Если вы смотрели сериалы «Звёздный путь» или «Теория большого взрыва», то вы знаете, что физику можно представлять массам в занимательной форме. Авторы сценариев наших любимых научно-фантастических и комедийных сериалов, возможно, не всё представляют правильно, но они всё-таки вызывают у нас интерес к странным аспектам научных теорий.

Может быть вы даже захотите самостоятельно изучить эти темы. В конце концов, людей, которые смогут разгадать некоторые космические загадки, ожидают награды в несколько миллионов долларов. Вы, вероятно, также получите Нобелевскую премию и измените мир.

В 1900 году британский физик Лорд Кельвин, как говорят, заявил: "В физике больше нет ничего нового для открытия. Все, что остается – это все более точные измерения". В течение трех десятилетий квантовая механика и теория относительности Эйнштейна революционизировали эту область. Сегодня ни один физик не осмелился бы утверждать, что наши физические знания о Вселенной близки к завершению. Напротив, каждое новое открытие, кажется, открывает ящик Пандоры еще более глубоких вопросов в физике. Ниже представлена выборка наиболее глубоких открытых вопросов.

Что такое темная энергия?

Несмотря на то что гравитация тянет пространство-время – "ткань" космоса – внутрь, она постоянно расширяется все быстрее и быстрее. Для объяснения этого астрофизики предложили невидимого агента, который противодействует гравитации, отталкивая пространство-время в стороны. Его называют темной энергией. В наиболее широко принятой модели темной энергии это "космологическая постоянная": внутреннее свойство самого пространства, которое имеет "отрицательное давление", выталкивающее пространство друг от друга. По мере расширения пространства создается больше пространства, и вместе с ним – больше темной энергии. Исходя из наблюдаемой скорости расширения, ученые знают, что сумма всей темной энергии должна составлять более 70 процентов от общего содержания Вселенной. Но никто не знает, как ее искать. Лучшее, что исследователи смогли сделать в последние годы, – это сузить область, в которой темная энергия, возможно, скрывается.

Что такое темная материя?

Оказывается, около 84% вещества во Вселенной не поглощает и не излучает свет. "Темная материя", как ее называют, не может быть наблюдаема напрямую и не была обнаружена и косвенными средствами. Вместо этого существование и свойства темной материи выводятся из ее гравитационного воздействия на видимое вещество, излучение и структуру Вселенной. Это таинственное вещество, вероятно, проникает за пределы галактик и может состоять из "слабо взаимодействующих массивных частиц" или WIMP. По всему миру есть несколько детекторов, ищущих WIMP, но до сих пор ни одна не была найдена. Один недавний исследовательский доклад предполагает, что темная материя может образовывать длинные, мелкозернистые потоки во всей Вселенной.

Почему существует стрела времени?

Тот факт, что вы не можете разбить яйцо на обратно, – это общий пример закона увеличения энтропии. Время движется вперед, потому что свойство Вселенной, называемое "энтропией", просто увеличивается, и поэтому нет способа отменить рост энтропии после того, как он произошел. Тот факт, что энтропия увеличивается, является вопросом логики: более беспорядочных расположений частиц, чем упорядоченных, и, следовательно, по мере изменения вещей, они склонны к беспорядку. Но здесь поднимается вопрос, почему энтропия была такой низкой в прошлом? Другими словами, почему Вселенная была такой упорядоченной в своем начале, когда огромное количество энергии было сжато в небольшом объеме пространства?

Существуют ли параллельные вселенные?

Астрофизические данные подсказывают, что пространство-время может быть "плоским", а не изогнутым, и, таким образом, оно продолжается бесконечно. Если это так, то область, которую мы видим (которую мы называем "Вселенной"), является всего лишь одним участком в бесконечно большой "пледовой мультивселенной". В то же время законы квантовой механики утверждают, что в каждом космическом участке существует только конечное число возможных конфигураций частиц. Таким образом, с бесконечным числом космических участков расположение частиц в них вынуждено повторяться – бесконечное количество раз. Это означает, что существует бесконечно много параллельных вселенных: космических участков, точно таких же, как наша (содержащих кого-то точно такого же, как вы), а также участков, отличающихся только положением одной частицы, участков, отличающихся положением двух частиц и так далее до участков, полностью отличающихся от нашего.

Какова судьба вселенной?

Судьба вселенной сильно зависит от неизвестного значения фактора Ω, который измеряет плотность материи и энергии в космосе. Если Ω больше 1, то пространство-время будет "закрытым", подобно поверхности огромной сферы. Если нет темной энергии, такая вселенная в конечном итоге прекратит расширение и начнет сжиматься, в конечном итоге обрушившись на себя в событие, которое называется "Большим Сжатием". Если вселенная закрыта, но существует темная энергия, то сферическая вселенная будет бесконечно расширяться. В противном случае, если Ω меньше 1, то геометрия пространства будет "открытой", подобно поверхности седла. В этом случае ее окончательной судьбой будет "Большая Заморозка", а затем "Большой Разрыв": сначала ускорение расширения вселенной разорвет галактики и звезды, оставив всю материю холодной и одинокой. Затем ускорение станет настолько сильным, что оно переполошит воздействие сил, удерживающих атомы вместе, и все развалится. Если Ω=1, то вселенная будет плоской, распространяющейся как бесконечная плоскость во всех направлениях. Если нет темной энергии, такая плоская вселенная в конечном итоге будет бесконечно расширяться, но с постоянно замедляющейся скоростью, приближаясь к остановке. Если есть темная энергия, то плоская вселенная в конечном итоге переживет неуклонное расширение, приводящее к Большому Разрыву. Вне зависимости от того, как это будет развиваться, вселенная умирает, факт, подробно рассмотренный астрофизиком Полом Саттером в эссе от декабря 2015 года.

Как измерения приводят к схлопыванию квантовых волновых функций?

В странном мире электронов, фотонов и других фундаментальных частиц квантовая механика является законом. Частицы не ведут себя как маленькие шарики, а скорее как волны, распространяющиеся по большой площади. Каждая частица описывается "волновой функцией" или вероятностным распределением, которое показывает, где наиболее вероятно находится частица, ее скорость и другие характеристики, но не показывает, что это за характеристики. Фактически у частицы есть диапазон значений для всех характеристик, пока вы не измерите одну из них – например, ее местоположение – на этот момент волновая функция частицы "схлопывается", и она принимает только одно местоположение. Но как и почему измерение частицы делает ее волновую функцию схлопываться, создавая конкретную реальность, которую мы воспринимаем? Вопрос, известный как проблема измерения, может показаться эзотерическим, но наше понимание того, что такое реальность, или существует ли она вообще, зависит от ответа.

Правильна ли теория струн?

Когда физики предполагают, что все элементарные частицы на самом деле одномерные петли, или "струны", каждая из которых вибрирует с разной частотой, физика становится гораздо проще. Теория струн позволяет физикам согласовать законы, управляющие частицами, называемыми квантовой механикой, с законами управления пространство-временем, называемыми общей теорией относительности, и объединить четыре фундаментальные силы природы в один общий фреймворк. Но проблема заключается в том, что теория струн может работать только во вселенной с 10 или 11 измерениями: тремя большими пространственными измерениями, шестью или семью упакованными пространственными измерениями и временным измерением. Упакованные пространственные измерения, а также сами колеблющиеся струны, имеют размер порядка миллиарда триллионных частицы ядра. Нет ни одного способа обнаружить что-либо такое маленькое, и поэтому нет известного способа экспериментально подтвердить или опровергнуть теорию струн.

Существует ли порядок в хаосе?

Физики не могут точно решить набор уравнений, описывающих поведение жидкостей, от воды до воздуха и всех других жидкостей и газов. Фактически неизвестно, существует ли вообще общее решение так называемых уравнений Навье-Стокса (одна из так называемых "загадок тысячилетия"), или, если существует решение, описывает ли оно жидкости повсюду или содержит в себе неизбежные точки, называемые сингулярностями. В связи с этим природа хаоса плохо понимается. Физики и математики задаются вопросом: может ли погода быть всего лишь труднопредсказуемой, или она в принципе непредсказуема? Превосходит ли турбулентность математическое описание, или все становится ясным, если вы подходите к ней с правильной математикой?

Сливаются ли силы вселенной в одну?

Вселенная испытывает четыре фундаментальные силы: электромагнетизм, сильное ядерное взаимодействие, слабое взаимодействие (также известное как слабое ядерное взаимодействие) и гравитацию. До настоящего времени физики знают, что при достаточно высокой энергии – например, внутри ускорителя частиц – три из этих сил "объединяются" и становятся единой силой. Физики проводили эксперименты с ускорителями частиц и объединили электромагнитную силу и слабое взаимодействие, и при более высоких энергиях то же самое должно произойти с сильным ядерным взаимодействием и, в конечном итоге, с гравитацией. Но несмотря на то, что теории говорят, что это должно произойти, природа не всегда подчиняется. До сих пор ни один ускоритель частиц не достиг энергии, достаточной для объединения сильной силы с электромагнетизмом и слабым взаимодействием. Включение гравитации также потребовало бы еще больше энергии. Не ясно даже, смогли бы ученые построить ускоритель такой мощности; Большой адронный коллайдер (БАК) вблизи Женевы может отправлять частицы сталкиваться друг с другом с энергией в триллионах электрон-вольт (примерно 14 тераэлектрон-вольт, или ТэВ). Чтобы достичь энергии грандиозного объединения, частицам потребуется как минимум триллион раз больше, поэтому физики вынуждены искать косвенные доказательства таких теорий. Помимо проблем с энергией у теорий Великого объединения (ВО) все еще есть некоторые проблемы, потому что они предсказывают другие наблюдения, которые до сих пор не подтвердились. Есть несколько ВО, которые говорят, что протоны, на протяжении огромных периодов времени (порядка 10^36 лет), должны превращаться в другие частицы. Это никогда не было замечено, поэтому либо протоны живут гораздо дольше, чем кто-либо думал, либо они действительно стабильны навсегда. Другим предсказанием некоторых видов ВО является существование магнитных монополей – изолированных "северных" и "южных" полюсов магнита – и никто из них не видел одного из них. Возможно, у нас просто нет достаточно мощного ускорителя частиц. Или физики могут ошибаться в том, как устроена вселенная.

Существуют ли голые сингулярности?

Сингулярность возникает, когда какое-либо свойство "вещи" бесконечно, и поэтому законы физики, как мы их знаем, нарушаются. В центре черных дыр находится точка, бесконечно крошечная и плотная (наполненная конечным количеством вещества) – точка, называемая сингулярностью. В математике сингулярности возникают постоянно – деление на ноль – один из примеров, и вертикальная линия на координатной плоскости имеет "бесконечный" уклон. Фактически уклон вертикальной линии просто неопределен. Но как бы выглядела сингулярность? И как она взаимодействует с остальной вселенной? Что означает сказать, что у чего-то нет настоящей поверхности и оно бесконечно мало? "Голая" сингулярность – это та, которая может взаимодействовать с остальной вселенной. У черных дыр есть горизонты событий – сферические области, из которых ничто, даже свет, не может выбраться. С первого взгляда вы можете подумать, что проблема голых сингулярностей, по крайней мере, частично решена для черных дыр, так как ничто не может выйти из горизонта событий, и сингулярность не может воздействовать на остальную вселенную. (Она "одета", так сказать, тогда как голая сингулярность – это черная дыра без горизонта событий). Но вопрос о том, могут ли сингулярности образовываться без горизонта событий, все еще остается открытым. И если они могут существовать, то теория общей теории относительности Альберта Эйнштейна потребует пересмотра, потому что она распадается, когда системы находятся слишком близко к сингулярности. Голые сингулярности также могут функционировать как червоточины, которые также могли бы быть машинами времени, хотя в природе нет на это доказательств.

Нарушение симметрии заряда и четности

Если вы поменяете частицу с ее античастицей, законы физики должны оставаться прежними. Так, например, положительно заряженный протон должен выглядеть так же, как и отрицательно заряженный антипротон. Это принцип симметрии заряда. Если вы поменяете местами лево и право, снова, законы физики должны выглядеть так же. Это симметрия четности. Вместе они называются симметрией CP. В большинстве случаев этот физический закон не нарушается. Тем не менее, некоторые экзотические частицы нарушают эту симметрию.

Когда звуковые волны создают свет

Хотя многие нерешенные проблемы относятся к вопросам частиц и физики элементарных частиц, некоторые загадки можно наблюдать на столешнице в лабораторных условиях. Одной из таких загадок является сонолюминесценция. Если взять немного воды и подвергнуть ее воздействию звуковых волн, образуются пузырьки. Эти пузырьки представляют собой области низкого давления, окруженные высоким давлением; внешнее давление давит на воздух с низким давлением, и пузырьки быстро сжимаются. Когда эти пузырьки сжимаются, они излучают свет в виде вспышек, которые длительностью в триллионные доли секунды. Проблема заключается в том, что пока не ясно, каков источник света. Теории варьируются от маленьких ядерных реакций до какого-то вида электрического разряда или даже сжатия газов внутри пузырьков. Физики измерили высокие температуры внутри этих пузырьков, порядка десятков тысяч градусов Фаренгейта, и сделали множество снимков света, которое они излучают. Но пока нет хорошего объяснения тому, как звуковые волны создают этот свет в пузырьке.

Что находится за пределами Стандартной модели?

Стандартная модель – одна из самых успешных физических теорий, когда-либо разработанных. Она выдержала испытания, чтобы проверить ее в течение четырех десятилетий, и новые эксперименты продолжают подтверждать ее правильность. Стандартная модель описывает поведение частиц, из которых состоит все вокруг нас, а также объясняет, почему, например, частицы имеют массу. Фактически, открытие бозона Хиггса – частицы, придающей веществу его массу, в 2012 году было историческим событием, потому что оно подтвердило давно существующее предсказание ее существования. Но Стандартная модель не объясняет все. Стандартная модель дала много успешных предсказаний – например, бозон Хиггса, бозоны W и Z (которые посредничают в слабых взаимодействиях, управляющих радиоактивностью), и кварки среди них – поэтому сложно сказать, куда может двигаться физика за ее пределами. Тем не менее, большинство физиков согласны в том, что Стандартная модель не является завершенной. Существует несколько претендентов на новые, более полные модели – струнная теория – одна из таких моделей, но пока ни одна из них не была окончательно подтверждена экспериментами.

Фундаментальные константы

Безразмерные константы – это числа, к которым не прикреплены единицы измерения. Скорость света, например, является фундаментальной константой, измеряемой в единицах измерения метров в секунду (или 186282 миль в секунду). В отличие от скорости света, безразмерные константы можно измерить, но их нельзя вывести из теорий, в то время как константы, такие как скорость света, можно. В своей книге "Только шесть чисел: глубокие силы, формирующие вселенную", астроном Мартин Рис фокусируется на некоторых "безразмерных константах", которые он считает фундаментальными для физики. На самом деле таких констант гораздо больше, чем шесть; в Стандартной модели их около 25. Например, тонкая структурная постоянная, обычно обозначаемая как альфа, управляет силой магнитного взаимодействия. Она составляет около 0,007297. То, что делает это число странным, заключается в том, что если бы оно было иным, устойчивая материя не существовала бы. Другой константой является отношение масс многих фундаментальных частиц, таких как электроны и кварки, к массе Планка (которая составляет 1,22 ´1019 ГэВ/с2). Физики хотели бы выяснить, почему именно эти числа имеют такие значения, потому что если бы они были очень разными, законы физики Вселенной не позволили бы существовать людям. И все же до сих пор нет убедительного теоретического объяснения тому, почему они имеют именно такие значения.

Что такое гравитация вообще?

Что такое гравитация вообще? Другие силы взаимодействуют частицами. Электромагнетизм, например, осуществляется через обмен фотонами. Слабое ядерное взаимодействие переносится бозонами W и Z, а сильное ядерное взаимодействие, объединяющее ядерные ядра, осуществляется через глюоны. Гравитация, по-видимому, не такая. Большинство физических теорий говорят, что она должна переноситься гипотетической бесмассовой частицей, называемой гравитоном. Проблема в том, что никто пока не обнаружил гравитонов, и неясно, может ли какой-либо детектор частиц, который можно было бы построить, видеть их, потому что если гравитоны взаимодействуют с веществом, они делают это очень, очень редко – настолько редко, что они были бы невидимы на фоне фонового шума. Даже неясно, бесмассовы ли гравитоны, хотя если у них есть масса, то она очень, очень мала – меньше массы нейтрино, которые являются одними из самых легких известных частиц. Струнная теория предполагает, что гравитоны (и другие частицы) представляют собой закрытые петли энергии, но математическая работа пока не принесла много понимания. Поскольку гравитоны пока не были обнаружены, гравитация сопротивляется попыткам понять ее так, как мы понимаем другие силы – как обмен частицами. Некоторые физики, в частности Теодор Калуца и Оскар Кляйн, предположили, что гравитация может действовать как частица в дополнительных измерениях, кроме трех измерений пространства (длина, ширина и высота) и одного измерения времени (продолжительность), с которыми мы знакомы, но пока неясно, верно ли это.

Мы живем в ложном вакууме?

Вселенная кажется относительно стабильной. В конце концов, ей уже около 13,8 миллиардов лет. Но что, если все это было массовой случайностью? Все начинается с Хиггса и вакуума вселенной. Вакуум, или пустое пространство, должен быть состоянием наименьшей энергии, потому что в нем ничего нет. Тем временем бозон Хиггса через так называемое поле Хиггса придает массу всему. Александр Кусенко, профессор физики и астрономии Университета Калифорнии в Лос-Анджелесе, написал в журнале Physics, что энергетическое состояние вакуума можно рассчитать на основе потенциальной энергии поля Хиггса и масс бозона Хиггса и верхнего кварка (фундаментальной частицы). Пока эти расчеты показывают, что вакуум вселенной может быть не в состоянии наименьшей энергии. Это означает, что это ложный вакуум. Если это правда, наша вселенная может быть нестабильной, потому что ложный вакуум можно вывести из состояния более низкой энергии достаточно сильным и высокоэнергетическим событием. Если бы это произошло, возникло бы явление, называемое ядерной нуклеацией. Сфера вакуума с более низкой энергией начала бы расти со скоростью света. Ничто, даже само вещество, не выжило бы. По сути, мы бы заменили вселенную другой, которая могла бы иметь совсем другие физические законы. Это может показаться пугающим, но, учитывая, что вселенная до сих пор существует, явно не произошло ничего подобного, и астрономы видели гамма-лучевые всплески, сверхновые и квазары, все они довольно энергичные события. Поэтому, вероятно, это достаточно маловероятно, чтобы беспокоиться. Тем не менее, идея ложного вакуума означает, что наша вселенная могла возникнуть именно таким образом, когда ложный вакуум предыдущей вселенной был сброшен в состояние с более низкой энергией. Возможно, мы были результатом случайности в частиценой акселератора.

Откуда берутся космические лучи сверхвысокой энергии?

Наша атмосферу постоянно бомбардируют высокоэнергетичные частицы из космоса, называемые «космическими лучами». Хотя эти лучи не представляют большого вреда для людей, они вызывают огромный интерес у физиков. В 1962 году во время эксперимента в Волкано Ранч Джон Линсли и Ливио Скарси увидели нечто невероятное: космический луч с энергией более 16 джоулей. Чтобы дать вам некоторое представление, скажем, что один джоуль примерно равен энергии, необходимой для поднятия яблока с пола на стол. И вся эта энергия сконцентрирована в частице, которая в миллиарды раз меньше яблока. А это означает, что она движется со скоростью, близкой к скорости света! Физики пока не знают, откуда у этих частиц взялось столько энергии. По некоторым теориям, источником этих частиц могут быть сверхновые звёзды, образующиеся после взрыва звёзд в конце их жизни. Эти частицы также могли получить ускорение в дисках коллапсирующей материи, которые образуются вокруг чёрных дыр.

Была ли современная вселенная результатом инфляции?

Вселенная является удивительно плоской, то есть во всей вселенной – одинаковое количество материи. Однако, согласно теории большого взрыва, на очень ранних стадиях развития вселенной плотность материи могла быть различной в разных местах. Согласно теории инфляции, современная вселенная произошла от ранней вселенной крошечного объёма, которая вдруг неожиданно и быстро расширилась. Как при надувании воздушного шара, инфляция «разгладила» все выпуклости в ранней вселенной. Хотя это объясняет многое из того, что мы видим, физики ещё не знают, что же было причиной инфляции. Сведения о том, что происходило во время этой инфляции, также являются отрывочными.

Что находится в центре чёрной дыры?

Чёрные дыры являются самыми известными объектами в астрофизике. Мы можем описывать их как области пространства-времени с такими сильными гравитационными полями, что даже свет не может их преодолеть. Проводились наблюдения за многими чёрными дырами, в том числе громадной чёрной дырой в центре нашей галактики. Но тайна того, что происходит в центре чёрной дыры, всё ещё не раскрыта. Некоторые физики думают, что там может быть «сингулярность» – точка бесконечной плотности, при которой некоторая масса концентрируется в бесконечно малом пространстве. Это трудно представить. Хуже того, любая сингулярность ведёт к чёрной дыре в этой теории, так как нет никакого способа непосредственного наблюдения за сингулярностью. Также по-прежнему существуют споры о том, теряется ли информация в чёрных дырах. Они поглощают частицы и испускают излучение Хокинга, но это излучение, кажется, не содержит никакой дополнительной информации о том, что происходит в чёрной дыре. Факт кажущейся невозможности, во всяком случае, в данный момент, узнать то, что находится в чёрных дырах, долгое время позволял фантастам делать предположения о возможности существования там других вселенных или использовании чёрных дыр для телепортации или путешествий во времени.

Есть ли разумная жизнь во вселенной?

Люди мечтали об инопланетянах с тех пор, как они впервые посмотрели на ночное небо и заинтересовались тем, что там может быть. Но в последние десятилетия мы узнали массу интересных фактов. Во-первых, мы узнали, что планеты намного распространённее, чем ранее считалось. Мы также узнали, что промежуток между временем, когда наша планета стала обитаемой, и возникновением на ней жизни является довольно небольшим. Означает ли это возможность возникновения жизни? Если это так, мы получаем знаменитый парадокс Ферми: почему тогда мы ещё не общались с инопланетянами? Астроном Фрэнк Дрейк составил уравнение, которое было названо его именем, в качестве способа рассмотрения всех сторон этой проблемы. Каждая из его составляющих представляет собой причину отсутствия общения с разумной жизнью. Возможно, жизнь является распространённой, но разумная жизнь является редкой. Может быть, через некоторое время все цивилизации решают не общаться с другими формами жизни. Они существуют, но они не хотят с нами общаться. Или же, может быть, это свидетельствует о том, что многие инопланетные цивилизации уничтожают себя вскоре после того, как они получают технологические возможности для общения. Были даже предположения о том, что отсутствие общения с инопланетянами является доказательством искусственного происхождения нашего мира, который может быть творением Бога или компьютерной моделью. Однако, возможно, мы просто искали недостаточно долго и далеко, так как космос является немыслимо большим. Сигналы могут легко теряться, и инопланетной цивилизации просто нужно послать более сильный сигнал. И, может быть, уже завтра мы обнаружим инопланетную цивилизацию, и наше представление о вселенной изменится.

Может ли что-то двигаться быстрее света?

С тех пор как Эйнштейн изменил физику своей специальной теорией относительности, физики были уверены, что нет ничего, что могло бы двигаться быстрее света. Согласно этой теории, чтобы что-то двигалось хотя бы со скоростью света, требуется бесконечная энергия. С другой стороны, как показывают упоминавшиеся выше космические лучи, даже наличие большого количества энергии не означает возможность движения со скоростью света. Скорость света, как жёсткий предел скорости, также может быть ещё одним объяснением отсутствия общения с инопланетными цивилизациями. Если они тоже ограничены скоростью света, для прохождения сигналов могут требоваться тысячи лет. Но люди постоянно ищут возможности обхода этого скоростного предела вселенной. По предварительным результатам эксперимента OPERA, проводившегося в 2011 году, нейтрино двигались быстрее света. Но потом учёные заметили ошибки в организации эксперимента и признали неправильность этих результатов. Кроме того, если бы существовала возможность передачи материи или информации со скоростью, превышающей скорость света, это, несомненно, изменило бы мир. Движение со скоростью, превышающей скорость света, могло бы нарушать казуальность, отношение между причинами и следствиями событий. В связи со способом взаимосвязи между временем и пространством в специальной теории относительности, движение информации со скоростью, превышающей скорость света, позволило бы человеку получать информацию о событии до того, как это событие произойдёт, что представляет собой разновидность путешествия во времени. Это могло бы создать всевозможные парадоксы, которые мы бы не знали как разрешить.

Можно ли описать турбулентность?

Возвращаясь на Землю, можно сказать, что в нашей повседневной жизни всё ещё есть масса трудных для понимания вещей. Например, попробуйте поиграться с водопроводными кранами. Если вы позволяете воде течь спокойно, вы наблюдаете за известным явлением физики, разновидностью хорошо известного нам потока, называемой «ламинарным потоком». Но если вы полностью открутите кран и будете наблюдать за поведением воды, перед вами будет пример турбулентности. Во многих отношениях, турбулентность всё ещё остаётся нерешённой проблемой в физике. Уравнение Навье-Стокса определяет, как должны двигаться такие жидкости, как вода и воздух. Мы представляем, что жидкость разбивается на небольшие кусочки массы. Затем это уравнение учитывает все силы, которые действуют на эти кусочки – гравитация, трение, давление – и пытается определить, как это будет сказываться на их скорости. В случае простых или стабильных потоков, мы можем найти решения уравнения Навье-Стокса, которые полностью описывают данный поток. Физики могут потом составлять уравнения для расчёта скорости потока в любой его точке. Но в случае сложных, турбулентных потоков, эти решения могут быть неточными. Мы можем совершать много манипуляций с турбулентными потоками, решая уравнения в числовом виде на больших компьютерах. Это даёт нам приблизительный ответ без формулы, которая полностью объясняет поведение жидкости. Кстати, Математический институт Клэя предложил награду за решение этой проблемы. Так что если вы сможете это сделать, вы можете получить миллион долларов.

Можно ли создать сверхпроводник, работающий при комнатной температуре?

Свехпроводники можно отнести к числу важнейших устройств и технологий, придуманных людьми. Они представляют собой особые типы материала. Когда температура опускается достаточно низко, электрическое сопротивление материала снижается до нуля. В наших современных силовых кабелях теряется большое количество электричества. Они не являются сверхпроводниками и имеют электрическое сопротивление, в результате чего они нагреваются при пропускании через них электрического тока. Но возможности сверхпроводников не ограничиваются этим. Создаваемое проводом магнитное поле имеет силу, которая зависит от проходящего по нему тока. Если вы сможете найти дешёвый способ пропускания по сверхпроводникам очень высоких токов, вы можете получить очень мощные магнитные поля. В настоящее время эти поля используются в Большом адронном коллайдере для отклонения заряженных частиц, быстро движущихся вокруг его кольца. Они также используются в экспериментальных ядерных реакторах, которые в будущем могут стать нашим источником электричества. Проблема заключается в том, что все известные сверхпроводники могут работать лишь при очень низких температурах (не выше -140 градусов Цельсия). Для охлаждения их до таких низких температур обычно требуется жидкий азот или его аналог, а это очень дорого. Поэтому во всём мире многие физики и специалисты по материалам работают над получением священного грааля – сверхпроводника, который мог бы работать при комнатной температуре. Но пока ещё никому не удалось это сделать.

Почему материи больше, чем антиматерии?

Для каждой частицы есть равная и противоположная частица, называемая античастицей. Для электронов есть позитроны. Для протонов есть антипротоны. И так далее. Если частица касается античастицы, она аннигилируется и превращается в излучение. Иногда она превращается в космические лучи. Антиматерию также можно создавать в ускорителях частиц при стоимости грамма в несколько триллионов долларов. Но в целом, она, кажется, очень редко встречается в нашей вселенной. Это настоящая тайна. Все известные процессы, которые превращают энергию (излучение) в материю, производят одинаковое количество материи и антиматерии. Поэтому если во вселенной преобладает энергия, почему тогда она не производит равные количества материи и антиматерии? Для объяснения этого существует несколько теорий. Учёные, изучающие взаимодействие частиц в Большом адронном коллайдере, ищут примеры «CP-нарушения». Если бы они происходили, эти взаимодействия могли бы показывать, что законы физики различны для частиц материи и антиматерии. Тогда мы могли бы предположить, что, возможно, есть процессы, которые с большей вероятностью могут производить материю, а не антиматерию, и именно поэтому во вселенной больше материи. Согласно другим, менее вероятным, теориям, могут быть целые области вселенной, в которых преобладает антиматерия. Но этим теориям придётся объяснить, как произошло разделение материи и антиматерии и почему мы не видим больших масс излучения, высвобождаемого при столкновении и материи, и антиматерии. Поэтому если мы не найдём доказательства существования галактик антиматерии, CP-нарушение в ранней вселенной кажется наилучшим решением. Но мы всё ещё не знаем, как это работает.

Можем ли мы иметь единую теорию?

В ХХ веке были разработаны две великих теории для объяснения многих явлений в физике. Одной из них была теория квантовой механики, которая подробно описала поведение и взаимодействие крошечных, субатомных частиц. Квантовая механика и стандартная модель физики элементарных частиц объяснили три из четырёх физических явлений природы: электромагнетизм и сильное и слабое ядерное взаимодействия. Другой великой теорией была общая теория относительности Эйнштейна, которая объясняет гравитацию. В этой теории, гравитация происходит, когда присутствие массы изгибает пространство и время, заставляя частицы двигаться по искривлённым путям в связи с искривлённой формой пространства-времени. Она может объяснять вещи, которые происходят в самых крупных масштабах типа формирования галактик. Есть лишь одна проблема. Эти две теории несовместимы. Насколько нам известно, обе теории верны. Но они, кажется, не работают вместе. И с тех пор как физики это поняли, они занимались поисками какого-нибудь решения, которое могло бы их совместить. Это решение стали называть Великой единой теорией, или Теорией всего. Учёные привыкли к теориям, которые работают только в определённых пределах. Физики надеются преодолеть свою ограниченность и увидеть, что теория квантовой механики и общая теория относительности являются частью большей теории, как лоскуты одеяла. Теория струн является попыткой воссоздать черты общей теории относительности и теории квантовой механики. Но её прогнозы трудно проверить экспериментами, поэтому её нельзя подтвердить.

Величайшая проклятая тайна физики

Среди всех фундаментальных физически постоянных (констант, коих немало) только постоянная тонкой структуры (ПТС или α=0,007 297 352 569… ≈ 1/137) не имеет размерности. И это потому, что ПТС описывает вероятность фундаментального физического процесса: поглощения или излучения электроном фотона и обозначается буквой греческого алфавита – альфа (α). Тонкая структура – это то, что происходит внутри атома, и, чтобы это описать, физики используют ПТС. Однако ПТС может скрывать и вероятность некоeго другого фундаментального процесса, о котором физики пока не знают. Таким образом, значение ПТС может быть связано с размерами кванта пространства (при этом ПТС, возможно, также указывает на некую «границу» живой и неживой материи, или "границу" разумной материи)?