Dela med sig:
Topp 10 Oupplösta Mysterier I Fysik
Om du någonsin har tittat på en episod av Star Trek eller Big Bang-teorin, då vet du att fysiken kan bli tillgänglig för massorna på ett roligt sätt. Våra favorit sci-fi och komedi författare får inte alla detaljer rätt, men de gnistrar vårt intresse för de vetenskapliga aspekterna av vetenskapsteorier.
Idag ska vi prata om 10 riktiga mysterier som fysiken ännu inte har förklarat. Från alien kommunikation till tid resa till gushing kranar, försöker vi göra dessa mysterier förstår för alla.
Du kanske vill utforska dessa ämnen vidare på egen hand. När allt kommer omkring finns det miljoner dollar som väntar på de människor som löser några kosmiska pussel. (Läs vidare för att ta reda på vilken av dessa 10 mysterier som kan göra dig rik.) Du får nog en Nobelpris och förändrar världen också.
10 Var kommer kosmiska strålar med hög energi från?
Vår atmosfär ständigt drabbas av partiklar från yttre rymden med höga energier. Dessa kallas "kosmiska strålar". Även om de inte utsätter människor för mycket skada, har de fascinerat fysiker. Observation av kosmiska strålar har lärt oss mycket om astrofysik och partikelfysik. Men det finns några - de som har mest energi - som är mystiska för denna dag.
1962, vid Volcano Ranch experimentet, såg Dr John D. Linsley och Livio Scarsi något otroligt: en kosmisk strålning med hög energi och en energi på över 16 joules. För att ge dig ett visst perspektiv, är en joule ungefär den energi som krävs för att lyfta ett äpple från golvet till ett bord.
All den energin är koncentrerad i en partikel hundra miljoner miljarder gånger mindre än äpplet. Det betyder att det reser mycket nära ljusets hastighet!
Fysiker vet inte hur dessa partiklar får denna otroliga mängd energi. Vissa teorier inkluderar tanken att de kan komma från supernova, när stjärnor exploderar i slutet av livet. Partiklarna kan också accelereras i skivorna med kollapsande material som bildar runt svarta hål.
9 Var vårt universum dominerat av inflation?
Universum är otroligt platt på stora vågar. Det här kallas "kosmologiska principen" - tanken att, wherever du går i universum, finns det ungefär samma mängd saker i genomsnitt.
Men teorin om big bang föreslår att det i de allra första tiderna måste ha varit några stora skillnader i densitet i det tidiga universum. Så det var mycket klumpigare än vårt universum är idag.
Inflationsteorin föreslår att universum vi ser idag kommer från en liten volym av det tidiga universum. Denna lilla volym plötsligt och snabbt expanderat-långt snabbare än universum expanderar idag.
Precis som om du drog på en ballong och fyllde den med luft, "utsträckte" alla klumparna i det tidiga universum och förklarar varför vi har ett ganska platt universum där förhållandena är likartade var du än går.
Även om detta förklarar mycket om vad vi ser, vet fysiker fortfarande inte vad som orsakade inflationen. Detaljer om vad som hänt under denna inflation är också sketchy. En bättre förståelse för den här eran skulle kunna berätta mycket för universum som det är idag.
8 Kan vi hitta mörk energi och mörk materia?
Det är ett fantastiskt faktum: Endast cirka 5 procent av universum består av den fråga som vi kan se. Fysiker uppmärksammade några årtionden sedan att stjärnorna på galaxernas yttre kanter gick runt i centrum av dessa galaxer snabbare än förutspådda.
För att förklara detta föreslog vetenskapsmännen att det kan finnas någon osynlig "mörk" fråga i de galaxer som orsakade stjärnorna att rotera snabbare. Därefter fick observatörer av det expanderande universet fysiker att dra slutsatsen att det måste finnas mycket mer mörk materia där ute - fem gånger så mycket som det vi kan se.
Vid sidan av detta vet vi att universums expansion faktiskt accelererar. Det här är konstigt eftersom vi förväntar oss att gravitationsdragen i materia - både "ljus" och "mörk" - för att sakta ner universums expansion.
Kombinera detta med det faktum att universum är platt-rymdtid totalt sett är det inte krökt och kosmologer behöver en förklaring till något som balanserar gravitationsattraktionen hos materien.
"Mörk energi" är lösningen. Det mesta av energin i universum kan inte spärras i materia, utan i stället driver den universums expansion. Fysiker tror att minst 70 procent av universums energi är i form av mörk energi.
Ännu i dag har partiklarna som utgör mörk materia och fältet som utgör mörk energi inte observerats direkt i laboratoriet. Att observera mörk materia är svår eftersom det inte interagerar med ljus, vilket är hur observationer vanligtvis görs.
Men fysiker är hoppfulla att partiklar av mörk materia kan produceras i Large Hadron Collider (LHC), där de kan studeras. Det kan visa sig att mörka partiklar är tyngre än vad som LHC kan producera, i vilket fall det kan vara ett mysterium under mycket längre tid.
Mörk energi stöds av många olika observationer av universum, men det är fortfarande djupt mystiskt. I en mycket riktig bemärkelse kan det vara att "utrymme bara gillar att expandera" och vi kan bara se det expandera när vi tittar på väldigt stora skalor.
Eller kanske den mörka materien och mörka energiförklaringar är felaktiga, och en helt ny teori behövs. Men det skulle behöva förklara allt vi ser bättre än den nuvarande teorin innan fysikerna kommer att anta det. Ändå är det otroligt att tro att vi kanske vet väldigt lite om 95 procent av universum.
7 Vad ligger i hjärtat av ett svart hål?
Svarta hål är några av de mest berömda föremålen i astrofysik. Vi kan beskriva dem som områden av rymdtid med så starka gravitationsfält att även ljus inte kan fly.
Ända sedan Albert Einstein visade att gravitationen "böjer" utrymme och tid med sin teori om generell relativitet, har vi visat att ljus inte är immun mot gravitationseffekter. Faktum är att Einsteins teori visades under en solförmörkelse som visade att solens gravitation avledde avlägsna strålar från avlägsna stjärnor.
Sedan dess har många svarta hål observerats, inklusive en enorm supermassiv i hjärtat av vår egen galax. (Oroa dig inte. Det kommer inte att svälja upp solen någon gång snart.)
Men mysteriet om vad som händer i hjärtat av ett svart hål är fortfarande olöst. Vissa fysiker trodde att det kunde finnas en "singularitet" - en punkt av oändlig densitet med viss massa koncentrerad till ett oändligt litet utrymme. Det är svårt att föreställa sig. Ännu värre leder dock någon singularitet till ett svart hål i denna teori, så det finns inget sätt att vi kunde observera en singularitet direkt.
Det är fortfarande diskussion om huruvida information går förlorad i svarta hål. De absorberar partiklar och strålning och avger Hawking-strålning, men Hawking-strålningen tycks inte innehålla ytterligare information om vad som händer inom det svarta hålet. Vissa uppgifter om partiklarna som faller bortom händelsehorisonten i det svarta hålet verkar gå vilse.
Det faktum att det för närvarande verkar omöjligt att förstå vad som ligger i hjärtat av svarta hål har gjort att sci-fi-författare spekulerar i årtionden om huruvida de kunde innehålla olika universum eller användas för teleportation eller tidsresor.
Eftersom det absorberas av ett svart hål involveras att sträckas in i en rad atomer ("spaghettification"), är vi inte volontärarbete för att satsa inuti och ta reda på.
6 Är det intelligent liv där ute?
Människor har drömt om utomjordingar så länge de har tittat upp på natthimlen och undrat vad som kan finnas där ute. Men under de senaste årtiondena har vi upptäckt massor av tantalizing bevis.
För en början är planeter betydligt vanligare än människor som ursprungligen trodde, med de flesta stjärnor som har ett planet system. Vi vet också att tidsgapet mellan vår planet blir beboelig och livet som växer fram på det var ganska liten. Antyder detta att livet sannolikt kommer att bildas? Om så har vi den berömda "Fermi paradoxen": Varför har vi inte kommunicerat med utomjordingar än?
Det finns gott om lösningar på Fermi-paradoxen, allt från vilda till mer sorgliga och vardagliga. Det visar verkligen svårigheten att nå goda vetenskapliga slutsatser när du bara har en datapunkt: oss.
Vi vet att det intelligenta livet utvecklats på denna planet (okej, kanske är det diskutabelt), vilket innebär att det kan hända. Men vi kan inte veta om vi bara blev otroligt lyckliga. Eller kanske finns det något speciellt om vår planet som gör den extremt sällsynt men lämplig för värd för livet. Eller kanske sannolikheten för livets början är extremt låg, så det finns få, om någon, utomjordiska civilisationer där ute.
Astronom Frank Drake sätter samman sin "Drake Equation" som ett sätt att titta på alla olika aspekter av detta problem. Var och en av villkoren utgör en anledning till att vi kanske inte kommunicerar med det intelligenta livet.
Kanske är livet vanligt, men det intelligenta livet är sällsynt. Kanske, efter ett tag bestämmer alla civilisationer mot att kommunicera med andra livsformer. De är där ute, men de vill inte prata med oss.
Eller, chillingly, kanske det här visar att många utomjordiska civilisationer förstör sig kort efter att de blivit tekniskt avancerade nog att kommunicera. Vi kan oroa oss för detta på jorden med kärnvapen eller out-of-control AI.
Det har till och med föreslagits att bristen på kommunikation från utlänningar är ett bevis på att världen skapades - antingen av en Gud eller som en del av en datorsimulering. Detta skulle förklara varför det bara finns oss. De kosmiska spelarna spelar i singelspelarläge.
Verkligheten är att vi inte har letat efter så länge, och rymden är otänkbart stor. Signaler kan lätt gå vilse, och en utomjordisk civilisation skulle behöva skicka en kraftfull radiosignal för att vi ska kunna hämta det. Men det är spännande att tro att upptäckten av en utomjordisk civilisation kan hända i morgon och förändra vår förståelse av universum för evigt.
5 Kan någonting resa snabbare än ljusets hastighet?
Eftersom Einstein förändrade fysikens ansikte med sin teori om speciell relativitet, har fysiker varit säkra på att ingenting kan resa snabbare än ljusets hastighet. Faktum är att relativitet förutspår att allting med massa för att ens resa vid ljusets hastighet krävs oändlig energi.
Vi ser detta i de ovan nämnda ultrahög-energiska kosmiska strålarna. De har extraordinära energier i förhållande till deras storlek, men de kör fortfarande inte snabbt. Ljusets hastighet som en hård gräns kan också förklara varför kommunikation från utlänningar är osannolika. Om de också är begränsade av detta kan signaler ta tusentals år att komma fram.
Men människor ständigt ifrågasätter om det finns några sätt runt universumets hastighetsgräns. Under 2011 hade OPERA-experimentet några preliminära resultat som föreslog att neutrinos färdades snabbare än ljusets hastighet. Men forskare upptäckte senare några ytterligare fel i sin experimentella inställning som bekräftade att resultaten var felaktiga.
Om det finns något sätt att kommunicera materia eller information som är snabbare än ljusets hastighet, skulle det utan tvekan förändra världen. Snabbare än lätt resa strider mot någonting som kallas kausalitet - förhållandet mellan orsakerna och effekterna av händelserna.
På grund av det sätt som tid och utrymme är inbördes samband med särskild relativitet, kommer information som reser snabbare än ljusets hastighet att tillåta en person att ta emot information om en händelse innan det har "hänt" (enligt dem) -typ av tidsresa.
Snabbare än ljuskommunikation skulle skapa alla slags paradoxer som vi inte vet hur man ska lösa. Så det verkar troligt att det inte existerar. Men om du lyckas utveckla det, berätta om det i går.
4 Kan vi hitta ett sätt att beskriva turbulens?
Att flytta tillbaka till jorden finns fortfarande många saker som uppstår i våra vardagsliv som är svåra att förstå. Försök spela med kranarna i ditt hem.
Om du låter vattnet flöda försiktigt, tittar du på lös fysik-en typ av flöde vi förstår väl, som kallas "laminärt flöde". Men om du vänder upp vattnet till maximalt tryck och ser det sputter och spurt, är du tittar på ett exempel på turbulens. På många sätt är turbulens fortfarande ett olöst problem i fysiken.
Navier-Stokes-ekvationen bestämmer hur vätskor som vatten och luft ska flöda. Denna ekvation är lite som en kraftbalans. Vi föreställer oss att vätskan är uppbruten i små masspaket. Då beaktar ekvationen alla de olika krafterna som verkar på detta paket-gravitation, friktion, tryck och försöker bestämma hur paketets hastighet ska reagera.
För enkla eller stabila flöden kan vi hitta lösningar på Navier-Stokes-ekvationen som beskriver flödet fullständigt. Fysiker kan sedan skriva ner en ekvation som berättar för hastigheten (hastighet och riktning) hos vätskan vid vilken som helst punkt i flödet.
Men för komplicerade turbulenta flöden börjar dessa lösningar bryta ner sig. Vi kan fortfarande göra mycket vetenskap med turbulenta flöden genom att lösa ekvationerna numeriskt med stora datorer. Detta ger oss ett ungefärligt svar utan en formel som förklarar fullt hur vätskan fungerar.
Vi förutser vädret på detta sätt. Men tills vi hittar de lösliga lösningarna kommer vår kunskap att vara ofullständig. Förresten, detta är ett av de olösta Clay Institute prisproblemen. Så om du klarar det finns det en miljon dollar för dig.
3 Kan vi bygga en rums-temperatur superledare?
Superledare kan vara några av de viktigaste enheterna och teknikerna som människor någonsin upptäcker. De är speciella materialtyper. När temperaturen sjunker tillräckligt låg, faller materialets elektriska resistans till noll.
Detta innebär att du kan få enorma strömmar för en liten applikation av spänning över superledaren. Om du ställer in den elektriska strömmen som strömmar i en superledande tråd, kan den fortsätta att flöda i miljarder år utan att släppa ut eftersom det inte finns något motstånd mot flödet.
En stor del ström går förlorad i våra strömkablar. De är inte superledande och har elektriskt motstånd, vilket gör att de värmer upp när du passerar en ström genom dem. Superledare kan minska dessa förluster till noll.
Men superledarnas möjligheter är ännu mer spännande än detta. Magnetfältet som produceras av en tråd har en styrka som beror på strömmen som strömmar genom den här tråden. Om du kan få mycket höga strömmar i en superledare billigt kan du få riktigt kraftfulla magnetfält.
Dessa fält används för närvarande i Large Hadron Collider för att avleda de rörliga laddade partiklarna runt sin ring. De används också i experimentella kärnfusionsreaktorer som kan ge vår el i framtiden.
Problemet är att alla kända superledare måste vara vid dessa mycket låga temperaturer för att fungera. Till och med våra hetaste temperatur superledare måste vara på -140 grader (-220 ° F) innan de börjar visa denna underbara egendom.
Kylning dem till dessa låga temperaturer kräver vanligtvis flytande kväve eller något liknande. Därför är det mycket dyrt att göra. Många fysiker och materialforskare över hela världen arbetar med att utveckla den heliga graden - en superledare som kan arbeta vid rumstemperatur. Men ingen har lyckats med det ännu.
2 Varför är det mer materia än antimatter?
På vissa sätt vet vi fortfarande inte varför någonting existerar alls. Ett djärvt uttalande men sant! För varje partikel finns en jämn och motsatt partikel som kallas en antipartikel. Så för elektroner finns det positrons. För protoner finns det antiprotoner. Och så vidare.
Om en partikel någonsin berör dess antipartikel, förintas de och blir till strålning. Eftersom du förmodligen inte vill bli utplånad är det bra att antimaterier är otroligt sällsynta. Ibland faller det i kosmiska strålar. Vi kan också göra antimateriel i partikelacceleratorer för trillioner dollar per gram. Men i det hela taget verkar det vara oerhört sällsynt i vårt universum.
Detta är ett verkligt mysterium. Vi vet helt enkelt inte varför materia dominerar i vårt universum och inte antimaterier. Varje känd process som förändrar energi (strålning) till materia ger samma mängd materia och antimateriel. Så om universum började domineras av energi, varför producerade det då inte lika stora mängder materia och antimateriel?
Vi kan föreställa oss ett universum där energi blir till materie-antimatterpar. Då skulle de förintetgöra varandra och återvända till energi för alltid. Men det skulle inte finnas någon struktur, inga stjärnor och inget liv.
Det finns några teorier som kan förklara detta. Forskare som undersöker partiklarnas interaktioner vid Large Hadron Collider letar efter exempel på "CP-kränkning".
Om de uppstår kan dessa interaktioner visa att fysikens lagar skiljer sig från materia och antimatpartiklar.Då kan vi föreställa oss att det kanske finns processer där ute som är något mer sannolika att producera materia än antimatter och det är därför vi ser ett asymmetriskt univers som domineras av materia.
Wilder teorier föreslår att det kan finnas hela regioner i universum som domineras av antimateriel. Intressant kan det vara svårare att bestrida detta än du tror.
Antimaterier och materia interagerar med strålning på samma sätt, och så ser de exakt ut på samma sätt. Våra teleskop kunde inte skilja mellan en antimattergalax och en materielgalax.
Men dessa teorier måste förklara hur materien och antimateriet blev separerade och varför vi inte ser bevis på att mycket strålning produceras när materien och antimateriet kolliderar och utplånas.
Om inte vi upptäcker bevis för antimatrisgalaxer ser CP-kränkning i det tidiga universum ut som den bästa lösningen. Men vi vet fortfarande inte exakt hur det fungerar.
1 Kan vi ha en enhetlig teori?
Under 20-talet utvecklades två stora teorier som förklarade mycket om fysik. En var kvantmekanik som beskriver hur små, subatomiska partiklar uppträdde och interagerade. Kvantmekanik och standardmodellen för partikelfysik har förklarat tre av de fyra fysiska krafterna i naturen: elektromagnetism och de starka och svaga kärnkrafterna. Dess förutsägelser är otroligt noggranna, även om man fortfarande argumenterar för teorinets filosofiska konsekvenser.
Den andra stora teorin var Einsteins generella relativitet, vilket förklarar gravitationen. Generell relativitet uppträder gravitation som närvaro av massböjningsutrymme och tid, vilket gör att partiklar följer vägar som är böjda på grund av att rymdtid är böjd ur form. Det kan förklara saker som uppstår på de största vågorna - bildandet av galaxer och stjärnans dans.
Det finns bara ett problem. De två teorierna är oförenliga. Vi kan inte förklara tyngdkraften på ett sätt som är meningsfullt med kvantmekanik, och generell relativitet omfattar inte kvantemekanikens effekter. Såvitt vi kan berätta är båda teorierna korrekta. Men de verkar inte fungera tillsammans.
Sedan detta insåg har fysiker arbetat med någon form av lösning som kan förena de båda teorierna. Detta kallas en Grand Unified Theory (GUT) eller bara Theory of Everything.
Forskare är vana vid tanken på teorier som bara fungerar inom vissa gränser. Newtons rörelseslagar är till exempel vad du får när du tar en speciell relativitet med låg hastighet. Även elektricitet och magnetism brukade betraktas som helt olika teorier tills Maxwell förenade dem med elektromagnetism.
Fysiker hoppas kunna "zooma ut" och se att kvantmekanik och generell relativitet är båda en del av en större teori, som fläckar i ett täcke. Strängteori är ett försök som kan reproducera egenskaper av generell relativitet och kvantmekanik. Men det är svårt att testa sina förutsägelser med experiment, så det kan inte bekräftas.
Sökandet efter en grundläggande teori-en som kan förklara allt-fortsätter. Kanske kommer vi aldrig att hitta den. Men om fysiken har lärt oss någonting, är det att universum verkligen är anmärkningsvärt och det finns alltid nya saker att upptäcka.