Introducción
En 1900, se dice que el físico británico Lord Kelvin pronunció: "No hay nada nuevo por descubrir en física ahora. Todo lo que queda es una medición cada vez más precisa". En tres décadas, la mecánica cuántica y la teoría de la relatividad de Einsteinrevolucionó el campo. Hoy en día, ningún físico se atrevería a afirmar que nuestro conocimiento físico del universo está cerca de completarse. Por el contrario, cada nuevo descubrimiento parece abrir una caja de Pandora de preguntas físicas aún más grandes y profundas. Estas son nuestras elecciones paralas preguntas abiertas más profundas de todas.
En el interior aprenderá sobre los universos paralelos, por qué el tiempo parece moverse en una sola dirección y por qué no entendemos el caos.
Nota del editor: esta lista se publicó originalmente en 2012. Se actualizó el 27 de febrero de 2017 para incluir información más reciente y estudios recientes.
¿Qué es la energía oscura?
No importa cómo los astrofísicos procesen los números, el universo simplemente no cuadra. A pesar de que la gravedad está tirando hacia adentro en el espacio-tiempo, el "tejido" del cosmos, sigue expandiéndose hacia afuera cada vez más rápido. Para explicar esto, los astrofísicos han propuesto un agente invisible que contrarresta la gravedad separando el espacio-tiempo. Lo llaman energía oscura . En el modelo más ampliamente aceptado de energía oscura, es una "constante cosmológica": una propiedad inherente del propio espacio, que tiene una "presión negativa" que separa el espacio. A medida que el espacio se expande, se crea más espacio, y con él, más energía oscura. Con base en la tasa de expansión observada, los científicos saben que la suma de toda la energía oscura debe constituir más del 70 por ciento del contenido total del universo. Pero nadie sabe cómo buscarla. Lo mejorque los investigadores han podido hacer en los últimos años es un poco estrecho sobre dónde podría estar escondida la energía oscura, que era el tema de un estudio lanzado en agosto de 2015.
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¿Qué es la materia oscura?
Evidentemente, alrededor del 84 por ciento de la materia en el universo no absorbe ni emite luz. La "materia oscura", como se la llama, no se puede ver directamente y tampoco se ha detectado por medios indirectos., la existencia y las propiedades de la materia oscura se infieren de sus efectos gravitacionales sobre la materia visible, la radiación y la estructura del universo. Se cree que esta sustancia oscura invade las afueras de las galaxias y puede estar compuesta de "partículas masivas que interactúan débilmente" o WIMP. En todo el mundo, hay varios detectores en busca de WIMP, pero hasta ahora, no se ha encontrado ninguno. Un estudio reciente sugiere que la materia oscura podría formar corrientes largas y de grano fino en todo el universo, y que tales corrientes podrían irradian desde la Tierra como pelos. [Relacionado : Si no es materia oscura, ¿entonces qué? ]
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¿Por qué hay una flecha de tiempo?
El tiempo avanza porque una propiedad del universo llamada "entropía", definida aproximadamente como el nivel de desorden, solo aumenta, por lo que no hay forma de revertir un aumento en la entropía después de que ha ocurrido. El hecho de que la entropía aumente esuna cuestión de lógica: hay más arreglos desordenados de partículas que arreglos ordenados, por lo que a medida que las cosas cambian, tienden a caer en desorden. Pero la pregunta subyacente aquí es, ¿por qué la entropía era tan baja en el pasado? Dicho de otra manera,¿Por qué el universo estaba tan ordenado al principio, cuando una gran cantidad de energía se amontonaba en una pequeña cantidad de espacio? [ ¿Cuál es la energía total en el universo? ]
Siguiente: universos paralelos
¿Existen universos paralelos?
Los datos astrofísicos sugieren que el espacio-tiempo podría ser "plano", en lugar de curvo, y por lo tanto, continúa para siempre. Si es así, entonces la región que podemos ver que consideramos como "el universo" es solo un parcheen un infinitamente grande "multiverso acolchado". Al mismo tiempo, las leyes de la mecánica cuántica dictan que solo hay un número finito de posibles configuraciones de partículas dentro de cada parche cósmico 10 ^ 10 ^ 122 posibilidades distintas. Entonces, con un número infinito de parches cósmicos, los arreglos de partículas dentro de ellos se ven obligados a repetirse, infinitamente muchas veces. Esto significa que hay infinitos universos paralelos: parches cósmicos exactamente iguales al nuestro que contienen a alguien exactamente como tú, así como parches quedifieren solo por la posición de una partícula, parches que difieren por la posición de dos partículas, y así sucesivamente hasta parches que son totalmente diferentes a los nuestros.
¿Hay algo de malo en esa lógica o es cierto su extraño resultado? Y si es cierto, ¿cómo podríamos detectar la presencia de universos paralelos? Mira este excelente perspectiva de 2015 que analiza lo que significaría "universos infinitos".
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¿Por qué hay más materia que antimateria?
La cuestión de por qué hay mucha más materia que su gemelo de carga opuesta y giro opuesto, la antimateria, es en realidad una cuestión de por qué existe algo en absoluto. Se supone que el universo trataría la materia y la antimateria de forma simétrica, y por tanto que, en el momento del Big Bang, deberían haberse producido cantidades iguales de materia y antimateria. Pero si eso hubiera sucedido, habría habido una aniquilación total de ambas: los protones se habrían cancelado con antiprotones, los electrones con anti-electrones positrones, neutrones con antineutrones, etcétera, dejando un opaco mar de fotones en una extensión sin materia. Por alguna razón, hubo un exceso de materia que no se aniquiló, y aquí estamos. Para esto, no hay explicación aceptada. Los prueba más detallada hasta la fecha, las diferencias entre materia y antimateria, anunciadas en agosto de 2015, confirman que son imágenes especulares entre sí, lo que proporciona exactamente cero nuevos caminos hacia la comprensión del misterio de por qué la materia es mucho más común.
Siguiente: destino del universo
¿Cuál es el destino del universo?
El destino del universo depende en gran medida de un factor de valor desconocido: Ω, una medida de la densidad de materia y energía en todo el cosmos. Si Ω es mayor que 1, entonces el espacio-tiempo estaría "cerrado" como la superficiede una esfera enorme. Si no hay energía oscura, tal universo eventualmente dejaría de expandirse y en su lugar comenzaría a contraerse, eventualmente colapsando sobre sí mismo en un evento llamado el "Big Crunch". Si el universo está cerrado pero allí es energía oscura, el universo esférico se expandiría para siempre.
Alternativamente, si Ω es menor que 1, entonces la geometría del espacio estaría "abierta" como la superficie de una silla de montar. En este caso, su destino final es el "Big Freeze" seguido por el "Big Rip": primero, la aceleración hacia el exterior del universo desgarraría las galaxias y las estrellas, dejando toda la materia fría y sola. Luego, la aceleración sería tan fuerte que abrumaría los efectos de las fuerzas que mantienen unidos a los átomos, y todo se desgarrará.
Si Ω = 1, el universo sería plano, extendiéndose como un plano infinito en todas las direcciones. Si no hay energía oscura, tal universo plano se expandiría para siempre, pero a una velocidad de desaceleración continua, acercándose a un punto muerto. Si hayenergía oscura, el universo plano finalmente experimentaría una expansión descontrolada que conduciría al Big Rip. Independientemente de cómo se desarrolle, el universo está muriendo, un hecho discutido en detalle por el astrofísico Paul Sutter en el ensayo de diciembre de 2015.
Que sera, sera.
Next Up: un concepto aún más extraño
¿Cómo colapsan las mediciones las funciones de onda cuántica?
En el extraño reino de los electrones, fotones y otras partículas fundamentales, la mecánica cuántica es la ley. Las partículas no se comportan como bolas diminutas, sino como ondas que se extienden sobre un área grande. Cada partícula se describe mediante una "función de onda, "o distribución de probabilidad, que indica cuál es más probable que sea su ubicación, velocidad y otras propiedades, pero no cuáles son esas propiedades. La partícula en realidad tiene un rango de valores para todas las propiedades, hasta que se mide experimentalmente una de ellas- su ubicación, por ejemplo - en cuyo punto la función de onda de la partícula "colapsa" y adopta una sola ubicación. [ Los bebés recién nacidos entienden la mecánica cuántica ]
¿Pero cómo y por qué la medición de una partícula hace colapsar su función de onda, produciendo la realidad concreta que percibimos que existe? El tema, conocido como el problema de la medición, puede parecer esotérico, pero nuestra comprensión de qué es la realidad, o si existe.en absoluto, depende de la respuesta.
Siguiente: teoría de cuerdas
¿Es correcta la teoría de cuerdas?
Cuando los físicos asumen que todas las partículas elementales son en realidad bucles unidimensionales o "cuerdas", cada una de las cuales vibra a una frecuencia diferente, la física se vuelve mucho más fácil. teoría de cuerdas permite a los físicos reconciliar las leyes que gobiernan las partículas, llamadas mecánica cuántica, con las leyes que gobiernan el espacio-tiempo, llamadas relatividad general, y unificar las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza en un solo marco. Pero el problema es que la teoría de cuerdas solo puedetrabajar en un universo con 10 u 11 dimensiones: tres grandes espaciales, seis o siete espaciales compactadas y una dimensión de tiempo. Las dimensiones espaciales compactadas, así como las cuerdas vibrantes en sí mismas, son aproximadamente una mil millonésima parte de una billonésima parte del tamañode un núcleo atómico. No hay una forma concebible de detectar algo tan pequeño, por lo que no hay una forma conocida de validar o invalidar experimentalmente la teoría de cuerdas.
Finalmente: Terminamos con el caos...
¿Hay orden en el caos?
Los físicos no pueden resolver exactamente el conjunto de ecuaciones que describen el comportamiento de los fluidos, desde el agua hasta el aire y todos los demás líquidos y gases. De hecho, no se sabe si una solución general del llamado Navier-StokesIncluso existen ecuaciones, o, si hay una solución, si describe fluidos en todas partes, o contiene puntos inherentemente incognoscibles llamados singularidades. Como consecuencia, la naturaleza del caos no se comprende bien. Los físicos y matemáticos se preguntan si el clima es simplemente difícil de entender.predecir, o intrínsecamente impredecible? ¿La turbulencia trasciende la descripción matemática, o todo tiene sentido cuando se aborda con las matemáticas correctas ?
Felicitaciones por completar esta lista de temas pesados. ¿Qué tal algo más liviano ahora? 25 hechos divertidos en ciencia e historia
¿Las fuerzas del universo se fusionan en una?
El universo experimenta cuatro fuerzas fundamentales: electromagnetismo la fuerza nuclear fuerte , la interacción débil también conocida como la fuerza nuclear débil y gravedad . Hasta la fecha, los físicos saben que si aumenta la energía lo suficiente, por ejemplo, dentro de un acelerador de partículas, tres de esas fuerzas se "unifican" y se convierten en una sola fuerza. Los físicos han ejecutado aceleradores de partículas y han unificado la fuerza electromagnética yinteracciones, y a energías más altas, lo mismo debería suceder con la fuerza nuclear fuerte y, eventualmente, la gravedad.
Pero aunque las teorías dicen eso debería sucede, la naturaleza no siempre obliga. Hasta ahora, ningún acelerador de partículas ha alcanzado energías lo suficientemente altas como para unificar la fuerza fuerte con electromagnetismo y la interacción débil. Incluir la gravedad significaría aún más energía. No está claro si los científicos podrían construir uno tan poderoso; el Gran Colisionador de Hadrones LHC, cerca de Ginebra, puede enviar partículas chocando entre sí con energías enlos billones de electronvoltios alrededor de 14 tera-electronvoltios, o TeV. Para alcanzar energías de gran unificación, las partículas necesitarían al menos un billón de veces más, por lo que los físicos deben buscar evidencia indirecta de tales teorías.
Además del tema de las energías, las Grandes Teorías Unificadas GUT todavía tienen algunos problemas porque predicen otras observaciones que hasta ahora no han funcionado. Hay varias GUT que dicen protones, durante inmensos períodos de tiempo del orden de10 ^ 36 años, deberían convertirse en otras partículas. Esto nunca se ha observado, por lo que los protones duran mucho más de lo que se pensaba o realmente son estables para siempre. Otra predicción de algunos tipos de GUT es la existencia de monopolos magnéticos, aislados "polos norte "y" sur "de un imán, y nadie ha visto uno de esos tampoco. Es posible que simplemente no tengamos un acelerador de partículas lo suficientemente potente. O, los físicos podrían estar equivocados sobre cómo funciona el universo.