10 Mind-Bending Discoveries In Physics

Studien av fysik är universums studie - och mer specifikt, hur helvetet universum fungerar. Det är utan tvekan den mest intressanta grenen av vetenskapen, eftersom universum, som det visar sig, är mycket mer komplicerat än det ser ut på ytan (och det ser ganska komplicerat ut redan). Världen fungerar på några riktigt konstiga sätt, och även om du kanske behöver en doktorand för att förstå varför behöver du bara en känsla av vördnad för att uppskatta hur. Här är tio av de mest fantastiska saker som fysiker har upptäckt om vårt universum:

10

Tid stannar vid ljusets hastighet

Enligt Einsteins speciella relativitetsteori kan ljusets hastighet aldrig förändras. Den ligger alltid fast vid cirka 300.000.000 meter / sekund, oavsett vem som observerar den. Detta i sig är otroligt nog, med tanke på att ingenting kan röra sig snabbare än ljuset, men det är fortfarande mycket teoretiskt. Den riktigt coola delen av Special Relativity är en idé som kallas tidsfördröjning, vilket säger att ju snabbare du går, desto långsammare går det för dig i förhållande till din omgivning. Allvarligt - om du går en tur i bilen i en timme, kommer du åldras någonsin - lite mindre än om du bara hade satt dig hemma på datorn. De extra nanosekunderna du får ut av det kanske inte är värda priset på gas, men hej, det är ett alternativ.

Naturligtvis kan tiden bara sakta ner så mycket, och formuläret fungerar så att om du rör dig med ljusets hastighet, rör dig inte tiden alls. Nu, innan du går ut och försöker få ett odödligt snabbt system, notera bara att det inte går att flytta med ljusets hastighet, om du inte råkar vara ljus. Tekniskt sett skulle det behöva oändligt mycket energi för att flytta det snabbt (och jag har inte den typen av juice som bara ligger).

9

Kvantsammanflätning

Okej, så vi avslutade just med att ingenting kan röra sig snabbare än ljusets hastighet-höger? Tja ... ja och nej. Även om det är tekniskt fortfarande sant, åtminstone i teorin, visar det sig att det finns ett smutthål som finns i den fysiska kärnan som kallas kvantmekanik.

Kvantmekanik är i huvudsak en studie av fysik i mikroskopisk skala, såsom beteendet hos subatomära partiklar. Dessa typer av partiklar är omöjligt små, men mycket viktiga, eftersom de utgör byggstenarna för allt i universum. Jag lämnar de tekniska detaljerna åt sidan för tillfället (det blir ganska komplicerat), men du kan bilda dem som små, spinnande, elektriskt laddade kulor. Okej, det är kanske också komplicerat. Rulla bara med det (ordspydda).

Så säg att vi har två elektroner (en subatomisk partikel med negativ laddning). Quantum entanglement är en speciell process som innebär att parar upp dessa partiklar på ett sådant sätt att de blir identiska (marmor med samma spinn och laddning). När detta händer, blir det konstigt, för elektroniska elektronikvaror håller sig på samma sätt. Det betyder att om du byter en av dem, säger du, snurra den i andra riktningen - reagerar tvillingen på exakt samma sätt. Omedelbart. Oavsett var det är. Utan att du ens rör det. Implikationerna för denna process är enorma - det betyder att information (i detta fall spinnriktningen) i huvudsak kan teleporteras var som helst i universum.

8

Ljus påverkas av tyngdkraften

Men låt oss komma tillbaka till ljuset en minut och prata om General Relativity Theory den här gången (även av Einstein). Den här innefattar en idé som kallas ljusböjning, vilket är exakt vad det låter som - ljusstrålens väg är inte helt rak.

Konstigt som det låter, har det bevisats upprepade gånger (Einstein fick till och med en parade kastad till hans ära för att ordentligt förutsäga det). Vad det betyder är att även om ljuset inte har någon massa, påverkas dess väg av saker som gör - som solen. Så om en ljusstråle från, till exempel en avlägsen stjärna passerar tillräckligt nära solen, kommer den faktiskt att böja något runt den. Effekten på en observatör - som oss - är att vi ser stjärnan på en annan himmel än vad den faktiskt ligger (mycket som fisk i en sjö ligger aldrig i stället som de verkar vara). Kom ihåg att nästa gång du tittar upp på stjärnorna - det kan bara vara ett ljussignal.

7

Mörk materia

Tack vare några av de teorier som vi redan har diskuterat (plus mycket har vi inte), fysiker har några ganska noggranna sätt att mäta den totala massan i universum. De har också några ganska noggranna sätt att mäta den totala massan vi kan observera, och här är vridningen - de två siffrorna matchar inte.

Faktum är att mängden total massa i universum är väldigt större än den totala massan som vi faktiskt kan redovisa. Fysiker var tvungna att komma med en förklaring till detta och den ledande teorin involverar just nu mörk materia - en mystisk substans som inte släpper ut ljus och står för cirka 95% av massan i universum. Medan det inte formellt visat sig att det finns existens (för att vi inte kan se det), mörk materia stöds av ett ton bevis och måste existera i någon form eller annan för att förklara universum.

6

Vårt universum växer snabbt

Här är saker som blir lite trippy, och för att förstå varför måste vi gå tillbaka till Big Bang Theory. Innan det var en TV-show var Big Bang Theory en viktig förklaring till vårt universums ursprung. I den enklaste analogi som möjligt fungerade det som om det här: universum började som en explosion. Debris (planeter, stjärnor, etc.) kastades runt i alla riktningar, drivna av den enorma energin i explosionen. Eftersom allt detta skräp är så tungt och därmed påverkas av allvarets allvar bakom det, förväntar vi oss att denna explosion sakta ner efter ett tag.

Det gör det inte.Faktum är att utvidgningen av vårt universum faktiskt blir snabbare över tid, vilket är lika galet som om du slängde ett baseball som blev fortare och snabbare istället för att falla tillbaka till marken (men försök inte hemma). Det betyder i själva verket att rymden alltid växer. Det enda sättet att förklara detta är med mörk materia, eller, mer exakt, mörk energi, som är drivkraften bakom denna kosmiska acceleration. Så vad i världen är mörk energi, frågar du? Tja, det är en annan intressant sak ...

5

All materia är bara energi

Det är sant materia och energi är bara två sidor av samma mynt. Faktum är att du har känt detta hela ditt liv, om du någonsin hört talas om formeln E = mc ^ 2. E är för energi, och m representerar massa. Mängden energi som finns i en viss mängd mass bestäms av omvandlingsfaktorn c kvadrerad, där c representerar-vänta på det - ljusets hastighet.

Förklaringen till detta fenomen är verkligen ganska fascinerande, och det handlar om att massan av ett objekt ökar när det närmar sig ljusets hastighet (även när tiden saktar ner). Det är dock ganska komplicerat, så för syftet med denna artikel kommer jag helt enkelt att försäkra dig om att det är sant. För bevis (tyvärr), se inte längre än atombomber, som omvandlar mycket små mängder materia till mycket stora mängder energi.

4

Wave-Particle Duality

Tala om saker som är andra saker ...

Vid första anblicken kan partiklar (som en elektron) och vågor (som ljus) inte vara annorlunda. En är en solid bit av materia, och den andra är en strålande stråle av energi, typ av. Det är äpplen och apelsiner. Men som det visar sig kan saker som ljus och elektroner inte egentligen begränsas till ett existensstillstånd - de fungerar som både partiklar och vågor, beroende på vem som ser.

Nej seriöst. Jag vet att det låter löjligt (och det kommer att låta ännu galen när vi kommer till nummer 1), men det finns konkreta bevis som visar att ljus är en våg och andra konkreta bevis som visar att det är lätt är en partikel (ditto för elektroner). Det är bara ... båda. På samma gång. Inte någon form av mellanstat mellan de två, tänker dig-fysiskt både, i den meningen att det kan vara heller. Oroa dig inte om det inte ger mycket mening, för vi är tillbaka i kvantmekanikens rike, och på samma nivå tycker universum inte om att vara förnuftigt i alla fall.

3

Alla föremål faller med samma hastighet

Låt oss lugna ner det för en sekund, eftersom modern fysik är mycket att ta in på en gång. Det är okay-klassisk fysik visade sig också ganska snygga koncept.

Du skulle bli förlåtad om du antar att tyngre föremål faller snabbare än lättare - det låter som sunt förnuft, och dessutom vet du för ett faktum att en bowlingboll faller snabbare än en fjäder. Och det är sant, men det har inget att göra med gravitationen - den enda anledningen till detta är att jordens atmosfär ger motstånd. I verkligheten, som Galileo först förstod för 400 år sedan, fungerar gravitationen på samma sätt på alla föremål, oavsett deras massa. Vad det betyder är att om du upprepade fjäder- / bowlingbollsförsöket på månen (som inte har någon atmosfär), skulle de slå på marken på exakt samma tidpunkt.

2

Quantum Foam

Okej, bryta över. Saker kommer att bli konstiga igen.

Saken om tomt utrymme, du skulle tro, är att det är tomt. Det låter som ett ganska säkert antagande - det är ju i namnet. Men universum, det händer, är alltför rastlös för att klara av det, varför partiklar ständigt poppar in och ur existens överallt. De kallas virtuella partiklar, men gör inget misstag - de är verkliga och bevisade. De existerar bara en bråkdel av en sekund, vilket är tillräckligt länge för att bryta mot fysiska grundläggande fysiska lagar, men tillräckligt snabbt att det här inte spelar någon roll (som om du stal något från en butik, men lägg den tillbaka på hyllan en halv andra senare). Forskare har kallat detta fenomen "quantum foam", eftersom det tydligen påminde dem om skiftande bubblor i huvudet på en läsk.

1

Double Slit Experiment

Så kom ihåg några poster sedan, när jag sa att allt var både en våg och en partikel på samma gång? Självklart gör du det, du har följt noggrant. Men här är den andra saken - du vet från erfarenhet att saker har bestämda former - ett äpple i din hand är ett äpple, inte någon konstig äppelvåg sak. Så vad orsakar då något att definitivt bli en partikel eller en våg? Som det visar sig gör vi det.

Dubbelslitsexperimentet är det mest galen du läser om hela dagen och det fungerar så här-forskare satte upp en skärm med två slitsar framför en vägg och sköt en ljusstråle genom slitsarna så att de kunde se där det slog på väggen. Traditionellt, med ljus som en våg, skulle det uppvisa något som kallas ett diffraktionsmönster, och du skulle se ett band av ljus spritt över väggen. Det är standard-om du ställer in experimentet just nu så är det vad du skulle se.

Men det är inte hur partiklar skulle reagera på en dubbel slits-de skulle bara gå rakt igenom för att skapa två linjer på väggen som matchar slitsarna. Och om ljus är en partikel, varför visar den inte den här egenskapen i stället för ett diffraktionsmönster? Svaret är att det gör-men bara om vi vill ha det. Se, som en våg, reser ljuset genom båda slitsarna samtidigt, men som en partikel kan den bara resa genom en. Så om vi vill att den ska fungera som en partikel, är allt vi behöver göra för att mäta ett verktyg för att mäta exakt vilken slits varje bit av ljus (kallad en foton) går igenom.Tänk på det som en kamera - om det tar en bild av varje foton eftersom den passerar genom en enda slits, så kan den foton inte ha passerat genom båda slitsarna och sålunda kan det inte vara en våg. Som ett resultat kommer inte interferensmönstret på väggen att visas - de två linjerna kommer istället. Ljuset har fungerat som en partikel bara för att vi sätter en kamera framför den. Vi förändrar fysiskt resultatet genom att bara mäta det.

Det kallas Observereffekten i allmänhet, och även om det är ett bra sätt att avsluta den här artikeln, klarar den inte ens ytan av galen saker som finns i fysiken. Till exempel finns det en massa variationer av dubbelslitsexperimentet som är ännu mer vansinnigt än det jag talade om här. Jag uppmuntrar dig att leta upp dem, men bara om du är beredd att spendera hela dagen och fånga dig i kvantmekaniken.