Последние два столетия для науки были крайне важными. Удалось совершить немало прорывов, дать ответы на массу загадок природы, относительно тех законов и алгоритмов, которым она подчиняется. Человечество смогло начать исследовать атомы и галактики, их составляющую в материальном плане. Человечество построило машины, которые могут считать без ошибок и решать те проблемы, которые для мозга человека просто неподвластны. Вековые математические задачи остались в прошлом, так как были созданы универсальные теории, ответившие на все интересующие вопросы. Эта статья будет не о достижениях. Она расскажет о тех проблемах в науке, которые по-прежнему вызывают в ученых вопросы, на которые нет ответа.
Турбулентность
Слово «турбулентность» весьма не новое. Нам оно известно, как понятие, описывающее внезапную тряску во время полета на самолете. Однако турбулентность в понятийной структуре механики жидкостей – совершенно другое дело. Летная турбулентность возникает во время того, как два воздушных тела, что движутся на разных скоростях сталкиваются вместе. Физики, однако, с трудом могут объяснить явление турбулентности в жидкостях. Математикам и вовсе снятся кошмары о ней. Если у вас сложился вопрос относительно жидкостной турбулентности, то можно ответить, что окружает она нас повсюду. Струя, которая вытекает из крана, целиком распадается на хаотичные частицы, которые отличаются от единого потока, получаемого человеком при открытии крана. Это, наверное, самый классический пример турбулентности, которая используется для объяснения явления для студентов и школьников. Распространена она и в природе, можно ее встретить также в океанических и геофизических потоках. Она чрезвычайно важна для инженеров, так как рождается между лопастями турбин, закрылками, прочими элементами. Охарактеризовать ее можно благодаря внезапным колебаниям самих переменных, вроде давления и скорости.
Хоть на тему турбулентности и было проведено огромное количество экспериментов, а количество полученных эмпирических данных и вовсе зашкаливает, ученые до сих пор не смогли сформировать хоть сколько уверенную теорию относительно того, что она собой представляет в форме жидкости, как она контролируется и что именно привносит порядок в этот хаос. Решение проблемы, помимо всего прочего, значительно усложняется из-за того, что весь комплекс уравнений, а в частности уравнения Навье-Стока, крайне трудно проанализировать. Ученые прибегают к различным упрощениям в процессе изучения этого явления, однако полная теория турбулентности все также не появилась. Таким образом, турбулентность жидкости остается одной из наиболее важных нерешенных проблем в физике на сегодняшний день. К примеру, лауреат Нобелевской премии Ричайрд Фейнман назвал ее ее «наиболее важной нерешенной проблемой классической физики», а квантовый физик Вернер Гейзенберг, когда у него спросили о том, какие два вопроса он бы задал Богу, ответил: «Я задал бы ему два вопроса. Почему относительность? И почему турбулентность? Думаю, на первый вопрос у него точно будет ответ».
Важность изучения турбулентности породила также целое новое поколения по универсальным вычислительным методикам. Решение, хоть и приблизительное, но позволяет науке делать максимально точные прогнозы погоды, проектировать автомобили энергоэффективного типа, а также понимать максимально хорошо явления природы.
Происхождение жизни
Это вопрос всегда интересовал не только людей науки, но даже и обычных зевак. Так, как же жизнь появилась на Земле? Хоть ответ на вопрос об этом какой-то практической пользы не принесет, но путь к ответу может стать причиной целого ряда уникальных открытий в областях от биологии до астрофизики.
Ученые уверены в том, что ключ как-либо связанный с происхождением жизни может быть в выяснении того, как именно две столь характерных для жизни особенности, а именно размножение и генетическая передача появились в виде процессов на молекулярном уровне, которые получили способность репликации друг друга. Это привело к образованию так называемой теории «первичного бульона», согласно которой на ранней Земле соверешенно непонятным образом появилась смесь, этакий вышеупомянутый «бульон» из молекул, которая насыщалась энергией солнца и электричества в виде молний. За долгое время эти молекулы должны были превратиться в своеобразную структуру более усложненного органического принципа, из которой и состоит жизнь. У данной теории появилась определенная поддержка, которая стала возможность после знаменитого эксперимента Миллера-Ури, когда двое ученых смогли создать аминокислоту, пропуская электрические заряды через смесь простых элементов из метана, воды, аммиака и водорода. Однако открытие самого факта ДНК и РНК несколько поумерило изначальный восторг, поскольку многим кажется практически невозможным, что такая элегантная структура, как ДНК, сможет развиться из такой «примитивщины» из бульона химических веществ.
Существует такое универсальное течение, которое предполагает, что ранний мир был скорее РНК-расположенным, чем ДНК. РНК, как удалось выяснить в процессе многочисленных экспериментов, обладает способностью по неимоверному ускорению реакций, оставляя при этом неизменность и возможность по сохранению генетического материала вместе с чрезвычайной способностью к воспроизводству. Однако, для того, чтобы назвать РНК оригинальным жизненным репликатором вместо ДНК, ученые изначально должны обнаружить свидетельства существования элементов, которые тем или иным путем могли образовать нуклеотиды — они выступают в роли универсальных молекул РНК. Дело в том, что нуклеотиды крайне произвести крайне сложно, даже в лабораторных условиях. Первичный бульон кажется неспособным к произведению этих молекул. Другое вполне вероятнее (если позволите такую вольность в выражениях) возможное объяснение сводится к такой теории, которая описывает «железо-серный мир». Она утверждает, что жизнь на Земле образовалась в самых темных глубинах под водой, а затем вышла из химических реакций, которые происходят в горячей воде под максимальным давлением. Даже после более чем двухсотлетней индустриализации, ученые до сих пор не могут дать ответ, как же на Земле появилась жизнь. Интерес к этому вопросу остается всегда на высочайшем уровне, потому можно не надеяться, что положение дел изменится.
Темная энергия и темная материя
Исследование материи во Вселенной можно сравнить с тем, как дети увлеченно ковыряются игрушечными лопатками в песочницы. Вся материя, которая известна нам, составляет всего около 5 процентов известной Вселенной. Остальная же ее часть признана «темной» и, по большей части, состоит из «темной материи» и «темной энергии», 27% и 68%, соответственно.
Любой список нерешенных проблем в науке будет в любом случае недостоверным и неполным без упоминания загадочных темной материи и темной энергии. Темная энергия представляет собой предложенную причины расширения Вселенной, которая однажды ворвалась в умы физиков и теперь доказана и представляет собой закон. В 1998 году, когда две полностью независимых друг от друга группы ученых смогли, путем продолжительных исследований подтвердить, что расширение Вселенной не только происходит, но и постоянно ускоряется, это опровергло популярное на тот момент мнение, что гравитационное воздействие замедляет расширение Вселенной, как постоянной величины. Теоретики до сих пор не понимают, как это возможно, потому темная энергия остается самым подходящим объяснением. По крайней мере, лучшего еще нет. Но чем она является на самом деле — на этот вопрос вам не сможет ответить даже самый просвещенный гений современности. Есть предположения, что темная энергия может быть свойством пространства, своего рода энергетической константой космоса, или пронизывающими пространство и время флюидами, которые совершенно невообразимым способом приводят к ускорению расширения Вселенной, тогда как энергия, которую мы условно назовем обычной, на это не способна.
Темная материя это вам тоже не просто так. Темная материя - весьма странная штука. Она практически ни с чем не взаимодействует, причем даже со светом, существенно затрудняя свое обнаружение. Она была обнаружена вместе со странностями в динамическом поле некоторых галактик. Масса галактики, которая известна, естественно, никак не может объяснить расхождения с наблюдаемыми данными, поэтому ученые смогли прийти к единственным возможным данным о том, что существует определенная форма невидимой материи, тяга гравитационного характера которая удерживает галактики в одном целостном комплексе. Наблюдать ее напрямую никогда не удавалось, но ученые описывали оказываемые ей эффекты с помощью искривления света, взаимодействующего гравитационным типом с невидимой материей.
Состав темной материи все также остается одной из самых главных проблем в физике элементарных частиц и всей космологии. Ученые уверены в том, что темная материя состоит из частиц, которые по своей структуре экзотичны. Мы говорим о вимпах, которые обязаны своим существованием теории о суперсимметрии. Ученые, помимо всего прочего, предполагают, что темная материя может состоять из также из барионов. В то время как обе теории — о темной материи и темной энергии — происходят из неспособности ученых объяснять определенные наблюдаемые особенности Вселенной, ведь они являются по своей структуре сущностями, представляющими сущности фундаментального характера для космических сил. Темная энергия отталкивает, а темная материя притягивает. Вот так, и сложно, и просто. В случае если одна из сил возьмет верх, то по сути решится судьба Вселенной — будет ли она расширяться или сжиматься. Но пока обе теории остаются темными, как и виновники их появления.
Квантовая теория гравитации
Всем нам прекрасно известна несколько кинематографичная легенда о яблоке, которое упало на Ньютону на голову, что привело к открытию гравитации. Если сказать, что мир после этого не поменялся, то это значит, что вы скажете ничего об этой проблеме. Следом за этим мир науки озарил Альберт Эйнштейн с его общей теорией относительности. Ему по сути удалось под новым углом посмотреть на гравитацию и искривление пространственно-временного континуума, всех тканей, из которой состоит Вселенная. Представьте себе тяжелый шар, который лежит на вашей уютной кровати, а также другой, меньшего размера, который лежит неподалеку. Тяжелый шар всем своим весом наседает на простынь, всячески искривляя ее, а маленький шар скатывается по направлению к первому шару. Теория гравитации Эйнштейна работает шикарно и объясняет даже такие вещи, как искривление света. Тем не менее, когда дело доходит до частиц субатомного мира, то работа которых объясняется уже с помощью законов квантовой механики.На данный момент разработка гравитационной теории, которая так или иначе сможет объединить квантовую механику и теорию относительности, две наиболее успешных теории прошлого века, остается крупнейшей исследовательской задачей науки.
С помощью данной теории родились несколько новых и весьма любопытных породила областей в физическом и математическом взаимодействии. Крупнейшее количество внимания привлекает так называемая теория струн. Теория струн заменяет понятие частиц на крошечные вибрирующие струны, которые могут принимать абсолютно любые из возможных форм. Каждая из них может производить вибрацию определенным уникальным образом, который и придает ей определенную массу и спин. Теория струн колоссальная по своей сложности и математически построена в десяти измерениях пространства и времени — на шесть больше, чем мы привыкли считать.
