10 Mind-bending ontdekkingen in de natuurkunde

De studie van de natuurkunde is de studie van het universum - en meer specifiek, hoe de hel in het universum werkt. Het is zonder twijfel de meest interessante tak van de wetenschap, omdat het universum, zoals het blijkt, een stuk gecompliceerder is dan het lijkt aan de oppervlakte (en het ziet er al behoorlijk gecompliceerd uit). De wereld werkt op sommige heel rare manieren, en hoewel je misschien een PhD nodig hebt om te begrijpen waarom, heb je alleen een gevoel van ontzag nodig om te waarderen hoe. Hier zijn tien van de meest verbazingwekkende dingen die natuurkundigen over ons universum hebben ontdekt:

10

De tijd stopt bij de snelheid van het licht

Volgens Einstein's Theory of Special Relativity, kan de snelheid van het licht nooit veranderen - het is altijd vastgelopen op ongeveer 300.000.000 meter / seconde, ongeacht wie het waarneemt. Dit op zichzelf is ongelooflijk genoeg, gezien het feit dat niets sneller dan licht kan bewegen, maar het is nog steeds erg theoretisch. Het echt coole deel van Speciale Relativiteit is een idee dat tijddilatatie wordt genoemd, waarin staat dat hoe sneller je gaat, hoe langzamer de tijd verstrijkt voor je ten opzichte van je omgeving. Serieus: als je een uur lang in je auto gaat rijden, ben je al zo lichtjes ouder dan wanneer je net thuis op de computer had gezeten. De extra nanoseconden die je eruit haalt, is misschien niet de prijs van gas waard, maar hey, het is een optie.

Natuurlijk kan de tijd alleen maar zo langzamer werken, en de formule werkt zo dat als je beweegt met de snelheid van het licht, de tijd helemaal niet beweegt. Kijk nu, voordat je erop uit gaat om een ​​get-onsterfelijk-snel schema te proberen, er alleen op dat bewegen met de snelheid van het licht niet echt mogelijk is, tenzij je toevallig gemaakt bent van licht. Technisch gezien zou het zo snel gaan een oneindige hoeveelheid energie vergen (en ik heb dat soort sap dat niet rondslingert).

9

Quantum Verstrengeling

Oké, dus we zijn net het erover eens dat niets sneller kan bewegen dan de snelheid van het licht - toch? Wel ... ja en nee. Hoewel dat technisch gezien nog steeds waar is, blijkt het althans in theorie dat er een maas in de geesteswetenschap van de natuurkunde bekend staat.

Kwantummechanica is in essentie de studie van de fysica op microscopische schaal, zoals het gedrag van subatomaire deeltjes. Deze soorten deeltjes zijn onmogelijk klein, maar wel heel belangrijk, omdat ze de bouwstenen vormen voor alles in het universum. Ik laat de technische details voorlopig opzij (het wordt behoorlijk gecompliceerd), maar je kunt ze zien als kleine, draaiende, elektrisch geladen knikkers. Oké, misschien is dat ook ingewikkeld. Rol er gewoon mee (bedoelde woordspeling).

Dus we zeggen dat we twee elektronen hebben (een subatomair deeltje met een negatieve lading). Kwantumverstrengeling is een speciaal proces waarbij deze deeltjes op een zodanige manier worden gekoppeld dat ze identiek worden (knikkers met dezelfde spin en lading). Wanneer dit gebeurt, worden dingen raar - omdat vanaf nu deze elektronen identiek blijven. Dit betekent dat als je een van hen verandert - zeg, draai het in de andere richting - zijn tweeling reageert op precies dezelfde manier. Direct. Waar het ook is. Zonder dat je het zelfs maar aanraakt. De implicaties van dit proces zijn enorm, het betekent dat informatie (in dit geval de richting van spin) in principe overal in het universum kan worden geteleporteerd.

8

Licht wordt beïnvloed door zwaartekracht

Maar laten we even teruggaan naar het licht, en deze keer praten over de Theorie van Algemene Relativiteit (ook door Einstein). Deze heeft betrekking op een idee dat lichtafbuiging wordt genoemd, en dat is precies hoe het klinkt: de baan van een lichtstraal is niet helemaal recht.

Hoe vreemd dat ook klinkt, het is herhaaldelijk bewezen (Einstein kreeg zelfs een parade ter ere van hem voor het correct voorspellen). Wat het betekent is dat, hoewel het licht geen massa heeft, het pad wordt beïnvloed door dingen die dat wel doen, zoals de zon. Dus als een lichtstraal van bijvoorbeeld een verre ster dicht genoeg bij de zon komt, buigt deze er eigenlijk een beetje omheen. Het effect op een waarnemer - zoals wij - is dat we de ster in een andere hemel zien dan waar hij zich werkelijk bevindt (net zoals vissen in een meer nooit op de plek zijn waar ze lijken te zijn). Onthoud dat de volgende keer dat je naar de sterren opkijkt, het allemaal gewoon een list van het licht kan zijn.

7

Donkere materie

Dankzij enkele van de theorieën die we al hebben besproken (plus een heleboel niet) hebben natuurkundigen een aantal behoorlijk nauwkeurige manieren om de totale massa in het universum te meten. Ze hebben ook een aantal vrij nauwkeurige manieren om de totale massa te meten die we kunnen observeren, en hier is de draai - de twee nummers komen niet overeen.

In feite is de hoeveelheid totale massa in het universum enorm groter dan de totale massa die we eigenlijk kunnen verklaren. Natuurkundigen werden gedwongen om een ​​verklaring hiervoor te vinden, en de leidende theorie omvat nu donkere materie - een mysterieuze substantie die geen licht uitstraalt en ongeveer 95% van de massa in het universum uitmaakt. Hoewel het niet formeel is bewezen te bestaan ​​(omdat we het niet kunnen zien), wordt donkere materie ondersteund door een heleboel bewijs, en moet het in een of andere vorm bestaan ​​om het universum uit te leggen.

6

Ons universum is snel aan het uitbreiden

Hier is waar dingen een beetje trippy worden en om te begrijpen waarom, moeten we teruggaan naar de Big Bang Theory. Voordat het een tv-programma was, was de oerknaltheorie een belangrijke verklaring voor de oorsprong van ons universum. In de meest eenvoudige analogie die mogelijk was, werkte het ongeveer als volgt: het universum begon als een explosie. Puin (planeten, sterren, enz.) Werd in alle richtingen rondgeslingerd, aangedreven door de enorme energie van de ontploffing. Omdat al dit puin zo zwaar is en dus wordt beïnvloed door de zwaartekracht van alles erachter, verwachten we dat deze explosie na een tijdje langzamer zal worden.

Dat doet het niet.In feite wordt de uitbreiding van ons universum in de loop van de tijd steeds sneller, wat net zo gek is als het gooien van een honkbal dat steeds sneller en sneller werd in plaats van terug te vallen naar de grond (hoewel dat thuis niet moet proberen). Dit betekent in feite dat de ruimte altijd groeit. De enige manier om dit uit te leggen is met donkere materie, of beter gezegd, donkere energie, de drijvende kracht achter deze kosmische versnelling. Dus wat ter wereld is donkere energie, vraag je je af? Wel, dat is een ander interessant ding ...

5

Alle materie is alleen energie

Het is ware materie en energie zijn slechts twee kanten van dezelfde medaille. In feite, heb je dit je hele leven geweten, als je ooit hebt gehoord van de formule E = mc ^ 2. De E is voor energie en de m staat voor massa. De hoeveelheid energie in een bepaalde hoeveelheid massa wordt bepaald door de conversiefactor c in het kwadraat, waarbij c staat voor - wacht hier op - de snelheid van het licht.

De verklaring voor dit fenomeen is echt heel fascinerend, en het heeft te maken met het feit dat de massa van een voorwerp toeneemt als het de snelheid van het licht nadert (zelfs als de tijd vertraagt). Het is echter vrij ingewikkeld, dus voor de doeleinden van dit artikel, zal ik u eenvoudig verzekeren dat het waar is. Bewijs (helaas) niet verder dan atoombommen, die zeer kleine hoeveelheden materie in zeer grote hoeveelheden energie verwerken.

4

Wave-deeltje dualiteit

Over dingen gesproken die andere dingen zijn ...

Op het eerste gezicht zouden deeltjes (zoals een elektron) en golven (zoals licht) niet anders kunnen zijn. De ene is een solide stuk materie en de andere is een stralende bundel van energie, een beetje. Het zijn appels en sinaasappels. Maar het blijkt dat dingen als licht en elektronen niet echt kunnen worden beperkt tot één staat van bestaan ​​- ze fungeren als deeltjes en golven, afhankelijk van wie er kijkt.

Nee serieus. Ik weet dat dat belachelijk klinkt (en het klinkt nog gekker als we bij nummer 1 komen), maar er zijn concrete aanwijzingen dat licht een golf is en ander concreet bewijs dat licht bewijst, is een deeltje (idem voor elektronen). Het is gewoon ... allebei. Tegelijkertijd. Niet een soort tussenstatus tussen de twee, denk aan jezelf - fysiek allebei, in die zin dat het ook kan zijn. Maak je geen zorgen als dat niet zo logisch is, omdat we terug zijn in het rijk van de kwantummechanica, en op dat niveau houdt het universum er toch niet van om zinvol te zijn.

3

Alle objecten vallen op dezelfde snelheid

Laten we de zaken even kalmeren, want de moderne natuurkunde is veel om meteen in te nemen. Dat is oké - de klassieke natuurkunde heeft ook enkele coole concepten bewezen.

Het zou je vergeven zijn als je aanneemt dat zwaardere voorwerpen sneller vallen dan lichtere - het klinkt als gezond verstand, en trouwens, je weet voor een feit dat een bowlingbal sneller valt dan een veer. En dit is waar, maar het heeft niets met de zwaartekracht te maken - de enige reden dat dit gebeurt is omdat de atmosfeer van de aarde weerstand biedt. In werkelijkheid werkt, zoals Galileo ongeveer 400 jaar geleden voor het eerst besefte, de zwaartekracht op alle objecten hetzelfde, ongeacht hun massa. Wat dit betekent is dat als je het veren / bowlingbal-experiment op de maan herhaalde (dat geen atmosfeer heeft), ze op exact hetzelfde moment op de grond zouden slaan.

2

Quantum Foam

Oké, breekt over. Dingen worden weer raar.

Het ding over lege ruimte, zou je denken, is dat het leeg is. Dat klinkt als een vrij veilige veronderstelling - het staat tenslotte in de naam. Maar het universum, het gebeurt, is te rusteloos om dat te verdragen, en dat is de reden waarom deeltjes voortdurend overal in en uit schijnen. Ze worden virtuele deeltjes genoemd, maar vergis je niet - ze zijn echt en bewezen. Ze bestaan ​​slechts voor een fractie van een seconde, wat lang genoeg is om fundamentele natuurkundige wetten te doorbreken, maar snel genoeg dat dit er niet echt toe doet (zoals als je iets van een winkel hebt gestolen, maar het weer op de plank hebt gezet, een halve tweede later). Wetenschappers noemen dit fenomeen 'kwantumschuim', omdat het blijkbaar herinnerde aan de wisselende luchtbellen in de kop van een frisdrank.

1

Het experiment met dubbele spleet

Dus onthoud een paar inzendingen geleden, toen ik zei dat alles tegelijk een golf en een deeltje was? Natuurlijk, dat volg je nauwgezet. Maar hier is het andere ding - je weet uit ervaring dat dingen vaste vormen hebben - een appel in je hand is een appel, geen bizar appelgolf ding. Dus wat zorgt er dan voor dat iets definitief een deeltje of een golf wordt? Zoals het blijkt, doen we dat.

Het experiment met dubbele split is het meest krankzinnige wat je de hele dag zult lezen, en het werkt zo: wetenschappers hebben een scherm met twee spleten voor een muur opgesteld en een lichtstraal door de spleten geschoten zodat ze konden zien waar het tegen de muur sloeg. Traditioneel, met licht als een golf, zou het iets laten zien dat een diffractiepatroon wordt genoemd, en je zou een band van licht over de muur zien verspreiden. Dat is de standaard: als u het experiment nu instelt, is dat wat u zou zien.

Maar dat is niet hoe deeltjes zouden reageren op een dubbele spleet - ze zouden gewoon rechtdoor gaan om twee lijnen op de muur te creëren die overeenkomen met de spleten. En als licht een deeltje is, waarom vertoont het dan niet deze eigenschap in plaats van een diffractiepatroon? Het antwoord is dat dat zo is, maar alleen als we dat willen. Zie, als een golf beweegt het licht tegelijkertijd door beide spleten, maar als een deeltje, kan het alleen door een splitsing reizen. Dus als we willen dat het zich als een deeltje gedraagt, hoeven we alleen maar een hulpmiddel in te stellen om precies te meten welke spleet elk stukje licht (een foton genaamd) doormaakt.Zie het als een camera - als het een foto neemt van elk foton terwijl het door een enkele spleet gaat, dan kan dat foton niet door beide spleten zijn gegaan en kan het dus geen golf zijn. Als gevolg hiervan zal het interferentiepatroon op de muur niet verschijnen - in plaats daarvan zullen de twee lijnen worden weergegeven. Licht zal hebben gehandeld als een deeltje louter omdat we er een camera voor hebben gezet. We veranderen de uitkomst alleen door het te meten.

Het wordt in het algemeen het Observer-effect genoemd en hoewel het een goede manier is om dit artikel te beëindigen, krabt het niet eens de oppervlakte van gekke dingen die in de natuurkunde te vinden zijn. Er zijn bijvoorbeeld een heleboel variaties op het experiment met dubbele spleet die nog gekker zijn dan die ik hier heb besproken. Ik moedig je aan om ze op te zoeken, maar alleen als je bereid bent de hele dag door te brengen om verstrikt te raken in de kwantummechanica.