10 merkelige ting om universet

Universet kan være et veldig merkelig sted. Mens banebrytende ideer som kvanteorientering, relativitet og til og med Jorden som går rundt Solen, kan bli akseptert nå, fortsetter vitenskapen fortsatt å vise at universet inneholder ting du kan finne det vanskelig å tro, og enda vanskeligere å få hodet rundt .

10

Negativ energi

Teoretisk sett er den laveste temperaturen som kan oppnås absolutt null, nøyaktig? 273.15 ° C, hvor bevegelsen av alle partikler stopper helt. Du kan imidlertid aldri kjøle noe til denne temperaturen, for i partimekanikken har hver partikkel en minimums energi, kalt "nullpunkts energi", som du ikke kan komme til under. Bemerkelsesverdig gjelder denne minimumsenergien ikke bare partikler, men til noe vakuum, hvis energi kalles "vakuumenergi." For å vise at denne energien eksisterer, involverer et ganske enkelt eksperiment - ta to metallplater i vakuum, sett dem nært sammen, og de vil bli tiltrukket av hverandre. Dette skyldes at energien mellom platene bare er i stand til å resonere ved bestemte frekvenser, mens vakuumenergien utenfor platen kan resonere i stort sett hvilken som helst frekvens. Fordi energien utenfor platene er større enn energien mellom platene, skyves platene mot hverandre. Når platene kommer nærmere, øker kraften, og ved en 10 nm separasjon skaper denne effekten (kalt Casimir-effekten) en atmosfære av trykk mellom dem. Fordi platene reduserer vakuumenergien mellom dem til under normal nullpunktsenergi, sies rommet å ha negativ energi, som har noen uvanlige egenskaper.

Et av egenskapene til et negativt energi-vakuum er at lyset faktisk reeller raskere i det enn det gjør i et normalt vakuum, noe som en dag tillater folk å reise raskere enn lysets hastighet i en slags negativ energi vakuumboble . Negativ energi kan også brukes til å holde åpne et transversalt ormhull, som, selv om det er teoretisk mulig, vil kollapse så snart det ble opprettet uten et middel for å holde den åpen. Negativ energi får også svarte hull til å fordampe. Vakuumenergi er ofte modellert som virtuelle partikler som dukker inn i eksistens og utslett. Dette bryter ikke med noen energibesparelseslover så lenge partiklene blir ødelagt kort tid etterpå. Men hvis to partikler produseres ved hendelseshorisonten til et svart hull, kan man bevege seg bort fra det svarte hullet, mens den andre faller inn i den. Dette betyr at de ikke vil kunne ødelegge, slik at partiklene begge ender med negativ energi. Når den negative energipartiklen faller inn i det svarte hullet, senker det massen av det svarte hullet i stedet for å legge til det, og over tid vil partikler som disse føre til at det svarte hullet fordampes helt. Fordi denne teorien først ble foreslått av Stephen Hawking, blir partiklene gitt av denne effekten (de som ikke faller inn i det svarte hullet) kalt Hawking-stråling. Det var den første aksepterte teorien for å forene kvanteteori med generell relativitet, noe som gjør det til Hawking største vitenskapelige prestasjon til dags dato.

9

Ramme Dra

En prediksjon av Einsteins teori om generell relativitet er at når en stor gjenstand beveger seg, drar den romtiden rundt den og forårsaker at nærliggende objekter blir trukket sammen også. Det kan oppstå når en stor gjenstand beveger seg i en rett linje eller roterer, og selv om effekten er svært liten, har den blitt eksperimentelt verifisert. Gravity Probe B-eksperimentet, lansert i 2004, ble designet for å måle romtidsforvrengningen nær Jorden. Selv om kilder til forstyrrelser var større enn forventet, ble rammebrytende effekt målt til en usikkerhet på 15%, med videre analyse som håper å redusere dette ytterligere.

De forventede effektene var svært nær forutsigelser: På grunn av jordens rotasjon ble sonden trukket fra sin omløp med rundt 2 meter per år, en effekt som er rent forårsaket av jordens masse som forvrenger romtiden som omgir den. Sonden i seg selv ville ikke føle denne ekstra akselerasjonen fordi den ikke er forårsaket av en akselerasjon på sonden, men heller på den tid som sonden går gjennom-analog til et teppe som trekkes under et bord, i stedet for å flytte selve bordet .

8

Relativitet av Simultaneity

Relativiteten til simultanitet er ideen om at to hendelser oppstår samtidig eller ikke, er relative og avhenger av observatøren. Det er en merkelig følge av den spesielle relativitetsteorien, og gjelder alle hendelser som skiller seg fra hverandre. For eksempel, hvis et fyrverkeri er slått av på Mars og et annet på Venus, kan en observatør som reiser gjennom rommet på en måte si at de skjer samtidig (kompensere for tiden lyset tar for å nå dem), mens en annen observatør som reiser på en annen måte, kanskje si at den ene på Mars gikk av først, og enda en kan si at den ene på Venus gikk av først. Det er forårsaket av måten forskjellige synspunkter blir forvrengt i forhold til hverandre i spesiell relativitet. Og fordi de er alle relativt, kan ingen observatør sies å ha det riktige synspunktet.

Dette kan føre til svært uvanlige scenarier, som for eksempel en observatør som ser på effekten før årsaken (for eksempel å se en bombe gå av, da senere å se noen tenne sikringen). Men når observatøren ser effekten, kan de ikke interagere med årsaken uten å reise raskere enn lysets hastighet, noe som var en av de første grunnene til at raskere enn lett reise antas å være forbudt, fordi det er lik tidsreisende , og et univers hvor du kan samhandle med årsaken etter at effekten ikke gir mening.

7

Svarte strenger

En av de lengste utestående mysterier i fysikk er hvordan tyngdekraften er knyttet til de andre fundamentale kreftene, som for eksempel elektromagnetisme. En teori, som først ble foreslått i 1919, viste at hvis en ekstra dimensjon legges til universet, eksisterer tyngdekraften fortsatt i de fire første dimensjonene (tre plassdimensjoner og tid), men måten dette firedimensjonale rommet kurver over den ekstra femte dimensjonen, produserer naturligvis de andre fundamentale kreftene. Vi kan imidlertid ikke se eller oppdage denne femte dimensjonen, så det ble foreslått at den ekstra dimensjonen ble krøllet opp og dermed blitt usynlig for oss. Denne teorien var det som til slutt førte til strengteori, og er fortsatt inkludert i hjertet av strengestteorianalyse.

Siden denne ekstra dimensjonen er så liten, kan bare små gjenstander, som partikler, bevege seg langs den. I disse tilfellene slutter de til slutt akkurat der de startet, siden den ekstra dimensjonen er krøllet på seg selv. Imidlertid er ett objekt som blir mye mer komplekst i fem dimensjoner et svart hull. Når det blir utvidet til fem dimensjoner, blir det en "svart streng", og i motsetning til et normalt 4D svart hull, er det ustabilt (dette ignorerer at 4D svarte hull til slutt fordamper). Denne svarte strengen vil destabilisere seg i en hel rekke sorte hull, forbundet med ytterligere sorte strenger, til de sorte strenger er helt avklemt og forlater settet med sorte hull. Disse flere 4D svarte hullene kombineres deretter i ett større svart hull. Det mest interessante ved dette er at ved hjelp av nåværende modeller er det endelige svarte hullet en "naken" singularitet. Det vil si, det har ingen hendelseshorisont som omgir den. Dette bryter mot den kosmiske sensurhypotesen, som sier at alle singulariteter må omgis av en hendelseshorisont for å unngå tidsreiseffekter som antas å skje nær en singularitet fra å endre hele universets historie, slik de aldri kan flykte bakfra en hendelseshorisont.

6

Geon

Som det er best vist i ligningen E = MC, er energi og materie fundamentalt forbundet. En effekt av dette er at energi, så vel som masse, skaper et tyngdefelt. En geon, først undersøkt av John Wheeler, i 1955, er en elektromagnetisk eller gravitasjonsbølge hvis energi skaper et tyngdefelt, som igjen holder bølgen seg sammen i et begrenset rom. Wheeler spekulerte på at det kan være en sammenheng mellom mikroskopiske geoner og elementære partikler, og at de kanskje til og med kunne være det samme. Et mer ekstreme eksempel er en "kugelblitz" (tysk for "ball lightning"), hvor et slikt intensivt lys er konsentrert til et bestemt punkt at tyngdekraften forårsaket av lysenergien blir sterk nok til å kollapse inn i et svart hull og fange opp lys inni. Selv om ingenting antas å forhindre dannelsen av en kugelblitz, er det nå bare ansett at geons kan formes midlertidig, da de uunngåelig vil lekke energi og kollapse. Dette indikerer dessverre at Wheelers første formodning var feil, men dette har ikke blitt definitivt bevist.

5

Kerr Black Hole

Typen av svart hull som de fleste er kjent med, som har en hendelseshorisont på utsiden som fungerer som "pekepunktet" og et poeng singularitet av uendelig tetthet på innsiden, har faktisk et mer spesifikt navn: et svart svart hul i Schwarzschild . Det er oppkalt etter Karl Schwarzschild, som fant den matematiske løsningen av Einsteins feltekvasjoner for en sfærisk, ikke-roterende masse i 1915, bare en måned etter at Einstein faktisk publiserte sin generelle relativitetsteori. Det var imidlertid ikke før 1963 at matematiker Roy Kerr fant løsningen for en roterende sfærisk masse. Derfor kalles et roterende svart hull et Kerr svart hull, og det har noen uvanlige egenskaper.

I midten av et Kerr svart hull er det ikke noe singularitet, men en ring singularitet - en spinnende endimensjonal ring holdt åpen av sin egen fart. Det er også to hendelseshorisonter, en indre og ytre, og en ellipsoid kalt ergosfæren, inne i hvilken romtid selv roterer med det svarte hullet (på grunn av rammen dra) raskere enn lysets hastighet. Når du kommer inn i det svarte hullet, går det gjennom tidevannspassene gjennom den ytre hendelseshorisonten, som betyr at det er umulig å unngå singulariteten i midten, akkurat som i et Schwarzschild svart hull. Når du passerer gjennom den indre hendelseshorisonten, blir banen din likevel romslig igjen. Forskjellen er dette: romtid selv er reversert. Dette betyr tyngdekraften nær ringenes singularitet blir avstøtende, og driver deg faktisk fra sentrum. Faktisk, med mindre du kommer inn i det svarte hullet nøyaktig på ekvator, er det umulig å treffe ringenes singularitet selv. I tillegg kan ringenes singulariteter kobles gjennom romtid, slik at de kan virke som ormhull, men det vil være umulig å forlate det svarte hullet på den andre siden (med mindre det var en naken singularitet, muligens opprettet når ringenes singularitet spinner fort nok). Å reise gjennom en ring-singularitet kan ta deg til et annet punkt i romtid, for eksempel et annet univers, hvor du kunne se lys som faller inn fra utenfor det svarte hullet, men ikke forlate det svarte hullet selv. Det kan til og med ta deg til et "hvitt hull" i et negativt univers, den eksakte betydningen av dette er ukjent.

4

Quantum Tunneling

Kvantum tunneling er en effekt hvor en partikkel kan passere gjennom en barriere, det ville normalt ikke ha energi til å overvinne. Det kan tillate en partikkel å passere gjennom en fysisk barriere som burde være ugjennomtrengelig, eller kan tillate et elektron å unnslippe fra kjernekraften uten å ha den kinetiske energien til å gjøre det.I følge kvantemekanikk er det en endelig sannsynlighet for at noen partikkel kan finnes hvor som helst i universet, selv om denne sannsynligheten er astronomisk liten for noen reell avstand fra partikkelen som forventes.

Men når partikkelen står overfor en liten nok barriere (rundt 1-3 nm bred), vil en hvilken konvensjonell beregning indikere være ugjennomtrengelig av partikkelen, sannsynligheten for at partikkelen bare vil passere gjennom denne barrieren blir ganske merkbar. Dette kan forklares av Heisenberg usikkerhetsprinsippet, som begrenser hvor mye informasjon som kan bli kjent om en partikkel. En partikkel kan "låne" energi fra systemet den virker i, bruk den til å passere gjennom barrieren, og så miste den igjen.

Kvantum tunneling er involvert i mange fysiske prosesser, for eksempel radioaktivt henfall og atomfusjonen som finner sted i solen. Det brukes også i visse elektriske komponenter, og det har også vist seg å forekomme i enzymer i biologiske systemer. For eksempel involverer enzymet glukoseoksidase, som katalyserer reaksjonen av glukose i hydrogenperoksid, kvantum tunneling av et helt oksygenatom. Kvantum tunneling er også en viktig funksjon i skanning tunneling mikroskop, den første maskinen for å aktivere avbildning og manipulering av enkelte atomer. Det fungerer ved å måle spenningen i en veldig fin spiss, som endres når den kommer nær en overflate på grunn av effekten av elektroner som tunneler gjennom vakuumet (kjent som "forbudt sonen") mellom dem. Dette gir enheten følsomheten som er nødvendig for å lage ekstremt høyoppløselige bilder. Det gjør det også mulig for enheten å bevege atomer ved bevisst å sette en strøm gjennom ledende spissen.

3

Kosmiske snorer

Shorty etter Big Bang, var universet i en svært uorden og kaotisk tilstand. Dette betyr at små endringer og feil ikke forandret universell struktur. Men som universet utvidet, avkjølt og gikk fra en uordenlig tilstand til en ordnet, kom det til et punkt der svært små svingninger skapte svært store endringer.

Dette ligner på å arrangere fliser jevnt på et gulv. Når en flis plasseres ujevnt, betyr dette at de påfølgende flisene som er plassert, vil følge mønsteret. Derfor har du en hel rekke fliser ut av sted. Dette ligner objektene kalt kosmiske strenger, som er ekstremt tynne og ekstremt lange feil i form av romtid. Disse kosmiske strengene forutses av de fleste modeller av universet, som for eksempel strengteorien hvor to slags "strenger" ikke er relatert. Hvis de eksisterer, ville hver streng være så tynn som en proton, men utrolig tett. Dermed kan en kosmisk streng en kilometer lang veie like mye som jorden. Men det ville egentlig ikke ha noen tyngdekraften, og den eneste effekten det har på saken rundt det ville være måten det forandrer form og tid på. Derfor er en kosmisk streng i utgangspunktet bare en "rynke" i form av romtid.

Kosmiske strenger antas å være utrolig lange, opp til størrelsesorden av tusenvis av galakser. Faktisk har nyere observasjoner og simuleringer antydet at et nettverk av kosmiske strenger strekker seg over hele universet. Dette var en gang tenkt å være det som forårsaket galakser å danne i supercluster-komplekser, selv om denne ideen siden er blitt forlatt. Supercluster-kompleksene består av koblede "filamenter" av galakser opp til en milliard lysår i lengde. På grunn av de unike effektene av kosmiske strenger på romtid som du bringer to strenger i nærheten, har det vist seg at de muligens kan brukes til tidsreiser, som med de fleste av tingene på denne listen. Kosmiske strenger ville også skape utrolige gravitasjonsbølger, sterkere enn noen annen kjent kilde. Disse bølgene er hva de nåværende og planlagte gravitasjonsbølgedetektorer er designet for å lete etter.

2

Antimatter Retrocausality

Antimatter er motsatt av saken. Den har samme masse, men med en motsatt elektrisk ladning. En teori om hvorfor antimateriell eksisterer ble utviklet av John Wheeler og Nobelpristageren Richard Feynman basert på ideen om at fysiske systemer skulle være omvendt. For eksempel, omløpene til vårt solsystem, hvis de spilles bakover, bør likevel adlyde alle de samme reglene som når de spilles fremover. Dette førte til ideen om at antimateriell er bare vanlig materie som går bakover i tid, noe som vil forklare hvorfor antipartikler har en motsatt ladning, siden hvis en elektron blir avstøt mens du går fremover i tid, så bakover i tiden blir dette tiltrengning. Dette forklarer også hvorfor saken og antimaterien utrydder. Dette er ikke en situasjon at to partikler krasjer inn i og ødelegger hverandre; Det er den samme partikkelen som plutselig stopper og går tilbake i tid. I et vakuum, hvor et par virtuelle partikler blir produsert og deretter utslettet, er dette faktisk bare en partikkel som går i en endeløs sløyfe, fremover i tid, deretter bakover, deretter fremover og så videre.

Mens nøyaktigheten av denne teorien fortsatt er opptatt for debatt, kommer behandling av antimateriell som materiell bakover i tid matematisk opp med identiske løsninger på andre, mer konvensjonelle teorier. Da det først ble teoretisert, sa John Wheeler at det kanskje svarte spørsmålet om hvorfor alle elektroner i universet har identiske egenskaper, et spørsmål som er så tydelig at det generelt ignoreres. Han foreslo at det bare var en elektron, som hele tiden dartet over hele universet, fra Big Bang til slutten av tiden og tilbake igjen, og fortsatte et utallige antall ganger.Selv om denne ideen innebærer tilbaketrukket tidsreise, kan den ikke brukes til å sende informasjon tilbake i tid, siden modellens matematikk ikke tillater det. Du kan ikke flytte et antimatteringsmiddel for å påvirke fortiden, siden du beveger det, påvirker du kun antimatterens fortid, det vil si din fremtid.

1

Gödel er ufullstendige teorier

Det er ikke strengt vitenskap, men snarere et veldig interessant sett med matematiske teoremer om logikk og filosofien som er definitivt relevant for vitenskapen som helhet. Bevist i 1931 av Kurt Gödel, sier disse teoriene at med et gitt sett av logiske regler, med unntak av de enkleste, vil det alltid være uttalelser som er utålmodige, noe som betyr at de ikke kan bevises eller disproven på grunn av den uunngåelige selvreflekterende naturen av noen logiske systemer som er enda eksternt kompliserte. Dette antas å indikere at det ikke er et stort matematisk system som er i stand til å bevise eller motbevise alle uttalelser. En uforklarlig uttalelse kan betraktes som en matematisk form av en uttalelse som "Jeg løg alltid." Fordi setningen henviser til språket som brukes til å beskrive det, kan det ikke være kjent om setningen er sann eller ikke. En undecidable uttalelse trenger imidlertid ikke å være eksplisitt selvbetegnende for å være ubestridelig. Hovedkonklusjonen til Gödels ufeilhetssetninger er at alle logiske systemer vil ha uttalelser som ikke kan bevises eller motbevises; Derfor må alle logiske systemer være "ufullstendige".

De filosofiske implikasjonene av disse teoremene er utbredt. Settet antyder at i fysikk kan en "teori om alt" være umulig, da ingen sett av regler kan forklare alle mulige hendelser eller utfall. Det indikerer også at logisk er "bevis" et svakere konsept enn "sant"; Et slikt konsept er foruroligende for forskere fordi det betyr at det alltid vil være ting som, til tross for at det er sant, ikke kan bevises å være sant. Siden dette settet også gjelder for datamaskiner, betyr det også at våre egne tanker er ufullstendige og at det finnes noen ideer vi aldri kan vite, inkludert om våre egne tanker er konsekvente (det vil si at vår begrunnelse ikke inneholder ukorrekte motsigelser). Dette skyldes at det andre av Gödel er ufeilbarlige teorier, sier at ikke et konsekvent system kan bevise sin egen konsistens, noe som betyr at ingen sane tanker kan bevise sin egen sunnhet. Også, siden den samme loven sier at ethvert system som kan bevise dets konsistens til seg selv, må være inkonsekvent, kan ethvert sinn som mener at det kan vise sin egen sunnhet, derfor være vanvittig.