Нерешенные задачи физики – Актуальные проблемы теоретической физики: филосовские, научные, экологические

Содержание

Нерешённые проблемы современной физики — это… Что такое Нерешённые проблемы современной физики?

Приведён список нерешённых пробле́м совреме́нной фи́зики^[1]. Некоторые из этих проблем носят теоретический характер, что означает, что существующие теории оказываются неспособными объяснить определённые наблюдаемые явления или экспериментальные результаты. Другие проблемы являются экспериментальными, а это означает, что имеются трудности в создании эксперимента по проверке предлагаемой теории или по более подробному исследованию какого-либо явления.

Теоретические проблемы

Следующие проблемы являются либо фундаментальными теоретическими проблемами, либо теоретическими идеями, для которых отсутствуют экспериментальные данные. Некоторые из этих проблем тесно взаимосвязаны. Например, дополнительные измерения или суперсимметрия могут решить проблему иерархии. Считается, что полная теория квантовой гравитации способна ответить на бо́льшую часть из перечисленных вопросов (кроме проблемы острова стабильности).

Квантовая гравитация, космология, общая теория относительности

Распад метастабильного вакуума: Почему предсказанная масса квантового вакуума мало влияет на расширение Вселенной?
Квантовая гравитация: Можно ли квантовую механику и общую теорию относительности объединить в единую самосогласованную теорию (возможно, это квантовая теория поля)?^[2] Является ли пространство-время принципиально непрерывным или дискретным? Будет ли самосогласованная теория использовать гипотетический гравитон или она будет полностью продуктом дискретной структуры пространства-времени (как в петлевой квантовой гравитации)? Существуют ли отклонения от предсказаний ОТО для очень малых или очень больших масштабов или в других чрезвычайных обстоятельствах, которые вытекают из теории квантовой гравитации?
Чёрные дыры, исчезновение информации в чёрной дыре, излучение Хокинга: Производят ли чёрные дыры тепловое излучение, как это предсказывает теория? Содержит ли это излучение информацию об их внутренней структуре, как это предполагает дуальность тяготение-калибровочная инвариантность, или нет, как следует из оригинального расчета Хокинга? Если нет и чёрные дыры могут непрерывно испаряться, то что происходит с информацией, хранящейся в них (квантовая механика не предусматривает уничтожение информации)? Или излучение в какой-то момент остановится, когда от чёрной дыры мало что останется? Есть ли какой-либо другой способ исследования их внутренней структуры, если такая структура вообще существует?

Размерность пространства-времени: Существуют ли в природе дополнительные измерения пространства-времени, кроме известных нам четырёх? Если да, то каково их количество? Является ли размерность 3+1 (или более высокая) априорным свойством Вселенной или она является результатом других физических процессов, как предполагает, например, теория причинной динамической триангуляции? Можем ли мы экспериментально «наблюдать» высшие пространственные измерения? Справедлив ли голографический принцип, по которому физика нашего 3+1-мерного пространства-времени эквивалентна физике на гиперповерхности с размерностью 2+1?
Инфляционная модель Вселенной: Верна ли теория космической инфляции, и если да, то каковы подробные детали этой стадии? Что представляет собой гипотетическое инфлатонное поле, ответственное за рост инфляции? Если инфляция произошла в одной точке, является ли это началом самоподдерживающегося процесса за счёт инфляции квантово-механических колебаний, который будет продолжаться в совершенно другом, удалённом от этой точки месте?
Мультивселенная: Существуют ли физические причины существования других вселенных, которые принципиально ненаблюдаемы? Например: существуют ли квантовомеханические «альтернативные истории» или «множество миров»? Существуют ли «другие» вселенные с физическими законами, являющимися результатом альтернативных способов нарушения очевидной симметрии физических сил при высоких энергиях, расположенные, возможно, невероятно далеко из-за космической инфляции? Могли ли другие вселенные влиять на нашу, вызвав, например, аномалии в распределении температуры реликтового излучения^[3]? Является ли оправданным использование антропного принципа для решения глобальных космологических дилемм?
Принцип космической цензуры и гипотеза защиты хронологии: Могут ли сингулярности, не скрывающиеся за горизонтом событий и известные как «голые сингулярности», возникать из реалистичных начальных условий, или же можно доказать какую-то версию «гипотезы космической цензуры» Роджера Пенроуза, в которой предполагается, что это невозможно?^[4] Аналогично, будут ли замкнутые времениподобные кривые, которые возникают в некоторых решениях уравнений общей теории относительности (и которые предполагают возможность путешествия во времени в обратном направлении) исключены теорией квантовой гравитации, которая объединяет общую теорию относительности с квантовой механикой, как предполагает «гипотеза защиты хронологии» Стивена Хокинга?
Ось времени: Что могут сказать нам о природе времени явления, которые отличаются друг от друга хождением по времени вперёд и назад? Чем время отличается от пространства? Почему нарушения CP-инвариантности наблюдаются только в некоторых слабых взаимодействиях и более нигде? Являются ли нарушения CP-инвариантности следствием второго закона термодинамики или же они являются отдельной осью времени? Есть ли исключения из принципа причинности? Является ли прошлое единственно возможным? Является ли настоящий момент физически отличным от прошлого и будущего или это просто результат особенностей сознания? Как люди научились договариваться о том, что является настоящим моментом? (См. также ниже Энтропия (ось времени)).
Локальность: Существуют ли нелокальные явления в квантовой физике? Если существуют, не имеют ли они ограничения в передаче информации, или: может ли энергия и материя также двигаться по нелокальному пути? При каких условиях наблюдаются нелокальные явления? Что влечёт наличие или отсутствие нелокальных явлений для фундаментальной структуры пространства-времени? Как это связано с квантовой сцепленностью? Как это истолковать с позиций правильной интерпретации фундаментальной природы квантовой физики?
Будущее Вселенной: Движется ли Вселенная по направлению к Большому замерзанию, Большому разрыву, Большому сжатию или Большому отскоку? Является ли наша Вселенная частью бесконечно повторяющейся циклической модели?
Прошлое Вселенной: Если инфляционная теория развития Вселенной верна, то можно ли определить местоположение (точку) начала инфляционного процесса относительно настоящего положения солнечной системы?

Физика высоких энергий, физика элементарных частиц

Моделирование процесса обнаружения бозонов Хиггса на детекторе КМС в CERN

Механизм Хиггса: Существует ли частица Хиггса? Каковы последствия, если она не существует? Является ли она одной из многих?
Проблема иерархии: Почему гравитация является такой слабой силой? Она становится большой только в планковском масштабе, для частиц с энергией порядка 10¹⁹ГэВ, что гораздо выше электрослабого масштаба (в физике низких энергий доминирующей является энергия в 100 ГэВ). Почему эти масштабы так сильно отличаются друг от друга? Что мешает величинам электрослабого масштаба, таким как масса бозона Хиггса, получать квантовые поправки на масштабах порядка планковских? Являются ли решением этой проблемы суперсимметрия, дополнительные измерения или просто антропная тонкая настройка?
Магнитный монополь: Существовали ли частицы — носители «магнитного заряда» в какие-либо прошлые эпохи с более высокими энергиями? Если да, то есть ли какие-либо на сегодняшний день? (Поль Дирак показал, что наличие некоторых типов магнитных монополей могло бы объяснить квантование заряда.^[5])
Распад протона и Великое объединение: Как можно объединить три различных квантово-механических фундаментальных взаимодействия квантовой теории поля? Почему легчайший барион, являющийся протоном, абсолютно стабилен? Если же протон нестабилен, то каков его период полураспада?
Суперсимметрия: Реализована ли суперсимметрия пространства в природе? Если да, то каков механизм нарушения суперсимметрии? Стабилизирует ли суперсимметрия электрослабый масштаб, предотвращая высокие квантовые поправки? Состоит ли тёмная материя из лёгких суперсимметричных частиц?
Поколения материи: Существует ли более трёх поколений кварков и лептонов? Связано ли число поколений с размерностью пространства? Почему вообще существуют поколения? Существует ли теория, которая могла бы объяснить наличие массы у некоторых кварков и лептонов в отдельных поколениях на основании первых принципов (теория взаимодействия Юкавы)?
Фундаментальная симметрия и нейтрино: Какова природа нейтрино, какова их масса и как они формировали эволюцию Вселенной? Почему сейчас во Вселенной обнаруживается вещества больше, чем антивещества? Какие невидимые силы присутствовали на заре Вселенной, но исчезли из поля зрения в процессе развития Вселенной?

Ядерная физика

Квантовая хромодинамика: Каковы фазовые состояния сильно взаимодействующей материи и какую роль они играют в космосе? Каково внутреннее устройство нуклонов? Какие свойства сильно взаимодействующей материи предсказывает КХД? Что управляет переходом кварков и глюонов в пи-мезоны и нуклоны? Какова роль глюонов и глюонного взаимодействия в нуклонах и ядрах? Что определяет ключевые особенности КХД и каково их отношение к природе гравитации и пространства-времени?
Атомное ядро и ядерная астрофизика: Какова природа ядерных сил, которая связывает протоны и нейтроны в стабильные ядра и редкие изотопы? Какова причина соединения простых частиц в сложные ядра? Какова природа нейтронных звёзд и плотной ядерной материи? Каково происхождение элементов в космосе? Что такое ядерные реакции, которые движут звёзды и приводят к их взрывам?
Остров стабильности: Какое самое тяжёлое из стабильных или метастабильных ядер может существовать?

Другие проблемы

Квантовая механика и принцип соответствия (иногда называемый квантовым хаосом): Есть ли предпочтительные интерпретации квантовой механики? Как квантовое описание реальности, которое включает в себя такие элементы, как квантовая суперпозиция состояний и коллапс волновой функции или квантовая декогеренция, приводят к реальности, которую мы видим? Сформулировать то же самое можно с помощью проблемы измерения: что представляет собой «измерение», которое заставляет волновую функцию сваливаться в определённое состояние?
Физическая информация: Существуют ли физические феномены, такие как чёрные дыры или коллапс волновой функции, которые безвозвратно уничтожают информацию о своих предшествующих состояниях?
Теория всего («Теории Великого объединения»): Существует ли теория, которая объясняет значения всех фундаментальных физических констант?^[6] Существует ли теория, которая объясняет, почему калибровочная инвариантность стандартной модели такая, как она есть, почему наблюдаемое пространство-время имеет 3 + 1 измерения, и поэтому законы физики таковы, как они есть? Меняются ли с течением времени «фундаментальные физические константы»? Являются ли какие-нибудь частицы в стандартной модели физики элементарных частиц на самом деле состоящими из других частиц, связанных настолько сильно, что их невозможно наблюдать при современных экспериментальных энергиях? Существуют ли фундаментальные частицы, которые ещё не наблюдались, и если да, то какие они и каковы их свойства? Существуют ли ненаблюдаемые фундаментальные силы, которые предполагает теория, объясняющие другие нерешённые проблемы физики?
Калибровочная инвариантность: Существуют ли реально неабелевы калибровочные теории со щелью в спектре масс?

Эмпирические явления без чёткого научного объяснения

Космология и астрономия

Существование Вселенной: Каково происхождение материи, энергии и пространства-времени, сформировавших Вселенную/Мультивселенную?
Барионная асимметрия Вселенной: Почему в наблюдаемой Вселенной существует гораздо больше материи, чем антиматерии?
Проблема космологической постоянной: Почему нулевая энергия вакуума не приводит к большому значению космологической постоянной? Что отменяет эту зависимость?

Оценочное распределение темной материи и темной энергии во вселенной. 74% — темная энергия, 22% темная материя, 3,6 % межгалактический газ, 0,4% — наблюдаемые звезды.

Тёмная энергия: Что является причиной наблюдаемого ускоренного расширения Вселенной (фаза де Ситтера)? Почему плотность энергии тёмной компоненты энергии — величина того же порядка, что и плотность вещества в настоящее время, тогда как эти два феномена с течением времени развивались совершенно по-разному? Может быть, это потому, что мы ведём наблюдения в нужное время? Является ли тёмная энергия космологической константой, или же она является динамическим полем — некой квинтэссенцией, такой как фантомная энергия?
Тёмная материя: Что такое тёмная материя?^[7] Связана ли она с суперсимметрией? Связан ли феномен тёмной материи с той или иной формой материи, или это на самом деле является расширением гравитации?

Тёмный поток: Что является причиной согласованного движения большой группы скоплений галактик к одной точке Вселенной?^[9]
Энтропия (направление времени): Почему Вселенная имела такую низкую энтропию в прошлом, приведшую в результате к различию между прошлым и будущим и вторым законом термодинамики?
Проблема горизонта: Почему удалённая от нас часть Вселенной так однородна, тогда как теория Большого взрыва предсказывает измеримую анизотропию небесной сферы больше, чем она наблюдается? Возможным подходом к решению являются гипотезы инфляции и переменной скорости света.
Изотропия реликтового излучения: Некоторые общие особенности микроволнового излучения неба на расстояниях более 13 миллиардов световых лет, по всей видимости, говорят о наличии как движения, так и ориентации Солнечной системы. Является ли это следствием систематических ошибок обработки, загрязнением результатов локальными эффектами или необъяснимым нарушением принципа Коперника?
Форма Вселенной: Что такое 3-многообразие сопутствующего пространства, то есть сопутствующее пространственное сечение Вселенной, неофициально называемое «формой» Вселенной? Ни её кривизна, ни топология в настоящее время неизвестны, хотя кривизна скорее всего «близка» к нулю на наблюдаемых масштабах. Гипотеза космической инфляции предполагает, что форма Вселенной может быть неизмеримой, но с 2003 года команда Жана-Пьера Люмине и другие группы полагают, что Вселенная может иметь форму додекаэдрического пространства Пуанкаре. Является ли форма Вселенной неизмеримой, представляет собой пространство Пуанкаре или имеет другое 3-многообразие?
Гравитационные волны: Можно ли гравитационные волны обнаружить экспериментально?^[10]^[11]

Физика высоких энергий, физика элементарных частиц

Нарушение симметрии электрослабого взаимодействия: Каков механизм, ответственный за нарушение электрослабой калибровочной симметрии, дающий массу W и Z бозонам? Является ли он простым механизмом Хиггса Стандартной модели^[12] или же природа использует сильную динамику при нарушении электрослабой симметрии, как это предлагается в теории техниколор?
Масса нейтрино: Какой механизм отвечает за генерацию массы нейтрино? Является ли нейтрино античастицей самой себе? Или это и есть античастица, которая просто не может соединиться и аннигилировать с нормальной частицей из-за её нестабильного состояния?
Отношение инерциальная масса/гравитационная масса для элементарных частиц: В соответствии с принципом эквивалентности общей теории относительности, отношение инертной массы к гравитационной для всех элементарных частиц равно единице. Однако, экспериментального подтверждения этого закона для многих частиц не существует. В частности, мы не знаем, каков будет вес макроскопического куска антивещества известной массы.
Кризис спина протона: По первоначальной оценке Европейской группы по мюонному сотрудничеству, на три основных («валентных») кварка протона приходится около 12 % от общего объёма спина. Можно ли пересчитать остаток глюонов, которые связывают кварки, а также образуют «море» пар кварков, которые постоянно создаются и аннигилируют?
Квантовая хромодинамика (КХД) в непертурбативном режиме: Уравнения КХД остаются нерешёнными на энергетических масштабах, соответствующих описанию атомных ядер, и, среди прочего, в основном численные подходы, кажется, начинают давать ответы на этот предельный случай. Подходит ли КХД для описания физики ядра и его компонентов?
Удержание цвета: Почему никогда не были зафиксированы свободный кварк или глюон, а только объекты, построенные из них, например, мезоны и барионы? Каким образом эти явления вытекают из КХД?
Сильная CP-проблема и аксионы: Почему сильное ядерное взаимодействие инвариантно к чётности и зарядовому сопряжению? Является ли теория Печчеи — Квинн решением этой проблемы?
Гипотетические частицы: Какие из гипотетических частиц, предсказываемых суперсимметричной теорией и другими известными теориями, на самом деле существуют в природе?

Астрономия и астрофизика

Струи аккреционных дисков: Почему некоторые астрономические объекты, окружённые аккреционным диском, такие как активные ядра галактик, испускают релятивистские струи, излучаемые вдоль полярной оси? Почему у многих аккреционных дисков существуют квази-периодические колебания? Почему период этих колебаний имеет масштаб, обратно пропорциональный массе центрального объекта? Почему иногда существуют обертоны, и почему у разных объектов обертоны имеют различные соотношения частоты?
Проблема нагрева короны: Почему солнечная корона (атмосферный слой Солнца) намного горячее, чем поверхность Солнца? Почему магнитное пересоединение совершается на много порядков быстрее, чем предсказывают стандартные модели?
Гамма-всплески: Каково происхождение этих краткосрочных всплесков высокой интенсивности?^[13]
Сверхмассивные чёрные дыры: Какова причина отношения М-сигма между массой сверхмассивной чёрной дыры и дисперсией скорости галактики?^[14]
Наблюдаемые аномалии: Аномалия «Гиппарха»: Каково фактическое расстояние до Плеяд?; Аномалия «Пионеров»^[7]: Что вызывает небольшое дополнительное ускорение в направлении Солнца космических аппаратов «Пионер»?^[15]^[16] (Проблема решена в 2012 году); Аномалия сближения: Почему наблюдаемая энергия спутников, совершающих гравитационный манёвр, отличается от предсказываемых теорией значений?; Проблема вращения галактик: Является ли тёмная материя ответственной за различия в наблюдаемых и теоретических скоростях вращения звёзд вокруг центра галактик, или же причина в чём-то ином?
Сверхновые: Каков точный механизм, посредством которого имплозии умирающих звёзд становятся взрывом?
Космические лучи сверхвысоких энергий^[7]: Почему некоторые космические лучи обладают невероятно высокой энергией (так называемые частицы OMG), учитывая, что вблизи Земли нет источников космических лучей с такой энергией? Почему некоторые космические лучи, испускаемые далёкими источниками, имеют энергию выше предела Грайзена-Зацепина-Кузьмина?^[17]^[18]
Замедление времени пульсара: Почему выбросы пульсаров на больших космологических расстояниях не проявляют предсказанное свойство замедления времени?
Скорость вращения Сатурна: Почему магнитосфера Сатурна проявляет (медленно меняющуюся) периодичность, близкую к той, на которой вращаются облака планеты? Какова истинная скорость вращения глубоких внутренних слоёв Сатурна?^[19]

Физика конденсированного состояния

Аморфные тела: Какова природа перехода между жидкой или твёрдой и стекловидной фазами? Какие физические процессы приводят к основным свойствам стекла?^[20]^[21]
Холодный ядерный синтез: Каково объяснение спорных докладов об избыточном тепле, излучении и трансмутациях?^[7]^[22]^[23]
Криогенная электронная эмиссия: Почему в отсутствие света увеличивается эмиссия электронов фотоэлектронного умножителя при уменьшении его температуры?^[24]^[25]
Высокотемпературная сверхпроводимость: Каков механизм, вызывающий у некоторых материалов проявление сверхпроводимости при температурах намного выше 50 градусов Кельвина?^[26]
Сонолюминесценция: Что является причиной выброса коротких вспышек света при схлопывании пузырьков жидкости, возбуждённых звуком?^[27]
Турбулентность: Можно ли создать теоретическую модель для описания статистики турбулентного потока (в частности, для его внутренней структуры)?^[28] При каких условиях существует гладкое решение уравнений Навье-Стокса? Это, вероятно, последняя нерешённая проблема классической или ньютоновской физики.
Шаровая молния: Какова природа этого явления? Является ли шаровая молния самостоятельным объектом или подпитывается энергией извне? Все ли шаровые молнии имеют одну и ту же природу или существуют разные их типы?

Биофизика

Синаптическая пластичность: Она необходима для вычислительной и физической моделей мозга, но чем это обусловлено и какую роль она играет в процессах более высокого порядка вне гиппокампа и зрительной коры?
Аксональное наведение: Как аксоны, исходящие из нейронов, находят свои цели? Этот процесс имеет решающее значение для развития нервной системы, в частности, в вопросе формирования структуры соединений в мозге.
Случайность и устойчивость к шуму при экспрессии генов: Как гены управляют нашим телом, выдерживая различные внешние воздействия и внутреннюю стохастичность? Существуют различные модели генетических процессов, но мы далеки от понимания всей картины, в частности, в морфогенезе, в котором экспрессия генов должна жёстко регулироваться.
Количественное исследование иммунной системы: Каковы количественные свойства иммунных реакций? Каковы основные строительные блоки иммунной системы? Какую роль играет стохастичность?

Проблемы, решённые за последние десятилетия

Аномалия «Пионеров» (2012)^[7]: Что вызывает небольшое дополнительное ускорение в направлении Солнца космических аппаратов «Пионер»?^[15]^[16] Считается, что это является следствием ранее не учитываемой отдачи тепловых сил.^[29]^[30]
Продолжительные гамма-всплески (2003): Продолжительные гамма-всплески связаны со смертью массивных звёзд в некоторых специфических случаях вспышек типа сверхновой, известных как гиперновые звезды.
Проблема солнечных нейтрино (2002): Новое понимание физики нейтрино, требующее модификации стандартной модели физики элементарных частиц, в частности, нейтринных осцилляций.
Возрастной кризис (1990-е): Оценка возраста Вселенной от 3 до 8 миллиардов лет была меньше, чем оценка возраста самых старых звёзд в нашей галактике. Уточнение оценок расстояния до звёзд и введение тёмной энергии в космологическую модель позволили повысить оценку возраста Вселенной.
Квазары (1980-е): На протяжении десятилетий природа квазаров была непонятна^[31]. Сейчас они рассматриваются как разновидность активных ядер галактик, которые излучают огромную энергию за счёт материи, падающей в массивную чёрную дыру в центре галактики^[32].

Примечания

↑ Гинзбург И. Ф. «Нерешённые проблемы фундаментальной физики» УФН 179 525—529 (2009)
↑ Alan Sokal (July 22, 1996), ««Don’t Pull the String Yet on Superstring Theory»», New York Times, <http://query.nytimes.com/gst/fullpage.html?res=9D0DE7DB1639F931A15754C0A960958260>
↑ First observational test of the ‘multiverse’ (англ.). University College London (8 March 2011). Архивировано из первоисточника 10 декабря 2012. Проверено 27 ноября 2012.
↑ Joshi, Pankaj S. (January 2009), ««Do Naked Singularities Break the Rules of Physics?»», Scientific American, <http://www.sciam.com/article.cfm?id=naked-singularities>
↑ Paul Dirac, «Quantised Singularities in the Electromagnetic Field». Proc. Roy. Soc. (London) A 133, 60 (1931). Free web link
↑ Open Questions, Particle Physics, item 12
↑ ¹ ² ³ ⁴ ⁵ 13 things that do not make sense newscientistspace, 19 March 2005, Michael Brooks
↑ Steinardt, Paul (1997), «Cosmological Challenges For the 21st Century», in Val Fitch et. al., «», Critical problems in physics: proceedings of a conference celebrating the 250th anniversary of Princeton University, Princeton, New Jersey: Princeton University Press, сс. 138–140, ISBN 978-0-691-05784-2
↑ «Dark Flow» Discovered at Edge of the Universe: Hundreds of Millions of Stars Racing Towards a Cosmic Hotspot. Dailygalaxy.com (2009-08-26).
↑ National Research Council Gravitation, Cosmology, and Cosmic-Ray Physics. — Washington, D. C.: National Academies Press, 1986. — ISBN 0-309-03579-1
↑ Paulson, Tom. Catching a cosmic wave of gravity (May 27, 2002). Проверено 10 апреля 2012.
↑ Open Questions, Particle Physics, item 6
↑ Open Questions, Cosmology and Astrophysics, item 11
↑ Ferrarese, Laura & Merritt, David, ««A Fundamental Relation between Supermassive Black Holes and their Host Galaxies»», The Astrophysical Journal Т. 539: L9-L12, <http://adsabs.harvard.edu/abs/2000ApJ…539L…9F>
↑ ¹ ² Open Questions, Particle Physics, item 13
↑ ¹ ² newscientistspace item 8
↑ Open Questions, Cosmology and Astrophysics, item 12
↑ newscientistspace item 3
↑ Scientists Find That Saturn’s Rotation Period is a Puzzle. NASA (June 28, 2004). Архивировано из первоисточника 21 августа 2011. Проверено 22 марта 2007.
↑ Kenneth Chang (July 29, 2008), ««The Nature of Glass Remains Anything but Clear»», The New York Times, <http://www.nytimes.com/2008/07/29/science/29glass.html>
↑ «The deepest and most interesting unsolved problem in solid state theory is probably the theory of the nature of glass and the glass transition.» P.W. Anderson (1995), ««Through the Glass Lightly»», Science Т. 267: 1615
↑ John R. Vacca (2004), «The World’s 20 Greatest Unsolved Problems», Prentice Hall, ISBN 9780131426436, <http://books.google.com/books?id=ouMmAAAACAAJ>
↑ Feder, T. & John, O. (2004), ««»», Physics Today: 27, doi:10.1063/1.1881896, <http://www.physicstoday.com/pt/vol-58/iss-1/PDF/vol58no1p31a.pdf>
↑ Cryogenic electron emission phenomenon has no known physics explanation
↑ DOI:10.1209/0295-5075/89/58001
↑ Open Questions, Condensed Matter and Nonlinear Dynamics, item 2
↑ ««»», Proceedings: Mathematical, physical, and engineering sciences (Royal Society) . — Т. 453, 1997
↑ Open Questions, Condensed Matter and Nonlinear Dynamics
↑ Turyshev, S.; Toth, V.; Kinsella, G.; Lee, S. C.; Lok, S.; Ellis, J. (2012). «Support for the Thermal Origin of the Pioneer Anomaly». Physical Review Letters 108 (24).
↑ http://www.nytimes.com/2012/07/24/science/mystery-tug-on-pioneer-10-and-11-probes-is-einsteins-i-told-you-so.html?
↑ MKI и открытие квазаров. Обсерватория Jodrell Bank (англ.)
↑ Съёмки квазаров телескопом Хаббла. (англ.)

Ссылки

dic.academic.ru

почему гравитация такая слабая? / Habr

Наша Стандартная модель элементарных частиц и взаимодействий не так давно стала настолько полной, насколько вообще можно было желать. Все до единой элементарные частицы – во всех их возможных видах – создали в лаборатории, измерили, и для всех определили свойства. Дольше всех державшиеся верхний кварк, антикварк, тау-нейтрино и антинейтрино, и, наконец, бозон Хиггса, пали жертвами наших возможностей.

А последняя – бозон Хиггса – ещё и решила старую задачу физики: наконец, мы можем продемонстрировать, откуда элементарные частицы берут свою массу!

Это всё круто, но наука-то не заканчивается в момент окончания решения этой загадки. Наоборот, она поднимает важные вопросы, и один из них, это «а что дальше?». Насчёт Стандартной модели можно сказать, что мы ещё не всё знаем. И для большинства физиков один из вопросов особенно важен – для его описания давайте сначала рассмотрим следующее свойство Стандартной модели.

С одной стороны, слабое, электромагнитное и сильное взаимодействие могут быть очень важны, в зависимости от их энергий и расстояний, на которых происходит взаимодействие. Но с гравитацией всё не так.

Если вдруг вы читали эту прекрасную книгу автора Лизы Рэндал, она очень много написала про эту загадку, которую я бы назвал величайшей нерешённой проблемой теоретической физики: про проблему иерархии.

Мы можем взять две любых элементарных частицы – любой массы и подверженной любым взаимодействиям – и обнаружить, что гравитация на 40 порядков слабее, чем любая другая сила во Вселенной. Это значит, что сила гравитации в 10⁴⁰ раз слабее трёх оставшихся сил. К примеру, хотя они и не фундаментальные, но если вы возьмёте два протона и разнесёте их на метр, электромагнитное отталкивание между ними будет в 10⁴⁰ раз сильнее, чем гравитационное притяжение. Или, иными словами, нам нужно увеличить силу гравитации в 10 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 раз, чтобы сравнять её с любой другой из сил.

При этом нельзя просто увеличить массу протона в 10²⁰ раз, чтобы гравитация стянула их вместе, преодолевая электромагнитную силу.

Вместо этого для того, чтобы реакции вроде той, что проиллюстрирована выше, происходили спонтанно, когда протоны преодолевают их электромагнитное отталкивание, вам нужно собрать вместе 10⁵⁶ протонов. Только собравшись вместе и поддавшись силе гравитации, они смогут преодолеть электромагнетизм. Оказывается, что 10⁵⁶ протонов как раз составят минимальную возможную массу звезды.

Это описание того, как работает Вселенная – но почему она такая, мы не знаем. Почему гравитация настолько слабее остальных взаимодействий? Почему «гравитационный заряд» (т.е. масса) настолько слабее электрического или цветового, или даже слабого?

Вот в этом и состоит проблема иерархии, и она, по многим причинам, служит величайшей нерешённой проблемой физики. Ответ нам неизвестен, но нельзя сказать, что мы находимся в полном неведении. Теоретически у нас есть несколько хороших идей по поводу поиска решения, и инструмент для поиска доказательств их правильности.

Пока что Большой адронный коллайдер – самый высокоэнергетический из коллайдеров – достигал беспрецедентных уровней энергии в лабораторных условиях, собирал кучу данных и воссоздавал происходящее в точках столкновения. Сюда входят и создание новых, доселе невиданных частиц (таких, как бозон Хиггса), и появление старых, всем известных частиц Стандартной модели (кварки, лептоны, калибровочные бозоны). Также он способен, в случае их существования, произвести любые другие частицы, не входящие в Стандартную модель.

Существует четыре возможных способа, известных мне – то есть, четыре хороших идеи – решения проблемы иерархии. Хорошие новости в том, что если природа выбрала какой-то один из них, то БАК его найдёт! (А если нет, поиски продолжатся).

Кроме бозона Хиггса, найденного несколько лет назад, никаких новых фундаментальных частиц на БАК не нашли. (Более того, вообще не наблюдается никаких интригующих новых кандидатов в частицы). И ещё, найденная частица полностью соответствовала описанию Стандартной модели; никаких статистически важных намёков на новую физику замечено не было. Ни на композитные бозоны Хиггса, ни на множественные хиггсовские частицы, ни на нестандартные распады, ничего такого.

Но теперь мы начали получать данные от ещё более высоких энергий, в два раза больше предыдущих, до 13-14 ТэВ, чтобы найти что-нибудь ещё. И какие же в данном ключе есть возможные и разумные решения проблемы иерархии?

1) Суперсимметрия, или SUSY. Суперсимметрия – особая симметрия, способная заставить нормальные массы любых частиц, достаточно крупных для того, чтобы гравитация была сравнима с другими воздействиями, взаимно уничтожиться с большой степенью точности. Эта симметрия также предполагает, что у каждой частицы в стандартной модели есть суперчастица-партнёр, и что существует пять частиц Хиггса и пять их суперпартнёров. Если такая симметрия существует, она, должно быть, нарушена, или у суперпартнёров были бы такие же массы, как у обычных частиц, и их бы уже давно нашли.

Если SUSY существует на подходящем для решения проблемы иерархии масштабе, то БАК, дойдя до энергий в 14 ТэВ, должен найти хотя бы одного суперпартнёра, а также вторую частицу Хиггса. Иначе существование очень тяжёлых суперпартнёров само по себе приведёт ещё к одной проблеме иерархии, у которой не будет хорошего решения. (Что интересно, отсутствие SUSY-частиц на всех энергиях опровергнет теорию струн, поскольку суперсимметрия – это необходимое условие для теорий струн, содержащих стандартную модель элементарных частиц).

Вот вам первое возможное решение проблемы иерархии, у которого в настоящий момент нет никаких доказательств.

2) Техницвет (Technicolor). Нет, то не система цветового кино из 1950-х, это физический термин для обозначения теорий, требующих новых калибровочных взаимодействий, и либо не имеющих хиггсовских частиц, либо имеющих нестабильные или ненаблюдаемые (т.е. композитные) хиггсовские частицы. Если бы техницвет подтвердился, ему бы тоже потребовался новый и интересный набор наблюдаемых частиц. В принципе, эта система могла бы быть решением нашей проблемы, но недавнее открытие частицы спина ноль на нужном уровне энергии, судя по всему, опровергает это возможное решение. Вот если бы эта хиггсовская частица оказалась бы не фундаментальной, а композитной, сделанной из нескольких фундаментальных, это бы помогло теории остаться приемлемым решением. Будущей проверки на БАК на энергиях в 13-14 ТэВ будет достаточно, чтобы узнать это наверняка.

Есть ещё две возможности, одна из них более многообещающая, но обе они включают дополнительные измерения.

3) Свёрнутые дополнительные измерения. Эта теория, введённая упомянутой уже Лизой Рэндал [Lisa Randall] вместе с Раманом Сандрамом [Raman Sundrum], постулирует, что гравитация, на самом деле, такая же сильная, как и остальные воздействия, но только не во Вселенной с тремя пространственными измерениями. Она обитает в другой Вселенной с тремя пространственными измерениями, сдвинутой относительно нашей всего на 10^-31 метров в четвёртом пространственном измерении (или, как изображено на диаграмме выше, в пятом измерении, при включении времени). Эта теория интересна, поскольку такая система была бы стабильной и могла бы предложить объяснение того, почему Вселенная так быстро расширялась в самом начале (а свёрнутое пространство-время способно на такое), поэтому у неё есть сильные преимущества.

В неё также должен входить дополнительный набор частиц; не суперсимметричных, а частиц Калуцы-Клейна, и это является следствием наличия дополнительных измерений. Кстати, в космическом эксперименте был получен намёк на существование частиц Калуцы-Клейна при энергиях в 600 ГэВ, или с массой в 5 раз больше, чем у Хиггса. И, хотя на текущих коллайдерах такие энергии пока не достигаются, новый БАК должен будет суметь создать такие частицы в изобилии, если они существуют.

Но существование этой новой частицы не гарантировано, поскольку полученный сигнал – всего лишь избыток наблюдавшихся электронов по сравнению с ожидаемым фоном. Но её нужно иметь в виду, поскольку, когда БАК разгонится до максимальных энергий, почти все частицы массой ниже 1000 ГэВ должны будут оказаться в пределах его досягаемости.

И, наконец…

4) Большие дополнительные измерения. Дополнительные измерения могут быть не свёрнутыми, а большими, но большими только по сравнению со свёрнутыми, размер которых составляет 10^-31 м. «Большие» измерения должны быть миллиметровых размеров, поэтому новые частицы должны начать появляться в пределах возможностей БАК. Опять-таки, могут проявиться и частицы Калуцы-Клейна, и это может стать возможным решением проблемы иерархии.

Но одним следствием этой модели будет то, что гравитация будет сильно отклоняться от ньютоновской на расстояниях меньше миллиметра, а проверить это очень нелегко. Современные экспериментаторы, тем не менее, уже готовы принять вызов.

Имеется возможность создать крохотные сверхохлаждённые кронштейны, наполненные пьезоэлектрическими кристаллами (вырабатывающими электроэнергию при деформации), с расстояниями между ними порядка микронов. Эта технология позволяет нам наложить на «большие» измерения ограничения в 5-10 микрон. Иначе говоря, гравитация работает согласно предсказаниям ОТО на масштабах гораздо меньших миллиметра. Так что если и существуют большие дополнительные измерения, они находятся на уровнях энергий, недоступных для БАК, и что более важно, не решают проблему иерархии.

Конечно, для проблемы иерархии может найтись совершенно другое решение, которое на современных коллайдерах не найти, или решения ей вообще нет; это просто может быть свойство природы безо всякого объяснения для него. Но наука не будет продвигаться без попыток, и именно это пытаются делать эти идеи и поиски: продвигать наши знания о Вселенной вперёд. И, как всегда, с началом второго запуска БАК я с нетерпением ожидаю того, что там может появиться, кроме уже открытого бозона Хиггса!

habr.com

Проблемы физики. Пять нерешенных проблем науки

Проблемы физики

Какова природа света?

Свет в некоторых случаях ведет себя подобно волне, а во многих других — сродни частице. Спрашивается: что же он такое? Ни то, ни другое. Частица и волна — лишь упрощенное представление о поведении света. На самом же деле свет не частица и не волна. Свет оказывается сложнее того образа, что рисуют эти упрощенные представления.

Каковы условия внутри черных дыр?

Черные дыры, рассматриваемые в гл. 1 и 6, обычно представляют собой сжимающиеся ядра больших звезд, переживших взрыв в виде сверхновой. У них такая огромная плотность, что даже свет не в состоянии покинуть их недра. Ввиду огромного внутреннего сжатия черных дыр к ним неприменимы обычные законы физики. А поскольку ничто не может покинуть черных дыр, недоступно и проведение каких-либо опытов для проверки тех или иных теорий.

Сколько измерений присуще Вселенной и можно ли создать «теорию всего сущего»?

Как говорилось в гл. 2, пытающиеся потеснить стандартную модель теории, возможно, в итоге прояснят число измерений, а также преподнесут нам «теорию всего сущего». Но пусть вас не вводит в заблуждение название. Если «теория всего сущего» и даст ключ к пониманию природы элементарных частиц, внушительный список нерешенных проблем — залог того, что подобная теория оставит без ответа еще много важных вопросов. Подобно слухам о смерти Марка Твена, слухи о кончине науки с приходом «теории всего сущего» слишком преувеличены.

Возможно ли путешествие во времени?

Теоретически общая теория относительности Эйнштейна допускает такое путешествие. Однако нужное при этом воздействие на черные дыры и их теоретических собратьев, «кротовые норы»,[30] потребует огромных затрат энергии, значительно превосходящих наши нынешние технические возможности. Толковое описание путешествия во времени дается в книгах Митио Каку Гиперпространство (1994) и Образы (1997) и на сайтеhttp://mkaku. org

Удастся ли обнаружить гравитационные волны?

Некоторые обсерватории заняты поиском свидетельств существования гравитационных волн. Если такие волны удастся найти, данные колебания самой пространственно-временной структуры будут указывать на происходящие во Вселенной катаклизмы вроде взрыва сверхновых, столкновений черных дыр, а возможно, еще неведомых событий. За подробностями обращайтесь к статье У. Уэйта Гиббса «Пространственно-временная рябь».

Каково время жизни протона?

Некоторые теории, не укладывающиеся в рамки стандартной модели (см. гл. 2), предсказывают распад протона, и для обнаружения такого распада было сооружено несколько детекторов. Хотя самого распада пока не наблюдалось, нижняя граница периода полураспада у протона оценивается величиной 10³² лет (значительно превышающей возраст Вселенной). С появлением более чувствительных датчиков, возможно, удастся обнаружить распад протона или же придется отодвинуть нижнюю границу периода его полураспада.

Возможны ли сверхпроводники при высокой температуре?

Сверхпроводимость появляется при падении у металла электрического сопротивления до нуля. В таких условиях установившийся в проводнике электрический ток течет без потерь, которые свойственны обычному току при прохождении в проводниках вроде медного провода. Явление сверхпроводимости впервые наблюдалось при крайне низкой температуре (чуть выше абсолютного нуля, — 273 °C). В 1986 году ученым удалось сделать сверхпроводящими материалы при температуре кипения жидкого азота (—196 °C), что уже допускало создание промышленных изделий. Механизм данного явления понят еще не до конца, но исследователи пытаются добиться сверхпроводимости при комнатной температуре, что позволит уменьшить потери электроэнергии.

Поделитесь на страничке

Следующая глава >

fis.wikireading.ru

Нерешённые проблемы современной физики — Большое счастье маленькой еврейки — ЖЖ

Приведён список нерешённых пробле́м совреме́нной фи́зики.[1] Некоторые из этих проблем носят теоретический характер, что означает, что существующие теории оказываются неспособными объяснить определённые наблюдаемые явления или экспериментальные результаты. Другие проблемы являются экспериментальными, а это означает, что имеются трудности в создании эксперимента по проверке предлагаемой теории или по более подробному исследованию какого-либо явления.

Теоретические проблемыСледующие проблемы являются либо фундаментальными теоретическими проблемами, либо теоретическими идеями, для которых отсутствуют экспериментальные данные. Некоторые из этих проблем тесно взаимосвязаны. Например, дополнительные измерения или суперсимметрия могут решить проблему иерархии. Считается, что полная теория квантовой гравитации способна ответить на большинство из этих проблем (кроме проблемы острова стабильности).

Квантовая гравитация, космология, общая теория относительностиРаспад метастабильного вакуума
Почему предсказанная масса квантового вакуума мало влияет на расширение Вселенной?
Квантовая гравитация
Можно ли квантовую механику и общую теорию относительности объединить в единую самосогласованную теорию (возможно, это квантовая теория поля)?[2] Является ли пространство-время принципиально непрерывным или дискретным? Будет ли самосогласованная теория использовать гипотетический гравитон или она будет полностью продуктом дискретной структуры пространства-времени (как в петлевой квантовой гравитации)? Существуют ли отклонения от предсказаний ОТО для очень малых или очень больших масштабов или в других чрезвычайных обстоятельствах, которые вытекают из теории квантовой гравитации?
Чёрные дыры, исчезновение информации в чёрной дыре, излучение Хокинга
Производят ли чёрных дыры тепловое излучение, как это предсказывает теория? Содержит ли это излучение информацию об их внутренней структуре, как это предполагает дуальность тяготение-калибровочная инвариантность, или нет, как следует из оригинального расчета Хокинга? Если нет и чёрные дыры могут непрерывно испаряться, то что происходит с информацией, хранящейся в них (квантовая механика не предусматривает уничтожение информации)? Или излучение в какой-то момент остановится, когда от чёрной дыры мало что останется? Есть ли какой-либо другой способ исследования их внутренней структуры, если такая структура вообще существует?
Дополнительные измерения
Существуют ли в природе дополнительные измерения пространства-времени, кроме известных нам четырёх? Если да, то каково их количество? Является ли размерность фундаментальным свойством Вселенной или она является результатом других физических законов? Можем ли мы экспериментально «наблюдать» высшие пространственные измерения?
Инфляционная модель Вселенной
Верна ли теория космической инфляции, и если да, то каковы подробные детали этой стадии? Что такое гипотетическое инфлатонное поле, ответственное за рост инфляции? Если инфляция произошла в одной точке, является ли это началом самоподдерживающегося процесса за счёт инфляции квантово-механических колебаний, который будет продолжаться в совершенно другом, удалённом от этой точки месте?
Мультивселенная
Существуют ли физические причины существования других вселенных, которые принципиально ненаблюдаемы? Например: существуют ли квантово-механические «альтернативные истории» или «множество миров»? Существуют ли «другие» вселенные с физическими законами, являющимися результом альтернативных способов нарушения очевидной симметрии физических сил при высоких энергиях, расположенные, возможно, невероятно далеко из-за космической инфляции? Является ли оправданным использование антропного принципа для решения глобальных космологических дилемм?
Принцип космической цензуры и гипотеза защиты хронологии
Могут ли сингулярности, не скрывающиеся за горизонтом событий и известные как «голые сингулярности», возникать из реалистичных начальных условий, или же можно доказать какую-то версию «гипотезы космической цензуры» Роджера Пенроуза, в которой предполагается, что это невозможно?[3] Аналогично, будут ли замкнутые времениподобные кривые, которые возникают в некоторых решениях уравнений общей теории относительности (и которые предполагают возможность путешествия во времени в обратном направлении) исключены теорией квантовой гравитации, которая объединяет общую теорию относительности с квантовой механикой, как предполагает «гипотеза защиты хронологии» Стивена Хокинга?
Ось времени
Что могут сказать нам о природе времени явления, которые отличаются друг от друга хождением по времени вперёд и назад? Чем время отличается от пространства? Почему нарушения CP-инвариантности наблюдаются только в некоторых слабых взаимодействиях и более нигде? Являются ли нарушения CP-инвариантности следствием второго закона термодинамики или же они являются отдельной осью времени? Есть ли исключения из принципа причинности? Является ли прошлое единственно возможным? Является ли настоящий момент физически отличным от прошлого и будущего или это просто результат особенностей сознания? Как люди научились договариваться о том, что является настоящим моментом? (См. также ниже Энтропия (ось времени)).
Локальность
Существуют ли нелокальные явления в квантовой физике? Если существуют, не имеют ли они ограничения в передаче информации, или: может ли энергия и материя также двигаться по нелокальному пути? При каких условиях наблюдаются нелокальные явления? Что влечёт наличие или отсутствие нелокальных явлений для фундаментальной структуры пространства-времени? Как это связано с квантовой сцепленностью? Как это истолковать с позиций правильной интерпретации фундаментальной природы квантовой физики?
Будущее вселенной
Движется ли Вселенная по направлению к Большому замерзанию, Большому разрыву, Большому сжатию или Большому отскоку? Является ли наша Вселенная частью бесконечно повторяющейся циклической модели?
Физика высоких энергий, физика элементарных частицМеханизм Хиггса
Существует ли частица Хиггса? Каковы последствия, если она не существует? Является ли она одной из многих?
Проблема иерархии
Почему гравитация является такой слабой силой? Она становится большой только в планковском масштабе, для частиц с энергией порядка 1019 ГэВ, что гораздо выше электрослабого масштаба (в физике низких энергий доминирующей является энергия в 100 ГэВ). Почему эти масштабы так сильно отличаются друг от друга? Что мешает величинам электрослабого масштаба, таким как масса бозона Хиггса, получать квантовые поправки на масштабах порядка планковских? Являются ли решением этой проблемы суперсимметрия, дополнительные измерения или просто антропная тонкая настройка?
Магнитный монополь
Существовали ли частицы — носители «магнитного заряда» в какие-либо прошлые эпохи с более высокими энергиями? Если да, то есть ли какие-либо на сегодняшний день? (Поль Дирак показал,что наличие некоторых типов магнитных монополей могло бы объяснить квантования заряда.[4])
Распад протона и Великое объединение
Как можно объединить три различных квантово-механических фундаментальных взаимодействия квантовой теории поля? Почему легчайший барион, являющийся протоном, абсолютно стабилен? Если же протон нестабилен, то каков его период полураспада?
Суперсимметрия
Реализована ли суперсимметрия пространства в природе? Если да, то каков механизм нарушения суперсимметрии? Стабилизирует ли суперсимметрия электрослабый масштаб, предотвращая высокие квантовые поправки? Состоит ли тёмная материя из лёгких суперсимметричных частиц?
Поколения материи
Существует ли более трёх поколений кварков и лептонов? Почему вообще существуют поколения? Существует ли теория, которая могла бы объяснить наличие массы у некоторых кварков и лептонов в отдельных поколениях на основании первых принципов (теория взаимодействия Юкавы)?
Фундаментальная симметрия и нейтрино
Какова природа нейтрино, какова их масса и как они формировали эволюцию Вселенной? Почему сейчас во Вселенной обнаруживается вещества больше, чем антивещества? Какие невидимые силы присутствовали на заре Вселенной, но исчезли из поля зрения в процессе развития Вселенной?
[править] Ядерная физикаКвантовая хромодинамика
Каковы фазовые состояния сильно взаимодействующей материи и какую роль они играют в космосе? Каково внутреннее устройство нуклонов? Какие свойства сильно взаимодействующей материи предсказывает КХД? Что управляет переходом кварков и глюонов в пи-мезоны и нуклоны? Какова роль глюонов и глюонного взаимодействия в нуклонах и ядрах? Что определяет ключевые особенности КХД и каково их отношение к природе гравитации и пространства-времени?
Атомное ядро и ядерная астрофизика
Какова природа ядерных сил, которая связывает протоны и нейтроны в стабильные ядра и редкие изотопы? Какова причина соединения простых частиц в сложные ядра? Какова природа нейтронных звёзд и плотной ядерной материи? Каково происхождение элементов в космосе? Что такое ядерные реакции, которые движут звёзды и приводят к их взрывам?
Остров стабильности
Какое самое тяжёлое из стабильных или метастабильных ядер может существовать?
[править] Другие проблемыКвантовая механика и принцип соответствия (иногда называемый квантовым хаосом)
Есть ли предпочтительные интерпретации квантовой механики? Как квантовое описание реальности, которая включает в себя такие элементы, как квантовая суперпозиция состояний и коллапс волновой функции или квантовая декогеренция, приводят к реальности, которую мы видим? Сформулировать то же самое можно с помощью проблемы измерения: что представляет собой «измерение», который заставляет волновую функцию сваливаться в определённое состояние?
Физическая информация
Существуют ли физические феномены, такие как чёрные дыры или коллапс волновой функции, которые безвозвратно уничтожают информацию о своих предшествующих состояниях?
Теория всего («Теории Великого объединения»)
Существует ли теория, которая объясняет значения всех фундаментальных физических констант?[5] Существует ли теория, которая объясняет, почему калибровочная инвариантность стандартной модели такая, как она есть, почему наблюдаемое пространство-время имеет 3 + 1 измерения, и поэтому законы физики таковы, как они есть? Меняются ли с течением времени «фундаментальные физические константы»? Являются ли какие-нибудь частицы в стандартной модели физики элементарных частиц на самом деле состоящими из других частиц, связанных настолько сильно, что их невозможно наблюдать при современных экспериментальных энергиях? Существуют ли фундаментальные частицы, которые ещё не наблюдались, и если да, то какие они и каковы их свойства? Существуют ли ненаблюдаемые фундаментальные силы, которые предполагает теория, объясняющие другие нерешённые проблемы физики?
Калибровочная инвариантность
Существуют ли реально неабелевы калибровочные теории со щелью в спектре масс?
[править] Эмпирические явления без чёткого научного объяснения[править] Космология и астрономияСуществование Вселенной
Каково происхождение материи, энергии и пространства-времени, сформировавших Вселенную/Мультивселенную?
Барионная асимметрия Вселенной
Почему в наблюдаемой Вселенной существует гораздо больше материи, чем антиматерии?
Проблема космологической постоянной
Почему нулевая энергия вакуума не приводит к большому значению космологической постоянной? Что отменяет эту зависимость?
Тёмная энергия
Что является причиной наблюдаемого ускоренного расширения Вселенной (фаза де Ситтера)? Почему плотность энергии тёмной компоненты энергии — величина того же порядка, что и плотность вещества в настоящее время, тогда как эти два феномена с течением времени развивались совершенно по-разному? Может быть, это потому, что мы ведём наблюдения в нужное время? Является ли тёмная энергия космологической константой, или же она является динамическим полем — некой квинтэссенцией, такой как фантомная энергия?
Тёмная материя
Что такое тёмная материя?[6] Связана ли она с суперсимметрией? Связан ли феномен тёмной метерии с той или иной формой материи, или это на самом деле является расширением гравитации?
Энтропия (направление времени)
Почему Вселенная имела такую низкую энтропию в прошлом, приведшую в результате к различию между прошлым и будущим и вторым законом термодинамики?
Проблема горизонта
Почему удалённая Вселенной так однородна, тогда как теория Большого взрыва предсказывает измеримую анизотропию небесной сферы больше, чем она наблюдается? Возможным подходом к решению являются гипотезы инфляции и переменной скорости света.
Изотропия реликтового излучения
Некоторые общие особенности микроволнового излучения неба на расстояниях более 13 миллиардов световых лет, по всей видимости, говорят о наличии как движения, так и ориентации Солнечной системы. Является ли это следствием систематических ошибок обработки, загрязнением результатов локальными эффектами или необъяснимым нарушением принципа Коперника?
Форма Вселенной
Что такое 3-многообразие сопутствующего пространства, т. е. сопутствующее пространственное сечение Вселенной, неофициально называемое «формой» Вселенной? Ни её кривизна, ни топология в настоящее время неизвестны, хотя кривизна скорее всего «близка» к нулю на наблюдаемых масштабах. Гипотеза космической инфляции предполагает, что форма Вселенной может быть неизмеримой, но с 2003 года команда Жана-Пьера Люмине и другие группы полагают, что Вселенной может иметь форму додекаэдрического пространства Пуанкаре. Является ли форма Вселенной неизмеримой, представляет собой пространство Пуанкаре или имеет другое 3-многообразие?
[править] Физика высоких энергий, физика элементарных частицНарушение симметрии электрослабого взаимодействия
Каков механизм, ответственный за нарушение электрослабой калибровочной симметрии, дающий массу W и Z бозонам? Является ли он простым механизмом Хиггса стандартной модели[7] или же природа использует сильную динамику при нарушении электрослабой симметрии, как это предлагается в теории техниколор?
Масса нейтрино
Какой механизм отвечает за генерацию массы нейтрино? Является ли нейтрино античастицей самой себе? Или это может быть античастица, которая просто не может соединиться и аннигилировать с нормальной частицей из-за её нестабильного состояния?
Отношение инерциальная масса/гравитационная масса для элементарных частиц
В соответствии с принципом эквивалентности общей теории относительности, отношение инертной массы к гравитационной для всех элементарных частиц равно единице. Однако, экспериментального подтверждения этого закона для многих частиц не существует. В частности, мы не знаем, каков будет вес макроскопического куска антивещества известной массы.
Кризис спина протона
По первоначальной оценке Европейской группы по мюонному сотрудничеству, на три основных («валентных») кварка протона приходится около 12% от общего объёма спина. Можно ли пересчитать остаток глюонов, которые связывают кварки, а также образуют «море» пар кварков, которые постоянно создаются и аннигилируют?
Квантовая хромодинамика (КХД) в непертурбированном режиме
Уравнения КХД остаются нерешёнными на энергетических масштабах, соответствующих описанию атомных ядер, и, среди прочего, в основном численные подходы, кажется, начинают давать ответы на этот предельный случай. Подходит ли КХД для описания физики ядра и его компонентов?
Удержание цвета
Почему никогда не были зафиксированы свободный кварк или глюон, а только объекты, построенные из них, например, мезоны и барионы? Каким образом эти явления вытекают из КХД?
Сильная CP-проблема и аксионы
Почему сильное ядерное взаимодействие инвариантно к чётности и зарядовому сопряжению? Является ли теория Печчеи — Квинн решением этой проблемы?
Гипотетические частицы
Какие из гипотетических частиц, предсказываемых суперсимметричной теорией и другими известными теориями, на самом деле существуют в природе?
[править] Астрономия и астрофизикаСтруи аккреционных дисков
Почему некоторые астрономические объекты, окружённые аккреционным диском, такие как активные ядра галактик, испускают релятивистские струи, излучаемые вдоль полярной оси? Почему у многих аккреционных дисков существуют квази-периодические колебания? Почему период этих колебаний имеет масштаб, обратно пропорциональный массе центрального объекта? Почему иногда существуют обертоны, и почему у разных объектов обертоны имеют различные соотношения частоты?
Проблема нагрева короны
Почему солнечная корона (атмосферный слой Солнца) намного горячее, чем поверхность Солнца? Почему магнитное пересоединение совершается на много порядков быстрее, чем предсказывают стандартные модели?
Гамма-всплески
Каково происхождение этих краткосрочных всплесков высокой интенсивности?[8]
Сверхмассивные чёрные дыры
Какова причина отношения М-сигма между массой сверхмассивной чёрной дыры и дисперсией скорости галактики?[9]
Наблюдаемые аномалии
Аномалия «Гиппарха»: Каково фактическое расстояние до Плеяд?
Аномалия «Пионеров»[6]: Что вызывает небольшое дополнительное ускорение в направлении Солнца космических аппаратов «Пионер»?[10][11]
Аномалия сближения: Почему наблюдаемая энергия спутников, совершающих гравитационный манёвр, отличается от предсказываемых теорией значений?
Проблема вращения галактик: Является ли тёмная материя ответственной за различия в наблюдаемых и теоретических скоростях вращения звёзд вокруг центра галактик, или же причина в чём-то ином?
Сверхновые
Каков точный механизм, посредством которого имплозии умирающих звёзд становятся взрывом?
Космические лучи сверхвысоких энергий[6]
Почему некоторые космические лучи обладают невероятно высокой энергией (так называемые частицы OMG), учитывая, что вблизи Земли нет источников космических лучей с такой энергией? Почему некоторые космические лучи, испускаемые далёкими источниками, имеют энергию выше предела Грайзена-Зацепина-Кузьмина?[12][13]
Замедление времени пульсара
Почему выбросы пульсаров на больших космологических расстояниях не проявляют предсказанное свойство замедления времени?
Скорость вращения Сатурна
Почему магнитосфера Сатурна проявляет (медленно меняющуюся) периодичность, близкую к той, на которой вращаются облака планеты? Какова истинная скорость вращения глубоких внутренних слоёв Сатурна?[14]
Физика конденсированного состоянияАморфные тела
Какова природа перехода между жидкой или твёрдой и стекловидной фазами? Какие физические процессы приводят к основным свойствам стекла? [15][16]
Холодный ядерный синтез
Каково объяснение спорных докладов об избыточном тепле, излучении и трансмутациях?[6][17][18]
Криогенная электронная эмиссия
Почему в отсутствие света увеличивается эмиссия электронов фотоэлектронного умножителя при уменьшении его температуры?[19][20]
Высокотемпературная сверхпроводимость
Каков механизм, вызывающий у некоторых материалов проявление сверхпроводимости при температурах намного выше 50 градусов Кельвина?[21]
Сонолюминесценция
Что является причиной выброса коротких вспышек света при схлопывании пузырьков жидкости, возбуждённых звуком?[22]
Турбулентность
Можно ли создать теоретическую модель для описания статистики турбулентного потока (в частности, для его внутренней структуры)?[23] При каких условиях существует гладкое решение уравнений Навье-Стокса? Это, вероятно, последняя нерешённая проблема классической или ньютоновской физики.
[править] БиофизикаСинаптическая пластичность
Она необходима для вычислительной и физической моделей мозга, но чем это обусловлено и какую роль она играет в процессах более высокого порядка вне гиппокампа и зрительной коры?
Аксональное наведение
Как аксоны, исходящие из нейронов, находят свои цели? Этот процесс имеет решающее значение для развития нервной системы, позволяя создавать головной мозг.
Случайность и устойчивость к шуму при экспрессии генов
Как гены управляют нашим телом, выдерживая различные внешние воздействия и внутреннюю стохастичность? Существуют различные модели генетических процессов, но мы далеки от понимания всей картины, в частности, в морфогенезе, в котором экспрессия генов должна жёстко регулироваться.
Количественное исследование иммунной системы
Каковы количественные свойства иммунных реакций? Каковы основные строительные блоки иммунной системы? Какую роль играет стохастичность?
Проблемы, решённые за последние десятилетияПродолжительные гамма-всплески (2003)
Продолжительные гамма-всплески связаны со смертью массивных звёзд в некоторых специфических случаях вспышек типа сверхновой, известных как гиперновые звезды.
Проблема солнечных нейтрино (2002)
Новое понимание физики нейтрино, требующее модификации стандартной модели физики элементарных частиц, в частности, нейтринных осцилляций.
Возрастной кризис (1990-е)
Оценка возраста вселенной от 3 до 8 миллиардов лет была меньше, чем оценка возраста самых старых звёзд в нашей галактике. Уточнение оценок расстояния до звёзд и плюс введение тёмной энергии в космологическую модель позволили повысить оценку возраста вселенной.
Квазары (1980-е)
На протяжении десятилетий природа квазаров была непонятна.[24] Сейчас они рассматриваются как разновидность активных ядер галактик, которые излучают огромную энергию за счёт материи, падающей в массивную чёрную дыру в центре галактики. [25]

swd234.livejournal.com

Нерешенные проблемы. Пять нерешенных проблем науки

Нерешенные проблемы

Теперь, уяснив, как наука вписывается в умственную деятельность человека и как она функционирует, можно видеть, что ее открытость позволяет различными путями идти к более полному постижению Вселенной. Возникают новые явления, по поводу которых гипотезы хранят молчание, и, чтобы нарушить его, выдвигаются новые гипотезы, полные свежих идей. На их основе уточняются предсказания. Создается новое экспериментальное оборудование. Вся эта деятельность приводит к появлению гипотез, более точно отражающих поведение Вселенной. И все это ради одной цели — понять Вселенную во всем ее многообразии.

Научные гипотезы можно рассматривать как ответы на вопросы об устройстве Вселенной. Наша же задача состоит в исследовании пяти крупнейших проблем, не решенных до настоящего времени. Под словом «крупнейшие» подразумеваются проблемы, имеющие далеко идущие последствия, самые важные для нашего дальнейшего понимания, или обладающие наиболее весомым прикладным значением. Мы ограничимся одной крупнейшей нерешенной проблемой, взятой из кажсдой пяти отраслей естествознания, и попытаемся описать, каким образом можно ускорить их решение. Конечно, науки о человеке и обществе, гуманитарные и прикладные, имеют свои нерешенные проблемы (например, природа сознания), но данный вопрос выходит за рамки этой книги.

Вот отобранные нами в каждой из пяти отраслей естествознания крупнейшие нерешенные проблемы и то, чем мы руководствовались в своем выборе.

Физика. Связанные с движением свойства массы тела (скорость, ускорение и момент наряду с кинетической и потенциальной энергией) нам хорошо известны. А природа самой массы, присущей многим, но не всем элементарным частицам Вселенной, нам не понятна. Крупнейшая нерешенная задача физики такова: почему одни частицы обладают массой [покоя], а другие — нет?

Химия. Изучение химических реакций живых и неживых тел ведется широко и весьма успешно. Крупнейшая нерешенная задача химии такова: какого рода химические реакции подтолкнули атомы к образованию первых живых существ?

Биология. Недавно удалось получить геном, или молекулярный чертеж, многих живых организмов. Геномы несут информацию об общих белках, или протеоме, живых организмов. Крупнейшая нерешенная задача биологии такова: каково строение и предназначение протеома?

Геология. Модель тектоники плит удовлетворительно описывает последствия взаимодействия верхних оболочек Земли. Но атмосферные явления, особенно тип погоды, похоже, не поддаются попыткам создать модели, ведущие к получению надежных прогнозов. Крупнейшая нерешенная задача геологии такова: возможен ли точный долговременный прогноз погоды?

Астрономия. Хотя многие стороны общего устройства Вселенной хорошо известны, в ее развитии еще много неясного. Недавнее открытие, что скорость расширения Вселенной возрастает, приводит к мысли, что она будет расширяться бесконечно. Крупнейшая нерешенная задача астрономии такова: почему Вселенная расширяется со все большей скоростью?

Многие иные занимательные вопросы, связанные с этими задачами, будут возникать попутно, и некоторые из них сами могут в будущем стать крупнейшими. Об этом идет речь в заключительном разделе книги: «Список идей».

Уильям Гарвей, английский врач XVII века, определивший природу кровообращения, сказал: «Все, что мы знаем, бесконечно мало по сравнению с тем, что нам пока неведомо» [ «Анатомическое исследование о движении сердца и крови у животных», 1628]. И это верно, поскольку вопросы множатся быстрее, чем на них успевают ответить. По мере расширения освещаемого наукой пространства увеличивается и обступающий его мрак.

Поделитесь на страничке

Следующая глава >

fis.wikireading.ru

Нерешённые проблемы современной физики Википедия

Ниже приведён список нерешённых пробле́м совреме́нной фи́зики^[1]. Некоторые из этих проблем носят теоретический характер. Это означает, что существующие теории оказываются неспособными объяснить определённые наблюдаемые явления или экспериментальные результаты. Другие проблемы являются экспериментальными, а это означает, что имеются трудности в создании эксперимента по проверке предлагаемой теории или по более подробному исследованию какого-либо явления.

Неразрешенные проблемы (сортировка по полю применения)

Следующие проблемы являются либо фундаментальными теоретическими проблемами, либо теоретическими идеями, для которых отсутствуют экспериментальные данные. Некоторые из этих проблем тесно взаимосвязаны. Например, дополнительные измерения или суперсимметрия могут решить проблему иерархии. Считается, что полная теория квантовой гравитации способна ответить на бо́льшую часть из перечисленных вопросов (кроме проблемы острова стабильности).
Распад метастабильного вакуума
Почему предсказанная масса квантового вакуума мало влияет на расширение Вселенной?
Квантовая гравитация
Можно ли квантовую механику и общую теорию относительности объединить в единую самосогласованную теорию (возможно, это квантовая теория поля)?^[3] Является ли пространство-время непрерывным или оно дискретно? Будет ли самосогласованная теория использовать гипотетический гравитон или она будет полностью продуктом дискретной структуры пространства-времени (как в петлевой квантовой гравитации)? Существуют ли отклонения от предсказаний ОТО для очень малых или очень больших масштабов или в других чрезвычайных обстоятельствах, которые вытекают из теории квантовой гравитации?
Чёрные дыры, исчезновение информации в чёрной дыре, излучение Хокинга
Производят ли чёрные дыры тепловое излучение, как это предсказывает теория? Содержит ли это излучение информацию об их внутренней структуре, как это предполагает дуальность тяготение-калибровочная инвариантность, или нет, как следует из оригинального расчета Хокинга? Если нет и чёрные дыры могут непрерывно испаряться, то что происходит с информацией, хранящейся в них (квантовая механика не предусматривает уничтожение информации)? Или излучение в какой-то момент остановится, когда от чёрной дыры мало что останется?^[4]^[5]. Есть ли какой-либо другой способ исследования их внутренней структуры, если такая структура вообще существует? Выполняется ли закон сохранения барионного заряда внутри чёрной дыры?^[6] Неизвестно доказательство принципа космической цензуры, а также точная формулировка условий, при которых он выполняется^[7]. Отсутствует полная и законченная теория магнитосферы черных дыр^[8]. Неизвестна точная формула для вычисления числа различных состояний системы, коллапс которой приводит к возникновению чёрной дыры с заданными массой, моментом количества движения и зарядом^[9]. Неизвестно доказательство в общем случае «теоремы об отсутствии волос» у чёрной дыры^[10].
Размерность пространства-времени
Существуют ли в природе

ruwikiorg.ru

10 нерешённых проблем современной физики

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

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

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

Каким будет конец Вселенной?

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

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

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

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

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

Квантовая гравитация

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Излучение Хокинга

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

Излучением Хокинга называют гипотетический процесс испускания разнообразных элементарных частиц, преимущественно фотонов, чёрной дырой. Температуры известных астрономам чёрных дыр слишком малы, чтобы излучение Хокинга от них можно было бы зафиксировать — массы дыр слишком велики. Поэтому до сих пор эффект не подтверждён наблюдениями.

Согласно ОТО, при образовании Вселенной могли бы рождаться первичные чёрные дыры, некоторые из которых (с начальной массой 1012 кг) должны были бы заканчивать испаряться в наше время. Так как интенсивность испарения растёт с уменьшением размера чёрной дыры, то последние стадии должны быть по сути взрывом чёрной дыры. Пока таких взрывов зарегистрировано не было.

Почему Вселенная сбалансирована таким образом, что жизнь может существовать?

Если бы Вселенную сотворил не Бог, а слепой случай, нас просто не было бы. В этом высказывании есть доля истины. Действительно, галактики, звёзды, планеты, люди возможны только во Вселенной, которая первое время расширялась со строго определённой скоростью.

За расширение отвечает центробежное давление тёмной энергии, которое противостоит направленной внутрь силе тяготения, определяемой массой Вселенной, основную долю коей составляет нечто невидимое, названное тёмной материей.

Если бы соотношение этих сил было иным (если бы толчок тёмной энергии вскоре после рождения Вселенной оказался чуть более сильным) — пространство расширялось бы слишком быстро, и ни галактики, ни звёзды просто не смогли бы образоваться. Если бы тёмная энергия давила чуть слабее, Вселенная вновь свернулась бы.

Так почему же, спрашивает Эрик Рамберг из Национальной ускорительной лаборатории им. Энрико Ферми, они настолько хорошо уравновешены, что возникла та Вселенная, в которой мы живём?

«Нам неизвестна фундаментальная причина этого баланса, — подчёркивает специалист. — Нет сомнений, что количество тёмной энергии во Вселенной — наиболее точно настроенный показатель во всей физике».

Размерность пространства-времени

Существуют ли в природе дополнительные измерения пространства-времени, кроме известных нам четырёх? Если да, то каково их количество?

На сегодняшний день множество ученых физиков-теоретиков по всему миру исследуют вопрос многомерности пространства. В середине 1990-х Эдвард Виттен и другие физики-теоретики обнаружили веские доказательства того, что различные суперструнные теориипредставляют собой различные предельные случаи неразработанной пока 11-мерной М-теории.

А что, если и в самом деле мы воспринимаем всего 3 из 11 существующих измерений (M-теория)? В таком случае мы просто обречены на поедание крошек со стола космологии. Однако, всегда есть возможность описать то, что мы не можем воспринять непосредственно, с помощью математики.

Например, четвёртое измерение можно попытаться представить исходя из логики, что три воспринимаемых нами измерения являются относительно четвёртого тем же, что и два измерения плоскости относительно объемного восприятия.

Откуда берутся астрофизические нейтрино?

Теория предсказывает, что чрезвычайно высокоэнергетические нейтрино порождаются столкновениями быстрых заряженных частиц (космических лучей) с частицами света (фотонами) в космическом микроволновом фоновом излучении, которым пронизана вся Вселенная.

Но что приводит этот процесс в движение и как космические лучи ускоряются — неизвестно. Ведущая гипотеза, у которой нет никаких доказательств, состоит в том, что начало космическим лучам даёт вещество, попадающее в голодные сверхмассивные чёрные дыры в центрах галактик.

Возможно, получившиеся в результате нейтрино летят настолько быстро, что у каждой крошки столько же энергии, сколько в бейсбольном мяче, хотя в последнем миллиарды миллиардов атомов. «

Мы ничего не знаем об их природе, — говорит Абигейл Вирегг из Института космологической физики им. Кавли Чикагского университета — Вот когда узнаем, тогда и наведём справки об источниках, которые разгоняют эти частицы до чрезвычайно высоких энергий».

Мультивселенная

Существуют ли физические причины существования других вселенных, которые принципиально ненаблюдаемы?

Различные гипотезы о существовании мультивселенной высказывались специалистами по космологии и астрономии, физиками, философами, фантастами.

Термин «мультивселенная» был создан в 1895 году философом и психологом Уильямом Джеймсом и популяризирован писателем-фантастом Майклом Муркоком. Часто используются также такие термины, как «альтернативные вселенные», «альтернативные реальности», «параллельные вселенные» или «параллельные миры».

Возможность существования мультивселенной порождает различные научные, философские и теологические вопросы. Данная идея активно используется, например, втеории струн. Предположение о существовании мультивселенной используется также в многомировой интерпретации квантовой механики.

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

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

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

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

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

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

Теория всего

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

Теория всего — гипотетическая объединённая физико-математическая теория, описывающая все известные фундаментальные взаимодействия.

Первоначально данный термин использовался в ироническом ключе для обозначения разнообразных обобщённых теорий. Со временем термин закрепился в популяризацияхквантовой физики для обозначения теории, которая бы объединила все четыре фундаментальные взаимодействия в природе.

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

Бонус: Шаровая молния

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

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

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

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

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

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

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

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

По материалам: несколько десятков статей из wikipedia.org, computerra.ru

maxpark.com

Нерешённые проблемы современной физики — это… Что такое Нерешённые проблемы современной физики?

Теоретические проблемы

Квантовая гравитация, космология, общая теория относительности

Физика высоких энергий, физика элементарных частиц

Ядерная физика

Другие проблемы

Эмпирические явления без чёткого научного объяснения

Космология и астрономия

Физика высоких энергий, физика элементарных частиц

Астрономия и астрофизика

Физика конденсированного состояния

Биофизика

Проблемы, решённые за последние десятилетия

Примечания

Ссылки

почему гравитация такая слабая? / Habr

Проблемы физики. Пять нерешенных проблем науки

Нерешённые проблемы современной физики — Большое счастье маленькой еврейки — ЖЖ

Нерешенные проблемы. Пять нерешенных проблем науки

Нерешённые проблемы современной физики Википедия

Неразрешенные проблемы (сортировка по полю применения)

10 нерешённых проблем современной физики

Каким будет конец Вселенной?

Квантовая гравитация

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

Излучение Хокинга

Почему Вселенная сбалансирована таким образом, что жизнь может существовать?

Размерность пространства-времени

Откуда берутся астрофизические нейтрино?

Мультивселенная

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

Теория всего

Бонус: Шаровая молния

Добавить комментарий Отменить ответ