Основные неразрешенные вопросы физики, волнующие умы ученых в настоящее время
Привет. В период времени от Коперника до Эйнштейна физическая наука изменилась кардинально. С каждым новым открытием появляются дополнительные гипотезы, которые бросают вызов классическому научному знанию. Сегодня, хотя такие темы, как Теория Большого Взрыва и Общая Теория Относительности, хорошо известны, есть еще некоторые вопросы, которые заставляют физиков вести жаркие дебаты.
Что такое темная материя?
С появлением новой картины нашей расширяющейся Вселенной в 1960-х годах природа темной энергии стала главным приоритетом в фундаментальной физике. Другим и связанным с этим приоритетом в несколько более позднее время было понимание природы темной материи, которая, как известно, доминирует над обычным веществом в соотношении около 5: 1. Уже около 1990 года было решено, что основная часть таинственной темной материи была «холодной», что означает, что она состоит из относительно медленно движущихся частиц, неизвестных экспериментаторам, но предсказанных физической теорией. Частицы холодной темной материи (CDM) были все вместе известны как WIMPs - «слабо взаимодействующие массивные частицы». Несколько гипотетических частиц были предложены в качестве кандидатов для экзотической темной материи, некоторые из них более популярны, чем другие, но природа темной материи остается неизвестной.
Существуют ли множественные вселенные?
Возможно, наиболее противоречивыми из современных космологических гипотез является идея многочисленных вселенных или то, что известно как «мультиверс» - термин, впервые использованный в научном контексте еще в 1998 году. Хотя разговоры о других вселенных простираются далеко в прошлое, современная версия мультивселенной считается совершенно иной и научной по своей природе. Основным утверждением гипотезы мультивселенной является то, что существует огромное количество других вселенных, причинно разделенных и различающихся различными законами и параметрами физики. Мы живем в особой вселенной, с такими законами и параметрами, которые позволяют существованию разумных жизненных форм.
Эта общая идея стала популярной среди некоторых физиков в 1990-х годах, в первую очередь мотивированной событиями в теории инфляции, но также вдохновленной антропным принципом и многомировой интерпретацией квантовой механики. Основная причина, по которой мультивселенная воспринимается всерьез многими физиками, заключается в том, что она получила неожиданную поддержку от фундаментальной теории суперструн. Основываясь на аргументах теории струн, в 2003 году американский теоретик Леонард Сусскинд предположил, что существует огромный «ландшафт» вселенных, каждый из которых соответствует вакуумному состоянию, описанному уравнениями теории струн.
Почему графен так важен?
Этот непритязательный материал может изменить будущее электроники и техники, как мы ее знаем. Недавние исследования выявили его необычные свойства, в том числе графеновые листы в десять раз жестче стали и исключительно эффективные электрические проводники. Удивительно, но они также прозрачны для видимого света, что означает, что они могут использоваться для передачи информации между оптическими волокнами. Хотя теоретическое исследование графена началось в 1950-х годах, экспериментальное исследование графена не было реализовано до недавнего открытия и характеристики эксфолиарованного графена Новоселовым и др. (2004) и эпитаксиальный графен Berger et al. (2004). Из-за его фундаментальной важности в физике, как реализации релятивистской системы конденсированных сред, а также ее прикладных потенциалов в электронике следующего поколения интерес к исследованию графена быстро растет. Несмотря на то, что может пройти много времени, прежде чем полный потенциал применения графена может быть полностью реализован, графен - невероятно интригующая система, в которой многое предстоит изучить.
Можем ли мы объяснить направление времени?
Многие из самых обсуждаемых тем в современной физике переходят в сферу философии, и одной из основных таких тем является характер времени. Хотя большинство фундаментальных физических законов не изменяется при изменении времени, существует несколько классов явлений в природе, которые имеют одностороннее направление времени. Поскольку большинство подсистем во вселенной не могут считаться изолированными, эти различные стрелки времени указывают в одном направлении. Возникает вопрос, существует ли одна главная стрелка времени, лежащая в основе всех этих стрелок. Предварительным ответом является «да». Уже Людвиг Больцманн сделал предположение о возможном фундаменте второго закона термодинамики из космологии: это огромный температурный градиент между горячими звездами и холодным пространством, который обеспечивает энтропическую способность, которая необходима для увеличения энтропии.
Что ждет нас в будущем?
Исторически сложилось так, что состояния Вселенной в будущем редко представляло научный интерес. Как заметил в 1985 году британский астрофизик Малькольм Лонгэйр: «Будущее нашей Вселенной - прекрасная тема для разговоров после ужина». То, что называется «физическая эсхатология», началось только в 1970-х годах с работы Мартина Риса, Джамала Ислама и некоторых других. То, что сделали эти физики - это экстраполирование нынешнего состояния Вселенной в далекое будущее, предполагая, что известные в настоящее время законы физики останутся неизменными. Предпочтительный сценарий в этом виде исследований обычно начинался с вымирания звезд и их последующего превращения в нейтронные звезды или черные дыры.
В некоторых исследованиях вселенной будущего мира были высказаны предположения о выживании разумной жизни - либо людей, либо их предположительно более интеллектуальных потомков (которые могут быть самовоспроизводящимися роботами, а не существами из плоти и крови). В лекции под названием «Время без конца» в 1978 году Дайсон утверждал, что в открытой вселенной жизнь может длиться бесконечно. В конечном счете, это тема, которая не была окончательно решена - и все еще обсуждается.
