10 scoperte di Mind-Bending in fisica

Lo studio della fisica è lo studio dell'universo e, più specificamente, di come funziona l'universo. È senza dubbio il ramo della scienza più interessante, perché l'universo, a quanto pare, è molto più complicato di quanto sembri in superficie (e sembra già abbastanza complicato). Il mondo funziona in alcuni modi davvero strani, e anche se potresti aver bisogno di un dottorato per capire perché, hai solo bisogno di un senso di soggezione per apprezzare come. Ecco dieci delle cose più incredibili che i fisici hanno scoperto sul nostro universo:

10

Il tempo si ferma alla velocità della luce

Secondo la Teoria della relatività speciale di Einstein, la velocità della luce non può mai cambiare: è sempre bloccata a circa 300.000.000 di metri al secondo, indipendentemente da chi la stia osservando. Questo di per sé è abbastanza incredibile, dato che nulla può muoversi più velocemente della luce, ma è ancora molto teorico. La parte veramente interessante della Relatività Speciale è un'idea chiamata dilatazione del tempo, che afferma che più velocemente vai, più il tempo passa per te rispetto a ciò che ti circonda. Seriamente, se vai a fare un giro in macchina per un'ora, avrai sempre meno un po 'meno di quanto non avresti fatto se fossi rimasto seduto a casa sul computer. Gli extra nanosecondi che ne ricaverai potrebbero non valere il prezzo del gas, ma hey, è un'opzione.

Naturalmente, il tempo può solo rallentare così tanto, e la formula funziona in modo tale che se ti muovi alla velocità della luce, il tempo non si muove affatto. Ora, prima di uscire e provare qualche schema di immortal-quick, tieni presente che muoversi alla velocità della luce non è effettivamente possibile, a meno che tu non sia fatto di luce. Dal punto di vista tecnico, muoversi in modo rapido richiederebbe una quantità infinita di energia (e io per primo non ho quel tipo di succo che giace in giro).

9

Entanglement quantico

Bene, abbiamo appena finito per convenire che nulla può muoversi più velocemente della velocità della luce, giusto? Bene ... sì e no. Anche se tecnicamente è ancora vero, almeno in teoria, si scopre che c'è una scappatoia nella branca della fisica nota come meccanica quantistica.

La meccanica quantistica, in sostanza, è lo studio della fisica su scala microscopica, come il comportamento delle particelle subatomiche. Questi tipi di particelle sono incredibilmente piccoli, ma molto importanti, in quanto formano gli elementi costitutivi di ogni cosa nell'universo. Per il momento lascerò da parte i dettagli tecnici (diventa piuttosto complicato), ma puoi immaginarli come biglie piccole, rotanti e elettricamente cariche. Ok, forse è anche complicato. Basta rotolare con esso (gioco di parole).

Quindi diciamo che abbiamo due elettroni (una particella subatomica con una carica negativa). L'entanglement quantico è un processo speciale che comporta l'associazione di queste particelle in modo tale da renderle identiche (marmi con la stessa rotazione e carica). Quando ciò accade, le cose diventano strane, perché d'ora in poi questi elettroni rimangono identici. Ciò significa che se si cambia uno di essi, ad esempio lo si fa girare nell'altro senso, il suo gemello reagisce esattamente allo stesso modo. Immediatamente. Non importa dove sia. Senza nemmeno toccarlo. Le implicazioni di questo processo sono enormi: significa che l'informazione (in questo caso, la direzione dello spin) può essere essenzialmente teletrasportata in qualsiasi parte dell'universo.

8

La luce è influenzata dalla gravità

Ma torniamo alla luce per un minuto e parliamo della Teoria della Relatività Generale questa volta (anche di Einstein). Questo implica un'idea chiamata deflessione della luce, che è esattamente come suona: il percorso di un raggio di luce non è completamente lineare.

Per quanto strano possa sembrare, è stato ripetutamente dimostrato (Einstein ha persino fatto una parata lanciata in suo onore per prevederne adeguatamente). Ciò che significa è che, anche se la luce non ha alcuna massa, il suo percorso è influenzato da cose che fanno, come il sole. Quindi se un raggio di luce, per esempio, una stella lontana passa vicino al sole, si piegherà leggermente attorno ad esso. L'effetto su un osservatore - come noi - è che vediamo la stella in un punto del cielo diverso da quello in cui si trova effettivamente (proprio come i pesci in un lago non sono mai nel punto in cui sembrano essere). Ricorda che la prossima volta che guardi le stelle, tutto potrebbe essere solo un trucco della luce.

7

Materia oscura

Grazie ad alcune delle teorie che abbiamo già discusso (più un sacco che non abbiamo), i fisici hanno alcuni modi abbastanza precisi di misurare la massa totale presente nell'universo. Hanno anche dei modi abbastanza accurati per misurare la massa totale che possiamo osservare, ed ecco la svolta: i due numeri non coincidono.

In effetti, la quantità di massa totale nell'universo è enormemente maggiore della massa totale che possiamo effettivamente spiegare. I fisici sono stati costretti a fornire una spiegazione per questo, e la teoria guida in questo momento riguarda la materia oscura, una sostanza misteriosa che non emette luce e rappresenta circa il 95% della massa nell'universo. Sebbene non sia stato formalmente dimostrato di esistere (perché non possiamo vederlo), la materia oscura è supportata da una tonnellata di prove e deve esistere in una forma o nell'altra per spiegare l'universo.

6

Il nostro universo si sta espandendo rapidamente

Ecco dove le cose diventano un po 'trionfanti, e per capire perché, dobbiamo tornare alla Teoria del Big Bang. Prima che fosse un programma televisivo, la teoria del Big Bang era una spiegazione importante per l'origine del nostro universo. Nella più semplice analogia possibile, ha funzionato in un certo senso: l'universo è iniziato come un'esplosione. I detriti (pianeti, stelle, ecc.) Sono stati lanciati in tutte le direzioni, guidati dall'enorme energia dell'esplosione. Poiché tutti questi detriti sono così pesanti, e quindi influenzati dalla gravità di tutto ciò dietro, ci aspettiamo che questa esplosione rallenti dopo un po '.

Non è così.In realtà, l'espansione del nostro universo è in realtà sempre più veloce nel tempo, il che è folle come se lanciasse una palla da baseball che continuava a diventare sempre più veloce invece di cadere a terra (anche se non provatelo a casa). Ciò significa, in effetti, che lo spazio è sempre in crescita. L'unico modo per spiegarlo è con la materia oscura o, più precisamente, con l'energia oscura, che è la forza trainante di questa accelerazione cosmica. Allora, in che parte del mondo c'è energia oscura, chiedi? Bene, questa è un'altra cosa interessante ...

5

Tutta la materia è solo energia

È vero-materia ed energia sono solo due lati della stessa medaglia. In effetti, hai conosciuto questa tua intera vita, se hai mai sentito parlare della formula E = mc ^ 2. La E è per l'energia e la m rappresenta la massa. La quantità di energia contenuta in una particolare quantità di massa è determinata dal fattore di conversione c al quadrato, dove c rappresenta - aspettalo - la velocità della luce.

La spiegazione di questo fenomeno è davvero affascinante, e ha a che fare con il fatto che la massa di un oggetto aumenta man mano che si avvicina alla velocità della luce (anche se il tempo sta rallentando). È, tuttavia, abbastanza complicato, quindi per gli scopi di questo articolo, ti assicuro semplicemente che è vero. Per prova (sfortunatamente), non guardare oltre le bombe atomiche, che convertono quantità molto piccole di materia in grandi quantità di energia.

4

Dualità onda-particella

A proposito di cose che sono altre cose ...

A prima vista, le particelle (come un elettrone) e le onde (come la luce) non potrebbero essere più diverse. Uno è un solido pezzo di materia, e l'altro è un raggio di energia radiante, un po '. Sono mele e arance. Ma a quanto pare, cose come la luce e gli elettroni non possono davvero essere confinati in uno stato di esistenza - agiscono sia come particelle che come onde, a seconda di chi sta guardando.

No sul serio. So che sembra ridicolo (e sembrerà ancora più folle quando arriveremo al numero 1), ma ci sono prove concrete che dimostrano che la luce è un'onda, e altre prove concrete che dimostrano che la luce è una particella (idem per gli elettroni). Sono solo ... entrambi. Allo stesso tempo. Non c'è una sorta di stato intermedio tra i due, intendiamoci fisicamente entrambi, nel senso che può essere sia. Non ti preoccupare se questo non ha molto senso, perché siamo di nuovo nel regno della meccanica quantistica, ea quel livello, l'universo non ama essere comunque sensato.

3

Tutti gli oggetti cadono alla stessa velocità

Facciamo una calmata per un secondo, perché la fisica moderna è molto da prendere in una volta. Va bene, la fisica classica ha dimostrato anche alcuni concetti interessanti.

Sarai perdonato per aver supposto che gli oggetti più pesanti cadano più velocemente di quelli più leggeri - sembra un buon senso, e inoltre, sai per certo che una palla da bowling cade più velocemente di una piuma. E questo è vero, ma non ha nulla a che fare con la gravità - l'unica ragione è che l'atmosfera terrestre fornisce resistenza. In realtà, come Galileo ha realizzato per la prima volta circa 400 anni fa, la gravità funziona allo stesso modo su tutti gli oggetti, indipendentemente dalla loro massa. Ciò significa che se ripetessi l'esperimento con la palla da bowling / piuma sulla luna (che non ha atmosfera), colpiranno il terreno allo stesso tempo.

2

Schiuma quantistica

Va bene, rompere. Le cose diventeranno strane di nuovo.

La cosa su spazio vuoto, penseresti, è che è vuoto. Sembra un'ipotesi abbastanza sicura: è nel nome, dopo tutto. Ma l'universo, succede, è troppo irrequieto per sopportarlo, ed è per questo che le particelle stanno costantemente scoppiando dentro e fuori dall'esistenza in tutto il luogo. Si chiamano particelle virtuali, ma non fare errori: sono reali e provate. Esistono solo per una frazione di secondo, il che è abbastanza lungo da infrangere alcune leggi fondamentali della fisica, ma abbastanza velocemente che ciò non ha realmente importanza (come se rubassi qualcosa da un negozio, ma lo rimettessi sullo scaffale per metà secondo dopo). Gli scienziati hanno definito questo fenomeno "schiuma quantica", perché a quanto pare hanno ricordato le mutevoli bolle nella testa di una bevanda analcolica.

1

L'esperimento a doppia fenditura

Quindi ricorda alcune voci fa, quando ho detto che tutto era allo stesso tempo un'onda e una particella? Certo che lo fai, lo hai seguito meticolosamente. Ma ecco l'altra cosa - sai per esperienza che le cose hanno forme definite - una mela in mano è una mela, non una strana cosa a onde di mela. Quindi cosa, quindi, fa sì che qualcosa diventi definitivamente una particella o un'onda? A quanto pare, lo facciamo.

L'esperimento della doppia fenditura è la cosa più folle che leggi di tutto il giorno, e funziona così: gli scienziati hanno creato uno schermo con due fessure davanti a un muro e hanno sparato un fascio di luce attraverso le fessure in modo da poter vedere dove ha colpito sul muro. Tradizionalmente, con la luce è un'onda, mostrerebbe qualcosa chiamato un modello di diffrazione, e vedresti una striscia di luce sparsi sul muro. Questa è l'impostazione predefinita: se imposti l'esperimento adesso, è quello che vedresti.

Ma non è così che le particelle reagirebbero a una doppia fenditura: sarebbero semplicemente in grado di creare due linee sul muro che corrispondono alle fessure. E se la luce è una particella, perché non esibisce questa proprietà al posto di un modello di diffrazione? La risposta è che lo fa, ma solo se lo vogliamo. Vedi, come un'onda, la luce viaggia attraverso entrambe le fessure allo stesso tempo, ma come una particella, può attraversarne solo una. Quindi, se vogliamo che si comporti come una particella, tutto ciò che dobbiamo fare è impostare uno strumento per misurare esattamente quale fenditura attraversa ogni bit di luce (chiamato un fotone).Pensala come una macchina fotografica: se prende una foto di ogni fotone mentre passa attraverso una singola fenditura, allora quel fotone non può aver attraversato entrambe le fessure, e quindi non può essere un'onda. Di conseguenza, il modello di interferenza sul muro non apparirà, le due linee invece. La luce avrà agito come una particella solo perché abbiamo messo davanti una macchina fotografica. Cambiamo fisicamente il risultato semplicemente misurandolo.

Si chiama Effetto Observer, in generale, e sebbene sia un buon modo per terminare questo articolo, non graffia nemmeno la superficie di cose pazze che si trovano in fisica. Ad esempio, ci sono un sacco di varianti dell'esperimento della doppia fenditura che sono ancora più folle di quella di cui ho parlato qui. Ti incoraggio a cercarli, ma solo se sei pronto a passare l'intera giornata a restare coinvolto nella meccanica quantistica.