10 Mind-Bending Discoveries i fysikk

Studien av fysikk er universets studie - og nærmere bestemt hvordan helvete universet fungerer. Det er uten tvil den mest interessante grenen av vitenskapen, fordi universet, som det viser seg, er mye mer komplisert enn det ser ut på overflaten (og det ser ganske komplisert ut allerede). Verden fungerer på noen virkelig rare måter, og selv om du kanskje trenger en doktor for å forstå hvorfor, trenger du bare en følelse av ærefrykt å sette pris på hvordan. Her er ti av de mest fantastiske tingene fysikere har oppdaget om vårt univers:

10

Tiden stopper ved lysets hastighet

Ifølge Einsteins Theory of Special Relativity, kan lysets hastighet aldri forandres. Den er alltid fast på omtrent 300.000.000 meter / sekund, uansett hvem som observerer det. Dette i seg selv er utrolig nok, gitt at ingenting kan bevege seg raskere enn lys, men det er fortsatt veldig teoretisk. Den veldig kule delen av Special Relativity er en ide som kalles tidsutvidelse, som sier at jo raskere du går, jo langsommere tid går for deg i forhold til omgivelsene dine. Seriøst - hvis du går og tar en tur i bilen i en time, vil du ha eldre allikevel litt mindre enn om du nettopp hadde satt deg hjemme på datamaskinen. De ekstra nanosekundene du får ut av det, er kanskje ikke verdt prisen på gass, men hei, det er et alternativ.

Selvfølgelig kan tiden bare sakte så mye, og formelen går ut slik at hvis du beveger deg med lysets hastighet, går tiden ikke i bevegelse. Nå, før du går ut og prøver å få en utødelig hurtig ordning, må du bare være oppmerksom på at det ikke er mulig å bevege seg med lysets hastighet, med mindre du kommer til å bli laget av lys. Teknisk sett ville det bevege seg fort det kreve en uendelig mengde energi (og jeg for en ikke har den typen juice bare liggende).

9

Quantum Entanglement

OK, så vi nettopp ferdig med å godta at ingenting kan bevege seg raskere enn lysets hastighet - rett? Vel ... ja og nei. Selv om det er teknisk fortsatt sant, i det minste i teorien, viser det seg at det er et smutthull som finnes i den fysiske kjenningen som kalles kvantemekanikk.

Kvantemekanikk er i hovedsak studiet av fysikk i mikroskopisk skala, slik som atferd av subatomære partikler. Disse partiklene er umulig små, men veldig viktige, da de danner byggesteinene for alt i universet. Jeg legger de tekniske detaljene til side for nå (det blir ganske komplisert), men du kan vise dem som små, spinnende, elektrisk ladede kuler. Ok, kanskje det er litt komplisert også. Bare kast med det (ordspill ment).

Så si at vi har to elektroner (en subatomisk partikkel med negativ ladning). Quantum entanglement er en spesiell prosess som involverer paring opp disse partiklene på en slik måte at de blir identiske (marmor med samme spin og ladning). Når dette skjer, blir ting rart, for fra nå av forblir disse elektronene identiske. Dette betyr at hvis du bytter en av dem - si, spinn den i den andre retningen - tvillingen reagerer på nøyaktig samme måte. Øyeblikkelig. Uansett hvor det er. Uten at du til og med berører det. Implikasjonene av denne prosessen er store - det betyr at informasjon (i dette tilfellet spinnretningen) i hovedsak kan teleporteres hvor som helst i universet.

8

Lys påvirkes av tyngdekraften

Men la oss komme tilbake til lys for et øyeblikk, og snakk om General Relativity Theory denne gangen (også av Einstein). Denne innebærer en ide som kalles lysdebøyning, noe som akkurat er det det høres ut som - en stråle av lys er ikke helt rett.

Merkelig som det høres ut, har det blitt bevist gjentatte ganger (Einstein fikk til og med en parade kastet til ære for å forutsi det riktig). Hva det betyr er at selv om lys ikke har noen masse, blir banen påvirket av ting som gjør - for eksempel solen. Så hvis en stråle av lys fra, for eksempel en fjerntliggende stjerne, kommer nær nok til solen, vil den faktisk bøye seg litt rundt den. Effekten på en observatør - som oss - er at vi ser stjernen på et annet sted enn himmelen enn det faktisk ligger (mye som fisk i en innsjø er aldri på plass som de ser ut til å være). Husk at neste gang du ser opp på stjernene - det kan alle bare være et triks av lyset.

7

Mørk materie

Takket være noen av de teoriene vi allerede har diskutert (pluss mye har vi ikke), har fysikere noen ganske nøyaktige måter å måle totalmassen til stede i universet. De har også noen ganske nøyaktige måter å måle den totale masse vi kan observere, og her er vridningen - de to tallene stemmer ikke overens.

Faktisk er mengden av total masse i universet vesentlig større enn den totale massen vi faktisk kan regne med. Fysikere ble tvunget til å komme med en forklaring på dette, og den ledende teorien involverer akkurat nå mørkt materiale - en mystisk substans som ikke gir noe lys og tegner seg for omtrent 95% av massen i universet. Selv om det ikke har blitt formelt bevist å eksistere (fordi vi ikke kan se det), er mørk materie støttet av massevis av bevis, og må eksistere i en eller annen form for å forklare universet.

6

Vårt univers er raskt utvidet

Her er ting som blir litt trippy, og for å forstå hvorfor, må vi gå tilbake til Big Bang Theory. Før det var et TV-show, var Big Bang Theory en viktig forklaring på opprinnelsen til vårt univers. I den enkleste analogien mulig, virket det som om dette: Universet startet som en eksplosjon. Debris (planeter, stjerner, osv.) Ble kastet rundt i alle retninger, drevet av den enorme energien til eksplosjonen. Fordi alt dette avfallet er så tungt, og dermed påvirkes av tyngdekraften til alt bak det, forventer vi at denne eksplosjonen vil bremse etter en stund.

Det gjør det ikke.Faktisk er utvidelsen av universet faktisk raskere over tid, som er så gal som om du kastet et baseball som fortsatte å bli raskere og raskere i stedet for å falle tilbake til bakken (men prøv ikke det hjemme). Dette betyr faktisk at plassen alltid vokser. Den eneste måten å forklare dette på er med mørk materie, eller, mer nøyaktig, mørk energi, som er drivkraften bak denne kosmiske akselerasjonen. Så hva i verden er mørk energi, spør du? Vel, det er en annen interessant ting ...

5

Alt er bare energi

Det er sant, og energi er bare to sider av samme mynt. Faktisk har du kjent dette hele livet ditt, hvis du noen gang har hørt om formelen E = mc ^ 2. E er for energi, og m representerer masse. Mengden energi inneholdt i en bestemt mengde masse bestemmes av konverteringsfaktoren c kvadratet, hvor c representerer venter på det - lysets hastighet.

Forklaringen på dette fenomenet er egentlig ganske fascinerende, og det har å gjøre med det faktum at en objektets masse øker etter hvert som den nærmer seg lysets hastighet (selv om tiden senkes). Det er imidlertid ganske komplisert, så i forbindelse med denne artikkelen vil jeg bare forsikre deg om at det er sant. For bevis (dessverre), se ikke lenger enn atombomber, som konverterer svært små mengder materie til svært store mengder energi.

4

Wave-Particle Duality

Snakker om ting som er andre ting ...

Ved første øyekast kan partikler (som et elektron) og bølger (som lys) ikke være mer forskjellige. Den ene er en solid del av saken, og den andre er en strålende stråle av energi, slags. Det er epler og appelsiner. Men som det viser seg, kan ting som lys og elektroner egentlig ikke begrenses til en tilstand av eksistens - de fungerer som både partikler og bølger, avhengig av hvem som ser.

Nei seriøst. Jeg vet at det høres latterlig ut (og det vil høres enda mer sprø når vi kommer til nummer 1), men det er konkrete bevis som viser at lys er en bølge, og andre konkrete bevis som viser lys er en partikkel (ditto for elektroner). Det er bare ... begge. Samtidig. Ikke en form for mellommann mellom de to, tankene dere - fysisk begge, i den forstand at det også kan være. Ikke bekymre deg om det ikke gir mye mening fordi vi er tilbake i kvantemekanikkens rike, og på det nivået liker universet ikke å være fornuftig av allikevel.

3

Alle objekter faller med samme hastighet

La oss roe ting for en stund, fordi moderne fysikk er mye å ta inn på en gang. Det er okay-klassisk fysikk viste seg også ganske kule konsepter.

Du ville bli tilgitt for å anta at tyngre gjenstander faller raskere enn lysere - det høres ut som sunn fornuft, og i tillegg vet du for et faktum at en bowlingkule faller raskere enn en fjær. Og dette er sant, men det har ingenting å gjøre med tyngdekraft - den eneste grunnen til at dette oppstår er fordi jordens atmosfære gir motstand. I virkeligheten, som Galileo først skjønte for 400 år siden, fungerer tyngdekraften det samme på alle objekter, uavhengig av deres masse. Hva dette betyr er at hvis du gjentok feather / bowling ball eksperimentet på månen (som ikke har atmosfære), ville de slå bakken på samme tid.

2

Quantum Foam

Okay, bry deg over. Ting kommer til å bli rare igjen.

Tingen om tomt rom, du tror, ​​er at det er tomt. Det høres ut som en ganske sikker antagelse - det er jo i navnet. Men universet, det skjer, er for urolig å ta opp med det, og derfor støter partikler stadig inn i og ut av eksistens over alt. De kalles virtuelle partikler, men gjør ingen feil - de er virkelige, og bevist. De eksisterer i bare en brøkdel av et sekund, som er lang nok til å bryte noen grunnleggende fysikklover, men rask nok til at dette egentlig ikke betyr noe (som om du stjal noe fra en butikk, men sett den tilbake på hyllen en halv time andre senere). Forskere har kalt dette fenomenet "kvanteskum", fordi det tilsynelatende påminnet dem om skiftende bobler i hodet av en brus.

1

Double Slit Experiment

Så husk noen få oppføringer siden, da jeg sa at alt var både en bølge og en partikkel på samme tid? Selvfølgelig gjør du det, du har fulgt med omhyggelig. Men her er det andre - du vet fra erfaring at ting har bestemte former - et eple i hånden er et eple, ikke noe rart eplebølge ting. Så hva fører da til noe å definitivt bli en partikkel eller en bølge? Som det viser seg, gjør vi det.

Dobbeltslitteksperimentet er den mest vanvittige tingen du vil lese om hele dagen, og det virker som dette - forskere satt opp en skjerm med to slisser foran en vegg og skutt en lysstråle gjennom slissene slik at de kunne se hvor det rammet på veggen. Tradisjonelt, med lys som en bølge, ville det vise noe som heter et diffraksjonsmønster, og du vil se et bånd av lys spredt over veggen. Det er standard-Hvis du setter opp eksperimentet akkurat nå, så ser du det.

Men det var ikke hvordan partikler ville reagere på en dobbel spalte. De ville bare gå rett gjennom for å lage to linjer på veggen som matcher slissene. Og hvis lys er en partikkel, hvorfor viser den ikke denne egenskapen i stedet for et diffraksjonsmønster? Svaret er at det gjør - men bare hvis vi ønsker det. Se, som en bølge, reiser lys gjennom begge slissene samtidig, men som en partikkel kan den bare reise gjennom en. Så hvis vi vil at den skal fungere som en partikkel, er alt vi trenger å gjøre, satt opp et verktøy for å måle nøyaktig hvilken slit hver bit av lys (kalt en foton) går gjennom.Tenk på det som et kamera - hvis det tar et bilde av hver foton som det passerer gjennom en enkelt spalte, så kan ikke fotonen passere gjennom begge slissene, og dermed kan det ikke være en bølge. Som et resultat vil interferensmønsteret på veggen ikke vises - de to linjene vil i stedet. Lyset vil ha opptrådt som en partikkel bare fordi vi setter et kamera foran den. Vi endrer utfallet fysisk bare ved å måle det.

Det kalles Observereffekten, generelt, og selv om det er en god måte å avslutte denne artikkelen, klipper den ikke engang overflaten av galne ting som finnes i fysikken. For eksempel er det en rekke variasjoner i dobbeltslitseksperimentet som er enda mer vanvittig enn det jeg snakket om her. Jeg oppfordrer deg til å se dem opp, men bare hvis du er forberedt på å tilbringe hele dagen å bli fanget i kvantemekanikk.