Die 9 größten ungelösten Rätsel der Physik

Die Büchse der Pandora

Im Jahre 1900, der britische Physiker Lord Kelvin gilt als ausgesprochen haben: "Es gibt nichts Neues in der Physik jetzt entdeckt zu werden. Bleibt nur noch präziser Messung." Innerhalb von drei Jahrzehnten hatte Quantenmechanik und Relativitätstheorie Einsteins Bereich revolutioniert. Heute würde kein Physiker behaupten wagen, dass unsere physikalischen Wissens des Universums kurz vor dem Abschluss. Jede neue Entdeckung scheint im Gegenteil, die Büchse der Pandora noch größer, noch tiefer Physik Fragen zu entsperren. Das sind unsere Tipps für die tiefgründigste offenen Fragen von allen.

Im Inneren erfahren Sie über Paralleluniversen, warum scheint die Zeit nur in eine Richtung bewegen, und warum wir Chaos nicht verstehen.

Anmerkung des Herausgebers: Diese Liste wurde ursprünglich im Jahr 2012 veröffentlicht. Es wurde im März 2016 sollen neuere Informationen und aktuelle Studien aktualisiert.

Was ist dunkle Energie?

Egal wie Astrophysiker die Zahlen Crunch summieren nicht das Universum einfach sich. Obwohl Schwerkraft nach innen auf Raum und Zeit zieht – den "Stoff" des Kosmos – es hält den Ausbau nach außen schneller und schneller. Um dies zu berücksichtigen, haben Astrophysiker einen unsichtbare Agent vorgeschlagen, der Schwerkraft wirkt durch die Raumzeit auseinanderdrücken. Sie nennen es dunkle Energie. In der am weitesten verbreitete Modell der dunklen Energie, es ist eine "kosmologische Konstante": eine inhärente Eigenschaft des Raumes selbst, hat "Unterdruck" fahren Raum auseinander. Raum dehnt sich aus, entsteht mehr Platz, und damit auch mehr dunkle Energie. Auf der Grundlage der beobachteten Rate der Expansion, wissen Wissenschaftler, dass die Summe der dunklen Energie mehr als 70 Prozent des gesamten Inhalts des Universums ausmachen muss. Aber niemand weiß, wie es zu suchen. Die besten Forscher konnten in den letzten Jahren ist ein bisschen auf wo dunkler Energie könnte was war das Thema einer Studie versteckt sein, veröffentlicht im August 2015, schmal.

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Was ist dunkle Materie?

Offensichtlich, etwa 84 Prozent der Materie im Universum nicht absorbieren oder emittieren Licht. "Dunkler Materie", wie es genannt wird, kann nicht gesehen werden direkt, und es hat nicht noch durch indirekte Mittel entweder erkannt. Stattdessen sind seine Gravitation auf sichtbare Materie, Strahlung und die Struktur des Universums dunkle Materie Existenz und Eigenschaften abgeleitet. Diese schattenhafte Substanz wird gedacht, um am Stadtrand von Galaxien zu durchdringen, und möglicherweise aus "schwach wechselwirkende massive Teilchen" oder Weicheier. Weltweit gibt es mehrere Detektoren auf der Suche für Weicheier, aber bisher nicht festgestellt wurde. Eine aktuelle Studie legt nahe, dunkle Mater lange, feinkörnige Bäche im ganzen Universum bilden könnten, und dass solche Ströme wie Haare, von der Erde ausstrahlen könnte. [Verwandte: Wenn nicht dunkle Materie, was dann?]

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Warum gibt es ein Pfeil der Zeit?

Zeit bewegt sich nach vorne, weil nur eine Eigenschaft des Universums genannt "Entropie", grob definiert als die Ebene der Unordnung, erhöht, und so gibt es keine Möglichkeit, einen Anstieg der Entropie umzukehren, nachdem es aufgetreten ist. Die Tatsache, dass Entropie nimmt ist eine Frage der Logik: gibt es mehr ungeordnete Anordnungen von Partikeln als es Vereinbarungen bestellt werden, und so wie die Dinge ändern, sie neigen dazu, in Unordnung geraten. Aber die zugrunde liegende Frage hier ist, warum die Entropie in der Vergangenheit so niedrig war? Ordnete anders ausgedrückt, warum das Universum so in ihren Anfängen wenn eine riesige Menge an Energie auf kleinem Raum zusammen vollgestopft war? [Was ist die gesamte Energie des Universums?]

Weiter oben: Paralleluniversen

Gibt es Paralleluniversen?

Astrophysikalische Daten legen nahe, Raum-Zeit-möglicherweise "flach", anstatt gebogen, und so daß es geht ewig. Wenn ja, dann die Region wir sehen können (was wir als "das Universum" denken) ist nur ein Patch in einer unendlich großen "gesteppte Multiversum." Zur gleichen Zeit, die Gesetzen der Quantenmechanik diktieren, dass gibt es nur eine begrenzte Anzahl von möglichen Teilchen Konfigurationen innerhalb jedes kosmische Patch (10 ^ 10 ^ 122 verschiedene Möglichkeiten). Also, mit einer unendlichen Anzahl von kosmischen Patches, die Partikel-Arrangements in ihnen sind gezwungen, wiederholen – unendlich viele Male über. Das bedeutet, es gibt unendlich viele parallele Universen: kosmische patches genau das gleiche wie bei uns (mit jemanden genau wie Sie), sowie Patches, die unterscheiden sich je nach Position nur ein Partikel, patches, die unterscheiden sich durch zwei Teilchen Positionen, und so weiter bis auf Patches, die völlig verschieden von der unsrigen sind.

Gibt es etwas falsch mit dieser Logik, oder stimmt seine bizarre Ergebnis? Und wenn es wahr ist, wie könnten wir je erkennen, das Vorhandensein von Paralleluniversen? Schauen Sie sich dieses hervorragende Perspektive ab 2015, die untersucht, was "unendliche Universen" bedeuten würde.

Next Up: Materie und Antimaterie

Warum gibt es mehr Materie als Antimaterie?

Die Frage, warum gibt es so viel mehr als seine entgegengesetzt geladenen und entgegengesetzt drehenden Twin, Antimaterie, tatsächlich eine Frage von ist warum etwas überhaupt existiert. Man nimmt an das Universum viel Materie wie Antimaterie symmetrisch, behandeln würde, die zum Zeitpunkt des Urknalls, gleiche Mengen von Materie und Antimaterie produziert worden. Aber wenn das passiert wäre, es eine totale Vernichtung beider hätte: Protonen würde mit Antiprotonen, Elektronen mit Anti-Elektronen (Positronen), Neutronen mit Antineutrons und So weiter, hinter einem dumpfen Meer von Photonen in einem matterless abgesagt haben. Aus irgendeinem Grund gab es überschüssige Angelegenheit, die nicht vernichtet werden, und hier sind wir. Dafür gibt es keine akzeptierte Erklärung. Der ausführlichste Test Datum der Unterschiede zwischen Materie und Antimaterie, kündigte im August 2015 bestätigen, dass sie sind Spiegelbilder von einander, Bereitstellung von genau Null neue Wege zum Verständnis des Geheimnis warum Materie weitaus häufiger ist.

Next Up: Schicksal des Universums

Was ist das Schicksal des Universums?

Das Schicksal des Universums hängt stark von einem Faktor von unbekannten Wert: Ω, ein Maß für die Dichte der Materie und Energie im ganzen Kosmos. Wenn Ω größer als 1 ist, würde dann Raumzeit "wie die Oberfläche einer riesigen Kugel geschlossen werden". Wenn es keine dunkler Energie gibt, solch ein Universum würde schließlich aufhören zu erweitern und würde stattdessen anfangen, contracting, Einbruch in sich selbst in ein Ereignis genannt die "Big Crunch". Wenn das Universum geschlossen, aber es ist dunkle Energie ist, würde der sphärische Universum für immer ausdehnen.

Alternativ, wenn Ω kleiner als 1 ist, die Geometrie des Raumes wäre dann "öffnen", wie die Oberfläche eines Sattels. In diesem Fall seine ultimative Schicksal ist das "Big Freeze" gefolgt von den "Big Rip": Erstens das Universum nach außen Beschleunigung würde zerreißen Galaxien und Sterne auseinander, alle Materie frigide und allein verlassen. Als nächstes wäre die Beschleunigung so stark wachsen, dass es würde die Wirkung der Kräfte, die Atome zusammenhalten zu überwältigen, und alles auseinander gerissen werden würde.

Wenn Ω = 1, wäre das Universum flach, wie eine unendliche Ebene in alle Richtungen erweitern. Gibt es keine dunkler Energie, würde ein planar Universum für immer aber mit einer kontinuierlich entschleunigende Geschwindigkeit nähert sich einen Stillstand zu erweitern. Ist dunkler Energie, würde die flache Universum schließlich außer Kontrolle geratenen Ausbau führt zu den Big Rip erleben. Unabhängig davon, wie es spielt, ist das Universum, eine Tatsache, die ausführlich von Astrophysiker Paul Sutter in seinem Aufsatz vom Dezember 2015 sterben.

Que Sera, Sera.

Next Up: Ein noch seltsamer Konzept

Zusammenbrechen Messungen zu tun wie Quantum Wellenfunktionen?

Quantenmechanik ist in die seltsame Reich der Elektronen, Photonen und die anderen Elementarteilchen Gesetz. Teilchen Verhalten nicht, wie kleine Kugeln, sondern eher wie Wellen, die über eine große Fläche verteilt sind. Jedes Teilchen wird durch eine "Wellenfunktion" oder Wahrscheinlichkeitsverteilung, die sagt, was seine Position, Geschwindigkeit und andere Eigenschaften mehr sein dürften, aber nicht das, was diese Eigenschaften sind beschrieben. Das Teilchen hat eigentlich einen Wertebereich für alle Eigenschaften, bis Sie experimentell, einer von ihnen messen – seine Lage, zum Beispiel – an welcher Stelle des Partikels Wellenfunktion "bricht" und es nimmt nur einen Standort. [Neugeborene verstehen Quantenmechanik]

Aber wie und warum tut Messung eine Teilchen machen seine Wellenfunktion zusammenbrechen, produzieren die konkrete Realität, die wir wahrnehmen, um zu existieren? Das Problem, bekannt als die Messaufgabe mag esoterisch, aber unser Verständnis von was Realität ist, oder wenn es überhaupt vorhanden ist hängt von der Antwort.

Weiter oben: Stringtheorie

Stimmt String-Theorie?

Wenn Physiker alle Elementarteilchen sind eigentlich eindimensionale Schleifen oder "Strings" übernehmen, von die jeder auf eine andere Frequenz schwingt, wird Physik viel einfacher. String-Theorie erlaubt es Physikern, die Gesetze, die Teilchen, genannt Quantenmechanik, mit den Gesetzen Raumzeit, genannt allgemeine Relativitätstheorie, zu versöhnen und zu vereinheitlichen, der vier fundamentalen Kräfte der Natur in einem einzigen Rahmen. Aber das Problem ist, die Stringtheorie funktioniert nur in einem Universum mit 10 oder 11 Dimensionen: drei größeren räumlichen, sechs oder sieben verdichteten räumliche Einsen und einer Zeitdimension. Die verdichteten Raumdimensionen – ebenso wie der schwingenden Saiten selbst – sind etwa ein Milliardstel von einem Billionstel der Größe eines Atomkerns. Es gibt keine denkbaren Weise, etwas zu erkennen, die klein, und so es gibt keine bekannte Möglichkeit experimentell bestätigen oder entkräften String-Theorie.

Endlich: Wir mit Chaos enden...

Gibt es Ordnung im Chaos?

Physiker lösen nicht genau den Satz von Gleichungen, der das Verhalten von Flüssigkeiten aus dem Wasser in die Luft zu allen anderen Flüssigkeiten und Gase beschreibt. In der Tat, ist nicht es bekannt, ob eine allgemeine Lösung der sogenannte Navier-Stokes-Gleichungen überhaupt existiert, oder ob es eine Lösung, es beschreibt Flüssigkeiten überall, ob enthält von Natur aus unerkennbar Punkte Singularitäten genannt. Infolgedessen ist die Natur des Chaos nicht gut verstanden. Ist Physiker und Mathematiker Fragen, das Wetter nur schwer vorherzusagen, oder von Natur aus nicht vorhersehbar? Transzendieren Turbulenzen mathematische Beschreibung, oder macht alles Sinn, wenn Sie es mit der richtigen Mathematik anpacken?

Herzlichen Glückwunsch zu so dass es durch diese Liste von schweren Themen. Wie wäre es mit etwas leichter jetzt? 25 fun Facts in Wissenschaft & Geschichte