Oft finden Sie im Internet Informationen über solche angeblich ungelösten und ungelösten Geheimnisse unseres Universums und der modernen Wissenschaft.
Aus irgendeinem Grund scheint es mir, dass ein Teil davon weit hergeholte Probleme sind, die es nicht gibt, aber zum Teil hat die Wissenschaft bereits eine Erklärung gefunden.
Welche davon betrachten Sie als eine wirklich unbekannte, noch geheime Physik?
1. Woher kommen kosmische Strahlen mit ultrahoher Energie?
Unsere Atmosphäre wird ständig von energiereichen Teilchen aus dem Weltraum bombardiert, die als "kosmische Strahlung" bezeichnet werden. Obwohl diese Strahlen dem Menschen keinen großen Schaden zufügen, sind sie für Physiker von großem Interesse.
Während eines Experiments auf der Volcano Ranch sahen John Linsley und Livio Scarsi 1962 etwas Unglaubliches: einen kosmischen Strahl mit einer Energie von mehr als 16 Joule. Nehmen wir an, ein Joule entspricht in etwa der Energie, die erforderlich ist, um einen Apfel vom Boden auf einen Tisch zu heben. Und all diese Energie ist in einem Teilchen konzentriert, das milliardenfach kleiner ist als ein Apfel. Dies bedeutet, dass es sich mit einer Geschwindigkeit bewegt, die der Lichtgeschwindigkeit nahe kommt!
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Die Physiker wissen noch nicht, woher diese Teilchen so viel Energie haben. Nach einigen Theorien kann die Quelle dieser Partikel Supernovae sein, die nach der Explosion von Sternen am Ende ihres Lebens gebildet wurden. Diese Partikel könnten auch in den Scheiben kollabierender Materie beschleunigt werden, die sich um Schwarze Löcher bilden.
2. War das moderne Universum das Ergebnis der Inflation?
Das Universum ist überraschend flach, das heißt, das gesamte Universum hat die gleiche Menge an Materie. Nach der Urknalltheorie kann die Materiedichte jedoch in den frühen Stadien der Entwicklung des Universums an verschiedenen Orten unterschiedlich sein.
Nach der Inflationstheorie entstand das moderne Universum aus einem frühen Universum mit winzigem Volumen, das sich plötzlich und unerwartet schnell ausdehnte. Wie beim Aufblasen eines Ballons hat das Aufblasen alle Ausbuchtungen im frühen Universum ausgeglichen.
Während dies vieles erklärt, was wir sehen, wissen die Physiker noch nicht, was die Inflation verursacht hat. Informationen darüber, was während dieser Inflation passiert ist, sind ebenfalls lückenhaft.
3. Ist es möglich, dunkle Energie und dunkle Materie zu finden?
Atemberaubende Tatsache: Nur etwa 5% des Universums bestehen aus Materie, die für uns sichtbar ist. Vor einigen Jahrzehnten stellten Physiker fest, dass sich die Sterne an den Außenkanten von Galaxien schneller als erwartet um die Zentren dieser Galaxien drehen. Um dies zu erklären, schlugen Wissenschaftler vor, dass diese Galaxien eine Art unsichtbare "dunkle" Materie enthalten könnten, die bewirkt, dass sich die Sterne schneller drehen.
Gleichzeitig wissen wir, dass sich die Expansion des Universums jetzt beschleunigt. Dies scheint seltsam, da man erwarten würde, dass die Anziehungskraft der Materie - sowohl "hell" als auch "dunkel" - die Expansion des Universums verlangsamen würde. "Dunkle Energie" könnte eine Erklärung für dieses Phänomen sein. Physiker glauben, dass mindestens 70% der Energie im Universum in Form von "dunkler" Energie vorliegt, was zur gegenwärtigen Beschleunigung der Expansion des Universums beiträgt.
Bisher wurden die Teilchen, die "dunkle" Materie bilden, und das Feld, das "dunkle" Energie bildet, unter Laborbedingungen noch nicht direkt untersucht. Die Physiker hoffen jedoch, dass Teilchen "dunkler" Materie am Large Hadron Collider gewonnen und untersucht werden können. Diese Partikel können jedoch schwerer sein als die Partikel, die der Collider erzeugen kann, und dann bleibt ihr Geheimnis für lange Zeit ungelöst.
4. Was ist in der Mitte eines Schwarzen Lochs?
Schwarze Löcher sind die bekanntesten Objekte in der Astrophysik. Wir können sie als Regionen der Raumzeit mit Gravitationsfeldern beschreiben, die so stark sind, dass selbst Licht sie nicht überwinden kann.
Es wurden Beobachtungen von vielen Schwarzen Löchern gemacht, einschließlich des riesigen Schwarzen Lochs im Zentrum unserer Galaxie. Das Geheimnis dessen, was in der Mitte des Schwarzen Lochs geschieht, ist jedoch noch nicht gelüftet. Einige Physiker glauben, dass es eine "Singularität" geben könnte - einen Punkt unendlicher Dichte, an dem sich eine gewisse Masse in einem infinitesimalen Raum konzentriert. Es ist schwer vorstellbar. Schlimmer noch, jede Singularität führt zu einem Schwarzen Loch in dieser Theorie, da es keine Möglichkeit gibt, die Singularität direkt zu beobachten.
Es gibt auch immer noch Kontroversen darüber, ob Informationen in Schwarzen Löchern verloren gehen. Sie absorbieren Partikel und emittieren Hawking-Strahlung, aber diese Strahlung scheint keine zusätzlichen Informationen darüber zu enthalten, was im Schwarzen Loch passiert.
Die Tatsache, dass es zumindest im Moment unmöglich zu sein scheint, herauszufinden, was sich in Schwarzen Löchern befindet, ermöglichte es Science-Fiction-Autoren lange Zeit, Annahmen über die Möglichkeit der Existenz anderer Universen oder die Verwendung von Schwarzen Löchern für Teleportation oder Zeitreisen zu treffen.
5. Gibt es intelligentes Leben im Universum?
Die Menschen haben von Außerirdischen geträumt, seit sie zum ersten Mal in den Nachthimmel geschaut und sich gefragt haben, was dort sein könnte. Aber in den letzten Jahrzehnten haben wir viele interessante Fakten gelernt.
Zuerst haben wir gelernt, dass Planeten viel häufiger sind als bisher angenommen. Wir haben auch erfahren, dass der Zeitraum zwischen der Zeit, in der unser Planet bewohnbar wurde, und der Entstehung des Lebens auf ihm ziemlich klein ist. Bedeutet das, dass Leben möglich ist? Wenn ja, bekommen wir das berühmte Fermi-Paradoxon: Warum haben wir dann noch nicht mit Außerirdischen kommuniziert?
Der Astronom Frank Drake hat die Gleichung, die seinen Namen trägt, zusammengestellt, um alle Seiten des Problems zu betrachten. Jede ihrer Komponenten ist der Grund für die mangelnde Kommunikation mit dem intelligenten Leben.
Das Leben mag gewöhnlich sein, aber intelligentes Leben ist selten. Vielleicht beschließen alle Zivilisationen nach einer Weile, nicht mit anderen Lebensformen zu kommunizieren. Sie existieren, aber sie wollen nicht mit uns kommunizieren. Oder vielleicht deutet dies darauf hin, dass sich viele außerirdische Zivilisationen kurz nach dem Erreichen der technologischen Kommunikationsfähigkeit selbst zerstören. Es gab sogar Hinweise darauf, dass die mangelnde Kommunikation mit Außerirdischen ein Beweis für den künstlichen Ursprung unserer Welt ist, der die Schöpfung Gottes oder ein Computermodell sein könnte.
Es ist jedoch möglich, dass wir einfach nicht lange genug und weit genug gesucht haben, da der Platz unglaublich groß ist. Signale können leicht verloren gehen, und die außerirdische Zivilisation muss nur ein stärkeres Signal senden. Und vielleicht werden wir morgen eine fremde Zivilisation entdecken und unser Verständnis des Universums wird sich ändern.
6. Kann sich etwas schneller als Licht bewegen?
Seit Einstein mit seiner speziellen Relativitätstheorie die Physik verändert hat, sind die Physiker davon überzeugt, dass es nichts gibt, das sich schneller fortbewegen kann als Licht. Nach dieser Theorie ist unendlich viel Energie erforderlich, damit sich etwas zumindest mit Lichtgeschwindigkeit bewegt.
Andererseits bedeutet, wie die oben erwähnten kosmischen Strahlen zeigen, selbst das Vorhandensein einer großen Energiemenge nicht die Möglichkeit einer Bewegung mit Lichtgeschwindigkeit. Die Lichtgeschwindigkeit als harte Geschwindigkeitsbegrenzung kann auch eine weitere Erklärung für die mangelnde Kommunikation mit außerirdischen Zivilisationen sein. Wenn sie auch durch die Lichtgeschwindigkeit begrenzt sind, kann es Tausende von Jahren dauern, bis die Signale übertragen werden.
Aber die Menschen suchen ständig nach Wegen, um diese Geschwindigkeitsbegrenzung des Universums zu umgehen. Nach vorläufigen Ergebnissen des 2011 durchgeführten OPERA-Experiments bewegten sich Neutrinos schneller als Licht. Dann bemerkten die Wissenschaftler jedoch Fehler in der Organisation des Experiments und erkannten die Unrichtigkeit dieser Ergebnisse.
Wenn es außerdem möglich wäre, Materie oder Informationen mit einer Geschwindigkeit zu übertragen, die die Lichtgeschwindigkeit überschreitet, würde dies zweifellos die Welt verändern. Bewegungen mit einer Geschwindigkeit, die die Lichtgeschwindigkeit überschreitet, können die Kausalität, die Beziehung zwischen den Ursachen und Auswirkungen von Ereignissen stören.
Aufgrund der Art und Weise, in der Zeit und Raum in einer speziellen Relativitätstheorie zusammenhängen, würde die Bewegung von Informationen, die schneller als die Lichtgeschwindigkeit sind, es einer Person ermöglichen, Informationen über ein Ereignis zu erhalten, bevor dieses Ereignis eintritt, was eine Form der Zeitreise ist. Dies könnte alle Arten von Paradoxien schaffen, die wir nicht lösen können.
7. Können Turbulenzen beschrieben werden?
Wenn wir zur Erde zurückkehren, können wir sagen, dass es in unserem täglichen Leben immer noch viele schwierige Dinge zu verstehen gibt. Versuchen Sie beispielsweise, mit Wasserhähnen zu spielen. Wenn Sie das Wasser ruhig fließen lassen, beobachten Sie ein bekanntes Phänomen in der Physik, eine uns bekannte Strömungsart, die als "laminare Strömung" bezeichnet wird. Wenn Sie jedoch den Wasserhahn vollständig abstellen und das Verhalten des Wassers beobachten, haben Sie ein Beispiel für Turbulenzen. In vielerlei Hinsicht sind Turbulenzen in der Physik immer noch ein ungelöstes Problem.
Die Navier-Stokes-Gleichung definiert, wie sich Flüssigkeiten wie Wasser und Luft bewegen sollen. Wir stellen uns vor, dass die Flüssigkeit in kleine Massenstücke zerbrochen wird. Diese Gleichung berücksichtigt dann alle Kräfte, die auf diese Teile wirken - Schwerkraft, Reibung, Druck - und versucht zu bestimmen, wie sich dies auf ihre Geschwindigkeit auswirkt.
Bei einfachen oder stabilen Strömungen können wir Lösungen für die Navier-Stokes-Gleichung finden, die die gegebene Strömung vollständig beschreiben. Physiker können dann Gleichungen erstellen, um die Durchflussrate an jedem Punkt zu berechnen. Bei komplexen, turbulenten Strömungen sind diese Lösungen möglicherweise nicht genau. Wir können viele turbulente Strömungsmanipulationen durchführen, indem wir Gleichungen auf großen Computern numerisch lösen. Dies gibt uns eine grobe Antwort ohne eine Formel, die das Verhalten der Flüssigkeit vollständig erklärt.
Das Clay Mathematical Institute bot übrigens eine Belohnung für die Lösung dieses Problems. Wenn Sie es also schaffen, können Sie eine Million Dollar bekommen.
8. Ist es möglich, einen Supraleiter zu erzeugen, der bei Raumtemperatur arbeitet?
Supraleiter gehören zu den wichtigsten Geräten und Technologien, die vom Menschen erfunden wurden. Sie sind spezielle Arten von Material. Wenn die Temperatur niedrig genug fällt, fällt der elektrische Widerstand des Materials auf Null.
Unsere modernen Stromkabel verschwenden viel Strom. Sie sind keine Supraleiter und haben einen elektrischen Widerstand, wodurch sie sich erwärmen, wenn ein elektrischer Strom durch sie fließt.
Die Möglichkeiten von Supraleitern sind jedoch nicht darauf beschränkt. Das vom Draht erzeugte Magnetfeld hat eine Stärke, die vom durch ihn fließenden Strom abhängt. Wenn Sie einen billigen Weg finden, um sehr hohe Ströme durch Supraleiter zu leiten, können Sie sehr starke Magnetfelder erhalten. Diese Felder werden derzeit am Large Hadron Collider verwendet, um geladene Teilchen abzulenken, die sich schnell um seinen Ring bewegen. Sie werden auch in experimentellen Kernreaktoren eingesetzt, die in Zukunft unsere Stromquelle werden könnten.
Das Problem ist, dass alle bekannten Supraleiter nur bei sehr niedrigen Temperaturen (nicht höher als -140 Grad Celsius) arbeiten können. Das Abkühlen auf solch niedrige Temperaturen erfordert normalerweise flüssigen Stickstoff oder ein Äquivalent, und dies ist sehr teuer. Daher arbeiten viele Physiker und Materialspezialisten auf der ganzen Welt daran, den heiligen Gral zu erhalten - einen Supraleiter, der bei Raumtemperatur arbeiten könnte. Aber bisher hat es niemand geschafft.
9. Warum gibt es mehr Materie als Antimaterie?
Für jedes Teilchen gibt es ein gleiches und entgegengesetztes Teilchen, das als Antiteilchen bezeichnet wird. Für Elektronen gibt es Positronen. Es gibt Antiprotonen für Protonen. Usw.
Wenn ein Teilchen ein Antiteilchen berührt, vernichtet es sich und verwandelt sich in Strahlung. Manchmal verwandelt es sich in kosmische Strahlung. Antimaterie kann auch in Teilchenbeschleunigern zu einem Preis von mehreren Billionen Dollar pro Gramm erzeugt werden. Aber insgesamt scheint es in unserem Universum sehr selten zu sein. Das ist ein echtes Geheimnis. Alle bekannten Prozesse, die Energie (Strahlung) in Materie umwandeln, produzieren die gleiche Menge an Materie und Antimaterie. Wenn das Universum also von Energie dominiert wird, warum produziert es dann nicht gleich viel Materie und Antimaterie?
Es gibt verschiedene Theorien, um dies zu erklären. Wissenschaftler, die Partikelwechselwirkungen am Large Hadron Collider untersuchen, suchen nach Beispielen für "CP-Verletzung". Wenn sie auftreten würden, könnten diese Wechselwirkungen zeigen, dass die Gesetze der Physik für Materieteilchen und Antimaterie unterschiedlich sind. Dann könnten wir annehmen, dass es Prozesse gibt, die eher Materie als Antimaterie produzieren, weshalb es im Universum mehr Materie gibt.
Andere, weniger wahrscheinliche Theorien können ganze Regionen des Universums haben, die von Antimaterie dominiert werden. Diese Theorien müssen jedoch erklären, wie die Trennung von Materie und Antimaterie stattgefunden hat und warum bei der Kollision von Materie und Antimaterie keine großen Strahlungsmassen freigesetzt werden. Wenn wir also keine Hinweise auf Antimaterie-Galaxien finden, scheint eine CP-Verletzung im frühen Universum die beste Lösung zu sein. Aber wir wissen immer noch nicht, wie es funktioniert.
10. Können wir eine einheitliche Theorie haben?
Im 20. Jahrhundert wurden zwei große Theorien entwickelt, um viele Phänomene in der Physik zu erklären. Eine davon war die Theorie der Quantenmechanik, die das Verhalten und die Wechselwirkungen winziger subatomarer Teilchen detailliert beschrieb. Die Quantenmechanik und das Standardmodell der Teilchenphysik haben drei der vier physikalischen Phänomene in der Natur erklärt: Elektromagnetismus und starke und schwache Kernkräfte.
Eine andere große Theorie war Einsteins allgemeine Relativitätstheorie, die die Schwerkraft erklärt. In dieser Theorie tritt die Schwerkraft auf, wenn das Vorhandensein von Masse Raum und Zeit verbiegt, was dazu führt, dass sich Partikel aufgrund der gekrümmten Form der Raumzeit auf gekrümmten Pfaden bewegen. Es kann Dinge erklären, die im größten Maßstab passieren, wie zum Beispiel die Bildung von Galaxien.
Es gibt nur ein Problem. Diese beiden Theorien sind nicht kompatibel. Soweit wir wissen, sind beide Theorien richtig. Aber sie scheinen nicht zusammenzuarbeiten. Und da die Physiker dies erkannten, suchten sie nach einer Lösung, die sie kombinieren könnte. Diese Entscheidung wurde die Große Einheitliche Theorie oder Theorie von Allem genannt.
Wissenschaftler sind an Theorien gewöhnt, die nur innerhalb bestimmter Grenzen funktionieren. Die Physiker hoffen, ihre Grenzen zu überwinden und zu erkennen, dass die Theorie der Quantenmechanik und die allgemeine Relativitätstheorie Teil der größeren Theorie sind, wie ein Flickenteppich. Die Stringtheorie ist ein Versuch, die Merkmale der allgemeinen Relativitätstheorie und der Theorie der Quantenmechanik nachzubilden. Die Vorhersagen lassen sich jedoch nur schwer durch Experimente überprüfen, sodass sie nicht bestätigt werden können.
Die Suche nach einer fundamentalen Theorie - einer Theorie, die alles erklären kann - geht weiter. Vielleicht werden wir sie nie finden. Aber wenn uns die Physik etwas gelehrt hat, dann ist das Universum wirklich wunderbar und es gibt immer Raum für neue Entdeckungen.
Laut einem Artikel von der Website listverse.com - übersetzt von Sergey Maltsev
