и при каких условиях? Если не, что происходит вместо этого?
Многие физики считают, что эти вопросы решены, по крайней мере, для большинства практических целей. Однако некоторые до сих пор считают, что последний слово не слышно. Спрашиваю на эту тему в комнате, полной физики – лучший способ начать спор, если только они все скажи “О нет, опять не то!” . Есть много книг, которые можно прочитать на эту тему, но большинство из них не согласен.
Можем ли мы построить работающий квантовый компьютер, достаточно большой, чтобы делать что-то обычные компьютеры не могут легко сделать?
Этот вопрос в некоторой степени зависит от предыдущего, но он также имеет сильный инженерный аспект. Некоторые физики думаю, что квантовые компьютеры в принципе невозможны; больше думаю они возможны в принципе, но пока не уверен, что они будут когда-либо быть практичным.
Вот несколько способов узнать больше о квантовых вычислениях:
- Домашняя страница Центра квантовых вычислений.
- Джон Прескилл, заметки по курсу квантовых вычислений.
- Майкл А. Нильсен и Исаак Л. Чуанг, , квантовые вычисления и Quantum Information , Cambridge U. Press, Cambridge, 2000. Опечатки, оглавление и глава 1 доступны здесь.

Что произошло во время или до Большого взрыва? Был ли действительно инициал особенность? Возвращается ли история Вселенной в прошлое навсегда, или только конечная сумма? Конечно, эти вопросы могут не иметь смысла, но они могут.
Действительно ли существуют три измерения пространства и одно время? Если да, то почему? Или пространство-время многомерно, или, возможно, вовсе не многообразие, если рассматривать его на коротком достаточная шкала расстояний? Если да, то почему появляется иметь три пространственных измерения и одно временное? Или эти неразрешимые вопросы?
Бесконечна ли Вселенная в пространстве? В более общем смысле: какова топология пространства?
Мы до сих пор не знаем, но в 2003 году была проделана важная работа. по этому вопросу:
- Нил Дж. Корниш, Дэвид Н. Спергель, Гленн Д. Старкман и Эйичиро Комацу, Ограничение Топология Вселенной.
Вкратце, микроволновый датчик анизотропии Wilkinson (WMAP) был используется для исключения нетривиальной топологии на расстоянии 24 миллиардов парсеков – по крайней мере, для большого класса моделей.
Для получения более подробной информации, вы должны прочитать статью. Но вот один вопрос, который естественно приходит на ум. 24 миллиарда парсеков составляют около 78 миллиардов световых лет. Но поскольку Вселенной всего около 14 миллиардов лет, Обычно говорят, что радиус наблюдаемой Вселенной равен 14 миллиардов световых лет. Итак, как вышеуказанная бумага предъявляет претензии о еще больших расстояниях?
Причина в том, что Вселенная расширяется! Если мы посмотрим на самые дальние объекты, которые мы можем видеть и спроси как далеко от нас они теперь , ответ около 78 миллиардов световых лет.
Такого рода вещи означают, что нужно быть осторожным при разговоре о чрезвычайно больших расстояниях. Астрономы обычно говорят не расстояний, а красных смещений, которые мы непосредственно мера.
Почему существует стрела времени; то есть, почему будущее так много отличается от прошлого?
Вот две части обязательного чтения для всех, кто заинтересован в этом непростом вопросе:
- Хью Прайс, Стрела времени и точка Архимеда: Новые направления физики времени , издательство Оксфордского университета, Оксфорд, 1996.
- HD Zeh, Физическая основа направления времени , секунда издание, Springer Verlag, Берлин, 1992.
Будет ли будущее Вселенной продолжаться вечно или нет? Будет ли там быть “большой кризис” в будущем, будет ли Вселенная будет расширяться вечно, что ли?
Там было некоторый прогресс в этом недавно. Начиная с конца 1990-х годов, ряд накопились данные, свидетельствующие о что Вселенная не замедляется настолько, чтобы снова схлопнуться в так называемый “большой хруст” На самом деле, кажется, что какая-то форма «темной энергии» создает расширение ускорить! Мы очень мало знаем о темной энергии; это действительно просто имя для любой невидимый материал, который имеет достаточно отрицательное давление по сравнению с плотности энергии, к которой он стремится заставляют расширение Вселенной ускоряться, а не чем тормозить. (В общей теории относительности плотность энергии стремится чтобы замедлить расширение, но отрицательное давление имеет обратный эффект)
Эйнштейн ввел темную энергию в физику под именем «космологической постоянной», когда он пытался объяснить, как статическая вселенная может не разрушиться. Эта константа просто сказала какой должна была быть плотность темной энергии, не предоставив любое объяснение его происхождения. Когда Хаббл наблюдал красное смещение свет от далеких галактик, и люди пришли к выводу, что Вселенная расширяясь, идея космологической постоянной вышла из моды и Эйнштейн назвал это своей «величайшей ошибкой». Но теперь, когда расширение Вселенной, кажется, ускоряется, космологическая постоянная или какая-то другая форма темной энергии кажется правдоподобный.
Для изучения того, что может иметь постоянно ускоряющееся расширение означает для нашей вселенной, см.:
- Джон Баэз, Конец Вселенной.
Но мы все еще не можем быть уверены, что Вселенная будет расширяться вечно, потому что остается вероятность того, что в какой-то момент темная энергия уйдет, поменяет знак или станет больше! Вот респектабельная газета, предлагающая что темная энергия сменит знак и сделает Вселенную снова свернуть в большой хруст:
- Рената Каллош и Андрей Линде, Темная энергия и Судьба Вселенной.
Но вот респектабельная газета, предлагающая прямо противоположное: что темная энергия станет больше и разорвет вселенную на части. “большой разрыв”:
- Роберт Р. Колдуэлл, Марк Камионковски и Невин Н. Вайнберг, Фантомная энергия и космический конец света.
Короче говоря, окончательная судьба Вселенной остается открытым вопросом!
Но, прежде чем пускаться в дикие спекуляции, стоит подчеркнуть что в конце 1990-х и начале 2000-х произошла настоящая революция в экспериментальной космологии, которая ответила на многие открытые вопросы (например: «Как давно был Большой взрыв?») шокирующе точными способами (около 13,7 млрд лет). За хорошее знакомство к этому материалу попробуйте:
- Нед Райт, Учебник по космологии и часто задаваемые вопросы по космологии.
Наши доказательства относительно расширение Вселенной, темная энергия и темная материя из самых разных источников, и что дает нам уверенность в том, что мы на правильном пути, насколько хорошо все эти данные согласуются. Люди получают эти данные из различных источников, включая:
1. Далекие сверхновые. Обратите особое внимание на эти две экспериментальные группы:
  - Группа поиска сверхновой High-z.
    См. также их большой бумага.
  - Проект космологии сверхновой.
    См. также их большая бумага.
2. Космический микроволновый фон (CMB). Было много больших экспериментов по измерению небольшой ряби на заднем плане излучение, оставшееся после Большого взрыва. Например:
  - Наблюдения за миллиметровым внегалактическим излучением на воздушном шаре и Геофизика (БУМЕРанГ)
  - Массив изображений эксперимента с миллиметровой анизотропией (MAXIMA)
  - Микроволновая печь Уилкинсона Зонд анизотропии (WMAP).
  - Цифровой формирователь изображения всего неба (DASI).
  - Космический Фоновый имидж-сканер (CBI).
3. Масштабная структура. Подробные исследования кластеризации галактик и как она меняется со временем, дают нам много информации о темная материя. Вот 800-фунтовая горилла в этом поле:
  - Слоановский цифровой обзор неба.
Действительно ли Вселенная полна «темной энергии»? Если Итак, что вызывает это?
Как упоминалось выше, поступают доказательства, свидетельствующие о том, что Вселенная полна какой-то “темной энергии” с отрицательным давлением. Например, анализ данных Wilkinson Microwave Anisotropy Probe в 2003 году предположил, что 73% плотности энергии Вселенная находится в этой форме! Но даже это правильно и темно энергия существует, мы все еще в неведении относительно того, что это такое.
Простейшей моделью является космологическая постоянная, т. е. так называемая “пустое” пространство на самом деле имеет отрицательное давление и положительное плотность энергии, при этом давление точно равно минус энергия плотность в единицах, где скорость света равна 1. Однако никто не очень удачно объяснил, почему пустое пространство должно быть таким, особенно с такой малой плотностью энергии, какой мы кажемся наблюдение: около 6 × 10 ^-30 грамм на кубический сантиметр если мы воспользуемся формулой Эйнштейна E = mc ², чтобы преобразовать ее в массу плотность. Другие широко изучаемые возможности темной материи включают различные формы «квинтэссенции». Но этот термин означает чуть больше, чем «какое-то загадочное поле с отрицательным давление», и мало кто понимает, почему такое поле должно существовать.
Для получения более подробной информации попробуйте следующее:
- Нед Райт, Вакуум Плотность энергии, или Как ничто не может что-то весить?
- Джон Баэз, Что такое Плотность энергии вакуума?
- Шон Кэрролл, Космологическая постоянная.
Третий — самый подробный, и в нем много хороших ссылок. для дальнейшего изучения.
Почему кажется, что гравитационная масса галактик превышает масса всего того, что мы можем видеть, даже принимая во внимание наши лучшие ставки на невидимые вещи, такие как коричневые карлики, “Юпитеры”, и так далее? Не хватает ли какой-то «темной материи»? Если да, то это обычная материя, нейтрино или что-то более экзотическое? Если нет, есть какая-то проблема с нашим пониманием гравитации, или что?
С конца 1990-х годов возник консенсус в отношении того, что своего рода «холодная темная материя» нужна, чтобы объяснить все виды вещей, которые мы видим. Например, в 2003 году анализ данных из микроволнового зонда анизотропии Уилкинсона предположил, что Плотность энергии Вселенной примерно на 23% состоит из холодной темной материи, т.к. по сравнению с 4% обычной материи. (Остальное — темная энергия.)
К сожалению, никто не знает, что это за холодная тьма дело в том! Вероятно, это не может быть обычный вопрос, которым мы пренебрегли, или нейтрино, так как они не были бы достаточно “холодными” в ранней Вселенной, чтобы схлопнуться в куски, необходимые для формирование галактики. Есть много теорий о том, что это может быть. Также все еще существует вероятность того, что мы очень запутались. что-то вроде нашей теории гравитации.
Чтобы узнать подробности, попробуйте следующее:
- Мартин Уайт, Темный Иметь значение.
- Тимоти Дж. Самнер, Экспериментальные поиски темной материи.
Второй из них является наиболее подробным, и в нем много ссылок для дальнейшего изучения.
Проблема горизонта: почему Вселенная почти, но не совсем однородны на самых больших масштабах расстояний? Это результат “инфляционной эпохи” – периода быстрое расширение в очень ранней истории Вселенной, которое может сгладить неоднородности? Если да, то чем это вызвано инфляция?
В 2003 году дело об инфляции было подкреплено Wilkinson Microwave. Anisotropy Probe, производивший подробные измерения «анизотропии». (небольшие отклонения от идеальной ровности) в космическом микроволновом радиационный фон. Получившаяся «космическая микроволновая печь спектр фоновой мощности» показывает пики и впадины, точные функции должны быть чувствительны ко многим деталям очень ранней истории Вселенной. Модели, включающие инфляцию, похоже, соответствуют этим данным. очень хорошо, а те, которые этого не делают, не делают.
Однако механизм инфляции остается несколько загадочным. Инфляцию можно хорошо объяснить с помощью квантовой теории поля, постулируя существование особой частицы, называемой «инфлатон», что привело к чрезвычайно высокому отрицательному давлению прежде чем он распался на другие частицы. Это может показаться странным, но это действительно не так. Единственная проблема в том, что никто не знает, как эта частица вписывается в известную физику. Например, это не часть Стандартная модель.
Для получения подробной информации попробуйте:
- Чарльз Х. Лайнуивер, Инфляция и космическая микроволновая печь Фон.
  Также доступен на астрофизика arXiv.
Почему галактики распределены скоплениями и нитями?
Когда образовались первые звезды и какими они были?
По состоянию на 2004 год это была довольно горячая тема в астрофизике. См., например:
- Фолькер Бромм и Ричард Б. Ларсон, Первые звезды.
Что такое гамма-всплески?
Гамма-всплески (GRB) выглядят как всплески гамма-лучей. исходящие из точек, случайно разбросанных по небу. Эти всплески очень короткие, длятся от нескольких миллисекунд до несколько сотен секунд. Долгое время существовали сотни теорий о том, что вызвало их, но очень мало доказательств для любой из этих теорий, так как ничего не было замечено в месте, где произошел один из этих взрывов произошло. Их случайное распределение в конечном итоге сделало убедительным случае, если они произошли не в нашей Солнечной системе или в пределах нашей Галактика, но намного дальше. При этом было ясно, что они должен быть необычайно мощным.
Начиная с конца 1990-х годов астрономы проводили согласованные усилия по поимке гамма-всплесков в действии, фокусируя мощные телескопы для наблюдения за ними в видимом и ультрафиолетовом спектре момент после обнаружения взрыва. Эти усилия окупились в 1999 году, когда было замечено, что человек излучает видимый свет до тех пор, пока через день после взрыва. Измерение красного смещения z = 1,6 указывает на то, что гамма-всплеск был около 10 миллиардов световых лет от нас. Если бы гамма-всплеск был всенаправленным, это означало бы, что его мощность была около 10 ¹⁶ раз что нашего солнца – на очень короткое время. Подробности об этом открытие см.:
- Эксперимент с импульсным и переходным источником (BATSE), ПОПАЛСЯ! Большой, который не ушел, Заголовки о гамма-всплесках, 27 января 1999 г.
Более детальное наблюдение взрыва 3 марта 2003 г. убедил многих астрофизиков что хоть какой-то гамма-всплески — это так называемые «гиперновые». Гиперновая это исключительно большая сверхновая, образованная почти мгновенным коллапс ядра очень большой звезды, по крайней мере в 10 раз массы Солнца, которое уже сдуло большую часть своего водорода. Такие звезды называются звездами Вольфа-Райе. Крах такой звезда не обязательно должна быть сферически симметричной, поэтому гамма-всплеск может быть направленным, уменьшая общую мощность, необходимую для объяснения яркость, которую мы здесь видим (если всплеск был направлен на нас). Чтобы узнать больше, попробуйте:
- Европейская южная обсерватория (ESO), космологические гамма-всплески и Гиперновые окончательно связаны, пресс-релиз, 18 июня 2003 г.
Трудно не процитировать описанную здесь теорию:
Вот полная история о GRB 030329, как ее сейчас читают астрономы.
За тысячи лет до этого взрыва очень массивная звезда из водородного топлива, высвободить большую часть своей внешней оболочки, превратив превращается в голубоватую звезду Вольфа-Райе. Останки звезды содержали около 10 солнечных масс гелия, кислорода и более тяжелых элементов.
За годы до взрыва звезда Вольфа-Райе быстро истощилась. оставшееся топливо. В какой-то момент это внезапно вызвало событие гиперновой/гамма-всплеска. Ядро рухнуло без внешняя часть звездного знания. Внутри образовалась черная дыра, окруженная диском аккрецирующего вещества. В течение нескольких секунд струя вещества была вылетел из этой черной дыры.
Струя прошла через внешнюю оболочку звезды и в соединении с сильными ветрами новообразованного радиоактивного никеля-56, сдуваемого диск внутри разбил звезду. Это разрушение, гиперновая, ярко светит из-за присутствия никеля. Тем временем струя врывался в вещество вблизи звезды и создавал гамма-всплеск, который был зарегистрирован приблизительно 2 650 миллионами лет спустя астрономы на Земле. Подробный механизм производства гамма-излучения до сих пор является предметом споров, но оно либо связано взаимодействию струи с веществом, ранее выброшенным из звезды, или к внутренним столкновениям внутри самого джета.
Этот сценарий представляет собой модель «коллапсара», представленную американским астроном Стэн Вусли (Калифорнийский университет, Санта-Крус) в 1993 г. и член нынешней команды, и лучше всего объясняет наблюдения ГРБ 030329.
«Это не означает, что тайна гамма-всплеска теперь раскрыта. решена», — говорит Вусли. «Теперь мы уверены, что длительные всплески связаны с коллапсом активной зоны и гиперновая, вероятно создающая черную дыру. Мы убедили большинство скептиков. Однако мы пока не можем прийти к какому-либо заключению о причинах короткого замыкания. гамма-всплески продолжительностью менее двух секунд».
В самом деле, кажется, существует как минимум два вида гамма-всплесков. «длинные» и «короткие». Низкорослые никто вовремя не увидел, чтобы увидеть их послесвечение, поэтому они более загадочны. Для получения дополнительной информации попробуйте следующее:
- НАСА, Гамма-всплески.
- Эдо Бергер, Гамма-всплеск ЧАСТО ЗАДАВАЕМЫЕ ВОПРОСЫ.
- Википедия, Гамма Рэй Бёрстерс.
- Питер Месарош, Гамма-луч Взрывная физика.
В то время, когда это было написано, НАСА было запланировано запустить спутник под названием «Стриж», специально посвященный обнаружению гамма-всплесков, в сентябре 2004 г. Подробнее см.:
- НАСА, Swift: ловить Гамма-всплески на лету.
Каково происхождение и природа космических лучей сверхвысоких энергий?
Космические лучи представляют собой частицы высоких энергий, в основном протоны и альфа-частицы. частицы, прилетевшие из космоса и попавшие в атмосферу Земли создавая поток других частиц. Большинство из них верят набирали свою энергию, взаимодействуя с ударными волнами в межзвездная среда. Но, остаются загадочными самые высокоэнергетические – никто не знает, как они могли приобрести такие высокие энергии.
Рекордом является событие 1994 года, обнаруженное Fly’s Eye в Юте. зафиксировали ливень частиц, произведенных космическим лучом около 300 ЭВ. Аналогичное событие было обнаружено японцами. сцинтилляционная антенна АГАСА. EeV – это “экзаэлектронвольт”, это энергия, которую набирает электрон, проходя через потенциал из 10 ¹⁸ вольт. 300 ЭэВ это около 50 джоулей – энергия массы в один килограмм, движущейся со скоростью 10 метров в секунду, предположительно все упаковано в одну частицу!
Никто не знает, как достигаются такие высокие энергии – возможно, как побочный эффект удара сверхновой или гамма-излучения лопнул? Загадка особенно остра, потому что частицы с такими энергиями ожидается взаимодействие с космическим микроволновым фоновым излучением и терять энергию после путешествия только на умеренные внегалактические расстояния, скажем 30 мегапарсек. Этот эффект получил название эффекта Грейзена-Зацепина-Кузьмина. (или ГЗК) отсечка. Таким образом, либо наше понимание отсечки ГЗК ошибочно, или космические лучи сверхвысоких энергий исходят из относительно рядом – в космологическом плане, т.е.
Сейчас данные сбивают с толку, потому что два крупных эксперимента на космические лучи сверхвысоких энергий дали противоречивые результаты. Fly’s Eye, кажется, видит резкое падение числа космических лучи выше 100 ЭэВ, а детектор AGASA — нет. Люди надеются, что строящаяся обсерватория космических лучей Пьера Оже в западной Аргентине, решит этот вопрос.
Чтобы узнать больше, попробуйте следующее:
- HiRes — эксперимент «Глаз мухи» в высоком разрешении.
- AGASA – Гигантский воздушный душ Акено.
- Обсерватория Пьера Оже.
- А. А. Уотсон, Наблюдения космических лучей сверхвысоких энергий.
- Д. Дж. Берд и др., Обнаружение космических лучей с измеренной энергией Далеко за пределами ожидаемого спектрального порога из-за космического микроволнового излучения Радиация.
Каково объяснение аномалии Пионера?
Космические корабли «Пионер-10» и «Пионер-11» покидают Землю. Солнечная система. Пионер-10 отправил обратно информацию по радио о его местонахождении до января 2003 г., когда было около 80 раз дальше от Солнца, чем Земля. Пионер 11 отправлен обратно сигналы до 19 сентября95, когда его расстояние от Солнца примерно в 45 раз больше, чем на Земле.
Миссии Pioneer дали самую точную информацию у нас про навигацию в дальнем космосе. Однако анализ их данные радиослежения указывают на небольшое необъяснимое ускорение в направлении солнце! Величина этого ускорения примерно равна 10 ^-9. метров в секунду в секунду. Он известен как «Пионер аномалия».
Эта аномалия также наблюдалась на космическом корабле «Улисс». возможно, также в космическом корабле Галилео, хотя данные гораздо более шумный, так как это были зонды Юпитера, следовательно, намного ближе к Солнцу, где давление солнечной радиации намного больше. Миссия «Викинг» на Марс совершила , а не обнаруживают Pioneer аномалия – и она бы имела ускорение такой величины присутствовал, потому что его радиослежение было точным примерно до 12 метров.
Многие физики и астрономы пытались объяснить Пионерское аномалии, используя обычную физику, но до сих пор никто, похоже, не удалось. Есть много предложения, пытающиеся объяснить аномалию с помощью новой физики — в частности, модифицированные теории гравитации. Но единого мнения нет что любое из этих объяснений также верно. Например, объяснение аномалии Пионера с использованием темной материи потребует более 0,0003 солнечных масс темной материи в пределах 50 астрономических единицы Солнца (астрономическая единица – это примерно расстояние между Солнце и Земля). Но это противоречит нашим расчетам. планетарных орбит.
Для получения дополнительной информации см.:
- Википедия, Пионерская аномалия.
- Крис П. Дуиф, Пионер Аномалия – Литература и ссылки.
- Пионерское сотрудничество, Миссия по изучению аномалии пионеров.
Действительно ли черные дыры излучают энергию и испаряются так, как Хокинг предсказывает? Если да, то что происходит, когда после конечного количества время, они полностью излучают? Что осталось? сделать черный дыры действительно нарушают все законы сохранения, кроме сохранения энергия, импульс, угловой момент и электрический заряд? какая происходит с информацией, содержащейся в объекте, попадающем в черная дыра? Потеряется ли он, когда черная дыра испарится? Требует ли это модификации квантовой механики?
Верна ли гипотеза космической цензуры? Грубо говоря, для общего коллапсирующие изолированные гравитационные системы — это сингулярности, которые может развиваться, гарантированно скрываясь за гладким горизонтом событий? Если Космическая Цензура не сработает, на что похожи эти голые сингулярности? То есть, какие странные физические последствия они будут иметь?
Доказательство гипотезы космической цензуры — это вопрос математики. физике, а не физике как таковой, но это увеличило бы наши понимание общей теории относительности. На самом деле существует как минимум две версии: Пенроуз сформулировал «Сильное Гипотеза космической цензуры» в 1986, и “Слабые Гипотеза космической цензуры» в 1988 году. Довольно точная математическая версия первого гласит:
Любая максимальная хаусдорфова развертка общих начальных данных для Уравнения Эйнштейна, компактные или асимптотически плоские, глобально гиперболический.
Это довольно много, но грубо говоря, «глобально гиперболические» пространства-времени — это те, для которых причинность хорошо себя ведет в том смысле, что не существует замкнутых времяподобных кривых или другие патологии. Таким образом, эта гипотеза утверждает, что для общего начальные условия, уравнения Эйнштейна приводят к пространству-времени, в котором причинность ведет себя хорошо.
Гипотеза не доказана, но есть много интересного частичные результаты пока. Хороший обзор этой работы см. :
- Петр Chrusciel, О единственности в целом решений Уравнения Эйнштейна («Сильная космическая цензура»), в математический Аспекты классической теории поля , Contemp. Мат. 132, американец Математическое общество, 1992.

Почему законы физики не симметричны между левым и правым, будущее и прошлое, между материей и антиматерией? то есть что каков механизм нарушения CP и каково происхождение четности нарушение в Слабые взаимодействия? Есть ли праворукие Слабые токи слишком слабы, чтобы быть обнаруженными до сих пор? Если да, то нарушил симметрию? Объяснимо ли нарушение CP полностью в пределах Стандартная модель, или требуется какая-то новая сила или механизм?
Почему материи больше, чем антиматерии, по крайней мере здесь? Действительно ли материи во Вселенной больше, чем антиматерии? Кажется, это связано с предыдущим вопросом, поскольку большинство попыток при объяснении преобладания вещества над антивеществом используют нарушение КП.
Действительно ли существует всего три поколения лептонов и кварков? Если да, то почему? Например, мюон — это частица, почти такая же, как электрон. разве что намного тяжелее, и тау-частица тоже почти то же самое, но еще тяжелее. Почему эти трое есть и не более? Или это неразрешимые вопросы?
Помимо частиц, несущих силы (фотон, W- и Z-бозон, и глюонов), все элементарные частицы, которые мы видели до сих пор, подходят аккуратно на три «поколения» частиц, называемых лептоны и кварки. Первое поколение состоит из:
- электрон
- электронное нейтрино
- верхний кварк
- нижний кварк
Вторая состоит из:
- мюон
- мюонное нейтрино
- кварк очарования
- странный кварк
а третий состоит из:
- тау
- тау-нейтрино
- топ-кварк
- нижний кварк
Откуда мы знаем, что их больше нет?
С тех пор, как ускорители частиц получили возможность создавать Z-бозонов в 1983 г. , наши лучшие оценки количества поколений пришли из измерения скорости, с которой Z-бозоны распадаются на совершенно невидимые вещества. лежащий в основе предположение состоит в том, что когда это происходит, Z-бозон распадается на пару нейтрино-антинейтрино, как и предсказывалось по Стандартной модели. Каждое из трех известных поколений содержит нейтрино, очень легкий. Если эта закономерность сохраняется, общая скорость “распад в невидимую материю” должен быть пропорционально количеству поколений!
Подобные эксперименты продолжают указывать на то, что три поколения такого рода. Так, большинство физиков быть уверенным, что существует ровно три поколения кварков и лептонов. Тогда вопрос становится “почему?” – и до сих пор мы не ключ!
Подробнее см.:
- Д. Карлен, Количество типов нейтрино из коллайдерных экспериментов, пересмотрено в августе 2001 г.
Честность заставляет нас указать на небольшое покачивание место в примечаниях выше. Закон сохранения энергии предотвращает распад Z в пару нейтрино-антинейтрино, если рассматриваемое нейтрино типа, который имеет более половины массы Z. Итак, если есть были четвертым поколением с очень тяжелым нейтрино, мы не смогли обнаружить его, изучая распад Z-бозонов. Однако все три известных нейтрино имеют массу менее 1/3000 массы Z, поэтому четвертый нейтрино должно быть намного тяжелее остальных, чтобы убежать обнаружение таким образом.
Еще одна возможность для маневра скрывается во фразе “распад на пару нейтрино-антинейтрино в способом, предсказанным Стандартной моделью». Если были четвертым поколением с нейтрино, которое не действовало как три других, или вообще без нейтрино, мы не могли бы вижу это. Однако в данном случае это будет натяжка языка. немного говорить о «четвертом поколении», поскольку удивительная вещь о трех известных поколениях заключается в том, как они полностью идентичны, за исключением значений некоторых константы, как массы.
Почему каждое поколение частиц имеет именно эта структура: два лептона и два кварка?
Если вы знакомы с физикой элементарных частиц, вы знаете, что она гораздо глубже: Стандартная модель говорит, что каждое поколение частиц имеет абсолютно одинаковых математическая структура , за исключением некоторых чисел, описывающих Муфты Хиггса. Мы не знаем никакой причины для этой структуры, хотя требование «отмены аномалии» накладывает некоторые ограничения на что это может быть.
Если вы не специалист по физике элементарных частиц, возможно, эти введение в Стандартную модель поможет объяснить некоторые вещи:
- Википедия, Стандартная модель.
- М. Дж. Эрреро, The Стандартная модель.
Второй гораздо более подробный и техничный, чем первый.
Имеют ли кварки или лептоны какую-либо субструктуру, или они действительно элементарные частицы?
Что происходит с нейтрино? Почему все три разновидности нейтрино, называемые электронным нейтрино, мюонным нейтрино и тау-нейтрино, намного легче, чем их партнеры, электрон, мюон и тау? Почему три разновидности нейтрино так отличаются от трех состояний нейтрино, имеющих определенную массу? Могут ли какие-либо из наблюдаемых нейтрино быть их собственными античастицами? Существуют ли правовращающие нейтрино, т. е. нейтрино, которые вращаются против часовой стрелки вдоль своей оси движения, даже двигаясь со скоростью, близкой к скорости света? Существуют ли другие виды нейтрино, такие как «стерильные» нейтрино, то есть нейтрино, которые не взаимодействуют напрямую с другими частицами посредством слабого (или электромагнитного, или сильного) взаимодействия?
Начиная с 1990-х годов наше понимание нейтрино значительно улучшилось, и загадка, почему мы видим примерно 1/3 количества электронных нейтрино, исходящих от Солнца, как наивно ожидалось, в значительной степени решена: три разных вида нейтрино— электрон, мюон и тау — превращаются друг в друга, потому что эти ароматы — не то же самое, что три «собственных состояния массы», которые имеют определенную массу. Но большое разнообразие экспериментов с нейтрино за последние тридцать лет открыло другие загадки.
Например, мы не знаем происхождения масс нейтрино. Получают ли наблюдаемые левые нейтрино свою массу в результате соединения с бозоном Хиггса и правым партнером, как это делают другие кварки и лептоны? Это потребовало бы существования до сих пор невидимых правых нейтрино. Получают ли они свою массу, соединяясь сами с собой? Это могло бы произойти, если бы они были «майорановскими фермионами», то есть их собственными античастицами. Они также могли получить массу другими, еще более захватывающими способами, такими как «механизм качелей». Это требует, чтобы они соединялись с очень массивной правой частицей, и может объяснить их очень легкие массы.
Даже то, что мы действительно наблюдали, вызывает загадки. При проведении многих экспериментов часто возникают «аномалии», но многие из них исчезают после более тщательного изучения. Вот проблема, которая не решится просто так с лучшими данными: матрица 3 × 3, связывающая 3 аромата нейтрино с 3 собственными массовыми состояниями нейтрино, называемая матрицей Понтекорво-Маки-Накагава-Саката, намного дальше от матрицы идентичности. чем аналогичная матрица для кварков, называемая матрицей Кабиббо-Кобаяши-Маскавы. Проще говоря, это означает, что каждый из трех видов нейтрино представляет собой большую смесь различных масс. Никто не знает, почему эти матрицы принимают такие значения или почему они так отличаются друг от друга.
Для получения подробной информации попробуйте:
- Джон Баэз, Нейтрино и загадочная матрица Понтеворко-Маки-Накагава-Саката.
- Рабиндра Н. Мохапатра, Физика нейтринной массы.
- А. Баха Балантекин и Борис Кайзер, О свойствах нейтрино.
- М. К. Гонсалес-Гарсия и М. Йокоя, Массы нейтрино, смешивание и колебания.
- Индустрия нейтринных осцилляций.
Последний из них имеет множество ссылок на веб-страницы исследовательских групп, проводящих эксперименты с нейтрино. Это действительно большая индустрия!
Квантовая хромодинамика (КХД) точное описание поведения кварков и глюоны? Можем ли мы доказать с помощью КХД что кварки и глюоны удерживаются при низких температурах? Является ли это возможным для расчета масс адронов (таких как протон, нейтрон, пион и т. д.) правильно из Стандартной модели, с помощью КХД? Предсказывает ли КХД, что кварки и глюоны деконфайнментируются и формируются? плазма при высокой температуре? Если да, то какой характер деконфайнмента фаза перехода? Это действительно происходит в природе?
Большинство физиков считают, что ответы на все эти вопросы “да”. В настоящее время проводится ряд экспериментов происходит создание и обнаружение кварк-глюонной плазмы. считается что для производства такой плазмы при низких давлениях требуется температура 2 триллиона кельвинов. Поскольку это в 10 000 раз горячее, чем солнце, и такие экстремальные температуры в последний раз в нашей Вселенной всего через 1 микросекунду после Большого взрыва эти эксперименты очень весело. Крупнейший релятивистский коллайдер тяжелых ионов. на Лонг-Айленде, штат Нью-Йорк, начал работу в 2000 году. сталкивая золотые ядра с невероятной скоростью. Подробнее см.:
- Релятивистский коллайдер тяжелых ионов, или RHIC
Но, кроме таких экспериментальных работ, много мощных теоретическая работа необходима, чтобы понять, что именно предсказывает КХД, как в экстремальных ситуациях, подобных этим, так и для обычных вещей. На самом деле, использовать КХД для предсказания масс — большая проблема. протонов, нейтронов, пионов и т.п. с точностью более около 10%. Это требует интенсивного использования суперкомпьютеров, но есть также фундаментальные препятствия для хороших численных вычисления, такие как «проблема удвоения фермионов», где нужны новые яркие идеи. См., например:
- Сеть МГП Европейского Союза по феноменологии адронов из решетки КХД.
- Раджан Гупта, Введение в решеточную КХД.
Существует ли математически строгая формулировка релятивистской квантовая теория поля, описывающая взаимодействующие (не свободные) поля в четырех измерения пространства-времени? Например, является ли Стандартная модель математически последовательный? Как насчет квантовой электродинамики? Даже классическая электродинамика точечных частиц не но имеют удовлетворительную математически строгую формулировку. Существует ли он или эта теория несостоятельна?»
Это вопросы математической физики, а не физики в д. , но они важны. На рубеже тысячелетий, Математический институт Клэя предложил приз в размере 1 000 000 долларов за предоставление математически строгого фундамент квантовой версии теории Янга-Миллса в четырех измерения пространства-времени и доказательство того, что существует “массовый разрыв” – это означает, что самая легкая частица в этой теории имеет ненулевую массу. Подробнее см.:
- Математический институт Клэя, Ян-Миллс и Масс Гэп.
Действительно ли протон стабилен или он в конце концов распадается?
Большинство «теорий великого объединения» (ТВО) предсказывают, что протон распадается, но до сих пор эксперименты (по большей части) только ставили нижние пределы времени жизни протона. По состоянию на 2002 г. нижний предел средняя продолжительность жизни протона была где-то между 10 ³¹ и 10 ³³ лет, в зависимости от предполагаемого способа распада, или 1,6 × 10 ²⁵ лет независимо от способа распада.
Эксперименты по распаду протона — это героическое предприятие, включающее какой-то поистине огромный аппарат. Сейчас самый большой это «Супер-Камиоканде». Это было построено в 1995 году, километр под землей в шахте Мозуми в Японии. Этот эксперимент в основном предназначен для изучают нейтрино, но он также служит детектором распада протонов. Он состоит из бака, вмещающего 50 000 тонн чистой воды с 11 200 фотоумножителями. которые могут обнаруживать очень маленькие вспышки света. Обычно эти вспышки производятся нейтрино и различными менее интересными вещами (резервуар находится глубоко под землей, чтобы свести к минимуму воздействие космических лучей). Но вспышки света также будут производиться определенными способами распад протона, если это когда-либо произойдет.
Super-Kamiokande начал давать значительно улучшенные нижние границы. о времени жизни протона и превосходная информация о нейтрино колебания, когда случилось странное бедствие 12 ноября 2001 г. Резервуар наполнялся водой после некоторого прогорания. заменены фотоумножители. Рабочие стоят на пенопластовых прокладках поверх части днища. трубки сделали небольшие трещины в горловине одной из трубок, в результате чего что трубка взорвется. Возникшая ударная волна запустила цепную реакцию в котором было уничтожено около 7000 фотоумножителей! К счастью, после тяжелой работы эксперимент был восстановлен декабрь 2002 г.
В 2000 году, после примерно 20 лет эксплуатации, эксперимент по распаду протона на шахте Колар, как утверждается, обнаружил протонный распад, и их команда физиков дала оценка 10 ³¹ лет для протона продолжительность жизни. Другие команды настроены скептически.
Для получения более подробной информации попробуйте следующее:
- Супер-Камиоканде Фото альбом и фотографии аварии.
- Супер-Камиоканде Сотрудничество США домашняя страница.
- ММБ Эксперимент по распаду протона.
- Х. Адаркар и др., Экспериментальный Доказательства для G.U.T. Протонный распад.
- Джогеш С. Пати, С Гранд Сигналы объединения, может ли протонный распад быть далеко позади?
Почему частицы имеют точно такие же массы? Или это вопрос без ответа?
Конечно, их масса в килограммах зависит от произвольного выбора человеком единиц, но их массовые соотношения являются фундаментальными константами природы. Например, мюон примерно в 206,76828 раз тяжелее электрон. У нас нет объяснения такого числа! Мы приписываем массы элементарных частиц сила их взаимодействия с бозоном Хиггса (см. выше), но мы не понимаем, почему эти взаимодействия так сильны, как они есть.
Почему силы фундаментальных сил (электромагнетизма, слабые и сильные силы и гравитация) что они собой представляют? Например, почему постоянная тонкой структуры, что измеряет силу электромагнетизма, примерно 1/137,036? Откуда берутся такие безразмерные константы? Или это вопрос без ответа?
Массы частиц и силы фундаментальных сил составляют большинство из 26 фундаментальных безразмерных констант природы. Другой — космологическая постоянная — если предположить, что она постоянна. Другие управляют осцилляциями нейтрино (см. ниже). Таким образом, мы можем объединить множество открытых вопросов в пакет, задав: Почему эти 26 безразмерных констант имеют именно такие значения?
Возможно, ответ включает в себя антропный принцип, а возможно, и нет. Прямо сейчас у нас нет возможности узнать, что этот вопрос вообще любой ответ!
Чтобы получить список этих 26 безразмерных констант, попробуйте:
- Джон Баэз, Как Много ли фундаментальных констант?
Существуют ли важные аспекты Вселенной, которые можно понять только с помощью антропный принцип? Или этот принцип не нужен, или, возможно, по своей сути ненаучно?
Грубо говоря, антропный принцип гласит, что наша Вселенная должно быть примерно так, как для существования разумной жизни, поэтому что сам факт того, что мы задаем определенные вопросы, ограничивает их ответы. Это может «объяснить» значения фундаментальных констант природы и, возможно, других аспекты законов физики, а также. А может и нет.
Различные способы уточнения антропного принципа и большое множество свидетельств об этом можно найти в книге Бэрроу и Типлер:
- Джон Д. Бэрроу и Фрэнк Дж. Типлер, 90 022, космологическая антропология Принцип , Oxford U. Press, Oxford, 1988.
Эта книга вызвала жаркие споры о достоинствах антропный принцип, который продолжается и по сей день. Некоторые люди утверждали, что этот принцип бесполезен. Другие утверждали, что это отвлекает нас от поиска лучших объяснений фактов природы и, таким образом, по своей сути ненаучен. Один интересный взгляд см.:
- Макс Тегмарк, Какая математическая структура изоморфна нашей Вселенной?
В 1994 году Ли Смолин выступал за альтернативную, но столь же ошеломляющую идея, а именно, что параметры Вселенной настроены не на разрешить разумную жизнь, но максимизировать Производство черных дыр! Механизм, который он предлагает ибо это своего рода космическая дарвиновская эволюция, основан на (недоказанной) теории о том, что вселенные порождают новые дочерние вселенные через черные дыры. Подробнее см.:
- Ли Смолин, Жизнь космоса , Crown Press, 1997.
- Ли Смолин, Судьба особенностей черных дыр и параметры стандартных моделей Физика элементарных частиц и космология.
Совсем недавно теоретик струн Леонард Сасскинд утверждал, что «вакуум теории струн», который описывает законы Мы видим, что физика должна быть выбрана с использованием антропного принципа:
- Край: Пейзаж – разговор с Леонардом Сасскиндом.
Действительно ли силы объединяются при достаточно высокой энергии?
Дает ли какая-либо версия теории струн или М-теории конкретные предсказания о поведении элементарных частиц? Если да, то каковы эти прогнозы? Можем ли мы проверить эти предсказания в ближайшем будущем? И: они правильные?
Несмотря на огромное количество работ по теории струн за последние десятилетий, она до сих пор не сделала никаких предсказаний, которые мы могли бы проверить с помощью наших ускорители частиц, отказ которых фальсифицировал бы теорию. Ближе всего к этому приходит предсказание существование «суперпартнера» для каждого из наблюдаемых типы частиц. Никого из этих суперпартнеров никто никогда не видел. Возможно, Большой адронный коллайдер обнаружить признаки самого легкого суперпартнера. Также возможно, что темная материя связана с суперпартнером! Но эти вопросы остаются открытыми.
Также интересно посмотреть, что теоретики струн считают самые большие открытые вопросы в физике. На рубеже тысячелетий участники конференции Strings 2000 проголосовали за десять самых важных проблем физики. Они здесь:
1. Все (измеряемые) безразмерные параметры, характеризующие физическая вселенная поддается расчету в принципе или являются просто определяется исторической или квантово-механической случайностью и не поддается исчислению?
2. Как квантовая гравитация может помочь объяснить происхождение Вселенной?
3. Каково время жизни протона и как мы это понимаем?
4. Является ли Природа суперсимметричной, и если да, то как нарушается суперсимметрия?
5. Почему кажется, что Вселенная имеет одно временное и три пространственных измерения?
6. Почему космологическая постоянная имеет то значение, которое она имеет? ноль и действительно ли он постоянен?
7. Каковы основные степени свободы М-теории (теории чей низкоэнергетический предел — одиннадцатимерная супергравитация и которая включает в себя пять непротиворечивых теорий суперструн) и делает теория описывает природу?
8. Каково разрешение информационного парадокса черной дыры?
9. Какая физика объясняет огромное несоответствие между гравитационным шкала и типичная шкала масс элементарных частиц?
10. Можем ли мы количественно понять удержание кварков и глюонов в Квантовая хромодинамика и существование массовой щели?
Подробнее см.