A fizika 9 legnagyobb megoldatlan rejtélye – Ahol a tudomány és a spiritualitás találkozik

Tökéletes hasonmásunk él egy párhuzamos univerzumban? Mi az a sötét energia, és látta már valaki a sötét anyagot?

Pandora szelencéje

Lord Kelvin, a tekintélyes brit fizikus 1900-ban azt mondta: „Nincs semmi új, amit most felfedezhetnének a fizikában. Az egyedüli, ami hátravan, az a mérések pontosítása.” Három évtizeden belül a kvantummechanika és az einsteini relativitáselmélet forradalmasította a területet. Ma már egyetlen fizikus sem merné azt állítani, hogy közel teljes fizikai tudással rendelkezünk az univerzumról. Épp ellenkezőleg, minden új felfedezés nagyobb és mélyebb fizikai kérdéseket vet fel, egyre szélesebbre tárva Pandóra szelencéjét. Kiválasztottunk párat, ami a legmélyrehatóbb nyitott kérdésnek tűnik mind közül.

9. Mi a sötét energia?

Akárhogy próbálnak zsonglőrködni a számokkal az asztrofizikusok, a világegyetem egészét tekintve valahogy mégsem akar stimmelni a végeredmény. Bár a gravitáció befelé húzza a téridőt (a kozmosz „anyagát”), az mégis egyre gyorsabban tágul. Hogy erre magyarázattal szolgáljanak, az asztrofizikusok egy láthatatlan tényezőt vetettek fel, ami ellensúlyozza a gravitációt és szétnyomja téridőt. Sötét energiának nevezték el. Legelfogadottabb modelljében a sötét energia egy kozmológiai állandó: az űr egy jellemző tulajdonsága, ami negatív nyomással szétfeszíti azt. Ahogy az űr tágul, egyre több tér keletkezik, és ezzel egyre több sötét energia. A vizsgált tágulás mértéke alapján a tudósok szerint az univerzum több mint 70 százaléka sötét energia. De senki nem tudja, hogyan vagy hol kell keresni azt.

8. Mi a sötét anyag?

A világegyetem anyagának 84%-a szemmel láthatóan nem nyel el, vagy bocsát ki fényt. Ezt az összetevőt sötét anyagnak nevezik és nem látható közvetlenül, valamint közvetett eszközökkel sem észlelték még. A sötét anyag létezésére és tulajdonságaira ehelyett a látható anyagra, sugárzásra és az univerzum szerkezetére kifejtett gravitációs hatásaiból következtetnek. Az sötét anyagról úgy gondolják, hogy áthatja a galaxisok peremét, és gyengén kölcsönható nehéz elemi részecskékből, azaz WIMP-ekből áll (weakly interacting massive particles). Világszerte több detektor is keresi a WIMP-eket, de eddig egyet sem találtak.

7. Miért van az időnek iránya?

Az idő a világegyetem egy olyan tulajdonsága miatt mozog előre, amit entrópiának nevezünk. Az entrópia egy rendszer rendezetlenségi fokát jellemzi, csak növekedhet, úgyhogy nem lehet visszafordítani, ha már bekövetkezett. Például az üveg gyakran eltörik, de soha nem áll megint össze (a szilánkok az üveg rendezetlenségének magasabb szintjét képviselik). Az a megállapítás, hogy az entrópia csak növekedhet, logika kérdése: több rendezetlen részecskerendszer van, mint rendezett, úgyhogy amikor a dolgok változnak, hajlamosak az összevisszaságra. De az alapvető kérdés itt az, hogy miért volt az entrópia olyan alacsony a múltban? Másképpen fogalmazva miért volt az univerzum olyan rendezett kezdetben, amikor egy hatalmas energiamennyiség volt belezsúfolva egy kisméretű helyre?

6. Vannak párhuzamos univerzumok?

Asztrofizikai adatok arra utalnak, hogy a téridő inkább „lapos”, mint görbe, és így a végtelenségig folytatódik. Ha ez így van, akkor az általunk észlelt régió (amire világegyetemként gondolunk) csak egy foltja egy végtelenül nagy „összetűzdelt multiverzumnak”. Ugyanakkor a kvantummechanika törvényei szerint csak véges számú lehetséges részecskekonfiguráció van az egyes kozmikus foltokban (10^10^122 különböző lehetőség). Szóval a kozmikus foltok végtelen számát figyelembe véve a bennük lévő részecskerendszerek ismétlődni kényszerülnek, mégpedig végtelen sokszor. Ez azt jelenti, hogy végtelen számú párhuzamos univerzum van, kozmikus foltok, amik hajszálpontosan ugyanolyanok, mint a miénk (egy olyan valakivel, aki pont olyan, mint te). Valamint olyan foltok, amik csupán egy részecske helyzetében különböznek, olyanok, ahol csupán két részecske helyzete változik, és így tovább olyan foltokig, amik teljesen különböznek a miénktől.

Van valami hiba ebben a logikában, vagy igaz lenne ez a bizarr következtetés? És ha igaz, hogyan fogjuk valaha is észlelni a párhuzamos univerzumok jelenlétét?

5. Miért van több anyag, mint antianyag?

A kérdés, hogy miért van annyival több az anyagból, mint az ellentétesen töltött és ellentétesen pörgő ikertestvéréből, az antianyagból, valójában annak a kérdése, hogy miért létezik egyáltalán bármi is. Jogos lenne a feltételezés, hogy a világegyetem szimmetrikusan bánik az anyaggal és az antianyaggal, és ezért az ősrobbanás pillanatában egyenlő mennyiségű anyag és antianyag keletkezett. De ebben az esetben az eredmény totális megsemmisülés lett volna. A protonokat kiiktatták volna az antiprotonok, az elektronokat az antielektronok (pozitronok), a neutronokat az antineutronok – és így tovább egy unalmas fotontengert hagyva a kiterjedt anyagmentességben?. Valamiért maradt egy kis többletanyag, ami nem pusztult el, és íme, itt vagyunk. Erre a kérdésre nincs elfogadott magyarázat.

4. Mi az univerzum sorsa?

A világegyetem sorsa nagyban függ egy tényezőtől, az ismeretlen Ω értékétől, az anyag és energia sűrűségének mértékétől az egész kozmoszban. Ha az Ω értéke nagyobb, mint 1, akkor a téridő „zárt” lenne, mint egy hatalmas gömb felszíne. Ha nem lenne sötét energia, az univerzum tágulása abbamaradna, és helyette zsugorodni kezdene, végül magába roskadna a „Nagy Reccs ben” („Big Krunch”). Ha az univerzum zárt, de van benne sötét energia, akkor a gömb alakú világmindenség örökké tágulna.

Amennyiben az Ω kisebb, mint 1, akkor az űr geometriája „nyílt” lenne, mint egy nyereg felszíne. Ebben az esetben a végső sors a „Nagy Fagy” („Big Freeze”) lenne, amit a „Nagy Szétszakadás” („Big Rip”) követ. Először az univerzum kifelé gyorsulva széttépné a galaxisokat és a csillagokat, hidegen és egyedül hagyva minden anyagot. Ezután a gyorsulás olyan erősségű lenne, hogy legyőzné az atomokat összetartó kötéseket, és minden szétesne.

Ha az Ω = 1, akkor a világegyetem lapos lenne, és a végtelenségig terjeszkedne minden irányban. Ha nem lenne sötét energia, akkor ez a síkbeli univerzum örökké tágulna, de folyamatosan lassuló ütemben, megközelítve a mozdulatlanság értékét. Ha van sötét energia, akkor a lapos univerzum végül a végtelenségig tágulna, ami a Big Rip-hez vezet. Ahogy lesz, úgy lesz.

3. Hogyan omlik össze a mérések hatására a kvantum hullámfüggvény?

Az elektronok, protonok és más alapvető részecskék furcsa birodalmában a kvantummechanika a törvény. A részecskék nem parányi labdaként viselkednek, hanem inkább hullámokként, amelyek nagy területen oszlanak el. Minden részecskét hullámfüggvény ír le, amely megadja a részecskék helyének, sebességének és más tulajdonságainak valószínűségi eloszlását, de nem rendel ezekhez a tulajdonságokhoz határozott értéket. A részecsketulajdonságok értékeinek valójában tartománya van, viszont ha kísérletileg megmérjük az egyiket, például a helyét, akkor azon a ponton a részecske hullámfüggvénye összeomlik. A vizsgált állapot egy bázisállapotba ugrik és ehhez a bázisállapothoz kapunk értékeket. De hogyan és miért vezet a részecskék mérése a hullámfüggvény összeomlásához, hogyan áll elő az a kézzelfogható valóság, aminek a létezését észleljük? A mérésproblémaként emlegetett dilemma ezoterikusnak tűnhet, de a mi felfogásunk arról, hogy mi a valóság, vagy hogy létezik-e egyáltalán, ennek a megválaszolásán múlik.

2. Helyes-e a húrelmélet?

A fizikusok feltételezése szerint az összes elemi részecske egydimenziós hurok, vagy húr, melyek mindegyike más frekvencián rezeg. Ezáltal a fizika könnyebb lesz, ugyanis a húrelmélet lehetővé teszi a fizikusok számára, hogy összeegyeztessék a részecskéket szabályozó törvényeket, a kvantummechanikát, a téridőt szabályozó törvényekkel, az általános relativitáselmélettel, és hogy egyetlen keretbe egyesítse a négy alapvető természeti erőt. A probléma az, hogy a húrelmélet csupán 10 vagy 11 dimenziós univerzumban működik: három térbeli dimenzióban, hat vagy hét tömörített térbeli dimenzióban (melyek így olyan aprók, hogy nem észlelhetőek a kísérletekben) és az idő dimenziójában. A tömörített dimenziók, ahogy maguk a rezgő húrok is, körülbelül 10 a -35. hatványon méter átmérőjűek. Nincs elképzelhető módja érzékelni bármit is, ami ilyen kicsi, úgyhogy kísérleti úton nem lehet igazolni az elmélet helyességét.

1. Van rend a káoszban?

A fizikusok nem egészen tudják megoldani a folyadékok viselkedését leíró egyenleteket. Valójában nem tudni, hogy az úgynevezett Navier-Stokes egyenleteknek létezik-e általános megoldása. Illetve, ha van is megoldásuk, akkor minden állapotban leírható-e vele a folyadék, vagy eredendően ismeretlen pontokat, azaz szingularitásokat is tartalmaz. Ennek következményeként a káosz természete nem teljesen ismert. A fizikusok és a matematikusok arra kíváncsiak például, hogy az időjárást csak nehéz megjósolni, vagy eleve kiszámíthatatlan? Vajon a turbulencia túllépi a matematikai leírásokat, vagy kiszámítható, ha a megfelelő matematikával próbálnak megbirkózni vele?

Forrás: livescience.com

Ez is érdekelhet...