През 1900 година лорд Келвин заявява, че „във физиката повече няма нищо ново и всичко, което е можело да се открие, вече е открито. Това, което остава е все по-точно измерване на старото„. Следващите три десетилетия в развитието на физиката показват че той сериозно е сгрешил. Отрити са квантовата механика и теорията на относителността на Айнщайн, които направиха революция в науката. В наши дни нито един физик не би посмял да заяви, че знаем всичко за Вселената. Точно обратното, всяко ново откритие сякаш отваря кутията на Пандора с още по-дълбоки въпроси от относно физиката. А тук ще се спрем на някои от тях, които и досега нямат отговор.
Както и да се опитват учените да обяснят нашата вселена със сегашните закони на физиката, засега не успяват. Ако се вземе предвид само видимото вещество, то неговата гравитация не е достатъчна, за да удържи галактиките от разпад. И за да бъде обяснена стабилността на галактиките бе въведена тъмната материя – хипотетично вещество, което не изпуска електромагнитно излъчване и взаимодейства с обикновената материя само с помощта на гравитацията. И въпреки, че терминът „тъмна материя“ се използва от вече 90 години, тя така и не е открита и наблюдавана, въпреки че вече има претендент.
Както обикновено се случва, тъмната материя се оказа недостатъчна, за да бъдат обяснени всичките несъвпадения на съвременната физика с наблюдаваните явления. Ето защо, за да се обясни разширяването на Вселената, при това с ускорение, бе въведена още и тъмната енергия, която е космологична константа. Или с други думи тя е с неизменна енергийна плътност, равномерно разпределена в цялата Вселена. А най-любопитното е, че обикновеното вещество е само 5% от масата на цялата Вселена, докато делът на черната материя е 25%, а на тъмната енергия сериозните 69%. Изглежда че при това разпределение все трябваше да бъдат открити някакви следни от тъмна материя и тъмна енергия, но засега нищо подобно няма.
Този въпрос са си задавали много учени, а и би било добре да се върнеш в миналото и да оправиш някои неща. Физиците се опитаха да обяснят това чрез „стрелата на времето“, която е с посока само напред – ентропията, което грубо казано е мярка за хаоса във Вселената. Каквото и да правим, всичко води до увеличаване на ентропията и това всъщност е вторият закон на термодинамиката. Суровото яйце например, докато е цяло е с ниска ентропия. Но като го счупите, ентропията се увеличава. Изглежда че не е кой знае какъв проблем жълтъкът да се върне обратно и черупката да бъде залепена. По този начин ентропията би трябвало да се намали и ето че това би била една машина на времето за суровите яйца.
Уви, това съвсем не е така – за да „сглобите“ яйцето, ще трябва да изразходвате известно количество енергия, а това ще увеличи общата ентропия на Вселената. На пръв поглед, това е и отговорът на въпроса: щом ентропията и времето са пряко свързани, а ентропията може само да се увеличава, то времето може да се движи само напред. Но тук има нещо друго: в далечното бъдеще Вселената ще достигне равновесие при максимум на ентропията – тя ще бъде еднородна и тъмна, без каквито и да било звезди и галактики. Ентропията завинаги ще остане константа, но това означава, че и времето също? В такъв един свят посоката на времето е без значение: така или иначе, нищо не се променя.
От друга страна, да си представим началото на Вселената и Големия взрив, когато ентропията е била минимална и оттогава непрекъснато расте. Естествен е въпросът, защо става така, а не обратното. Защо Вселената с максимална ентропия не се връща към първичното яйце, а ентропията на нашата Вселена се стреми към максимум? Разбира се, връзката на посоката на времето с ентропията е интересна идея, но не дава отговор на въпроса, защо посоката на времето е само напред.
Астрофизиците предполагат, че при големи мащаби пространство-времето е плоско и не е изкривено – тоест, то е безкрайно. Но областта, която ние виждаме и наричаме Вселена, съвсем не е безкрайна и се простира на разстояние „само“ около 41 милиарда светлинни години. А това означава, че всички частици на видимата Вселена могат да се комбинират в едно много голямо (10^10^122 степен), но все пак крайно число. Но щом пространство-времето е безкрайно, то в него може да има безкрайно множество различни вселени, а щом нашата Вселена не е безкрайна, то тя ще има безкраен брой свои копия. Разбира се, това са просто математически абстракции, които няма как да проверим, така че този въпрос така си и остана просто въпрос.
В обикновения свят електронът има отрицателен заряд, а протонът – положителен. А не може ли да е обратното? Може – още преди 50 години учените създадоха антипротони и позитрони (антиелектрони), които се различават от оригиналните само по заряда и барионното число (тоест, позитронът има положителен заряд). При сблъска на частица с нейната античистица протича анихилация с изпускането на огромно количество енергия.
Но тук възниква съвсем логичния въпрос: щом материята и антиматерията толкова много си приличат, то след Големия взрив тяхното количество трябва да е еднакво. Но в този случай те напълно биха се анихилирали и Вселената би била пуста (не съвсем пуста – само фотони). Но щом ние съществуваме, това означава, че материята е повече от антиматерията. Но защо е така, никой не знае.
Процесите в микрокосмоса са съвсем различни от нашата реалност. Всяка частица се описва с помощта на специална вълнова функция – разпределение на вероятностите, които представят какви могат да бъдат нейните местоположение, скорост и някои други свойства.
На практика всяка частица има диапазон от значения за всяко свойство – но само до този момент, докато не започнете да измервате това свойство. Така например, ако се опитате да разберете местоположението на частицата, вълновата функция колапсира и вместо комплект от различни местоположения получаваме само едно, което всъщност образува обичайната за нас реалност. Това е парадокс, който все още няма решение.
Къде изчезва информацията в черната дупка? Ако изпратите космическа сонда в черна дупка, то няма да получите никакви данни от нея, понеже нищо не може да се движи със скорост по-голяма от скоростта на светлината. За да може някакъв обект, включително и фотоните, да напусне черната дупка, той трябва да има втора космическа скорост, която обаче при черните дупки е по-голяма от скоростта на светлината, а нищо не може да се движи по-бързо от тази скорост.
Но черните дупки не са вечни – съществува излъчването на Хокинг, благодарение на което те бавно се изпаряват и в крайна сметка напълно изчезват. Но това излъчване зависи единствено от характеристиките на черната дупка – маса, скорост на въртене и т.н. Тоест, информацията се губи – няма значение дали в черната дупка ще попадне камък или сонда, в която е записан огромен обем информация.
В това се крие и противоречието с квантовата физика, според която квантовата информация не може да бъде изгубена, нито да бъде копирана. А според съвременните теории, сдъвканото от черната дупка вещество губи всичката информация. Това е парадокс, който играе ключова роля за извеждане на законите за квантовата гравитация. Засега проблемът не е решен.
Почти всички сили във Вселената се определят от различни частици. Така например, електромагнетизмът се дължи на фотоните, слабото ядрено взаимодействие – на W и Z бозоните, силното ядрено взаимодействие на глуоните. Остава гравитацията, но при нея имаме проблем: така и не е открита хипотетичната частица гравитон, която да е носител на гравитацията. На теория тя няма маса и почти не взаимодейства с веществото. Наскоро бяха регистрирани гравитационните вълни от сблъскването на две масивни черни дупки, но това не помогна за откриването на гравитона.
Докато не открием гравитона, не можем да работим с гравитацията както с другите фундаментални взаимодействия, които на практика са обмен на частици. Нещо повече, редица физици считат, че гравитоните съществуват в допълнителни измерения, извън нашето пространство/време. Но във всички случи, отговор на въпроса, какво е гравитацията, засега няма.
Какво според физиката е вакуумът? Липсата на каквото и да било в дадена точка на пространството. Нека да се замислим – можем да махнем частиците в даден обем, като предположим, че по някакъв начин сме се освободили и от неутриното. Но остават различните излъчвания и полета, от които да се избавим съвсем не е лесно – има тъмна енергия, поле на Хигс, както и най-различни квантови флуктуации. Тоест, във вакуума който ние можем да създадем, все пак има някаква енергия. Този „нечист“ вакуум физиците наричат фалшив. За истински се счита енергийно чистият вакуум.
Съвсем логично изниква въпросът – щом като нашия вакуум е фалшив, все някъде трябва да има истински „чист“ вакуум без вещество и енергия. Или поне по-малко фалшив, в който наличната енергия е по-малко.
Частиците притежават интересно свойство – могат да преминават през материята, след което придобиват друга енергия. А какво ще стане, ако дори и една частица от нашия свят с нашия вакуум получи значение с по-малка енергия на вакуума. Теорията подсказва, че тя би могла да повлече след себе си и други частици и в крайна сметка цялата Вселена. В този случай ние ще престанем да съществуваме, понеже всичко, което виждаме и всичко от което сме съставени се подчинява на физични закони с точно определени константи. Прехвърлянето в област, в която енергията на вакуума е по-ниска от нашата, ще промени константите във физиката, а оттук и физичните закони. Вселената ще си остане да съществува, но за нас това съвсем не е сигурно.
Именно тези разсъждения станаха популярни при проведените с Големия адронен колайдер експерименти. Очакваше се при тези експерименти да се създадат малки черни дупки с друга енергия на вакуума, които до известна степен да променят физичните константи. Изчисленията на учените показаха, че при тези експерименти могат да се образуват миниатюрни черни дупки с истински, а не фалшив енергиен вакуум. Този вакуум е по-изгоден от енергийна гледна точка и създадената миниатюрна черна дупка бързо може да се превърне в мехур, който да се увеличи неимоверно, освобождавайки енергията от фалшивия вакуум. Това напомня на страховете при взривяването на първата водородна бомба – имало е опасения, че термоядрената реакция може да обхване морето и въздуха и да не спре.
По-късните изчисления показаха, че за пораждането на подобни мини черни дупки е необходима енергия, колкото има в една свръхмасивна звезда – нещо което Адронният колайдер не може да даде. Но от друга страна, теорията за фалшивия вакуум си остана неопровергана.
Това далеч не са всичките проблеми, с които се сблъсква съвременната физика. Остават още много – например, какво има извън пределите на Стандартния модел, защо възниква Сонолуминисценцията и още много други. Колкото повече се задълбочаваме, разбираме че натрупаните през столетията знания са доста повърхностни. Но от друга страна, това означава, че има още много да се научи за околния свят, като новите знания могат да се използват за наше благо.
