8 misteri terbesar fisika yang masih belum terpecahkan

1. Mengapa waktu hanya mengalir ke depan

Dalam fisika, ada konsep "panah (atau sumbu) waktu". Ini menggambarkan aliran waktu dari masa lalu ke masa depan. Dan ada banyak bukti bahwa waktu mendukung arah tertentu.

Menurut hukum termodinamika kedua, dalam sistem yang terisolasi, entropi (ukuran ketidakteraturan) akan meningkat dari waktu ke waktu. Ini carabahwa proses di alam biasanya berjalan ke arah di mana energi didistribusikan secara lebih merata dan sistem menjadi lebih tidak teratur.

Misalnya, saat kita memecahkan telur, telur itu tidak beregenerasi dengan sendirinya. Anda tidak dapat memutar kembali waktu dan melakukan hal-hal sebagaimana adanya. Entropi tanpa ampun.

Selain itu, menurut teori relativitas umum, Semesta seiring waktu mengembang. Pengamatan menunjukkan bahwa ia telah melewati keadaan kepadatan tinggi dan entropi rendah di masa lalu (peristiwa ini kita sebut "Big Bang") dan bergerak menuju keadaan masa depan dengan entropi tinggi.

Secara umum, mudah untuk melihat bahwa waktu tidak dapat diubah dan selalu bergerak ke satu arah. Dan para ilmuwan tidak akan pernah mengerti mengapa demikian. Dan mungkinkah waktu juga mengalir mundur?

2. Apa itu energi gelap

Alam semesta mengembang. Dia melakukannya seperti balon, hanya lebih cepat dari kecepatan cahaya.

Pada 1990-an, para astronom telah menemukanbahwa perluasan alam semesta hanya menambah kecepatan dari waktu ke waktu, dan tidak melambat di bawah pengaruh gravitasi, sebagaimana seharusnya dalam teori. Pengamatan ini mengarah pada saran bahwa ada beberapa bentuk energi yang melawan gravitasi dan berkontribusi pada perluasan alam semesta yang dipercepat.

Energi gelap mungkin mengisi seluruh struktur ruang-waktu Semesta dan merupakan komponen utama dari kandungan energinya. Tetapi tidak dapat diamati atau diukur secara langsung.

74% Alam Semesta kita adalah energi gelap, 22% materi gelap, 3,6% gas intergalaksi, dan 0,4% lainnya adalah bintang dangkal, tidak menarik, planet, dan benda kecil lainnya.

Mengapa penyelarasannya seperti ini tidak jelas.

Sifat energi gelap juga tetap misteri bagi ilmu pengetahuan. Ada berbagai teoriyang mencoba menjelaskan asal-usulnya, termasuk konsep ruang hampa kuantum dan konstanta kosmologis.

Sementara itu, energi gelap sangat penting untuk memahami sifat dasar alam semesta dan nasibnya di masa depan. Itu tergantung padanya apakah perluasan alam semesta akan berlanjut tanpa batas waktu, melambat atau bahkan mundur di masa depan.

3. Apa itu materi gelap

Gelap adalah bentuk materi hipotetis yang tidak berinteraksi dengan radiasi elektromagnetik dan karenanya tidak memancarkan, menyerap, atau memantulkan cahaya. Itu tidak dapat dideteksi dengan instrumen dan instrumen biasa kita, itulah mengapa disebut demikian.

Tapi ada banyak bukti keberadaan materi gelap di alam semesta. Mereka didasarkan pada pengaruh gravitasi yang dimilikinya pada objek yang terlihat.

Materi gelap, meskipun tidak terlihat, memengaruhi pergerakan bintang, galaksi, dan gugus galaksi.

Penelitian astronomi menunjukkanbahwa benda-benda ini bergerak seolah-olah dipengaruhi oleh massa tambahan, dan ini tidak dapat dijelaskan dengan jumlah materi yang kita amati. Oleh karena itu, materi gelap menyatukan galaksi dan struktur raksasa lainnya di bawah pengaruh gaya gravitasinya.

Secara umum, fisikawan tidak akan memahami apa itu materi gelap, terdiri dari partikel apa, apa sifat-sifatnya, dan apakah itu ada. Mungkin perilaku bintang dan galaksi yang diamati tidak terkait dengan materi apa pun dan itu hanya keanehan gravitasi. Sains belum menemukan jawabannya.

4. Mengapa konstanta fundamental seperti itu?

Konstanta fundamental adalah nilai numerik yang mencirikan sifat fisik dan interaksi di alam semesta. Mereka dasar dan tidak bergantung pada sistem unit tertentu.

Konstanta menentukan sifat dasar dan hukum alam, mempengaruhi struktur dan perkembangan alam semesta secara keseluruhan. Semua angka ini sekitar 25. Diantara mereka:

• Kecepatan cahaya dalam ruang hampa (c) - menentukan kecepatan maksimum di mana informasi atau interaksi dapat merambat di alam semesta.
• Konstanta Planck (h), atau kuantum aksi, - menentukan hubungan antara energi dan frekuensi partikel dan gelombang, melakukan batas antara makrokosmos, tempat berlakunya hukum mekanika Newton, dan mikrokosmos, tempat berlakunya hukum mekanika kuantum. mekanika.
• Konstanta gravitasi (G) - menentukan kekuatan interaksi gravitasi antara massa dan memengaruhi struktur dan pergerakan benda di alam semesta.
• Massa elektron (mₑ).
• Muatan dasar (e).
• Konstanta kosmologis (Λ), yang juga disebut fundamental.

Dan para ilmuwan tidak dapat memahami mengapa semua angka ini memiliki arti yang persis sama dengan yang mereka miliki, dan bukan yang lain.

Mungkin kita hanya bisa mengamati makna yang sesuai dengan keberadaan kita, karena kehidupan hanya bisa berasal dari alam semesta seperti itu. Ini disebut prinsip antropik.

Misalnya, konstanta struktur halus, yang biasanya dilambangkan dengan huruf "alpha", mendefinisikan kekuatan interaksi magnetik. Nilai numeriknya kira-kira 0,007297. Jika jumlahnya berbeda, mungkin tidak ada materi stabil di alam semesta kita.

Dan tetap saja, fisikawan memikirkan bagaimana alam semesta dengan parameter fisik lainnya akan berubah. Ada hipotesis, yang menurutnya nilai konstanta fundamental adalah acak dan ditentukan oleh fluktuasi di alam semesta awal - hanya beberapa rangkaian angka. Asumsi ini menyiratkan bahwa ada banyak Alam Semesta dengan nilai konstanta yang berbeda. Dan kami beruntung berada di tempat di mana nilai-nilai ini paling cocok untuk perkembangan kehidupan.

5. Apa yang terjadi di lubang hitam

Lubang hitam Ini adalah area luar angkasa dengan gravitasi yang sangat kuat. Di luar lubang hitam, yang disebut horizon peristiwa, tarikan gravitasi begitu kuat sehingga tidak ada materi, bahkan cahaya, yang dapat lolos.

Di pusat lubang hitam, fisikawan percaya, ada singularitas - titik dengan kepadatan tak terbatas dan medan gravitasi yang sangat kuat. Tapi apa itu, bagaimana tampilannya, dan bagaimana tepatnya cara kerjanya, tidak ada teori yang bisa menjelaskannya.

Beberapa ilmuwan bahkan memperkirakanbahwa singularitas mungkin bukan sebuah titik, tetapi mungkin memiliki bentuk yang berbeda - ini berlaku untuk lubang hitam yang berotasi. Apa yang disebut lubang hitam Kerr, objek hipotetis yang dijelaskan oleh matematikawan dan astrofisikawan Roy Kerr, memiliki singularitas annular. Bahkan dimungkinkan untuk terbang melalui lubang seperti itu dan bertahan hidup. Secara teori.

Tetapi untuk secara akurat menggambarkan proses fisik di dalam singularitas, diperlukan teori terpadu gravitasi dan mekanika kuantum, yang belum dikembangkan.

6. Mengapa ada begitu sedikit antimateri di alam semesta?

Dalam materi biasa, partikel elementer, seperti elektron dan proton, masing-masing memiliki muatan negatif dan positif. Dalam antimateri, muatan ini terbalik: antielektron (disebut juga positron) bermuatan positif, sedangkan antiproton bermuatan negatif.

antimateri memiliki sifat fisik yang sama dengan yang biasa, termasuk massa, putaran, dan karakteristik partikel lainnya. Tetapi ketika sebuah antipartikel bertemu dengan yang biasa, mereka dapat memusnahkan satu sama lain, berubah menjadi energi murni.

Satu liter anti-hidrogen, jika bersentuhan dengan udara, akan berbau seperti bom atom.

Betapa bagusnya jumlah maksimum antihidrogen yang berhasil mereka hasilkan mempersatukan ilmuwan sekaligus - 309 atom.

Pengamatan astronomi menunjukkanbahwa alam semesta dan bahkan yang paling jauh bintang dan galaksi terbuat dari materi, dan hanya ada sedikit antimateri di dalamnya. Perbedaan antara jumlah baryon (partikel yang terdiri dari tiga quark) dan antibaryon (antipartikel yang terdiri dari tiga antiquark) di alam semesta kita disebut asimetri baryon.

Jika Semesta benar-benar simetris, maka jumlah baryon dan antibaryon harus sama, dan kita akan mengamati seluruh galaksi antimateri. Namun, pada kenyataannya, semuanya terbuat dari baryon, dan antibaryon harus disintesis dalam akselerator partikel tidak hanya dengan satu sendok teh, tetapi juga dengan atom. Oleh karena itu, antimateri adalah yang paling banyak barang mahal Di dalam dunia.

Menurut model standar partikel elementer, segera setelah Big Bang, seharusnya ada jumlah quark dan antiquark yang sama di alam semesta. Namun, sesuatu terjadi, yang sebenarnya tidak jelas, tetapi hampir semua antibaryon musnah, dan materi terbentuk dari baryon yang tersisa. Faktanya, alam semesta terdiri dari apa. Dan Anda, omong-omong, juga. Dan para ilmuwan yang masih tidak mengerti mengapa hanya ada sedikit antimateri di luar angkasa.

7. Apakah vakum stabil?

Vakum adalah ruang dengan energi serendah mungkin, tetapi bertentangan dengan namanya, ruang itu tidak sepenuhnya kosong. Itu masih mengandung medan kuantum yang menentukan perilaku partikel elementer. Ilmuwan meyakinibahwa ruang hampa sejati, atau fisik, yang kita ketahui adalah keadaan paling stabil di alam semesta, karena dianggap sebagai energi minimum global.

Namun, dalam teori ada kemungkinan bahwa keadaan vakum fisik adalah konfigurasi medan kuantum, yang hanya bersifat lokal, dan bukan minimum energi global. Artinya, ruang hampa yang dapat kita amati di luar angkasa atau tercipta di laboratorium adalah “salah”. Jadi, bisa ada yang "benar".

Dan jika ada kekosongan yang "benar", kita dalam masalah besar.

Jika kita berasumsi bahwa Alam Semesta kita tidak dalam keadaan vakum "benar", tetapi "palsu", maka proses peluruhannya ke keadaan yang lebih stabil menjadi mungkin. Konsekuensi dari proses semacam itu bisa sangat besar menakutkan dan bervariasi dari perubahan halus dalam parameter kosmologis yang bergantung pada perbedaan potensial antara kekosongan "palsu" dan "benar", sampai penghentian total fungsi partikel elementer dan fundamental kekuatan.

Jika di suatu tempat di ruang angkasa muncul gelembung vakum "nyata", ini dapat menyebabkan kehancuran total materi barionik atau bahkan keruntuhan gravitasi alam semesta secara instan.

Singkatnya, semoga penyedot debu kita adalah yang paling andal di dunia. Apa lagi yang tersisa?

8. Apa yang akan menjadi akhir alam semesta

Dan karena kita berbicara tentang masalah global yang menarik seperti keruntuhan gravitasi alam semesta: fisikawan telah menyusunnya daftar hal paling menarik yang bisa terjadi pada ruang angkasa di masa depan, tetapi tidak pernah memutuskan skenario mana yang paling mungkin terjadi.

Menurut teori Big Bang, alam semesta muncul sekitar 13,8 miliar tahun yang lalu dari keadaan padat dan panas yang disebut singularitas, dan sejak itu semuanya tumbuh dan mendingin. Teori ini menjelaskan dengan baik sejumlah fenomena yang teramati, seperti radiasi latar kosmik dan perluasan Semesta. Tapi apa yang akan terjadi selanjutnya? Pilih yang paling Anda sukai:

• kematian panas. Di dalam konsep ini diperkirakanbahwa seiring berjalannya waktu alam semesta akan menjadi semakin dingin dan seragam. Energi di dalamnya akan habis, semua proses seperti pembentukan bintang dan gerak termal akan melambat dan berhenti. Ini akan mengarah pada keadaan entropi maksimum, ketika semua partikel akan berada dalam keadaan seimbang dan tidak ada peristiwa lebih lanjut di alam semesta yang mungkin terjadi.
• celah besar. Semesta akan dilanjutkan memperluas. Artinya galaksi dan benda angkasa lainnya akan semakin menjauh satu sama lain. Jika tidak ada yang berubah, di masa depan yang jauh, gaya gravitasi tidak lagi cukup kuat untuk menahan tekanan energi gelap. Ini akan mengarah pada fakta bahwa di semua tingkat struktur di alam semesta, termasuk galaksi, bintang, dan atom, akan ada gaya yang melebihi gaya tariknya sendiri. Akibatnya, semua benda secara bertahap akan dipecah menjadi partikel-partikel yang terpisah.
• Tekanan besar. Menurut skenario ini, perluasan alam semesta yang disebabkan oleh Big Bang, pelan - pelan dan akhirnya terbalik. Tarikan gravitasi antara galaksi, bintang, dan planet akan menjadi gaya dominan. Jarak di antara mereka akan terus berkurang hingga Alam Semesta runtuh kembali menjadi singularitas, di mana kerapatan dan suhunya menjadi sangat tinggi. Dan tidak jauh dari Big Bang yang baru.

Tapi nasib seperti apa yang menunggu ruang angkasa, masih belum jelas. Harap tunggu beberapa ribu septillion tahun lagi.