Загадките на вселената

Идеи като квантовата теория, теория на относителността и идеята за Земята, въртяща се около Слънцето днес са общоприети, но учените продължават да се изумяват от загадките, които крие вселената. На човек често му е трудно да повярва на всички изумителни неща, които сме открили, а е почти невъзможно да проумеем колко още тепърва предстоят да бъдат открити.

Негативна енергия

На теория най-ниската температура, която може да се достигне е абсолютната нула, точно -273.15°C. Тогава движението на всички частици спира напълно. В действителност обаче, никога не можем да изстудим нещо до тази температура, защото в квантовата физика се казва, че всяка частица има „нулева енергия“ – най-ниската възможна енергия, която може да притежава. Това правило важи не само при частиците, но и при вакуума, там се нарича „вакуумна енергия“. Най-лесният начин да се докаже съществуването на тази енергия е да поставите две метални плочки във вакуум близо една до друга и те ще започнат да се привличат. Това е така, защото енергията между плочките резонира при определена честота, а около тях вакуумната енергия резонира на каквато и да е честота. Енергията около плочките е по-голяма от тази между тях и те се привличат. Колкото по-близо са те една до друга, толкова повече се увеличава ефекта и когато разстоянието между тях достигне 10 нанометра, се образува налягане от 1 атмосфера (ефекта на Казимир). Плочките намаляват вакуумната енергия между тях и тя достига стойности под нулевата. Тогава се казва, че пространството има негативна енергия, която притежава някои необичайни свойства.

Едно от свойствата на негативния вакуум е, че в него светлината пътува по-бързо отколкото в нормалния вакуум. Това някой ден може да позволи на хората да пътуват със скорост по-голяма от тази на светлината. Негативната енергия би могла да реши проблема при пространствено-времевите тунели, които макар да са теоретично възможни, не биха могли да останат отворени без нещо, което да ги поддържа.

Друго забележително свойство на негативната енергия е, че може да унищожава черни дупки. Вакуумната енергия често е моделирана като виртуални частици, които се унищожават малко след създаването си. Това не нарушава физичните закони, стига частиците да бъдат унищожени. Ако обаче две частици се появят на хоризонта на събитията на черна дупка, една от тях може да се отдръпне от дупката, а другата да бъде погълната от нея. Така частиците няма да могат да се унищожат и ще получат негативна енергия. Когато частица с негативна енергия попадне в черна дупка, вместо да увеличи масата й, тя я намалява. Така с времето такива частици могат да унищожат черната дупка напълно.

Тази теория е представена за първи път от Стивън Хокинг, за това частиците от този ефект са наречени Хокинг радиация. Това е първата приета теория, която обединява квантова теория с общата относителност – най-голямото научно постижение на Хокинг.

Изкривяване на пространството

Едно от предположенията в теорията на относителността на Айнщайн гласи, че когато голям обект се движи, той повлича около себе си и пространствено-времевия континуум, привличайки към себе си близко намиращите се обекти. Може да се получи както когато обектът се движи по права линия, така и когато се върти, макар ефектът да е доста по-малък. През 2004г. е проведен експеримент, целящ да измери изкривяването на пространството около Земята. Макар големите изкривявания в измерванията, ефектът е изчислен на около 15%.

Ефектът се доближава много до очакванията. Поради движението на Земята, изпратеният в орбита апарат е изместван с по 2 метра на година. Този ефект е причинен от масата на Земята, която изкривява пространството около себе си.

Относителност на едновременността

Това е идея, според която дали две събития се случват едновременно или не, зависи от наблюдателя. Идеята произлиза от специалната теория на относителността и се прилага при всички събития, които се случват на разстояние едно от друго. Например, ако на Марс и Венера има заря от фойерверки, трима различни наблюдателя могат да кажат три различни неща – че зарята е започнала първо на Марс, първо на Венера или по едно и също време на двете места. Това се получава при различните гледни точки, които се разминават сравнени една с друга. При този случай никой не може да твърди, че е прав.

Този сценарии води до някои необичайни събития. Например наблюдателят може да види ефекта преди неговата причина. В действителност обаче, вече видял ефекта, наблюдателят не може да се намеси в причината за него, освен ако не пътува по-бързо от светлината. Това е една от първите причини, поради която се смята, че скорост по-голяма от тази на светлината е невъзможна – защото се свърза с пътуването във времето и би дала възможност за намеса в причината след появата на ефекта. Получава се парадокс.

Черни струни

Една от най-големите мистерии във физиката е как гравитацията е свързана с останалите основни сили, като например електромагнетизма. Една теория от 1919г. предполага, че ако към вселената се добави още едно измерение, гравитацията ще продължи да съществува в първите четири (три пространствени и времето),а начинът по който тези измерения влияят върху петото, водят до естественото образуване на останалите основни сили. Ние обаче няма как да видим петото измерение, за това е предположено, че то е много малко и е невидимо за нас. Тази теория води директно до струнната теория.

Понеже допълнителното измерение е много малко, само малки обекти като частиците могат да се движат в него. Един обект обаче става много по-сложен, когато е в пет измерения – черната дупка. Когато се добави пето измерение, тя се превръща в черна струна и става нестабилна. Петизмерната черна дупка ще се дестабилизира и ще се превърне в поредица от черни дупки, свързани като със струни, които ще се разпокъсат и ще останат множество по-малко черни дупки. Те в крайна сметка ще се комбинират в една по-голяма. Интересното при това е, че финалната черна дупка няма хоризонт на събитията. Това противоречи на Основната космическа хипотеза, според която всички черни дупки трябва да имат хоризонт на събитията, за да се избегнат ефектите на пътуването във времето, които се случват близо до черните дупки.

Геон

Както добре се вижда в уравнението E=MC2, енергията и материята са взаимно свързани. Един от ефектите от това е, че енергията, както масата, създава гравитационно поле. През 1955г. Джон Уилър изобретява геонът – електромагнитна или гравитационна вълна, чиято енергия създава гравитационно поле, което пък на свой ред поддържа вълната в пространството. Уилър предполага, че може да съществува връзка между микроскопичните геони и елементарните частици и че дори може да са едно и също нещо. Един добър пример за това е „кугелблиц“ (в превод от немски – кълбовидна мълния), в който много ярка светлина е концентрирана в определена точка и гравитацията от нея може да стане толкова силна, че да се превърне в черна дупка и да погълне светлината. Въпреки че не е известно нещо да възпрепятства формирането на кугелблиц, сега се смята, че геоните могат да съществуват само за кратко време, след което изпускат енергията си и се разпадат. Това за съжаление показва, че Уилър вероятно е грешал, но все още не е доказано.

Черна дупка на Кер

Черната дупка, с която повечето хора са запознати всъщност се нарича черна дупка на Шварцшилд. Кръстена е на Карл Шварцшилд, който през 1915г. е открил математическите решения за сферичната, невъртяща се маса от теорията на относителността на Айнщайн. Чак през 1963г. обаче, математикът Рой Кер открива решението за въртяща се сферична маса. От там идва и името на въртящата се черна дупка, която има някои необичайни свойства.

В центъра на черната дупка на Кер точката на сингулярност не е точка, а въртящ се едноизмерен пръстен, поддържан от собствената си инерция. Тази черна дупка също така има два хоризонта на събитията, външен и вътрешен, както и елипсоид наречен ергосфера. В нея времето се върти заедно с черната дупка със скорост по-голяма от тази на светлината. При навлизане на обект в черната дупка през външния хоризонт на събитията, пространството преминава във време и обектът се насочва към центъра на сингулярността. Когато обаче премине през вътрешния хоризонт, времето преминава отново в пространство. Това означава, че гравитацията близо до сингулярния пръстен става обратна и отблъсква обектите от центъра. За да се уцели самият пръстен, обектът трябва да навлезе в черната дупка точно по екватора й.

Сингулярният пръстен може да се свърже с пространството и времето и да се използва като тунел, макар излизането от черната дупка от другата страна да е невъзможно, освен ако не става въпрос за гола сингулярност, образувана при бързото въртене на пръстена. Пътуването през такъв тунел може да изпрати обект на друго място в пространството и времето, например в друга вселена. Може дори да го изпрати в бяла дупка в негативна вселена, която все още не е известна на науката.

Квантов преход

Квантовият преход е ефект, при който частица може да премине през бариера, за което иначе не би имала нужната енергия. Той може да позволи на частица да премина през физическо препятствие, което иначе е непробиваемо или на електрон да избяга от ядрото на клетката без да има нужната енергия. Според квантовата механика има определена вероятност всяка частица да бъде открита на което и да е място във вселената, макар тази вероятност да е астрономически много малка.

Когато частица е изправена пред малка бариера (около 1-3 нанометра), която по изчисления не би могла да бъде премината, вероятността тази частица просто да премине през бариерата е доста голяма. Това може да се обясни с принципа на неопределеност на Хайзенберг, който ограничава количеството информация, което може да бъде научено за една частица. Тя може да „вземе на заем“ енергия от системата, в която действа, да я използва, за да премине през бариерата и след това отново да освободи енергията.

Квантовият преход участва в много физични процеси, като радиоактивния разпад и ядрения синтез на Слънцето. Също така се използва в определени електрически компоненти и се среща в ензимите на биологическите системи. Ефектът се използва и при сканиращия тунелен микроскоп – първата машина, позволяваща заснемането и манипулирането на отделни атоми.

Космически струни

След Големия взрив, във вселената е царял хаос. Това означава, че малки дефекти и промени не се отразявали на цялостната й структура. В крайна сметка обаче, вселената се разширила, охладила и преминала от хаос в ред. Тогава вече много малки колебания причинявали огромни промени.

Това е като да редиш плочки в банята – ако една плочка не е поставена правилно, всички останали в реда също ще са грешни. Така действат и космическите струни, които са много тънки и изключително дълги дефекти в пространството и времето. Тези струни са описани от повечето модели на вселената, включително и в струнната теория. Ако наистина съществуват, всяка струна би била тънка колкото протон, но много плътна. Така струна с дължина 1км. може да тежи колкото Земята. Тя няма да има гравитация и единствено би могла да променя формата на пространството и времето.

Смята се, че космическите струни са много дълги, с дължината на хиляди галактики. Дори при скорошни наблюдения и симулации учените предполагат, че мрежа от струни се разпростира из цялата вселена.

Произход на антиматерията

Антиматерия е обратното на материята. Тя има същата маса, но противоположен електричен заряд. Джон Уилър и нобеловият лауреат Ричард Фейнман съставят теория за съществуването на антиматерията, базирана на идеята, че времето във физичните системи може да тече назад. Например, ако орбитите в нашата слънчева система се пуснат на обратно, те трябва да се подчиняват на същите правила, както сега. Това води до идеята, че антиматерията е обикновена материя, която се движи на обратно. Това би обяснило защо античастиците имат обратен заряд и ако при нормални условия се отблъскват, то при антиматерията се привличат. Това би обяснило и защо материята и антиматерията не могат да съществуват едновременно. Не става въпрос за две частици, които се сблъскват една в друга, а за една и съща частица, която изведнъж спира и тръгва назад във времето.

Макар тази теория все още да е доста спорна, третирането на антиматерия като материя, която се движи назад във времето математически се прилага и при други теории. Идеята намесва пътуването назад във времето, но не може да се използва за изпращането на информация във времето, понеже математическият модел не го позволява. Не може да се премести антиматерия, която да промени миналото, понеже това ще повлияе единствено на миналото на самата антиматерия.

Теоремите за непълнота на Гьодел

Това не е точно наука, а по-скоро много интересни математически теореми за логиката и философията, които са приложими и в науката като цяло. Доказани през 1931г. от Курт Гьодел, тези теории гласят, че при всички логически правила, освен при най-простите, винаги ще има нерешими твърдения, които не могат да бъдат доказани или отхвърлени, понеже за това трябва да се използват отново такива логически системи. Иначе казано, няма главна математическа система, която да може да докаже или отхвърли всички твърдения. Теорията може да се разгледа като простия парадокс „Аз винаги лъжа“. Твърдението използва само себе си за проверка и не може да се докаже дали е вярно или не. При теоремите на Гьодел не е нужно твърдението да се допитва до себе си. Общото заключение от тях е, че всички логически системи ще имат твърдения, които не могат да бъдат доказани или отхвърлени и следователно всички са „непълни“.

Философските интерпретации на теоремите са много. Във физиката би следвало, че „теория на всичко“ не би била възможна, тъй като никои правила не биха могли да обяснят всяко възможно събитие или резултат. Така логически „доказано“ става по-слабо понятие от „истина“. Това не се нрави на учените, понеже означава, че има неща, които макар да са верни, не могат да бъдат доказани като такива. Теоремите са приложими и при компютрите, от където се вади заключението, че собствения ни ум е непълен и незавършен и че някои неща никога няма да можем да ги разберем. Това е така, защото според втората теорема на Гьодел никоя завършена логическа система не може да докаже собствената си завършеност и последователност, тоест никой разумен човек не може да докаже, че е такъв. Същият закон гласи, че всяка система, която успее да докаже завършеността си, следва че е незавършена.

Източник: listverse.com