bez panike

Četrdeset dva najkrupnija pitanja o životu, univerzumu i svemu ostalom

Kao posveta 'Autostoperskom vodiču kroz galaksiju', dvoje fizičara objašnjava najveće nepoznanice nauke. Sumirao sam to u obliku serije tvitova.
Image: Shutterstock

Prvobitno objavljeno na Motherboard.

U Autostoperskom vodiču kroz galaksiju, klasičnoj urnebesnoj turneji kroz univerzum Daglasa Adamsa, superkompjuter po imenu Duboka misao otkriva odgovor na “Konačno pitanje o životu, univerzumu i svemu ostalom”, nakon što je o njemu razmišljao 7 miliona godina. Odgovor je, ispostavlja se,“42”, ali Adams nikad ne otkriva kako zapravo glasi “konačno pitanje”.

U skorašnjoj studiji objavljenoj na arXiv, fizičari Roland Alen i Suzi Lidstrom, sa univerziteta Tekas A&M i Upsala, pozabavili su se dotičnim Pitanjem opisavši ono što smatraju da su 42 konačna pitanja o životu, univerzumu i svemu ostalom.

Reklame

Što se tiče misterioznog odgovora Duboke misli, Alen i Lidstrom pišu da oni “misle da on znači da postoje 42 fundamentalna pitanja na koja mora da se odgovori na putu do potpunog prosvetljenja.” Kao rezultat nastao je članak od preko 50 strana, ali predstavlja odličan uvod u neka od najvećih pitanja nauke — makar prema tvrdnji ovo dvoje fizičara.

Iako je ta lista subjektivna, vredi pročitati čitavu studiju. Da bismo vam uštedeli vreme, međutim, ispod sam izvukao suštinu 42 pitanja Alena i Lidstromove u obliku serije tvitova, ograničivši se na objašnjenja u 280 slovnih mesta ili manje.

1. Zašto konvencionalna fizika predviđa kosmološku konstantu koja je prevelika?

Teoriju o kosmološkoj konstanti prvi put je postavio Ajnštajn i ona opisuje energetsku gustinu univerzuma. Problem je što astronomske opservacije sugerišu da je kosmološka konstanta mnogo manja nego što predviđa fizika.

2. Šta je Tamna energija?

Kosmolozi su se 1998. godine zapanjili kada su otkrili da se univerzum širi ubrzanim tempom. Ovo fascinantno otkriće objašnjeno je “tamnom energijom”, misterioznom silom koja izgleda da sačinjava dve trećine univerzuma, ali još nije uverljivo objašnjena.

3. Kako Ajnštajnova gravitacija može da se pomiri sa kvantnom mehanikom?

Ajnštajn je shvatio da bi gravitacija, kao i sve drugo u prirodi, trebalo da može da se opiše kvantnom mehanikom. A opet pokušaji da se pomiri kvantna mehanika i gravitacija padaju u vodu kad god postoji ekstremno jaka gravitacija, kao oko crnih rupa.

4. Šta je poreklo entropije i temperature crnih rupa?

Uprkos revolucionarnom radu Stivena Hokinga o radijaciji crnih rupa, Alen i Lidstrom ističu da je, kad su u pitanju crne rupe, “fundamentalna misterija zašto je entropija proporcionalna prostoru umesto volumenu, kao što je slučaj sa drugim fizičkim sistemima”.

5. Da li se informacije gube u crnoj rupi?

Smatra se da je informacija kodirana na površini njenog horizonta događaja i da se emituje nazad kao radijacija. A opet sve crne rupe određene mase emituju isto, nevezano za konkretnu informaciju na horizontu događaja. Ovo sugeriše da crne rupe uništavaju informacije, što krši zakone termodinamike.

6. Da li je univerzum prošao kroz period uvećanja?

Smatra se da se univerzum eksponencijalno proširio u prvoj polovini postojanja. Dva velika pitanja su: šta je poreklo tog uvećanja i da li postoji direktni dokaz za njega?

7. Zašto materija i dalje postoji?

Prema standardnom modelu fizike elementarnih čestica, materija i antimaterija trebalo bi da su potpuno uništene u ranoj fazi univerzuma, ostavivši za sobom samo fotone. Umesto toga, postoji relativno obilje materije i oskudica antimaterije. U čemu je fora?

8. Šta je tamna materija?

Posmatranje galaksije pokazalo je da oko četvrtinu univerzuma čini tamna materija, ali do sada fizičari nisu uspeli da otkriju česticu koja može da objasni posmatrane efekte. Hoće li to biti aksion, WIMP ili nešto sasvim treće?

9. Zašto se čestice obične materije još dvaput umnože pri višim energijama?

U Standardnom modelu, postoje četiri glavne elementarne čestice materije — gornji kvark, donji kvark, elektron i elektronski neutrino. A opet postoje druga i treća ‘generacija’ (čitaj: kopije) svake od ovih čestica kao što su čarobni kvarkovi, strani kvarkovi i muoni. Za ime sveta, zašto?

10. Koje je poreklo mase čestica i kakvu masu imaju neutrini?

Odakle četiri malopre pomenute elementarne čestice dobijaju masu? Smatra se da su mase povezane sa snagom njihove interakcije sa povezanim poljima (npr, Higsovo polje), ali anomalije ovo prosto objašnjenje čine neadekvatnim.

Al-Pd-Re, kvazikristal nastao u laboratoriji. Slika: via

Reklame

11. Postoji li supersimetrija i zašto je energija posmatranih čestica toliko mala u poređenju sa fundamentalnom (Plankovom) skalom energije?

Standardni model ne može da objasni zašto je slaba nuklearna sila toliko jača (10,000,000,000,000,000,000,000,000 puta) od gravitacije.

12. Šta je fundamentalna velika objedinjena teorija sila?

Tri negravitacione sile — jaka, slaba, elektromagnetna — zajedno čine elemente jedne sile u velikoj objedinjenoj teoriji. Zašto se ove sile mešaju ostaje misterija.

13. Da li su Ajnštajnova teorija relativnosti i Standardna teorija polja uvek validne?

Simterije su svojstva sistema koje ostaju nepromenjene kad se taj sistem podvrgne transformaciji. Charge conjuction, parity and time reversal (CPT) je simetrija koja nikad nije narušena, iako svaki njen element za sebe jeste bio. Da li je narušavanje CPT-a uopšte moguće?

14. Da li je naš univerzum stabilan?

Aspekti Higsovog bozona sugerišu da je naš univerzum samo “marginalno stabilan” ili da je možda u fazi tranzicije u stabilnije stanje koje će rezultirati univerzumom sa fundamentalno drugačijim svojstvima. Pitanje je da li je naš univerzum trenutno stabilan ili nije.

15. Da li su kvarkovi uvek zatočeni unutar čestica koje sačinjavaju?

Kvarkovi se generalno smatraju zatočenim unutar volumena njihovog protona i zahtevaju relativno velike količine energije da bi se izmestile iz tog prostora. Sve je više dokaza da kvarkovi uvek moraju da budu zatočeni, ali to još nije strogo potvrđeno.

16. Šta su kompletni fazni dijagrami za sisteme sa ne-trivijalnom silom, kao što je jaka nuklearna sila?

Iskreno, nemam pojma, tako da evo skrinšota studije:

Reklame

17. Koje nove čestice tek treba da budu otkrivene?

Akceleratori čestica kao što su LHC doveli su do otkrića novih čestica. Da li će se to i dalje dešavati? To je ozbiljno pitanje za fizičare na mestima kao što je CERN.

18. Koji novi astrofizički objekti tek treba da budu otkriveni?

Možda postoje nove vrste zvezda koje tek treba da budu otkrivene, kao što su masovne zvezde Populacije 3 nastale tokom rane faze univerzuma i koje se sastoje isključivo od hidrogena i helijuma ili “tamne zvezde” koje nastaju uništenjem tamne materije umesto fuzijom.

19. Koji novi oblici superprovodnika i supertečnosti tek treba da budu otkriveni?

Poslednjih nekoliko decenija, fizičari su stvorili veliki broj supertečnosti (tečnosti bez viskoznosti) i superprovodnika (materijala bez električnog otpora) izlaganjem materijala ekstremnim temperaturama. Koji drugi materijali bi mogli da iskažu ova svojstva u budućnosti?

20. Koje nove topološke faze tek treba da budu otkrivene?

Topološki izolatori su materijali koji se ponašaju kao izolatori iznutra, ali su provodnici spolja. Gde ćeš još oni biti otkriveni?

21. Koja druga svojstva tek treba da se otkriju u visoko uzajamno povezanim elektronskim materijalima?

Prethodno pomenuti topološki izolatori demonstrirani su u sistemima sa jednim elektronom ili kvazi-česticama. Kakvi drugi tipovi materijala bi mogli da iskoriste te kvazi-čestice?

22. Koje druge nove faze i oblici materija tek treba da budu otkriveni?

Istraživači su poslednjih godina pronašli obilje novih faza materije kao što su kvazikristali i vremenski kristali. Ima li ih još koji tek treba da budu otkriveni?

23. Kakva je budućnost kvantnih kompjutera, kvantnih informacija i drugih aplikacija umrežavanja?

Trka da se napravi masivni kvantni kompjuter koji može da nadjača klasični kompjuter u brojnim zadacima, kao što su razbijanje većine oblika kriptografije, i dalje je punom zamahu. Ali da li će te aplikacije ikad izaći iz laboratorije ili su suviše krhke da bi bile bilo šta više od puke atrakcije?

24. Kakva je budućnost kvantne optike i fotonike?

Kvantni Internet bi pomogao da se zaštite podaci od prisluškivača, ali da bi se to desilo neophodna je do sada neviđena kontrola nad fotonima na velikim daljinama. Trenutni rekord za emitovanje ukrštenih fotona postavio je prošle godine kineski satelit. Kakve druge inovacije nas još čekaju?

25. Ima li viših dimenzija?

Ako postoje druge dimenzije, kako je struktuiran njihov ‘unutrašnji prostor’?

26. Postoji li multiverzum?

Postoji li beskonačan broj univerzuma, svaki sa svojim zakonitostima? Da li je slučajno samo naš univerzum savršeno naštelovan za pojavu inteligentnog života, što je ideja poznata kao antropski princip? Što je još važnije, kako bismo dokazali bilo šta od toga uz pomoć nauke ?

27. Postoje li egzotična svojstva u geometriji prostor-vremena?

Kakvog je ‘oblika’ univerzum? Ako je univerzum struktuiran tako da su mogući goli singulariteti, crvotočine i/ili zatvorene vremenske petlje, to bi moglo da omogući stvari kao što su putovanje unazad kroz vreme.

28. Kako je nastao univerzum i koja mu je sudbina?

Postoji li poreklo nastanka univerzuma i da li je on nastao iz praska? Proučavanje prošlosti će nam, uz malo sreće, pomoći da razumemo svoju budućnost i da li se zapravo krećemo ka ‘velikom cepanju’ u kom će sva materija biti isečena na froncle.

29. Koje je poreklo prostor-vremena, zašto prostor-vreme ima četiri dimenzije i zašto se vreme razlikuje od prostora?

Nisam siguran šta bih mogao da dodam na ovo što već postoji u podnaslovu, sem da ćete poželeti da nabavite bong pre nego što pokušate da se bavite ovim pitanjima.

30. Šta objašnjava relativnost i Ajnštajnovu gravitaciju?

Objedinjene teorije kao što su supersimetrija i teorija struna obično samo pretpostavljaju opštu relativnost umesto da je objasne. Ali može li Ajnštajnova teorija gravitacije da se izvuče iz energije vakuuma ili teorije o polju struna? Ako ne može, odakle dolazi gravitacija?

31. Zašto sve sile imaju oblik gejdž teorija?

Sve sile u Standardnom modelu — slaba, jaka, elektromagnetna i gravitacija — opisuju se gejdž teorijom koja opisuje kako se elementarne čestice spajaju sa konkretnim poljima. A opet zašto postoje samo ove vrste sila i zašto se materija slabašno spaja samo s ovim poljima?

32. Zašto se priroda opisuje kvantnim poljima?

Može li kvantna mehanika da se objasni zadovoljavanjem nekog dublje principa univerzuma? Ova teorija bi objasnila zašto se univerzum sastoji od kvantnih polja i objasni zbunjujuće opservacije kao što su opadanje funkcije talasa tokom merenja.

33. Da li je fizika matematički dosledna?

Dobre teorije su matematički dosledne s eksperimentima. A opet relativno proste teorije o kvantnim poljima nisu se još pokazale matematički doslednim.

34. Kakva je veza između formalizma fizike i realnosti ljudskog iskustva?

Ako su matematika i fizika koju opisuje praktično ljudske kreacije, onda moramo nekako da objasnimo vezu između ljudske svesti i realnosti, kao i srodna pitanja kao što je zašto postoji nešto a ne ništa.

35. Koje su krajnje granice teorijskih, kompjuterskih, eksperimentalnih i opservacionih tehnika?

Kako će bolji kompjuteri unaprediti naše modele ili nam pomoći da shvatimo neke od naših najsloženijih eksperimenata, kao što je Veliki hadronski sudarač? Kako naši teleskopi budu postajali sve sofisticiraniji, šta će oni otkrivati o prirodi univerzuma?

36. Koje su krajnje granice hemije, primenjene fizike i tehnologije?

Živimo u doba neprikosnovenog naučnog i tehnološkog napretka. Postoji li gornja granica tog napretka ili će stopa otkrića samo nastaviti da se ubrzava? Ovo pitanje je posebno važno za veštačku inteligenciju, koja želi da stvori istinski superinteligentnu mašinu.

37. Šta je život?

Ovo pitanje je slavno postavo Ervin Šredinger 1944. godine. Više od 70 godina kasnije, biolozi i dalje traže odgovor na to naizgled prosto pitanje.

38. Kako je započeo život na Zemlji?

Da li su organski molekuli proistekli iz primordijalne supe na ranoj Zemlji ili su stigli iz dalekog svemira preko asteroida (teorija poznata kao panspermija)? Štaviše, kako su se naši jednoćelijski preci na kraju razvili u složenije životne oblike?

39. Koliko ima života u univerzumu?

Roboti na Marsu traže organsku materiju u našem sopstvenom sunčevom sistemu a astronomi iz SETI-ja osluškuju kosmičke talase, ali do sada nije bilo dokaza o životu — inteligentnom ili bio kakvom drugom — nigde drugde u galaksiji. Je li moguće da smo zaista sami u beskrajnom prostranstvu univerzuma?

40. Kako život rešava probleme naizgled nemoguće složenosti?

Naizgled ‘glupi’ biološki organizmi sposobni su da u zajedništvu obave zadatke koji su nepojmljivo složeni, kao što je proteinsko savijanje ili sposobnost ćelija da se množe i stvaraju složene strukture kao što su oči, srce, mozak i drugi organi. U čemu je fazon s tim?

41. Možemo li da pojmimo i izlečimo bolesti koje utiču na život?

Zapanjujuća raznolikost biološkog života, čak i u okviru iste vrste, strašno otežava lečenje najgorih bolesti. Hoće li ikada biti moguće u potpunosti iskoreniti bolest i smrt?

42. Šta je svest?

Ovo pitanje vekovima je mučilo filozofe, ali se tek nedavno razvila tehnologija koja ovim pitanjem može da se bavi s naučnog stanovišta. Je li svest nešto što nastaje kroz složenu interakciju milijarde ćelija? Je li to spektar? Može li da se replicira?