Delen:
Top 10 onopgeloste mysteries in de natuurkunde
Als je ooit een aflevering hebt gezien van Star Trek of De oerknaltheorie, dan weet je dat de natuurkunde op een leuke manier voor de massa toegankelijk kan worden gemaakt. Onze favoriete sci-fi en comedy-schrijvers krijgen misschien niet elk detail goed, maar ze wekken wel onze interesse in de vreemdere aspecten van wetenschappelijke theorieën.
Vandaag gaan we het hebben over 10 echte mysteries die de natuurkunde nog moet verklaren. Van buitenaardse communicatie tot tijdreizen tot stromende kranen, we zullen proberen deze mysteries voor iedereen begrijpelijk te maken.
Misschien wilt u deze onderwerpen zelfs op uw eigen manier verkennen. Per slot van rekening wachten er miljoenen dollars op de mensen die enkele kosmische puzzels oplossen. (Lees verder om erachter te komen welk van deze 10 mysteries je rijk kan maken.) Je zult waarschijnlijk ook een Nobelprijs krijgen en de wereld veranderen.
10 Waar komen ultra-high-energy kosmische stralen vandaan?
Onze atmosfeer wordt voortdurend geraakt door deeltjes uit de ruimte met hoge energieën. Deze worden 'kosmische stralen' genoemd. Hoewel ze niet veel schade toebrengen aan mensen, hebben ze natuurkundigen gefascineerd. Het waarnemen van kosmische straling heeft ons veel geleerd over astrofysica en deeltjesfysica. Maar er zijn sommigen - degenen met de meeste energie - die tot op de dag van vandaag mysterieus zijn.
In 1962 zagen Dr. John D. Linsley en Livio Scarsi tijdens het experiment met Volcano Ranch iets ongelooflijks: een kosmische straal met ultrahoge energie met een energie van meer dan 16 joule. Om u wat perspectief te geven, is één joule ongeveer de energie die nodig is om een appel van de vloer op een tafel te tillen.
Al die energie is echter geconcentreerd in een deeltje dat honderd miljoen miljard miljard keer kleiner is dan de appel. Dat betekent dat het heel dicht bij de snelheid van het licht komt!
Natuurkundigen weten nog niet hoe deze deeltjes deze ongelooflijke hoeveelheid energie krijgen. Sommige theorieën bevatten het idee dat ze van supernova kunnen komen, wanneer sterren aan het einde van hun leven exploderen. De deeltjes kunnen ook worden versneld in de schijven van instortende materie die zich rondom zwarte gaten vormen.
9 Werd ons universum gedomineerd door inflatie?
Het universum is verbazingwekkend plat op grote schalen. Dit is het "kosmologische principe", het idee dat, waar je ook gaat in het universum, er gemiddeld ongeveer dezelfde hoeveelheid dingen is.
Maar de theorie van de oerknal suggereert dat er in de vroegste tijden in het vroege universum enkele grote verschillen in dichtheid moeten zijn geweest. Dus het was veel zwaarder dan ons universum vandaag is.
De inflatietheorie suggereert dat het universum dat we vandaag zien voortkomt uit een klein deel van het vroege universum. Dit kleine volume werd plotseling en snel uitgebreid - veel sneller dan het universum vandaag uitbreidt.
Net zoals wanneer je op een ballon tekent en deze vervolgens met lucht opvult, "strekt" de inflatie alle bultjes in het vroege universum uit en legt uit waarom we een redelijk vlak universum hebben - waar de condities overal gelijk zijn - waar je ook bent.
Hoewel dit veel verklaart over wat we zien, weten natuurkundigen nog steeds niet wat de oorzaak van de inflatie was. Details van wat er gebeurde tijdens deze inflatie zijn ook vaag. Een beter begrip van dit tijdperk zou ons veel kunnen vertellen over het universum zoals het nu is.
8 Kunnen we donkere energie en donkere materie vinden?
Het is een verbazingwekkend feit: slechts ongeveer 5 procent van het universum bestaat uit de materie die we kunnen zien. Natuurkundigen zagen enkele decennia geleden dat de sterren aan de buitenranden van sterrenstelsels sneller rond het midden van die stelsels cirkelden dan voorspeld.
Om dit uit te leggen, suggereerden de wetenschappers dat er misschien een onzichtbare "donkere" materie in die sterrenstelsels zit die ervoor zorgde dat de sterren sneller roteerden. Hierna brachten waarnemingen van het zich uitbreidende universum fysici ertoe om te concluderen dat er veel meer donkere materie moet zijn - vijf keer zoveel als de materie die we kunnen zien.
Daarnaast weten we dat de expansie van het universum eigenlijk aan het versnellen is. Dit is raar omdat we verwachten dat de zwaartekracht van de materie - zowel "licht" als "donker" - de expansie van het universum zal vertragen.
Combineer dit met het feit dat het universum vlak-ruimte-tijd is, in het algemeen, niet gekromd is - en kosmologen hebben een verklaring nodig voor iets dat de aantrekkingskracht van materie in evenwicht houdt.
"Donkere energie" is de oplossing. Het grootste deel van de energie in het universum kan niet worden opgesloten in de materie, maar in plaats daarvan, het drijft de expansie van het universum aan. Natuurkundigen geloven dat ten minste 70 procent van de energie van het universum in de vorm van donkere energie is.
Maar tot op de dag van vandaag zijn de deeltjes die deel uitmaken van de donkere materie en het veld dat de duistere energie maakt niet direct waargenomen in het laboratorium. Het waarnemen van donkere materie is moeilijk omdat het geen interactie heeft met licht, en dat is hoe observaties meestal worden gemaakt.
Maar natuurkundigen zijn hoopvol dat deeltjes van de donkere materie kunnen worden geproduceerd in de Large Hadron Collider (LHC), waar ze kunnen worden bestudeerd. Het zou kunnen blijken dat donkere materiedeeltjes zwaarder zijn dan alles wat de LHC kan produceren, in welk geval het nog veel langer een mysterie kan blijven.
Donkere energie wordt ondersteund door veel verschillende waarnemingen van het universum, maar het is nog steeds diep mysterieus. In een zeer reële betekenis kan het zijn dat "de ruimte zich gewoon graag uitbreidt" en we kunnen het alleen maar zien uitbreiden als we naar zeer grote schalen kijken.
Of misschien zijn de verklaringen voor donkere materie en duistere energie onjuist en is er een geheel nieuwe theorie nodig. Maar het zou alles moeten uitleggen dat we beter zien dan de huidige theorie voordat fysici het zullen adopteren. Toch is het ongelooflijk om te denken dat we maar heel weinig weten over 95 procent van het universum.
7 Wat zit er in het hart van een zwart gat?
Zwarte gaten zijn enkele van de meest gevierde objecten in astrofysica. We kunnen ze beschrijven als gebieden van ruimte-tijd met zulke sterke zwaartekrachtvelden dat zelfs licht niet kan ontsnappen.
Sinds Albert Einstein liet zien dat zwaartekracht ruimte en tijd "verbuigt" met zijn theorie van algemene relativiteit, weten we dat licht niet immuun is voor zwaartekrachtseffecten. De theorie van Einstein werd zelfs bewezen tijdens een zonsverduistering die aantoonde dat de zwaartekracht van de zon afgelegen stralen van verre sterren afweerde.
Sindsdien zijn veel zwarte gaten waargenomen, waaronder een enorme, supermassieve in het hart van onze eigen melkweg. (Maak je geen zorgen, het zal de zon niet snel opslokken.)
Maar het mysterie van wat er in het hart van een zwart gat gebeurt, is nog steeds onopgelost. Sommige natuurkundigen dachten dat er een "singulariteit" zou kunnen zijn - een punt van oneindige dichtheid met een massa geconcentreerd in een oneindig kleine ruimte. Het is moeilijk voor te stellen. Erger nog, elke singulariteit leidt tot een zwart gat in deze theorie, dus er is geen manier om direct een singulariteit te observeren.
Er is nog steeds discussie over de vraag of informatie verloren gaat in zwarte gaten. Ze absorberen deeltjes en straling en verspreiden Hawking-straling, maar de Hawking-straling lijkt geen verdere informatie te bevatten over wat er in het zwarte gat gebeurt. Sommige informatie over de deeltjes die buiten de horizon van het gebeuren in het zwarte gat vallen, lijkt verloren te zijn.
Het feit dat het onmogelijk lijkt, althans op dit moment, om te begrijpen wat de kern is van zwarte gaten, heeft ervoor gezorgd dat sci-fi-auteurs al decennia speculeren over de vraag of ze verschillende universums kunnen bevatten of kunnen worden gebruikt voor teleportatie of tijdreizen.
Omdat geabsorbeerd door een zwart gat wordt gerekt tot een reeks atomen ("spaghettificatie"), zijn we niet vrijwillig om naar binnen te gaan en erachter te komen.
6 Is daar intelligent leven?
Mensen dromen al zo lang van buitenaardse wezens als ze naar de nachtelijke hemel hebben gekeken en vroegen zich af wat daar zou kunnen bestaan. Maar de afgelopen decennia hebben we tal van verleidelijke bewijsstukken ontdekt.
Om te beginnen komen planeten veel vaker voor dan mensen oorspronkelijk dachten, met de meeste sterren met een planetair systeem. We weten ook dat de tijdsverschil tussen onze planeet bewoonbaar en leven opkomen was vrij klein. Suggereert dit dat het leven zich waarschijnlijk zal vormen? Als dat zo is, hebben we de beroemde 'Fermi-paradox': waarom hebben we nog niet met aliens gecommuniceerd?
Er zijn veel oplossingen voor de Fermi-paradox, variërend van het wild tot het meer trieste en alledaagse. Het toont echt de moeilijkheid om goede wetenschappelijke conclusies te trekken als je maar één datapunt hebt: wij.
We weten dat intelligent leven is geëvolueerd op deze planeet (oke, misschien is het discutabel), wat betekent dat het kan gebeuren. Maar we kunnen niet weten of we ongelofelijk veel geluk hebben gehad. Of misschien is er iets speciaals aan onze planeet dat het uiterst zeldzaam maakt, maar geschikt is om het leven te hosten. Of misschien is de kans dat het leven begint extreem laag, dus er zijn weinig of geen buitenaardse wezens die er zijn.
Astronoom Frank Drake stelde zijn "Drake-vergelijking" samen als een manier om naar alle verschillende aspecten van dit probleem te kijken. Elk van de termen is een reden waarom we misschien niet communiceren met intelligent leven.
Misschien is het leven gebruikelijk, maar intelligent leven is zeldzaam. Misschien besluiten na een tijdje alle beschavingen tegen het communiceren met andere levensvormen. Ze zijn daar, maar ze willen niet met ons praten.
Of, griezelig, misschien laat dit zien dat veel buitenaardse beschavingen zichzelf vernietigen kort nadat ze technologisch geavanceerd genoeg zijn om te communiceren. We kunnen ons zorgen maken over dit gebeurt op aarde met nucleaire wapens of onbeheerste AI.
Er is zelfs gesuggereerd dat het gebrek aan communicatie van buitenaardse wezens het bewijs is dat de wereld is geschapen - hetzij door een God, hetzij als onderdeel van een computersimulatie. Dit zou verklaren waarom er alleen wij zijn. De kosmische gamers spelen in singleplayer-modus.
De realiteit is dat we al zo lang niet hebben gezocht, en dat de ruimte onvoorstelbaar groot is. Signalen kunnen gemakkelijk verloren gaan, en een buitenaardse beschaving zou een krachtig radiosignaal moeten sturen om het op te halen. Maar het is opwindend om te denken dat de ontdekking van een buitenaardse beschaving morgen zou kunnen gebeuren en ons begrip van het universum voor altijd zou kunnen veranderen.
5 Kan iets sneller reizen dan de snelheid van het licht?
Sinds Einstein het gezicht van de natuurkunde heeft veranderd met zijn theorie van speciale relativiteit, zijn natuurkundigen er zeker van geweest dat niets sneller kan reizen dan de snelheid van het licht. Relativiteit voorspelt zelfs dat voor alles met massa om zelfs met de snelheid van het licht te reizen, oneindige energie vereist is.
We zien dit in de eerder genoemde ultra-hoogenergetische kosmische stralen. Ze hebben buitengewone energieën in verhouding tot hun grootte, maar ze reizen nog steeds niet zo snel. De snelheid van het licht als een harde limiet kan ook verklaren waarom communicatie vanuit buitenaardse beschavingen onwaarschijnlijk is. Als ze hierdoor ook worden beperkt, kan het duizenden jaren duren voordat signalen zijn binnengekomen.
Maar mensen vragen zich voortdurend af of er misschien manieren zijn om de snelheidslimiet van het universum te omzeilen. In 2011 had het OPERA-experiment enkele voorlopige resultaten die suggereerden dat neutrino's sneller dan de snelheid van het licht reisten. Maar onderzoekers merkten later nog een aantal extra fouten op in hun experimentele opzet die bevestigden dat de resultaten onjuist waren.
Als er een manier is om materie of informatie sneller dan de snelheid van het licht te communiceren, zou dit ongetwijfeld de wereld veranderen. Sneller dan licht reizen schendt de zogeheten causaliteit - de relatie tussen de oorzaken en gevolgen van gebeurtenissen.
Vanwege de manier waarop tijd en ruimte met elkaar in verband staan in speciale relativiteit, kan informatie die sneller reist dan de lichtsnelheid één persoon toelaten om informatie over een gebeurtenis te ontvangen voordat deze is "gebeurd" (volgens hen) - een soort van tijdreizen.
Snellere dan lichte communicatie zou allerlei paradoxen creëren die we niet weten op te lossen. Dus het lijkt waarschijnlijk dat het niet bestaat. Maar als het je lukt om het te ontwikkelen, kun je ons dat gisteren nog vertellen.
4 Kunnen we een manier vinden om turbulentie te beschrijven?
Terugkerend naar de aarde zijn er nog steeds genoeg dingen die in ons dagelijks leven moeilijk te begrijpen zijn. Probeer te spelen met de kranen in je huis.
Als je het water zachtjes laat stromen, kijk je naar de opgeloste fysica - een soort stroming die we goed begrijpen en die 'laminaire stroming' wordt genoemd. Maar als je het water op maximale druk zet en het ziet sputteren en spatten, ben je kijkend naar een voorbeeld van turbulentie. In veel opzichten is turbulentie nog steeds een onopgelost probleem in de natuurkunde.
De Navier-Stokes-vergelijking bepaalt hoe vloeistoffen zoals water en lucht moeten stromen. Deze vergelijking lijkt een beetje op een krachtbalans. We stellen ons voor dat de vloeistof wordt opgebroken in kleine massa's massa. Dan houdt de vergelijking rekening met alle verschillende krachten die op dit perceel werken - zwaartekracht, wrijving, druk - en probeert te bepalen hoe de snelheid van het pakket zou moeten reageren.
Voor eenvoudige of gestage stromen, kunnen we oplossingen vinden voor de Navier-Stokes-vergelijking die de stroom volledig beschrijven. Natuurkundigen kunnen dan een vergelijking noteren die je de snelheid (snelheid en richting) van het fluïdum op elk punt in de stroom vertelt.
Maar voor gecompliceerde, turbulente stromingen gaan deze oplossingen stuk. We kunnen nog steeds veel wetenschap met turbulente stromingen doen door de vergelijkingen numeriek op te lossen met grote computers. Dit geeft ons een benaderend antwoord zonder een formule die volledig verklaart hoe de vloeistof zich gedraagt.
We voorspellen het weer op deze manier. Maar totdat we die ongrijpbare oplossingen vinden, zal onze kennis onvolledig zijn. Trouwens, dit is een van de onopgeloste Clay Institute-prijsproblemen. Dus als het je lukt, is er een miljoen dollar voor je.
3 Kunnen we een ruimtetemperatuur supergeleider bouwen?
Supergeleiders kunnen enkele van de belangrijkste apparaten en technologieën zijn die mensen ooit zullen ontdekken. Het zijn speciale soorten materiaal. Wanneer de temperatuur laag genoeg daalt, daalt de elektrische weerstand van het materiaal tot nul.
Dit betekent dat je enorme stromen kunt krijgen voor een kleine hoeveelheid spanning over de supergeleider. Als u de elektrische stroom instelt die in een supergeleidende draad stroomt, kan deze miljarden jaren lang blijven stromen zonder te dissiperen, omdat er geen weerstand is voor de stroom.
Er gaat veel stroom verloren in onze huidige stroomkabels. Ze zijn niet supergeleidend en hebben een elektrische weerstand, waardoor ze warm worden als je een stroom doorlaat. Supergeleiders kunnen deze verliezen tot nul reduceren.
Maar de mogelijkheden van supergeleiders zijn zelfs spannender dan dit. Het magnetische veld geproduceerd door een draad heeft een sterkte die afhangt van de stroom die door die draad vloeit. Als u zeer hoge stromen in een supergeleider goedkoop kunt krijgen, kunt u echt krachtige magnetische velden krijgen.
Deze velden worden momenteel gebruikt in de Large Hadron Collider om de snel bewegende geladen deeltjes rond de ring om te leiden. Ze worden ook gebruikt in experimentele kernfusiereactoren, die in de toekomst onze elektriciteit zouden kunnen leveren.
Het probleem is dat alle bekende supergeleiders op deze zeer lage temperaturen moeten werken. Zelfs onze supergeleiders met de hoogste temperatuur moeten op -140 graden Celsius (-220 ° F) zijn voordat ze deze prachtige woning gaan tentoonstellen.
Bij afkoelen tot deze lage temperaturen is meestal vloeibare stikstof of iets dergelijks nodig. Daarom is het erg duur om te doen. Veel natuurkundigen en materiaalwetenschappers over de hele wereld werken aan de ontwikkeling van de heilige graal - een supergeleider die op kamertemperatuur zou kunnen werken. Maar niemand is er nog in geslaagd.
2 Waarom is er meer materie dan antimaterie?
In sommige opzichten weten we nog steeds niet waarom er überhaupt iets bestaat. Een gewaagde verklaring maar waar! Voor elk deeltje is er een gelijk en tegenovergesteld deeltje dat een antideeltje wordt genoemd. Dus voor elektronen zijn er positronen. Voor protonen zijn er antiprotonen. Enzovoorts.
Als een deeltje ooit het antideeltje raakt, vernietigen ze en worden ze straling. Omdat je waarschijnlijk niet wilt worden vernietigd, is het een goede zaak dat antimaterie ongelooflijk zeldzaam is. Soms valt het in kosmische stralen. We kunnen ook antimaterie in deeltjesversnellers maken voor biljoenen dollars per gram. Maar over het algemeen lijkt het ongelooflijk zeldzaam in ons universum.
Dit is een echt mysterie. We weten gewoon niet waarom materie in ons universum domineert en niet antimaterie. Elk bekend proces dat energie (straling) in materie verandert, produceert dezelfde hoeveelheid materie en antimaterie. Dus als het universum begon te worden gedomineerd door energie, waarom produceerde het dan niet dezelfde hoeveelheden materie en antimaterie?
We kunnen ons een universum voorstellen waarin energie materie-antimaterie paren worden. Dan zouden ze elkaar vernietigen en voor altijd terugkeren naar energie. Maar er zou geen structuur zijn, geen sterren en geen leven.
Er zijn enkele theorieën die dit kunnen verklaren. Wetenschappers die de interacties van deeltjes in de Large Hadron Collider onderzoeken, zijn op zoek naar voorbeelden van 'CP-overtreding'.
Als ze optreden, kunnen deze interacties aantonen dat de wetten van de fysica verschillend zijn voor materie en antimateriedeeltjes.Dan kunnen we ons voorstellen dat er misschien processen zijn die iets meer kans hebben om materie te produceren dan antimaterie en dit is waarom we een asymmetrisch universum zien dat gedomineerd wordt door materie.
Wilder-theorieën suggereren dat er hele gebieden van het universum kunnen zijn die worden gedomineerd door antimaterie. Interessant is dat het misschien moeilijker is om dit te betwisten dan je denkt.
Antimaterie en materie reageren op dezelfde manier met straling, en dus zien ze er precies hetzelfde uit. Onze telescopen konden geen onderscheid maken tussen een antimaterie-sterrenstelsel en een materiemelkweg.
Maar deze theorieën moeten uitleggen hoe de materie en de antimaterie gescheiden raken en waarom we geen bewijs zien dat er veel straling wordt geproduceerd wanneer de materie en antimaterie botsen en vernietigen.
Tenzij we bewijzen voor antimaterie sterrenstelsels ontdekken, lijkt CP-schending in het vroege universum als de beste oplossing. Maar we weten nog steeds niet precies hoe het werkt.
1 Kunnen we een verenigde theorie hebben?
In de 20e eeuw werden twee geweldige theorieën ontwikkeld die veel uitlegden over de natuurkunde. De ene was kwantummechanica, die detailleerde hoe kleine, subatomaire deeltjes zich gedroegen en met elkaar omgingen. De kwantummechanica en het standaardmodel van de deeltjesfysica hebben drie van de vier fysieke krachten in de natuur uitgelegd: elektromagnetisme en de sterke en zwakke kernkrachten. De voorspellingen zijn verbazingwekkend accuraat, hoewel mensen nog steeds ruzie maken over de filosofische implicaties van de theorie.
De andere grote theorie was de algemene relativiteit van Einstein, die de zwaartekracht verklaart. Over het algemeen vindt relativiteit en zwaartekracht plaats omdat de aanwezigheid van massa ruimte en tijd buigt, waardoor deeltjes paden volgen die gebogen zijn als gevolg van ruimte-tijd die uit vorm wordt gebogen. Het kan dingen verklaren die voorkomen op de grootste schaal - de vorming van sterrenstelsels en de dans van de sterren.
Er is maar één probleem. De twee theorieën zijn niet compatibel. We kunnen de zwaartekracht niet verklaren op een manier die logisch is met de kwantummechanica, en de algemene relativiteit omvat niet de effecten van de kwantummechanica. Voor zover we kunnen zien, zijn beide theorieën correct. Maar ze lijken niet samen te werken.
Omdat dit werd gerealiseerd, hebben fysici gewerkt aan een soort oplossing die de twee theorieën met elkaar kan verzoenen. Dit wordt een Grand Unified Theory (GUT) of alleen de Theory of Everything genoemd.
Wetenschappers zijn gewend aan het idee van theorieën die alleen binnen bepaalde grenzen werken. De bewegingswetten van Newton zijn bijvoorbeeld wat je krijgt als je een lage-snelheidslimiet van speciale relativiteit neemt. Ook werden elektriciteit en magnetisme beschouwd als volledig andere theorieën totdat Maxwell ze verenigde in elektromagnetisme.
Natuurkundigen hopen te kunnen "uitzoomen" en zien dat kwantummechanica en algemene relativiteitstheorie beide deel uitmaken van een grotere theorie, zoals patches in een quilt. Snaartheorie is een poging die kenmerken van algemene relativiteit en kwantummechanica kan reproduceren. Maar het is moeilijk om zijn voorspellingen met experimenten te testen, dus het kan niet worden bevestigd.
De zoektocht naar een fundamentele theorie - een die alles kan verklaren - gaat verder. Misschien zullen we het nooit vinden. Maar als de natuurkunde ons iets heeft geleerd, is het dat het universum echt opmerkelijk is en dat er altijd nieuwe dingen te ontdekken zijn.