Är vi ensamma i universum? Är universum oändligt? Låt oss titta på de viktigaste mysterierna i kosmos, som vetenskapen inte har fått något tydligt svar på, åtminstone för tillfället.
Rymden har fascinerat mänskligheten sedan urminnes tider. Himlen, full av stjärnor, planeter, kometer och andra fenomen, väcker vår nyfikenhet och beundran. Vi är också intresserade av mysterierna kring vårt ursprung och existens, svarta hål och mörk materia. Samtidigt döljer universum många mysterier som vi inte har några svar på. Jag föreslår att du bekantar dig med några av dessa mysterier.
Också intressant: Terraforming Mars: Kan den röda planeten förvandlas till en ny jord?
Är vi ensamma i universum?
Detta är en av de äldsta och mest grundläggande frågorna om mänsklig existens. Finns det liv bortom jorden? Är dessa livsformer intelligenta och kan vi kommunicera med dem? Hur ser livet ut och hur utvecklas det utanför vår planet? Vilka är chanserna att träffa andra civilisationer? Vi har inga svar på dessa frågor, även om det finns olika hypoteser och forskningsprojekt. Till exempel, på basis av Drake-ekvationen, försöker forskare bestämma antalet potentiella civilisationer i vår galax, och SETI-programmet (Search for Extraterrestrial Intelligence) söker efter radiosignaler från rymden. Än så länge har vi dock inte hittat några bevis på liv bortom vår planet. Även om detta kan innebära att det är mycket sällsynt eller mycket svårt att upptäcka.
Ett av argumenten för att det finns liv i universum är dess enorma storlek och mångfald. Enligt nuvarande uppskattningar innehåller vår galax cirka 100 miljarder stjärnor, och hela universum som vi för närvarande kan observera har cirka 100 miljarder galaxer. Forskare förutspår att minst 10 miljarder planeter i Vintergatan är lika stora som jorden och i sin stjärnas beboeliga zon. Det vill säga på ett avstånd som gör att vatten kan existera på ytan i flytande tillstånd. Vissa av dessa planeter kan ha förhållanden som liknar våra, eller så kan de vara helt annorlunda, men ändå gynnsamma för livet. Det är också möjligt att utomjordiskt liv kan motstå förhållanden som är ovänliga för oss eller helt annorlunda än jordens.
Ett annat argument för att det finns liv i universum är dess extraordinära förmåga att anpassa sig och utvecklas. Forskare tror att livet dök upp på jorden för cirka 3,5 miljarder år sedan och sedan dess har utvecklats på ett fantastiskt sätt och skapat miljontals arter av växter och djur av alla former, storlekar och förmågor. Livet på jorden har överlevt många katastrofer och klimatförändringar och anpassat sig till nya förhållanden. Detta händer även nu i så extrema miljöer som varma källor, djupa havsbassänger eller arktiska glaciärer. Om livet på jorden är så flexibelt och motståndskraftigt, varför skulle det inte vara likadant någon annanstans?
Läs också: Att observera den röda planeten: A History of Martian Illusions
Vad hände före Big Bang?
Enligt den för närvarande dominerande kosmologiska teorin bildades universum för cirka 14 miljarder år sedan som ett resultat av Big Bang. Det var ett ögonblick då all materia och energi var koncentrerad till en oändlig liten punkt av oändlig densitet och temperatur. Som ett resultat av explosionen började den snabba expansionen och avkylningen av universum, som fortsätter till denna dag. Men vad hände före Big Bang? Fanns ett annat universum? Var Big Bang en unik händelse eller en del av en cykel? Vi har inga svar på dessa frågor eftersom klassisk fysik inte kan beskriva universums tillstånd före Big Bang. Det finns dock olika hypoteser som bygger på kvantteorier.
En av dessa är den så kallade initiala singularitetshypotesen. Den antar att före Big Bang fanns det ingenting - ingen tid, inget utrymme, oavsett. Allt detta bildades först vid explosionsögonblicket från en punkt av noll storlek och oändlig densitet.
En annan hypotes är den så kallade eviga inflationen. Det antas att det före Big Bang fanns ett kvantfält med mycket hög energi som expanderade i ökande takt. Detta fält var instabilt och utsatt för kvantfluktuationer. På olika platser i fältet skedde övergångar till ett lägre energitillstånd kaotiskt, vilket skapade bubblor av rymden med sina egna fysiklagar. Varje sådan bubbla kan bli början på ett annat universum. Vårt universum skulle vara en sådan bubbla som bildades för cirka 14 miljarder år sedan.
Ett annat antagande är den så kallade stora rebound-hypotesen. Den antar att det före Big Bang fanns ett annat universum som drog ihop sig och nådde sin minimistorlek. Sedan kom det en återhämtning och en ny fas av expansion började, och sådana cykler av sammandragning och expansion av universum kan upprepas i det oändliga. Denna hypotes är baserad på teorin om loopkvantgravitation, som försöker förena kvantmekaniken med Einsteins allmänna relativitetsteori.
Som du kan se har frågan om vad som hände före Big Bang inget enkelt svar. Vi kanske aldrig vet, eller så kanske vi måste ändra våra uppfattningar om tid och rum för att hitta svaret. Även om mänskligheten redan har bevisat att den kan överraska.
Läs också: Bemannade rymduppdrag: Varför är återvändande till jorden fortfarande ett problem?
Hur uppstod livet?
Livet är ett av universums största underverk. Organismer som kan växa, fortplanta sig, anpassa sig och utvecklas uppstod från livlös materia. Men hur gick det till? Hur uppstod de första cellerna från enkla organiska molekyler, och hur utvecklades alla livsformer på jorden från dem? Vi har ännu inga definitiva svar på dessa frågor, även om det finns olika teorier och hypoteser om livets ursprung. Vissa av dem är baserade på experiment och observationer, andra - på fiktioner och gissningar.
En av teorierna är den så kallade primärbuljonghypotesen. Det antas att livet har sitt ursprung i den tidiga jordens hav, där det fanns enkla organiska molekyler som aminosyror, polypeptider, kvävebaser och nukleotider. Dessa föreningar kan syntetiseras i atmosfären under påverkan av elektriska urladdningar eller kosmiska strålar och sedan komma in i haven. Där kunde de kombineras till större strukturer, som proteiner eller nukleinsyror. Med tiden kunde de första självreproducerande systemen uppstå på grundval av naturligt urval.
Den så kallade lerhypotesen antyder att livet uppstod på land där det fanns aluminiumsilikatmineraler med kristallin struktur. Dessa mineraler skulle kunna fungera som katalysatorer och mallar för att skapa och organisera organiska molekyler. Lager av proteiner och nukleinsyror kunde bildas på lerytan, från vilka de första cellerna omgivna av lipidmembran kunde bildas.
En annan teori är hypotesen om så kallade hydrotermiska källor. Det antas att livet har sitt ursprung på botten av havet i hydrotermiska kratrar, från vilka hett vatten, rikt på mineraler och svavelföreningar, kommer fram. I en sådan miljö kan enkla organiska molekyler och termiska och kemiska gradienter bildas, vilket främjar biokemiska reaktioner. De första cellerna skyddade från yttre förhållanden kan ha bildats i bergsskrevorna eller i skorstenens mikroporer.
Det finns många liknande teorier och hypoteser, men ingen av dem har definitivt bevisats. Frågan om livets skapande är fortfarande öppen. Eller kanske vi blev vidarebosatta, till exempel från Mars eller Venus? Kan vi ha skapats av någon mörk materia eller energi?
Läs också: Om kvantdatorer i enkla ord
Vad är mörk materia och mörk energi?
Astronomiska observationer visar att vanlig materia (atomer, partiklar, planeter, stjärnor, etc.) endast utgör cirka 5 % av universums massa och energi. Resten är så kallad mörk materia (ca 27%) och mörk energi (ca 68%). Mörk materia är osynlig eftersom den inte absorberar eller reflekterar elektromagnetisk strålning, utan har en gravitationsinteraktion med andra objekt, utan vilken galaxer inte kunde hålla ihop och skulle falla isär under påverkan av rotation. Mörk energi är en mystisk kraft som påskyndar universums expansion och motverkar gravitationen. Vi vet dock inte exakt vad mörk materia och mörk energi är, eller hur de bildades.
Vi vet att mörk materia existerar eftersom mängden vanlig materia, det vill säga den som består av atomer eller joner, i universum är för liten för att generera de gravitationsinteraktioner vi observerar. Varför nämner jag gravitationen här? Eftersom det är en manifestation av materiens existens. Enkelt uttryckt har materia en massa som kan utöva ett specifikt gravitationsinflytande på sin omgivning. Om vi betraktar varje galax, stjärna, stoftmoln i det interstellära rymden, det vill säga all vanlig materia som vi känner till i universum, kommer vi att observera många fler gravitationsinteraktioner än vad den mängd materia kan skapa. Så det måste finnas något annat som förklarar överdriven gravitation.
Om det finns en effekt måste det finnas en orsak. Detta är en av de absolut grundläggande principerna inom vetenskap och observation av omvärlden, som hjälper till att dra slutsatser, upptäckter och är en av de bästa guideposterna i sökandet efter möjliga svar på frågorna spännande vetenskap. Vi vet om förekomsten av mörk materia tack vare en teori som beskriver hur mörk materia påverkar rotationshastigheten för stjärnor i Vintergatans armar. Det uppskattas att det bara bör finnas 0,4 till 1 kg mörk materia i vår del av galaxen, som med största sannolikhet upptar ett utrymme som är jämförbart med jordens storlek.
Antagandet att mörk materia existerar är nu den dominerande förklaringen till de galaktiska rotationsanomalier vi observerar och galaxernas rörelse i kluster. Det vill säga observationer av galaxer bevisar förekomsten av mörk materia.
Låt oss nu gå vidare till mörk energi. Det skiljer sig väsentligt från mörk materia. Vi vet att dess inflytande måste vara frånstötande, vilket leder till en accelererad expansion av universum. Denna acceleration kan mätas genom observationer, eftersom galaxer rör sig bort från varandra med en hastighet som är proportionell mot deras avstånd.
Så, återigen, vi har en effekt, så det måste finnas en orsak. Alla aktuella mätningar bekräftar att universum expanderar snabbare och snabbare. Tillsammans med andra vetenskapliga data gjorde detta det möjligt att bekräfta förekomsten av mörk energi och ge en uppskattning av dess mängd i universum. På grund av denna frånstötande egenskap kan mörk energi också betraktas som "antigravitation".
Vad är skillnaden mellan mörk materia och mörk energi? Trots sitt liknande namn är det ett misstag att tänka på mörk energi som något som relaterar till andra, kända energislag, på samma sätt som mörk materia är relaterad till vanlig materia. Dessutom har mörk materia och mörk energi helt olika effekter på universum.
Läs också: Vilka är biohackers och varför chippar de sig själva frivilligt?
Är tidsresor möjliga?
Tidsresor är en dröm för många människor, så vi ser många litterära verk och filmer om detta ämne. Men är det fysiskt möjligt? Enligt Einsteins relativitetsteori är tiden inte konstant och absolut, utan beror på betraktarens hastighet och tyngdkraften. Ju snabbare vi rör oss, eller ju starkare gravitationsfältet är, desto långsammare går tiden för oss. Det betyder att resa till framtiden är möjlig om vi når en mycket hög hastighet eller närmar oss ett mycket massivt föremål. Tiden går till exempel lite långsammare för en astronaut i jordens omloppsbana än för en person på planetens yta. Denna skillnad är dock för liten för att kunna märkas. För att kunna resa in i framtiden skulle vi behöva resa med hastigheter nära ljusets hastighet eller vara nära ett svart hål. Båda dessa alternativ är dock bortom våra tekniska möjligheter.
Resan till det förflutna är ännu mer komplicerad och kontroversiell. Det verkar omöjligt, eftersom det är förbjudet enligt vissa fysiska lagar. Vissa teorier tillåter dock existensen av så kallade slutna tidsliknande kurvor, det vill säga banor i rum-tid, cykler i tid som återgår till samma punkt. Sådana vägar skulle kunna tillåta oss att resa tillbaka i tiden, men de skulle kräva mycket ovanliga förhållanden, som ett maskhål eller ett snurrande svart hål.
Teoretiskt sett kan svarta hål rotera, och detta fenomen kallas ett "snurrande svart hål" eller "Kerr svart hål". 1963 föreslog den amerikanske fysikern Roy Kerr en matematisk modell av ett svart hål som roterar runt sin axel.
Vi vet dock inte om sådana objekt finns och om de är stabila. Dessutom skapar tidsresor många logiska paradoxer och orsak och verkan motsättningar, till exempel farfarsparadoxen – vad händer om en tidsresenär dödar sin farfar innan hans pappa föds? Vissa forskare försöker förklara dessa paradoxer genom att antyda existensen av flera världar eller självförnyelsen av rum-tiden.
Läs också: Teleportering ur vetenskaplig synvinkel och dess framtid
Finns det parallella universum?
Är vårt universum unikt, eller ingår det i en större struktur, det så kallade multiversumet? Finns det andra universum där historia och fysik kan se annorlunda ut? Kan vi interagera med eller besöka dessa världar? Det är frågor som berör inte bara vetenskapsmän, utan även författare och filmfotografer. Det finns flera hypoteser för existensen av parallella universum, såsom strängteorin, teorin om evig inflation och den kvantmekaniska tolkningen av multiversum. Ingen av dem har dock bekräftats vare sig genom observationer eller experimentellt.
En av hypoteserna är strängteorin, som antar att de grundläggande fysiska objekten inte är punktpartiklar, utan endimensionella strängar som svänger i ett tiodimensionellt rum. Strängteorin tillåter förekomsten av hypotetiska braner (membran), som är flerdimensionella objekt gjorda av strängar. Vårt universum kan vara en liknande kli, upphängd i en högre dimension. Det är också möjligt att det finns andra branar som är separerade från våra med ett kort avstånd. Om de två branerna skulle kollidera med varandra kan de orsaka Big Bang och skapa ett nytt universum.
En annan hypotes är evig inflation, som nämndes ovan. Det är förknippat med ett kvantfält med mycket hög energi, som expanderar i en ökande takt.
En intressant hypotes är den kvantmekaniska tolkningen av multiversum, som antyder att varje kvantmätning leder till en förgrening av universum till många möjliga utfall. Till exempel, om du mäter positionen för en elektron i en väteatom, kan du få olika värden med en viss sannolikhet. En sådan multiversum tolkning tyder på att var och en av dessa dimensioner realiseras i ett annat universum och att vi duplicerar oss själva med varje dimension. På så sätt skapas ett oändligt antal parallella universum som skiljer sig från varandra i små detaljer eller helt olika berättelser.
Läs också: Bitcoin Mining har fler förluster än vinster - varför?
Vad händer inuti svarta hål?
Svarta hål är kosmiska föremål med så hög densitet och gravitationskraft att ingenting kan fly från dem, inte ens ljus. De bildas som ett resultat av kollapsen av kärnorna hos döende stjärnor eller sammanslagning av mindre svarta hål. Runt varje svart hål finns en gräns som kallas händelsehorisonten, som markerar punkten där det inte går att återvända för något som närmar sig den. Men vad händer bortom händelsehorisonten? Vad finns inuti ett svart hål? Vi har inga svar på dessa frågor eftersom klassisk fysik inte kan beskriva förhållandena och processerna inuti ett svart hål. Däremot är olika hypoteser baserade på kvant- eller alternativa teorier möjliga.
Ett sådant antagande är singularitetshypotesen. Den säger att all materia och energi inuti ett svart hål är koncentrerad till en enda punkt med noll volym och oändlig densitet och rum-tid krökning. I ett sådant ögonblick upphör alla kända fysikens lagar att gälla, och vi vet inte vad som händer där.
Plancks stjärnhypotes förutspår att djupt inne i ett svart hål komprimeras materia inte till en singularitet, utan till ett tillstånd av extremt hög densitet och temperatur, där kvantgravitationens lagar (en kombination av kvantmekanik och allmän relativitet) fungerar. I detta tillstånd kunde materia studsa av varandra och bilda ett sfäriskt föremål med en radie nära Plancklängden - den minsta möjliga längden inom fysiken. Dess värde är otroligt litet: 20 storleksordningar mindre än storleken på en atomkärna. Ett sådant objekt kan avge Hawking-strålning (kvantfluktuationer över händelsehorisonten) och gradvis förlora massa och energi tills det exploderar och släpper hela innehållet i det svarta hålet.
En annan idé är den så kallade gravastarhypotesen. Den förutsätter att det finns ett lager av exotisk materia med undertryck vid gränsen för händelsehorisonten, vilket förhindrar det svarta hålets inre från att kollapsa till en singularitet. I detta fall skulle det inre av det svarta hålet vara tomt utrymme med konstant densitet och noll temperatur. En sådan struktur skulle vara stabil och skulle inte avge Hawking-strålning.
Läs också: Morgondagens blockkedjor: framtiden för kryptovalutaindustrin i enkla ord
Har universum ett slut?
Universum är oändligt och har inga gränser - det här är det enklaste svaret på denna fråga. Men vad betyder detta egentligen, och hur kan vi vara säkra? Det finns tre möjliga scenarier: universum är obegränsat, ändligt och stängt (som en sfär eller en torus), universum är ändligt och öppet (som en sadel), eller universum är oändligt och platt. Vi vet inte heller vad som händer bortom händelsehorisonten, gränsen för det observerbara universum som är resultatet av ljusets ändliga hastighet.
Låt oss börja med det vi vet säkert. Vi vet att universum expanderar, vilket gör att avstånden mellan galaxerna hela tiden ökar. Vi vet också att universum är cirka 13,8 miljarder år gammalt och att det bildades i Big Bang, ett tillstånd av extrem densitet och temperatur som gav upphov till materia, energi, tid och rum.
Men vad hände före Big Bang? Och vad är bortom händelsehorisonten - gränsen för det observerbara universum, bortom vilken vi inte kan se någonting på grund av ljusets begränsade hastighet? Finns det ett slut på universum eller en barriär?
Forskare tror att detta är osannolikt. Det finns inga bevis för ett sådant slut eller barriär. Istället är den mest acceptabla modellen en där universum är homogent och isotropiskt, vilket betyder samma i alla riktningar och platser. Ett sådant universum har ingen kant eller centrum och kan vara oändlig i storlek.
Naturligtvis kan vi inte testa detta direkt eftersom vi inte kan resa snabbare än ljuset eller gå bortom det observerbara universum. Men vi kan sluta oss till hela universums egenskaper utifrån vad vi ser inom räckhåll. Och alla observationer tyder på att universum är homogent i stor skala.
Det betyder inte att det inte finns några andra alternativ. Vissa alternativa teorier tyder på att universum kan vara krökt eller ha en komplex geometrisk form. Det kan också vara en del av en större struktur eller ha flera kopior eller reflektioner.
Också intressant: Problem med geoteknik: Europeiska unionen kommer att förbjuda forskare från att "spela Gud"
Finns det något sätt att resa snabbare än ljuset?
Snabbare-än-ljus-rörelse är den hypotetiska möjligheten att materia eller information rör sig snabbare än ljusets hastighet i ett vakuum, vilket är cirka 300 000 km/s. Einsteins relativitetsteori förutspår att endast partiklar med noll vilomassa (som fotoner) kan färdas med ljusets hastighet, och att ingenting kan färdas snabbare. Ett antagande gjordes om möjligheten av existensen av partiklar med en hastighet större än ljusets hastighet (takyoner), men deras existens skulle bryta mot kausalitetsprincipen och skulle innebära förskjutning i tid. Forskare har ännu inte kommit till enighet i denna fråga.
Det har dock föreslagits att vissa förvrängda regioner av rum-tid kan tillåta materia att nå avlägsna platser på kortare tid än ljus i normal ("oförvrängd") rumtid. Sådana "skenbara" eller "effektiva" områden av rum-tid är inte uteslutna av den allmänna relativitetsteorin, men deras fysiska rimlighet är för närvarande obekräftad. Exempel är Alcubierres drev, Krasnikov-rör, maskhål och kvanttunneling.
Konsekvenserna av att resa snabbare än ljuset på vår kunskapsnivå om rymden är svåra att förutse eftersom de kräver ny fysik och experiment. En möjlig konsekvens skulle vara möjligheten till tidsresor och logiska paradoxer relaterade till kausalitet. En annan konsekvens kan vara möjligheten att studera avlägsna stjärnor och planeter under en persons livstid. Till exempel är den närmaste stjärnan utanför solsystemet, Proxima Centauri, cirka 4,25 ljusår bort. Att resa med ljusets hastighet skulle bara ta 4 år och 3 månader, och att resa snabbare än ljuset skulle ta ännu kortare tid.
Också intressant: Det första fotot från James Webb-teleskopet är ett år: Hur det förändrade vår syn på universum
Var försvinner planeterna? Vad händer med dem?
Försvunna planeter är hypotetiska objekt i solsystemet, vars existens inte har bekräftats, utan har gjorts baserat på vetenskapliga observationer. Idag finns det vetenskapliga antaganden om möjligheten av existensen av okända planeter som kan ligga bortom vår nuvarande kunskap.
En sådan hypotetisk planet är Phaeton, eller Olbers planet, som kunde ha existerat mellan Mars och Jupiters banor, och dess förstörelse skulle ha resulterat i bildandet av ett asteroidbälte (inklusive dvärgplaneten Ceres). Denna hypotes anses för närvarande osannolik eftersom asteroidbältet har för låg massa för att ha sitt ursprung från explosionen av en stor planet. Under 2018 upptäckte forskare från University of Florida att asteroidbältet bildades av fragment av minst fem till sex planetstora objekt, snarare än en enda planet.
En annan hypotetisk planet är Planet V, som enligt John Chambers och Jack Lisso en gång fanns mellan Mars och asteroidbältet. Antagandet om existensen av en sådan planet gjordes på basis av datorsimuleringar. Planet V kan ha varit ansvarig för det stora bombardementet som inträffade för cirka 4 miljarder år sedan, vilket skapade många nedslagskratrar på månen och andra kroppar i solsystemet.
Det finns också olika hypoteser om planeter bortom Neptunus, som Planet Nine, Planet X, Tyche och andra, som försöker förklara förekomsten av uppenbara anomalier i banorna för några avlägsna trans-Neptuniska objekt. Ingen av dessa planeter har dock observerats direkt, och deras existens är fortfarande diskutabel. Även om forskare fortfarande försöker studera utrymmet mellan Mars och Jupiter, bortom Neptunus. Kanske kommer vi senare att ha nya hypoteser och upptäckter.
Det har alltid varit viktigt för mänskligheten att veta svaren om kosmos, om jorden och om sig själv. Men än så länge är vår kunskap begränsad, även om forskare inte står stilla, försöker hitta svar, banar nya vägar ut i rymden. För det måste finnas ett svar på vilken fråga eller gåta som helst. Så här är en person ordnad, så är universum ordnat.
Också intressant:
Tack!!!