Spesso su Internet è possibile trovare questi misteri presumibilmente irrisolti e irrisolti del nostro universo e della scienza moderna.
Per qualche ragione, mi sembra che in parte si tratti di problemi inverosimili che non esistono, ma in parte la scienza ha già trovato una spiegazione.
Quale di queste consideri una fisica segreta ancora non rivelata?
1. Da dove provengono i raggi cosmici di altissima energia?
La nostra atmosfera è costantemente bombardata da particelle ad alta energia dallo spazio chiamate "raggi cosmici". Sebbene questi raggi non danneggino molto gli esseri umani, sono di grande interesse per i fisici.
Nel 1962, durante un esperimento al Volcano Ranch, John Linsley e Livio Scarsi videro qualcosa di incredibile: un raggio cosmico con un'energia di oltre 16 joule. Per darti un'idea, diciamo che un joule è più o meno uguale all'energia richiesta per sollevare una mela dal pavimento e posizionarla su un tavolo. E tutta questa energia è concentrata in una particella che è miliardi di volte più piccola di una mela. Ciò significa che si muove a una velocità prossima a quella della luce!
Video promozionale:
I fisici non sanno ancora da dove queste particelle abbiano preso così tanta energia. Secondo alcune teorie, la fonte di queste particelle potrebbero essere delle supernove formatesi dopo l'esplosione delle stelle alla fine della loro vita. Queste particelle potrebbero anche essere accelerate nei dischi di materia in collasso che si formano attorno ai buchi neri.
2. L'universo moderno è stato il risultato dell'inflazione?
L'universo è sorprendentemente piatto, cioè l'intero universo ha la stessa quantità di materia. Tuttavia, secondo la teoria del big bang, nelle primissime fasi dello sviluppo dell'universo, la densità della materia potrebbe essere diversa in luoghi diversi.
Secondo la teoria dell'inflazione, l'universo moderno ha avuto origine da un universo primordiale di piccolo volume, che si è espanso rapidamente e improvvisamente. Come con il gonfiaggio di un palloncino, l'inflazione ha attenuato tutti i rigonfiamenti nell'universo primordiale.
Anche se questo spiega molto di ciò che vediamo, i fisici non sanno ancora cosa abbia causato l'inflazione. Anche le informazioni su ciò che è accaduto durante questa inflazione sono imprecise.
3. È possibile trovare l'energia oscura e la materia oscura?
Fatto sbalorditivo: solo il 5% circa dell'universo è costituito da materia a noi visibile. Alcuni decenni fa, i fisici hanno notato che le stelle ai bordi esterni delle galassie ruotano attorno ai centri di queste galassie più velocemente del previsto. Per spiegare questo, gli scienziati hanno suggerito che queste galassie possono contenere una sorta di materia "oscura" invisibile, che fa girare le stelle più velocemente.
Insieme a questo, sappiamo che l'espansione dell'universo sta ora accelerando. Questo sembra strano, poiché ci si aspetterebbe che l'attrazione della materia - sia "chiara" che "oscura" - rallenti l'espansione dell'universo. "L'energia oscura" potrebbe essere una spiegazione per questo fenomeno. I fisici ritengono che almeno il 70% dell'energia nell'universo sia sotto forma di energia "oscura", che contribuisce all'attuale accelerazione dell'espansione dell'universo.
Fino ad ora, le particelle che formano la materia "oscura" e il campo che forma l'energia "oscura" non sono stati ancora studiati direttamente in condizioni di laboratorio. Ma i fisici sperano che le particelle di materia "oscura" possano essere ottenute e studiate al Large Hadron Collider. Tuttavia, queste particelle possono essere più pesanti delle particelle che il collisore può creare e quindi il loro segreto rimarrà irrisolto per molto tempo.
4. Cosa c'è al centro di un buco nero?
I buchi neri sono gli oggetti più famosi in astrofisica. Possiamo descriverle come regioni dello spaziotempo con campi gravitazionali così forti che nemmeno la luce può superarli.
Sono state fatte osservazioni su molti buchi neri, compreso l'enorme buco nero al centro della nostra galassia. Ma il mistero di ciò che sta accadendo al centro del buco nero non è stato ancora rivelato. Alcuni fisici pensano che possa esserci una "singolarità" - un punto di densità infinita in cui una certa massa è concentrata in uno spazio infinitesimale. È difficile da immaginare. Ancora peggio, qualsiasi singolarità porta a un buco nero in questa teoria, poiché non c'è modo di osservare direttamente la singolarità.
C'è anche ancora una controversia sul fatto che le informazioni siano perse nei buchi neri. Assorbono particelle ed emettono radiazioni di Hawking, ma questa radiazione non sembra contenere alcuna informazione aggiuntiva su ciò che sta accadendo nel buco nero.
Il fatto dell'apparente impossibilità, almeno al momento, di scoprire cosa ci sia nei buchi neri, ha per lungo tempo consentito agli scrittori di fantascienza di fare ipotesi sulla possibilità dell'esistenza di altri universi lì o sull'uso dei buchi neri per il teletrasporto o il viaggio nel tempo.
5. C'è vita intelligente nell'universo?
Gli esseri umani hanno sognato gli alieni sin da quando hanno guardato il cielo notturno per la prima volta e si sono chiesti cosa potesse esserci. Ma negli ultimi decenni abbiamo appreso molti fatti interessanti.
In primo luogo, abbiamo imparato che i pianeti sono molto più comuni di quanto si pensasse in precedenza. Abbiamo anche imparato che l'intervallo tra il momento in cui il nostro pianeta è diventato abitabile e l'emergere della vita su di esso è piuttosto piccolo. Questo significa che la vita è possibile? Se è così, otteniamo il famoso paradosso di Fermi: perché allora non abbiamo ancora comunicato con gli alieni?
L'astronomo Frank Drake ha compilato l'equazione che porta il suo nome come un modo per guardare a tutti i lati del problema. Ciascuno dei suoi componenti rappresenta la ragione della mancanza di comunicazione con la vita intelligente.
La vita può essere comune, ma la vita intelligente è rara. Forse dopo un po 'tutte le civiltà decidono di non comunicare con altre forme di vita. Esistono, ma non vogliono comunicare con noi. O forse indica che molte civiltà aliene si stanno distruggendo subito dopo aver acquisito la capacità tecnologica di comunicare. Ci sono stati persino suggerimenti che la mancanza di comunicazione con gli alieni è la prova dell'origine artificiale del nostro mondo, che potrebbe essere la creazione di Dio o un modello al computer.
Tuttavia, è possibile che semplicemente non abbiamo cercato abbastanza a lungo e abbastanza lontano, poiché lo spazio è incredibilmente grande. I segnali possono perdersi facilmente e la civiltà aliena deve solo inviare un segnale più forte. E forse domani scopriremo una civiltà aliena e la nostra comprensione dell'universo cambierà.
6. Qualcosa può muoversi più velocemente della luce?
Da quando Einstein ha cambiato la fisica con la sua teoria della relatività speciale, i fisici sono stati convinti che non c'è nulla che possa viaggiare più veloce della luce. Secondo questa teoria, perché qualcosa si muova almeno alla velocità della luce, è necessaria un'energia infinita.
D'altronde, come dimostrano i suddetti raggi cosmici, anche la presenza di una grande quantità di energia non significa possibilità di movimento alla velocità della luce. La velocità della luce, come limite di velocità rigido, può anche essere un'altra spiegazione per la mancanza di comunicazione con civiltà aliene. Se sono limitati anche dalla velocità della luce, i segnali possono impiegare migliaia di anni per viaggiare.
Ma le persone sono costantemente alla ricerca di modi per aggirare questo limite di velocità dell'universo. Secondo i risultati preliminari dell'esperimento OPERA, condotto nel 2011, i neutrini si muovevano più velocemente della luce. Ma poi gli scienziati hanno notato errori nell'organizzazione dell'esperimento e hanno riconosciuto l'inesattezza di questi risultati.
Inoltre, se fosse possibile trasmettere materia o informazione a una velocità superiore a quella della luce, cambierebbe senza dubbio il mondo. Il movimento a una velocità superiore alla velocità della luce potrebbe interrompere la causalità, la relazione tra le cause e gli effetti degli eventi.
A causa del modo in cui il tempo e lo spazio sono correlati nella relatività ristretta, il movimento delle informazioni più veloce della velocità della luce consentirebbe a una persona di ricevere informazioni su un evento prima che si verifichi quell'evento, che è una forma di viaggio nel tempo. Questo potrebbe creare tutti i tipi di paradossi che non sapremmo come risolvere.
7. Si può descrivere la turbolenza?
Ritornando sulla Terra, possiamo dire che nella nostra vita di tutti i giorni ci sono ancora molte cose difficili da capire. Ad esempio, prova a giocare con i rubinetti dell'acqua. Se lasci scorrere l'acqua con calma, stai osservando un fenomeno noto in fisica, un tipo di flusso a noi ben noto chiamato "flusso laminare". Ma se chiudi completamente il rubinetto e osservi il comportamento dell'acqua, avrai un esempio di turbolenza. Per molti versi, la turbolenza è ancora un problema irrisolto in fisica.
L'equazione di Navier-Stokes definisce come dovrebbero muoversi fluidi come l'acqua e l'aria. Immaginiamo che il liquido sia rotto in piccoli pezzi di massa. Questa equazione prende quindi in considerazione tutte le forze che agiscono su questi pezzi - gravità, attrito, pressione - e cerca di determinare come ciò influenzerà la loro velocità.
Nel caso di flussi semplici o stabili, possiamo trovare soluzioni all'equazione di Navier-Stokes che descrivono completamente il flusso dato. I fisici possono quindi comporre equazioni per calcolare la portata in qualsiasi punto. Ma nel caso di flussi complessi e turbolenti, queste soluzioni potrebbero non essere accurate. Possiamo manipolare molti flussi turbolenti risolvendo le equazioni numericamente su grandi computer. Questo ci dà una risposta approssimativa senza una formula che spieghi completamente il comportamento del fluido.
A proposito, il Clay Mathematical Institute ha offerto una ricompensa per aver risolto questo problema. Quindi, se puoi farlo, puoi ottenere un milione di dollari.
8. È possibile creare un superconduttore che funzioni a temperatura ambiente
I superconduttori sono tra i dispositivi e le tecnologie più importanti inventati dall'uomo. Sono tipi speciali di materiale. Quando la temperatura si abbassa abbastanza, la resistenza elettrica del materiale scende a zero.
I nostri cavi di alimentazione moderni sprecano molta elettricità. Non sono superconduttori e hanno una resistenza elettrica, che li fa riscaldare quando viene attraversata da una corrente elettrica.
Ma le possibilità dei superconduttori non si limitano a questo. Il campo magnetico creato dal filo ha una forza che dipende dalla corrente che lo attraversa. Se riesci a trovare un modo economico per far passare correnti molto elevate attraverso i superconduttori, puoi ottenere campi magnetici molto potenti. Questi campi sono attualmente utilizzati dal Large Hadron Collider per deviare le particelle cariche che si muovono rapidamente attorno al suo anello. Sono utilizzati anche nei reattori nucleari sperimentali, che in futuro potrebbero diventare la nostra fonte di elettricità.
Il problema è che tutti i superconduttori conosciuti possono funzionare solo a temperature molto basse (non superiori a -140 gradi Celsius). Il raffreddamento a temperature così basse richiede solitamente azoto liquido o un suo equivalente, e questo è molto costoso. Pertanto, molti fisici e specialisti dei materiali in tutto il mondo stanno lavorando per ottenere il Santo Graal, un superconduttore che potrebbe funzionare a temperatura ambiente. Ma finora nessuno è riuscito a farlo.
9. Perché c'è più materia dell'antimateria?
Per ogni particella, c'è una particella uguale e opposta chiamata antiparticella. Per gli elettroni, ci sono i positroni. Esistono antiprotoni per i protoni. Eccetera.
Se una particella tocca un'antiparticella, si annichilisce e si trasforma in radiazione. A volte si trasforma in raggi cosmici. L'antimateria può anche essere creata negli acceleratori di particelle al costo di diversi trilioni di dollari al grammo. Ma nel complesso, sembra essere molto raro nel nostro universo. Questo è un vero segreto. Tutti i processi noti che convertono l'energia (radiazione) in materia producono la stessa quantità di materia e antimateria. Quindi, se l'universo è dominato dall'energia, perché allora non produce quantità uguali di materia e antimateria?
Esistono diverse teorie per spiegare questo. Gli scienziati che studiano le interazioni delle particelle al Large Hadron Collider stanno cercando esempi di "violazione di CP". Se si verificassero, queste interazioni potrebbero mostrare che le leggi della fisica sono diverse per particelle di materia e antimateria. Quindi potremmo presumere che ci possano essere processi che hanno maggiori probabilità di produrre materia piuttosto che antimateria, motivo per cui c'è più materia nell'universo.
Altre teorie meno probabili potrebbero avere intere regioni dell'universo dominate dall'antimateria. Ma queste teorie dovranno spiegare come è avvenuta la separazione tra materia e antimateria e perché non vediamo grandi masse di radiazioni rilasciate nella collisione di materia e antimateria. Quindi, a meno che non troviamo prove di galassie di antimateria, la violazione di CP nell'universo primordiale sembra la soluzione migliore. Ma ancora non sappiamo come funziona.
10. Possiamo avere una teoria unificata?
Nel 20 ° secolo, sono state sviluppate due grandi teorie per spiegare molti fenomeni in fisica. Una era la teoria della meccanica quantistica, che descriveva il comportamento e le interazioni di minuscole particelle subatomiche. La meccanica quantistica e il modello standard della fisica delle particelle hanno spiegato tre dei quattro fenomeni fisici in natura: l'elettromagnetismo e le forze nucleari forti e deboli.
Un'altra grande teoria era la teoria della relatività generale di Einstein, che spiega la gravità. In questa teoria, la gravità si verifica quando la presenza di massa piega lo spazio e il tempo, facendo sì che le particelle si muovano in percorsi curvi a causa della forma curva dello spaziotempo. Può spiegare cose che accadono su scala più grande, come la formazione di galassie.
C'è solo un problema. Queste due teorie sono incompatibili. Per quanto ne sappiamo, entrambe le teorie sono corrette. Ma non sembrano lavorare insieme. E poiché i fisici si sono resi conto di questo, stavano cercando una soluzione che potesse combinarli. Questa decisione venne chiamata la Grande Teoria Unificata, o Teoria del Tutto.
Gli scienziati sono abituati a teorie che funzionano solo entro certi limiti. I fisici sperano di superare i loro limiti e vedere che la teoria della meccanica quantistica e la relatività generale fanno parte della teoria più ampia, come un mosaico di una coperta. La teoria delle stringhe è un tentativo di ricreare le caratteristiche della relatività generale e della teoria della meccanica quantistica. Ma le sue previsioni sono difficili da verificare con gli esperimenti, quindi non può essere confermata.
La ricerca di una teoria fondamentale - una teoria che possa spiegare tutto - continua. Forse non la troveremo mai. Ma se la fisica ci ha insegnato qualcosa, è che l'universo è veramente meraviglioso e che in esso c'è sempre spazio per nuove scoperte.
Secondo un articolo del sito listverse.com - tradotto da Sergey Maltsev
