g u t x .com.tr İpek yolu - Çin'i anlamaya götürürüm

Hayat, evren, her şey-42 temel konular

42, bu sayı pek çok kişiye yabancı değil. Douglas Adams'ın bilim kurgu çalışması "Otostopçunun Galaksi Rehberi" ndeki tanımına göre hayata, evrene ve her şeye nihai cevap 42'dir. Ama 42 neyi yorumluyor? En azından burada, gerçeğe götüren 42 temel büyük soru anlamına geliyor: kozmolojik sabitler sorusundan, uzay-zaman ve kuantum alanlarının kökenine, yaşamın ve bilincin gizemine.

I. Standart Modelin Ötesinde

Geçen yüzyılda, fizikçiler on yıllarca süren sıkı çalışmalardan sonra, doğadaki üç temel kuvveti (elektromanyetik kuvvet, zayıf nükleer kuvvet ve güçlü nükleer kuvvet) ve temel parçacıkları (kuarklar) tanımlayan standart parçacık fiziği modelini geliştirdiler. , Elektronlar, vb.), İki kuantum alan teorisi çekirdeğidir. Kuantum Elektrodinamiği (QED), ışık ve madde arasındaki etkileşimi tanımlar ve zayıf nükleer kuvveti elektrozayıf bir kuvvet olarak birleştirir. Kuantum Kromodinamiği (QCD), güçlü nükleer kuvvetleri tanımlayan bir teoridir. 2012'de Standart Model zirveye ulaştı ve Higgs bozonunun keşfi nihayet Standart Model bulmacasının son parçasını doldurdu. Ancak bunun nihai bir teori olmadığını biliyoruz. Standart Model yerçekimini içermez ve nötrinoların neden kütle ve diğer sorunları olduğunu açıklayamaz. Bu nedenle, fizikçiler uzun yıllardır Standart Modelin ötesinde yeni fizik bulmak için çalışıyorlar.

1. Kuarklar ve leptonlar en temel olanlar mıdır?

Neden dünyadaki her şeyin bazı ortak özellikleri var? İnsanlar, maddenin aslında doğadaki bazı temel birimlerden oluştuğunu çabucak anladılar. Sözde temel birim, artık daha küçük maddelerden oluşamayan bir birimi ifade eder. Binlerce yıllık araştırmalardan sonra, deneylerde atomları, protonları, nötronları, elektronları ve kuarkları keşfettik. Artık elektronların (müon ve tau ile lepton olarak adlandırılır) ve kuarkların (toplam altı tür) birbirinden ayrılamaz olduğunu biliyoruz. Ancak, geçmiş deneyimler göz önüne alındığında, gerçekten en basit olup olmadıklarını merak etmeliyiz. Belki daha küçük preonlardan oluşuyorlar? Yoksa sicim teorisinin öngördüğü gibi, yalnızca Planck uzunluğundaki sicimlerden mi oluşuyorlar?

Evrendeki en temel parçacıklar nelerdir? | Resim kaynağı: Fermilab

2. Aile sorusu: Neden üç nesil kuark ve lepton vardır?

Yukarı kuarklar, aşağı kuarklar, elektronlar ve elektrik nötrinolarının hepsi fermiyon adı verilen temel parçacıklardır ve deneyimlediğimiz her şeyi oluştururlar. Ama hikayenin tamamı bu değil, doğal olarak bu fermiyonların ikinci hatta üçüncü nesilleri derin anlamlarla düzenlenmiştir. Örneğin, yüklü leptonların üç nesli şunlardır: elektron (1897'de keşfedildi), muon (1937'de keşfedildi) ve tau (1975'te keşfedildi). Özellikleri tamamen aynıdır, müon ve tau, elektronların daha ağır versiyonlarıdır. Fizikçiler elektronların diğer iki parçacığın yapabildiği her şeyi yapabildiğini keşfettiler, tıpkı müonlar ve tau'nun gereksiz olması gibi. Böylece, müonlar kozmik ışınlarda ilk keşfedildiğinde, ünlü deneyci Isidor Rabi öfkeyle şöyle dedi: "Müonları kim sipariş etti?" Fizikçiler bu üç parçacığı lepton ailesinin üç nesli olarak tanımladılar. Bununla birlikte, gözlemlediğimiz dünyada, sadece ilk nesil elektronların yeterli olduğu görülüyor. Neden üç kuşak var? Daha derin bir sebep olmalı ama henüz bilmiyoruz.

Fermiyonlar: Solda yukarı (u), aşağı (d), tılsım (c), tek (s), üst (t) ve alt (b) kuarklarının üç nesli vardır; sağda üç kuşak lepton vardır: elektron (e), Ve tau ve bunlara karşılık gelen nötrinolar (). | Resim kaynağı: Ana Kova ile Sandbox Studio, Chicago

3. Övgüler her zaman oluşturdukları parçacıklara mı bağlıdır? Arkasındaki teori neden bu kadar zor?

Kuantum kromodinamiğine (QCD) göre, iki kuark yaklaştığında (enerji yükseldiğinde), aralarındaki etkileşim zayıflar ve buna "ilerici özgürlük" denir. 1973'te, Frank Wilczek ve diğer iki fizikçi, ilerici özgürlüğü keşfettikleri için Nobel Fizik Ödülü'nü kazandılar ve yüksek enerji altında güçlü nükleer kuvvetleri bozma olasılığını tanımladılar. Fizikçiler, düşük enerji durumunda (uzaklaştıkça) kuarklar arasındaki kuvvetin daha da güçleneceğine, böylece kuarkların her zaman oluşturdukları parçacıklarla (protonlar veya nötronlar gibi) sınırlı kalacağına inanırlar. Bu nedenle, evrende serbest kuark yoktur. Kuark hapsi genel olarak kabul edilen bir gerçek olmasına rağmen, hiçbir zaman kesin olarak kanıtlanmamıştır.

Evrende "serbest kuark" yoktur. Bir yukarı kuark ve bir anti-aşağı kuark zorla ayrılırsa, gerekli enerji gitgide yükselir.Bir noktayı aştığında, boşlukta bir kuark / anti-kuark çifti oluşturulur. Bu, sezgiye aykırıdır, biraz garip Banach-Tarski teoremine benzer ("top bölme teoremi" olarak da bilinir). | Resim kaynağı: Quantum Diaries Flip Tanedo

Aslında, QCD'ler pek çok açıdan iyi anlaşılmamıştır, çünkü o kadar derindirler ki, ilgili problemler de milenyumun yedi matematik bulmacasından biri olarak listelenir. QCD'nin daha iyi anlaşılması birçok bulmacayı ortaya çıkarmamıza yardımcı olabilir. Örneğin, kozmolojide kuark-gluon plazması çok önemlidir ve aynı zamanda laboratuarlarda (RHIC ve LHC gibi) yaratılmıştır. Kuark-gluon plazmasının derinlemesine incelenmesi bize birçok fikir verdi, ancak birçok yeni sorun da ortaya çıktı. Ek olarak, QCD'nin tam faz diyagramı üzerindeki araştırmalar, nötron yıldızlarının iç yapısını daha iyi tanımlamak gibi nükleer fizik ve astrofizikte de uygulanabilir.

4. Parçacık kütlesinin kökeninin gizemi

Teorik fizikçiler çok fazla çalışma yapmış olsalar da, Standart Modeldeki fermiyonların kütlesini veya bunların Higgs alanının Yukawa'sıyla birleştiğini açıklayabilecek hiçbir teori yoktur. Özellikle, üst kuarkın kütlesinin gizemi, yalnızca kütlesinin diğer temel parçacıklara kıyasla çok büyük olması değil, aynı zamanda değerinin Higgs alanının vakum beklenen değerine yakın olmasıdır.

Aynı zamanda, nötrino kütlesinin keşfi, standart modelin ötesinde bir teoriye olan ihtiyacımız için sağlam deneysel kanıtlar sağlıyor. Her bir fermiyon nesli için, ya ek bir alan eklenmelidir (elektronlar veya kuarklar gibi Dirac tipi bir kütle ise) ya da lepton sayısının korunmasını ihlal ediyor (Majorana tipi bir kütle ise, Nötrinolar kendi antiparçacıklarıdır). Nötrinoların neden kütleleri olduğunu ve neden bu kadar küçük olduklarını açıklamamız gerekiyor. Bu soruların tümü Büyük Birleşik Teoride yanıtlanabilir, ancak Büyük Birleşik Teorinin birçok versiyonu vardır ve hiçbiri evrensel olarak kabul edilmemiştir. Şu anda, nötrinonun tam kütlesini (nötrino salınım deneyi sadece kütle farkının karesini ölçer) veya kütlenin Majorana tipi mi Dirac tipi mi yoksa her ikisi mi olduğunu bilmiyoruz. . Ek olarak, tıpkı diğer fermiyonlar gibi, şu anda nötrino kütlesinin temel kökenini açıklayan bir teori yoktur.

Genelde madde ve antimaddenin melekler ve iblisler gibi farklı olduğunu düşünüyoruz. Ancak Majorana nötrinoları aynı anda hem melek hem de şeytandır. | Resim kaynağı: Fermilab Today

5. Hiyerarşik sorunlar ve süper simetri

Standart Modeldeki temel parçacıkların kütlesi neden Planck kütlesinden çok daha küçük? Bu problem sözde "seviye problemidir". Parçacık fiziğinin oldukça hiyerarşik bir alan olduğunu söyleyebiliriz. Dört temel kuvvetin gücü, kuvvetliden zayıflığa (yani, güçlü nükleer kuvvetten yerçekimine) çok farklıdır. Fizikteki farklı kütleler de seviyeleri oluşturur, en üstteki Planck kütlesi ve en alttaki vakum enerjisidir.

Standart Modelin parçacıklarının kütlesi ilk ilkelerden tahmin ediliyorsa, kütleleri yaklaşık 10 ^ 19GeV olan Planck kütlesi civarında olmalıdır. Ancak sorun şu ki, bu evrende tespit edilen en büyük kütleli parçacıklardan 17 kat daha yüksek. Özellikle Higgs bozonu, kütlesi çok büyük olmalı çünkü çok fazla parçacıkla etkileşime giriyor.

Ve şimdi Higgs bozonunun kütlesinin sadece 125 GeV olduğunu biliyoruz, bu da teorinin beklediği seviyeden ziyade Planck enerji ölçeğinden bir düzineden fazla büyüklük mertebesinden uzaktadır. Bu nedenle, parçacığın kütlesinin neden şimdi gözlemlediğimiz kütle olduğunu ve Planck kütlesine yakın olmadığını sormalıyız. En güzel çözümlerden biri, Planck ölçeğinin tüm katkısını dengeleyebilen ve parçacığın kütlesini Planck kütlesinden çok daha düşük yapan ekstra bir simetriye sahip olmaktır.

"Süpersimetri" teorisinin arkasındaki fikir budur. Süpersimetri çok cesur bir öngörüde bulundu: tüm fermiyonlar (kuarklar ve elektronlar gibi) süper simetrik bir bozon partnerine sahiptir ve tüm bozonlar (fotonlar, gluonlar gibi) karşılık gelen fermiyonlara sahiptir. Süper simetrik ortak. Pek çok süpersimetrik teoride, en hafif süpersimetrik parçacık, nötron adı verilen yüksüz, kararlı bir parçacıktır. Bu parçacıklar bulunursa, karanlık madde sorununu da açıklayabilir. Süpersimetri teorileri çok sevilse de, parçacık hızlandırıcılarda uzun yıllardır bulunmamışlardır ve uzun zaman önce bulunmaları gerekirdi.

Standart model parçacıklar solda ve süper simetrik parçacıklar sağdadır. | Resim kaynağı: DESY

6. Keşfedilmeyi bekleyen diğer bilinmeyen parçacıklar nelerdir?

Geçmişte, gittikçe daha güçlü hızlandırıcılar veya dedektörler birçok yeni parçacık keşfetti ve bu muhtemelen tekrar olacak. Bazı özel problemleri çözmek için bazı yeni parçacıklar önerilmiştir.Örneğin, aksonlar, kuantum kromodinamiğinin neden CP değişmezliğini ihlal etmediğini açıklayabilir ve nötrino salınım deneylerindeki olası gözlemleri açıklamak için atıl nötrinolar önerilmiştir. Standart modele benzer ekstra fermiyonlar veya bozonlar gibi diğer yeni partiküller teorik olarak mümkün olduğu için önerilmiştir. Doğaya dair anlayışımız henüz tamamlanmadığı için laboratuvarda her an şaşırtıcı yeni keşiflerle karşılaşabiliriz.

Eksenler. | Resim kaynağı: Sandbox Studio

7. Protonun yarıçapı, dönüşü ve bozunmasının gizemi

Atomdaki proton üç kuarktan oluşuyor, proton 100 yılı aşkın bir süre önce karşımıza çıkmış olsa da gerçekler bizim onu yeterince bilmediğimizi gösteriyor. Bilim adamları protonun yarıçapını ölçmek için farklı yöntemler kullandıklarında, iki yöntemin farklı yarıçap değerleri verdiğini görünce şaşırdılar. Yarıçapın kesin ölçümü önemlidir çünkü bu bir kuantum elektrodinamiği (QED) testidir. Bu fark deneyde devam ederse, keşfedilmemiş bir parçacık olduğu anlamına gelebilir.

Ancak yarıçapın gizemi çözülse bile, bilim adamları hala başka bir sorunla karşı karşıya. İlk başta, fizikçiler dönüşünün esas olarak kuarkların katkısından geldiğine inanıyorlardı. Ancak 1987'de, Avrupalı müon deney grubu tarafından yürütülen bir dizi yüksek enerjili fizik deneyi, sözde "proton spin krizi" ni tetikledi. CERN, DESY ve SLAC tarafından yapılan deneyler şaşırtıcı sonuçlar verdi: Kuark, protonların dönüşüne yalnızca% 30 katkıda bulunuyor! Kuark olmasaydı ne olurdu? Kuantum kromodinamiğinin en son büyük ölçekli sayısal simülasyonunun sonuçları, gluonların protonların dönüşünün yarısını sağladığını gösteriyor. Proton spininin kalan% 20'sinin, kuarklar ve gluonların yörüngesel açısal momentumundan geldiğine inanılıyor. Son birkaç on yılın çabalarına dayanarak, fizikçiler proton spininin kaynağını ortaya çıkarmaya gittikçe yaklaşıyorlar.

Aslında, Protonun içi çok karmaşıktır. | Resim kaynağı: APS / Alan Stonebraker

Protonun son bulmacası, yaşam süresiyle ilgilidir. Büyük Birleşik Teorinin çok önemli bir tahmini olan protonlar bozunabilir. Ancak tek sorun, deneyin henüz herhangi bir proton bozunması belirtisi gözlemlememiş olmasıdır. Örneğin, Japonya'nın Süper Kamioka detektörü bozunma protonları tarafından yayılan radyasyonu izlemek için çalışıyor, ancak herhangi bir bozulma kanıtı gözlemlemedi. En son araştırma sonuçları, proton ömrünün alt sınırını 1,6 × 10 ^ 34 yıla çıkardı. Bir gün dedektördeki protonların bozunmasını gözlemleyebilirsek, bu, doğadaki üç temel kuvvetin - zayıf nükleer kuvvet, güçlü nükleer kuvvet ve elektromanyetik kuvvet - evrenin ilk zamanlarında birleştirilebileceği anlamına gelir.

8. Lorentz veya CPT'nin değişmezliği ihlal edilecek mi? (Einstein'ın görelilik teorisi ve standart alan teorisi her zaman geçerli midir?)

En temel düzeyde, Standart Model P ve CP simetrisini ihlal eder (P eşitliği, yani ayna görüntüsündeki dünyayı; C, yük konjugasyonu anlamına gelir, yani parçacıklar antiparçacıklarla değiştirilir). Aynı zamanda, Higgs alanı yoğunlaştıktan sonra , Ayrıca zayıf izospin ve zayıf süper şarjın korunmasını ihlal eder. 1956'da Wu Jianxiong, kobalt-60 atomlarının radyoaktif bozunmasını gözlemleyerek Yang Zhenning ve Li Zhengdao'nun teorisini doğruladı: Parite zayıf etkileşimlerde korunmaz. 1964'te James Cronin ve Val Fitch ayrıca laboratuvarda CP hasarına dair kanıt buldular. Daha sonra, temel düzeyde (Standart Modelin ötesindeki teori) veya daha fazla simetri kırılması nedeniyle (vektörlerin veya tensörlerin yoğunlaşması nedeniyle) daha fazla simetri kırılması olup olmadığını sormak doğaldır. Skaler alan) veya kuantum dalgalanmaları nedeniyle (Planck ölçeğindeki "uzay-zaman balonu" gibi).

Özellikle, bilim adamları Lorentz değişmezliğini veya CPT değişmezliğini ihlal eden kanıtlar bulmak için çalışıyorlar, ancak şu ana kadar herhangi bir ipucu bulamadılar. Çoğu bilim adamı, genel görelilik ve parçacık fiziğinin standart modelinin nihai teoriler olmadığı konusunda hemfikir. Sicim teorisi, değiştirilmiş yerçekimi teorisi ve değişmeli olmayan kuantum alan teorisi gibi birçok birleşik teorinin tümü, Lorentz'in simetrisindeki hafif kırılmayı öngörür. Bu nedenle, Lorentz'in değişmezliğinin doğru bir testi, doğru bir birleşik teorik modele giden yolu gösterecektir. Benzer şekilde, CPT simetrisi de modern fiziğin önemli bir direğidir.Bu, fizik yasalarının, yük konjugasyonu, parite ve zamanın ters çevrilmesinin ortak dönüşümü altında değişmeden kaldığı anlamına gelir. CPT simetrisi bozulursa mevcut fiziğin kırılması demektir.

CPT simetrisi. | Görsel hakları: Chad Ozel

9. Evrenimiz kararlı mı?

Higgs bozonunun özel bir kütlesi vardır ve değeri, Higgs potansiyelindeki temel kendi kendine eşleşme parametresi anlamına gelir:

Neredeyse sıfıra eşittir (standart model hesaplaması geçerliyse). Bu sonuçtan, Higgs Yoğunlaşması ve bildiğimiz haliyle evren ancak zar zor kararlı sayılabilir. Aslında, daha ileri hesaplamalar, evrenimizin yarı kararlı bir durumda olabileceğini ve sonunda çok farklı özelliklere sahip daha kararlı bir duruma geçeceğini gösteriyor. Aslında burada çok derin bir soru söz konusudur: 0 nasıl açıklanır? Evrenimiz kararlı bir durumda mı?

II. Yerçekimi ve evren

Geçen yüzyılda, iki büyük teori doğa anlayışımızı tamamen değiştirdi. Bunlardan biri, parçacıkları ve etkileşimlerini tanımlayan kuantum mekaniğidir. Diğeri, Einstein'ın yerçekimi ve eğimli uzay-zamanı birbirine bağlayan genel görelilik teorisidir. Son 100 yılda, her ikisi de sayısız testten geçti. Pek çok insan Einstein'ın yerçekimi teorisini gözden geçirmeye çalışsa da, tüm deneyler Einstein'ın haklı olduğunu kanıtlamaya devam ediyor! Özellikle son iki yılda kütleçekim dalgalarının tespitinde kaydedilen ilerleme daha da şaşırtıcı. Genel görelilik, başlangıçta sadece kabul edilemez pek çok kehanete (kara delikler ve solucan delikleri gibi) sahip olmakla kalmaz, aynı zamanda evrenin gizemlerini keşfetmek için güçlü bir teorik temel oluşturur.

10. Einstein'ın yerçekimi teorisi kuantum mekaniğiyle nasıl birleştirilir?

Büyük patlama veya kara delik tekilliğinden bahsettiğimizde, genel görelilik ve kuantum mekaniğinin evrenin daha derin sırlarını ortaya çıkarmak için birleştirilmesi gerektiğini anlayacağız.

Einstein'ın zamanından beri fizikçiler, tıpkı doğadaki diğer alanlar gibi, bir kuantum yerçekimi teorisi, yani kütleçekim alanlarının tanımını niceleme teorisi oluşturmaya çalışıyorlar. Tüm teoriler arasında en ünlü iki girişim sicim teorisi ve döngü kuantum yerçekimidir. İlki, bir parçacığın dünya çizgisini, ipin dünya yüzeyiyle değiştirir, böylece Feynman diyagramındaki çizgi kesişimi, kesişme ile yüzleşecek şekilde genişletilir. İkincisi, zaman ve uzayın "parçalı" olduğunu düşünür. Bu iki teori matematiksel olarak çekici olsa da, henüz test edilebilir tahminlerde bulunmamışlardır. Diğer girişimler arasında nedensel küme teorisi, nedensel dinamik üçgenleme teorisi, ilerici güvenlik yerçekimi teorisi ve ortaya çıkan yerçekimi teorisi bulunur.

Son yıllarda fizikçiler de Einstein tarafından önerilen iki teorinin şaşırtıcı bir şekilde ilişkili olduğunu keşfettiler.Teori bir denklemle ifade edilir: ER = EPR. Denklemin sol tarafı bir solucan deliğini, sağ tarafı ise kuantum dolanmasını temsil eder. Bu temelde, Leonard Susskind, ikisini birleştiren GR = QM (Genel Görelilik = Kuantum Mekaniği) önerdi.

Kuantum yerçekimi teorisine giden tüm olası yollar. | Resim kaynağı: https://arxiv.org/pdf/1708.07445.pdf

11. Kara delik entropisinin ve sıcaklığın kaynağı nedir?

John Wheeler "kara delik" terimini önerdiğinden beri bilim adamları, bilim kurgu yazarları, romancılar vb. Onu hayal etmeyi asla bırakmadı. Bu sadece teorik bir ürün değil, çok sayıda astronomik gözlem, sabit yıldızlara ve süper kütleli kara deliklere sahip kara deliklerin varlığını doğruladı. 2018'de kara delik de tarihi bir anı başlatacak ve ilk fotoğrafını görmek üzereyiz!

Kara delikler her zaman paradokslar için bir üreme alanı olmuştur. Geçen yüzyılda, Jacob Bekenstein ve Stephen Hawking'in kara delik entropisi ve radyasyon kavramlarını önermesinin ardından, tartışma hiç durmadı. Hawking ve Kip Thorne da bu konuda birçok ünlü bahis yaptı. Şimdiye kadar Thorne kazandı (ayrıca 2017 Nobel Fizik Ödülü'nü kazandı). Bekenstein-Hawking entropisinin formülü şöyledir:

Hawking sıcaklığı şu şekilde tanımlanır:

A ve sırasıyla kara deliğin yüzey alanını ve yüzey yerçekimini temsil eder Formülde iyi bilinen bazı sabitler = c = G = k = 1 varsayılmıştır. Formüldeki miktar da yerçekimi ve kuantum mekaniğiyle yakından ilgilidir, ancak en temel soru, entropinin neden hacimden ziyade alan (A) ile orantılı olduğudur. Sicim teorisi, döngü kuantum yerçekimi teorisi ve diğer modellerin tümü, dört boyutlu uzayzamandaki gerçek bir kara delik veya en basit statik Schwarzschild kara deliği durumunda formül (1) 'i türetmeye çalıştı, ancak hiçbiri başarılı olamadı. Bu, kara delik entropisinin anlamını gerçekten anlamadığımızı kanıtlamak için yeterlidir.

12. Kara delikte bilgi kaybolur mu?

Hawking, 1974 ile 1975 yılları arasında kara deliğin etrafındaki kuantum alanının aslında parçacıkları (yani Hawking radyasyonu) yayacağını hesapladı. Radyasyon, kara delik tamamen buharlaşana kadar kara deliğin kütle kaybetmesine ve küçülmesine neden olacaktır. O zamandan beri, sözde "kara delik bilgi paradoksu" doğdu.

Genel göreliliğe göre karadeliğe giren bilgi bir daha çıkmayacak ve karadeliğe hapsolmuş bilgi buharlaşma nedeniyle ortadan kalkacaktır. Peki bilgi nereye gitti? Kara delikle birlikte kaybolursa, kuantum teorisini ihlal eder. Bilginin Hawking Radyasyonunda birlikte depolanmayacağını düşünüyor olabilirsiniz. Sorun, kara delikteki bilginin kaçamamasıdır, bu nedenle tek olasılık, kara deliğe giren nesnenin bilgisinin Hawking radyasyonunda kopyalanmasıdır. Bu şekilde, biri kara deliğin dışında, diğeri kara deliğin içinde olmak üzere iki parça bilgi var ama bu aynı zamanda kuantum teorisini de ihlal ediyor. Elbette, diğer en basit olasılık, kuantum mekaniğinin eksik olmasıdır, bu nedenle kara delik bilgi paradoksu, tıpkı Einstein'ın görelilik teorisinin Newton'un hareket yasasını genişletmesi gibi, bizi teoriyi genişletmeye zorlar.

Hawking radyasyonu. | Resim kaynağı: E. Siegel

Daha sonra, kuantum teorisini kurtarmak için, fizikçiler yavaş yavaş tamamlayıcı ilkeler, holografik ilkeler vb. Önerdiler ve ardından yangın paradoksunun ikilemiyle karşı karşıya kaldılar, sorun gittikçe zorlaşıyor gibi görünüyor. Ama kesin olan bir şey var ki, bu problem 10 ve 11 ile yakından ilgilidir. Belki de sadece kuantum yerçekimi teorisini geliştirdiğimizde, paradoks mükemmel bir şekilde çözülebilir.

13. Kozmolojik sabit problem

1917'de, statik bir evreni tanımlamak için, Einstein, alan denklemlerine yerçekimine karşı itici bir etki sağlayan kozmolojik sabit adı verilen ek bir sabit terim ekledi. Ancak Hubble, evrenin genişlediğini keşfettiğinde, Einstein bunun hayatında yaptığı en büyük hata olduğunu düşündü. Görünüşe göre bu "hata" daha derin bir anlama sahip olabilir.

Einstein, statik evreni tanımlamak için alan denklemine kozmolojik sabiti () ekledi. Gerçekte, kozmolojik sabit alan denkleminde iki şekilde görünebilir: Solda geometrik bir terim, sağda ise boşluktaki enerji yoğunluğu gibi davranır.

Kuantum mekaniğine göre, vakumun kendisi küçük dalgalanmalara sahiptir ve bu dalgalanmalar enerji üretir. Fizikçiler, kuantum vakum enerjisinin kozmolojik bir sabit olarak hareket edebileceğine inanıyor. Bununla birlikte, kuantum mekaniğine dayalı olarak hesaplanan vakum enerjisinin değeri, gözlemlenen gerçek enerji yoğunluğundan çok daha yüksektir - 120 kat daha yüksektir. Bu sonuç, "fizik tarihindeki en kötü teorik tahmin" olarak hayret vericidir. Bu kozmolojik sabit sorundur. Fizikçiler, teori ve gözlem arasındaki sapmayı çözmek için çoklu evren ve antropik ilke (daha fazla tartışma için lütfen Soru 21'e bakın) gibi modeller önerdiler, ancak birleşik bir görüş yok.

14. Karanlık enerji nedir?

1998'de, iki bağımsız astronomik ekip, uzaktaki süpernova patlamalarının ölçülmesiyle inanılmaz bir sonuca ulaştı: Evren hızlanıyor! Bilim adamları, hızlandırılmış genişlemenin arkasındaki itici gücü "karanlık enerji" olarak adlandırıyor. Karanlık enerji, evrenin toplam kütlesinin ve enerjisinin% 68,3'ünü kaplar ve evrenin nihai kaderini kontrol eder.

Ama karanlık enerji tam olarak nedir? Bu konuda bilim adamları çok fazla yazı ve deneysel gözlem harcadılar En basit açıklamalardan biri karanlık enerjinin kozmolojik sabit olması olabilir, ancak yukarıda da bahsettiğimiz gibi problemlerle karşılaştık. Ayrıca, özellikleri çevreleyen ortama göre değişecek olan bukalemun parçacıkları gibi garip özelliklere sahip bazı parçacıkların karanlık enerji rolünü oynayabileceği öne sürülmüştür. Ya da belki evrende küçük bir çekim kuvvetini ortadan kaldıracak zayıf ve uzun menzilli bir beşinci temel kuvvet vardır. Elbette, bazı fizikçiler karanlık enerji olmadığına inanıyorlar, ancak mevcut yerçekimi teorisinin revize edilmesi gerekiyor. (2017'de keşfedilen ikili nötron yıldızı birleşmesinde, yerçekimini düzeltmeye çalışan bazı teoriler reddedildi.) Birçok teori öne sürülmesine rağmen, karanlık enerji hala gizemini koruyor.

Lovelock teoremine dayanarak, yerçekimini düzeltmek için yeni bir alan eklemek veya daha yüksek bir boyut varsaymak gibi çeşitli seçenekler vardır. Gemini birleşmesi bu teorilerin bazılarını dışladı. | Resim kaynağı: Tessa Baker

15. Evren bir enflasyon dönemi yaşadı mı? Öyleyse, enflasyon nasıl ve neden başladı?

Evrenin yaşı yalnızca 10 ^ -32 saniye olduğunda, evren üstel bir genişleme yaşadı ve bu döneme şişme dönemi denir. Enflasyon teorisi, geleneksel Big Bang teorisinin karşılaştığı sorunları (ufuk problemi ve düzlük problemi gibi) açıklamak için önerildi. Bununla birlikte, enflasyon teorisi birkaç problemle karşı karşıyadır. İlk önemli soru, gözlemle, yani doğrudan enflasyon kanıtı olup olmadığı ile cevaplanmalıdır. İkincisi, hem teori hem de gözlemle, yani enflasyonun kökeninin gizemiyle yanıtlanmalıdır. Pek çok rekabetçi model var, ancak hepsi sorgulanıyor. 2017 yılında dünyanın en ünlü fizikçileri, enflasyon teorisinin bilimsel bir teori olup olmadığı tartışmasına katıldı.

Şubat 2017'de "POP evrene gider" başlıklı bir makale, evrenin kökeni hakkında bir tartışma başlattı. | Resim kaynağı: Scientific American

16. Evren neden antimadde yerine maddeyle dolu?

Standart parçacık fiziği modelinin öngörüsüne göre, evrenin başlangıcında eşit miktarda madde ve antimadde yaratılmış olmalıdır. Ve biliyoruz ki pozitif ve negatif maddeler karşılaştıklarında yok olacaklar ve bir enerji kütlesine dönüşecekler. Teorik olarak, böyle bir yok olma olayı 13,8 milyar yıl önce gerçekleşmiş olmalıydı. Ama gerçek şu ki, bu savaşta madde antimaddeyi yendi ve hayatta kaldı, aksi takdirde bu sorunun cevabını bulmak için burada olmazdık.

Madde ve antimadde buluştuğunda yok olur ve tüm enerji fotonlar şeklinde salınır. | Resim kaynağı: RealLifeLore / YouTube

1968'de fizikçi Andrei Sakharov, evren üç koşulu yerine getirirse, madde ve antimadde asimetrisinin kaçınılmaz olduğunu fark etti. Bu üç koşul şunlardır: baryon sayısının korunmaması, C simetrisinin ihlali (yük eşlenik simetrisi) ve CP simetrisi (yük eşleniği ve parite eklem simetrisi) ve termal dengeden sapan etkileşimlerin varlığı. Madde-antimadde asimetrisini çözme teorileri arasında lepton sayısı asimetrisinin üretim mekanizması, elektrozayıf baryon sayısı üretim mekanizması, Affleck-Dine mekanizması ve Planck / grand birleşik baryon sayısı üretim mekanizması bulunmaktadır.

17. Karanlık madde nedir?

Fritz Zwicky'nin 1930'larda ve Vera Rubin ve işbirlikçilerinin 1970'lerde yaptığı gözlemler, galaksilerdeki yer çekiminin çoğunun karanlık madde denilen ışıksız maddeden geldiğini gösterdi. Son yıllarda, birçok astronomik gözlem verisi, karanlık maddenin varlığına eğilim gösterdi ve miktarı, sıradan maddenin (gezegenler, yıldızlar ve gaz gibi) yaklaşık 5 ila 6 katı. Evrenin 13,8 milyar yıllık evrimi sırasında galaksilerin, galaksi kümelerinin ve büyük ölçekli yapıların oluşumu için çok önemlidir.

İki gökada kümesi arasındaki çarpışma, daha büyük bir gökada kümesinde birleşir. Bu, karanlık maddenin güçlü kanıtı olarak kabul edilir. | Resim kaynağı: NASA

Ama karanlık madde tam olarak nedir? Astronomik gözlemlerle, karanlık maddenin ışık yaymadığı, ışığı yansıtmadığı veya emmediği sonucuna varabileceğimizi bilmiyoruz. Bu nedenle, sıradan optik yollarla bulunamazlar. Bilim adamları, zayıf etkileşimli büyük parçacıklar, aksonlar, atıl nötrinolar, süper nötronlar vb. Gibi birçok olası aday parçacık önerdiler. Ancak şu ana kadar, büyük yeraltı sondalarında, uzaydaki uydularda ve çarpıştırıcılarda hiçbir karanlık madde izi bulunamadı. Diğerleri yerçekimini değiştirerek karanlık maddenin varlığını açıklamayı umuyor. Son zamanlarda, fizikçiler Justin Khoury ve Lasha Berezhiani, soğuk, yüksek yoğunluklu bir ortamda, karanlık maddenin süperakışkan olarak yoğunlaşacağına inanıyorlardı. Bu fikir giderek daha fazla insan tarafından tercih edildi.

Sol: Karanlık madde fazladan yerçekimi sağladığı için büyük gökada kümeleri birbirine bağlanabilir. Gökada kümelerindeki karanlık madde parçacıklarının hareketi görece rastgeledir. Doğru: Ayrı galaksilerin de bakım için fazladan güce ihtiyacı var, aksi takdirde galaksiler parçalanırdı. Ancak sıradan karanlık madde modelleri bu gücü tam olarak açıklayamaz. Yoğun bir galaksinin halesindeki karanlık madde süperakışkan olarak yoğunlaşabilir. Ve bu süperakışkan ek güç sağlayabilir. | Resim kaynağı: Lucy Reading-Ikkanda

18. Evrende keşfedilmeyi bekleyen yeni gök cisimleri nelerdir?

Evrende birçok farklı türde garip nesne vardır. Tanıdık sıradan yıldızların içinde, radyasyon basıncı ve yerçekiminin mükemmel yüzleşmesi onun daha da çökmesini engeller. Beyaz cücelerde yaşananlar daha da ilginçtir ve elektronların "dejenere basıncı" ile desteklenir. Benzer şekilde, bir yıldızın ölümünden sonraki bir başka sonuç, bir nötron yıldızı, nötron dejenerasyonu tarafından desteklenir. 1967'de Jocelyn Bell Burnell, hızla dönen bir nötron yıldızı, bir pulsar keşfetti. Ek olarak, evrende sabit yıldızlara sahip birçok kara delik vardır ve gökbilimciler, onları kara deliğin etrafındaki toplanma diskinin yaydığı X-ışınları aracılığıyla gözlemlerler. Ve süper kütleli kara deliklerin büyük galaksilerin merkezlerinde her yerde olduğu düşünülüyor. Evren aynı zamanda her biri farklı kökenlere sahip farklı parçacıklar ve radyasyonla doludur.

Son birkaç on yıldaki astronomik gözlemlerin getirdiği sürprizlere dayanarak, gelecekte daha fazla beklenmedik gök cisimlerinin keşfedilmesini beklemek için her türlü nedenimiz var. Örneğin, gökbilimciler evrenin ilk dönemlerinde henüz üç yıldızı oluşturmamışlardır, neredeyse tamamı hidrojen ve helyumdan oluşurlar. Başka bir örnek, Katherine Freese tarafından önerilen "karanlık yıldız" veya kuarklardan oluşan "kuark yıldızı" veya karanlık madde yok etmeyi bir enerji kaynağı olarak kullanan (nükleer reaksiyonları değil) gök cisimleridir. Gelecekte, astrofizik sonsuz olasılıklarla doludur.

III. Başlıca Sorunlar

Ekstra boyutlar, çoklu evrenler, zaman yolculuğu vb. Kulağa sadece bilim kurgudan çıkan kavramlar gibi geliyor, ama aslında bunlar her zaman en son teorik araştırmaların konusu olmuşlardır. Bazı insanlar bu teorileri laboratuvarda asla test edemeyeceğimize inanırken, iyimserler yeterli zaman ve kaynağa sahip olduğumuz sürece nihayet tatmin edici bir yanıt alacağımıza inanıyor.

19. Zaman ve Mekanın Gizemi

Henry Poincaré bir keresinde şöyle demişti: "Üç boyutlu dil, dünyamızı tanımlamak için dört boyutlu dilden daha uygun görünüyor." 1917'de fizikçi Paul Ehrenfest ayrıca bir Aydınlatıcı bir kağıt. Makalede, üç boyutun dünyamızı tanımlamak için en mükemmel boyut olduğuna dair birçok kanıt sıraladı. Zaman boyutu eklenirse, aşina olduğumuz dört boyutlu uzay-zamandır. Fakat zaman ve uzay gerçekten sadece dört boyut mudur? Öyleyse, neden dört boyutlu oluyor? Gerçekten tatmin edici bir teori, makul (antropik olmayan) bir açıklama sunabilmelidir. Ek olarak, zamanın neden sadece bir koordinatı olduğunu da açıklamak istiyoruz?

Bir başka derin soru ise, zaman ve uzayın kökeni nedir? Bazı teorik spekülasyonlar var, belki daha temel çerçevelerden zaman ve mekanı çıkarabiliriz. Belki de uzay-zaman bazı daha derin kuantum olaylarından üretilmiştir, öyleyse uzay-zamanın kuantum doğası nedir? Holografik ilke, Amplituhedron ve kuantum köpüğün hepsi bu soruyu yanıtlamaya çalıştı, ancak şu ana kadar ikna edici bir sonuç alınamadı.

Amplituhedron, daha yüksek boyutlarda çok yüzlü taşlara benzeyen, yeni keşfedilen bir matematiksel nesne. Parçacıklar arasındaki etkileşimlerin hesaplanmasını büyük ölçüde basitleştirir ve uzay-zamanın gerçek dünyanın temel bir bileşeni olduğu kavramına meydan okur. | İmaj Kredisi: Andy Gilmore

20. Daha yüksek bir boyut var mı?

Genel göreliliğin yayınlanmasından kısa bir süre sonra matematikçi Theodor Kaluza, uzay dört boyutluysa ışık ve yerçekimini birleştirebileceğine dair parlak bir fikre sahipti - ortak hiçbir noktaları yokmuş gibi görünüyordu. Bu harika teori, Einstein'ın kalbini bile hareket ettirdi. Ama bu ekstra boyut nerede? Fizikçi Oskar Klein, Kaluzanın ekstra boyutunun 10 ^ -33 cm ölçeğinde küçük görünmez daireler halinde kıvrıldığına (terminolojide "sıkıştırma") inanıyor. Bu ölçek çok küçük olduğundan hiçbir deney doğrudan varlığını keşfedemez. Elbette artık beş boyutlu birleşik teorilerinin yanlış olduğunu biliyoruz.

1970'lerde, sicim kuramcılarının ortaya çıkışı, ek boyutların keşfini yeniden canlandırdı. Süper sicim teorisi için gerekli matematik, en az on boyut gerektirir. Yani, süper sicim teorisini tanımlayan denklemlerin - genel görelilik ve kuantum mekaniğinin denklemlerini birbirine bağlayan, doğadaki parçacıkları açıklayan, temel kuvvetleri birleştiren vs. - çalışması için ek boyutlar icat etmeleri gerekir. Fizikçiler, ekstra altı veya daha fazla boyutu nasıl sıkıştıracaklarını düşünmelidir. Son olarak, sicim kuramcıları, uzayda kıvrık çemberleri değiştirmek için Calabi-Yau uzayını kullanırsak on boyut elde edeceğimizi keşfettiler: üç boyutlu uzay, artı altı boyutlu Calabi-Yau Chengtong uzayı, artı bir boyutlu zaman. .

Altı boyutlu Calabi-Yau uzayı, süper sicim teorisinin gerektirdiği ekstra boyuttur. | Resim Kredisi: Jeff Bryant

Ek boyutlar varsa, sonraki daha derin sorun, evrenimizin iç alanının yapısıdır. Doğa kanunları muhtemelen bu yapı tarafından belirlenir, bu nedenle farklı iç mekanlar farklı evrenlere karşılık gelir: iç mekan esasen evrenin genomudur. Örneğin, sicim teorisi, olası evrenlerin sayısını 10 ila 500. kuvvet arasında tahmin eder.

21. Çoklu evren var mı?

Çoklu evren, bu anımsatan kavram, aslında en saygın teorilerden bazıları tarafından öngörülmektedir.Örneğin, bazı yönlerden enflasyon modelinin yetersizliği nedeniyle, birçok insan "sonsuz enflasyon" varsayımını düşünmektedir. Bu çok mümkün. Bu varsayıma göre, eskiden yeni evrenler ortaya çıkmaya devam edeceği için evrenlerin sayısı artmaya devam edecektir.

Sonsuz enflasyon teorisinde enflasyon asla durmaz. Şekildeki kırmızı X, evrenimiz gibi şişmenin durduğu alanı temsil eder. Yeşil, enflasyonun sürdüğü ve sonsuza kadar devam edecek olan alanı temsil eder. | Resim kaynağı: E.Siegel

Dikkatimizi kendi evrenimizle sınırlarsak, enflasyon, boyutunun yerel gözlemlenebilir evrenden çok daha büyük olduğu anlamına gelir. Aslında, düz veya açık (hiperbolik) geometri ile sonsuz olabilir. O halde bizim tek evrenimiz çok sayıda gözlemlenebilir evren içerir.

Ve eğer gözlemlenebilir evrene daha fazla odaklanırsak, Hugh Everett tarafından önerilen kuantum mekaniğinin çoklu dünya yorumu, bir sistemi gözlemlediğimizde, sayısız paralel evreni ayıracağımızı ima eder. Dalga işlevinin olası bir çözümü ve biz yalnızca belirli bir evrendeyiz.

Buna ek olarak, doğa tüm olası yol integralleri alınarak tanımlanıyorsa, Soru 20'de tartışılan her bir iç mekan, farklı yasalara sahip farklı evrenlerin temelidir. Ek olarak, belirli bir iç uzay için birçok farklı başlangıç koşulu olabilir, bu da birden fazla evren olduğu anlamına gelir.

Tabii ki, çoklu evren son derece tartışmalı çünkü normal bilimsel alanların kontrolü dahilinde değil. Aynı zamanda oldukça tartışmalı olan antropik ilkedir; bu, basitçe içinde yaşadığımız evrenin, zeki yaşamın ortaya çıkışının gereklerini karşılayan bir evren olması gerektiğidir. Teorik fizikçi Brandon Carter, ilkeyi iki türe ayırdı: zayıf antropik ilke ve güçlü antropik ilke. İlki, bu uzay-zaman konumunda gözlemci olarak var olmamızın nedeninin, bu konumun varoluş olasılığımızı sağlaması olduğuna inanır; ikincisi, evrenimizin (bu temel fiziksel sabitler de dahil) gözlemciye izin vermesi gerektiğine inanır. Belli bir aşamada.

22.