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

Вселенная началась с Большого Взрыва?

Теория Большого Взрыва уже много лет считается самой достоверной, объясняющей начало Вселенной. Но действительно ли она на сто процентов верный и единственный ответ? «Большим Взрывом» теорию назвал один из самых жестоких ее противников, Фред Хойл. Он думал, что Вселенная была статичной и вечной, но его гипотеза быстро умерла. В 1929 году Эдвин Хаббл доказал, что Вселенная расширяется. Затем последовали новые свидетельства в пользу теории Большого Взрыва: в 1965 им стало существование излучения микроволнового фона, после свечения Большого Взрыва. Но есть одно но. Измерения Хаббла, сделанные в 1929 году, были опровергнуты в 1990-м. Фактически Вселенная расширялась медленнее, чем прогнозировала теория Большого Взрыва. В ответ на это Алан Гут внес некоторые коррективы в теорию Большого Взрыва. Он заявил, что Вселенная сначала быстро расширялась, а затем медленно. Но как отмечают критики теории Большого Взрыва, доказать это невозможно. Может быть, нам нужен новый способ определения начала Вселенной?

Как предсказать землетрясение?

Наше понимание движений Земли начало формироваться относительно недавно. Только в 1912 году Альфред Вегенер пришел к мысли, что континенты находятся в постоянном движении. В 1960-х годах военно-морской флот США заметил, что морское дно не было гладким, как предполагалось до этого момента – оно состояло из горных хребтов. Ученые пришли к выводу, что морское дно также подвергалось воздействию вулканов и землетрясений. Это открытие привело к теории тектоники плит, которая объясняет широкомасштабные движения литосферы Земли. Теперь мы знаем, что землетрясения рождаются, когда две плиты наползают друг на друга. Мы смогли локализовать места, больше других подверженные тектонической активности. Но мы все еще не знаем, когда именно произойдет землетрясение. Например, ученые могут предсказать, что в Лос-Анджелесе скоро произойдет землетрясение. Это может означать любой момент от завтрашнего дня до следующих 30 лет.

Что вызывает ледниковые периоды?

Мы по-прежнему не знаем, что вызывает ледниковые периоды. Милутин Миланкович предложил решение в 1920-м году. Он заявил, что Земля получает разное количество солнечной энергии в разное время из-за того, как движется наша планета. Это приводит к появлению ледниковых периодов с постоянными интервалами. Поначалу идея Миланковича казалась правильной, потому что ледниковые периоды действительно наступали через каждые 100000 лет. Но теория Миланковича не может объяснить некоторые серьезные нарушения в этой схеме – например, период в 200 миллионов лет без единого ледникового периода. Новые теории сосредоточились на парниковом эффекте, но это порождает больше вопросов, чем дает ответов. Что приводило к колебаниям двуокиси углерода, когда никаких людей еще не было? Ученые ломают голову, но правды пока никто не знает.

Существует ли недостающее звено?

Недостающее звено – это гипотетическое эволюционное звено между приматами и людьми. В 1912 году Чарльз Доусон нашел череп со сводом человека и челюстью обезьяны на Пилтдаун-Коммон возле Льюиса в Англии. В течение 41 года научное сообщество полагало, что мы нашли недостающее звено. Однако эта необычная находка оказалась подделкой, созданной зоологом Британского музея по имени Хинтон. Зачем? Такой была его месть. Хинтон начал работать в музее добровольцем. Когда он спросил о зарплате, хранитель палеонтологии Артур Смит Вудвард ему отказал. Поэтому Хинтон подделал череп, чтобы подорвать авторитет Вудварда как ученого. Однако план не сработал. В 1956 году Уильям Штраусс предположил, что неандерталец был нашим непосредственным предком. Однако новые методы датирования окаменелостей показали, что люди и неандертальцы жили одновременно и поддерживали контакты. Вакансия по-прежнему открыта.

Почему абстрактная система коммуникации появилась так поздно?

Самые ранние примеры искусства датируются как созданные 35000 лет назад. Однако письменный язык развился всего 7000 лет назад, а математике потребовалось еще 2000 лет. Почему был такой большой разрыв между первыми абстрактными рисунками и первой системой коммуникации? Вероятнее всего, первым должен измениться наш мозг. Но как? Мозг – такая сложная структура, что может пройти несколько столетий, прежде чем мы хорошо поймем принципы его работы.

Что такое черные дыры?

Концепция черных дыр сперва была встречена с недоверием. Когда физик сэр Артур Эддингтон впервые услышал про них, он воскликнул: «Я думаю, должен существовать закон природы, не допускающий, чтобы звезда вела себя таким странным образом!». Первым поприветствовал черные дыры Оппенгеймер в 1938 году. Но и сэра Артура Эддингтона можно понять, потому что поведение черных дыр противоречит интуиции. Никто не знает, что происходит внутри черной дыры. В 1990-х годах ученые обнаружили существование сверхмассивных черных дыр размером с миллиард солнц. Они, как правило, расположены в центре эллиптических галактик. Участвовали ли они в создании этих галактик? Мы не знаем, на самом-то деле. Да и сами черные дыры для нас – настоящая загадка, потому что ни увидеть, ни потрогать их мы не можем, равно как и посетить.

Насколько стара Вселенная?

Никто не знает наверняка. Ответы варьируются от 8 до 20 миллиардов лет, но это довольно большой разброс. Самое странное в этой проблеме то, что Вселенная может быть моложе самых старых ее звезд. Исследования, проведенные в 1994 году, показали, что Вселенной 8 миллиардов лет, а значит самая древняя звезда в Млечном Пути старше самой Вселенной. К счастью, измерения, проведенные в 1999 году, опровергли предыдущие исследования. Но триумф их был недолговечным. Еще одно исследование, проведенное при помощи современных технологий, показало, что Вселенная была на 15% меньше, а значит и на 15% моложе. Согласно этому исследованию, существуют звезды старше самой Вселенной. Что мы делаем не так? Возможно, мы не понимаем фундаментальных законов физики?

Существуют ли множественные вселенные?

Первым концепцию множественных вселенных предложил писатель-фантаст Джек Уильямсон в 1952 году. Чем вдохновил физика Хью Эверетта. В 1957 году тот написал докторскую работу на тему множественных вселенных. Согласно его модели, каждое событие создает ряд вселенных, в которых имеет место каждый возможный результат этого события. Джон Уилер, руководитель Эверетта, предложил другую версию. По его мнению, Вселенная периодически расширялась и затем сжималась до размера атома. Но некоторые ученые отметили, что Вселенной, по всей видимости, не хватит вещества, чтобы коллапсировать. Стивен Хокинг разработал теорию, которая гласит, что существует бесконечное число вселенных с каждым возможным будущим. Проблема лишь в том, что мы не можем проверить эти теории на практике.

Каким будет конец Вселенной?

Некоторые теории предполагают, что Вселенная начнет в определенный момент сжиматься, пока не достигнет размера атома. Затем будет еще один большой взрыв, и Вселенная переродится. Но есть и другая возможность. Вселенная может расширяться бесконечно, расталкивая галактики все дальше и дальше друг от друга. В конце концов, звезды выжгут все свое топливо, и не останется ничего.

Турбулентность

Турбулентность – слово далеко не новое. Вам оно известно как слово, описывающее внезапную тряску во время полета. Тем не менее турбулентность в механике жидкостей – совершенно другое дело. Летная турбулентность, технически называемая «турбулентностью при ясном небе», возникает при встрече двух воздушных тел, движущихся на разных скоростях. Физики, однако, с трудом объясняют это явление турбулентности в жидкостях. Математикам снятся кошмары о ней. Турбулентность в жидкостях окружает нас всюду. Струя, вытекающая из крана, полностью распадается на хаотичные частицы жидкости, отличные от единого потока, которые мы получаем, когда открываем кран. Это один из классических примеров турбулентности, который используется для объяснения явления школьникам и студентам. Турбулентность распространена в природе, ее можно встретить в различных геофизических и океанических потоках. Она также важна для инженеров, поскольку часто рождается в потоках над лопастями турбин, закрылками и другими элементами. Турбулентность характеризуется случайными колебаниями в таких переменных, как скорость и давление. Хотя на тему турбулентности было проведено много экспериментов и получено много эмпирических данных, мы все еще далеки от убедительной теории о том, что именно вызывает турбулентность в жидкости, как она контролируется и что именно упорядочивает этот хаос. Решение проблемы осложняется еще и тем, что уравнения, определяющие движение жидкости – уравнения Навье-Стокса весьма трудно анализировать. Ученые прибегают к высокопроизводительным методикам вычислений, наряду с экспериментами и теоретическими упрощениями в процессе изучения явления, но полной теории турбулентности нет и нет. Таким образом, турбулентность жидкости остается одной из важнейших нерешенных проблем физики на сегодняшний день.

Происхождение жизни

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

Фолдинг белка

Путешествие в чертоги памяти приведет нас к школьным урокам химии или физики, которые мы все так любили (ну, почти все), где нам объясняли, что белки – крайне важные молекулы и строительные кирпичики жизни. Молекулы белка состоят из последовательностей аминокислот, которые влияют на их структуру и, в свою очередь, определяют специфическую деятельность белка. То, как белок укладывается и принимает уникальную нативную пространственную структуру, остается старой загадкой в науке.

Квантовая теория гравитации

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

Гипотеза Римана

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

Механизмы выживания тихоходок

Тихоходки – это класс микроорганизмов, которые довольно распространены в природе во всех климатических зонах и на любых высотах наших семи континентов. Но это не обычные микроорганизмы: они обладают чрезвычайными способностями к выживанию. Взять хотя бы то, что это первые живые организмы, которые могут пережить опасный вакуум космоса.

Что движет эволюцией?

Ответ на этот вопрос вы наверняка слышали: естественный отбор принимается учеными как главный двигатель жизненных функций организмов и само их функционирование. Это одна из самых хорошо проверенных теорий в науке. Но эволюция посредством естественного отбора – это единственное объяснение сложности организмов? 

Что происходит внутри землетрясения?

На самом деле это очень странно, что мы не знаем процессы, которые происходят на нашей планете прямо под нашими ногами. Эксперты могут точно рассказать об эпицентре землетрясения, к какому типу принадлежит тот или иной вид землетрясения, а также о том, как долго будут продолжаться толчки. Но они совершенно не уверены в том, что происходит внутри планеты во время этого стихийного бедствия. Характер и природа сил, задействованных в этом процессе, пока до конца не ясна. 

Кто вы?

Природа сознания давно озадачивает психологов и когнитивных ученых. Часть ответа на этот вопрос, однако, удивительно проста: большинство наших действий зависит от функционирования нейронных цепей. Хотя мы часто думаем о себе как о независимых существах, на самом деле это не так. Все, что мы делаем, находится под влиянием бессознательных процессов окружающей среды.

Как работает наш мозг?

Безусловно, сегодня нам о деятельности мозга известно намного больше, чем несколько десятилетий назад. Но, тем не менее, миллиарды нейронов, каждый из которых имеет тысячи соединений, это очень сложная тема.

Где находится оставшаяся часть Вселенной?

В самом деле, было обнаружено только 4 процента материи и энергии Вселенной. Остальные 96 процентов остаются неуловимыми, но ученые продолжают поиски в самых отдаленных уголках и в глубочайших недрах Земли для того, чтобы решить две темные загадки.

Почему существует гравитация?

Можно подумать о том, что эта концепция уже давно понята, ведь Ньютон объяснил ее еще много лет назад. Но на самом деле, все гораздо сложнее. Гравитация – это самая слабо изученная сила во Вселенной, причем при помощи стандартных законов физики ее объяснить нельзя. Теоретики полагают, что все дело в крошечных, безмассовых частицах, называемых гравитонами, которые являются детищем гравитационных полей.

Существует ли «теория всего»?

В физике существует хорошая «стандартная модель», которая разделяет известную нам вселенную на частицы для того, чтобы описать каждую деталь: начиная от магнетизма и заканчивая описанием того, из чего состоят атомы, и как они остаются в стабильном состоянии. Стандартная модель рассматривает частицы как малые точки, которые выполняют определенные функции, и некоторые из которых несут в себе определенные силы. Но у стандартной модели есть два серьезных недочета: она не объясняет процесс гравитации и вся информация теряет свою актуальность, когда речь идет о высоких уровнях энергии. Если все-таки удастся разработать такую теорию (многие ученые говорят, что этого никогда не произойдет), которая объяснит гравитацию и сможет противостоять невероятным энергетическим силам ранней Вселенной, то универсальная теория физики станет реальностью.

Загадочное водяное чудище из Австралии

Пока в Шотландии охотились на Лох-несское чудовище, в Австралии завелся свой собственный водяной монстр. О таинственном «чудовище острова Хук», которое, по слухам, внешне напоминает головастика-переростка, впервые заговорили в 1964 году, когда его удалось сфотографировать молодой паре во время их отпуска на побережье Квинсленда. По словам пары, гигантское водяное чудище приблизилось к ним и демонстративно раскрыло пасть, после чего продолжило свое плавание. В сети можно найти огромное количество самых фотографий монстра, но до сих пор никому не удалось окончательно подтвердить или опровергнуть его существование. Окажись он угрем-мутантом или просто большой рыбацкой сетью, одно можно сказать наверняка – этот красавчик успел нагнать страху.

«Отрыжка» черных дыр

Черные дыры – это, по сути, гигантские космические пылесосы, которые поглощают планеты и целые галактики на своем пути. Если задуматься, то вполне логично, что каким-то образом рано или поздно все это должно выйти обратно. Оказывается, что черные дыры могут «срыгивать» газы, причем в огромных масштабах. Впервые этот феномен выявили исследователи университета Техаса в начале 2016 года, но им оставалось только гадать, как и почему это происходит. Существует предположение, что эта «отрыжка» может приоткрыть завесу тайны над тем, как образуются звезды. 

Огненные шары Наг

Каждый год, когда подходит к концу буддистский пост, на реке Меконг в Таиланде можно наблюдать загадочное явление неземной красоты. Сотни огненных шаров поднимаются из глубин реки и взлетают высоко над водой, и это вовсе не красивый трюк с участием фейерверков или китайских фонариков – шары образуются сами по себе, и ученым до сих пор не удалось толком объяснить этот природный феномен. Местные жители назвали светящиеся сферы «огненные шары Наг» в честь одноименного змееподобного мифического существа, которое, по поверьям, обитает на дне реки. Ученые придерживаются мнения, что «шары» – это всего лишь пузырьки болотного газа, поднимающиеся на поверхность, но теория со змеем-водяным звучит куда интереснее.

Киты-самоубийцы

Чаще всего, найденные на суше киты и дельфины оказываются либо ранеными, либо больными, и продолжить плавание им не позволяет слабость. Но бывают и такие редкие случаи, когда совершенно здоровые киты (иногда даже целые стаи) выбрасываются на берег, и эта загадка столетиями не давала биологам покоя. Так как обычно киты перемещаются группами, можно предположить, что здоровые особи пытаются найти отбившихся от стаи больных, и в результате их самих случайно выносит на сушу. Однако некоторые случаи всерьез заставили ученых задуматься: неужели киты делают это специально, таким образом пытаясь оборвать собственную жизнь? Пока ученым еще только предстоит выявить истинную причину этих трагических событий.

Миграция животных

Некоторые представители царства животных настолько хорошо ориентируются в пространстве, что их можно заподозрить в наличии встроенной системы GPS. Ведь они находят обратную дорогу домой, даже преодолев расстояния в сотни тысяч километров (тем временем, большинство из нас не может дойти от метро до ресторана без Google Maps). Такие полезные навыки навигации все животные используют по-разному. Например, черепахи логгерхеды рождаются с точным знанием того, где именно на планете они находятся, и в дальнейшем используют свое магнитное поле как карту, которая помогает им найти лучшие места для пропитания. Исследования удивительных способностей логгерхедов и других им подобных продолжаются, но их природа все еще остается для ученых загадкой.

Почему мы спим?

Большинство тут же возмутится – сон нужен нам для перезарядки организма, что здесь может быть непонятного! Но, как и почему мы впервые начали спать? И, если это такой важный процесс, почему так много живых существ вообще не нуждаются во сне? Некоторые ученые полагают, что те, кому сон не нужен, попросту приучили себя справляться без него, чтобы всегда быть начеку и не попасться хищникам. А те, кто может спать, научились прятаться от хищников (но нам все еще нужен кофе, чтобы чувствовать себя в полной боевой готовности). Хотя это и объясняет, как сон может стать помощником или помехой выживанию, вопрос, почему же мы спим, остается открытым.

Застенчивость инопланетян

Наша Вселенная раскинулась на 92 миллиарда световых лет и содержит миллиарды галактик, которые приютили миллионы других планет. Хотя человеческая раса вполне себе самодостаточна, грустно предполагать, что мы – единственная форма жизни во всем безграничном космосе. Так почему же к нам до сих пор никто не заглянул в гости? Некоторые считают, что инопланетяне знают о нас, но предпочитают держаться от нас подальше (что, к слову, весьма правдоподобно). Что же думают ученые? Похоже, для экспертов это тоже остается загадкой. Вполне возможно, что попытки связаться с Землей продолжаются с незапамятных времен, но масштабы Вселенной не позволяют нам об этом узнать.

Темная материя

Темная материя получила свое имя в связи с тем, что никак не взаимодействует со светом, а потому остается практически невидимой. Так что, прежде чем ученые могли хотя бы начать задумываться о природе этого удивительного явления, им еще надо было его обнаружить. Самой внимательной оказалась астроном Вера Рубин – наблюдая за Галактикой Андромеды, она обнаружила, что частицы по краям спирали двигались так же быстро, как и частицы в середине, что противоречит законам Ньютона. Какая-то невидимая «материя» должна была контролировать движение звезд и галактик. На сегодняшний день мы знаем, что темная материя занимает примерно 84% вселенной. Но как темная материя делает то, что делает? Ученые все еще в тупике.

Эффект плацебо

Казалось бы – как слабый разбавленный раствор может снимать боль с тем же успехом, как и сильные обезболивающие, включая морфий? Но это возможно, и именно это – загадка эффекта плацебо. Многочисленные эксперименты показали, что лечение обычным физраствором оказывает положительное воздействие на некоторых больных и приводит к улучшению состояния даже в случае таких тяжелых заболеваний, как болезнь Паркинсона. Это, несомненно, потрясающий результат, но ученые до сих пор до конца не понимают, как работает эффект плацебо.

Таинственный сигнал «Wow!»

15 августа 1977 года воодушевленный астроном из Университета штата Огайо зарегистрировал загадочный радиосигнал из космоса длиной 37 секунд. Другие подобные сигналы, например, вызванные тепловым излучением с других планет, обычно охватывают широкий диапазон радиочастот. Этот, однако, показался в очень узком диапазоне и прибыл с расстояния примерно в 220 световых лет. Удивительное открытие побудило астронома Джерри Эймана написать «Ух ты!» на распечатке с радиотелескопа, и именно эта подпись дала сигналу название. Кто-то считает это явление попыткой внеземных существ установить контакт с Землей, кто-то – простыми помехами. Однако доказать наверняка свою точку зрения до сих пор никому не удалось.

Самое тихое место в мире

На границе штата Дуранго в Мексике есть пустынная местность, которая зовется «Зоной молчания». Согласно местной легенде, здесь невозможно поймать радиоволну, и обвинять в этом принято как инопланетян и магнитные поля, так и таинственную «энергию земли». Зона впервые привлекла к себе внимание в 1970 году, когда в Дуранго потерпела крушение ракета, которую армия США использовала в учебных целях. Как именно эта зона стала самым тихим местом на Земле – загадка для ученых, так что нам остается довольствоваться легендами.

О чем поют горбатые киты?

На протяжении многих лет завораживающие песни горбатых китов, при помощи которых общаются женские и мужские особи, считались частью их брачного ритуала. С тех пор эту теорию успели опровергнуть, и ученые задумались о другом толковании этого явления – могут ли песни китов быть проявлением дружбы, а не флирта? Нейробиолог Эдуардо Меркадо придерживается этого мнения и полагает, что мужские особи поют, чтобы помочь новоприбывшим китам ориентироваться в океане. По его мнению, когда киты оказываются в новом месте, они начинают петь песню местных обитателей, тем самым приглашая их исследовать океанские просторы вместе. Звучит правдоподобно, но это все еще только теория, так что тайна песен китов остается нераскрытой.

Инопланетный сигнал

Радиоимпульсы с других планет, такие как сигнал «Wow!» – большая редкость, но в самых удивительных и редких случаях они еще и повторяются. Именно такой повторяющийся сигнал зарегистрировала команда канадских исследователей в 2016 году в Пуэрто-Рико, где находится самый большой радиотелескоп в мире. Радиоволны, исходящие из самых глубин космоса, были необычайно быстрыми, что свидетельствует о довольно масштабном галактическом событии. В прошлом такие резкие всплески радиосигнала объясняли взрывом звезд или поглощением солнц черными дырами. Однако, повторение этих радиоимпульсов указывает на некую последовательность, что подразумевает инопланетный контакт. Для того, чтобы обнаружить источник этих импульсов, понадобится куда более мощный радиотелескоп, но это может быть очередной шаг на пути к обнаружению внеземной жизни.

Австралийский Стоунхендж

Хотя мы уже многое знаем о древнем памятнике в Англии, австралийская версия Стоунхенджа все еще скрывается за завесой тайны. Для начала, его точное местоположение оставалось тайной с тех самых пор, как его впервые обнаружили в 1939 году. Учитывая приблизительный возраст этого каменного сооружения, поразительно, что оно все еще цело. Английский Стоунхендж был возведен во времена неолита (2500 до н.э.), а австралийский датируется палеолитом – около 2,5 миллиона лет назад. К несчастью, камни повредились настолько, что их практически невозможно изучить.

Огни землетрясений

Землетрясения невозможно предсказать, и они с легкостью уничтожают целые города без малейшего предупреждения. Однако природа все же нашла способ предостерегать людей – именно так объясняют необычный феномен, получивший имя «огни землетрясений». Эти огни появляются в виде цветных вспышек в небе (чаще белых и синих). Хотя это явление не раз замечали на протяжении столетий, ученые обратили внимание на этих странных предвестников катастрофы только тогда, когда те попали в объектив фотокамер во время землетрясений в Мацусиро в 1960-х. Хотя точное происхождение этих огней пока неизвестно, это одно из самых крутых природных явлений – своего рода спасательная радуга.