10 mærkelige ting om universet

Universet kan være et meget mærkeligt sted. Mens banebrydende ideer som kvanteorientering, relativitet og endog Jorden, der går rundt om Solen, kan blive almindeligt accepteret nu, fortsætter videnskaben stadig med at universet indeholder ting, som du måske har svært ved at tro på, og endnu vanskeligere at få hovedet rundt .

10

Negativ energi

Teoretisk er den laveste temperatur, der kan opnås, absolut nul, præcis? 273,15 ° C, hvor bevægelsen af ​​alle partikler stopper helt. Du kan dog aldrig afkøle noget til denne temperatur, fordi hver partikel i kvantemekanik har en minimal energi, kaldet "nulpunktsenergi", som du ikke kan komme under. Det er bemærkelsesværdigt, at denne mindste energi ikke kun gælder for partikler, men til ethvert vakuum, hvis energi kaldes "vakuumenergi." For at vise at denne energi eksisterer, involverer et ret simpelt eksperiment - tag to metalplader i et vakuum, læg dem tæt sammen, og de vil blive tiltrukket af hinanden. Dette skyldes, at energien mellem pladerne kun er i stand til at resonere ved bestemte frekvenser, mens vakuumenergien uden for pladerne kan resonere på stort set enhver frekvens. Fordi energien uden for pladerne er større end energien mellem pladerne, skubbes pladerne mod hinanden. Efterhånden som pladerne kommer tættere på hinanden, øges kraften, og ved omkring 10 nm adskillelse skaber denne virkning (kaldet Casimir-effekten) en atmosfære af tryk mellem dem. Fordi pladerne reducerer vakuumenergien mellem dem til under den normale nulpunktsenergi, siges rummet at have negativ energi, som har nogle usædvanlige egenskaber.

Et af egenskaberne ved et negativ energi-vakuum er, at lyset reelt kører hurtigere i det end det gør i et normalt vakuum, hvilket måske en dag tillader folk at rejse hurtigere end lysets hastighed i en slags negativ energi vakuumboble . Negativ energi kunne også bruges til at holde åbent et transversalt ormhul, som, selv om det var teoretisk muligt, ville falde sammen, så snart det blev skabt uden et middel til at holde det åbent. Negativ energi forårsager også, at sorte huller fordampes. Vakuumenergi modelleres ofte som virtuelle partikler, der popper til eksistens og udslettelse. Dette overtræder ikke nogen energibesparelseslovgivning, så længe partiklerne udslettes kort tid efter. Men hvis to partikler fremstilles ved et sort hulshændelseshorisont, kan man flytte væk fra det sorte hul, mens den anden falder ind i den. Det betyder, at de ikke vil kunne udslette, så partiklerne begge ender med negativ energi. Når den negative energi partikel falder ind i det sorte hul, sænker det massen af ​​det sorte hul i stedet for at tilføje til det, og over tid vil partikler som disse medføre, at det sorte hul fordampes helt. Fordi denne teori først blev foreslået af Stephen Hawking, hedder partiklerne, der er givet af denne virkning (dem der ikke falder ind i det sorte hul), Hawking-stråling. Det var den første accepterede teori om at forene kvanteteori med generel relativitet, hvilket gør det til Hawkings største videnskabelige præstation til dato.

9

Ramme trækker

En forudsigelse af Einsteins teori om generel relativitet er, at når en stor genstand bevæger sig, trækker den rumtiden omkring den og forårsager, at nærliggende objekter trækkes sammen også. Det kan forekomme, når en stor genstand bevæger sig i en retlinie eller roterer, og selv om effekten er meget lille, er den blevet eksperimentelt verificeret. Gravity Probe B-eksperimentet, der blev lanceret i 2004, blev designet til at måle rumtidsforvrængningen nær jorden. Selv om forstyrrelser er større end forventet, er rammebegrænsende effekt målt til en usikkerhed på 15%, med yderligere analyse i håb om at reducere dette yderligere.

De forventede virkninger var meget tæt på forudsigelser: På grund af Jordens rotation blev sonden trukket fra sin kredsløb med omkring 2 meter om året, en effekt, der udelukkende skyldes Jordens masse, der fordrejer rumtiden omkring den. Sonden i sig selv ville ikke føle denne ekstra acceleration, fordi den ikke skyldes en acceleration på sonden, men snarere på rumtiden, hvor sonden er på vej gennem-analog til et tæppe, der trækkes under et bord, i stedet for at flytte selve bordet .

8

Relativity of Simultaneity

Relativiteten af ​​simultanitet er ideen om, at om to hændelser forekommer samtidigt eller ej, er relativ og afhænger af observatøren. Det er en mærkelig konsekvens af den specielle relativitetsteori, og gælder for eventuelle hændelser, der adskilles af en vis afstand. For eksempel, hvis et fyrværkeri er slået fra på Mars og et andet på Venus, kan en observatør, der rejser gennem rummet på en måde sige, at de sker på samme tid (kompensere for det tidspunkt lyset tager for at nå dem), mens en anden observatør rejser på en anden måde måske Sig den ene på Mars gik ud først, og endnu en anden kunne sige, at den ene på Venus gik først. Det skyldes den måde, hvorpå forskellige synspunkter bliver forvrænget i forhold til hinanden i speciel relativitet. Og fordi de er alle relative, kan ingen observatør siges at have det rette synspunkt.

Dette kan føre til meget usædvanlige scenarier, som f.eks. En observatør, der oplever effekt før årsagen (for eksempel at se en bombe gå af, da senere at se nogen lyser sikringen). Men når observatøren ser effekten, kan de ikke interagere med årsagen uden at rejse hurtigere end lysets hastighed, hvilket var en af ​​de første grunde, at hurtigere end lysere rejser troede at være forbudt, fordi det er beslægtet med tidskørsel , og et univers, hvor du kan interagere med årsagen efter at effekten ikke giver mening.

7

Sorte strings

En af de længste fremragende mysterier i fysikken er, hvordan tyngdekraften er relateret til de andre grundlæggende kræfter, såsom elektromagnetisme. En teori, som først blev foreslået i 1919, viste, at hvis der tilføjes en ekstra dimension til universet, eksisterer tyngdekraften stadig i de første fire dimensioner (tre rumsdimensioner og tid), men den måde, som dette firedimensionelle rum kurver over den ekstra femte dimension, producerer naturligvis de øvrige grundlæggende kræfter. Vi kan dog ikke se eller opdage denne femte dimension, så det blev foreslået, at den ekstra dimension blev krøllet op og derfor blev usynlig for os. Denne teori var, hvad der i sidste ende førte til strengteori, og er stadig medtaget i kernen i strengstrengsteorianalyse.

Da denne ekstra dimension er så lille, kan kun små genstande, såsom partikler, bevæge sig langs den. I disse tilfælde sluttes de til sidst, hvor de startede, da den ekstra dimension er krøllet på sig selv. Imidlertid er et objekt, der bliver meget mere komplekst i fem dimensioner, et sort hul. Når den udvides til fem dimensioner, bliver den en "sort streng" og i modsætning til et normalt 4D sort hul er det ustabilt (dette ignorerer det faktum, at 4D sorte huller til sidst fordampes). Denne sorte streng vil destabilisere i en hel række sorte huller, der er forbundet med yderligere sorte strenge, indtil de sorte strenge er fuldstændigt klæbet og efterlade sættet med sorte huller. Disse flere 4D sorte huller kombineres derefter i et større sort hul. Det mest interessante ved dette er, at ved hjælp af nuværende modeller er det endelige sorte hul en "nøgen" singularitet. Det vil sige, det har ingen hændelseshorisont omkring det. Dette krænker den kosmiske censurhypotesen, som siger, at alle singulariteter skal være omgivet af en hændelseshorisont for at undgå de tidsrejsende virkninger, der menes at ske nær en singularitet fra at ændre hele universets historie, som de aldrig kan undslippe bagved en hændelseshorisont.

6

Geon

Som det bedst ses i ligningen E = MC, er energi og materiel fundamentalt forbundet. En effekt af dette er, at energi, såvel som masse, skaber et tyngdefelt. En geon, som først blev undersøgt af John Wheeler i 1955, er en elektromagnetisk eller gravitationsbølge, hvis energi skaber et tyngdefelt, som igen holder bølgen sammen i et begrænset rum. Wheeler spekulerede på, at der kan være en forbindelse mellem mikroskopiske geoner og elementære partikler, og at de måske endda være de samme. Et mere ekstreme eksempel er en "kugelblitz" (tysk for "ball lightning"), hvor et sådant intens lys er koncentreret på et bestemt tidspunkt, at tyngdekraften forårsaget af lysenergien bliver stærk nok til at falde sammen i et sort hul og fange de lys indeni. Selvom intet antages at forhindre dannelsen af ​​en kugelblitz, anses geoner nu kun for at kunne danne sig midlertidigt, da de uundgåeligt lækker energi og falder sammen. Dette indikerer desværre, at Wheelers oprindelige formodning var ukorrekt, men det er ikke blevet bekræftet.

5

Kerr Black Hole

Den type sorte hul, som de fleste mennesker er bekendt med, som har en hændelseshorisont på ydersiden, der virker som "point of no return" og en point singularitet af uendelig tæthed på indersiden, har faktisk et mere specifikt navn: et Schwarzschild sort hul . Det er opkaldt efter Karl Schwarzschild, der fandt den matematiske løsning af Einsteins feltekvationer for en sfærisk, ikke-roterende masse i 1915, kun en måned efter, at Einstein faktisk offentliggjorde sin generelle relativitetsteori. Det var dog først i 1963, at matematikeren Roy Kerr fandt løsningen for en roterende sfærisk masse. Derfor kaldes et roterende sort hul et Kerr sort hul, og det har nogle usædvanlige egenskaber.

I midten af ​​et Kerr sorte hul er der ingen point singularitet, men snarere en ring-singularitet - en spinende endimensionel ring holdt åben ved sin egen momentum. Der er også to hændelseshorisonter, en indre og en ydre og en ellipsoid kaldet ergosfæren, inden for hvilken rumtiden selv roterer med det sorte hul (på grund af rammen trækker) hurtigere end lysets hastighed. Når man træder ind i det sorte hul, bliver de rumlignende stier tidslignende, da de går gennem den ydre begivenhedshorisont, hvilket betyder, at det er umuligt at undgå singulariteten i midten, ligesom i et Schwarzschild-sort hul. Men når du går gennem den indre hændelseshorisont, bliver din vej igen pladslignende. Forskellen er denne: rumtiden selv er omvendt. Det betyder tyngdekraften i nærheden af ​​ringen, singulariteten bliver afstødende og skubber dig faktisk væk fra midten. Faktisk, medmindre du indtaster det sorte hul præcis på ækvator, er det umuligt at ramme ring singulariteten selv. Derudover kan ring-singulariteter forbindes gennem rumtiden, så de kan virke som ormhuller, selvom det at være ude af det sorte hul på den anden side ville være umuligt (medmindre det var en nøgen singularitet, muligvis skabt, når ringenes singularitet springer hurtigt nok). At rejse gennem en ring-singularitet kan tage dig til et andet punkt i rumtiden, som et andet univers, hvor du kunne se lys falde ind udefra det sorte hul, men ikke forlade det sorte hul selv. Det kan endda tage dig til et "hvidt hul" i et negativt univers, hvis eksakte betydning er ukendt.

4

Quantum Tunneling

Quantum tunneling er en effekt, hvor en partikel kan passere gennem en barriere, det ville normalt ikke have energi at overvinde. Det kan tillade en partikel at passere gennem en fysisk barriere, der skal være uigennemtrængelig eller kan lade en elektron undslippe fra kernens træk uden at have den kinetiske energi til at gøre det.Ifølge kvantemekanik er der en endelig sandsynlighed for, at en partikel kan findes overalt i universet, selv om denne sandsynlighed er astronomisk lille for enhver reel afstand fra partiklen forventede vej.

Men når partiklen står over for en lille nok barriere (omkring 1-3 nm bred), vil en som konventionelle beregninger antyder, være uigennemtrængelig af partiklen, sandsynligheden for, at partiklen simpelthen vil passere gennem denne barriere, bliver ret mærkbar. Dette kan forklares ved Heisenberg usikkerhedsprincippet, som begrænser, hvor meget information der kan kendes om en partikel. En partikel kan "låne" energi fra det system, den virker i, bruge den til at passere gennem barrieren og derefter miste den igen.

Kvantum tunneling er involveret i mange fysiske processer, såsom radioaktivt henfald og atomfusion, der finder sted i solen. Det bruges også i visse elektriske komponenter, og det har endda vist sig at forekomme i enzymer i biologiske systemer. For eksempel involverer enzymet glucoseoxidase, som katalyserer reaktionen af ​​glucose i hydrogenperoxid, kvantemåling af et helt oxygenatom. Kvantum tunneling er også et centralt element i scanning tunneling mikroskop, den første maskine til at muliggøre billeddannelse og manipulation af individuelle atomer. Det virker ved at måle spændingen i en meget fin spids, som ændres, når den kommer tæt på en overflade på grund af effekten af ​​elektroner, der tunnler gennem vakuumet (kendt som "forbudt zone") mellem dem. Dette giver enheden den følsomhed, der er nødvendig for at lave ekstremt høje opløsningsbilleder. Det gør det også muligt for enheden at flytte atomer ved bevidst at sætte en strøm gennem det ledende tip.

3

Kosmiske Strings

Shorty efter Big Bang var universet i en meget uorden og kaotisk tilstand. Det betyder, at små ændringer og fejl ikke ændrede universets overordnede struktur. Men da universet blev udvidet, afkølet og gik fra en uordenlig tilstand til en ordnet, nåede det et punkt, hvor meget små udsving skabte meget store ændringer.

Dette svarer til at arrangere fliser jævnt på et gulv. Når en flise placeres ujævnt betyder det, at de efterfølgende fliser placeres vil følge dens mønster. Derfor har du en hel række fliser ud af sted. Dette ligner de objekter, der kaldes kosmiske strenge, som er ekstremt tynde og ekstremt lange fejl i form af rumtid. Disse kosmiske strenge forudsiges af de fleste modeller af universet, såsom strengen teori, hvor to slags "strings" ikke er relateret. Hvis de eksisterer, ville hver streng være så tynd som en proton, men utrolig tæt. Således kan en kosmisk streng en kilometer lang veje så meget som jorden. Men det ville faktisk ikke have nogen tyngdekraften, og den eneste effekt det har på materie omkring det ville være den måde, hvorpå det ændrer rumtidsform og form. Derfor er en kosmisk streng i det væsentlige bare en "rynke" i form af rumtid.

Kosmiske strings anses for at være utroligt lange, op til størrelsen af ​​tusindvis af galakser. Faktisk har nyere observationer og simuleringer foreslået, at et netværk af kosmiske strings strækker sig over hele universet. Dette var engang tænkt at være det, der forårsagede galakser at danne i supercluster-komplekser, selvom denne idé siden er blevet forladt. Supercluster-komplekser består af tilsluttede "filamenter" af galakser op til en milliard lysår i længden. På grund af de unikke effekter af kosmiske strenge i rumtiden, når du bringer to strenge tæt sammen, er det blevet vist, at de muligvis kan bruges til tidsrejse, ligesom med de fleste ting i denne liste. Kosmiske strenge ville også skabe utrolige gravitationsbølger, stærkere end nogen anden kendt kilde. Disse bølger er, hvad de nuværende og planlagte gravitationsbølge detektorer er designet til at kigge efter.

2

Antimatter Retrocausality

Antimatter er det modsatte af materie. Den har den samme masse, men med en modstridende elektrisk ladning. En teori om hvorfor antimateri eksisterer blev udviklet af John Wheeler og Nobelpristageren Richard Feynman baseret på ideen om, at fysiske systemer skulle være omvendt. For eksempel skal kredsløbene i vores solsystem, hvis de spilles baglæns, stadig overholde alle de samme regler som når de spilles fremad. Dette førte til tanken om, at antimateriel er bare almindeligt materiale, der går baglæns i tiden, hvilket ville forklare, hvorfor antipartikler har en modsat ladning, da hvis en elektron er afstødt, mens du går fremad i tiden, så bliver det igen attraktivt. Dette forklarer også, hvorfor materiel og antimateriel udslett. Dette er ikke en omstændighed, at to partikler styrter ind og ødelægger hinanden; det er den samme partikel, der pludselig stopper og går tilbage i tiden. I et vakuum, hvor et par virtuelle partikler produceres og derefter udslettet, er det faktisk kun en partikel, der går i en endeløs sløjfe, fremad i tiden, derefter baglæns, derefter fremad osv.

Selvom nøjagtigheden af ​​denne teori stadig er op til debat, kommer behandling af antimateriel som noget bagat i tiden matematisk op med identiske løsninger til andre mere konventionelle teorier. Da det først blev teoretiseret, sagde John Wheeler, at det måske besvarede spørgsmålet om, hvorfor alle elektroner i universet har identiske egenskaber, et spørgsmål så indlysende, at det generelt ignoreres. Han foreslog, at det kun var en elektron, der konstant dartede over hele universet, fra Big Bang til slutningen af ​​tiden og tilbage igen og fortsatte et utallige antal gange.Selvom denne ide indebærer baglæns tidsrejse, kan den ikke bruges til at sende nogen information tilbage i tiden, da modelens matematik simpelthen ikke tillader det. Du kan ikke flytte et antimatteringsmiddel til at påvirke fortiden, da du ved bevægelse kun påvirker antimatterens fortid, det vil sige din fremtid.

1

Gödel er ufuldstændige sætninger

Det er ikke strengt videnskab, men snarere et meget interessant sæt matematiske sætninger om logik og filosofien, der er helt relevant for videnskaben som helhed. Bevistet i 1931 af Kurt Gödel, siger disse teorier, at med et hvilket som helst sæt af logiske regler, bortset fra de enkleste, vil der altid være udsagn, der er ubestridelige, hvilket betyder, at de ikke kan bevises eller afvises på grund af den uundgåelige selvreflekterende karakter af ethvert logisk system, der endda er ekstremt kompliceret. Dette menes at angive, at der ikke er noget stort matematisk system, der er i stand til at bevise eller afvise alle udsagn. En ubestridelig erklæring kan betragtes som en matematisk form af en erklæring som "jeg lyver altid". Da udtalelsen henviser til det sprog, der bruges til at beskrive det, kan det ikke vides, om erklæringen er sand eller ej. En uafklarlig erklæring behøver imidlertid ikke at være eksplicit selvbetegnende for at være ubestridelig. Hovedkonklusionen i Gödel's ufuldstændighedsteorier er, at alle logiske systemer vil have udsagn, der ikke kan bevises eller afvises; Derfor skal alle logiske systemer være "ufuldstændige".

De filosofiske konsekvenser af disse sætninger er udbredt. Sættet antyder, at i "fysik" kan en "teori om alt" være umulig, da ingen sæt regler kan forklare enhver mulig begivenhed eller udfald. Det indikerer også, at logisk er "bevis" et svagere koncept end "sandt"; Et sådant begreb er foruroligende for forskere, fordi det betyder, at der altid vil være ting, der på trods af at være sande ikke kan bevises at være sande. Da dette sæt sætninger også gælder for computere, betyder det også, at vores egne sind er ufuldstændige, og at der er nogle ideer, vi aldrig kan vide, herunder om vores egne sind er konsistente (dvs. vores begrundelse indeholder ingen ukorrekte modsætninger). Dette skyldes, at den anden af ​​Gödel's ufuldstændige sætninger siger, at intet konsistent system kan bevise sin egen konsistens, hvilket betyder, at intet sanseligt sind kan bevise sin egen skønhed. Også da den samme lov fastslår, at ethvert system, der kan bevise dets konsistens til sig selv, skal være inkonsekvent, kan ethvert sind, der mener at det kan bevise sin egen skønhed, derfor være vanvittigt.