Vaak kun je op internet informatie vinden over dergelijke naar verluidt onopgeloste en onopgeloste mysteries van ons universum en de moderne wetenschap.
Om de een of andere reden lijkt het mij dat dit deels vergezochte problemen zijn die niet bestaan, maar deels heeft de wetenschap al een verklaring gevonden.
Welke van deze beschouwt u als een echt niet openbaar gemaakte nog geheime fysica?
1. Waar komt ultrahoge kosmische straling vandaan?
Onze atmosfeer wordt constant gebombardeerd door hoogenergetische deeltjes uit de ruimte die 'kosmische straling' worden genoemd. Hoewel deze stralen de mens niet veel schade berokkenen, zijn ze van groot belang voor natuurkundigen.
In 1962, tijdens een experiment op Volcano Ranch, zagen John Linsley en Livio Scarsi iets ongelooflijks: een kosmische straal met een energie van meer dan 16 joule. Om je een idee te geven, laten we zeggen dat één joule ongeveer gelijk is aan de energie die nodig is om een appel van de vloer en op een tafel te tillen. En al deze energie is geconcentreerd in een deeltje dat miljarden keren kleiner is dan een appel. Dit betekent dat het beweegt met een snelheid die dicht bij de lichtsnelheid ligt!
Promotie video:
Natuurkundigen weten nog niet waar deze deeltjes zoveel energie vandaan halen. Volgens sommige theorieën kan de bron van deze deeltjes bestaan uit supernovae die zijn gevormd na de explosie van sterren aan het einde van hun leven. Deze deeltjes kunnen ook worden versneld in de schijven van instortende materie die zich rond zwarte gaten vormen.
2. Was het moderne universum het resultaat van inflatie?
Het universum is verrassend plat, dat wil zeggen dat het hele universum dezelfde hoeveelheid materie heeft. Volgens de oerknaltheorie kan de dichtheid van materie in de allereerste stadia van de ontwikkeling van het universum echter op verschillende plaatsen verschillen.
Volgens de inflatietheorie ontstond het moderne universum uit een vroeg universum met een klein volume, dat plotseling en onverwacht snel uitbreidde. Net als bij het opblazen van een ballon, heeft het opblazen alle uitstulpingen in het vroege universum gladgestreken.
Hoewel dit veel verklaart van wat we zien, weten natuurkundigen nog niet wat de inflatie veroorzaakte. Informatie over wat er tijdens deze inflatie is gebeurd, is ook vaag.
3. Is het mogelijk om donkere energie en donkere materie te vinden?
Prachtig feit: slechts ongeveer 5% van het universum bestaat uit materie die voor ons zichtbaar is. Enkele decennia geleden merkten natuurkundigen op dat de sterren aan de buitenranden van sterrenstelsels sneller dan verwacht rond de centra van deze sterrenstelsels draaien. Om dit te verklaren, suggereerden wetenschappers dat deze melkwegstelsels een soort van onzichtbare "donkere" materie kunnen bevatten die ervoor zorgt dat de sterren sneller draaien.
Daarnaast weten we dat de expansie van het universum nu versnelt. Dit lijkt vreemd, aangezien men zou verwachten dat de aantrekkingskracht van materie - zowel "licht" als "donker" - de expansie van het universum zou vertragen. "Donkere energie" zou een verklaring kunnen zijn voor dit fenomeen. Natuurkundigen geloven dat ten minste 70% van de energie in het universum in de vorm van "donkere" energie is, die bijdraagt aan de huidige versnelling van de expansie van het universum.
Tot nu toe zijn de deeltjes die "donkere" materie vormen en het veld dat "donkere" energie vormt, nog niet direct bestudeerd in laboratoriumomstandigheden. Maar natuurkundigen hopen dat deeltjes van "donkere" materie kunnen worden verkregen en bestudeerd bij de Large Hadron Collider. Deze deeltjes kunnen echter zwaarder zijn dan de deeltjes die de versneller kan maken, en dan zal hun geheim lange tijd onopgelost blijven.
4. Wat zit er in het midden van een zwart gat?
Zwarte gaten zijn de bekendste objecten in de astrofysica. We kunnen ze omschrijven als gebieden in de ruimtetijd met zwaartekrachtvelden die zo sterk zijn dat zelfs licht ze niet kan overwinnen.
Er zijn waarnemingen gedaan van veel zwarte gaten, waaronder het enorme zwarte gat in het centrum van ons melkwegstelsel. Maar het mysterie van wat er in het midden van het zwarte gat gebeurt, is nog niet onthuld. Sommige natuurkundigen denken dat er een "singulariteit" kan zijn - een punt van oneindige dichtheid waarop een bepaalde massa geconcentreerd is in een oneindig kleine ruimte. Het is moeilijk voor te stellen. Erger nog, elke singulariteit leidt in deze theorie tot een zwart gat, omdat er geen manier is om de singulariteit rechtstreeks waar te nemen.
Er is ook nog steeds onenigheid over de vraag of er informatie verloren gaat in zwarte gaten. Ze absorberen deeltjes en zenden Hawking-straling uit, maar deze straling lijkt geen aanvullende informatie te bevatten over wat er in het zwarte gat gebeurt.
Het feit van de schijnbare onmogelijkheid, althans op dit moment, om erachter te komen wat er in zwarte gaten zit, stelde sciencefictionschrijvers lange tijd in staat aannames te doen over de mogelijkheid van het bestaan van andere universums daar of het gebruik van zwarte gaten voor teleportatie of tijdreizen.
5. Is er intelligent leven in het universum?
Mensen hebben van buitenaardse wezens gedroomd sinds ze voor het eerst naar de nachtelijke hemel keken en zich afvroegen wat er zou kunnen zijn. Maar de afgelopen decennia hebben we veel interessante feiten geleerd.
Ten eerste hebben we geleerd dat planeten veel vaker voorkomen dan eerder werd gedacht. We hebben ook geleerd dat het interval tussen het moment waarop onze planeet bewoonbaar werd en het ontstaan van leven erop vrij klein is. Betekent dit dat leven mogelijk is? Als dat zo is, krijgen we de beroemde Fermi-paradox: waarom hebben we dan nog niet gecommuniceerd met buitenaardse wezens?
Astronoom Frank Drake stelde de vergelijking die zijn naam draagt samen om alle kanten van het probleem te bekijken. Elk van zijn componenten vertegenwoordigt de reden voor het gebrek aan communicatie met intelligent leven.
Het leven is misschien gewoon, maar intelligent leven is zeldzaam. Misschien besluiten alle beschavingen na een tijdje om niet met andere levensvormen te communiceren. Ze bestaan, maar ze willen niet met ons communiceren. Of misschien geeft het aan dat veel buitenaardse beschavingen zichzelf vernietigen kort nadat ze het technologische vermogen hebben verworven om te communiceren. Er waren zelfs suggesties dat het gebrek aan communicatie met buitenaardse wezens een bewijs is van de kunstmatige oorsprong van onze wereld, die de schepping van God of een computermodel kan zijn.
Het is echter mogelijk dat we simpelweg niet lang genoeg en ver genoeg hebben gezocht, aangezien de ruimte ongelooflijk groot is. Signalen kunnen gemakkelijk verloren gaan en de buitenaardse beschaving hoeft alleen maar een sterker signaal af te geven. En misschien zullen we morgen een buitenaardse beschaving ontdekken, en zal ons begrip van het universum veranderen.
6. Kan iets sneller bewegen dan licht?
Sinds Einstein de natuurkunde veranderde met zijn speciale relativiteitstheorie, zijn natuurkundigen ervan overtuigd dat er niets is dat sneller kan reizen dan licht. Volgens deze theorie is er oneindige energie nodig om iets ten minste met de snelheid van het licht te laten bewegen.
Aan de andere kant, zoals de bovengenoemde kosmische straling aantoont, betekent zelfs de aanwezigheid van een grote hoeveelheid energie niet de mogelijkheid van beweging met de snelheid van het licht. De snelheid van het licht, als harde snelheidslimiet, kan ook een andere verklaring zijn voor het gebrek aan communicatie met buitenaardse beschavingen. Als ze ook worden beperkt door de lichtsnelheid, kan het duizenden jaren duren voordat de signalen reizen.
Maar mensen zijn constant op zoek naar manieren om deze snelheidslimiet van het universum te omzeilen. Volgens voorlopige resultaten van het OPERA-experiment, uitgevoerd in 2011, bewogen neutrino's zich sneller dan het licht. Maar toen merkten wetenschappers fouten op in de organisatie van het experiment en erkenden ze de onjuistheid van deze resultaten.
Als het bovendien mogelijk zou zijn om materie of informatie te verzenden met een snelheid die de lichtsnelheid overschrijdt, zou dit ongetwijfeld de wereld veranderen. Beweging met een snelheid die de lichtsnelheid overschrijdt, kan de causaliteit, de relatie tussen de oorzaken en gevolgen van gebeurtenissen, verstoren.
Vanwege de manier waarop tijd en ruimte met elkaar in verband staan in de speciale relativiteitstheorie, zou de beweging van informatie met een snelheid die de lichtsnelheid overschrijdt een persoon in staat stellen om informatie over een gebeurtenis te ontvangen voordat die gebeurtenis plaatsvindt, wat een vorm van tijdreizen is. Dit zou allerlei paradoxen kunnen creëren die we niet zouden weten op te lossen.
7. Kan turbulentie worden beschreven?
Als we terugkeren naar de aarde, kunnen we zeggen dat er in ons dagelijks leven nog steeds veel moeilijke dingen te begrijpen zijn. Probeer bijvoorbeeld eens te spelen met waterkranen. Als je het water rustig laat stromen, observeer je een bekend fenomeen in de natuurkunde, een soort stroming die bij ons goed bekend is, 'laminaire stroming' genaamd. Maar als je de kraan helemaal dichtdraait en het gedrag van het water observeert, heb je een voorbeeld van turbulentie. In veel opzichten is turbulentie nog steeds een onopgelost probleem in de natuurkunde.
De Navier-Stokes-vergelijking definieert hoe vloeistoffen zoals water en lucht moeten bewegen. We stellen ons voor dat de vloeistof in kleine stukjes massa wordt gebroken. De vergelijking houdt vervolgens rekening met alle krachten die op deze stukken inwerken - zwaartekracht, wrijving, druk - en probeert te bepalen hoe dit hun snelheid zal beïnvloeden.
In het geval van eenvoudige of stabiele stromen kunnen we oplossingen vinden voor de Navier-Stokes-vergelijking die de gegeven stroom volledig beschrijven. Natuurkundigen kunnen dan vergelijkingen opstellen om de stroomsnelheid op elk punt te berekenen. Maar in het geval van complexe, turbulente stromingen zijn deze oplossingen mogelijk niet nauwkeurig. We kunnen veel turbulente stromingsmanipulatie uitvoeren door vergelijkingen numeriek op te lossen op grote computers. Dit geeft ons een globaal antwoord zonder formule die het gedrag van de vloeistof volledig verklaart.
Overigens bood het Clay Mathematical Institute een beloning aan voor het oplossen van dit probleem. Dus als je het kunt, kun je een miljoen dollar krijgen.
8. Is het mogelijk om een supergeleider te maken die werkt bij kamertemperatuur?
Supergeleiders behoren tot de belangrijkste apparaten en technologieën die door mensen zijn uitgevonden. Het zijn speciale soorten materiaal. Wanneer de temperatuur laag genoeg zakt, zakt de elektrische weerstand van het materiaal naar nul.
Onze moderne stroomkabels verspillen veel elektriciteit. Het zijn geen supergeleiders en hebben een elektrische weerstand, waardoor ze opwarmen als er een elektrische stroom doorheen gaat.
Maar de mogelijkheden van supergeleiders zijn hier niet toe beperkt. Het magnetische veld dat door de draad wordt gecreëerd, heeft een sterkte die afhangt van de stroom die er doorheen gaat. Als je een goedkope manier kunt vinden om zeer hoge stromen door supergeleiders te leiden, kun je zeer krachtige magnetische velden krijgen. Deze velden worden momenteel gebruikt bij de Large Hadron Collider om geladen deeltjes die snel rond zijn ring bewegen, af te buigen. Ze worden ook gebruikt in experimentele kernreactoren, die in de toekomst onze elektriciteitsbron kunnen worden.
Het probleem is dat alle bekende supergeleiders alleen kunnen werken bij zeer lage temperaturen (niet hoger dan -140 graden Celsius). Om ze tot zulke lage temperaturen te koelen, is gewoonlijk vloeibare stikstof of een equivalent daarvan vereist, en dit is erg duur. Daarom werken veel natuurkundigen en materiaalspecialisten over de hele wereld aan het verkrijgen van de heilige graal - een supergeleider die bij kamertemperatuur zou kunnen werken. Maar tot nu toe is het niemand gelukt dit te doen.
9. Waarom is er meer materie dan antimaterie?
Voor elk deeltje is er een gelijk en tegengesteld deeltje dat een antideeltje wordt genoemd. Voor elektronen zijn er positronen. Er zijn antiprotonen voor protonen. Enzovoort.
Als een deeltje een antideeltje aanraakt, vernietigt het en verandert het in straling. Soms verandert het in kosmische straling. Antimaterie kan ook worden gemaakt in deeltjesversnellers voor enkele biljoenen dollars per gram. Maar over het algemeen lijkt het zeer zeldzaam te zijn in ons universum. Dit is echt een geheim. Alle bekende processen die energie (straling) in materie omzetten, produceren dezelfde hoeveelheid materie en antimaterie. Dus als het universum wordt gedomineerd door energie, waarom produceert het dan niet gelijke hoeveelheden materie en antimaterie?
Er zijn verschillende theorieën om dit te verklaren. Wetenschappers die deeltjesinteracties bij de Large Hadron Collider bestuderen, zijn op zoek naar voorbeelden van "CP-schending". Als ze zich zouden voordoen, zouden deze interacties kunnen aantonen dat de wetten van de fysica verschillend zijn voor deeltjes materie en antimaterie. Dan kunnen we aannemen dat er processen zijn die eerder materie produceren dan antimaterie, en daarom is er meer materie in het universum.
Andere, minder waarschijnlijke theorieën hebben mogelijk dat hele gebieden van het universum worden gedomineerd door antimaterie. Maar deze theorieën zullen moeten verklaren hoe de scheiding van materie en antimaterie plaatsvond en waarom we geen grote massa's straling zien vrijkomen bij de botsing van zowel materie als antimaterie. Daarom lijkt CP-schending in het vroege universum de beste oplossing, tenzij we bewijs vinden van antimaterie-sterrenstelsels. Maar we weten nog steeds niet hoe het werkt.
10. Kunnen we een uniforme theorie hebben?
In de 20e eeuw werden twee grote theorieën ontwikkeld om veel fenomenen in de natuurkunde te verklaren. Een daarvan was de theorie van de kwantummechanica, die het gedrag en de interacties van kleine, subatomaire deeltjes gedetailleerd beschrijft. Kwantummechanica en het standaardmodel van deeltjesfysica hebben drie van de vier fysische verschijnselen in de natuur verklaard: elektromagnetisme en sterke en zwakke nucleaire krachten.
Een andere geweldige theorie was de algemene relativiteitstheorie van Einstein, die de zwaartekracht verklaart. In deze theorie treedt zwaartekracht op wanneer de aanwezigheid van massa ruimte en tijd buigt, waardoor deeltjes in gekromde paden bewegen vanwege de gekromde vorm van ruimtetijd. Het kan dingen verklaren die op de grootste schaal gebeuren, zoals de vorming van sterrenstelsels.
Er is maar één probleem. Deze twee theorieën zijn onverenigbaar. Voor zover we weten, zijn beide theorieën correct. Maar ze lijken niet samen te werken. En aangezien natuurkundigen dit beseften, waren ze op zoek naar een oplossing die ze kon combineren. Deze beslissing werd de Great Unified Theory of Theory of Everything genoemd.
Wetenschappers zijn gewend aan theorieën die alleen binnen bepaalde grenzen werken. Natuurkundigen hopen hun beperkingen te overwinnen en in te zien dat de theorie van de kwantummechanica en de algemene relativiteitstheorie deel uitmaken van de grotere theorie, als een lappendeken van een deken. Snaartheorie is een poging om de kenmerken van de algemene relativiteitstheorie en de theorie van de kwantummechanica na te bootsen. Maar zijn voorspellingen zijn moeilijk te verifiëren door experimenten, dus het kan niet worden bevestigd.
De zoektocht naar een fundamentele theorie - een theorie die alles kan verklaren - gaat door. Misschien vinden we haar nooit. Maar als de natuurkunde ons iets heeft geleerd, dan is het dat het universum werkelijk wonderbaarlijk is en dat er altijd ruimte is voor nieuwe ontdekkingen.
Volgens een artikel van de site listverse.com - vertaald door Sergey Maltsev
