关于宇宙中最酷的10个事实,你了解吗

2018-01-31 小编:摔成*碎片╮ 分类:探索发现 阅读(134)

如果你曾经看过“ 星际迷航”或“宇宙大爆炸理论”,那么你知道物理可以通过有趣的方式让大众接触到。我们最喜欢的科幻和喜剧作家可能没有把每一个细节都弄清楚,但是它们的确激发了我们对科学理论中更为奇怪的方面的兴趣。

今天,我们将讨论物理学尚未解释的10个真正的奥秘。从外来的沟通到时间旅行到喷水龙头,我们会尽力让这些奥秘为大家所理解。

你甚至可以想自己进一步探索这些话题。毕竟,有一百万美元的奖品等着解决一些宇宙难题的人。(请仔细阅读这10个谜题中的哪一个可以让你变得富有)。你也许会获得诺贝尔奖并改变世界。

10超高能宇宙线来自哪里?

我们的气氛不断被高能量的外太空颗粒所击中。这些被称为“ 宇宙射线”。虽然它们不会对人类造成太大的伤害,但却让物理学家着迷。观察宇宙射线已经教会了我们很多关于天体物理学和粒子物理学的知识。但是,有一些能量最强的人在今天是神秘的。

1962年,在火山牧场实验中,约翰·L·林斯利博士和利维奥·斯卡西博士看到了一些令人难以置信的东西:一种能量超过16焦耳的超高能宇宙线。[1]给你一些看法,一焦耳大概是将苹果从地上抬起到桌子上的能量。

尽管如此,所有这些能量都集中在比苹果小亿亿十亿倍的颗粒上。这意味着它的行驶速度非常接近光速!

物理学家还不知道这些粒子如何获得这个不可思议的能量。有些理论包括他们可能来自超新星的想法,当星星在他们的生命的尽头爆炸。颗粒也可以在围绕黑洞形成的塌陷物质的圆盘中加速。

9我们的宇宙是以通货膨胀为主吗?

在宇宙的大尺度惊人持平。这就是所谓的“宇宙学原理” - 无论你在宇宙中何处去,平均的东西大致相同。

但是,大爆炸的理论表明,在最初的时代,早期宇宙密度肯定有一些很大的差异。所以它比我们今天的宇宙要多得多。

通货膨胀理论表明,我们今天看到的宇宙来自早期宇宙的一小部分。[2]这个微小的体积突然迅速扩大,远远超过了今天宇宙的扩张。

就像如果你画了一个气球,然后用空气填充它,膨胀“伸出”了早期宇宙中的所有团块,并解释了为什么我们有一个相当平坦的宇宙,在今天的任何地方,条件都是相似的。

虽然这解释了我们所看到的很多,物理学家仍然不知道是什么导致了通货膨胀。在通货膨胀期间发生的事情的细节也是粗略的。对这个时代的更好的了解可以告诉我们很多有关今天的宇宙。

8我们能找到黑暗能量和黑暗物质吗?

这是一个了不起的事实:只有大约百分之五的宇宙由我们可以看到的事情组成。物理学家几十年前就注意到,星系外缘的恒星比预测的更快地绕着这些星系的中心旋转。

为了解释这一点,科学家们建议,在这些星系中可能会有一些看不见的“黑暗”物质,导致恒星旋转得更快。在这之后,对宇宙膨胀的观察使得物理学家得出结论:在那里肯定会有更多的暗物质 - 这是我们所看到的问题的五倍。

除此之外,我们知道宇宙的膨胀实际上在加速。这很奇怪,因为我们期望物质的引力 - “光”和“黑” - 来减缓宇宙的膨胀。

把这个与宇宙是平时空的事实结合起来,总的来说不是弯曲的,宇宙学家需要对平衡物质引力的东西进行解释。

“暗能量”是解决方案。宇宙中的大部分能量不能锁在物质上,而是推动宇宙的扩张。物理学家认为,至少有70%的宇宙能量是暗能量的形式。[3]

直到今天,在实验室中还没有直接观察到构成暗物质的粒子和组成暗能量的场。观察暗物质是困难的,因为它不与光线相互作用,观察通常是如何进行的。

但物理学家希望在大型强子对撞机(LHC)中可能产生暗物质粒子,在那里他们可以研究。可能会发现暗物质粒子比LHC能够产生的任何东西都要重,在这种情况下,它可能会在更长的时间内仍然是个谜。

暗能量得到了宇宙的许多不同观测的支持,但它仍然是非常神秘的。在一个非常真实的意义上,可能是“空间只是喜欢扩张”,我们只能看到它扩大,当我们看到非常大的规模。

或者暗物质和黑暗能量的解释是不正确的,需要一个全新的理论。但是在物理学家采纳它之前,它必须解释我们所看到的比现有理论更好的一切。即使如此,认为我们对世界上95%的知识知之甚少也是不可思议的。

7黑洞的核心是什么?

黑洞是天体物理中最着名的物体之一。我们可以把它们描述成具有如此强大的引力场的时空区域,即使光线也不能逃脱。

爱因斯坦自从阿尔伯特·爱因斯坦(Albert Einstein)发现,引力使他的广义相对论 “空间和时间” 变得“弯曲” ,我们就知道光不能抵抗引力效应。事实上,在日食期间,爱因斯坦的理论被证明,证明了太阳的引力正在偏离遥远恒星的远方。

从那时起,人们观察到了许多黑洞,包括在我们自己的星系核心处的一个巨大的超大质量黑洞。(别担心,它不会很快吞下太阳。)

但是黑洞中心的奥秘仍然没有解决。一些物理学家认为,可能存在一个“奇点” - 一个无限密度的点,一些质量集中到一个无限小的空间。很难想象。更糟糕的是,这个理论中的任何奇点都会导致黑洞,所以我们不可能直接观察奇点。

关于信息是否在黑洞内部丢失仍然存在争议。[4]它们吸收粒子和辐射并发射霍金辐射,但霍金辐射似乎没有包含关于黑洞内部发生什么的进一步信息。关于超出事件视界进入黑洞的粒子的一些信息似乎丢失了。

至少目前来说,理解黑洞的核心是不可能的事实,科幻作者数十年来一直在猜测它们是否可以包含不同的宇宙,或者用于传送或时间旅行。

由于被黑洞吸收涉及被拉伸成一串原子(“spaghettification”),所以我们并不是自愿冒险进行研究的。

6有智慧的人生吗?

人们只要仰望夜空,就会梦想着外星人,想知道那里可能存在什么。但近几十年来,我们发现了很多诱人的证据。

首先,行星比最初想象的要普遍得多,大多数恒星都有行星系统。我们也知道,我们这个星球变成可居住的时间与生活上的时间差距还是很小的。这是否表明生活可能会形成?如果是这样,我们有着名的“ 费米悖论 ”:为什么我们还没有与外星人沟通呢?

费米悖论有很多解决方案,从野外到更加悲伤和平凡。当你只有一个数据点时,它确实显示出达成任何良好的科学结论的困难:我们。

我们知道智慧生命在这个星球上演化(好吧,也许是有争议的),这意味着它可能会发生。但是我们不知道我们是否真的很幸运。或者,也许我们这个星球上有一些特殊的东西,使得它非常罕见,但适合主办生活。也许生命起始的可能性极低,所以即使有的话,也几乎没有外星文明。

天文学家弗兰克·德雷克(Frank Drake)把他的“德雷克方程” ( Drake equation)[5]作为查看这个问题的所有不同方面的一种方式。每一个术语都代表了我们不能与智慧生活沟通的原因。

也许生活是平常的,但聪明的生活是罕见的。也许过了一段时间,所有的文明决定不要与其他生命形式交流。他们在外面,但他们不想跟我们说话。

或者,也许这表明许多外星文明在技术先进到足以沟通后不久就会自我毁灭。我们可以担心这个在地球上发生核武器或失控的人工智能。

甚至有人认为,外星人缺乏沟通证明这个世界是由上帝创造的,或者是计算机模拟的一部分。这可以解释为什么只有我们。宇宙玩家正在玩单人游戏模式。

现实是,我们一直没有找那么长的时间,空间是无法想象的广阔。信号很容易迷路,一个外星人文明将不得不发出强大的无线电信号给我们去捡起来。但是,想想明天发现一个外星文明,永远改变我们对宇宙的理解是令人兴奋的。

5什么东西比光速更快?

由于爱因斯坦用狭义相对论改变了物理学的面貌,物理学家们确信没有什么比光速更快的了。事实上,相对论预测,对于任何有质量的物体,甚至以光速行进,都需要无限的能量。

我们在前面提到的超高能宇宙线中看到了这一点。他们相对于他们的身材有着非凡的能量,但是他们仍然没有这么快速度。光速作为一个硬限制也可以解释为什么来自外星文明的通信不太可能。如果他们也受到这个限制,信号可能需要数千年才能到达。

但人们一直在质疑是否有办法绕过宇宙的速度限制。在2011年,OPERA实验有一些初步结果,表明中微子的行进速度比光速快。但是研究人员后来在实验装置上发现了一些额外的错误,证实结果是不正确的。

如果有什么方式比光速更快地传递物质或信息,那无疑会改变世界。比轻快的旅行更违反所谓的因果关系 - 事件的原因和影响之间的关系。

由于时间和空间在狭义相对论中是相互关联的,信息的传播速度比光速快,这就允许一个人在事件“发生”之前(根据它们)接收事件的信息 - 一种时间旅行。

比光线更快的交流会产生各种我们不知道如何解决的悖论。所以它似乎可能不存在。但是,如果你确实设法发展它,请告诉我们昨天。

4我们可以找到一种描述湍流的方式吗?

回到地球,我们日常生活中仍然有很多东西难以理解。尝试在家里玩水龙头。

如果你让水轻轻流动,你就会看到解决的物理问题 - 一种我们很好理解的流动,叫做“层流”。但是,如果你把水调到最大压力,看着它溅射和喷出,看一个动荡的例子。在许多方面,动荡在物理学中仍然是一个未解决的问题。[7]

Navier-Stokes方程确定流体如何流动,如水和空气。这个方程有点像力平衡。我们想象流体被分解成少量的质量。然后等式考虑所有作用在这个包裹 - 重力,摩擦,压力上的各种力,并试图确定包裹的速度如何响应。

对于简单或稳定的流动,我们可以找到完整描述流动的Navier-Stokes方程的解。然后物理学家可以写下一个公式,告诉你流体中任何点的流体速度(速度和方向)。

但是对于复杂的动荡流量,这些解决方案开始崩溃。我们仍然可以用大型计算机通过数值求解方程式来进行许多动荡的科学研究。这给了我们一个近似的答案,没有一个公式可以完全解释流体是如何表现的。

我们这样预测天气。但是,直到我们找到那些难以捉摸的解决办法,我们的知识才会不完整。顺便说一下,这是未解决的克莱研究所奖金问题之一。所以如果你管理它,那里有一百万美元。

3我们能建立一个室温超导体吗?

超导体可能是人类发现的一些最重要的设备和技术。它们是特殊类型的材料。当温度下降到足够低时,材料的电阻降到零。

这意味着你可以获得巨大的电流在超导体上施加很小的电压。[8]如果你设置流经超导线的电流,它可以继续流动数十亿年而不会消散,因为它的流动没有阻力。

我们目前的电力电缆中损失了很多电力。它们不是超导体,具有电阻,当你通过电流时,它们会升温。超导体可以将这些损失降低到零。

但超导体的可能性比这更令人兴奋。由导线产生的磁场具有取决于流过导线的电流的强度。如果在超导体中可以获得非常高的电流,那么可以获得非常强大的磁场。

目前,这些场正被用于大型强子对撞机中,以将快速移动的带电粒子转移到其环上。它们也被用在实验性的核聚变反应堆中,未来可以提供我们的电力。

问题在于,所有已知的超导体都需要在这样的低温下工作。即使是我们最热的超导体,在他们开始展示这个美好的属性之前,也需要在-140摄氏度(-220℉)。

将它们冷却到这些低温通常需要液氮或类似的东西。因此,这样做非常昂贵。世界各地的许多物理学家和材料科学家正在开发可在室温下工作的超导体圣杯。但是还没有人管理它。

2为什么比反物质更重要?

在某些方面,我们仍然不知道为什么有什么东西存在。大胆的声明,但真实的!对于每一个粒子,都有一个相等而相反的粒子称为反粒子。所以对于电子,有正电子。质子有反质子。等等。

如果一个粒子碰到它的反粒子,它们就会湮灭,变成辐射。既然你可能不想被歼灭,反物质是非常罕见的。有时它落在宇宙射线中。我们也可以使粒子加速器中的反物质达到每秒数万亿美元。但总的来说,在我们的宇宙中似乎是非常罕见的。

这是一个真正的谜。我们根本不知道为什么在我们的宇宙中占主导地位,而不是反物质。每一个将能量(辐射)转化为物质的已知过程都会产生相同数量的物质和反物质。所以,如果宇宙开始被能量所控制,为什么不产生等量的物质和反物质呢?

我们可以想象一个能量转化为物质 - 反物质对的宇宙。然后他们会相互歼灭,永远回到能量。但是没有结构,没有星星,没有生命。

有一些理论可以解释这一点。在大型强子对撞机上探测粒子相互作用的科学家正在寻找“违反CP的例子”。

如果它们发生,这些相互作用可以表明物质定律对于物质和反物质粒子是不同的。[9]那么我们可以想象,也许有些过程比反物质更有可能产生物质,这就是为什么我们看到一个由物质支配的不对称的宇宙。

怀尔德理论认为,宇宙中可能存在以反物质为主的整个地区。有趣的是,这可能比你想象的更难以争辩。

反物质和物质以相同的方式与辐射相互作用,所以它们看起来完全一样。我们的望远镜无法区分反物质星系和物质星系。

但是这些理论必须解释物质和反物质是如何分离的,以及为什么当物质和反物质碰撞和消灭时我们没有看到大量的辐射。

除非我们发现反物质星系的证据,否则早期宇宙中的CP违规看起来是最好的解决办法。但是我们仍然不清楚它是如何工作的。

1我们可以有统一的理论吗?

在20世纪,发展了两个很好的理论来解释物理学。一个是量子力学,它详细描述了微小,亚原子粒子的行为和相互作用。量子力学和粒子物理的标准模型已经解释了自然界中四种物理力量中的三种:电磁学和强大的和弱的核力量。它的预言是非常准确的,即使人们仍然争论这个理论的哲学含义。

另一个伟大的理论是爱因斯坦的广义相对论,它解释了引力。在广义相对论中,当质量的存在使空间和时间弯曲时,重力会发生,从而导致粒子沿着由于时空弯曲变形而弯曲的路径。它可以解释在最大的尺度上发生的事情 - 星系的形成和星星的跳舞。

只有一个问题。这两种理论是不相容的。我们不能用量子力学来解释引力,广义相对论也不包括量子力学的影响。据我们所知,两种理论都是正确的。但他们似乎并不一起工作。

自从这个被实现以后,物理学家一直在研究可以调和这两种理论的某种解决方案。这被称为大统一理论(GUT)或者仅仅是一切理论。

科学家习惯于只能在一定范围内工作的理论。例如,牛顿的运动定律是你在狭义相对论的低速极限时所得到的。另外,直到麦克斯韦把它们统一为电磁,电力和磁力才被认为是完全不同的理论。

物理学家们希望能够“缩小”,看到量子力学和广义相对论是更大理论的一部分,就像被子里的补丁一样。弦理论是一种可以再现广义相对论和量子力学特征的尝试。但是用实验来测试它的预测是困难的,所以不能被证实。

继续寻找可以解释一切的基本理论。也许我们永远不会找到它。但是,如果物理学教会了我们什么,那宇宙真的是非常了不起,总有新事物要发现。


献吻 26

巴掌 21

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