Korunk 10 legnagyobb fizikai rejtvénye - a tudomány spektruma
Tudás: Korunk 10 legnagyobb fizikai fejtörője
Amikor Max Planck a 19. század végén egy fizika professzornál kifejezte a fizika tanulmányozásának kívánságát, azt mondták neki, hogy alapvetően mindent tudnak. A fizikában csak jelentéktelen hiányosságok vannak kitöltve. Planckot nem riadták vissza, és a kvantumfizika társalapítójaként forradalmasította a világról alkotott képünket.
Most vitathatatlan, hogy a fizika még korántsem ért véget. Minél szélesebb körű a tudás, annál nagyobbak a rejtvények! Ez a tíz kedvencünk a fizika legnagyobb rejtvényei között:
Számtalan apró részecske zúdul folyamatosan ránk az űrből. Köztük van néhány olyan is, aki elképesztően nagy energiával zörög itt. A tudósokat annyira meglepte 1991-es felfedezésük, hogy a részecskéket "Oh-My-God részecskéknek" vagy "OMG részecskéknek" nevezték el. Eredete titokzatos, energiája pedig riasztóan magas: körülbelül 20 milliószor haladja meg az űrből származó közönséges részecskékét. Ha elütne egy OMG részecske, úgy érezné, mintha a baseball ütne meg. Szerencsére a részecskék nagyon ritkák, és a légkör is korán lelassítja őket.
A legtöbb kozmikus sugár csillagok, szupernóva-robbanások vagy különféle nagy energiájú folyamatok légköréből származik. Az asztrofizikusok bizonyos galaxisokról vagy galaxismagokról, az úgynevezett kvazárokról gyanakodnak, hogy az OMG részecskék származnak. Nemrég fedezték fel, hogy a részecskék valójában egy adott galaxishalmaz irányából érkeznek. De ha a részecskék valóban onnan érkeznének, túl sok energiát veszítenének a Föld felé vezető útjuk során, és nem érkeznének ide ilyen gyors ütemben - nyilvánvaló ellentmondás.
A kutatók ezen anyagok 27 évvel ezelőtti felfedezése óta töprengenek a magas hőmérsékletű szupravezetőkön: Ellenállás nélkül vezetik az elektromos áramot, és olyan hőmérsékleten, amelyen ez a jelenség valójában nem fordulhat elő.
Amikor elektromos áram folyik a kábeleinken, az energia egy része mindig elvész. A szupravezetők esetében ez nem így van: energiaveszteség nélkül működnek, feltéve, hogy jóval nulla alá hűtik őket. A magas hőmérsékletű szupravezetéssel szemben az alapelv érthető. Elektronpárok, úgynevezett Cooper-párok kialakulásán alapul. Az ilyen párok nagyon alacsony hőmérsékleten képződhetnek, és ellenállás nélkül vándorolhatnak a vezető anyagon. A fizikusok hasonló mechanizmusokra gyanakszanak a magas hőmérsékletű szupravezetőkben, de pontos modellt még nem tudtak bemutatni. De még ha megértenénk is a jelenséget, ezeknek a vezetőknek a használata korlátozott lenne. A "magas hőmérséklet" kifejezést relatív értelemben kell értelmezni: a környezeti hőmérséklet, amelynél szupravezető tulajdonságokkal rendelkeznek, még mindig nagyon alacsony, mínusz 140 Celsius-fok és hidegebb. Ennek ellenére a jövőben a magas hőmérsékletű szupravezetők a hagyományos vezetők alternatívájává válhatnak, legalábbis a speciális alkalmazásokon belül. És ki tudja, talán új lehetőségek nyílnak meg, ha már megértette a működését.
Szörnyen hangzik: egy sötét lyuk, amely titokzatosan mindent elnyel. Az asztrofizikusok fekete lyukaknak nevezik őket, de nem tudják pontosan, hogyan írják le ezeket a szerkezeteket fizikailag. Akkor keletkeznek, amikor egy nagyon masszív csillag felhasználta energiáját, és a gravitáció miatt összeomlik. A relativitáselmélet szerint ez a hihetetlenül összenyomott tömeg olyan erősen deformálja a teret és az időt, hogy mindent "lenyelnek", hogy soha többé ne láthassák. Nagy probléma lapul itt. Mert egy fekete lyuk akkor képes lenne elpusztítani az információkat. A kvantummechanika azonban azt állítja, hogy minden információ, amely ott volt, vagyis az eredeti részecskekonfiguráció, mindig rekonstruálható a végtermékekből. De mi van, ha a végtermék csak eltűnt? Az információk akkor visszavonhatatlanul elvesznének. Sok fizikus megkérdőjelezte a fekete lyukak létezésének ezt a paradoxonját. Mások azt feltételezik, hogy az idő és a tér nagyon erős alakváltozása zárt tér-idő hurokokat hozhat létre. Ezek talán lehetővé tennék az időutazást. Látomáskutatás vagy csak tudományos-fantasztikus? A fekete lyukak megmagyarázhatatlan és lenyűgöző fejezet maradnak a fizikában.
A turbulencia - vagyis folyadékok vagy gázok kavargása - hihetetlenül kemény diónak bizonyult a fizikusok számára. Hosszú évtizedek óta keresnek egy elméleti modellt, amely teljes mértékben leírhatja az ilyen turbulens mozgásokat. Sikertelenül. A turbulencia olyan mindennapos jelenség: amikor fúj a szél, a tűz forral a vízen, vagy a tejbe keverjük a kávét. Minden turbulens mozgás a nemlineáris dinamika része, amelyhez a káoszkutatás is tartozik. Az ilyen típusú rendszerek rendkívül érzékenyek. Az elején jelentkező apró zavarok vagy minimálisan megváltozott körülmények egészen más viselkedéshez vezethetnek. Ez egyelőre lehetetlenné teszi a turbulens mozgás hosszú távú előrejelzését. A fizikusok azonban továbbra is türelmesen keresik az összes turbulenciában rejlő egyetemes törvényeket. Nagy jelentősége lenne egy általánosan érvényes leírásnak, mivel sokféle területen alkalmazható: időjárás-előrejelzésben, a légellenállás minimalizálásában, bonyolult járművekben vagy akár a galaxisok kialakulásának kutatásában.
Univerzumunk nem létezne gravitáció nélkül - de működését még nem sikerült egyértelműen tisztázni. Olyan nyilvánvalónak tűnik: együtt tart minket a földön, a bolygókat pályájukon és a galaxisokat. Isaac Newton már a 17. század végén felismerte, hogy a tömeg vonzza egymást. Einstein relativitáselmélete szerint azonban ez egy kicsit bonyolultabb: A gravitáció nem közvetlenül hat a testek között, inkább egy test tömege kezdetben csak deformálja a teret és az időt. Az univerzumban ezért rengeteg horpadás és domborulat van. A testek hajlamosak a horpadásra, ami számunkra végső soron a tömeg vonzásában mutatkozik meg. Ennek az elméletnek a igazolására a fizikusok úgynevezett gravitációs hullámokat keresnek. Ezeket gyorsított tömegeknek kell kibocsátaniuk, fénysebességgel el kell teríteniük az űrben, és nyújtaniuk és összenyomniuk. Eddig azonban csak közvetett bizonyítékot találtak létezésükre.
Az sem világos, hogy van-e gravitációs csere részecske, amely az erő egyfajta hordozójaként működik - hasonlóan a másik három alapvető fizikai erő esetéhez. Egyes elméletek az úgynevezett gravitont feltételezik erről. Mivel azonban az átvitt erő nagyon kicsi, a gravitonok létezését még nem sikerült igazolni. A fizikusok nem tudják megérteni, miért olyan gyenge a gravitáció a másik három alaperőhöz képest - ez a tény még a fizikai modellekben is jelentős problémákhoz vezet. Sok kérdés, alig van válasz. A gravitáció egyelőre rejtély és marad!
10, 11 vagy akár 26 - ki kínál többet? Szinte úgy tűnik, mintha a fizikusok a dimenziók számával jeleskednének modelljeikben. De hogy néznek ki? Nehéz elképzelni, hogy a három felül-alul, elülső-hátsó és bal-jobb oldali térdimenzió mellett léteznek más dimenziók is. Albert Einstein volt az első, aki felismerte, hogy negyedik tengelyként időt kell hozzáadni a korábban háromdimenziós X-Y-Z koordinátarendszerhez, hogy a valóságot matematikailag helyesebb módon írja le. Ez a négydimenziós téridő forradalom volt a fizikában.
Még nem volt folytatás: egyetlen további dimenziót sem sikerült kísérletileg bizonyítani. De ez nem akadályozza meg a fizikusokat abban, hogy szinte inflációs módon vezessenek be további dimenziókat. Bármilyen más, mint az elméletek, ugyanúgy, mint a szám: Ha a húrelmélet még mindig tíz dimenzióval kezel, az M-elmélet és a hurokkvantum gravitáció tizenegy, a bozon húrelmélet pedig 26-ot igényel. A valóság fogalmához azonban nagyon hasznos lenne, a dimenziók pontos számának és a világra gyakorolt hatásának ismerete. De egyelőre nem is érti a negyedik dimenzió, az idő természetét.
Nap, hold és csillagok - a számunkra ismert égitestek korántsem mind azok, amelyek az univerzumban kavarganak. A tudás jelenlegi állása szerint univerzumunk csak az ismert anyag körülbelül öt százalékából áll. A csillagászati jelenségek e feltételezés mellett szólnak: Például a centrifugális erő azonnal széthúzná a forgó galaxisokat, ha nem egy láthatatlan anyagról lenne szó, amely a galaxisokat összetartja. Nem tudjuk, hogy néz ki ez az úgynevezett sötét anyag. Mert közvetetten kívül - gravitációs hatása révén - még nem bizonyított. A csillagászok becslései szerint ez az univerzum tömegének körülbelül 27 százalékát teszi ki.
Feltételezzük, hogy a tömeg legnagyobb hányada egy korábban ismeretlen energia mögött van. A tömegek gravitációs hatásának eredményeként az univerzumnak egyre lassabban kellene tágulnia. De az ellenkezője a helyzet. A kutatók feltételezik, hogy az egyre gyorsabb terjeszkedés, az úgynevezett sötét energia mozgatórugója van. Ellensúlyozza a gravitációt és tovább fújja az univerzumot. Mivel az energiát mindig tömegnek tekinthetjük, kiszámítható a sötét energia hozzájárulása az univerzum teljes tömegéhez: 68 százalék körül járul hozzá. A világegyetem tehát tele van olyan anyaggal, amely nemcsak az észlelésünk előtt van lezárva, hanem az összes eddigi kifinomult detektálási módszer előtt is!
Nem lenne jó, ha egyetlen elméletünk lenne, amelyből a fizika összes törvénye levezethető? Sok híres fizikus, köztük Einstein, ezt a gondolatot nemcsak csábítónak, de hihetőnek is találta. Ennek az egyetlen "világképletnek" a keresése azonban hiábavaló volt. Ennek ellenére ma is sok tudós meg van győződve arról, hogy egyetlen egységes elméletnek kell lennie, vagy legalábbis létezhet. Az első nagy lépés az úgynevezett "Grand Unified Theory" (GUT) lenne. A négy alapvető fizikai erőből hármat egyetlen elemi erőből kell levezetnie: (i) az elektromágneses, (ii) a bomlási és átalakulási folyamatokban részt vevő gyenge kölcsönhatás és (iii) az atommagokat összetartó erős kölcsönhatás. Mivel ennek a három erőnek hasonló matematikai felépítése van, a fizikusok azt gyanítják, hogy a GUT létezése valószínű.
A tényleges világképletbe vagy a "Mindennek elméletébe" (TOE) bele kellene foglalni a negyedik erõt, a gravitációt is. A TOE elvárásai magasak: Meg kell magyaráznia a sötét anyag és a sötét energia természetét, valamint univerzumunk történelmének számos jelenségét. A világképlet forró jelöltjei az M-elmélet (általánosított és kibővített húrelmélet) és a hurokkvantum gravitáció. Mindkét elmélet azonban még mindig jelentős problémákkal szembesül, és távolról sem képesek mindent átfogó leírásokként szolgálni. Nehéz olyasmit keresni, amelyről nem tudnád, hogy valóban létezik-e.
Varázslatnak hangozhat: részecskék, amelyek egyszerre több helyen vannak, vagy amelyek egymástól távolságon keresztül kapcsolódnak. A kvantummechanikai részecskék esetében azonban ez a valóság, és nem lokalizációnak és összefonódásnak nevezik. Ez utóbbit Einstein gúnyosan "kísérteties cselekedetnek" nevezte, mivel akkoriban az említett jelenségek nem voltak kompatibilisek a korábban érvényes fizikával. Az összefonódásban két olyan részecske, amely korábban párként jelent meg, térbeli elválasztásuk után is összekapcsolódik egymással. Az egyik részecskén végzett mérések késedelem nélkül, azonnali hatást gyakorolnak a másik részecske állapotára.
Sőt, a kvantummechanikai részecskéknél nem lehet pontos helyzeteket megadni. Ehelyett egy matematikai képlet csak azt a valószínűséget adja meg, amellyel egy részecske a tér különböző helyein helyezkedik el. A kvantummechanikai valóság tehát sok állapot szuperpozíciója. Az ilyen jelenségeket kísérletekben sokszor bebizonyították, és a kvantummechanika is megadta a megfelelő elméleti modelleket. Ennek ellenére senki sem tudja, hogy a kvantummechanikai jelenségek valójában mennyire részei a valóságnak, és ennek milyen következményei lennének: Minden összefügg? És vannak-e még párhuzamos univerzumok, amelyekben az összes kvantummechanikailag lehetséges állapot megvalósul? Az ilyen spekulációk már sok vitához vezettek a fizikusok között. Egy dolog azonban biztos: a kvantummechanika megmutatja értelem határait. Valószínűleg a világ teljesen más felépítésű, mint azt a mindennapi tapasztalataink alapján hisszük. Ez egy lehetséges magyarázat arra, hogy bizonyos dolgok miért tűnnek varázslatnak számunkra.
Hogyan kezdődött és hogyan fejeződik be az egész? A kezdet és a vég egyáltalán létezik? Nemcsak a filozófusok foglalkoznak ezekkel a kérdésekkel. A fizikusok számára mind az univerzum története, mind a jövője a fizika talán legelemibb rejtvénye. Az ősrobbanás-elméletet viszonylag biztosnak tartják, és azt mondja, hogy minden - vagyis az anyag, a tér és az idő - hihetetlenül sűrű pontból, egy úgynevezett szingularitásból fakadt. De még ha sok jel is utal erre az elméletre, ennek az eredeti állapotnak a fizikai leírását még nem találták meg, és nem találták meg az "Nagy Bumm" utáni másodperc legelső részeire sem. Amikor univerzumunk sorsának kérdéséről van szó, egy konkrét válasz sem jobb. Egy biztos: jelenleg terjed. De mennyi ideig nem világos. Lehet, hogy soha nem áll meg. Talán az univerzum is egy álló végállomás felé törekszik, vagy akár megfordul a terjeszkedés folyamata. Ez utóbbi következménye lenne a világegyetem újbóli összenyomódása - esetleg vissza a szingularitásba. És talán akkor minden elölről kezdődik. Ez legalább azt sugallná, mi történt az Nagy Bumm előtt.