Oto największe tajemnice wszechświata, których rozwiązań poszukują naukowcy z całego globu. Czy kiedykolwiek uda im się je rozwiązać?

Czym jest ciemna energia?

Źródło: Wikipedia, autor: Szczureq

Nie ważne jak astrofizycy liczą, wszechświat po prostu im się nie składa. Grawitacja ściąga czasoprzestrzeń, a tkanina kosmosu rozciąga się coraz szybciej. Aby wyjaśnić to zjawisko, astrofizycy wprowadzili niewidzialnego agenta, który przeciwdziała grawitacji, rozciągając czasoprzestrzeń. Nazwali go „ciemną energią”. W większości akceptowanych modeli jest to po prostu „stała kosmologiczna”, czyli własność samej przestrzeni, która posiada „negatywne ciśnienie”. W miarę rozszerzania się przestrzeni, powstaje jej coraz więcej, a razem z nią więcej ciemnej energii. Bazując na obserwacjach tempa ekspansji, naukowcy wiedzą, że ciemna energia musi stanowić około 70% całego wszechświata. Niestety, nikt nie wiej jak jej szukać.

Czym jest ciemna materia?

Galaktyka LRG 3-757, przy pomocy ciemnej materii zniekształca obraz dalszej galaktyki. Źródło: NASA

Ewidentnie, około 84% materii wszechświata nie odbija, ani nie absorbuje światła. „Ciemna materia”, bo tak ją nazwano, nie może być zaobserwowana bezpośrednio, jak i do tej pory nawet pośrednio. Wniosek o istnieniu ciemnej materii, opiera się na efektach grawitacyjnych związanych z materią widzialną, promieniowaniem i strukturą wszechświata. Bez ciemnej materii galaktyki rozpadłyby się, ze względu na prędkość ich wirowania. Nadzieją naukowców jest wykrycie tzw. „słabo oddziałujących masywnych cząstek” (ang. Weakly Interacting Massive Particles, w skrócie WIMP), które uważa się, że składają się na ciemną materię. Na świecie jest kilka detektorów WIMP, niestety jak do tej pory brak rezultatów.

Dlaczego istnieje strzałka czasu?

Czas idzie do przodu, ponieważ własność wszechświata zwana „entropią”, w przybliżeniu definiowana jako poziom chaosu, ciągle rośnie, i nie ma sposobu na odwrócenie wzrostu entropii po jej zaistnieniu. Fakt ten jest wynikiem logiki: Istnieje więcej układów cząstek nieuporządkowanych, niż uporządkowanych, a w miarę rozwoju wydarzeń, mają tendencję do bałaganu. Kluczowym pytaniem jest jednak, dlaczego entropia w przeszłości była tak niska? Inaczej, dlaczego wszechświat na początku był tak dobrze uporządkowany, podczas gdy tak ogromna ilość energii, była stłoczona razem w niewielkiej ilości przestrzeni?

Czy wszechświaty równoległe istnieją?

Wszechświaty równoległe, autor: takTOdziala.pl

Dane sugerują, że czasoprzestrzeń może być „płaska”. Jeżeli tak, to region, który nazywamy „wszechświatem”, jest tylko jednym wycinkiem w nieskończonym multiwszechświecie. Prawa mechaniki kwantowej mówią, że istnieje skończona ilość możliwej konfiguracji cząstek w jednym kosmicznym wycinku (10^10^122 możliwości). Tak, więc w nieskończonej ilości kosmicznych wycinków, cząstki zmuszone są do powtarzania się – nieskończenie wiele razy. To oznacza, że istnieje nieskończenie wiele równoległych wszechświatów: kosmicznych wycinków takich jak nasz (gdzie istnieje dokładnie taki ktoś jak ty), tak samo jak wycinków, które różnią się pozycją tylko jednej cząstki, oraz wycinków, które różnią się pozycją dwóch cząstek i tak dalej, aż do totalnie różnych wycinków. Czy to z naszą logiką jest coś nie tak, czy taka jest dziwaczna prawda? Jak wykryć wszechświaty równoległe?

Dlaczego jest więcej materii niż antymaterii?

Wodór i antywodór. Autor: USAF/takTOdziala.pl

Pytanie, dlaczego jest więcej materii niż przeciwnie naładowanej, i o przeciwnym spinie antymaterii, jest tak naprawdę pytaniem o to, dlaczego wszystko istnieje. Jedno założenie mówi, że materia i antymateria powinna być, przez wszechświat, traktowana tak samo, a w momencie Wielkiego Wybuchu, powinna zostać wyprodukowana dokładnie taka sama ilość materii i antymaterii. Jeżeli tak by się stało, nastąpiłaby totalna anihilacja obu. Protony unicestwiłyby się z antyprotonami, elektrony z antyelektronami (pozytony), neutrony z antyneutronami i tak dalej, aż do pozostania jedynie morza fotonów w bezmasowej ekspansji. Z jakichś jednak powodów istniał nadmiar materii, który nie uległ zniszczeniu i tak oto jesteśmy. Dotąd nie ma na to dobrej odpowiedzi.

Jakie jest przeznaczenie wszechświata?

Kształt wszechświata

Przeznaczenie wszechświata mocno uzależnione jest od współczynnika nieznanej wartości: Ω, pomiaru gęstości materii i energii w całym kosmosie. Jeżeli Ω jest większa niż 1, to oznacza, że czasoprzestrzeń może być „zamknięta”, niczym powierzchnia ogromnej sfery. Bez ciemnej energii, ekspansja takiego wszechświata mogłaby się zatrzymać i wszechświat zacząłby się kurczyć, doprowadzając do wielkiego zapadnięcia (ang. Big Crunch). Jeżeli wszechświat jest zamknięty i istnieje w nim ciemna energia, sferyczny wszechświat rozszerzałby się wiecznie.

Alternatywnie, jeżeli Ω jest mniejsza od 1, geometra przestrzeni byłaby otwarta, niczym powierzchnia siodła. W tym przypadku ostatecznym przeznaczeniem będzie wielkie zmrożenie (ang. „Big Freeze”), poprzedzone wielkim rozdarciem (ang. „Big Rip”): na początku, przyśpieszenie rozszerzania wszechświata rozerwałoby galaktyki i gwiazdy, pozostawiając całą materię zimną samej sobie. Następnie przyśpieszenie wzrosłoby do tego stopnia, że nie oparłyby się mu już nawet siły trzymające razem atom.

Jeżeli Ω = 1, to oznacza, że wszechświat mógłby być płaski i rozszerzać się jak nieskończona płaszczyzna we wszystkich kierunkach. Jeżeli nie byłoby ciemnej energii, taki płaski wszechświat rozszerzałby się wiecznie, ale ze stale malejącą prędkością, osiągając w końcu martwy punkt. Jeżeli jest ciemna energia, płaski wszechświat ostatecznie doświadczyłby ekspansji prowadzącej do wielkiego rozdarcia (ang. „Big Rip”).

Jak dokonanie pomiaru załamuje kwantową funkcję falową?

Załamanie funkcji falowej, tłum.: takTOdziala.pl

W dziwnej krainie elektronów, fotonów i innych cząstek elementarnych, prawo stanowi mechanika kwantowa. Cząstki nie zachowują się jak małe kulki, a raczej jak fale rozciągnięte na wielkim obszarze. Każda cząstka jest opisana przez funkcję falową, lub rozkład prawdopodobieństwa, które informują o położeniu, prędkości i innych stanach, w których cząstka może się znajdować, ale nie, w których aktualnie jest. Cząstka jedyne, co posiada to zakres wartości wszystkich swoich własności. Dopóki jednej z nich się nie zmierzy eksperymentalnie, np. położenia, gdzie w tym momencie funkcja falowa cząstki ulega załamaniu i cząstka przyjmuje tylko jedno położenie.

Ale jak i dlaczego ten pomiar cząstki sprawia, że funkcja falowa się załamuje i wytwarza konkretną rzeczywistość, którą dostrzegamy? Problem pomiaru może wydawać się ezoteryczny, ale nasze zrozumienie, czym jest rzeczywistość, lub czy w ogóle istnieje, zależy od tej odpowiedzi.

Czy teoria strun jest poprawna?

Teoria strun – struny zamknięte. Autor: Lawrence Berkeley National Laboratory

Kiedy fizycy założyli, że wszystkie elementarne cząstki są jednowymiarową pętlą, lub struną, gdzie każda wibruje z inną częstotliwością, fizyka stała się prostsza. Teoria strun pozwala fizykom na pogodzenie praw rządzących cząstkami, zwanych mechaniką kwantową, i praw rządzących czasoprzestrzenią, zwanych ogólną teorią względności, oraz zredukować cztery fundamentalne siły natury w jedną. Problemem teorii strun jest to, że może ona funkcjonować we wszechświecie 10 lub 11 wymiarowym: trzy duże przestrzenne, sześć lub siedem przestrzeni zwiniętych, i jeden wymiar czasu. Zwinięte wymiary, tak jak wibrujące struny, są około miliardowej trylionowej wielkości jądra atomu. Nie ma przekonującej metody na wykrycie czegoś tak małego i jak na razie brak jest możliwości potwierdzenia lub zaprzeczenia teorii strun.

Czy jest jakiś porządek w chaosie?

Fizycy nie potrafią dokładnie rozwiązać równań, które opisują zachowanie płynów, takich jak woda lub gazów jak powietrze. W zasadzie nie wiadomo czy istnieje ogólne rozwiązanie równania Naviera-Stokesa, lub czy w ogóle istnieje rozwiązanie, które opisuje zachowanie płynów. W konsekwencji natura chaosu nie jest dobrze poznana. Fizycy i matematycy zastanawiają się, czy pogodę zwyczajnie trudno przewidzieć, czy jest z natury nieprzewidywalna? Czy turbulencje wykraczają poza opis matematyczny, czy nabierają sensu, kiedy potraktuje się je prawidłową matematyką?

Nierozwiązane tajemnice wszechświata

Opisane powyżej największe tajemnice wszechświata, zaprzęgają do pracy największe umysły w dziedzinie fizyki i matematyki, eksploatując je do granic możliwości. Przynajmniej część z tych zagadek w przyszłości uda się rozwikłać, chyba że narodzi się geniusz, przed którym wszechświat nie będzie już mógł nic ukryć.

Źródło: livescience