A menudo, en Internet puede encontrar sobre misterios supuestamente sin resolver y sin resolver de nuestro universo y la ciencia moderna.
Por alguna razón, me parece que parte de esto son problemas inverosímiles que no existen, pero en parte la ciencia ya ha encontrado una explicación.
¿Cuál de estos considera usted como una física realmente secreta aún no revelada?
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1. ¿De dónde provienen los rayos cósmicos de energía ultra alta?
Nuestra atmósfera es constantemente bombardeada por partículas de alta energía del espacio llamadas "rayos cósmicos". Aunque estos rayos no suponen mucho daño para los humanos, son de gran interés para los físicos.
En 1962, durante un experimento en Volcano Ranch, John Linsley y Livio Scarsi vieron algo increíble: un rayo cósmico con una energía de más de 16 julios. Para darle una idea, digamos que un julio es aproximadamente igual a la energía requerida para levantar una manzana del piso y colocarla sobre una mesa. Y toda esta energía se concentra en una partícula que es miles de millones de veces más pequeña que una manzana. ¡Esto significa que se mueve a una velocidad cercana a la velocidad de la luz!
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Los físicos aún no saben de dónde sacaron tanta energía estas partículas. Según algunas teorías, la fuente de estas partículas pueden ser supernovas formadas tras la explosión de estrellas al final de su vida. Estas partículas también podrían acelerarse en los discos de materia colapsada que se forman alrededor de los agujeros negros.
2. ¿Fue el universo moderno el resultado de la inflación?
El universo es sorprendentemente plano, es decir, todo el universo tiene la misma cantidad de materia. Sin embargo, de acuerdo con la teoría del Big Bang, en las primeras etapas del desarrollo del universo, la densidad de la materia podría ser diferente en diferentes lugares.
Según la teoría de la inflación, el universo moderno se originó a partir de un universo temprano de pequeño volumen, que repentina e inesperadamente se expandió rápidamente. Al igual que al inflar un globo, la inflación ha suavizado todas las protuberancias del universo primitivo.
Si bien esto explica mucho de lo que vemos, los físicos aún no saben qué causó la inflación. La información sobre lo que sucedió durante esta inflación también es incompleta.
3. ¿Es posible encontrar energía oscura y materia oscura?
Hecho asombroso: solo alrededor del 5% del universo consiste en materia visible para nosotros. Hace algunas décadas, los físicos notaron que las estrellas en los bordes exteriores de las galaxias giran alrededor de los centros de estas galaxias más rápido de lo esperado. Para explicar esto, los científicos sugirieron que estas galaxias pueden contener algún tipo de materia "oscura" invisible que hace que las estrellas giren más rápido.
Junto con esto, sabemos que la expansión del universo ahora se está acelerando. Esto parece extraño, ya que uno esperaría que la atracción de la materia, tanto la "luz" como la "oscuridad", frenaría la expansión del universo. La "energía oscura" podría ser una explicación de este fenómeno. Los físicos creen que al menos el 70% de la energía del universo está en forma de energía "oscura", lo que contribuye a la actual aceleración de la expansión del universo.
Hasta ahora, las partículas que forman la materia "oscura" y el campo que forma la energía "oscura" aún no se han estudiado directamente en condiciones de laboratorio. Pero los físicos esperan que se puedan obtener y estudiar partículas de materia "oscura" en el Gran Colisionador de Hadrones. Sin embargo, estas partículas pueden ser más pesadas que las partículas que puede crear el colisionador, y luego su secreto permanecerá sin resolver durante mucho tiempo.
4. ¿Qué hay en el centro de un agujero negro?
Los agujeros negros son los objetos más famosos de la astrofísica. Podemos describirlos como regiones del espacio-tiempo con campos gravitacionales tan fuertes que ni siquiera la luz puede superarlos.
Se han realizado observaciones de muchos agujeros negros, incluido el enorme agujero negro en el centro de nuestra galaxia. Pero el misterio de lo que está sucediendo en el centro del agujero negro aún no se ha revelado. Algunos físicos piensan que puede haber una "singularidad", un punto de densidad infinita en el que alguna masa se concentra en un espacio infinitesimal. Es difícil de imaginar. Peor aún, cualquier singularidad conduce a un agujero negro en esta teoría, ya que no hay forma de observar directamente la singularidad.
También existe controversia sobre si la información se pierde en los agujeros negros. Absorben partículas y emiten radiación de Hawking, pero esta radiación no parece contener ninguna información adicional sobre lo que está sucediendo en el agujero negro.
El hecho de la aparente imposibilidad, al menos por el momento, de averiguar qué hay en los agujeros negros durante mucho tiempo permitió a los escritores de ciencia ficción hacer suposiciones sobre la posibilidad de la existencia de otros universos allí o el uso de agujeros negros para teletransportarse o viajar en el tiempo.
5. ¿Existe vida inteligente en el universo?
Los seres humanos han soñado con extraterrestres desde que miraron por primera vez el cielo nocturno y se preguntaron qué podría haber allí. Pero en las últimas décadas, hemos aprendido muchos datos interesantes.
Primero, aprendimos que los planetas son mucho más comunes de lo que se pensaba. También aprendimos que el intervalo entre el momento en que nuestro planeta se volvió habitable y la aparición de vida en él es bastante pequeño. ¿Significa esto que la vida es posible? Si es así, obtenemos la famosa paradoja de Fermi: ¿por qué entonces no nos hemos comunicado todavía con los extraterrestres?
El astrónomo Frank Drake compiló la ecuación que lleva su nombre como una forma de ver todos los lados del problema. Cada uno de sus componentes representa el motivo de la falta de comunicación con la vida inteligente.
La vida puede ser común, pero la vida inteligente es rara. Quizás después de un tiempo todas las civilizaciones decidan no comunicarse con otras formas de vida. Existen, pero no quieren comunicarse con nosotros. O tal vez indique que muchas civilizaciones alienígenas se están destruyendo a sí mismas poco después de obtener la capacidad tecnológica para comunicarse. Incluso hubo sugerencias de que la falta de comunicación con los extraterrestres es una evidencia del origen artificial de nuestro mundo, que puede ser la creación de Dios o un modelo de computadora.
Sin embargo, es posible que simplemente no hayamos buscado lo suficiente y lo suficientemente lejos, ya que el espacio es increíblemente grande. Las señales pueden perderse fácilmente, y la civilización alienígena solo necesita enviar una señal más fuerte. Y tal vez mañana descubramos una civilización alienígena y nuestra comprensión del universo cambie.
6. ¿Puede algo moverse más rápido que la luz?
Desde que Einstein cambió la física con su teoría especial de la relatividad, los físicos han estado convencidos de que no hay nada que pueda viajar más rápido que la luz. Según esta teoría, para que algo se mueva al menos a la velocidad de la luz, se requiere energía infinita.
Por otro lado, como muestran los rayos cósmicos antes mencionados, incluso la presencia de una gran cantidad de energía no significa la posibilidad de movimiento con la velocidad de la luz. La velocidad de la luz, como límite estricto de velocidad, también puede ser otra explicación de la falta de comunicación con civilizaciones alienígenas. Si también están limitados por la velocidad de la luz, las señales pueden tardar miles de años en viajar.
Pero la gente busca constantemente formas de sortear este límite de velocidad del universo. Según los resultados preliminares del experimento OPERA, realizado en 2011, los neutrinos se movían más rápido que la luz. Pero luego los científicos notaron errores en la organización del experimento y reconocieron la incorrección de estos resultados.
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Además, si fuera posible transmitir materia o información a una velocidad superior a la de la luz, sin duda cambiaría el mundo. El movimiento a una velocidad superior a la de la luz podría alterar la causalidad, la relación entre las causas y los efectos de los eventos.
Debido a la forma en que el tiempo y el espacio están relacionados en la relatividad especial, el movimiento de información a una velocidad que excede la velocidad de la luz permitiría a una persona recibir información sobre un evento antes de que ocurra ese evento, que es una forma de viaje en el tiempo. Esto podría crear todo tipo de paradojas que no sabríamos resolver.
7. ¿Se puede describir la turbulencia?
Volviendo a la Tierra, podemos decir que en nuestro día a día todavía hay muchas cosas difíciles de entender. Por ejemplo, intente jugar con los grifos de agua. Si dejas que el agua fluya con calma, estás observando un fenómeno conocido en física, un tipo de flujo bien conocido por nosotros llamado "flujo laminar". Pero si cierras el grifo por completo y observas el comportamiento del agua, tendrás un ejemplo de turbulencia. En muchos sentidos, la turbulencia sigue siendo un problema de física sin resolver.
La ecuación de Navier-Stokes define cómo deben moverse los fluidos como el agua y el aire. Imaginamos que el líquido se rompe en pequeños trozos de masa. Luego, la ecuación toma en cuenta todas las fuerzas que actúan sobre estas piezas (gravedad, fricción, presión) y trata de determinar cómo afectará esto a su velocidad.
En el caso de flujos simples o estables, podemos encontrar soluciones a la ecuación de Navier-Stokes que describan completamente el flujo dado. Los físicos pueden entonces componer ecuaciones para calcular el caudal en cualquier punto. Pero en el caso de flujos turbulentos complejos, estas soluciones pueden no ser precisas. Podemos hacer mucha manipulación de flujo turbulento resolviendo ecuaciones numéricas en computadoras grandes. Esto nos da una respuesta aproximada sin una fórmula que explique completamente el comportamiento del fluido.
Por cierto, el Clay Mathematical Institute ofreció una recompensa por resolver este problema. Entonces, si puede hacerlo, puede obtener un millón de dólares.
8. ¿Es posible crear un superconductor que funcione a temperatura ambiente?
Los superconductores se encuentran entre los dispositivos y tecnologías más importantes inventados por los humanos. Son tipos especiales de material. Cuando la temperatura desciende lo suficiente, la resistencia eléctrica del material cae a cero.
Nuestros cables de alimentación modernos desperdician mucha electricidad. No son superconductores y tienen resistencia eléctrica, lo que hace que se calienten cuando pasa una corriente eléctrica a través de ellos.
Pero las posibilidades de los superconductores no se limitan a esto. El campo magnético creado por el cable tiene una fuerza que depende de la corriente que lo atraviesa. Si puede encontrar una forma económica de pasar corrientes muy altas a través de superconductores, puede obtener campos magnéticos muy potentes. Estos campos se utilizan actualmente en el Gran Colisionador de Hadrones para desviar partículas cargadas que se mueven rápidamente alrededor de su anillo. También se utilizan en reactores nucleares experimentales, que en el futuro pueden convertirse en nuestra fuente de electricidad.
El problema es que todos los superconductores conocidos pueden funcionar solo a temperaturas muy bajas (no más de -140 grados Celsius). Para enfriarlos a temperaturas tan bajas normalmente se requiere nitrógeno líquido o su equivalente, y esto es muy caro. Por lo tanto, muchos físicos y especialistas en materiales de todo el mundo están trabajando para obtener el santo grial, un superconductor que podría funcionar a temperatura ambiente. Pero hasta ahora nadie ha logrado hacer esto.
9. ¿Por qué hay más materia que antimateria?
Para cada partícula, hay una partícula igual y opuesta llamada antipartícula. Para los electrones, hay positrones. Hay antiprotones para protones. Etc.
Si una partícula toca una antipartícula, se aniquila y se convierte en radiación. A veces se convierte en rayos cósmicos. La antimateria también se puede crear en aceleradores de partículas a un costo de varios billones de dólares por gramo. Pero en general, parece ser muy raro en nuestro universo. Este es un verdadero secreto. Todos los procesos conocidos que convierten la energía (radiación) en materia producen la misma cantidad de materia y antimateria. Entonces, si el universo está dominado por la energía, ¿por qué no produce cantidades iguales de materia y antimateria?
Existen varias teorías para explicar esto. Los científicos que estudian las interacciones de las partículas en el Gran Colisionador de Hadrones están buscando ejemplos de "violación de CP". Si ocurrieran, estas interacciones podrían mostrar que las leyes de la física son diferentes para las partículas de materia y antimateria. Entonces podríamos suponer que puede haber procesos que tienen más probabilidades de producir materia en lugar de antimateria, razón por la cual hay más materia en el universo.
Otras teorías menos probables pueden tener regiones enteras del universo dominadas por la antimateria. Pero estas teorías tendrán que explicar cómo se produjo la separación de materia y antimateria y por qué no vemos grandes masas de radiación liberadas en la colisión tanto de materia como de antimateria. Entonces, a menos que encontremos evidencia de galaxias de antimateria, la violación de CP en el universo temprano parece ser la mejor solución. Pero todavía no sabemos cómo funciona.
10. ¿Podemos tener una teoría unificada?
En el siglo XX, se desarrollaron dos grandes teorías para explicar muchos fenómenos de la física. Una era la teoría de la mecánica cuántica, que detallaba el comportamiento y las interacciones de pequeñas partículas subatómicas. La mecánica cuántica y el modelo estándar de física de partículas han explicado tres de los cuatro fenómenos físicos de la naturaleza: electromagnetismo y fuerzas nucleares fuertes y débiles.
Otra gran teoría fue la teoría de la relatividad general de Einstein, que explica la gravedad. En esta teoría, la gravedad ocurre cuando la presencia de masa dobla el espacio y el tiempo, haciendo que las partículas se muevan en trayectorias curvas debido a la forma curva del espacio-tiempo. Puede explicar cosas que suceden a gran escala, como la formación de galaxias.
Solo hay un problema. Estas dos teorías son incompatibles. Hasta donde sabemos, ambas teorías son correctas. Pero no parecen funcionar juntos. Y como los físicos se dieron cuenta de esto, estaban buscando alguna solución que pudiera combinarlos. Esta decisión pasó a llamarse la Gran Teoría Unificada o Teoría del Todo.
Los científicos están acostumbrados a teorías que solo funcionan dentro de ciertos límites. Los físicos esperan superar sus limitaciones y ver que la teoría de la mecánica cuántica y la relatividad general son parte de la teoría más amplia, como un mosaico de una manta. La teoría de cuerdas es un intento de recrear las características de la relatividad general y la teoría de la mecánica cuántica. Pero sus predicciones son difíciles de verificar mediante experimentos, por lo que no se puede confirmar.
Continúa la búsqueda de una teoría fundamental, una teoría que pueda explicarlo todo. Quizás nunca la encontremos. Pero si algo nos ha enseñado la física es que el universo es verdaderamente maravilloso y que siempre hay espacio para nuevos descubrimientos en él.
Según un artículo del sitio listverse.com - traducido por Sergey Maltsev
