10 konstiga saker om universum

Universum kan vara en mycket konstig plats. Medan banbrytande idéer som kvantteori, relativitet och även jorden som går runt solen kan accepteras nu, fortsätter vetenskapen fortfarande att universum innehåller saker som du kan ha svårt att tro och ännu svårare att ta sig runt .

10

Negativ energi

Teoretiskt sett är den lägsta temperaturen som kan uppnås absolut noll, exakt 273,15 ° C, där rörelsen för alla partiklar stannar helt. Du kan emellertid aldrig faktiskt kyla något till denna temperatur eftersom varje partikel i kvantmekanik har en minimal energi, som kallas "nollpunkts energi", som du inte kan komma nedanför. Anmärkningsvärt gäller den här minsta energin inte bara för partiklar, utan för varje vakuum, vars energi kallas "vakuumenergi". För att visa att denna energi existerar involverar ett ganska enkelt experiment - ta två metallplattor i vakuum, sätt dem nära tillsammans, och de kommer att lockas till varandra. Detta beror på att energin mellan plattorna endast kan resonera vid vissa frekvenser, medan vakuumenergin kan utsättas för ganska frekvent frekvens utanför plåtarna. Eftersom energin utanför plattorna är större än energin mellan plattorna, skjuts plattorna mot varandra. När plattorna kommer närmare varandra ökar kraften och vid en separation av 10 nm skapar denna effekt (kallad Casimir-effekten) en atmosfär av tryck mellan dem. Eftersom plåtarna minskar vakuumenergin mellan dem till under den normala nollpunktsenergin, sägs utrymmet ha negativ energi, vilket har några ovanliga egenskaper.

Ett av egenskaperna hos ett negativ energi-vakuum är att ljuset faktiskt färdas snabbare i det än det gör i ett normalt vakuum, något som en dag tillåter människor att resa snabbare än ljusets hastighet i en slags negativ energi-vakuumbubbla . Negativ energi kan också användas för att hålla upp ett transversellt maskhål, som trots teoretiskt möjligt skulle kollapsa så fort det skapades utan ett medel för att hålla det öppet. Negativ energi medför också att svarta hål förångas. Vakuumenergi modelleras ofta som virtuella partiklar som dyker upp och förintas. Detta strider inte mot energibesparande lagar så länge partiklarna förstörs kort därefter. Om två partiklar produceras vid händelsehorisonten av ett svart hål kan man dock flytta från det svarta hålet medan den andra faller in i den. Det innebär att de inte kommer att kunna förintas, så partiklarna hamnar slutligen med negativ energi. När den negativa energipartiklarna faller in i det svarta hålet sänker det det svarta hålets massa istället för att lägga till det, och med tiden kan partiklar som dessa göra att det svarta hålet avdunstar helt. Eftersom denna teori först föreslagits av Stephen Hawking kallas de partiklar som avges av denna effekt (de som inte faller in i det svarta hålet) Hawking-strålning. Det var den första accepterade teorin att förena kvantteori med generell relativitet, vilket gjorde det till Hawkings största vetenskapliga prestation hittills.

9

Ramdrage

En förutsägelse av Einsteins teori om generell relativitet är att när ett stort objekt rör sig, drar det rymdtid runt det, vilket gör att närliggande föremål också dras ut. Det kan uppstå när ett stort objekt rör sig i en rak linje eller roterar, och även om effekten är mycket liten har den verifierats experimentellt. Gravity Probe B-experimentet, som lanserades 2004, var utformat för att mäta tidsförvrängningen nära jorden. Även om störningskällorna var större än förväntat, har ramdraggningseffekten uppmätt till en osäkerhet på 15%, med ytterligare analys hoppas minska detta ytterligare.

De förväntade effekterna var mycket nära förutspår: På grund av jordens rotation drog sonden ut från sin omlopp med cirka 2 meter per år, en effekt som rent orsakades av jordens massa och förvrängde rymdtiden som omger den. Sonden i sig skulle inte känna denna extra acceleration eftersom den inte orsakas av en acceleration på sonden, utan snarare på den tidrymd som sonden färdas genom, analog med att en matta dras under ett bord istället för att flytta själva tabellen .

8

Relativity of Simultaneity

Relativiteten av simultanitet är tanken att om två händelser uppträder samtidigt eller inte är relativ och beror på observatören. Det är en märklig följd av den speciella relativitetsteorin, och gäller för händelser som händer som är åtskilda av något avstånd. Till exempel, om ett fyrverkeri släpps ut på Mars och en annan på Venus, kan en observatör som reser genom rymden på ett sätt säga att de händer samtidigt (kompensera för tiden ljuset tar för att nå dem), medan en annan observatör som reser på annat sätt kan säg att den ena på Mars gick först och ännu en annan kan säga att den på Venus gick först. Det beror på hur olika synvinklar blir förvrängda jämfört med varandra i speciell relativitet. Och eftersom de är alla relativt, kan ingen observatör sägas ha den rätta synvinkeln.

Detta kan leda till mycket ovanliga scenarier, till exempel en observerande verkan före orsaken (till exempel att se en bombe gå av, då senare att se någon tända säkringen). Men när observatören ser effekten, kan de inte interagera med orsaken utan att resa snabbare än ljusets hastighet, vilket var en av de första anledningarna att snabbare än lätt resa trodde vara förbjudet, eftersom det är relaterat till tidsresor , och ett universum där du kan interagera med orsaken efter att effekten inte har någon mening.

7

Svarta strängar

Ett av de längsta utestående mysterierna i fysiken är hur gravitationen är relaterad till de andra grundläggande krafterna, som elektromagnetism. En teori, som föreslogs första gången 1919, visade att om en extra dimension läggs till i universum existerar tyngdkraften fortfarande i de fyra första dimensionerna (tre rymdmått och tid), men hur detta fyra dimensionella utrymme kurvor över den extra femte dimensionen, producerar naturligt de andra grundläggande krafterna. Vi kan emellertid inte se eller upptäcka den här femte dimensionen, så det föreslogs att den extra dimensionen var krökt och blev så osynlig för oss. Denna teori var vad som till sist ledde till strängteori och ingår fortfarande i hjärtat av strängteorianalys.

Eftersom denna extra dimension är så liten, kan bara små föremål, som partiklar, röra sig längs den. I dessa fall hamnar de till slut bara där de började, eftersom den extra dimensionen är krökt på sig själv. Ett objekt som blir mycket mer komplext i fem dimensioner är emellertid ett svart hål. När den utvidgas till fem dimensioner blir den en "svart sträng" och till skillnad från ett normalt 4D svart hål är det instabilt (detta ignorerar att 4D svarta hål slutligen avdunstar). Den här svarta strängen destabiliserar till en hel rad svarta hål, kopplade med ytterligare svarta strängar tills de svarta strängarna är klämda helt och lämnar uppsättningen svarta hål. Dessa flera 4D svarta hål kombinerar sedan i ett större svart hål. Det mest intressanta med detta är att med hjälp av nuvarande modeller är det slutliga svarta hålet en "naken" singularitet. Det betyder att det inte har någon händelsehorisont som omger det. Detta kränker kosmiska censurhypotesen, som säger att alla singulariteter måste omges av en händelsehorisont för att undvika de tidsreaktioner som tros hända nära en singularitet från att ändra hela universums historia, eftersom de aldrig kan fly från bakom en händelse horisont.

6

Geon

Som bäst framgår av ekvationen E = MC är energi och materia grundläggande kopplade. En effekt av detta är att energi, såväl som massa, skapar ett gravitationsfält. En geon, som 1955 först undersökte av John Wheeler, är en elektromagnetisk eller gravitationsvåg vars energi skapar ett gravitationsfält, som i sin tur håller vågen ihop i ett begränsat utrymme. Wheeler spekulerade att det kan finnas en länk mellan mikroskopiska geoner och elementära partiklar, och att de kanske skulle vara samma sak. Ett mer extrema exempel är en "kugelblitz" (tyska för "boll blixt"), vilket är där ett sådant intensivt ljus koncentreras vid en viss punkt att gravitationen som orsakas av ljusenergin blir stark nog för att kollapsa in i ett svart hål och fånga ljus inuti. Även om inget menas att förhindra bildandet av en kugelblitz, anses geoner bara att kunna bildas tillfälligt, eftersom de oundvikligen kommer att läcka energi och kollapsa. Detta tyder tyvärr på att Wheelers initiala gissning var felaktig, men det har inte visat sig slutgiltigt.

5

Kerr Black Hole

Den typ av svart hål som flesta människor känner till, som har en händelsehorisont på utsidan som fungerar som "punkt utan återgång" och en punkts singularitet av oändlig densitet på insidan, har faktiskt ett mer specifikt namn: ett svart svart hål i Schwarzschild . Det är uppkallat efter Karl Schwarzschild, som fann den matematiska lösningen av Einsteins fältekvationer för en sfärisk, icke roterande massa 1915, en månad efter att Einstein faktiskt publicerade sin generella relativitetsteori. Det var dock inte förrän 1963 att matematiker Roy Kerr hittade lösningen för en roterande sfärisk massa. Därför kallas ett roterande svart hål ett Kerr svart hål, och det har några ovanliga egenskaper.

I mitten av ett Kerr-svart hål finns det ingen mening singularitet, utan snarare en ring singularitet - en spinnande endimensionell ring hålls öppen med sin egen momentum. Det finns också två händelsehorisonter, en inre och yttre, och en ellipsoid kallad ergosfären, inuti vilken rymdtid själv roterar med det svarta hålet (på grund av ramdragen) snabbare än ljusets hastighet. När du går in i det svarta hålet, genom att passera genom den yttre händelsehorisonten, blir rymdliknande vägar tidslikna, vilket innebär att det är omöjligt att undvika singulariteten i mitten, precis som i ett svarthårigt Schwarzschild-hål. När du passerar genom den inre händelsehorisonten blir din väg dock rymdliknande igen. Skillnaden är detta: rumtid själv är omvänd. Detta betyder att gravitationen nära ringen singularitet blir avskyvärda, faktiskt driver dig bort från mitten. Faktum är att om du inte kommer in i det svarta hålet exakt på ekvatorn är det omöjligt att träffa ring singulariteten själv. Dessutom kan ringsignaliteter kopplas genom rymdtid, så de kan fungera som maskhål, men det kan vara omöjligt att lämna det svarta hålet på andra sidan (om inte det var en naken singularitet, möjligen skapad när ringen singularitet snurrar tillräckligt snabbt). Att resa genom en singularitet i ring kan ta dig till en annan punkt i rymdtid, som ett annat universum, där du kunde se ljus som faller in från det svarta hålet, men lämna inte det svarta hålet själv. Det kan till och med ta dig till ett "vitt hål" i ett negativt universum, vars exakta mening är okänd.

4

Quantum Tunneling

Quantum tunneling är en effekt där en partikel kan passera genom en barriär det skulle normalt inte ha energi att övervinna. Det kan låta en partikel passera genom en fysisk barriär som bör vara ogenomtränglig eller kan låta en elektron fly från kärnans drag utan att den kinetiska energin ska göra det.Enligt kvantmekaniken finns det en begränsad sannolikhet att någon partikel kan hittas någonstans i universum, även om den sannolikheten är astronomiskt liten för varje verkligt avstånd från den partikelförväntade vägen.

När partikeln står inför en tillräckligt liten barriär (omkring 1-3 nm bred), men vilken konventionell beräkning skulle indikera är ogenomtränglig av partikeln, blir sannolikheten att partikeln helt enkelt passerar genom den här spärren ganska märkbar. Detta kan förklaras av Heisenbergs osäkerhetsprincip, som begränsar hur mycket information som kan vara känd om en partikel. En partikel kan "låna" energi från det system den verkar i, använd den för att passera genom barriären och förlora den igen.

Kvantumtunnling är inblandad i många fysiska processer, såsom radioaktivt förfall och den kärnfusion som äger rum i solen. Det används även i vissa elektriska komponenter, och det har även visat sig förekomma i enzymer i biologiska system. Till exempel involverar enzymet glukosoxidas, som katalyserar reaktionen av glukos i väteperoxid, kvanttunnling av en hel syreatom. Kvanttunnling är också en nyckelfunktion i skanningstunnelmikroskopet, den första maskinen för att möjliggöra avbildning och manipulation av enskilda atomer. Det fungerar genom att mäta spänningen i ett mycket bra spets, vilket ändras när det kommer nära en yta på grund av effekten av elektroner tunnlar genom vakuumet (känt som "förbjudna zonen") mellan dem. Detta ger enheten den känslighet som krävs för att göra extremt högupplösta bilder. Det gör det också möjligt för enheten att flytta atomer genom att avsiktligt sätta en ström genom ledningsspetsen.

3

Kosmiska strängar

Shorty efter Big Bang var universum i ett mycket oordnat och kaotiskt tillstånd. Det betyder att små förändringar och defekter inte förändrade universums övergripande struktur. Men när universum expanderade, kyldes och gick från ett oordnat tillstånd till en ordnad, nådde den en punkt där mycket små fluktuationer skapade mycket stora förändringar.

Detta liknar att arrangera plattor jämnt på ett golv. När en kakel placeras ojämnt betyder det att de efterföljande plattorna placeras följer dess mönster. Därför har du en hel rad kakel ur sin plats. Detta liknar objekten som kallas kosmiska strängar, vilka är extremt tunna och extremt långa defekter i form av rymdtid. Dessa kosmiska strängar förutses av de flesta modellerna i universum, såsom strängteori där två sorters "strängar" inte är relaterade. Om de existerar skulle varje sträng vara så tunn som en proton, men otroligt tät. Således kan en kosmisk sträng en mil lång väga så mycket som jorden. Det skulle emellertid inte ha någon tyngdkraft och den enda effekt det kommer att ha på materia som omger det skulle vara det sätt som ändras på rymdtidens form och form. Därför är en kosmisk sträng i princip bara en "rynk" i form av rymdtid.

Kosmiska strängar anses vara oerhört långa, upp till storleken på tusentals galaxer. Faktum är att nya observationer och simuleringar har föreslagit att ett nätverk av kosmiska strängar sträcker sig över hela universum. Detta var en gång tänkt att vara det som orsakade galaxer att bilda i supercluster-komplex, även om denna idé sedan dess har övergivits. Supercluster-komplex består av anslutna "filament" av galaxer upp till en miljard ljusår i längd. På grund av de unika effekterna av kosmiska strängar på rymdtid som du tar med två strängar i närheten, har det visat sig att de eventuellt kan användas för tidsresor, som med de flesta sakerna på den här listan. Kosmiska strängar skulle också skapa otroliga gravitationsvågor, starkare än någon annan känd källa. Dessa vågor är vad de nuvarande och planerade gravitationsvågdetektorerna är utformade för att leta efter.

2

Antimatter Retrocausality

Antimaterier är motsatsen till materia. Den har samma massa men med en motsatt elektrisk laddning. En teori om varför antimateriet existerar utvecklades av John Wheeler och Nobelpristagaren Richard Feynman baserat på idén om att fysiska system skulle vara omvändbara. Omkring vårt solsystem, om det spelas bakåt, ska till exempel lyda alla samma regler som när de spelas framåt. Detta ledde till tanken att antimateria bara är vanlig fråga som går bakåt i tiden, vilket skulle förklara varför antipartiklar har en motsatt laddning, eftersom om en elektron avstörs när man går framåt i tiden, då bakåt i tid blir detta attraktion. Detta förklarar också varför materia och antimateriel förstör. Detta är inte en omständighet att två partiklar kraschar in och förstör varandra; Det är samma partikel som plötsligt stoppar och går tillbaka i tiden. I ett vakuum, där ett par virtuella partiklar produceras och sedan förstörs, är detta faktiskt bara en partikel som går i en ändlös slinga, framåt i tid, sedan bakåt, framåt och så vidare.

Medan noggrannheten i denna teori fortfarande är uppe till diskussion, kommer behandling av antimateria som materia bakåt i tiden matematiskt upp till identiska lösningar för andra mer konventionella teorier. När den första teoretiserades sa John Wheeler att det kanske svarade frågan om varför alla elektroner i universum har identiska egenskaper, en fråga så uppenbar att den generellt ignoreras. Han föreslog att det bara var en elektron som ständigt darrade över universum, från storängen till slutet av tiden och tillbaka igen och fortsatte ett otalbart antal gånger.Trots att den här idén innebär bakåtresa, kan den inte användas för att skicka någon information tillbaka i tiden, eftersom modellens matematik helt enkelt inte tillåter det. Du kan inte flytta en bit antimateria för att påverka det förflutna, eftersom du vid rörelsen bara påverkar det förflutna antimatrisen själv, det vill säga din framtid.

1

Gödels ofullständighetsteorier

Det är inte strikt vetenskap, utan snarare en mycket intressant uppsättning matematiska teorem om logik och filosofi som är definitivt relevant för vetenskapen som helhet. Dessa teorier bevisades 1931 av Kurt Gödel och säger att med några särskilda logiska regler, förutom de enklaste, kommer det alltid att finnas uttalanden som är otänkbara, vilket innebär att de inte kan bevisas eller bestredas på grund av den oundvikliga självreflekterande karaktären av alla logiska system som är till och med fjärrkomplicerade. Detta menas att det inte finns något stort matematiskt system som kan bevisa eller motbevisa alla uttalanden. Ett obestridligt uttalande kan betraktas som en matematisk form av ett uttalande som "jag ljuger alltid". Eftersom uttalandet hänvisar till det språk som används för att beskriva det, kan det inte vara känt om uttalandet är sant eller inte. Men ett oförklarligt uttalande behöver inte vara uttryckligt självreflekterande för att vara otolkbart. Den viktigaste slutsatsen i Gödels ofullständighetsteorier är att alla logiska system kommer att ha uttalanden som inte kan bevisas eller motbevisas. Därför måste alla logiska system vara "ofullständiga".

De teoretiska filosofiska konsekvenserna är utbredd. Satsen föreslår att i fysiken kan en "teori om allt" vara omöjlig, eftersom ingen uppsättning regler kan förklara alla möjliga händelser eller resultat. Det indikerar också att logiskt är "bevis" ett svagare begrepp än "sant"; Ett sådant begrepp är oroande för forskare eftersom det betyder att det alltid kommer att finnas saker som inte kan bevisas vara sanna trots att det är sant. Eftersom denna uppsättning stämningar också gäller datorer betyder det också att våra egna sinnen är ofullständiga och att det finns några idéer som vi aldrig kan veta, inklusive om våra egna sinnen är konsekventa (det vill säga vår resonemang innehåller inga felaktiga motsättningar). Det beror på att den andra av Gödels ofullständighetsteorier säger att inget konsekvent system kan bevisa sin egen konsistens, vilket innebär att inget vettigt sinne kan bevisa sin egen sanitet. Eftersom samma lag säger att ett system som kan bevisa att det är konsistent med sig själv måste vara inkonsekvent, är det något sinnessjuk som helst som tror att det kan bevisa sin egen sanitet.