Souvent, sur Internet, vous pouvez trouver de tels mystères prétendument non résolus et non résolus de notre univers et de la science moderne.
Pour une raison quelconque, il me semble qu'une partie de ceci est des problèmes farfelus qui n'existent pas, mais pour une partie la science a déjà trouvé une explication.
Lequel de ceux-ci considérez-vous comme une physique vraiment inconnue et encore secrète?
1. D'où viennent les rayons cosmiques à très haute énergie?
Notre atmosphère est constamment bombardée par des particules de haute énergie de l'espace appelées «rayons cosmiques». Bien que ces rayons ne nuisent pas beaucoup aux humains, ils présentent un grand intérêt pour les physiciens.
En 1962, lors d'une expérience au Volcano Ranch, John Linsley et Livio Scarsi ont vu quelque chose d'incroyable: un rayon cosmique d'une énergie de plus de 16 joules. Pour vous donner une idée, disons qu'un joule est à peu près l'énergie nécessaire pour soulever une pomme du sol et sur une table. Et toute cette énergie est concentrée dans une particule qui est des milliards de fois plus petite qu'une pomme. Cela signifie qu'il se déplace à une vitesse proche de la vitesse de la lumière!
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Les physiciens ne savent pas encore d'où ces particules tirent autant d'énergie. Selon certaines théories, la source de ces particules pourrait être des supernovae formées après l'explosion d'étoiles en fin de vie. Ces particules pourraient également être accélérées dans les disques de matière qui s'effondre qui se forment autour des trous noirs.
2. L'univers moderne est-il le résultat de l'inflation?
L'univers est étonnamment plat, c'est-à-dire que l'univers entier contient la même quantité de matière. Cependant, selon la théorie du big bang, aux tout premiers stades du développement de l'univers, la densité de la matière pourrait être différente selon les lieux.
Selon la théorie de l'inflation, l'univers moderne est issu d'un univers primitif de petit volume, qui s'est soudainement et inopinément développé rapidement. Comme pour gonfler un ballon, l'inflation a lissé tous les renflements dans l'univers primitif.
Bien que cela explique beaucoup de ce que nous voyons, les physiciens ne savent pas encore ce qui a causé l'inflation. Les informations sur ce qui s'est passé pendant cette inflation sont également fragmentaires.
3. Est-il possible de trouver de l'énergie noire et de la matière noire?
Fait étonnant: seulement environ 5% de l'univers est constitué de matière visible pour nous. Il y a quelques décennies, les physiciens ont remarqué que les étoiles aux bords extérieurs des galaxies tournent autour des centres de ces galaxies plus rapidement que prévu. Pour expliquer cela, les scientifiques ont suggéré que ces galaxies peuvent contenir une sorte de matière "sombre" invisible qui fait tourner les étoiles plus rapidement.
Parallèlement à cela, nous savons que l'expansion de l'univers s'accélère maintenant. Cela semble étrange, car on s'attendrait à ce que l'attraction de la matière - à la fois «claire» et «sombre» - ralentisse l'expansion de l'univers. "L'énergie sombre" pourrait être une explication à ce phénomène. Les physiciens pensent qu'au moins 70% de l'énergie de l'univers est sous forme d'énergie «sombre», ce qui contribue à l'accélération actuelle de l'expansion de l'univers.
Jusqu'à présent, les particules qui forment la matière «noire» et le champ qui forme l'énergie «noire» n'ont pas encore été directement étudiés en laboratoire. Mais les physiciens espèrent que des particules de matière «noire» pourront être obtenues et étudiées au Grand collisionneur de hadrons. Cependant, ces particules peuvent être plus lourdes que les particules que le collisionneur peut créer, et alors leur secret restera non résolu pendant longtemps.
4. Qu'y a-t-il au centre d'un trou noir?
Les trous noirs sont les objets les plus connus en astrophysique. Nous pouvons les décrire comme des régions de l'espace-temps avec des champs gravitationnels si forts que même la lumière ne peut les surmonter.
Des observations ont été faites sur de nombreux trous noirs, dont l'immense trou noir au centre de notre galaxie. Mais le mystère de ce qui se passe au centre du trou noir n'a pas encore été révélé. Certains physiciens pensent qu'il peut y avoir une "singularité" - un point de densité infinie auquel une masse est concentrée dans un espace infinitésimal. C'est difficile à imaginer. Pire encore, toute singularité conduit à un trou noir dans cette théorie, puisqu'il n'y a aucun moyen d'observer directement la singularité.
Il y a aussi encore une controverse sur la question de savoir si des informations sont perdues dans les trous noirs. Ils absorbent les particules et émettent des radiations Hawking, mais ces radiations ne semblent pas contenir d'informations supplémentaires sur ce qui se passe dans le trou noir.
Le fait de l'impossibilité apparente, au moins pour le moment, de découvrir ce qu'il y a dans les trous noirs pendant longtemps a permis aux écrivains de science-fiction de faire des hypothèses sur la possibilité de l'existence d'autres univers là-bas ou sur l'utilisation de trous noirs pour la téléportation ou le voyage dans le temps.
5. Y a-t-il une vie intelligente dans l'univers?
Les humains ont rêvé d'extraterrestres depuis qu'ils ont regardé le ciel nocturne pour la première fois et se sont demandé ce qu'il y avait là-bas. Mais au cours des dernières décennies, nous avons appris beaucoup de faits intéressants.
Premièrement, nous avons appris que les planètes sont beaucoup plus courantes qu'on ne le pensait auparavant. Nous avons également appris que l'intervalle entre le moment où notre planète est devenue habitable et l'émergence de la vie sur elle est assez petit. Cela signifie-t-il que la vie est possible? Si tel est le cas, nous obtenons le fameux paradoxe de Fermi: pourquoi n'avons-nous pas encore communiqué avec les extraterrestres?
L'astronome Frank Drake a compilé l'équation qui porte son nom pour examiner tous les aspects du problème. Chacun de ses composants représente la raison du manque de communication avec la vie intelligente.
La vie peut être commune, mais la vie intelligente est rare. Peut-être qu'après un certain temps, toutes les civilisations décident de ne pas communiquer avec d'autres formes de vie. Ils existent, mais ils ne veulent pas communiquer avec nous. Ou peut-être que cela indique que de nombreuses civilisations extraterrestres se détruisent peu de temps après avoir acquis la capacité technologique de communiquer. Il y a même eu des suggestions que le manque de communication avec les extraterrestres est une preuve de l'origine artificielle de notre monde, qui peut être la création de Dieu ou un modèle informatique.
Cependant, il est possible que nous n'ayons tout simplement pas cherché assez longtemps et assez loin, car l'espace est incroyablement grand. Les signaux peuvent facilement se perdre, et la civilisation extraterrestre a juste besoin d'envoyer un signal plus fort. Et peut-être que demain nous découvrirons une civilisation extraterrestre, et notre compréhension de l'univers changera.
6. Quelque chose peut-il bouger plus vite que la lumière?
Depuis qu'Einstein a changé la physique avec sa théorie spéciale de la relativité, les physiciens sont convaincus qu'il n'y a rien qui puisse voyager plus vite que la lumière. Selon cette théorie, pour que quelque chose se déplace au moins à la vitesse de la lumière, une énergie infinie est nécessaire.
D'autre part, comme le montrent les rayons cosmiques mentionnés ci-dessus, même la présence d'une grande quantité d'énergie ne signifie pas la possibilité de mouvement avec la vitesse de la lumière. La vitesse de la lumière, en tant que limite de vitesse stricte, peut également être une autre explication du manque de communication avec les civilisations extraterrestres. S'ils sont également limités par la vitesse de la lumière, les signaux peuvent mettre des milliers d'années à voyager.
Mais les gens recherchent constamment des moyens de contourner cette limite de vitesse de l'univers. Selon les résultats préliminaires de l'expérience OPERA, menée en 2011, les neutrinos se déplaçaient plus vite que la lumière. Mais ensuite, les scientifiques ont remarqué des erreurs dans l'organisation de l'expérience et ont reconnu le caractère incorrect de ces résultats.
De plus, s'il était possible de transmettre de la matière ou des informations à une vitesse dépassant la vitesse de la lumière, cela changerait sans aucun doute le monde. Un mouvement à une vitesse dépassant la vitesse de la lumière pourrait perturber la causalité, la relation entre les causes et les effets des événements.
En raison de la manière dont le temps et l'espace sont liés dans la relativité restreinte, le mouvement des informations plus rapide que la vitesse de la lumière permettrait à une personne de recevoir des informations sur un événement avant que cet événement ne se produise, qui est une forme de voyage dans le temps. Cela pourrait créer toutes sortes de paradoxes que nous ne saurions pas résoudre.
7. Peut-on décrire la turbulence?
De retour sur Terre, on peut dire que dans notre vie de tous les jours, il y a encore beaucoup de choses difficiles à comprendre. Par exemple, essayez de jouer avec les robinets d'eau. Si vous laissez l'eau couler calmement, vous observez un phénomène connu en physique, un type d'écoulement bien connu de nous appelé «flux laminaire». Mais si vous fermez complètement le robinet et observez le comportement de l'eau, vous aurez un exemple de turbulence. À bien des égards, la turbulence reste un problème non résolu en physique.
L'équation de Navier-Stokes définit comment les fluides tels que l'eau et l'air doivent se déplacer. On imagine que le liquide est brisé en petits morceaux de masse. Cette équation prend alors en compte toutes les forces qui agissent sur ces pièces - gravité, frottement, pression - et tente de déterminer comment cela affectera leur vitesse.
Dans le cas d'écoulements simples ou stables, on peut trouver des solutions à l'équation de Navier-Stokes qui décrivent complètement l'écoulement donné. Les physiciens peuvent alors composer des équations pour calculer le débit à tout moment. Mais dans le cas d'écoulements complexes et turbulents, ces solutions peuvent ne pas être précises. Nous pouvons faire beaucoup de manipulation d'écoulement turbulent en résolvant des équations numériquement sur de gros ordinateurs. Cela nous donne une réponse approximative sans formule qui explique pleinement le comportement du fluide.
À propos, le Clay Mathematical Institute a offert une récompense pour avoir résolu ce problème. Donc, si vous pouvez le faire, vous pouvez obtenir un million de dollars.
8. Est-il possible de créer un supraconducteur qui fonctionne à température ambiante
Les supraconducteurs font partie des dispositifs et technologies les plus importants inventés par les humains. Ce sont des types de matériaux spéciaux. Lorsque la température baisse suffisamment, la résistance électrique du matériau tombe à zéro.
Nos câbles électriques modernes gaspillent beaucoup d'électricité. Ce ne sont pas des supraconducteurs et ont une résistance électrique, ce qui les fait chauffer lorsqu'un courant électrique les traverse.
Mais les possibilités des supraconducteurs ne se limitent pas à cela. Le champ magnétique créé par le fil a une force qui dépend du courant qui le traverse. Si vous pouvez trouver un moyen peu coûteux de faire passer des courants très élevés à travers des supraconducteurs, vous pouvez obtenir des champs magnétiques très puissants. Ces champs sont actuellement utilisés au Grand collisionneur de hadrons pour dévier les particules chargées se déplaçant rapidement autour de son anneau. Ils sont également utilisés dans les réacteurs nucléaires expérimentaux, qui à l'avenir pourraient devenir notre source d'électricité.
Le problème est que tous les supraconducteurs connus ne peuvent fonctionner qu'à des températures très basses (pas plus de -140 degrés Celsius). Leur refroidissement à des températures aussi basses nécessite généralement de l'azote liquide ou son équivalent, ce qui est très coûteux. Par conséquent, de nombreux physiciens et spécialistes des matériaux du monde entier s'efforcent d'obtenir le Saint Graal - un supraconducteur qui pourrait fonctionner à température ambiante. Mais jusqu'à présent, personne n'a réussi à le faire.
9. Pourquoi y a-t-il plus de matière que d'antimatière?
Pour chaque particule, il existe une particule égale et opposée appelée antiparticule. Pour les électrons, il y a des positrons. Il existe des antiprotons pour les protons. Etc.
Si une particule touche une antiparticule, elle s'annihile et se transforme en rayonnement. Parfois, il se transforme en rayons cosmiques. L'antimatière peut également être créée dans des accélérateurs de particules à un coût de plusieurs billions de dollars par gramme. Mais dans l'ensemble, cela semble être très rare dans notre univers. C'est un vrai secret. Tous les processus connus qui convertissent l'énergie (rayonnement) en matière produisent la même quantité de matière et d'antimatière. Donc, si l'univers est dominé par l'énergie, pourquoi ne produit-il pas des quantités égales de matière et d'antimatière?
Plusieurs théories existent pour expliquer cela. Les scientifiques qui étudient les interactions des particules au Grand collisionneur de hadrons recherchent des exemples de «violation CP». Si elles se produisaient, ces interactions pourraient montrer que les lois de la physique sont différentes pour les particules de matière et d'antimatière. Ensuite, nous pourrions supposer qu'il peut y avoir des processus qui sont plus susceptibles de produire de la matière plutôt que de l'antimatière, c'est pourquoi il y a plus de matière dans l'univers.
D'autres théories moins probables peuvent avoir des régions entières de l'univers dominées par l'antimatière. Mais ces théories devront expliquer comment la séparation de la matière et de l'antimatière a eu lieu et pourquoi nous ne voyons pas de grandes masses de rayonnement libérées lors de la collision de la matière et de l'antimatière. Donc, à moins que nous ne trouvions des preuves de galaxies d'antimatière, la violation de CP dans l'univers primitif semble être la meilleure solution. Mais nous ne savons toujours pas comment cela fonctionne.
10. Pouvons-nous avoir une théorie unifiée?
Au XXe siècle, deux grandes théories ont été développées pour expliquer de nombreux phénomènes en physique. L'une était la théorie de la mécanique quantique, qui détaillait le comportement et les interactions de minuscules particules subatomiques. La mécanique quantique et le modèle standard de la physique des particules ont expliqué trois des quatre phénomènes physiques de la nature: l'électromagnétisme et les forces nucléaires fortes et faibles.
Une autre grande théorie était la théorie générale de la relativité d'Einstein, qui explique la gravité. Dans cette théorie, la gravité se produit lorsque la présence de masse plie l'espace et le temps, provoquant le déplacement des particules sur des trajectoires courbes en raison de la forme courbe de l'espace-temps. Cela peut expliquer des choses qui se produisent à plus grande échelle, comme la formation de galaxies.
Il n'y a qu'un seul problème. Ces deux théories sont incompatibles. Autant que nous sachions, les deux théories sont correctes. Mais ils ne semblent pas travailler ensemble. Et depuis que les physiciens s'en sont rendu compte, ils cherchaient une solution qui pourrait les combiner. Cette décision a été appelée la Grande Théorie Unifiée, ou Théorie du Tout.
Les scientifiques sont habitués à des théories qui ne fonctionnent que dans certaines limites. Les physiciens espèrent surmonter leurs limites et constater que la théorie de la mécanique quantique et de la relativité générale font partie de la théorie plus large, comme un patchwork d'une couverture. La théorie des cordes est une tentative de recréer les caractéristiques de la relativité générale et de la théorie de la mécanique quantique. Mais ses prédictions sont difficiles à vérifier par des expériences, elles ne peuvent donc pas être confirmées.
La recherche d'une théorie fondamentale - une théorie qui peut tout expliquer - se poursuit. Peut-être que nous ne la retrouverons jamais. Mais si la physique nous a appris quelque chose, c'est que l'univers est vraiment merveilleux et qu'il y a toujours de la place pour de nouvelles découvertes.
D'après un article du site listverse.com - traduit par Sergey Maltsev