Ако Исак Њутн одеднаш се појави од некоја временска машина, пријатно ќе се изненади кога ќе види колку далеку стигнала физиката. Некои работи кои биле вистинска мистерија пред неколку векови, денес се учат во средно училиште на часовите по физика.
Тој ќе биде воодушевен од огромните експерименти како Големиот хадронски судирач (LHC) во Швајцарија, а квантната механика ќе му биде нешто навистина чудно. Од времето на Њутн, модерната физика постигнала многу – од откривањето на природата на светлината во 19-тиот век, до одредување на структурата на атомот во 20-тиот, па сè до неверојатното откритие на гравитационите бранови од минатата година. Сепак и денес постојат неколку мистерии од физиката, а во продолжение се најголемите и најпознатите.
1. Од што е направена материјата?
Знаеме дека материјата е составена од атоми, а атомите од протони, неутрони и електрони. Исто така знаеме дека протоните и неутроните се составени од уште помали честички познати како кваркови. Ако истражуваме понатаму, дали би откриле уште помали честички? Сè уште не знаеме. Постои нешто што е наречено стандарден модел на физиката на честички кој ги објаснува интеракциите помеѓу субатомските честички. Овој модел се користел за предвидување на постоењето на сè уште неоткриени честички. Последната која е пронајдена е Хигсовиот бозон, и тоа со помош на LHC во 2012 година. Но, има проблем.
„Стандардниот модел не објаснува сè. Тој не може да ни објасни зошто постои Хигсовиот бозон. Не објаснува зошто оваа честичка ја има масата којашто ја има“, изјавил доктор Дон Линколн, физичар во Националната лабораторија за забрзување Ферми во Чикаго.
Излегло дека Хигсовиот бозон е многу помалку масивен од предвидувањата. Според теоријата тој би требало да биде квадрилиони пати потежок отколку што навистина е. И тоа не е сè. Познато е дека атомите се електрично неутрални – позитивниот полнеж на протоните е ист со негативниот на електроните. Но зошто е ова вака, никој не знае.
2. Зошто гравитацијата е толку чудна?
Ниту една сила не е попозната од гравитацијата – сепак таа нè држи на земјата. Ајнштајновата теорија за релативност ни дава неколку математички формули за гравитацијата опишувајќи ја како искривување на просторот. Но гравитацијата е трилиони пати послаба од 3-те познати сили (електромагнетизмот и двете нуклеарни сили кои дејствуваат на мало растојание).
Една можност е дека покрај 3-те просторни димензии, да постојат скриени димензии кои за нас е невозможно да ги забележиме. Ако овие димензии постојат и ако гравитацијата „протекува“ од нив, можеби тоа ја објаснува нејзината „слабост“.
„Можеби гравитацијата е силна колку и 3-те други сили, но брзо се разредува кога минува низ овие невидливи димензии“, објаснува Вајтсон.
Некои научници се надеваат дека експериментите со LHC ќе им дадат некаков доказ за постоењето на овие димензии, но досега немале среќа.
3. Зошто времето изгледа како да тече во само една насока?
Од Ајнштајн, научниците ги гледаат просторот и времето како 4-димензионална структура позната како време-простор. Но просторот се разликува од времето на неколку фундаментални начини. Во просторот можеме да се движиме како што сакаме, но во времето сме заглавени. Старееме, а не се подмладуваме. Го паметиме минатото, но не и иднината. За разликата од просторот, времето си има само една насока. Некои физичари сметаат дека вториот закон на термодинамиката ни дава некои докази. Според него, ентропијата на физичкиот систем (мерка за хаосот) се зголемува со текот на времето, а физичарите сметаат дека ова зголемување му ја дава насоката на времето. Ентропијата се зголемува бидејќи била помала, но прашањето е зошто била помала? Дали ентропијата на универзумот била неверојатно ниска пред 14 милијарди години, пред Големата експлозија? Според некои научници, токму ова е делчето кое недостига.
„Ако можеш да ми кажеш дали младиот универзум имал ниска ентропија, останатото лесно ќе ти го објаснам“, изјавил Шон Карол.
Неодамнешните компјутерски симулации покажале дека асиметријата на времето можеби потекнува од фундаменталните физички закони, но овој експеримент е контроверзен, па природата на времето сè уште е мистерија.
4. Каде отишла целата антиматерија?
Антиматеријата е попозната во фикцијата отколку во реалниот живот. Знаеме дека за секоја честичка материја можно е постоењето на идентична (анти)честичка, но со спротивен електричен полнеж. Значи, античестичката на електронот е позитрон со позитивен полнеж. Физичарите успеале да создадат антиматерија во лабораторија. Но кога ја создаваат неа, создаваат и исто количество материја. Ова укажува дека Големата експлозија создала материја и антиматерија во иста количина. Но сè околу нас, од планетата Земја до галаксиите е направено од материја. Па што се случува? Зошто има повеќе материја од антиматерија? Најверојатно со Големата експлозија настанала малку повеќе материја од антиматерија. Од ова потекнува друго прашање: Зошто постоела повеќе материја од антиматерија? Физичарите немаат одговор на ова прашање. Ако имало исто количество и од двете, тие би се уништиле една со друга и би се претвориле во енергија. Во тој случај, ние не би постоеле.
Можеби ќе добиеме некои одговори кога Подземниот неутрино експеримент (DUNE) ќе почне со работа во 2026 година. DUNE ќе анализира зрак од неутрина, мали честички без полнеж и речиси без маса. Зракот ќе содржи неутрина и антинеутрина и се очекува барем најмал доказ за природата на симетријата на материјата и антиматеријата.
5. Што се случува во сивата зона помеѓу тврда и течна агрегатна состојба?
Својствата на течната и тврдата состојба ни се добро познати. Но, некои материјали се однесуваат и како течност и како тврд материјал, па навистина е тешко да се предвиди нивното однесување. Еден пример е песокот. Едно зрно песок е тврдо како камен, но милиони зрна се однесуваат како вода. Па можеби разбирањето на оваа „сива зона“ ќе има важна практична примена.
6. Може ли да се пронајде унифицирана теорија на физиката?
Досега има две сеопфатни теории кои ги објаснуваат речиси сите физички феномени: Ајнштајновата теорија за гравитација (општа релативност) и квантната механика. Првата го објаснува движењето на сè – од топче за голф до галаксиите. Квантната механика ги објаснува интеракциите на субатомските честички. Проблемот е што двете теории го опишуваат светот многу различно. Во квантната механика настаните се одвиваат на постојан време-простор, додека во општата релативност време-просторот е флексибилен. Како би изгледала квантната теорија во искривен време-простор? Не знаеме.
Но, ова не ги спречило научниците да продолжат со истражување. Веќе неколку децении се смета дека теоријата на струните можеби ќе ги спои двете теории. Според оваа теорија, материјата е составена од мали струни кои вибрираат, или од јазли енергија. Но, оваа теорија сè уште не е тестирана, па „теоријата за сè“ уште ги мачи физичарите.
7. Како настанал животот од нежива материја?
На почетокот на Земјата немало никаков живот. Но што го натерало да се создаде? Пред да започне биолошката еволуција, научниците веруваат дека имало хемиска еволуција каде што едноставните неоргански молекули почнале да реагираат и да создаваат комплексни органски молекули, најверојатно во океаните. Но што го започнало овој процес?
Физичарот од Институтот за технологија во Масачусетс, доктор Џереми Ингланд, смета дека животот е неизбежен резултат од растот на ентропијата. Ако оваа теорија е точна, настанувањето на животот е нешто очекувано, како камен кој се тркала по надолница. Иако идејата не е совршена, неодамнешните компјутерски симулации можеби покажуваат дека е точна. Овие симулации покажале дека обичните хемиски реакции може да предизвикаат создавање на сложени соединенија, а ова би било отскочна даска до настанувањето на живите организми.
Што го прави животот толку тежок за проучување? Како што велат физичарите, сè што е живо, е далеку од рамнотежа. Во урамнотежен систем сите работи наликуваат една на друга, без примање и испуштање енергија (како на пример камен или сад полн со гас). Животот е спротивно од тоа. Едно растение на пример, ја апсорбира сончевата светлина и ја користи нејзината енергија за да создава комплексни молекули на шеќери, а истовремено зрачи топлина во околината. Разбирањето на овие комплексни системи е најголемиот нерешен проблем во физиката.
