10 cose strane sull'universo

L'universo può essere un posto molto strano. Mentre idee rivoluzionarie come la teoria quantistica, la relatività e persino la Terra che gira intorno al Sole potrebbero essere comunemente accettate ora, la scienza continua a mostrare che l'universo contiene cose che potresti trovare difficili da credere e ancora più difficili da capire .

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Energia negativa

Teoricamente, la temperatura più bassa che si può ottenere è lo zero assoluto, esattamente? 273.15 ° C, dove il movimento di tutte le particelle si ferma completamente. Tuttavia, non si può mai raffreddare qualcosa a questa temperatura perché, in meccanica quantistica, ogni particella ha un'energia minima, chiamata "energia a punto zero", che non si può ottenere sotto. Sorprendentemente, questa energia minima non si applica solo alle particelle, ma a qualsiasi vuoto, la cui energia è chiamata "energia del vuoto". Mostrare che questa energia esiste implica un esperimento piuttosto semplice: prendere due piastre di metallo nel vuoto, metterle vicino insieme, e saranno attratti l'un l'altro. Ciò è causato dal fatto che l'energia tra le piastre è in grado di risuonare solo a certe frequenze, mentre al di fuori delle piastre l'energia del vuoto può risuonare praticamente a qualsiasi frequenza. Poiché l'energia al di fuori delle piastre è maggiore dell'energia tra le piastre, le piastre vengono spinte l'una verso l'altra. Man mano che le piastre si avvicinano, la forza aumenta, e attorno a una separazione di 10 nm questo effetto (chiamato effetto Casimir) crea un'atmosfera di pressione tra di loro. Poiché le lastre riducono l'energia del vuoto tra di loro al di sotto della normale energia del punto zero, si dice che lo spazio abbia energia negativa, che ha alcune proprietà insolite.

Una delle proprietà di un vuoto di energia negativa è che in realtà la luce viaggia più veloce di quanto non faccia in un normale vuoto, qualcosa che un giorno potrebbe consentire alle persone di viaggiare più velocemente della velocità della luce in una specie di bolla del vuoto a energia negativa . L'energia negativa potrebbe anche essere usata per tenere aperto un wormhole transversibile, che sebbene teoricamente possibile, collasserebbe non appena è stato creato senza un mezzo per tenerlo aperto. L'energia negativa causa anche l'evaporazione dei buchi neri. L'energia del vuoto è spesso modellata come particelle virtuali che esplodono nell'esistenza e si annichilano. Questo non viola alcuna legge di conservazione dell'energia a patto che le particelle vengano annientate poco dopo. Tuttavia, se due particelle sono prodotte nell'orizzonte degli eventi di un buco nero, si può allontanarsi dal buco nero, mentre l'altro vi cade dentro. Ciò significa che non saranno in grado di annientare, così le particelle finiranno per avere energia negativa. Quando la particella di energia negativa cade nel buco nero, abbassa la massa del buco nero invece di aggiungerla, e nel corso del tempo particelle del genere faranno evaporare completamente il buco nero. Poiché questa teoria è stata inizialmente suggerita da Stephen Hawking, le particelle emesse da questo effetto (quelle che non cadono nel buco nero) sono chiamate radiazione di Hawking. Fu la prima teoria accettata ad unire la teoria dei quanti con la relatività generale, rendendola il più grande risultato scientifico di Hawking fino ad oggi.

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Frame Dragging

Una predizione della teoria della relatività generale di Einstein è che quando un grande oggetto si muove, trascina lo spazio-tempo attorno ad esso, facendo sì che anche gli oggetti vicini vengano trascinati. Può verificarsi quando un oggetto di grandi dimensioni si muove in linea retta o ruota e, sebbene l'effetto sia molto piccolo, è stato verificato sperimentalmente. L'esperimento Gravity Probe B, lanciato nel 2004, è stato progettato per misurare la distorsione spazio-temporale vicino alla Terra. Sebbene le fonti di interferenza fossero maggiori del previsto, l'effetto di trascinamento del frame è stato misurato con un'incertezza del 15%, con un'ulteriore analisi che spera di ridurlo ulteriormente.

Gli effetti attesi erano molto vicini alle previsioni: a causa della rotazione della Terra, la sonda veniva estratta dalla sua orbita di circa 2 metri all'anno, un effetto puramente causato dalla massa della Terra che distorceva lo spazio-tempo che la circondava. La sonda stessa non percepirebbe questa accelerazione extra perché non è causata da un'accelerazione sulla sonda, ma piuttosto dallo spazio-tempo in cui la sonda sta viaggiando, analoga a un tappeto tirato sotto un tavolo, piuttosto che spostare il tavolo stesso .

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Relatività della simultaneità

La relatività della simultaneità è l'idea che se due eventi accadono simultaneamente o meno è relativo e dipende dall'osservatore. È una strana conseguenza della teoria speciale della relatività e si applica a tutti gli eventi che si verificano separati da una certa distanza. Ad esempio, se un fuoco d'artificio viene rilasciato su Marte e un altro su Venere, un osservatore che viaggia nello spazio in un modo potrebbe dire che si verificano nello stesso momento (compensando il tempo che la luce impiega per raggiungerli), mentre un altro osservatore che viaggia in un altro modo potrebbe dite che quello su Marte è partito per primo, e un altro ancora potrebbe dire che quello su Venere è partito per primo. È causato dal modo in cui i diversi punti di vista diventano distorti l'uno rispetto all'altro nella relatività speciale. E poiché sono tutti relativi, non si può dire che l'osservatore abbia il punto di vista corretto.

Questo può portare a scenari molto insoliti, come un osservatore che osserva l'effetto prima della causa (ad esempio, vedendo esplodere una bomba, poi vedendo qualcuno accendere la miccia). Tuttavia, una volta che l'osservatore vede l'effetto, non possono interagire con la causa senza viaggiare più velocemente della velocità della luce, che è stata una delle prime ragioni per cui il viaggio più veloce della luce era ritenuto proibito, perché è simile al viaggio nel tempo e un universo in cui è possibile interagire con la causa dopo che l'effetto non ha senso.

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Corde nere

Uno dei più grandi misteri della fisica è il modo in cui la gravità è collegata alle altre forze fondamentali, come l'elettromagnetismo. Una teoria, proposta per la prima volta nel 1919, mostrò che se all'universo viene aggiunta una dimensione extra, la gravità esiste ancora nelle prime quattro dimensioni (tre dimensioni e tempo dello spazio), ma il modo in cui questo spazio quadridimensionale si curva sulla quinta dimensione extra, produce naturalmente le altre forze fondamentali. Tuttavia, non possiamo vedere o rilevare questa quinta dimensione, quindi è stato proposto che la dimensione extra fosse accartocciata, e quindi divenisse invisibile per noi. Questa teoria fu ciò che alla fine portò alla teoria delle stringhe, ed è ancora inclusa nel cuore della maggior parte dell'analisi della teoria delle stringhe.

Poiché questa dimensione extra è così piccola, solo gli oggetti piccoli, come le particelle, possono spostarsi lungo di essa. In questi casi, alla fine finiscono proprio dove hanno iniziato, dal momento che la dimensione extra si è accartocciata su se stessa. Tuttavia, un oggetto che diventa molto più complesso in cinque dimensioni è un buco nero. Quando viene esteso a cinque dimensioni, diventa una "stringa nera" e, a differenza di un normale buco nero 4D, è instabile (questo ignora il fatto che i buchi neri 4D alla fine evaporano). Questa stringa nera si destabilizzerà in un'intera serie di buchi neri, collegati da ulteriori corde nere, fino a che le corde nere non saranno completamente staccate e lasceranno il set di buchi neri. Questi molteplici buchi neri 4D si combinano in un buco nero più grande. La cosa più interessante di questo è che, usando i modelli attuali, il buco nero finale è una singolarità "nuda". Cioè, non ha alcun orizzonte degli eventi che lo circonda. Ciò viola l'Ipotesi Cosmica della Censura, che dice che tutte le singolarità devono essere circondate da un orizzonte degli eventi, al fine di evitare gli effetti del tempo che si crede accadano vicino a una singolarità dal cambiare la storia dell'intero universo, poiché non possono mai fuga da dietro un orizzonte degli eventi.

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Geon

Come è meglio mostrato nell'equazione E = MC, l'energia e la materia sono fondamentalmente connesse. Un effetto di questo è che l'energia, così come la massa, crea un campo gravitazionale. Un geone, prima studiato da John Wheeler, nel 1955, è un'onda elettromagnetica o gravitazionale la cui energia crea un campo gravitazionale, che a sua volta tiene insieme l'onda stessa in uno spazio ristretto. Wheeler ipotizzò che potesse esserci un collegamento tra geoni microscopici e particelle elementari, e che potrebbero anche essere la stessa cosa. Un esempio più estremo è un "kugelblitz" (tedesco per "fulmine globulare"), che è dove una luce così intensa è concentrata in un punto particolare che la gravità causata dall'energia luminosa diventa abbastanza forte da collassare in un buco nero, intrappolando il luce dentro Sebbene non si creda che nulla possa impedire la formazione di un kugelblitz, ora si crede che le geons siano in grado di formarsi temporaneamente, poiché inevitabilmente perdono energia e collassano. Questo purtroppo indica che la congettura iniziale di Wheeler non era corretta, ma questo non è stato definitivamente dimostrato.

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Kerr Black Hole

Il tipo di buco nero con cui la maggior parte delle persone ha familiarità, che ha un orizzonte di eventi all'esterno che agisce da "punto di non ritorno" e una singolarità puntuale di densità infinita all'interno, in realtà ha un nome più specifico: un buco nero di Schwarzschild . Prende il nome da Karl Schwarzschild, che ha trovato la soluzione matematica delle equazioni di campo di Einstein per una massa sferica, non rotante nel 1915, solo un mese dopo che Einstein aveva effettivamente pubblicato la sua teoria generale della relatività. Tuttavia, non fu fino al 1963 che il matematico Roy Kerr trovò la soluzione per una massa sferica rotante. Quindi, un buco nero rotante è chiamato un buco nero di Kerr, e ha alcune proprietà insolite.

Al centro di un buco nero di Kerr, non c'è singolarità puntuale, ma piuttosto una singolarità ad anello - un anello monodimensionale rotante tenuto aperto dal suo stesso slancio. Ci sono anche due orizzonti di eventi, uno interno ed uno esterno, e un ellissoide chiamato ergosfera, all'interno del quale lo stesso spazio-tempo ruota con il buco nero (a causa del trascinamento del fotogramma) più veloce della velocità della luce. Entrando nel buco nero, passando attraverso l'orizzonte degli eventi esterni, i percorsi spaziali diventano simili al tempo, il che significa che è impossibile evitare la singolarità al centro, proprio come in un buco nero di Schwarzschild. Tuttavia, quando si passa attraverso l'orizzonte degli eventi interni, il percorso diventa di nuovo simile allo spazio. La differenza è questa: lo spazio-tempo stesso è invertito. Ciò significa che la gravità vicino alla singolarità dell'anello diventa ripugnante, spingendoti davvero lontano dal centro. Infatti, a meno che non si entri esattamente nel buco nero sull'equatore, è impossibile colpire la singolarità dell'anello stesso. Inoltre, le singolarità degli anelli possono essere collegate attraverso lo spazio-tempo, in modo che possano agire come wormhole, anche se l'uscita dal buco nero dall'altra parte sarebbe impossibile (a meno che fosse una singolarità nuda, probabilmente creata quando la singolarità dell'anello gira abbastanza velocemente). Viaggiare attraverso una singolarità ad anello potrebbe portarti in un altro punto dello spazio-tempo, come un altro universo, in cui potresti vedere la luce che cade dall'esterno del buco nero, ma non lasciare il buco nero stesso. Potrebbe persino portarti in un "buco bianco" in un universo negativo, il cui significato esatto è sconosciuto.

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Tunnel quantistico

Il tunneling quantico è un effetto in cui una particella può passare attraverso una barriera che normalmente non avrebbe l'energia da superare. Può consentire a una particella di passare attraverso una barriera fisica che dovrebbe essere impenetrabile, o può consentire a un elettrone di uscire dalla trazione del nucleo senza avere l'energia cinetica per farlo.Secondo la meccanica quantistica, esiste una probabilità finita che qualsiasi particella possa essere trovata ovunque nell'universo, sebbene quella probabilità sia astronomicamente piccola per qualsiasi distanza reale dal percorso previsto delle particelle.

Tuttavia, quando la particella si trova di fronte a una barriera sufficientemente piccola (circa 1-3 nm di larghezza), quella che i calcoli convenzionali indicherebbero è impenetrabile dalla particella, la probabilità che la particella attraversi semplicemente quella barriera diventa piuttosto evidente. Ciò può essere spiegato dal principio di indeterminazione di Heisenberg, che limita la quantità di informazioni che possono essere conosciute su una particella. Una particella può "prendere in prestito" energia dal sistema in cui agisce, usarla per passare attraverso la barriera e poi perderla di nuovo.

Il tunnelling quantico è coinvolto in molti processi fisici, come il decadimento radioattivo e la fusione nucleare che avviene nel sole. Viene anche usato in alcuni componenti elettrici, ed è stato anche dimostrato che si verifica in enzimi nei sistemi biologici. Ad esempio, l'enzima glucosio ossidasi, che catalizza la reazione del glucosio in perossido di idrogeno, coinvolge il tunneling quantico di un intero atomo di ossigeno. Il tunnelling quantistico è anche una caratteristica chiave del microscopio a effetto tunnel a scansione, la prima macchina che consente l'imaging e la manipolazione di singoli atomi. Funziona misurando la tensione in una punta molto fine, che cambia quando si avvicina a una superficie a causa dell'effetto di tunneling degli elettroni attraverso il vuoto (noto come "zona proibita") tra di loro. Ciò conferisce al dispositivo la sensibilità necessaria per realizzare immagini ad altissima risoluzione. Consente inoltre al dispositivo di spostare gli atomi deliberatamente inserendo una corrente attraverso la punta conduttrice.

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Corde cosmiche

Poco dopo il Big Bang, l'universo era in uno stato altamente disordinato e caotico. Ciò significa che piccoli cambiamenti e difetti non hanno modificato la struttura generale dell'universo. Tuttavia, quando l'universo si espanse, si raffredda e passa da uno stato disordinato a uno ordinato, raggiunge un punto in cui le fluttuazioni molto piccole creano cambiamenti molto grandi.

Questo è simile a sistemare le piastrelle in modo uniforme su un pavimento. Quando una tessera viene piazzata in modo non uniforme, ciò significa che le tessere successive posizionate seguiranno il suo schema. Pertanto, hai un'intera linea di piastrelle fuori posto. Questo è simile agli oggetti chiamati stringhe cosmiche, che sono difetti estremamente sottili ed estremamente lunghi nella forma dello spazio-tempo. Queste stringhe cosmiche sono previste dalla maggior parte dei modelli dell'universo, come la teoria delle stringhe in cui due tipi di "stringhe" non sono correlati. Se esistono, ogni stringa sarebbe sottile come un protone, ma incredibilmente densa. Quindi, una corda cosmica lunga un miglio può pesare tanto quanto la Terra. Tuttavia, non avrebbe in realtà alcuna gravità e l'unico effetto che avrà sulla materia che lo circonda sarebbe il modo in cui cambia la forma e la forma dello spazio-tempo. Pertanto, una stringa cosmica è, in sostanza, solo una "ruga" nella forma dello spazio-tempo.

Si pensa che le corde cosmiche siano incredibilmente lunghe, fino all'ordine delle dimensioni di migliaia di galassie. In effetti, recenti osservazioni e simulazioni hanno suggerito che una rete di stringhe cosmiche si estende attraverso l'intero universo. Una volta si pensava che questo fosse il motivo per cui le galassie si formavano nei complessi di supercluster, sebbene questa idea sia stata abbandonata. I complessi del Supercluster consistono di "filamenti" connessi di galassie lunghe fino a un miliardo di anni luce. A causa degli effetti unici delle corde cosmiche nello spazio-tempo mentre avvicini due stringhe vicine, è stato dimostrato che potrebbero essere usate per viaggi nel tempo, come con la maggior parte delle cose in questa lista. Le corde cosmiche creerebbero anche incredibili onde gravitazionali, più forti di qualsiasi altra fonte conosciuta. Queste onde sono ciò che quei rilevatori di onde gravitazionali attuali e pianificati sono progettati per cercare.

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Retrocausalità dell'antimateria

L'antimateria è l'opposto della materia. Ha la stessa massa ma con una carica elettrica opposta. Una teoria sul perché l'antimateria esiste è stata sviluppata da John Wheeler e dal premio Nobel Richard Feynman sulla base dell'idea che i sistemi fisici dovrebbero essere reversibili nel tempo. Ad esempio, le orbite del nostro sistema solare, se giocate all'indietro, dovrebbero comunque obbedire a tutte le stesse regole di quando vengono giocate in avanti. Ciò ha portato all'idea che l'antimateria è solo materia ordinaria che va indietro nel tempo, il che spiegherebbe perché le antiparticelle hanno una carica opposta, poiché se un elettrone viene respinto mentre va avanti nel tempo, allora all'indietro nel tempo diventa attrazione. Questo spiega anche perché la materia e l'antimateria si annichilano. Questa non è una circostanza in cui due particelle si schiantano e si distruggono a vicenda; è la stessa particella che si ferma improvvisamente e torna indietro nel tempo. Nel vuoto, dove una coppia di particelle virtuali viene prodotta e poi annientata, questa è in realtà solo una particella che va in un ciclo infinito, avanti nel tempo, poi indietro, poi avanti e così via.

Mentre l'accuratezza di questa teoria è ancora in discussione, trattare l'antimateria mentre la materia procede indietro nel tempo porta matematicamente soluzioni identiche ad altre teorie più convenzionali. Quando fu teorizzato per la prima volta, John Wheeler disse che forse rispondeva alla domanda sul perché tutti gli elettroni nell'universo hanno proprietà identiche, una domanda così ovvia che viene generalmente ignorata. Ha suggerito che si trattava di un solo elettrone, che guizza costantemente in tutto l'universo, dal Big Bang alla fine dei tempi e viceversa, continuando un numero incalcolabile di volte.Anche se questa idea coinvolge viaggi nel tempo a ritroso, non può essere utilizzata per inviare informazioni indietro nel tempo, poiché la matematica del modello semplicemente non lo consente. Non puoi muovere un pezzo di antimateria per influenzare il passato, dal momento che nel muoverlo influisci solo sul passato dell'antimateria stessa, cioè sul tuo futuro.

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I teoremi di incompletezza di Gödel

Non è strettamente scientifico, ma piuttosto un insieme molto interessante di teoremi matematici sulla logica e la filosofia che è sicuramente rilevante per la scienza nel suo complesso. Provate nel 1931 da Kurt Gödel, queste teorie affermano che con un dato insieme di regole logiche, ad eccezione delle più semplici, ci saranno sempre affermazioni che sono indecidibili, il che significa che non possono essere provate o confutate a causa dell'inevitabile natura autoreferenziale. di qualsiasi sistema logico che sia anche lontanamente complicato. Questo è pensato per indicare che non esiste un grande sistema matematico in grado di dimostrare o confutare tutte le affermazioni. Un'affermazione indecidibile può essere pensata come una forma matematica di un'affermazione come "Io mento sempre". Poiché l'affermazione fa riferimento al linguaggio usato per descriverlo, non si può sapere se l'affermazione è vera o no. Tuttavia, una dichiarazione indecidibile non ha bisogno di essere esplicitamente autoreferenziale per essere indecidibile. La principale conclusione dei teoremi di incompletezza di Gödel è che tutti i sistemi logici avranno affermazioni che non possono essere dimostrate o confutate; pertanto, tutti i sistemi logici devono essere "incompleti".

Le implicazioni filosofiche di questi teoremi sono molto diffuse. Il set suggerisce che in fisica, una "teoria di tutto" può essere impossibile, in quanto nessun insieme di regole può spiegare ogni possibile evento o risultato. Indica anche che logicamente, "prova" è un concetto più debole di "vero"; un simile concetto è inquietante per gli scienziati perché significa che ci saranno sempre cose che, nonostante siano vere, non possono essere dimostrate come vere. Poiché questo insieme di teoremi si applica anche ai computer, significa anche che le nostre menti sono incomplete e che ci sono alcune idee che non possiamo mai sapere, compreso se le nostre menti sono coerenti (cioè il nostro ragionamento non contiene contraddizioni errate). Questo perché il secondo dei teoremi di incompletezza di Gödel afferma che nessun sistema coerente può dimostrare la propria coerenza, nel senso che nessuna mente sana può provare la propria sanità mentale. Inoltre, poiché quella stessa legge afferma che qualsiasi sistema in grado di dimostrare la sua coerenza a se stesso deve essere incoerente, ogni mente che crede di poter dimostrare la propria sanità mentale è, quindi, pazza.