5 didžiausios neišspręstos fizikos paslaptys: nuo tamsiosios materijos iki „laiko rodyklės“ ir paralelinės Visatos

Tamsioji energija ir tamsioji materija

Atrodo, kad tamsiąją materiją supa žinių paradoksas – mokslininkai daugiau žino apie tai, kas ji nėra, negu kas ji yra.

Tamsiosios materijos tiesiogiai pamatyti neįmanoma, o netiesioginiais būdais jos kol kas taip pat nepavyko aptikti. Vietoj to apie tamsiosios medžiagos egzistavimą ir savybes sprendžiama iš jos gravitacinio poveikio regimajai medžiagai, spinduliuotei ir Visatos struktūrai. Įsivaizduokitę ją kaip stebuklingus klijus, ne tik laikančius galaktikas viena šalia kitos, bet ir dalinai atsakingus už jš susikūrimą.

Ši koncepcija iš pradžių buvo iškelta 1933 m., siekiant paaiškinti matematinius neatitikimus apskaičiuojant galaktikų masę. Daugelis fizikų mano, kad ji sudaro apie 83 proc. Visatoje esančios materijos, nors dar net neįrodėme, kad ji iš tiesų egzistuoja!

Kad ir kaip mokslininkai skaičiuotų, daugumos veiksnių galai tiesiog „nesusiveda“. Nors Visata traukia erdvėlaikį – matematinį modelį, jungiantis erdvės ir laiko koordinates į vieną vieningą visumą – jis vis greičiau plečiasi į išorę. Norėdami tai paaiškinti, astrofizikai pasiūlė nematomą veiksnį, kuris neutralizuoja gravitaciją, stumdamas erdvėlaikį į šalis – tamsiąją energiją.

Paprastai tariant, tai hipotetinis energijos modelis, atsakingas už Visatos plėtimasį. Remdamiesi stebėtu plėtimosi greičiu, mokslininkai saro prielaidą, kad visų tamsiųjų energijų suma turi sudaryti daugiau kaip 70 proc. viso Visatos turinio. Tačiau niekas iki šiol nežino, kaip šios energijos formos ieškoti.

Kodėl laikas teka tik viena kryptimi?

Kaip ir minėta anksčiau, nuo Einšteino laikų fizikai erdvę ir laiką mato kaip keturmatę struktūrą, vadinamą erdvėlaikiu. Tačiau erdvė nuo laiko skiriasi keliais labai esminiais aspektais. Erdvėje galime laisvai judėti, kaip tik norime. Kalbant apie laiką, galima sakyti, jog esame įstrigę. Mes senstame, o ne jaunėjame. Prisimename praeitį, bet ne ateitį. Atrodo, kad laikas, kitaip nei erdvė, turi pageidaujamą kryptį – fizikai ją vadina „laiko rodykle“.

Kai kurie fizikai įtaria, kad antrasis termodinamikos dėsnis yra užuomina. Jame teigiama, kad laikui bėgant didėja fizikinės sistemos entropija (apytiksliai – netvarkos kiekis), ir fizikai mano, kad būtent šis didėjimas suteikia laikui kryptį. (Pavyzdžiui, sudaužytas arbatos puodelis turi daugiau entropijos nei nesudaužytas – ir tikrai, sudaužyti puodeliai visada atsiranda po nesudaužytų, o ne prieš tai).

Entropija dabar gali didėti, nes anksčiau ji buvo mažesnė, bet kodėl iš pradžių ji buvo maža? Ar visatos entropija buvo neįprastai maža prieš beveik 14 mlrd. metų, kai įvyko Didysis sprogimas? Niekas nežino.

Matyt, tiesiog turėsime susitaikyti su senėjimo procesu.

Paralelinės visatos

Astrofizikiniai duomenys rodo, kad erdvėlaikis gali būti plokščias, o ne išlenktas, taigi jis tęsiasi amžinai. Jei taip, tuomet mūsų matoma sritis (kurią laikome Visata) yra tik viena be galo didelės „dygsniuotos daugialypės visatos“ dalis. Kartu kvantinės mechanikos dėsniai diktuoja, kad kiekvienoje kosminėje dėmėje yra tik baigtinis skaičius galimų dalelių konfigūracijų. Taigi, esant begaliniam kosminių dėmių skaičiui, jose esančių dalelių išsidėstymas yra priverstas kartotis – be galo daug kartų.

Tai reiškia, kad egzistuoja be galo daug paralelinių visatų: tokių, kurios yra lygiai tokios pačios kaip mūsų, kurios skiriasi tik vienos dalelės padėtimi, dviejų dalelių padėtimi, ir taip toliau.

Jei tai ir yra tiesa, kol kas nėra įrodymų apie paralelinių visatų egzistavimą ir didelė tikimybė, jog niekada nebus.

Kas vyksta juodosiose skylėse?

Kas atsitinka objekto informacijai, jei jis įsiurbiamas į juodąją skylę? Pagal dabartines teorijas, jei į juodąją skylę įmestumėte geležies kubą, tos informacijos nebūtų įmanoma atkurti. Taip yra todėl, kad juodosios skylės gravitacija yra tokia stipri, kad jos pabėgimo greitis yra didesnis už šviesos greitį, o šviesa yra greičiausias žinomas dalykas. Tačiau mokslo šakoje, vadinamoje kvantine mechanika, teigiama, kad kvantinė informacija negali būti sunaikinta. „Jei šią informaciją kaip nors sunaikinsite, kažkas suirs“, – sakė Čikagos Loyolos universiteto fizikos docentas Robertas McNees.

Kvantinė informacija šiek tiek skiriasi nuo informacijos, kurią kompiuteriuose saugome kaip 1 ir 0, arba nuo tos, kuri yra mūsų smegenyse. Taip yra todėl, kad kvantinės teorijos nesuteikia tikslios informacijos, pavyzdžiui, apie tai, kur bus objektas, kaip apskaičiuojant beisbolo kamuoliuko trajektoriją mechanikoje. Vietoj to, tokios teorijos atskleidžia labiausiai tikėtiną vietą arba labiausiai tikėtiną tam tikro veiksmo rezultatą. Todėl visų įvairių įvykių tikimybės turėtų būti lygios 1 arba 100 proc. (Pavyzdžiui, metant šešiakampį kauliuką, tikimybė, kad tam tikra figūra iškris, yra viena šeštoji, taigi visų figūrų tikimybės yra lygios 1, ir jūs negalite būti tikri, kad kažkas įvyks, daugiau nei 100 proc.) Todėl kvantinė teorija vadinama unitarine. Jei žinote, kaip sistema baigiasi, galite apskaičiuoti, kaip ji prasidėjo.

Norint aprašyti juodąją skylę, tereikia masės, kampinio momento (jei ji sukasi) ir krūvio. Iš juodosios skylės niekas neišeina, išskyrus lėtą šiluminio spinduliavimo, vadinamo Hawkingo spinduliavimu, srautą. Kiek kam žinoma, nėra būdo atlikti atvirkštinį skaičiavimą ir nustatyti, ką iš tikrųjų prarijo juodoji skylė. Informacija sunaikinama. Tačiau kvantinė teorija sako, kad informacija negali būti visiškai nepasiekiama. Čia ir slypi „informacijos paradoksas“.

Šia tema buvo daug dirbta, ypač Stivenas Hokingas ir Stivenas Perisas, kurie 2015 m. pasiūlė, kad informacija ne saugoma juodosios skylės gelmėse, o lieka jos riboje, vadinamoje įvykių horizontu. Daugelis kitų bandė išspręsti šį paradoksą. Kol kas fizikai negali susitarti dėl paaiškinimo ir, tikėtina, dar kurį laiką nesutars.

Chaoso tvarka

Fizikai negali tiksliai išspręsti lygčių rinkinio, kuris apibūdina skysčių – nuo vandens iki oro ir visų kitų skysčių bei dujų – elgseną. Tiesą sakant, nežinoma, ar apskritai egzistuoja bendras lygčių sprendinys, o jei sprendinys yra, ar jis aprašo skysčius visur, ar jame yra nežinomų taškų, vadinamų singuliarumais.

Todėl chaoso prigimtis nėra gerai suprantama. Fizikai ir matematikai klausia, ar orus tiesiog sunku nuspėti, ar jie iš esmės yra nenuspėjami? O gal viskas įgauna prasmę, kai su ja susiduria tinkamas matematikas?