42 фундаментальных вопроса:

VicRus

Administrator
#1
Жизнь, Вселенная и Вообще: 42 фундаментальных вопроса. Часть первая
Автор: Яна Жежер | 19 мая, 15:18
В знаменитом произведении Дугласа Адамса число 42 было ответом на Самый Главный Вопрос Жизни, Вселенной и Вообще без указания, как именно им воспользоваться. Например, число 42 может указывать на число фундаментальных физических вопросов, на которые необходимо ответить человечеству, чтобы наконец раскрыть все тайны мироздания. Попробуем их обозначить.

Гравитация и космология

1. Проблема космологической постоянной

Согласно современным представлениям, вакуум обладает огромной плотностью энергии. Его гравитационное действие выражается в так называемой космологической постоянной: он воздействует на кривизну пространства-времени. Однако, данное влияние, измеренное экспериментально, оказывается в 10 в степени 120 раз меньше теоретических предсказаний. Несмотря на десятилетия усердной работы, физики так и не подошли к решению данного вопроса.

2. Проблема темной энергии

Известно, что Вселенная расширяется с ускорением. Но чем именно обусловлено такое поведение, ученым до сих пор неизвестно. Роль источника ускорения может играть вакуум или же существует новая фундаментальная физическая постоянная, дающая вклад в скорость расширения. И до сих пор даже различить две эти концепции не представляется возможным.

Подробнее

3. Регуляризация квантовой гравитации

Ученые уже давно пришли к выводу, что гравитация просто обязана описываться квантовыми законами. Однако, все попытки «квантования» гравитации, то есть превращения ее в теорию, описывающую физику микромира, приводят к провалу – появляются нефизические бесконечные величины, не позволяющие использовать такую модель. В частности, проблему регуляризации квантовой гравитации, то есть устранения бесконечностей, пытаются решить в рамках теории струн и петлевой квантовой гравитации.

Подробнее

4. Энтропия черных дыр и термодинамика

Существование черных дыр надежно подтверждено экспериментально и не вызывает сомнений ученых. Стивен Хокинг и Яков Бекенштейн получили выражения для энтропии и температуры излучения черных дыр, зависящие от площади поверхности черной дыры, но не от ее объема, как следовало бы ожидать. Наиболее общие выражения для энтропии, предлагаемые термодинамикой, оказываются с трудом применимы к черным дырам, поскольку необходимо пересчитать количество всех возможных состояний системы. И попытки подсчета в рамках различных моделей пока что не увенчались успехом даже для самого простого случая статических черных дыр.

5. «Обработка» информации в черных дырах

Черные дыры «всасывают» в себя все окружающие тела, разрушая их, и при этом излучают фотоны, получившие название излучения Хокинга. Проблема информационного парадокса состоит в следующем: можно ли по излучению восстановить свойства объекта, или при пересечении горизонта событий информация теряется навсегда? Два сценария предполагают два совершенно разных подхода к описанию состояния черных дыр, и какой из них является верным, на данный момент установить не удается.

6. Космическая инфляция

Инфляция – краткий момент жизни ранней Вселенной, когда она расширялась с большей скоростью, чем на остальных этапах. При этом квантовые флуктуации пространства, отклонения от однородной структуры, молниеносно увеличились в размерах – теперь их наблюдают, как изменения крупномасштабной структуры Вселенной и температуры реликтового излучения. Открытым остается вопрос о причинах возникновения инфляции, и существует ли эксперимент, который смог бы напрямую подтвердить или опровергнуть наличие данного этапа развития.



7. Наличие во Вселенной вещества и отсутствие антивещества

Во Вселенной действует закон сохранения электрического заряда, а значит, в момент Большого взрыва должно было родиться одинаковое число частиц и античастиц. Однако, мы наблюдаем только вещество, а антивещество практически отсутствует – этот вопрос получил название проблемы генерации барионной асимметрии. Существующие гипотетические объяснения включают в себя введение дополнительного бозона Хиггса и различные суперсимметричные модели, но не одно из них еще не получило экспериментальное подтверждение.

Подробнее

8. Состав темной материи

Существование темной материи было обнаружено в тридцатых годах XX века при изучении движения галактик в скоплении Волос Вероники и скоростей вращения галактик. Существование нового, практически не взаимодействующего типа вещества было надежно установлено, а количество кандидатов на роль темной материи исчисляется десятками – и ни один из них не стал «той самой частицей».

Физика в рамках и за пределами Стандартной модели

9. Причина возникновения поколений частиц

Практически все вещества, и все явления, которые мы наблюдаем в «повседневной жизни», связаны всего лишь с четырьмя частицами: up- и down-кварками, электроном и электронным нейтрино. Но природа щедро наградила нас тремя поколениями кварков и лептонов: существуют еще четыре кварка, strange, charm, top и bottom, и четыре лептона – мюон, тау-лептон, мюонное и тау-нейтрино. Должна быть причина, почему понадобилось более чем один набор частиц – и мы ее пока что не знаем.

10. Происхождение масс частиц

Массы частиц в Стандартной модели определяются так называемыми юкавскими константами связи, которые устанавливаются исключительно экспериментальным образом. Причина, по которой они имеют именно такие значения, является одной из задач для физиков. Особые вопросы вызывает самый тяжелый из кварков, top-кварк, масса которого крайне велика.

Обнаружение масс нейтрино, легчайших частиц Стандартной модели, укрепило основания считать, что основная физическая теория требует модификаций. Введение масс нейтрино возможно двумя различными способами, каждый из которых имеет свои плюсы и «подводные камни», и выбрать один из них в настоящее время не представляется возможным.

Подробнее



11. Суперсимметрия и проблема иерархии

Экспериментальное открытие бозона Хиггса, несмотря на всю радость ученых, принесло и новые вопросы. Вычисляемые квантовые поправки к массам частиц оказываются в миллиарды раз больше самих масс: данное «осложнение» получило название проблемы иерархии, иногда – его еще называют проблемой натуральности теории.

Наиболее разумное решение предлагает суперсимметрия, в которой каждой частице полагается ее «брат близнец»: у бозона есть аналогичный фермион, и наоборот. В настоящее время простейшие суперсимметричные модели экспериментально опровергнуты, и нет однозначного способа либо полностью исключить применимость суперсимметрии, либо определить огромное число входящих в нее констант.

Подробнее

...
 

VicRus

Administrator
#2
...

12. Поиск фундаментальной калибровочной группы великого объединения

Каждому из взаимодействий в Стандартной модели, помимо гравитационного, соответствует калибровочная группа, определяющая свойства симметричности данных сил. Есть веские основания полагать, что ключевым моментом создания теории великого объединения является поиск особой калибровочной группы, которая включала бы в себя в виде частных случаев группы взаимодействий. Подходящие кандидаты на данную роль существуют, но их изучение пока что не привело к определенном ответу.

13. Потенциальное нарушение Лоренц- или CPT-инвариантности

Согласно современным представлениям, все взаимодействия не изменяются при одновременной инверсии заряда (C – «сharge»), четности (P – «parity») и времени (T – «time»).

Также ничего не меняют и преобразования Лоренца, которые необходимо совершить при переходе от одной инерциальной системе отсчета к другой.

Возможно, однако, что такие преобразования не являются инвариантными при очень больших энергиях или при масштабах, недоступных человеку для изучения – и мы обнаружим это при создании новой теории, которая заменит Стандартную модель.

14. Стабильность Вселенной

При изучении свойств бозона Хиггса физикам удалось установить, что один из характеризующих его параметров практически равен нулю. Данная постоянная отвечает за то, в каком состоянии находится Вселенная – в стабильном минимуме энергии, к которому стремятся все системы, или в так называемом метастабильном, в котором рано или поздно должен произойти переход в состояние истинного минимума энергии.

Новое состояние может характеризоваться совершенно другими свойствами, поэтому вопрос не праздный – стабильна ли наша Вселенная или нет?



15. Конфайнмент кварков и связанные вопросы

Кварки – элементарные частицы, из которых в том числе состоят протоны и нейтроны, входящие в состав атомного ядра, обладают двумя важными свойствами. Во-первых, кварки никогда не наблюдаются в свободном состоянии, только лишь в связанном – эта особенность называется конфайнментом (от англ. «confine» – «удерживать»). Помимо этого, каждый кварк обладает «цветом», он может быть «красным», «синим» или «зеленым». Но все наблюдаемые частицы обязательно являются бесцветными – либо сочетаются три кварка разного цвета, либо пара цвет-антицвет.

Подобное поведение кварков установлено и теоретически, и экспериментально. Но действительно надежного доказательства, почему природа устроена таким образом, до сих пор не получено.

16. Кварк-глюонная плазма и квантовая хромодинамика

Процессы взаимодействия адронов, состоящих из кварков и глюонов, являются сложными для теоретического объяснения в первую очередь из-за их составной структуры.

При достаточно больших энергиях возможно достигнуть состояния деконфайнмента кварков, то есть разделения на отдельные частицы – состояния кварк-глюонной плазмы. Эксперименты по наблюдению кварк-глюонной плазмы проводились на ускорителях RHIC и LHC и, вопреки ожиданиям ученых, полученная среда ведет себя совершенно отлично от теоретических предсказаний. Что требует дополнительного изучения и, возможно, модификации теории сильных взаимодействий – квантовой хромодинамики.

17. Дополнительные неоткрытые частицы

В прошлом усовершенствование ускорительной техники приводило к открытию новых, доселе неизвестных частиц. К этому ученые стремятся и сейчас – целое «семейство» гипотетических частиц создано для решения некоторых из проблем современной физики.

Так, например, аксион предсказан в качестве ответа на так называемую сильную CP-проблему в квантовой хромодинамике. Стерильное нейтрино может объяснить наблюдаемые нейтринные осцилляции. Огромное количество новых частиц предсказывают суперсимметричные модели, и поиск новых частиц является важной задачей любого ускорительного эксперимента.



18. Неограниченное будущее астрофизики

В последние десятилетия астрономические наблюдения принесли множество неожиданных открытий – и в будущем их может быть еще больше.

Теоретически предсказано существование гипотетических объектов – звезд населения III, которые состоят практически полностью из водорода и гелия, что позволит им иметь массы гораздо больше наблюдаемых в настоящее время звезд населения I и II, а также «темных звезд», источником энергии которых может быть аннигиляция темной материи.

Экзотическое поведение конденсированных сред и квантовые системы

19. Какие новые формы сверхпроводимости и сверхтекучести могут быть обнаружены?

При температурах, близких к абсолютному нулю, некоторые жидкости могут фактически проходить через любые отверстия и капилляры без трения, а электрические проводники теряют способность сопротивляться электрическому току – данные явления получили название сверхтекучести и сверхпроводимости.

Существуют и высокотемпературные сверхпроводники, которым не нужно столько сильное охлаждение для проявления специальных свойств. Механизм появления высокотемпературной сверхпроводимости, как и многие другие особенности этих явлений, еще только предстоит объяснить.

20. Какие топологические фазы предстоит открыть ученым?

Топологические изоляторы представляют собой особый тип материала, который может проводить ток лишь в определенных областях – в частности, только по поверхности образца.

Электроны в проводящей области ведут себя весьма специфическим образом, некоторые их характеристики жестко зафиксированы и не могут спонтанно изменяться. В том числе, благодаря этому поверхностный слой обладает практически нулевым сопротивлениям.

Возможно, обладают другие конфигурации и другие варианты топологических изоляторов, которые будут открыты в будущем.

21. Существуют ли иные свойства сильно связанных систем?

Все упомянутые выше явления так или иначе относятся к особенностям систем из большого числа связанных друг с другом электронов. «Коллективизм» приводит появлению новых вариантов поведения частиц, которые отсутствуют для свободных электронов.

Вполне вероятно, что мы еще не исчерпали все возможности взаимодействующих систем, и в будущем будут открыты новые феномены.

22. Какими будут следующие открытые фазы и формы материи?

В течение XX и XXI веков было открыто множество экзотических фаз вещества: различные формы магнетизма, пространственные структуры, такие как кристаллы и квазикристаллы, одномерные и двумерные материалы, наноструктуры – список можно продолжать еще очень долго.

В настоящее время активно изучаются квантовые фазовые переходы, в которых при практически нулевой температуре под действием флуктуаций меняются свойства вещества.

Турбулентное течение жидкостей по-прежнему является важной нерешенной проблемой, и исследование основного уравнения вязкой жидкости, уравнения Навье-Стокса, относят семи важнейшим задачам тысячелетия.

23. Есть ли будущее у квантовых вычислений, квантовой информации и других способов применения квантовой запутанности?

Квантовые вычисления имеют множество аспектов. Наиболее остро стоит вопрос практического применения, поскольку в реалистичных условиях связанные состояния крайне легко разрушаются. Квантовая запутанность имеет огромную важность во многих областях, начиная от квантовых компьютеров.

Подробнее

24. Как будут развиваться квантовая оптика и фотоника?

Фотоны, как и электроны, играют огромную роль в потенциально новых технологиях, основанных на фотонике, включая и оптоэлектронику.

Передовые исследования стремятся к более коротким импульсам, большим интенсивностям, излучению доселе недоступных длин волн и контролю квантовых явлений. Отсюда вытекает множество новых идей, и наш вопрос – в новых феноменах будут участвовать исключительно фотоны, или, например, фотоны при взаимодействии с электронами и другими частицами?

Вторая часть

...

https://futurist.ru/articles/1442-z...che-42-fundamentalynih-voprosa-chasty-vtoraya
 


Сверху