10 Vreemde dingen over het universum

Het universum kan een heel vreemde plaats zijn. Terwijl baanbrekende ideeën zoals de kwantumtheorie, relativiteit en zelfs de aarde rond de zon nu algemeen geaccepteerd kunnen worden, blijft de wetenschap nog steeds tonen dat het universum dingen bevat waarvan je het misschien moeilijk kunt geloven, en nog moeilijker om je hoofd rond te krijgen. .

10

Negatieve energie

Theoretisch is de laagste temperatuur die kan worden bereikt absoluut nul, precies? 273,15 ° C, waarbij de beweging van alle deeltjes volledig stopt. Je kunt echter nooit iets tot deze temperatuur afkoelen, omdat in de kwantummechanica elk deeltje een minimale energie heeft, "nulpuntsenergie" genoemd, die je hieronder niet kunt krijgen. Opmerkelijk genoeg is deze minimale energie niet alleen van toepassing op deeltjes, maar op elk vacuüm, waarvan de energie 'vacuümenergie' wordt genoemd. Om aan te tonen dat deze energie bestaat, gaat het om een ​​vrij eenvoudig experiment - neem twee metalen platen in een vacuüm, plaats ze dicht samen, en ze zullen zich tot elkaar aangetrokken voelen. Dit wordt veroorzaakt doordat de energie tussen de platen alleen op bepaalde frequenties kan resoneren, terwijl buiten de platen de vacuümenergie op vrijwel elke frequentie kan resoneren. Omdat de energie buiten de platen groter is dan de energie tussen de platen, worden de platen naar elkaar toe geduwd. Naarmate de platen dichter bij elkaar komen, neemt de kracht toe en bij ongeveer een afstand van 10 nm creëert dit effect (het Casimir-effect) één atmosfeer van druk tussen hen. Omdat de platen de vacuümenergie daartussen verlagen tot onder de normale nulpuntsenergie, wordt gezegd dat de ruimte negatieve energie heeft, wat enkele ongebruikelijke eigenschappen heeft.

Een van de eigenschappen van een vacuüm met negatieve energie is dat licht er eigenlijk sneller doorheen reist dan in een normaal vacuüm, iets dat mensen op een dag misschien sneller laat reizen dan de lichtsnelheid in een soort vacuümbel met negatieve energie. . Negatieve energie kan ook worden gebruikt om een ​​overdraagbaar wormgat open te houden, dat, hoewel theoretisch mogelijk, zou instorten zodra het werd gemaakt zonder een middel om het open te houden. Negatieve energie zorgt er ook voor dat zwarte gaten verdampen. Vacuümenergie wordt vaak gemodelleerd als virtuele deeltjes die ontstaan ​​en vernietigen. Dit schendt geen energiebesparingswetten zolang de deeltjes kort daarna worden vernietigd. Als echter twee deeltjes worden geproduceerd bij de waarnemingshorizon van een zwart gat, kan men zich verwijderen van het zwarte gat, terwijl de andere erin valt. Dit betekent dat ze niet in staat zullen zijn om te vernietigen, zodat de deeltjes allebei eindigen met negatieve energie. Wanneer het negatieve energiedeeltje in het zwarte gat valt, verlaagt het de massa van het zwarte gat in plaats van toe te voegen en na verloop van tijd zullen deeltjes zoals deze het zwarte gat volledig doen verdampen. Omdat deze theorie voor het eerst werd gesuggereerd door Stephen Hawking, worden de deeltjes die door dit effect worden afgescheiden (de deeltjes die niet in het zwarte gat vallen) Hawking-straling genoemd. Het was de eerste geaccepteerde theorie om de quantumtheorie te verenigen met algemene relativiteitstheorie, waardoor het tot nu toe de grootste wetenschappelijke prestatie van Hawking is.

9

Frame slepen

Een voorspelling van Einsteins theorie van de algemene relativiteitstheorie is dat wanneer een groot voorwerp beweegt, het de ruimte-tijd eromheen sleept, waardoor nabije objecten ook worden meegetrokken. Het kan voorkomen wanneer een groot object in een rechte lijn beweegt of draait, en hoewel het effect erg klein is, is het experimenteel geverifieerd. Het Gravity Probe B-experiment, dat in 2004 werd gelanceerd, was ontworpen om de tijdvervorming in de ruimte nabij de aarde te meten. Hoewel de storingsbronnen groter waren dan verwacht, is het frame-sleepeffect gemeten tot een onzekerheid van 15%, met verdere analyse in de hoop dit verder te verminderen.

De verwachte effecten kwamen dicht in de buurt van voorspellingen: vanwege de rotatie van de aarde werd de sonde met ongeveer 2 meter per jaar uit de baan getrokken, een effect dat puur werd veroorzaakt door de massa van de aarde die de ruimte-tijd eromheen vervormde. De sonde zelf zou deze extra versnelling niet voelen, omdat deze niet wordt veroorzaakt door een versnelling op de sonde, maar eerder door de ruimte-tijd die de sonde doorloopt - analoog aan een tapijt dat onder een tafel wordt getrokken, in plaats van de tafel zelf te verplaatsen .

8

Relativiteit van gelijktijdigheid

De relativiteit van gelijktijdigheid is het idee dat, of twee gebeurtenissen gelijktijdig plaatsvinden of niet, relatief is en van de waarnemer afhangt. Het is een vreemde consequentie van de speciale relativiteitstheorie en is van toepassing op alle gebeurtenissen die zich op een bepaalde afstand van elkaar voordoen. Bijvoorbeeld, als een vuurwerk op Mars wordt losgelaten en een ander op Venus, kan een waarnemer die door de ruimte reist op één manier zeggen dat ze tegelijkertijd gebeuren (compenseren voor het tijd dat het licht nodig heeft om ze te bereiken), terwijl een andere waarnemer die op een andere manier reist misschien zeg dat degene op Mars er als eerste vandoor ging, en nog een andere zou kunnen zeggen dat degene op Venus als eerste wegging. Het wordt veroorzaakt door de manier waarop verschillende gezichtspunten in speciale relativiteit ten opzichte van elkaar vervormd raken. En omdat ze allemaal relatief zijn, kan van geen enkele waarnemer worden gezegd dat hij het juiste gezichtspunt heeft.

Dit kan leiden tot zeer ongebruikelijke scenario's, zoals een waarnemer die getuige is van het effect voor de oorzaak (zie bijvoorbeeld een bom afgaan en later iemand de lont aansteken). Als de toeschouwer het effect echter eenmaal ziet, kunnen ze geen interactie met de oorzaak hebben zonder sneller te reizen dan de lichtsnelheid, wat een van de eerste redenen was dat sneller dan licht reizen werd verboden, omdat het vergelijkbaar is met tijdreizen en een universum waar je interactie kunt hebben met de oorzaak nadat het effect geen zin heeft.

7

Black Strings

Een van de langste opmerkelijke mysteries in de natuurkunde is hoe zwaartekracht gerelateerd is aan de andere fundamentele krachten, zoals elektromagnetisme. Eén theorie, voor het eerst voorgesteld in 1919, toonde aan dat als er een extra dimensie wordt toegevoegd aan het universum, de zwaartekracht nog steeds bestaat in de eerste vier dimensies (drie ruimtedimensies en tijd), maar de manier waarop deze vierdimensionale ruimte over de extra vijfde dimensie buigt, produceert op natuurlijke wijze de andere fundamentele krachten. We kunnen deze vijfde dimensie echter niet zien of detecteren, dus werd voorgesteld dat de extra dimensie opgerold was en daarom onzichtbaar voor ons werd. Deze theorie leidde uiteindelijk tot de snaartheorie en is nog steeds de kern van de meeste snaartheorie-analyse.

Omdat deze extra dimensie zo klein is, kunnen alleen minuscule objecten, zoals deeltjes, meebewegen. In deze gevallen eindigen ze uiteindelijk waar ze zijn begonnen, omdat de extra dimensie op zichzelf is opgerold. Een object dat in vijf dimensies veel complexer wordt, is echter een zwart gat. Wanneer het wordt uitgebreid naar vijf dimensies, wordt het een 'zwarte string' en in tegenstelling tot een normaal 4D zwart gat, is het onstabiel (dit negeert het feit dat 4D zwarte gaten uiteindelijk verdampen). Deze zwarte snaar destabiliseert tot een hele reeks zwarte gaten, verbonden door verdere zwarte snaren, totdat de zwarte snaren volledig zijn afgeknepen en de set zwarte gaten verlaten. Deze meerdere 4D zwarte gaten worden vervolgens gecombineerd tot één groter zwart gat. Het meest interessante aan dit is dat, met behulp van de huidige modellen, het laatste zwarte gat een "naakte" singulariteit is. Dat wil zeggen, het heeft geen gebeurtenishorizon eromheen. Dit is in strijd met de Cosmic Censorship Hypothesis, die zegt dat alle singulariteiten moeten worden omringd door een gebeurtenishorizon, om te voorkomen dat de tijdreiseffecten die worden verondersteld te gebeuren in de buurt van een singulariteit de geschiedenis van het hele universum veranderen, omdat ze nooit kunnen ontsnappen van achter een evenementenhorizon.

6

Geon

Zoals het beste te zien is in de vergelijking E = MC, zijn energie en materie fundamenteel verbonden. Eén effect hiervan is dat energie, evenals massa, een zwaartekrachtsveld creëert. Een geon, voor het eerst onderzocht door John Wheeler, in 1955, is een elektromagnetische of gravitationele golf waarvan de energie een zwaartekrachtsveld creëert, dat op zijn beurt de golf zelf samenhoudt in een beperkte ruimte. Wheeler speculeerde dat er mogelijk een verband bestaat tussen microscopische geonen en elementaire deeltjes en dat ze zelfs hetzelfde kunnen zijn. Een extremer voorbeeld is een "Kugelblitz" (Duits voor "balbliksem"), waar zo'n intens licht geconcentreerd is op een bepaald punt dat de zwaartekracht veroorzaakt door de lichtenergie sterk genoeg wordt om ineen te storten in een zwart gat, waardoor de licht binnen. Hoewel er niets wordt verondersteld om de vorming van een Kugelblitz te voorkomen, worden nu alleen geonen verondersteld tijdelijk te kunnen vormen, omdat ze onvermijdelijk energie zullen lekken en ineenstorten. Dit geeft helaas aan dat het aanvankelijke vermoeden van Wheeler onjuist was, maar dit is niet definitief bewezen.

5

Kerr Black Hole

Het type zwart gat waar de meeste mensen bekend mee zijn, dat een gebeurtenishorizon aan de buitenkant heeft die fungeert als het "point of no return" en een punt singulariteit van oneindige dichtheid aan de binnenkant, heeft eigenlijk een meer specifieke naam: een Schwarzschild zwart gat . Het is genoemd naar Karl Schwarzschild, die de wiskundige oplossing van Einstein's veldvergelijkingen vond voor een bolvormige, niet-roterende mis in 1915, slechts een maand nadat Einstein zijn algemene relativiteitstheorie had gepubliceerd. Het was echter pas in 1963 dat wiskundige Roy Kerr de oplossing vond voor een roterende bolvormige massa. Daarom wordt een roterend zwart gat een Kerr-zwart gat genoemd en heeft het enkele ongebruikelijke eigenschappen.

In het midden van een Kerr zwart gat heeft singulariteit geen zin, maar eerder een ring singulariteit - een draaiende eendimensionale ring die opengehouden wordt door zijn eigen momentum. Er zijn ook twee gebeurtenishorizons, een innerlijke en een uiterlijke, en een ellipsoïde genaamd de ergosfeer, waarbinnen de ruimte-tijd zelf sneller roteert met het zwarte gat (vanwege frame slepen) dan de snelheid van het licht. Wanneer je het zwarte gat binnengaat door door de uiterlijke gebeurtenishorizon te gaan, worden ruimteachtige paden tijd-achtig, wat betekent dat het onmogelijk is om de singulariteit in het midden te vermijden, net als in een Schwarzschild zwart gat. Wanneer je echter door de innerlijke gebeurtenishorizon gaat, wordt je pad opnieuw ruimteachtig. Het verschil is dit: de ruimte-tijd zelf is omgekeerd. Dit betekent dat de zwaartekracht in de buurt van de singulariteit van de ring afstotend wordt, waardoor je in feite weg van het centrum wordt geduwd. In feite is het onmogelijk om de ring singulariteit zelf te raken, tenzij je het zwarte gat precies op de evenaar betreedt. Bovendien kunnen ring singulariteiten gekoppeld worden door ruimte-tijd, zodat ze kunnen fungeren als wormgaten, hoewel het verlaten van het zwarte gat aan de andere kant onmogelijk zou zijn (tenzij het een naakte singulariteit was, mogelijk gecreëerd wanneer de singulariteit van de ring snel genoeg ronddraait). Het reizen door de singulariteit van een ring kan je naar een ander punt in de ruimte-tijd brengen, zoals een ander universum, waar je licht van buiten het zwarte gat zou kunnen zien vallen, maar het zwarte gat zelf niet verlaten. Het kan je zelfs naar een "wit gat" brengen in een negatief universum, waarvan de exacte betekenis onbekend is.

4

Quantum Tunneling

Quantum tunneling is een effect waarbij een deeltje een barrière kan passeren die normaal niet de energie heeft om te overwinnen. Het kan een deeltje door een fysieke barrière laten gaan die ondoordringbaar moet zijn, of kan een elektron in staat stellen te ontsnappen uit de aantrekkingskracht van de kern zonder de kinetische energie te hebben om dat te doen.Volgens de kwantummechanica is er een eindige waarschijnlijkheid dat een deeltje overal in het universum te vinden is, hoewel die waarschijnlijkheid astronomisch klein is voor elke echte afstand van het pad dat de deeltjes verwacht.

Wanneer het deeltje echter wordt geconfronteerd met een klein genoeg barrière (ongeveer 1-3 nm breed), waarvan de conventionele berekeningen zouden aangeven dat deze ondoordringbaar zijn voor het deeltje, wordt de waarschijnlijkheid dat het deeltje eenvoudig door die barrière zal passeren, redelijk merkbaar. Dit kan worden verklaard door het onzekerheidsprincipe van Heisenberg, dat beperkt hoeveel informatie over een deeltje bekend kan zijn. Een deeltje kan energie "lenen" van het systeem waarin het werkt, het gebruiken om door de barrière te gaan en het vervolgens weer verliezen.

Quantum tunneling is betrokken bij veel fysieke processen, zoals radioactief verval en de kernfusie die plaatsvindt in de zon. Het wordt ook gebruikt in bepaalde elektrische componenten en er is zelfs aangetoond dat het voorkomt in enzymen in biologische systemen. Het enzym glucose-oxidase, dat de reactie van glucose in waterstofperoxide katalyseert, omvat bijvoorbeeld het quantum-tunnelen van een volledig zuurstofatoom. Quantum tunneling is ook een belangrijk kenmerk van de scanning tunneling-microscoop, de eerste machine die beeldvorming en manipulatie van individuele atomen mogelijk maakt. Het werkt door het meten van de spanning in een zeer fijne punt, die verandert wanneer hij dicht bij een oppervlak komt vanwege het effect van elektronen die door het vacuüm tunnelen (bekend als de "verboden zone") daartussen. Dit geeft het apparaat de gevoeligheid die nodig is om afbeeldingen met een extreem hoge resolutie te maken. Het maakt het ook mogelijk dat het apparaat atomen verplaatst door opzettelijk een stroom door de geleidende tip te zetten.

3

Kosmische snaren

Kort na de oerknal verkeerde het universum in een zeer ongeordende en chaotische toestand. Dit betekent dat kleine veranderingen en defecten de algemene structuur van het universum niet veranderden. Toen het universum zich echter uitbreidde, afgekoeld en van een ongeordende naar een ordelijke toestand ging, bereikte het een punt waarop zeer kleine fluctuaties zeer grote veranderingen veroorzaakten.

Dit is vergelijkbaar met het gelijkmatig rangschikken van tegels op een vloer. Wanneer een tegel ongelijk is geplaatst, betekent dit dat de volgende geplaatste tegels zijn patroon zullen volgen. Daarom heb je een hele rij tegels misplaatst. Dit is vergelijkbaar met de objecten die we kosmische snaren noemen, die extreem dunne en extreem lange gebreken zijn in de vorm van ruimte-tijd. Deze kosmische reeksen worden voorspeld door de meeste modellen van het universum, zoals de snaartheorie waarin twee soorten "strings" geen verband houden. Als ze bestaan, zou elke reeks zo dun zijn als een proton, maar ongelooflijk dicht. Aldus kan een kosmische reeks van een mijl lang evenveel wegen als de aarde. Het zou echter niet echt zwaartekracht hebben en het enige effect dat het zal hebben op materie eromheen is de manier waarop het de vorm en vorm van ruimte-tijd verandert. Daarom is een kosmische reeks in wezen slechts een "rimpel" in de vorm van ruimte-tijd.

Men denkt dat de kosmische snaren ongelooflijk lang zijn, tot de orde van grootte van duizenden sterrenstelsels. In feite hebben recente waarnemingen en simulaties gesuggereerd dat een netwerk van kosmische reeksen zich uitstrekt over het hele universum. Dit werd ooit gedacht te zijn wat sterrenstelsels veroorzaakte in superclustercomplexen, hoewel dit idee inmiddels is verlaten. Supercluster-complexen bestaan ​​uit verbonden 'filamenten' van sterrenstelsels tot een miljard lichtjaar lang. Vanwege de unieke effecten van kosmische snaren op ruimte-tijd terwijl je twee snaren bij elkaar brengt, is aangetoond dat ze mogelijk kunnen worden gebruikt voor tijdreizen, zoals bij de meeste dingen op deze lijst. Kosmische snaren zouden ook ongelooflijke zwaartekrachtsgolven creëren, sterker dan welke andere bekende bron dan ook. Deze golven zijn wat die huidige en geplande zwaartekrachtgolfdetectoren ontworpen hebben om naar te kijken.

2

Antimaterie Retrocausaliteit

Antimaterie is het tegenovergestelde van materie. Het heeft dezelfde massa maar met een tegengestelde elektrische lading. Een theorie over waarom antimaterie bestaat, is ontwikkeld door John Wheeler en Nobelprijswinnaar Richard Feynman, gebaseerd op het idee dat fysieke systemen tijdoverkeerbaar zouden moeten zijn. De banen van ons zonnestelsel moeten bijvoorbeeld, als ze achterstevoren worden gespeeld, nog steeds aan dezelfde regels gehoorzamen als wanneer ze naar voren worden gespeeld. Dit leidde tot het idee dat antimaterie gewoon gewone materie is die achteruitgaat in de tijd, wat zou verklaren waarom antideeltjes een tegenovergestelde lading hebben, omdat als een elektron wordt afgestoten terwijl het vooruitgaat in de tijd, dan wordt achteruit in de tijd aantrekking. Dit verklaart ook waarom materie en antimaterie vernietigen. Dit is geen omstandigheid dat twee deeltjes tegen elkaar botsen en elkaar vernietigen; het is hetzelfde deeltje dat plotseling stopt en teruggaat in de tijd. In een vacuüm, waar een paar virtuele deeltjes worden geproduceerd en vervolgens vernietigd, is dit eigenlijk maar één deeltje dat in een eindeloze lus gaat, vooruit in de tijd, dan achteruit, dan weer vooruit, enzovoort.

Hoewel de nauwkeurigheid van deze theorie nog steeds ter discussie staat, komt het behandelen van antimaterie als materie achteruit in de tijd wiskundig op de proppen met identieke oplossingen voor andere, meer conventionele theorieën. Toen het voor het eerst werd getheoreteerd, zei John Wheeler dat het misschien de vraag beantwoordde waarom alle elektronen in het universum identieke eigenschappen hebben, een vraag die zo voor de hand ligt dat deze in het algemeen wordt genegeerd. Hij suggereerde dat het slechts één elektron was, dat constant over het universum schoot, van de oerknal tot het einde der tijden en weer terug, en een ontelbaar aantal keren doorging.Hoewel dit idee een omgekeerd tijdsverloop impliceert, kan het niet worden gebruikt om informatie terug te sturen in de tijd, omdat de wiskunde van het model dit simpelweg niet toestaat. Je kunt een stuk antimaterie niet verplaatsen om het verleden te beïnvloeden, omdat je door het te verplaatsen alleen het verleden van de antimaterie zelf, dat wil zeggen je toekomst, beïnvloedt.

1

Gödel's onvolledigheidsstellingen

Het is niet strikt wetenschappelijk, maar eerder een zeer interessante set van wiskundige stellingen over logica en de filosofie die absoluut relevant is voor de wetenschap als geheel. Bewezen in 1931 door Kurt Gödel, deze theorieën zeggen dat met elke gegeven reeks logische regels, behalve de meest eenvoudige, er altijd uitspraken zullen zijn die onbeslisbaar zijn, wat betekent dat ze niet bewezen of bewezen kunnen worden vanwege het onvermijdelijke zelfreferentiële karakter van logische systemen die zelfs op afstand ingewikkeld zijn. Dit wordt verondersteld aan te geven dat er geen groots wiskundig systeem is dat in staat is om alle beweringen te bewijzen of weerleggen. Een onbeslisbare verklaring kan worden gezien als een wiskundige vorm van een uitspraak als "Ik lieg altijd". Omdat de verklaring verwijst naar de taal die wordt gebruikt om het te beschrijven, kan niet worden vastgesteld of de bewering waar is of niet. Een onbeslisbare verklaring hoeft echter niet expliciet zelf-referentieel te zijn om onbeslisbaar te zijn. De belangrijkste conclusie van Gödel's onvolledigheidsstatistieken is dat alle logische systemen verklaringen hebben die niet kunnen worden bewezen of weerlegd; daarom moeten alle logische systemen "onvolledig" zijn.

De filosofische implicaties van deze stellingen zijn wijdverbreid. De set suggereert dat in de natuurkunde een "theorie van alles" misschien onmogelijk is, omdat geen enkele reeks regels elke mogelijke gebeurtenis of uitkomst kan verklaren. Het geeft ook aan dat logisch gezien "bewijs" een zwakker begrip is dan "waar"; een dergelijk concept is verontrustend voor wetenschappers, omdat het betekent dat er altijd dingen zullen zijn die, ondanks dat ze waar zijn, niet waar kunnen zijn. Aangezien deze reeks stellingen ook op computers van toepassing is, betekent dit ook dat onze eigen geest onvolledig is en dat er enkele ideeën zijn die we nooit kunnen weten, inclusief of onze eigen geest consistent is (dat wil zeggen dat onze redenering geen onjuiste tegenstrijdigheden bevat). Dit komt omdat de tweede onvolledigheidsstelling van Gödel zegt dat geen enkel consistent systeem zijn eigen consistentie kan bewijzen, wat betekent dat geen verstandige geest zijn eigen gezond verstand kan bewijzen. Omdat dezelfde wet stelt dat elk systeem dat in staat is om de samenhang ervan met zichzelf te bewijzen, inconsistent moet zijn, is elke geest die gelooft dat het zijn eigen geestelijke gezondheid kan bewijzen daarom krankzinnig.