Что не может объяснить физика
15 вещей, которые не поддаются научному объяснению
Явления, объяснить которые не под силу даже ученым.
Развивается мир, технологии, мы сами. В ногу со временем идет и наука. Но даже самые новые технологии не могут помочь ученым объяснить некоторые явления, происходящие в природе и жизни человека.
Мы подобрали для вас 15 вещей, которым до сих пор нет научного объяснения.
1. Что было бы, если бы человек упал в черную дыру
Это первая настоящая фотография черной дыры в галактике. Изображение Messier 87, созданное в рамках проекта EHT Telescope Event Horizon
Раньше физики предполагали, что если гипотетически человек попадет в черную дыру, он этого не заметит, пока не пересечет горизонт событий (воображаемую границу в пространстве-времени). Однако расчеты 2012 года предполагают, что все обстоит иначе. Вместо этого человек бы напоролся на огненную стену и сгорел. И если обе теории верны, то теперь некоторые основные законы физики – под вопросом.
2. Почему в томатах больше генов, чем в человеке
Только представьте: у помидоров насчитывается более 30 тысяч генов. В то время как у человека их – от 20000 до 30000.
Этот вопрос мучает ученых уже долгое время и известен как С-парадокс. Простыми словами, это значит отсутствие связи между физическими размерами генома (совокупности генов) и сложностью организмов.
3. Как работает эффект плацебо
Плацебо – это когда вы ждете эффекта от таблетки, независимо от того, настоящая это пилюля или ее сладкий аналог. И что более странно – вы действительно ощущаете результат, даже если съели обычную конфету в виде таблетки. Плацебо работает не только по отношению к лекарствам: эффект также работает, если вы уверяете себя, что перенесли операцию, хотя в реальности этого не было. Удивительная сила самовнушения и только.
4. Есть ли жизнь на Марсе
Космический аппарат «Викинг-1», отправленный на Марс в 1976 году, провел три исследования для поиска жизни на Красной планете. И одно из них имело положительные результаты. Но не два других – из-за чего результаты первого исследования решили отклонить. Ученые не могли понять: либо количество микроорганизмов ничтожно мало, либо их вовсе нет.
Но в 2012 году команда ученых пересмотрела данные, используя новую технику, и оспорила ранее вынесенный вердикт, опровергающий жизнь на Марсе. Так что вопрос вновь остается открытым.
5. Почему в самом начале истории Земли существовала жидкая вода
В ранней истории нашей планеты Солнце светило менее ярко. Мощности его солнечных лучей не хватило бы, чтобы растопить лед на поверхности Земли. Но из геологических данных мы знаем, что на поверхности нашей планеты 3,8-2,4 млрд лет назад уже была жидкая вода – когда появилась и эволюционировала жизнь.
6. Где все инопланетяне
Это называется парадоксом Ферми – отсутствием видимых следов других цивилизаций, которые должны были расселиться по всей Вселенной за все время ее существования. И правда: в галактике есть звезды, которые старше нашего Солнца на миллиарды лет. Неужели среди них не могло быть планеты, подобной Земле, на которой жили бы разумные существа? Если так, то наверняка кто-нибудь из них уже отправился бы в межзвездное путешествие – так почему мы до сих пор не столкнулись с этими созданиями?
7. Почему в некоторых регионах океана низкий уровень фитопланктона
Проект NOAA MESA / photolib.noaa.gov
В Антарктике есть участки океана, в которых уровень питательных веществ довольно высок, но фитопланктона (планктон, который осуществляет процесс фотосинтеза), на удивление, мало. У морских биологов есть несколько возможных объяснений этому, но нет четкой причины. Поэтому это явление носит название «парадокс Антарктики».
8. Почему голубые киты не болеют раком чаще людей, если они намного больше
Кажется, нет никакой взаимосвязи между размером животного и скоростью, с которой он заболевает раком. Согласно парадоксу Пето, вероятность развития рака у млекопитающих примерно одинакова. Эту гипотезу выдвинул Ричард Пето, британский ученый в области эпидемиологии и онкологии.
Учитывая, что рак начинается с мутаций в клетках животного, некоторые ученые все же считают, что млекопитающие с большим количеством клеток должны заболеть раком с большей скоростью. Вполне логично, но это не так.
9. Где находится весь литий, который должен существовать во Вселенной
Один тип лития, который нам хорошо известен, составляет всего лишь треть от того количества элемента, которое должно быть во всей Вселенной. В период Большого взрыва большая часть лития без вести пропала.
И даже если сослаться на самые ранние звезды, состав которых, по мнению ученых, отражает состав ранней Вселенной, этого количества лития все равно недостаточно.
10. Почему у магнита всегда есть северный и южный полюс
Flickr: daynoir / Creative Commons
Независимо от того, сколько раз вы разделите стержневой магнит пополам, у полученного объекта всегда будет северный и южный полюс. Согласно квантовой механике, магнитные монополи (которые представляют только северный или южный полюс) все-таки существуют.
И если монополи можно создать в лаборатории искусственным путем, то их никогда не находили в дикой природе.
11. Какова длина береговой линии Великобритании
Берег Великобритании – яркий пример парадокса береговой линии, который связан с невозможностью четко определить длину побережья. Дело в том, что контуры берегов Королевства напоминают фракталы: состоят из множества повторяющихся узоров. И при увеличении любого берегового участка вы получите одну и ту же форму все в меньших и меньших масштабах. Поэтому их длину нельзя точно определить. Чем меньше линейка, которую вы используете для измерения контура береговой линии, тем дольше вы будете измерять.
Avsa / Acadac / commons.wikimedia.org
Но данные можно обобщить в зависимости от выбранного масштаба. Так, по данным Ordanance Survey, картографического управления Великобритании, в масштабе 1:10000 береговая линия Королевства составляет примерно 17820 километров.
12. Почему атмосфера Солнца намного горячее, чем его поверхность
Солнечная атмосфера, известная как корона, простирается более чем на 1 миллион километров от его поверхности и достигает температуры в 2 миллиона градусов. И по сравнению с обычными 5000 градусами поверхности Солнца до сих пор нет научного объяснения, почему температура солнечной короны так высока.
13. Почему эпоха эоцена была такой теплой
Эоцен – это второй отдел палеогенового периода. По геологическим данным, в эпоху, которая началась 56 млн и закончилась 34 млн лет назад, температура на полюсах Земли могла достигать 15-20 градусов.
Но причина такого теплого климата в эоценовую эпоху все еще не ясна.
14. Откуда взялись эти странные темные полосы на Марсе
HiRISE, MRO, LPL (U. Arizona), НАСА / Via uahirise.org
Они появляются в теплое время и, судя по фото, будто взбираются на горы. А когда погода становится холоднее – исчезают.
Ученые подумали, что они возникают из замерзшей воды, которая нагревается и течет по возвышенности. Однако измерения, полученные с помощью разведывательного орбитального аппарата НАСА, не обнаружили на Марсе водных источников.
15. Откуда приходят космические лучи сверхвысоких энергий
Саймон Мечи (У. Чикаго), НАСА / Via apod.nasa.gov
Предел Грайзена-Зацепина-Кузьмина (ГЗК) – теоретический верхний предел для энергии космических лучей, который основан на теории относительности Эйнштейна.
Но физики в обсерватории Акэно в Японии нашли космические лучи, которые превосходят предел ГЗК. И так как нет источников, которые могли бы производить их недалеко от Земли, их появление остается загадкой.
Жизнь7 вещей, которые не может объяснить наука
Кошачье мурлыкание, стекло, сон и плацебо
Текст: Артём Лучко
Наука появилась ради необходимости отвечать на вопросы людей. И вроде бы большая часть сложных явлений изучена вдоль и поперёк, а осталась «самая малость» — постичь природу тёмной материи, разобраться с проблемой квантовой гравитации, решить задачу размерности пространства/времени, понять, что такое тёмная энергия (и ещё несколько сотен подобных вопросов). Однако до сих пор остаются и более простые, казалось бы, явления, которые учёные не в силах объяснить до конца.
Что такое стекло?
Нобелевский лауреат Уоррен Андерсон однажды сказал: «Самая глубокая и интересная из неразрешённых проблем в теории твёрдого состояния кроется в природе стекла». И хотя стекло известно человечеству уже не первое тысячелетие, в чём причина его уникальных механических свойств, учёные до сих пор не понимают. Из школьных уроков мы помним, что стекло — это жидкость, но так ли это? Учёные точно не знают, какова природа перехода между жидкой или твёрдой и стекловидной фазами и какие физические процессы приводят к основным свойствам стекла.
Процесс формирования стекла не удаётся объяснить с помощью ни одного из нынешних инструментов физики твёрдого тела, многочастичной теории или теории жидкостей. Если описать вкратце, жидкое расплавленное стекло при охлаждении постепенно становится всё более вязким, пока не обретает жёсткость. В то время как при формировании кристаллических твёрдых тел, например графита, атомы в один момент образуют привычные периодические структуры.
Стекло ведёт себя так, что его пока невозможно описать равновесной статистической механикой
Тарун Читра, исследователь молекулярной динамики, объясняет организацию молекул в разных веществах на примере танца. Идеальное твёрдое тело — это как медленный танец, когда два партнёра вместе с другими парами движутся вокруг своей стартовой позиции на танцевальной площадке. Идеальная жидкость — это как вечеринка знакомств, когда каждый старается потанцевать со всеми в комнате (это свойство называется эргодичность), при этом средний темп, с которым все танцуют, примерно одинаковый. Cтекло же по этой аналогии похоже на танец, когда группа людей разделяется на меньшие подгруппы, и каждая кружится в своём хороводе. Вы можете меняться партнёрами из своего круга, и этот танец происходит вечно.
Стекло ведёт себя так, что его пока невозможно описать равновесной статистической механикой. В частности, субэкспоненциальные автокорреляции и кросскорреляционная функция стекла могут быть получены путём бесконечного числа случайных процессов. До какого-то момента система работает более-менее понятно и предсказуемо, но, если наблюдать за ней достаточно долго, вы начинаете видеть, как некоторые особенности лучше описываются теорией вероятности и случайных процессов.
Как работает плацебо?
О плацебо, или веществах, которые не имеют явных лечебных свойств, но положительно воздействуют на организм, известно давно. В основе эффекта плацебо лежит психоэмоциональное воздействие. Но исследователи не раз доказывали, что плацебо, не имеющее активных веществ, может стимулировать реальные физиологические реакции, в том числе изменение частоты сердечных сокращений и артериального давления, а также химической активности в головном мозге. Плацебо также помогает избавиться от болей, депрессии, тревоги, усталости и даже некоторых симптомов болезни Паркинсона.
То, как наша психика может воздействовать на здоровье, до сих пор до конца не ясно, и учёные не могут раскрыть механизмы, лежащие в основе физиологических реакций на плацебо. Очевидно, что в эффекте сплетено много различных аспектов, при этом лекарства-пустышки не оказывают влияния на источник или причину заболевания. Опытным путём установлено, что реакция организма различается в зависимости от способа доставки плацебо (при приёме таблеток или инъекциях). Также плацебо дают только ожидаемый, то есть известный заранее, терапевтический эффект. И чем выше ожидания — тем сильнее эффект плацебо. Кроме того, известно, что его можно усилить при активном вербальном воздействии на пациента. Действию плацебо подвержены далеко не все. Чаще плацебо действует на экстравертов, людей с повышенным уровнем тревожности, мнительности, неуверенности в себе.
В октябре 2013 года было опубликовано исследование, демонстрирующее, что плацебо-эффект связан с повышением альфа-активности головного мозга. Альфа-волны возникают в расслабленном состоянии, которое похоже на лёгкий транс или медитацию, — то есть в наиболее внушаемом состоянии. Эффект плацебо оказывает значительное воздействие на нервную систему человека в области спинного мозга. Но пока подробно описать механизм его воздействия так никто и не смог.
Что значил wow-сигнал из далёкого космоса?
15 августа 1977 года произошло одно из самых загадочных событий в истории изучения космоса. Доктор Джерри Эйман во время работы на радиотелескопе «Большое ухо» в рамках проекта SETI зафиксировал сильный узкополосный космический радиосигнал. Его характеристики (полоса передачи, соотношение сигнала и шума) соответствовали ожидаемым от сигнала внеземного происхождения. Поражённый этим, Эйман обвёл соответствующие ему символы на распечатке и подписал на полях «Wow!». Эта подпись и дала название сигналу.
Сигнал исходил из области неба в созвездии Стрельца, примерно в 2,5 градусах к югу от звёздной группы Хи. Однако после долгих лет ожиданий повторения чего-то подобного ничего не произошло.
← Тот самый звук wow-сигнала
Учёные утверждают, что если сигнал и имел внеземное происхождение,
то существа, которые его отправили, должны принадлежать к очень и очень продвинутой цивилизации. Чтобы послать такой мощный сигнал, требуется как минимум 2,2-гигаваттный передатчик, который намного мощнее любого из земных. Например, система HAARP на Аляске, одна из самых мощных в мире, предположительно способна передать сигнал до 3 600 кВт.
В качестве одной из гипотез, объясняющих мощность сигнала, предполагается, что изначально слабый сигнал был значительно усилен благодаря действию гравитационной линзы; однако это по-прежнему не исключает возможности его искусственного происхождения. Другие исследователи предполагают возможность вращения источника излучения наподобие маяка, периодическое изменение частоты сигнала или его однократность. Существует также версия, что сигнал был отправлен с перемещающегося инопланетного звездолёта.
В 2012 году к 35-летию сигнала обсерватория Аресибо направила ответ из 10 тысяч закодированных твитов в направлении предполагаемого источника. Однако получил ли их кто-нибудь, неизвестно. До сих пор wow-сигнал остаётся одной из главных загадок для астрофизиков.
Почему люди делятся на левшей и правшей?
За последние 100 лет учёные довольно хорошо изучили проблему, почему люди преимущественно используют одну руку и почему чаще это именно правая рука. Однако стандартного эмпирического тестирования правшей или левшей нет, так как учёные до конца не могут понять, какие механизмы участвуют в этом процессе.
Учёные расходятся во мнении, какой процент человечества является правшами, а какой левшами. В целом считается, что большинство (от 70 % до 95 %) — правши, меньшинство (от 5 % до 30 %) — левши, также существует неопределённое число людей с наблюдающейся полной симметрией. Доказано, что на леворукость и праворукость влияют гены, но точный «ген левши» пока не выявлен. Существует доказательство того, что на склонность к использованию правой или левой руки могут влиять социальные и культурные механизмы. Самый характерный пример этого — как учителя переучивали детей, заставляя при писании переключаться с левой руки на правую. При этом на данный момент более тоталитарные общества имеют меньше леворуких, чем более либеральные общества.
У нас имеются только общие представление о причинах праворукости, и исследователям ещё предстоит детально во всём разобраться
Некоторые исследователи говорят о «патологической» леворукости, связанной с мозговыми травмами во время родов. В 1860-х годах французский хирург Поль Брока отметил взаимосвязь между активностью рук и полушариями мозга. Согласно его теории, половинки мозга соединены с половинками тела крест-накрест. Но на данный момент известно, что эти связи не являются такими простыми, как их описывал Брока. Исследования, проведённые в 70-х годах, показали, что большинство левшей имеют одинаковую левополушарную активность, типичную для всех людей. При этом только часть левшей имеют различные отклонения от нормы.
Изучая проблемы леворукости и праворукости приматов, учёные установили, что большинство животных в отдельной популяции является либо левшами, либо правшами. При этом отдельные обезьяны часто развивают свои индивидуальные предпочтения. В итоге у нас пока имеются только общие представление о причинах праворукости, и исследователям только предстоит детально разобраться во всех механизмах их формирования.
Как неживая материя становится живой?
В научном мире сегодня преобладает концепция биологической эволюции, согласно которой первая жизнь зародилась сама по себе из неорганических компонентов в результате физических и химических процессов. То, как из неживой материи происходит живая, описывает теория абиогенеза. Однако в ней существует масса проблем.
Известно, что основными компонентами живого вещества являются аминокислоты. Но вероятность случайного возникновения определённой аминокислотно-нуклеотидной последовательности соответствует вероятности того, что несколько тысяч букв из наборного типографского шрифта будут сброшены с крыши небоскрёба и сложатся в определённую страницу романа Достоевского. Абиогенез в его классическом виде предполагает, что такое «сбрасывание шрифта» происходило тысячи раз — то есть столько, сколько понадобилось, пока тот не сложился в требуемую последовательность. Однако, по современным подсчётам, на это ушло бы на много больше времени, чем существует вся Вселенная.
При этом ученые продолжают попытки создания в лабораторных условиях искусственной живой клетки. Полный набор аминокислот и нуклеотидов и простейшую бактериальную клетку по-прежнему разделяет пропасть. Возможно, первые живые клетки очень сильно отличались от тех, что мы можем наблюдать сейчас. Также большое количество учёных поддерживают гипотезу о том, что первые живые клетки могли попасть на нашу планету благодаря метеоритам, кометам и другим внеземным объектам.
Почему мы спим?
Мы спим 36 % своей жизни, но учёные до конца не могут объяснить природу сна. Людям свойственен сон, поскольку это заложено в наших генах, но почему такое состояние появилось в процессе эволюции и в чём заключаются преимущества сна — загадка.
Учёные уже выяснили, что во время сна быстрее растут мыщцы, лучше заживляются раны, а также ускоряется синтез протеинов. Другими словами, сон помогает организму восполнить то, что он потерял во время бодрствования. Недавние исследования доказали, что во время сна наш мозг очищается от токсинов, и, если человек мешает этому процессу (иными словами — не спит), у него возрастает риск неврологических расстройств. Кроме того, во время отдыха в мозге ослабляются или разъединяются связи между клетками — таким образом у нас освобождается место для поступления новой информации. В мозге генерируются новые синапсы, поэтому недосыпание грозит снижением способности приобретать, обрабатывать и вспоминать информацию.
Во время сна мозг часто проигрывает некоторые эпизоды, которые случились с нами в течение дня, и, по мнению исследователей, этот процесс помогает укрепить нашу память. Хотя содержание сновидений определяется реальными впечатлениями, наше сознание во сне отличается от нашего сознания в период бодрствования. Во сне наше мироощущение оказывается гораздо более образным и эмоциональным. Мы видим различные картины, переживаем по их поводу, а осмыслить должным образом не можем. Учёные полагают, что синхронизирующие механизмы, господствующие в сонном мозге, в большей мере связаны с первой сигнальной системой и эмоциональной сферой. Но что же представляют собой сновидения, ответить однозначно пока нельзя.
Почему кошки мурлычут?
Никто не знает наверняка, почему кошки мурлычут. Мурлыкание отличается от многих других звуков, издаваемых животными, тем, что вокализация происходит на протяжении всего дыхательного цикла (и на вдохе, и на выдохе). Когда-то считалось, что звук производился благодаря потоку крови, проходящему через нижнюю полую вену, но теперь большинство учёных согласны, что в процессе извлечения звука участвуют гортань, мышцы гортани и нейронный осциллятор.
Котята учатся мурлыкать, как только им исполняется пара дней. Ветеринары предполагают, что их мурлыканье означает что-то наподобие человеческих слов «мама», «я в порядке» или «я здесь». Эти звуки способствуют укреплению связей между котёнком и его матерью.
11 величайших нерешенных проблем современной физики
В 1900 году британский физик лорд Кельвин объявил: «в физике больше нет ничего нового, все, что можно было открыть, уже открыто. То, что остается — это все более и более точное измерение старого». В течение трех десятилетий физика показала, что он серьезно ошибался: были открыты квантовая механика и теория относительности Эйнштейна, которые произвели революции в науке. Сегодня ни один физик не посмел бы утверждать, что мы знаем все о вселенной. Напротив, каждое новое открытие, кажется, открывает ящик Пандоры с еще более глубокими вопросами физики. В этой статье мы поговорим про те вопросы в физике, которые до сих пор остаются без ответа.
Темная материя и энергия 
Как бы ученые не пытались объяснить нашу вселенную текущими законами физики, у них ничего не получается. Если учитывать только видимое вещество, то его гравитации не хватит, чтобы удерживать галактики от распада на части. И, дабы объяснить стабильность галактик во вселенной, была введена темная материя — гипотетическое вещество, которое не испускает электромагнитного излучения и взаимодействует с привычной материей только с помощью гравитации. Увы, хотя термину «темная материя» уже 90 лет, ее до сих пор не обнаружили, хотя и нашли потенциального претендента, возможно, полностью состоящего из нее.
Как это обычно бывает, темной материи не хватило, чтобы объяснить все несостыковки текущей физики и наблюдаемых явлений. Поэтому, чтобы объяснить расширение Вселенной с ускорением, была введена еще и темная энергия, являющейся космологической константой — иными словами, неизменной энергетической плотностью, равномерно распределенной по Вселенной. Причем, что самое любопытное, привычное нам вещество занимает по массе всего 4% Вселенной, когда темная материя — 22%, а темная энергия вообще 74%. Казалось бы, при таком распространении мы должны найти ее следы, но, увы, пока что этого не произошло.
Почему время идет только вперед?
Пожалуй, этот вопрос задавали себе многие — ведь так хотелось бы вернуться в прошлое и что-то исправить. Физики пытались объяснить эту «стрелу времени», направленную только вперед, энтропией: грубо говоря, мерой хаоса во вселенной. Все, что мы не делали, приводит к увеличению энтропии: это гласит второй закон термодинамики. Яйцо, будучи целым, имеет низкую энтропию. Разбив его на сковородку, вы ее увеличите. Но, казалось бы, в чем проблема собрать обратно желток и белок в скорлупу и склеить ее? Ведь тем самым можно будет уменьшить энтропию и как бы сделать для яйца «машину времени».
Увы, это не так — в итоге на «сборку» яйца снова вы потратите некоторое количество энергии, а, значит, снова увеличите общую энтропию Вселенной. Казалось бы, вот и ответ на вопрос: раз энтропия и время связаны, и энтропия может только увеличиваться, то время может идти только вперед. Но и тут хватает загвоздок: так, в будущем Вселенная достигнет равновесия и максимума энтропии — она будет полностью однородной и темной, без всяких звезд и галактик. Энтропия в ней навечно станет константой — значит, и время тоже? Ведь в таком мире без разницы, куда оно течет, в итоге все равно ничего не меняется!
С другой стороны, вспомним начало Вселенной из Большого Взрыва, когда энтропия была минимальной, и с тех пор постоянно растет. Возникает вопрос — почему это происходит именно так, а не наоборот? Увы — мы не знаем ответа на этот вопрос. Так что связь времени и энтропии, конечно, интересная, но все равно не отвечает нам на вопрос, почему время идет вперед и только вперед.
Есть ли параллельные вселенные?
Астрофизики предполагают, что на больших масштабах пространство-время плоское, а не искривленное, то есть оно бесконечно. Однако та область, которую мы видим и называем Вселенной, вполне себе конечна и простирается «всего» на 41 млрд световых лет. А, значит, все частицы нашей Вселенной могут комбинироваться хоть и крайне большим (10^10^122 степени), но все же конечным числом. А раз пространство-время бесконечно, то на нем будет бесконечной множество различных вселенных, и раз наша Вселенная конечна, то она будет иметь. бесконечное число своих копий. И бесконечное число копий, где вы позавтракали не йогуртом, а бутербродом с сыром. Но, конечно, это чисто математические выкладки, которые мы никак не можем проверить, так что этот вопрос так и остается вопросом.
Почему материи больше, чем антиматерии? 
След первого обнаруженного позитрона в пузырьковой камере.
В привычном нам мире электрон заряжен отрицательно, а протон — положительно. А может ли быть наоборот? Вполне: последние 50 лет ученые создают антипротоны и позитроны (антиэлектроны), которые отличаются от своих «нормальных» братьев только зарядом и барионным числом (то есть позитрон заряжен положительно). При столкновении частицы с античастицей они аннигилируют, производят огромное количество энергии.
Но отсюда возникает вполне логичный вопрос: если материя и антиматерия максимально схожи, то после Большого Взрыва их должно было оказаться поровну. Разумеется, они бы аннигилировали полностью, и вселенная была бы пуста (ну, почти пуста — остались бы одни фотоны). А раз мы существуем, значит, материи в итоге было образовано больше, чем антиматерии. Почему? Никто не знает.
Как измерения разрушают квантовые волновые функции? 
Микромир работает совсем не так, как привычная нам реальность. Частицы ведут себя не как шарики, а как волны. Каждая из частиц описывается так называемой волновой функцией — распределением вероятностей, которые говорят нам лишь о том, какими могут быть ее местоположение, скорость и другие свойства.
Фактически, частица имеет диапазон значений для каждого из свойств — но только до того момента, пока вы это свойство не станете измерять. Например, если вы захотите узнать местоположение частицы, то волновая функция коллапсирует, и вместо набора различных мест вы получите только одно, которое и образует привычную нам реальность. Этот парадокс, названный проблемой измерения, так и остается без решения.
Что происходит внутри черной дыры?
Куда исчезает информация внутри черной дыры? Если вы бросите в нее зонд, то вы не получите от него никаких данных, так как скорость убегания от черной дыры больше скорости света. Но черные дыры не вечны — существует излучение Хокинга, благодаря которому они медленно испаряются, и в итоге полностью исчезают. При этом само излучение зависит лишь от характеристик черной дыры (ее массы, скорости вращения и так далее), то есть, получается, данные о нашем зонде полностью теряются — без разницы, что вы кинете в черную дыру, зонд или камень с той же массой, на выходе излучение будет абсолютно одинаковое.
Но тут мы приходим к противоречию с квантовой физикой: она гласит, что квантовая информация не теряется и не копируется, и, если знать полную информацию о начальном состоянии любого объекта (например, зонда), то можно рассчитать и любое последующее. А «пережеванное» черной дырой вещество, получается, теряет всю свою информацию — парадокс, решение которого играет ключевую роль для построения законов квантовой гравитации, и пока что эта проблема остается без решения.
Что такое гравитация?
Почти все силы во вселенной определены различными частицами. Так, за электромагнетизм отвечают фотоны, за слабую ядерную силу — W- и Z-бозоны, за сильную ядерную силу — глюоны. Остается гравитация, и с ней есть одна проблема: гипотетическая частица, переносчик гравитации — гравитон — так и не была обнаружена. Теоретически, она не имеет массы и почти не взаимодействует с веществом, но на практике мы лишь получили ограничение сверху на ее массу благодаря гравитационным волнам от столкновения черных дыр, и это не ноль, хотя и очень близкая к нему цифра.
Пока мы не нашли гравитон, мы не можем работать с гравитацией так, как с другими фундаментальными взаимодействиями, которые по сути являются обменом частиц. Более того, некоторые физики даже предполагают, что гравитоны работают в дополнительных измерениях за пределами пространства-времени. В любом случае, ответа на вопрос у нас пока нет.
Мы живем в ложном вакууме? 
Что мы подразумеваем под вакуумом? Отсутствие чего-либо в данной точке пространства. Ну хорошо, мы можем освободить от частиц небольшой объем (хотя сделать это в случае с нейтрино, которые практически не взаимодействуют с веществом, будет, мягко говоря, трудновато). Остаются еще различные излучения и поля — ладно, попробуем избавиться и от них. А вот это уже не получится — есть и темная энергия, и поле Хиггса, и различные квантовые флуктуации. То есть, получается, вакуум, который мы можем создать, все-таки имеет какую-то отличную от нуля энергию, поэтому он и называется ложным.
Отсюда возникает вполне логичный вопрос — раз наш вакуум ложный, то может где-то есть истинный, с нулевой энергией? Или хотя ты чуть менее ложный, где энергия вакуума чуть ниже? Вполне может быть, и отсюда приходит «белый пушной зверек».
Частицы имеют одно интересное свойство — возможность туннелировать сквозь вещество, не обращая на него внимание, в значение с другой энергией. Что произойдет, когда хотя бы одна частица переместится в значение с меньшей энергией вакуума, чем в окружающей нас вселенной? Правильно, она потянет за собой все другие, и, в конечном счете, всю вселенную. Чем это грозит нам? Да тем, что мы просто перестанем существовать: ведь все, что мы видим, и все, из чего мы состоим, подчиняется определенным законам физики с определенными константами. «Перескок» в область, где энергия ложного вакуума ниже, чем у нас, изменит и законы, и константы. Да, вселенная от этого существовать не перестанет, она просто изменится. Но вот не факт, что мы останемся жить.
Конечно, все написанное выше выглядит страшилкой на ночь — да, собственно, ей и является. По расчетам Хокинга, дабы хотя бы одна частица туннелировала в состояние с другим ложным вакуумом, требуется энергия порядка 100 миллионов ТэВ — это в 10 миллионов раз больше, чем может дать Большой Адронный Коллайдер. Такие значения энергий не встречаются даже в сверхмассивных звездах, так что можете быть спокойны — с крайне высокой вероятностью наша вселенная никуда не денется. Но все же может, если теория ложного вакуума верна.
Что лежит за пределами Стандартной модели?
Стандартная модель — одна из самых успешных физических теорий, которая проходит все проверки на протяжении вот уже больше 40 лет. Эта модель описывает поведение частиц вокруг нас и, например, объясняет, почему они имеют массу. К слову, открытие бозона Хиггса — частицы, которая дает материи массу — как раз является одним из тех экспериментов, в очередной раз подтвердивших Стандартную модель.
Как звуковые волны излучают свет?
Синяя точка — не лазер и не ошибка камеры, это вспышка в пузырьке внутри воды.
Один из тех редких примеров загадок, которые можно наблюдать в лаборатории, но не получается объяснить. Сам эксперимент максимально прост: возьмите немного воды и направьте на нее звуковые волны — внутри нее образуются пузырьки, которые образуются из-за перепада давления от звуковых волн. Разумеется, эти пузырьки быстро схлопываются, однако в этот момент. они излучают свет в виде вспышек, длящихся триллионные доли секунды — явление, называемое сонолюминесценция.
Проблема тут в том, что неизвестен источник этого света. Ученые обнаружили, что внутри пузырьков на долю секунды температура достигает десятков тысяч градусов, откуда строятся абсолютно фантастические теории, начиная от крошечных реакций ядерного синтеза вплоть до электрического разряда. И хотя существует множество снимков этого процесса, до сих пор нет хорошего объяснения происходящего.
Есть ли порядок в водовороте хаоса?
Школьный пример — зная состояние воды в левой трубке, его можно вычислить для правой.
Отличным примером того, что даже в школьном курсе физики есть задачи тысячелетия, за решения которых предлагают миллион долларов, являются уравнения Навье-Стокса. По сути это система дифференциальных уравнений, которая описывает движение вязкой ньютоновской жидкости. Проблема в том, что нахождение общего решения в случае пространственного потока усложняется тем, что оно нелинейно и сильно зависит от начальных и граничных условий. И хотя в частных случаях решения есть (думаю, все в школе решали задачки по нахождению скорости потока воды в трубах разного диаметра), мы даже не знаем, есть ли оно в общем случае — а ведь это важно даже для таких, казалось бы, банальных вещей, как правильный прогноз погоды.
И это далеко не все проблемы, с которыми сталкивается современная физика, и чем больше мы в них углубляемся, тем больше понимаем, что все наши знания, накопленные за столетия и даже тысячелетия, или не верны, или крайне поверхностны. Но это не повод опускать руки — наоборот, это шанс узнать больше об окружающем нас мире и пустить эти знания нам же на благо.