8 plus grands mystères de la physique qui ne sont toujours pas résolus
Miscellanea / / July 28, 2023
Les grandes questions de la vie, de l'univers et de tout le reste.
1. Pourquoi le temps ne s'écoule qu'en avant
En physique, il y a le concept "d'une flèche (ou d'un axe) du temps". Il décrit l'écoulement du temps du passé vers le futur. Et il existe de nombreuses preuves que le temps favorise une certaine direction.
Selon la deuxième loi de la thermodynamique, dans un système isolé, l'entropie (une mesure du désordre) augmentera avec le temps. Ce moyensque les processus dans la nature se déroulent généralement dans une direction où l'énergie est répartie plus uniformément et le système devient plus désordonné.
Par exemple, lorsque nous cassons un œuf, il ne se régénère pas tout seul. Vous ne pouvez pas remonter le temps et faire les choses comme elles étaient. L'entropie est impitoyable.
De plus, selon la théorie de la relativité générale, au fil du temps, l'Univers se développe. Les observations montrent qu'il a traversé un état de haute densité et de faible entropie dans le passé (cet événement que nous appelons le "Big Bang") et se dirige vers un état futur de haute entropie.
En général, il est facile de voir que le temps est irréversible et se déplace toujours dans une direction. Et les scientifiques ne comprendront jamais pourquoi il en est ainsi. Et est-il possible que le temps s'écoule également à l'envers ?
2. Qu'est-ce que l'énergie noire
L'univers est en expansion. Elle le fait comme un ballon, seulement plus vite que la vitesse de la lumière.
Dans les années 1990, les astronomes découvertque l'expansion de l'univers ne fait que s'accélérer avec le temps et ne ralentit pas sous l'influence de la gravité, comme cela devrait être le cas en théorie. Cette observation a conduit à la suggestion qu'il existe une forme d'énergie qui s'oppose à la gravité et contribue à l'expansion accélérée de l'univers.
L'énergie sombre vraisemblablement remplit l'ensemble de la structure spatio-temporelle de l'Univers et constitue la principale composante de son contenu énergétique. Mais il ne peut pas être directement observé ou mesuré.
74 % de notre univers est constitué d'énergie noire, 22 % de matière noire, 3,6 % de gaz intergalactique et 0,4 % d'étoiles, de planètes et d'autres petites choses banales et sans intérêt.
Pourquoi l'alignement est de cette façon n'est pas clair.
La nature même de l'énergie noire est également restes un mystère pour la science. Il y a plusieurs théoriesqui tentent d'expliquer son origine, notamment les concepts de vide quantique et de constante cosmologique.
Pendant ce temps, l'énergie noire est d'une grande importance pour comprendre les propriétés fondamentales de l'Univers et son destin futur. Il en dépend si l'expansion de l'Univers se poursuivra indéfiniment, ralentira ou même s'inversera à l'avenir.
3. Qu'est-ce que la matière noire
L'obscurité est une forme hypothétique de matière qui n'interagit pas avec le rayonnement électromagnétique et n'émet donc pas, n'absorbe pas ou ne réfléchit pas la lumière. Il ne peut pas être détecté avec nos instruments et instruments ordinaires, c'est pourquoi on l'appelle ainsi.
Mais il y a beaucoup preuve l'existence de la matière noire dans l'Univers. Ils sont basés sur l'influence gravitationnelle qu'il a sur les objets visibles.
La matière noire, bien qu'invisible, affecte le mouvement des étoiles, des galaxies et des amas de galaxies.
Recherche astronomique montrerque ces objets se déplacent comme s'ils étaient affectés d'une masse supplémentaire, et cela ne peut s'expliquer par la quantité de matière que nous observons. Par conséquent, la matière noire maintient ensemble les galaxies et autres structures géantes sous l'influence de sa force gravitationnelle.
En général, les physiciens ne comprendront pas ce qu'est la matière noire, de quelles particules elle se compose, quelles sont ses propriétés et si elle existe. Peut-être que le comportement observé des étoiles et des galaxies n'est lié à aucune matière et qu'il ne s'agit que des bizarreries de la gravité. La science ne l'a pas encore compris.
4. Pourquoi les constantes fondamentales sont-elles ainsi ?
Les constantes fondamentales sont des valeurs numériques qui caractérisent les propriétés physiques et les interactions dans l'univers. Ils sont basiques et ne dépendent pas de systèmes d'unités spécifiques.
Les constantes déterminent les propriétés de base et les lois de la nature, influençant la structure et le développement de l'univers dans son ensemble. Tous ces chiffres environ 25. Parmi eux:
- La vitesse de la lumière dans le vide (c) - détermine la vitesse maximale à laquelle les informations ou les interactions peuvent se propager dans l'univers.
- La constante de Planck (h), ou quantum d'action, - détermine la relation entre l'énergie et la fréquence des particules et des ondes, conduisant la frontière entre le macrocosme, où les lois de la mécanique newtonienne s'appliquent, et le microcosme, où les lois de la mécanique quantique entrent en vigueur. mécanique.
- Constante de gravité (G) - détermine la force de l'interaction gravitationnelle entre les masses et affecte la structure et le mouvement des objets dans l'univers.
- Masse d'un électron (mₑ).
- Charge élémentaire (e).
- Constante cosmologique (Λ), également appelée fondamentale.
Et les scientifiques ne peuvent pas comprendre pourquoi tous ces nombres ont exactement les significations qu'ils ont, et pas les autres.
Peut-être ne pouvons-nous observer que des significations compatibles avec notre existence, car vie ne pouvait provenir que d'un tel univers. C'est ce qu'on appelle le principe anthropique.
Par exemple, la constante de structure fine, généralement désignée par la lettre "alpha", définit force des interactions magnétiques. Sa valeur numérique est d'environ 0,007297. Si les nombres étaient différents, il n'y aurait peut-être pas de matière stable dans notre univers.
Et pourtant, les physiciens se demandent comment l'Univers avec d'autres paramètres physiques changerait. Exister hypothèses, selon lequel les valeurs des constantes fondamentales sont aléatoires et déterminées par les fluctuations de l'univers primitif - juste un ensemble de nombres. Cette hypothèse implique qu'il existe de nombreux univers avec différentes valeurs des constantes. Et nous avons juste la chance d'être dans celui où ces valeurs conviennent le mieux au développement de la vie.
5. Que se passe-t-il dans les trous noirs
Trous noirs Ce sont des zones de l'espace extra-atmosphérique avec une gravité incroyablement forte. Au-delà du trou noir, ce que l'on appelle l'horizon des événements, l'attraction gravitationnelle est si forte qu'aucune matière, pas même la lumière, ne peut s'échapper.
Au centre même d'un trou noir, pensent les physiciens, il y a une singularité - un point avec une densité infinie et un champ gravitationnel infiniment fort. Mais ce que c'est, à quoi cela pourrait ressembler et comment cela fonctionne exactement, aucune théorie ne peut l'expliquer.
Certains scientifiques même suggérerque la singularité peut ne pas être un point, mais peut avoir différentes formes - cela est vrai pour les trous noirs en rotation. Le soi-disant trou noir de Kerr, un objet hypothétique décrit par le mathématicien et astrophysicien Roy Kerr, a une singularité annulaire. Il sera même possible de voler à travers un tel trou et de survivre. En théorie.
Mais pour décrire avec précision les processus physiques à l'intérieur de la singularité, une théorie unifiée est nécessaire la gravité et la mécanique quantique, qui n'a pas encore été développée.
6. Pourquoi y a-t-il si peu d'antimatière dans l'univers ?
Dans la matière ordinaire, les particules élémentaires, telles que les électrons et les protons, ont respectivement des charges négatives et positives. Dans l'antimatière, ces charges sont inversées: les antiélectrons (également appelés positrons) sont chargés positivement, tandis que les antiprotons sont chargés négativement.
antimatière a les mêmes propriétés physiques que l'ordinaire, y compris la masse, le spin et d'autres caractéristiques des particules. Mais lorsqu'une antiparticule rencontre une autre ordinaire correspondante, elles peuvent s'annihiler, se transformant en énergie pure.
Un litre d'une sorte d'anti-hydrogène, lorsqu'il entre en contact avec l'air, sentira comme une bombe atomique.
Comme il est bon que la quantité maximale d'antihydrogène qu'ils ont réussi à synthétiser scientifiques à la fois - 309 atomes.
Observations astronomiques montrerque l'univers et même les plus lointains étoiles et les galaxies sont faites de matière, et il y a très peu d'antimatière dedans. Cette différence entre le nombre de baryons (particules composées de trois quarks) et d'antibaryons (antiparticules composées de trois antiquarks) dans notre univers est appelée asymétrie baryonique.
Si l'Univers était complètement symétrique, alors le nombre de baryons et d'antibaryons devrait être égal, et nous observerions des galaxies entières d'antimatière. Cependant, en réalité, tout est fait de baryons, et les antibaryons doivent être synthétisés dans les accélérateurs de particules non seulement par une cuillère à café, mais par un atome. L'antimatière est donc la plus chose chère dans le monde.
Selon le modèle standard des particules élémentaires, immédiatement après le Big Bang, il aurait dû y avoir un nombre égal de quarks et d'antiquarks dans l'univers. Cependant, quelque chose s'est passé, ce qui n'est pas clair exactement, mais presque tous les antibaryons anéanti, et la matière s'est formée à partir des baryons restants. C'est en fait ce qui compose l'univers. Et toi aussi d'ailleurs. Et des scientifiques qui n'arrivent toujours pas à comprendre pourquoi il y a si peu d'antimatière dans l'espace.
7. Le vide est-il stable ?
Le vide est l'espace avec la plus faible énergie possible, mais contrairement à son nom, il n'est pas complètement vide. Il contient encore des champs quantiques qui déterminent le comportement des particules élémentaires. Scientifiques croireque le vide réel ou physique que nous connaissons est l'état le plus stable de l'univers, car il est considéré comme le minimum global d'énergie.
Cependant, en théorie, il est possible que l'état du vide physique soit une configuration de champs quantiques, qui ne soit qu'un minimum d'énergie local et non global. Autrement dit, le vide que nous pouvons observer dans l'espace lointain ou créer en laboratoire est "faux". Donc, il peut y avoir "vrai".
Et si un "vrai" vide existe, nous avons de gros problèmes.
Si nous supposons que notre Univers est dans un état de vide non pas "vrai", mais "faux", alors le processus de sa décomposition vers un état plus stable devient possible. Les conséquences d'un tel processus peuvent être les plus terrifiant et varient de changements subtils dans les paramètres cosmologiques qui dépendent de la différence de potentiel entre "faux" et "vrai" vide, jusqu'à l'arrêt complet du fonctionnement des particules élémentaires et fondamentales les forces.
Si quelque part dans l'espace une bulle de "vrai" vide apparaît, cela peut conduire à la destruction complète de la matière baryonique ou même à un effondrement gravitationnel instantané de l'Univers.
Bref, espérons que notre aspirateur soit le plus fiable au monde. Que reste-t-il d'autre ?
8. Quelle sera la fin de l'univers
Et puisque nous parlons de problèmes mondiaux aussi passionnants que l'effondrement gravitationnel de l'Univers, les physiciens ont compilé liste les choses les plus intéressantes qui pourraient arriver dans l'espace à l'avenir, mais ne décidez jamais quel scénario est le plus probable.
Selon la théorie du Big Bang, l'univers est né il y a environ 13,8 milliards d'années à partir d'un état dense et chaud appelé singularité, et depuis lors, tout n'a cessé de croître et de se refroidir. Cette théorie explique bien un certain nombre de phénomènes observés, tels que le rayonnement de fond cosmique et l'expansion univers. Mais que va-t-il se passer ensuite? Choisissez ce que vous préférez :
- chaleur mort. Au sein de cette notion censéqu'au fil du temps l'univers deviendra de plus en plus froid et uniforme. L'énergie qu'il contient sera épuisée, tous les processus, tels que la formation d'étoiles et le mouvement thermique, ralentiront et s'arrêteront. Cela conduira à un état d'entropie maximale, lorsque toutes les particules seront dans un état d'équilibre et qu'aucun autre événement dans l'Univers ne sera possible.
- grand écart. Univers continuera développer. Cela signifie que les galaxies et les autres objets spatiaux s'éloigneront de plus en plus les uns des autres. Si rien ne change, dans un avenir lointain, les forces gravitationnelles ne seront plus assez fortes pour résister à la pression de l'énergie noire. Cela conduira au fait qu'à tous les niveaux de structure de l'Univers, y compris les galaxies, les étoiles et les atomes, il y aura une force qui dépassera leur propre force d'attraction. En conséquence, tous les objets seront progressivement divisés en particules séparées.
- Grosse pression. Selon ce scénario, l'expansion de l'univers, provoquée par le Big Bang, ralentir et finit par s'inverser. L'attraction gravitationnelle entre les galaxies, les étoiles et les planètes deviendra la force dominante. La distance entre eux continuera à diminuer jusqu'à ce que l'Univers s'effondre à nouveau dans une singularité, où la densité et la température deviennent infiniment élevées. Et il n'est pas loin du nouveau Big Bang.
Mais quel genre de destin attend espace, n'est toujours pas clair. Veuillez patienter encore quelques milliers de septillions d'années.
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