8 maiores mistérios da física que ainda não foram resolvidos
Miscelânea / / July 28, 2023
As principais questões da vida, o universo e tudo mais.
1. Por que o tempo só flui para frente
Na física, existe o conceito de "uma seta (ou eixo) do tempo". Descreve o fluxo do tempo do passado para o futuro. E há muitas evidências de que o tempo favorece uma determinada direção.
De acordo com a segunda lei da termodinâmica, em um sistema isolado, a entropia (uma medida de desordem) aumentará com o tempo. Esse significaque os processos na natureza geralmente ocorrem em uma direção em que a energia é distribuída de maneira mais uniforme e o sistema se torna mais desordenado.
Por exemplo, quando quebramos um ovo, ele não se regenera sozinho. Você não pode voltar no tempo e fazer as coisas do jeito que eram. A entropia é impiedosa.
Além disso, de acordo com a teoria geral da relatividade, ao longo do tempo, o Universo expande. Observações mostram que ele passou por um estado de alta densidade e baixa entropia no passado (a esse evento chamamos de "Big Bang") e está se movendo em direção a um estado futuro de alta entropia.
Em geral, é fácil ver que o tempo é irreversível e sempre se move em uma direção. E os cientistas nunca entenderão por que isso acontece. E é possível que o tempo flua para trás também?
2. o que é energia escura
O universo está se expandindo. Ela faz isso como um balão, só que mais rápido que a velocidade da luz.
Na década de 1990, os astrônomos descobertoque a expansão do universo só ganha velocidade com o tempo e não diminui sob a influência da gravidade, como deveria ser em teoria. Essa observação levou à sugestão de que existe alguma forma de energia que se opõe à gravidade e contribui para a expansão acelerada do universo.
Energia escura presumivelmente preenche toda a estrutura espaço-temporal do Universo e é o principal componente de seu conteúdo energético. Mas não pode ser diretamente observado ou medido.
74% do nosso Universo é energia escura, 22% é matéria escura, 3,6% é gás intergaláctico e outros 0,4% são estrelas, planetas e outras pequenas coisas banais e desinteressantes.
Por que o alinhamento é assim não está claro.
A própria natureza da energia escura também é restos um mistério para a ciência. Existem vários teoriasque tentam explicar sua origem, incluindo os conceitos de vácuo quântico e constante cosmológica.
Enquanto isso, a energia escura é de grande importância para a compreensão das propriedades fundamentais do Universo e seu destino futuro. Depende se a expansão do Universo continuará indefinidamente, desacelerará ou até reverterá no futuro.
3. o que é matéria escura
O escuro é uma forma hipotética de matéria que não interage com a radiação eletromagnética e, portanto, não emite, absorve ou reflete luz. Não pode ser detectado com nossos instrumentos e instrumentos comuns, e é por isso que é chamado assim.
Mas há muitos evidência a existência de matéria escura no universo. Eles são baseados no efeito gravitacional que tem sobre objetos visíveis.
A matéria escura, embora invisível, afeta o movimento das estrelas, galáxias e aglomerados de galáxias.
pesquisa astronômica mostrarque esses objetos se movem como se fossem afetados por massa adicional, e isso não pode ser explicado pela quantidade de matéria que observamos. Portanto, a matéria escura mantém as galáxias e outras estruturas gigantes unidas sob a influência de sua força gravitacional.
Em geral, os físicos não entenderão o que é a matéria escura, de que partículas ela consiste, quais são suas propriedades e se ela existe. Talvez o comportamento observado de estrelas e galáxias não esteja relacionado a nenhuma matéria e seja apenas as esquisitices da gravidade. A ciência ainda não descobriu.
4. Por que as constantes fundamentais são como são?
As constantes fundamentais são valores numéricos que caracterizam as propriedades físicas e as interações no universo. Eles são básicos e não dependem de sistemas específicos de unidades.
As constantes determinam as propriedades e leis básicas da natureza, influenciando a estrutura e o desenvolvimento do universo como um todo. Todos esses números cerca de 25. Entre eles:
- A velocidade da luz no vácuo (c) - determina a velocidade máxima na qual informações ou interações podem se propagar no universo.
- A constante de Planck (h), ou quantum de ação, - determina a relação entre a energia e a frequência de partículas e ondas, conduzindo a fronteira entre o macrocosmo, onde se aplicam as leis da mecânica newtoniana, e o microcosmo, onde entram em vigor as leis da mecânica quântica. mecânica.
- Constante de gravidade (G) - determina a força da interação gravitacional entre as massas e afeta a estrutura e o movimento dos objetos no universo.
- Massa de um elétron (mₑ).
- Carga elementar (e).
- Constante cosmológica (Λ), também chamada de fundamental.
E os cientistas não conseguem entender por que todos esses números têm exatamente os significados que têm, e não outros.
Talvez só possamos observar significados compatíveis com nossa existência, porque vida só poderia se originar em tal universo. Isso é chamado de princípio antrópico.
Por exemplo, a constante de estrutura fina, geralmente indicada pela letra "alfa", define força das interações magnéticas. Seu valor numérico é aproximadamente 0,007297. Se os números fossem diferentes, poderia não haver matéria estável em nosso Universo.
E ainda, os físicos se perguntam como o Universo com outros parâmetros físicos mudaria. Existir hipóteses, segundo o qual os valores das constantes fundamentais são aleatórios e determinados por flutuações no início do universo - apenas um conjunto de números. Esta suposição implica que existem muitos Universos com diferentes valores das constantes. E temos sorte de estar naquele onde esses valores são mais adequados para o desenvolvimento da vida.
5. O que está acontecendo nos buracos negros
buracos negros Estas são áreas do espaço sideral com gravidade incrivelmente forte. Além do buraco negro, o chamado horizonte de eventos, a atração gravitacional é tão forte que nenhuma matéria, nem mesmo a luz, pode escapar.
No centro de um buraco negro, os físicos acreditam, existe uma singularidade - um ponto com densidade infinita e um campo gravitacional infinitamente forte. Mas o que é, como pode parecer e como exatamente funciona, nenhuma teoria pode explicar.
Alguns cientistas até sugerirque a singularidade pode não ser um ponto, mas pode ter formas diferentes - isso é verdade para buracos negros em rotação. O chamado buraco negro de Kerr, um objeto hipotético descrito pelo matemático e astrofísico Roy Kerr, tem uma singularidade anular. Será até possível voar por esse buraco e sobreviver. Em teoria.
Mas para descrever com precisão os processos físicos dentro da singularidade, é necessária uma teoria unificada gravidade e a mecânica quântica, que ainda não foi desenvolvida.
6. Por que há tão pouca antimatéria no universo?
Na matéria comum, partículas elementares, como elétrons e prótons, têm cargas negativas e positivas, respectivamente. Na antimatéria, essas cargas são invertidas: os antielétrons (também chamados de pósitrons) são carregados positivamente, enquanto os antiprótons são carregados negativamente.
antimatéria tem as mesmas propriedades físicas do comum, incluindo massa, spin e outras características das partículas. Mas quando uma antipartícula encontra uma comum correspondente, elas podem se aniquilar, transformando-se em energia pura.
Um litro de algum tipo de anti-hidrogênio, ao entrar em contato com o ar, terá cheiro de bomba atômica.
Que bom que a quantidade máxima de anti-hidrogênio que eles conseguiram sintetizar cientistas de cada vez - 309 átomos.
observações astronômicas mostrarque o universo e até os mais distantes estrelas e as galáxias são feitas de matéria, e há muito pouca antimatéria nelas. Essa diferença entre o número de bárions (partículas formadas por três quarks) e antibárions (antipartículas formadas por três antiquarks) em nosso universo é chamada de assimetria bariônica.
Se o Universo fosse completamente simétrico, então o número de bárions e antibárions teria que ser igual, e observaríamos galáxias inteiras de antimatéria. Porém, na realidade, tudo é feito de bárions, e os antibárions precisam ser sintetizados em aceleradores de partículas não apenas por uma colher de chá, mas por um átomo. Portanto, a antimatéria é a mais coisa cara no mundo.
De acordo com o modelo padrão de partículas elementares, imediatamente após o Big Bang, deveria haver um número igual de quarks e antiquarks no universo. Porém, algo aconteceu, o que exatamente não está claro, mas quase todos os antibárions aniquilado, e a matéria foi formada a partir dos bárions restantes. É, de fato, o que o universo consiste. E você, aliás, também. E cientistas que ainda não conseguem descobrir por que há tão pouca antimatéria no espaço.
7. O vácuo é estável?
O vácuo é o espaço com a menor energia possível, mas ao contrário do seu nome, não está completamente vazio. Ele ainda contém campos quânticos que determinam o comportamento das partículas elementares. cientistas acreditarque o vácuo verdadeiro, ou físico, que conhecemos é o estado mais estável do universo, pois é considerado o mínimo global de energia.
Porém, em teoria existe a possibilidade de que o estado do vácuo físico seja uma configuração de campos quânticos, que é apenas um mínimo local, e não um mínimo global de energia. Ou seja, o vácuo que podemos observar no espaço profundo ou criar em laboratório é “falso”. Portanto, pode haver "verdadeiro".
E se existe um vácuo "verdadeiro", estamos em apuros.
Se assumirmos que nosso Universo está em um estado não de vácuo "verdadeiro", mas "falso", então o processo de sua decadência para um estado mais estável se torna possível. As consequências de tal processo podem ser as mais aterrorizante e variam de mudanças sutis nos parâmetros cosmológicos que dependem da diferença de potencial entre o "falso" e o "verdadeiro" vácuo, até a completa cessação do funcionamento das partículas elementares e fundamentais forças.
Se em algum lugar do espaço aparecer uma bolha de vácuo "real", isso pode levar à destruição completa da matéria bariônica ou mesmo a um colapso gravitacional instantâneo do Universo.
Resumindo, esperemos que nosso aspirador seja o mais confiável do mundo. O que mais resta?
8. Qual será o fim do universo
E já que estamos falando de questões globais emocionantes como o colapso gravitacional do Universo: os físicos compilaram lista as coisas mais interessantes que podem acontecer ao espaço no futuro, mas nunca decida qual cenário é mais provável.
De acordo com a teoria do Big Bang, o universo surgiu cerca de 13,8 bilhões de anos atrás de um estado denso e quente chamado de singularidade, e desde então tudo vem crescendo e esfriando. Essa teoria explica bem uma série de fenômenos observados, como a radiação cósmica de fundo e a expansão universo. Mas o que acontecerá a seguir? Escolha o que você mais gosta:
- morte por calor. Dentro deste conceito supostoque com o tempo o universo se tornará cada vez mais frio e uniforme. A energia nele se esgotará, todos os processos, como a formação de estrelas e o movimento térmico, diminuirão e pararão. Isso levará a um estado de entropia máxima, quando todas as partículas estarão em estado de equilíbrio e nenhum outro evento no Universo será possível.
- Grande lacuna. Universo continuará expandir. Isso significa que as galáxias e outros objetos espaciais se afastarão cada vez mais uns dos outros. Se nada mudar, em um futuro distante, as forças gravitacionais não serão mais fortes o suficiente para resistir à pressão da energia escura. Isso levará ao fato de que em todos os níveis de estrutura do Universo, incluindo galáxias, estrelas e átomos, haverá uma força que excede sua própria força de atração. Como resultado, todos os objetos serão gradualmente quebrados em partículas separadas.
- grande aperto. De acordo com esse cenário, a expansão do universo, causada pelo Big Bang, desacelerar e eventualmente reverte. A atração gravitacional entre galáxias, estrelas e planetas se tornará a força dominante. A distância entre eles continuará a diminuir até que o Universo entre em colapso em uma singularidade, onde a densidade e a temperatura se tornam infinitamente altas. E não está longe do novo Big Bang.
Mas que tipo de destino espera espaço, ainda não está claro. Por favor, espere mais alguns milhares de septilhões de anos.
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