目前无法解释的7个物理问题,每一个都困扰着科学家

世界之最 军事之最 2024-01-07 11:33:06
  目前无法解释的7个物理问题,每一个都困扰着科学家
  地球之所以能够诞生生命,主要是因为地球满足了生命诞生的基本条件,这使得生命能够在地球上生存,人类作为地球上最有智慧的生命,从诞生以后就开始不断地研究和探索世界的奥秘,现在人类已经能够走出地球探索宇宙,这说明人类科技发展的速度很快。不过即便如此,在科学界依然存在很多人类无法解释的问题,下面我们就一起来看看这些物理问题。
  第一个无法解释的物理问题——宇宙是如何诞生的?
  目前科学界认为,宇宙是由一次大爆炸引发的,在138亿年前,有一个质量无限大、能量无限大、热量无限大、密度无限大、体积无限小的点发生了爆炸,这个点爆炸之后,我们的宇宙快速的向四周膨胀,经过138亿年的时间,宇宙才膨胀成我们现在看到的样子,宇宙大爆炸理论并不是科学家凭空猜测出来的,科学家通过观测宇宙微波背景辐射,这是一种遍布整个宇宙的微波辐射,是大爆炸留下的余晖,当大爆炸发生之后,宇宙中充满了高温高压的等离子体,光子无法自由传播,随着时间的推移,宇宙逐渐膨胀和冷却,直到38万年之后,温度下降到了3000k左右,等离子体复合成中性原子,光子开始自由飞行,这些光子就是CMB的来源。
  CMB对于测量宇宙年龄有很大的帮助,因为它可以反映出当时的物理条件,比如温度、密度、压强等。通过对CMB的精细观测和分析,科学家们可以得到一些重要的宇宙学参数,比如哈勃常数、物质密度参数、暗能量密度参数等。这些参数可以描述出宇宙的膨胀历史和成分组成,并且可以代入一些数学公式来计算出宇宙年龄。目前,对CMB最精确的观测来自于欧洲航天局的普朗克卫星。这颗卫星于2009年发射,并于2013年和2015年分别公布了两批观测数据。根据普朗克卫星2015年的数据,科学家们给出了最新估计的宇宙年龄:137.87±0.02亿年。这个结果与之前的观测结果基本一致,也与标准的大爆炸宇宙模型相符合。虽然现在科学家普遍认为宇宙来自于大爆炸,但是大爆炸理论还存在一些漏洞。
  比如说在我们现有的物理学当中,根本不存在无限大或者无限小的物质,但是因为奇点太过于神秘,所以科学家只能够用无限这个词来代替,如果说宇宙真的起源于大爆炸,那么在大爆炸之前宇宙是什么样子的?有一些科学家认为,宇宙大爆炸之后才有了所谓的时间和空间,大爆炸之前什么都没有,所以根本不存在大爆炸之前的说法,还有一些科学家认为,在宇宙大爆炸之前,还有其它的宇宙空间,我们的宇宙可能是其他宇宙衍生出来的一个分支,而其它的宇宙也可能是我们的宇宙衍生出来的分支,在我们宇宙的外面还存在很多其它的平行宇宙,虽然目前科学家并没有在宇宙中发现平行宇宙的痕迹,但是科学家一直都相信平行宇宙的存在。未来随着人类科技的进步,说不定人类能够解开宇宙诞生的奥秘。
  第二个无法解释的问题——暗物质是什么
  根据科学家的研究发现,在宇宙中大约有百分之85的物质是无法直接观测到的,这些物质被称为是暗物质,暗物质就是一种不发光、不反射光、不吸收光、不散射光、不发射电磁辐射的物质,这就意味着在任何波长的电磁波下,我们都无法直接看到的暗物质,既然如此,那么科学家是如何知道暗物质存在的?虽然暗物质不和电磁波相互作用,但是和引力有相互作用,暗物质能够通过引力影响其它可见物质,并且被其他可见物质所感应,通过观测这些引力效应,我们能够间接的发现暗物质的存在,早在1933年,瑞士天文学家祖威基(Fritz Zwicky)就在观测星系团时发现了一个奇怪的现象。他发现,在一个星系团中,星系之间相互吸引的引力远远大于由可见星系所产生的引力。
  这就好像在一个房间里有很多人在跳舞,但是他们之间相互牵引的力量却超过了他们自身重量所能产生的力量。这就意味着,在星系团中存在着一种看不见但却有很大重量的东西,在提供额外的引力。祖威基把这种东西称为“暗物质”,并估计了它在星系团中所占比例。后来,在20世纪70年代和80年代,美国天文学家鲁比(Vera Rubin)和福特(Kent Ford)在观测旋转星系时又发现了另一个证据。他们发现,在一个旋转星系中,靠近中心区域的恒星和远离中心区域的恒星,旋转的速度几乎相同。这与牛顿的引力定律不符合。根据牛顿的引力定律,靠近中心区域的恒星应该旋转得更快,而远离中心区域的恒星应该旋转得更慢。这就好像在一个旋转的陀螺上,靠近轴心的点和远离轴心的点,转动的速度不一样。
  这就意味着,在旋转星系中存在着一种看不见但却有很大质量的东西,在提供额外的引力,使得恒星的旋转速度保持平衡。鲁比和福特也把这种东西称为“暗物质”,并估计了它在旋转星系中所占比例。科学家认为,在我们的宇宙中,暗物质和暗能量才是宇宙中最主要的物质,它们占到了宇宙总质量的百分之90左右,可见物质只占到宇宙总质量的百分之10左右,暗物质释放出来的暗能量,能够推动宇宙不断的膨胀,现在我们宇宙膨胀的速度越来越快,这一切可能都是暗能量在背后起作用,为了寻找暗物质和暗能量,科学家们也做了很多努力,我国在四川建立了一个2400米的深的实验室,这个实验室建造在锦屏大河湾的下面,同时也是全世界最大的地下实验室,看到这里,可能很多朋友会产生一个疑问,就是为什么要把实验室建造在这里?
  科学家认为,因为这里非常安静,实验室几乎不会受到宇宙射线的干扰,只有在如此安静的环境中才有可能捕捉到暗物质,这个实验基地是由当时清华大学的副校长发现的,经过多次考察和研究,最终才确定下来。从2010年开始,这个实验室就开始正式运行了,不过到现在科学家也没有在宇宙中捕捉到暗物质,说明暗物质比我们想象的还要神秘,未来随着人类科技的进步,说不定人类能够找到暗物质,到时候我们就能够揭开宇宙膨胀的奥秘。
  第三个无法解释的问题——黑洞吞噬的物质去了哪里?
  在1783年的时候,一位叫做米歇尔的英国业余天文学家给当时著名的科学家卡文迪许写了一封信,信中提到他认为宇宙中会存在一种质量足够大而导致完全黑暗,连光线都无法从表面逃走的星星,并将其称为是暗星,这是关于黑洞最早的推论,在米歇尔之外,法国著名的科学家拉普拉斯也提出过暗星的概念,后来在1916年的时候,爱因斯坦发表了广义相对论,并且利用公式计算出了黑洞的存在,在爱因斯坦广义相对论发表的同年,德国物理学家卡尔史瓦西给出了关于黑洞引力场方程的第一个精确解,这个解表明如果将大量物质集中于空间一点,其周围会产生奇异的现象,即在质点周围存在一个界面——视界一旦进入这个界面,即使光也无法逃脱。由此也出现了一个重要的名词——史瓦西半径。
  后来这种不可思议的天体被美国物理学家约翰.阿奇博尔德.惠勒命名为黑洞,根据科学家的研究得出,黑洞的形成是由于恒星的演化而产生的,需要满足一定的质量和密度条件,当一颗恒星燃烧殆尽核心燃料并且不再能维持热核反应时,核心会因为引力坍缩而形成致密的物质,同时它的外层会被弹射出去形成一个超新星爆发,这个过程中,原来的恒星质量越大,其核心坍缩越剧烈,形成的黑洞也就越大,具体来说,如果一颗恒星的质量大约三个太阳质量,那么它在演化的末期会发生重力坍缩,在这个过程中,核心的质量超过了一个临界值,就会形成一个奇点,从而形成一个黑洞,奇点是一种空间中密度和引力无限大的点,使得一旦物质接近,就无法逃离。
  而且黑洞也能够通过多个恒星合并而形成,当两颗恒星在紧密的轨道运动中发生碰撞时,它们的质量会合并成一颗更大的恒星,而且恒星的质量越大,这个过程越容易产生黑洞,如果两个质量足够大的恒星合并,形成的物质也许会更大,以至于它的核心超过临界值并坍缩成黑洞,简单来说,黑洞的形成是宇宙中大质量恒星演化的必然结果,是一种极端的物体,其密度、引力场等性质都非常特殊,因此它们在宇宙中的研究一直是天文学和物理学的重要课题,黑洞是人类在宇宙中发现的引力最大的天体,它能够吞噬一切物质,这些被吞噬的物质去了哪里?有一些科学家认为,这些被吞噬的物质可能会由白洞喷发出去,在黑洞的另一边,还存在着一个神秘的天体白洞。
  白洞和黑洞的性质是完全相反的,白洞的性质是不断的喷发物质,黑洞和白洞连接在一起就形成了虫洞,目前虫洞和白洞还处于理论当中,除此之外,著名的物理学家霍金认为,黑洞并不是只进不出的神秘天体,它会随着霍金辐射的蒸发而消失,1974年,物理学家霍金发现了一种混合重力和量子物理学的现象,被称为霍金辐射。当黑洞被其吸收的物质包围时,黑洞会发射出辐射,可以从地球上被探测到。但辐射来自黑洞外的物质,并非来自黑洞。霍金辐射其实就是热辐射,它们的光谱完全匹配一个物体发出的光谱。黑洞的质量越大,温度越低,蒸发越慢;黑洞越小,温度越高,蒸发越快。在黑洞内部,由于空间扭曲过于强烈,时间和空间的概念会被颠倒。
  从外部的角度来看,这时在黑洞中有一种负能量,当正负能量在黑洞边缘时,负离子会被捕获,正离子可以逃逸。黑洞通过吸收负离子,失去越来越多的能量,最终完全蒸发直到消失。不过真相到底是什么?目前科学家也在积极的研究当中,未来随着人类科技的进步,说不定我们能够发现黑洞更多的秘密。
  第四个无法解释的问题——宇宙到底有多大?
  从人类走出地球之后,人类就一直都在研究宇宙的奥秘,人类想要知道宇宙到底有多大?带着这些疑问,人类走上了探索宇宙的道路,根据科学家的研究我们能够知道,地球属于太阳系中,太阳系处于另一个大得多的星系的一小部分,一个星系由数百万颗恒星组成,其中很多恒星可能比我们的太阳大得多,它们可能有自己的太阳系,我们在银河系看到的星星,其实都是恒星,它们都如此的遥远,以至于用光年而不是公里来测量距离,光一年大约传播9万4千6百零8亿公里,距离地球最近的恒星是半人马座阿尔法星,我们的太阳系以及周围的天体都处于银河系当中,目前银河系的直径达到了20万光年,光年是一个距离单位,20万光年就相当于光速飞行20万年的时间。
  在银河系中,大约有1000亿到4000亿颗恒星,400亿到1000亿颗行星,除此之外还有大量的星团、星云、星际气体和尘埃,银河系的质量是太阳的1.5万亿倍,从地球上眺望,银河系是一条环绕天际的银白色的环带,像一条河流,所以被称为是银河系,对于太阳系来说,银河系确实很大,但是比银河系还大的星系是本星系群,它的中心位于银河系和仙女座星系中间,直径大约是1000万光年,本星系群主要是由两个次群组成,分别是银河系次群和大小麦哲伦星云组成的次群,以及以仙女座为中心的包括M32、MGC203、MGC107、MGC185等星系组成的次群。银河系很大,但它也只是本星系群中的一员。不过,银河系在本星系群中是个大块头,是主导星系。在本星系群上面还有室女座超星系团。
  它的直径达到了2亿光年,包含了100多个星系群、星系团、本星系群也只是它的一部分,看到这里,相信很多人都认为室女座超星系团已经非常大了,但是在室女座超星系团的外面还有更大的星系团,它叫做拉尼亚凯亚超星系团,拉尼亚凯亚超星系团的直径5.2亿光年,是银河系的10万倍,它由500多个超星系团、星系群组成,由约10万个像银河系这样的星系构成。它包含室女座超星系团、孔雀——印第安超星系团、天炉座超星系团、波江座超星系团、矩天座超星系团以及阿贝尔3565、3574、3521超星系团。不过拉尼亚凯亚超星系团也不是宇宙中最大的结构,拉尼亚凯亚超星系团团只是双鱼——鲸鱼座大尺度复合体中的普通一员。双鱼——鲸鱼座超星系团复合体呈纤维状结构,直径10亿光年,内含60个集群。
  比双鱼座——鲸鱼座超星系团复合体再大的是史隆长城,它是一堵由星系构成的“巨墙”。它长达14亿光年,距离太阳10亿光年。比史隆长城还大的是武仙——北冕座长城,它是宇宙中的一个超巨大结构,延伸至100亿光年之外,它是宇宙中已知的最大的单一结构的超巨大天体。目前人类能够观察到宇宙直径达到了930亿光年,这个范围并不是宇宙的全部范围,宇宙到底有多大?现在科学家还在积极的研究当中,而且我们的宇宙还在快速的膨胀当中,如果宇宙一直膨胀下去,那么我们永远都不可能找到宇宙的边缘。
  第五个无法解释的问题——地球磁场是如何形成的?
  根据科学家的研究我们能够知道,地球拥有非常强大的磁场,磁场对于地球生命来说非常重要,磁场能够牢牢地抓住地球大气层,大气层能够抵抗宇宙中的各种辐射和太阳光的紫外线,如果没有大气层的保护,地球生命根本无法长久的生存下去,火星就是一个很好的例子,火星没有诞生生命,就是因为火星没有磁场,所以大气层很快就被太阳风吹散了,没有大气层的保护,火星变成了一颗荒芜的星球,所以说磁场对于生命来说非常重要,一直以来,科学家都在积极的研究磁场的奥秘,科学家认为地球磁场的形成,主要源于地球的内核。地球内核充满大量的放射性元素,这些放射性元素不但向外辐射,加热地球内核的温度,进而融化周围的铁镍等金属,形成液态的地球外核。
  外核由流动的金属构成,因此地球内核外部形成了可以导电的液体。通过内核放射性元素的辐射激发电子,就会让地球外核出现电流,形成电流之后,地球外部就会产生磁场。根据该理论,地球的磁场也是有时间限制的。放射性元素都具有半衰期,随着时间的推移,放射性元素会逐渐衰变,最终成为不具备放射性的元素,这也会导致地球内核的温度逐渐下降。温度的降低,带来的就是地球外核金属的冷却凝固,失去金属液体,地球内部的电流就会逐渐减弱,直至消失,地球磁场也会随之减弱,最终失去磁场。不过目前科学家认为,地球磁场非常稳定,所以我们不需要担心地球磁场的消失,简单来说就是地球内部的液态金属使得地球能够拥有磁场,不过这个因素是不是主要的,现在科学家也在积极的研究当中。
  第六个无法解释的问题——中子寿命之谜
  1932,英国物理学家詹姆斯·查德威克(James Chadwick)在原子核中发现了中子,打开了原子能时代的大门,而他本人也因此获得了1935的诺贝尔奖。在对中子进行研究时,科学家们意外地发现中子也有“寿命”,也就是它的衰变期。目前,测量中子寿命主要有两个办法,一个是将部分中子放到密封的容器中,然后定时查看剩余数量,这种方法测得的寿命是14分39秒。而第二个则是通过中子束,计算单位时间内产生的中子数量,这种方法测得的寿命是14分48秒。估计大家都发现了,明明实验对象都是中子,但就因为实验方法不同,却得到了相差9秒的实验结果。科学家们对此也是非常疑惑,要知道客观事实肯定不会因测量方法而改变。
  所以这就出现了两种可能,第一,实验方法有一个是错的。第二,中子衰变过程可能隐藏人类尚不知道的秘密,从而导致测量结果出现偏差。所以直到今天,不仅9秒误差困扰着科学家们,中子的衰变周期同样同样一直困扰着科学家们。
  第七个无法解释的问题——宇宙的结局是什么?
  生老病死乃人之常情,在自然界中,没有什么东西是永恒的,天体也是一样的,它们也是有寿命的,只不过天体的寿命比人类的寿命长,根据科学家的研究得出,我们的太阳寿命大约是100亿年,到现在为止,太阳已经燃烧了50亿年,也就是说我们的太阳还剩下50亿年的时间,到时候太阳会变成一颗红巨星,然后吞噬水星、金星、地球的轨道,这就意味着我们的地球寿命也只剩下50亿年的时间了,在宇宙中,寿命最长的应该就是宇宙了,不过即使是宇宙,也有灭亡的一天,为此有一些科学家认为,宇宙最终会因为热寂而消失,根据熵增定律,宇宙终有一天会热平衡,届时无任何能量存在。也就是说不存在任何能够提供生命运动的能量。
  那么什么是熵增定律?在自然过程中,一个孤立系统总是趋向于熵增,最终达到熵的最大状态,也就是系统的最混乱无序状态,其中熵指的是系统混乱无序的程度,系统越无序,熵值就越大,系统越有序,熵值就越小,曾经著名的管理学大师彼得.德鲁克说:管理要做的只有一件事情,就是如何对抗熵增,在这个过程中,企业的生命力才会增加,而不是默默的走向死亡,著名的物理学家薛定谔说:人活着就是在对抗熵增定律,生命以负熵为生。而宇宙也是一样的,宇宙最终也会因为熵值太高而死亡。除了这个猜测之外,还有的科学家认为,我们的宇宙最终会迎来大撕裂的结局,所谓的大撕裂主要是基于对暗物质提出的,根据科学家的研究我们能够知道,宇宙到现在还在不断地膨胀当中。
  如果宇宙一直膨胀下去,宇宙中所有的天体和星系都会崩塌,由于暗物质的斥力超过了银河系中心的超大质量黑洞的引力,所以银河系中所有的天体都会被撕裂,包括我们的太阳、地球等等,对此科学家通过计算得出,宇宙发生大撕裂需要在167亿年之后,对于人类来说,这个时间还非常漫长,不过宇宙最终的结局到底是什么?现在科学家也在积极的研究当中,真相是不是和科学家所想的一样?
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