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I 10 misteri non assoluti in fisica
Se hai mai guardato un episodio di Star Trek o La teoria del Big Bang, quindi sai che la fisica può essere resa accessibile alle masse in un modo divertente. I nostri scrittori di fantascienza e commedie preferiti potrebbero non avere tutti i dettagli, ma suscitano il nostro interesse per gli aspetti più strani delle teorie scientifiche.
Oggi parleremo di 10 veri misteri che la fisica deve ancora spiegare. Dalla comunicazione aliena ai viaggi nel tempo ai rubinetti che sgorgano, cercheremo di rendere questi misteri comprensibili per tutti.
Potresti anche voler approfondire questi argomenti da solo. Dopo tutto, ci sono milioni di premi in dollari che attendono le persone che risolvono alcuni enigmi cosmici. (Continua a leggere per scoprire quale di questi 10 misteri potrebbe renderti ricco.) Probabilmente otterrai anche un premio Nobel e cambierai il mondo.
10 Da dove vengono i raggi cosmici ad altissima energia?
La nostra atmosfera viene costantemente colpita da particelle provenienti dallo spazio esterno con alte energie. Questi sono chiamati "raggi cosmici". Sebbene non costituiscano un gran danno per gli umani, hanno affascinato i fisici. L'osservazione dei raggi cosmici ci ha insegnato molto sull'astrofisica e sulla fisica delle particelle. Ma ci sono alcuni - quelli con più energia - che sono misteriosi fino ad oggi.
Nel 1962, all'esperimento Volcano Ranch, il dott. John D. Linsley e Livio Scarsi videro qualcosa di incredibile: un raggio cosmico di altissima energia con un'energia di oltre 16 joule. Per darti un po 'di prospettiva, un joule è approssimativamente l'energia che serve per sollevare una mela dal pavimento su un tavolo.
Tutta questa energia è concentrata, tuttavia, in una particella cento milioni di miliardi di miliardi di volte più piccola della mela. Ciò significa che sta viaggiando molto vicino alla velocità della luce!
I fisici non sanno ancora come queste particelle ottengano questa incredibile quantità di energia. Alcune teorie includono l'idea che potrebbero provenire da supernovae, quando le stelle esplodono alla fine della loro vita. Le particelle possono anche essere accelerate nei dischi di materia collassante che si formano attorno ai buchi neri.
9 Il nostro universo era dominato dall'inflazione?
L'universo è straordinariamente piatto su grandi scale. Questo è qualcosa chiamato "principio cosmologico" - l'idea che, ovunque tu vada nell'universo, ci sia approssimativamente la stessa quantità di roba in media.
Ma la teoria del big bang suggerisce che, nei primissimi tempi, ci dovevano essere delle grandi differenze di densità nell'universo primordiale. Quindi era molto più grosso di quanto il nostro universo sia oggi.
La teoria dell'inflazione suggerisce che l'universo che vediamo oggi proviene da un piccolo volume dell'universo primordiale. Questo piccolo volume si espanse improvvisamente e rapidamente, molto più rapidamente di quanto l'universo si stia espandendo oggi.
Proprio come se prendessi un pallone e lo riempissi d'aria, l'inflazione "stese" tutti i grumi dell'universo primordiale e spiega perché abbiamo un universo abbastanza piatto, dove le condizioni sono simili ovunque tu vada, oggi.
Sebbene questo spieghi molto su ciò che vediamo, i fisici non sanno ancora cosa ha causato l'inflazione. I dettagli di ciò che stava accadendo durante questa inflazione sono anche approssimativi. Una migliore comprensione di questa era potrebbe dirci molto sull'universo come lo è oggi.
8 Possiamo trovare energia oscura e materia oscura?
È un fatto sorprendente: solo il 5 percento dell'universo è costituito dalla materia che possiamo vedere. Alcuni fisici hanno notato alcuni decenni fa che le stelle ai bordi esterni delle galassie orbitavano intorno al centro di quelle galassie più velocemente del previsto.
Per spiegare questo, gli scienziati hanno suggerito che potrebbe esserci qualche invisibile materia "oscura" in quelle galassie che ha fatto ruotare le stelle più velocemente. Dopo questo, le osservazioni dell'universo in espansione hanno portato i fisici a concludere che ci deve essere molta più materia oscura là fuori - cinque volte tanto quanto la materia che possiamo vedere.
Accanto a questo, sappiamo che l'espansione dell'universo sta effettivamente accelerando. Questo è strano perché ci aspetteremmo che l'attrazione gravitazionale della materia - sia "leggera" che "oscura" - rallenti l'espansione dell'universo.
Combinate questo con il fatto che l'universo è lo spazio-tempo-spazio, nel complesso, non è curvo, ei cosmologi hanno bisogno di una spiegazione per qualcosa che equilibri l'attrazione gravitazionale della materia.
"L'energia oscura" è la soluzione. La maggior parte dell'energia nell'universo non può essere rinchiusa nella materia, ma invece sta guidando l'espansione dell'universo. I fisici credono che almeno il 70 percento dell'energia dell'universo sia sotto forma di energia oscura.
Eppure fino ad oggi, le particelle che costituiscono la materia oscura e il campo che costituisce l'energia oscura non sono state osservate direttamente in laboratorio. Osservare la materia oscura è difficile perché non interagisce con la luce, il che è il modo in cui di solito vengono fatte le osservazioni.
Ma i fisici sperano che le particelle di materia oscura possano essere prodotte nel Large Hadron Collider (LHC), dove potrebbero essere studiate. Potrebbe rivelarsi che le particelle di materia oscura sono più pesanti di qualsiasi cosa l'LHC possa produrre, nel qual caso potrebbe rimanere un mistero per un tempo molto più lungo.
L'energia oscura è supportata da molte diverse osservazioni dell'universo, ma è ancora profondamente misteriosa. In un senso molto reale, può darsi che "lo spazio apprezzi solo espandersi" e possiamo vederlo solo espandendolo quando guardiamo scale molto grandi.
O forse la materia oscura e le spiegazioni di energia oscura non sono corrette, e è necessaria una teoria completamente nuova. Ma dovrebbe spiegare tutto ciò che vediamo meglio della teoria attuale prima che i fisici lo adottino. Anche così, è incredibile pensare che possiamo conoscere pochissimo il 95 percento dell'universo.
7 Qual è il cuore di un buco nero?
I buchi neri sono alcuni degli oggetti più celebri in astrofisica. Possiamo descriverli come regioni dello spazio-tempo con campi gravitazionali così forti che nemmeno la luce può sfuggire.
Da quando Albert Einstein ha dimostrato che la gravità "piega" lo spazio e il tempo con la sua teoria della relatività generale, abbiamo saputo che la luce non è immune agli effetti gravitazionali. In effetti, la teoria di Einstein fu dimostrata durante un'eclissi solare che dimostrò che la gravità del Sole stava deviando i raggi lontani dalle stelle lontane.
Da allora, sono stati osservati molti buchi neri, tra cui un enorme, supermassiccio nel cuore della nostra galassia. (Non preoccuparti, non inghiottirà il sole in qualunque momento).
Ma il mistero di ciò che accade nel cuore di un buco nero è ancora irrisolto. Alcuni fisici pensavano che potesse esserci una "singolarità", un punto di densità infinita con una massa concentrata in uno spazio infinitamente piccolo. È difficile da immaginare. Peggio ancora, qualsiasi singolarità porta a un buco nero in questa teoria, quindi non c'è modo di osservare direttamente una singolarità.
C'è ancora dibattito sul fatto che le informazioni vengano perse all'interno dei buchi neri. Assorbono particelle e radiazioni ed emettono radiazioni di Hawking, ma la radiazione di Hawking non sembra contenere ulteriori informazioni su ciò che sta accadendo all'interno del buco nero. Alcune informazioni sulle particelle che cadono oltre l'orizzonte degli eventi nel buco nero sembrano andate perse.
Il fatto che sembra impossibile, almeno in questo momento, capire quale sia il cuore dei buchi neri ha fatto credere agli autori di fantascienza per decenni se potevano contenere universi diversi o essere usati per il teletrasporto o il viaggio nel tempo.
Dal momento che essere assorbiti da un buco nero comporta l'allungamento in una serie di atomi ("spaghettificazione"), non ci stiamo offrendo volontari per avventurarci dentro e scoprirlo.
6 Esiste vita intelligente là fuori?
La gente ha sognato gli alieni per tutto il tempo in cui hanno alzato gli occhi al cielo notturno e si sono chiesti cosa potesse esistere là fuori. Ma negli ultimi decenni, abbiamo scoperto molte prove allettanti.
Per cominciare, i pianeti sono molto più comuni di quanto si pensasse inizialmente, con la maggior parte delle stelle che hanno un sistema planetario. Sappiamo anche che il divario temporale tra il nostro pianeta diventa abitabile e la vita che sta emergendo su di esso era piuttosto piccolo. Questo suggerisce che la vita si possa formare? Se è così, abbiamo il famoso "paradosso di Fermi": perché non abbiamo ancora comunicato con gli alieni?
Ci sono molte soluzioni al paradosso di Fermi, che vanno dal selvaggio al più triste e banale. Mostra davvero la difficoltà di raggiungere delle buone conclusioni scientifiche quando hai un solo punto dati: noi.
Sappiamo che la vita intelligente si è evoluta su questo pianeta (ok, forse è discutibile), il che significa che può accadere. Ma non possiamo sapere se siamo stati incredibilmente fortunati. O forse c'è qualcosa di speciale nel nostro pianeta che lo rende estremamente raro ma adatto per ospitare la vita. O forse la probabilità che l'inizio della vita sia estremamente basso, quindi ci sono poche, se non nessuna, civiltà aliene là fuori.
L'astronomo Frank Drake ha messo insieme la sua "equazione di Drake" come un modo per esaminare tutti i diversi aspetti di questo problema. Ciascuno dei termini rappresenta una ragione per cui potremmo non essere in grado di comunicare con la vita intelligente.
Forse la vita è comune, ma la vita intelligente è rara. Forse, dopo un po ', tutte le civiltà decideranno di non comunicare con altre forme di vita. Sono là fuori, ma non vogliono parlarci.
O, agghiacciante, forse questo dimostra che molte civiltà aliene si distruggono poco dopo essere abbastanza tecnologicamente avanzate da comunicare. Possiamo preoccuparci che questo accada sulla Terra con armi nucleari o AI fuori controllo.
È stato anche suggerito che la mancanza di comunicazione dagli alieni è la prova che il mondo è stato creato - o da un Dio o come parte di una simulazione al computer. Questo spiegherebbe perché ci siamo solo noi. I giocatori cosmici stanno giocando in modalità giocatore singolo.
La realtà è che non abbiamo cercato per tanto tempo e lo spazio è inimmaginabilmente vasto. I segnali possono facilmente perdersi e una civiltà aliena dovrebbe inviare un segnale radio potente per consentirci di captarlo. Ma è emozionante pensare che la scoperta di una civiltà aliena possa avvenire domani e cambiare per sempre la nostra comprensione dell'universo.
5 Qualche cosa può andare più veloce della velocità della luce?
Da quando Einstein ha cambiato il volto della fisica con la sua teoria della relatività speciale, i fisici sono stati sicuri che nulla può viaggiare più velocemente della velocità della luce. In effetti, la relatività prevede che per qualsiasi cosa con massa anche a viaggiare alla velocità della luce, è necessaria energia infinita.
Lo vediamo nei raggi cosmici ad altissima energia menzionati prima. Hanno energie straordinarie in relazione alle loro dimensioni, ma non viaggiano ancora così velocemente. La velocità della luce come limite rigido potrebbe anche spiegare perché le comunicazioni provenienti da civiltà aliene sono improbabili. Se sono anche limitati da questo, i segnali potrebbero richiedere migliaia di anni per arrivare.
Ma le persone continuano a chiedersi se potrebbero esserci dei modi per aggirare il limite di velocità dell'universo. Nel 2011, l'esperimento OPERA ha avuto alcuni risultati preliminari che hanno suggerito che i neutrini viaggiavano più velocemente della velocità della luce. Ma in seguito i ricercatori hanno notato alcuni errori aggiuntivi nella loro configurazione sperimentale che confermavano che i risultati non erano corretti.
Se esiste un modo di comunicare materia o informazione più veloce della velocità della luce, cambierebbe senza dubbio il mondo. Il viaggio più veloce della luce viola qualcosa chiamato causalità, la relazione tra le cause e gli effetti degli eventi.
A causa del modo in cui tempo e spazio sono correlati nella relatività speciale, le informazioni che viaggiano più velocemente della luce consentirebbero a una persona di ricevere informazioni su un evento prima che sia "accaduto" (secondo loro) - un tipo di viaggio nel tempo.
Una comunicazione più veloce della luce creerebbe tutti i tipi di paradossi che non sappiamo come risolvere. Quindi sembra probabile che non esista. Ma se riesci a svilupparlo, ti preghiamo di parlarcene ieri.
4 Possiamo trovare un modo per descrivere la turbolenza?
Tornando indietro sulla Terra, ci sono ancora molte cose che accadono nella nostra vita quotidiana che sono difficili da capire. Prova a giocare con i rubinetti di casa tua.
Se lasci che l'acqua scorra dolcemente, stai osservando la fisica risolta, un tipo di flusso che capiamo bene chiamato "flusso laminare". Ma se si alza l'acqua alla massima pressione e la si guarda schizzare e sputare, sei guardando un esempio di turbolenza. In molti modi, la turbolenza è ancora un problema irrisolto in fisica.
L'equazione di Navier-Stokes determina come fluiscono i fluidi come l'acqua e l'aria. Questa equazione è un po 'come un bilancio di forza. Immaginiamo che il fluido sia suddiviso in piccoli pacchetti di massa. Quindi l'equazione tiene conto di tutte le varie forze che agiscono su questa particella - gravità, attrito, pressione - e cerca di determinare come la velocità del pacco dovrebbe rispondere.
Per flussi semplici o costanti, possiamo trovare soluzioni all'equazione di Navier-Stokes che descrivono completamente il flusso. I fisici possono quindi scrivere un'equazione che indica la velocità (velocità e direzione) del fluido in qualsiasi punto del flusso.
Ma per i flussi complicati e turbolenti, queste soluzioni iniziano a rompersi. Possiamo ancora fare molta scienza con flussi turbolenti risolvendo numericamente le equazioni con computer di grandi dimensioni. Questo ci dà una risposta approssimativa senza una formula che spiega pienamente come si comporta il fluido.
Abbiamo previsto il tempo in questo modo. Ma finché non troveremo quelle soluzioni elusive, le nostre conoscenze saranno incomplete. A proposito, questo è uno dei problemi irrisolti del premio Clay Institute. Quindi, se lo gestisci, ci sono un milione di dollari per te.
3 Possiamo costruire un superconduttore a temperatura ambiente?
I superconduttori potrebbero essere alcuni dei dispositivi e delle tecnologie più importanti che gli umani abbiano mai scoperto. Sono tipi speciali di materiale. Quando la temperatura scende sufficientemente, la resistenza elettrica del materiale scende a zero.
Ciò significa che è possibile ottenere enormi correnti per una piccola applicazione di tensione attraverso il superconduttore. Se si imposta la corrente elettrica che scorre in un filo superconduttore, può continuare a scorrere per miliardi di anni senza dissiparsi perché non c'è resistenza al suo flusso.
Una buona dose di energia è persa nei nostri cavi di alimentazione attuali. Non sono superconduttori e hanno resistenza elettrica, che li fa riscaldare quando si passa attraverso una corrente. I superconduttori potrebbero ridurre queste perdite a zero.
Ma le possibilità dei superconduttori sono ancora più eccitanti di così. Il campo magnetico prodotto da un filo ha una forza che dipende dalla corrente che fluisce attraverso quel filo. Se riesci a ottenere correnti molto elevate in un superconduttore a basso costo, puoi ottenere campi magnetici davvero potenti.
Questi campi sono attualmente utilizzati nel Large Hadron Collider per deviare le particelle cariche che si muovono velocemente attorno al suo anello. Sono anche utilizzati nei reattori sperimentali a fusione nucleare, che potrebbero fornire energia elettrica in futuro.
Il problema è che tutti i superconduttori noti devono essere a queste temperature molto basse per funzionare. Anche i nostri superconduttori a temperatura più calda devono essere a -140 gradi Celsius (-220 ° F) prima di iniziare a esporre questa meravigliosa proprietà.
Raffreddandoli a queste basse temperature di solito richiede azoto liquido o qualcosa di simile. Pertanto, è molto costoso da fare. Molti fisici e scienziati dei materiali di tutto il mondo stanno lavorando allo sviluppo del Santo Graal, un superconduttore che potrebbe funzionare a temperatura ambiente. Ma nessuno è ancora riuscito.
2 Perché c'è più materia di antimateria?
In un certo senso, non sappiamo ancora perché qualcosa esiste. Una dichiarazione audace ma vera! Per ogni particella, c'è una particella uguale e opposta chiamata antiparticella. Quindi per gli elettroni ci sono i positroni. Per i protoni ci sono antiprotoni. E così via.
Se una particella tocca la sua antiparticella, si annichilisce e diventa radiazione. Dal momento che probabilmente non vuoi essere annientato, è un bene che l'antimateria sia incredibilmente rara. A volte, cade nei raggi cosmici. Possiamo anche produrre antimateria negli acceleratori di particelle per trilioni di dollari al grammo. Ma nel complesso, sembra essere incredibilmente raro nel nostro universo.
Questo è un vero mistero. Semplicemente non sappiamo perché la materia domina nel nostro universo e non nell'antimateria. Ogni processo noto che cambia energia (radiazione) nella materia produce la stessa quantità di materia e antimateria. Quindi se l'universo cominciava a dominare dall'energia, perché non produceva quindi quantità uguali di materia e antimateria?
Possiamo immaginare un universo in cui l'energia si trasforma in coppie materia-antimateria. Quindi si annientavano e tornavano in energia per sempre. Ma non ci sarebbero strutture, niente stelle e niente vita.
Ci sono alcune teorie che potrebbero spiegare questo. Gli scienziati che sondano le interazioni di particelle al Large Hadron Collider stanno cercando esempi di "violazione CP".
Se si verificano, queste interazioni potrebbero mostrare che le leggi della fisica sono diverse per le particelle di materia e di antimateria.Quindi possiamo immaginare che forse ci sono processi là fuori che sono leggermente più propensi a produrre materia rispetto all'antimateria e questo è il motivo per cui vediamo un universo asimmetrico dominato dalla materia.
Le teorie più selvagge suggeriscono che potrebbero esserci intere regioni dell'universo dominate dall'antimateria. È interessante notare che potrebbe essere più difficile contestarlo di quanto pensi.
L'antimateria e la materia interagiscono con le radiazioni allo stesso modo e quindi hanno esattamente lo stesso aspetto. I nostri telescopi non potevano distinguere tra una galassia di antimateria e una galassia di materia.
Ma queste teorie devono spiegare come la materia e l'antimateria siano state separate e perché non vediamo la prova di molte radiazioni prodotte quando la materia e l'antimateria si scontrano e si annichilano.
A meno che non scopriamo prove per le galassie antimateria, la violazione di CP nell'universo primordiale sembra la soluzione migliore. Ma ancora non sappiamo esattamente come funziona.
1 Possiamo avere una teoria unificata?
Nel 20 ° secolo sono state sviluppate due grandi teorie che spiegavano molto sulla fisica. Uno era la meccanica quantistica, che dettagliava il modo in cui particelle minuscole e subatomiche si comportavano e interagivano. La meccanica quantistica e il modello standard della fisica delle particelle hanno spiegato tre delle quattro forze fisiche in natura: l'elettromagnetismo e le forze nucleari forti e deboli. Le sue previsioni sono sorprendentemente accurate, anche se le persone discutono ancora sulle implicazioni filosofiche della teoria.
L'altra grande teoria era la relatività generale di Einstein, che spiega la gravità. Nella relatività generale, la gravità si verifica quando la presenza di massa si piega nello spazio e nel tempo, facendo sì che le particelle seguano percorsi curvi a causa dello spazio-tempo piegato fuori forma. Può spiegare le cose che accadono sulle più grandi scale: la formazione delle galassie e la danza delle stelle.
C'è solo un problema. Le due teorie sono incompatibili. Non possiamo spiegare la gravità in un modo che abbia senso con la meccanica quantistica e la relatività generale non include gli effetti della meccanica quantistica. Per quanto ne sappiamo, entrambe le teorie sono corrette. Ma loro non sembrano lavorare insieme.
Da quando questo è stato realizzato, i fisici hanno lavorato su una soluzione che può riconciliare le due teorie. Questa è chiamata una Grande Teoria Unificata (GUT) o semplicemente la Teoria del Tutto.
Gli scienziati sono abituati all'idea di teorie che funzionano solo entro certi limiti. Ad esempio, le leggi del moto di Newton sono ciò che ottieni quando prendi un limite di bassa velocità della relatività speciale. Inoltre, l'elettricità e il magnetismo erano considerati teorie completamente diverse fino a quando Maxwell li unificò nell'elettromagnetismo.
I fisici sperano di essere in grado di "zoomare" e vedere che la meccanica quantistica e la relatività generale fanno entrambe parte di una teoria più grande, come i cerotti in una trapunta. La teoria delle stringhe è un tentativo che può riprodurre le caratteristiche della relatività generale e della meccanica quantistica. Ma è difficile testare le sue previsioni con esperimenti, quindi non può essere confermato.
La ricerca di una teoria fondamentale - una che possa spiegare tutto - continua. Forse non lo troveremo mai. Ma se la fisica ci ha insegnato qualcosa, è che l'universo è davvero notevole e ci sono sempre cose nuove da scoprire.