10 objevů v mysli ve fyzice

Studium fyziky je studiem vesmíru - a konkrétněji, jak funguje vesmír vesmír. Je to bezesporu nejzajímavější odvětví vědy, protože vesmír, jak se ukázalo, je mnohem komplikovanější než vypadá na povrchu (a zdá se, že to už je dost komplikované). Svět funguje nějakým opravdu zvláštním způsobem, a ačkoli možná budete potřebovat doktorát, abyste pochopili proč, potřebujete pouze pocit úcty, abyste ocenili, jak. Zde je deset nejúžasnějších věcí, které fyzici objevili o našem vesmíru:

10

Čas se zastaví rychlostí světla

Podle Einsteinovy ​​teorie relativní zvláštnosti se rychlost světla nikdy nezmění - je to vždycky uvízlé na přibližně 300.000.000 metrů za sekundu, bez ohledu na to, kdo ho pozoruje. To samo o sobě je neuvěřitelné, protože se nic nemůže pohybovat rychleji než světlo, ale je to stále teoretické. Skvělá část speciální relativity je myšlenka nazvaná časová dilatace, která říká, že čím rychleji jdete, tím pomalejší čas proběhne pro vás vzhledem k vašemu okolí. Vážně - jestli půjdete jet ve vozidle na hodinu, budete mít stále věku - tak trochu méně, než kdybyste právě seděli doma na počítači. Extra nanosekundy, které z vás vynecháte, nemusí být cenou plynu, ale hej, to je volba.

Samozřejmě, že čas může jen tak zpomalit a vzorec funguje, takže pokud se pohybujete rychlostí světla, čas se vůbec nepohybuje. Teď, než vyjedete a zkusíte nějaký schéma rychlé a nesmrtelné, stačí poznamenat, že pohybovat se rychlostí světla není ve skutečnosti možný, ledaže byste se stali světlem. Technicky řečeno, pohybovat se tak rychle by vyžadoval nekonečné množství energie (a já pro něho nemám takový druh šťávy jen ležící kolem).

9

Kvantové zapletení

Dobře, tak jsme se dohodli, že se nic nemůže pohybovat rychleji než rychlost světla - v pořádku? No ... ano a ne. Zatímco to je technicky ještě pravda, alespoň v teorii se ukázalo, že je tam nějaká mezera, která se nachází v mysli-foukací odvětví fyziky známé jako kvantová mechanika.

Kvantová mechanika je v podstatě studiem fyziky v mikroskopickém měřítku, jako je chování subatomických částic. Tyto typy částic jsou neuvěřitelně malé, ale velmi důležité, protože tvoří stavební bloky pro vše ve vesmíru. Zanechám technické detaily prozatím (je to dost komplikované), ale můžete si je představit jako drobné, odstředivé, elektricky nabité kuličky. Dobře, možná je to taky komplikované. Jen se to hodí (zamýšlíte).

Řekněme, že máme dva elektrony (subatomové částice s negativním nábojem). Kvantové zapletení je speciální proces, který zahrnuje párování těchto částic tak, aby se staly totožnými (kuličky se stejným odstředěním a nábojem). Když se to stane, věci jsou divné - protože od té doby zůstávají tyto elektrony totožné. To znamená, že pokud změníte jednu z nich - řekněme, otočte ji opačným směrem - její dvojče reaguje přesně stejným způsobem. Okamžitě. Bez ohledu na to, kde je. Bez tebe se ani nedotkneš. Důsledky tohoto procesu jsou obrovské - to znamená, že informace (v tomto případě směr otáčení) lze v podstatě teleportovat kdekoliv ve vesmíru.

8

Světlo je ovlivněno gravitací

Ale po chvíli zpátky na světlo a tentokrát promluvte o teorii obecné relativity (také Einsteinem). Jedná se o myšlenku nazývanou světelnou deformaci, což je přesně to, co to zní - cesta paprsku světla není zcela přímá.

Zvláštní, jak to zní, bylo opakovaně prokázáno (Einstein dokonce dostal průvod, který ho hodil za jeho správnou předpověď). Co to znamená, že i když světlo nemá žádnou hmotu, jeho cesta je ovlivněna věcmi, které dělají - například slunce. Takže pokud paprsek světla, například ze vzdálené hvězdy, projde dostatečně blízko slunce, bude se kolem něho trochu ohýbat. Účinky na pozorovatele - takový jako my - je to, že vidíme hvězdu na jiném místě oblohy, než je skutečně umístěna (podobně jako ryby v jezeře nejsou nikdy na místě, které se zdají být). Pamatujte si, že při příštím pohledu na hvězdy to může být jen trik světla.

7

Temná hmota

Díky některým teoriím, o kterých jsme již diskutovali (plus mnoho toho, co jsme neměli), mají fyzici několik přesných způsobů měření celkové hmotnosti přítomné ve vesmíru. Mají také velmi přesné způsoby měření celkové hmotnosti, kterou můžeme pozorovat, a tady je twist - dvě čísla neodpovídají.

Ve skutečnosti je celková hmotnost ve vesmíru mnohem větší než celková hmotnost, kterou můžeme skutečně zaplatit. Fyzici byli nuceni k tomu vysvětlit a vedoucí teorie nyní zahrnuje temnou hmotu - tajemnou látku, která nevyzařuje světlo a představuje asi 95% hmoty ve vesmíru. Zatímco nebylo formálně prokázáno, že existuje (protože ji nemůžeme vidět), temná hmota je podporována spoustou důkazů a musí existovat v nějaké podobě, aby vysvětlila vesmír.

6

Náš vesmír se rychle rozšiřuje

Zde je to, kde se věci trochu vyprázdní a pochopit proč, musíme se vrátit k teorii velkého třesku. Před tím, než byla televizní show, byla Teorie velkého třesku důležitým vysvětlením původu našeho vesmíru. V nejjednodušší analogii to fungovalo takhle: vesmír začal jako výbuch. Trosky (planety, hvězdy, atd.) Se rozlétly všemi směry, poháněné obrovskou energií výbuchu. Vzhledem k tomu, že všechny tyto úlomky jsou tak těžké, a proto jsou ovlivněny gravitací všeho za sebou, očekávali bychom, že se tato exploze po určité době zpomalí.

To ne.Ve skutečnosti se expanze našeho vesmíru ve skutečnosti postupně zrychluje, což je stejně bláznivé, jako kdybyste hodili baseball, který se stále rychleji a rychleji zhoršoval, místo aby se vrátil zpět na zem (ačkoli to nemusíte doma). To ve skutečnosti znamená, že prostor stále roste. Jediný způsob, jak to vysvětlit, je s temnou hmotou, nebo přesněji, s temnou energií, která je hnací silou tohoto kosmického zrychlení. Takže co na světě je temná energie, zeptáte se? No, to je další zajímavá věc ...

5

Všechna záležitost je jen energie

Je pravda - věc a energie jsou jen dvě strany stejné mince. Ve skutečnosti tohle znáš celý svůj život, pokud jste někdy slyšeli vzorec E = mc ^ 2. E je pro energii a m představuje hmotnost. Množství energie obsažené v určitém množství hmoty je určeno konverzním faktorem c na čtverec, kde c představuje - čekejte na to - rychlost světla.

Vysvětlení tohoto jevu je opravdu fascinující a souvisí to se skutečností, že hmotnost objektu se zvyšuje, jak se blíží rychlosti světla (i když se čas zpomaluje). Je to však poměrně složité, takže pro účely tohoto článku vás prostě ujišťuji, že je to pravda. Pro důkaz (bohužel) nehledejte žádnou jinou atomovou bombu, která přeměňuje velmi malé množství hmoty na velmi velké množství energie.

4

Wave-Particle Duality

Když mluvíme o věcech, které jsou jiné věci ...

Na první pohled nemohou být částice (jako elektron) a vlny (jako je světlo) odlišné. Jeden je pevný kus hmoty a druhý je vyzařující paprsek energie. Jsou to jablka a pomeranče. Ale jak se ukázalo, věci jako světlo a elektrony nemohou být skutečně omezeny na jeden stav existence - jedná se jak o částice, tak o vlny, v závislosti na tom, kdo hledá.

Ne vážně. Vím, že to zní směšně (a bude to ještě bláznivější, když se dostaneme k číslu 1), ale existují konkrétní důkazy, které dokazují, že světlo je vlna a jiné konkrétní důkazy, které dokazují, že světlo je částice (stejně jako elektrony). Je to jen ... obojí. Ve stejnou dobu. Není to nějaký zprostředkovatelský stav mezi těmito dvěma, myslíte-fyzicky oba, v tom smyslu, že to může být také. Nemějte strach, pokud to nemá velký smysl, protože jsme zpátky v oblasti kvantové mechaniky, a na této úrovni vesmír nemá rád, aby měl smysl.

3

Všechny objekty padnou ve stejné rychlosti

Pusťme na okamžik klid, protože moderní fyzika je hodně, aby se okamžitě dostala. To je v pořádku - klasická fyzika dokázala také některé hezké pojmy.

Bylo by vám odpuštěno, kdybyste předpokládali, že těžší předměty padnou rychleji než lehčí - to zní zdravý rozum a kromě toho víte, že bowlingová míč klesá rychleji než pero. A to je pravda, ale to nemá nic společného s gravitací - jediný důvod, proč k tomu dojde, je to, že zemská atmosféra poskytuje odpor. Ve skutečnosti, jak Galileo poprvé uvědomil asi před 400 lety, gravitace funguje stejně na všech objektech bez ohledu na jejich hmotnost. Co to znamená, že pokud jste opakovali experiment na oheň / bowling na Měsíci (který nemá atmosféru), narazili by na zem v přesně stejném čase.

2

Kvantová pěna

Dobře, rozbijte se. Věci se zase dostanou divně.

Věc o prázdném prostoru, myslíte si, je, že je prázdná. Zní to jako docela bezpečný předpoklad - koneckonců je to ve jménu. Ale vesmír se stane, že je příliš neklidný, aby se s tím vyrovnal, a proto se částečně neustále rozšiřují a rozšiřují částice. Jsou nazývány virtuálními částicemi, ale nedopouštějí žádnou chybu - jsou skutečné a dokázané. Existují pouze zlomek sekundy, což je dost dlouhé na to, aby porušilo některé základní fyzikální zákony, ale dost rychle, že to vlastně nezáleží (jako kdyby jste ukradli něco z obchodu, ale vrátili se na poloviční polici o jednu sekundu později). Vědci nazvali tento fenomén "kvantovou pěnou", protože zřejmě jim připomínalo posunutí bublin v hlavě nealkoholického nápoje.

1

Experiment s dvojitým štěrbinem

Takže si pamatujte před několika lety, když jsem řekl, že všechno je zároveň vlna a částice současně? Samozřejmě to děláš, pečlivě sleduješ. Ale tady je další věc - ze zkušenosti víte, že věci mají určité formy - jablko v tvé ruce je jablko, ne nějaké divné jablko-vlna věc. Co tedy způsobí, že se něco definitivně stane částečkou nebo vlnou? Jak se ukázalo, děláme to.

Experiment s dvojitým štěrbinem je nejnadějnější věc, kterou budete číst celý den, a funguje to takhle - vědci si postavili obrazovku s dvěma štěrbinami před stěnou a zastrčili paprskem světla skrz štěrbiny, aby mohli vidět kde to zasáhlo na zeď. Tradičně, když světlo je vlna, projevuje se něco, co se nazývá difrakční vzorek, a uvidíte světlo šířící se po zdi. To je výchozí - pokud právě experiment nastavíte, tak to uvidíte.

Ale to neznamená, jak by částice reagovaly na dvojité štěrbiny - prostě by prostě prošli dvěma čarami na zeď, které odpovídají štěrbinám. A jestliže světlo je částice, proč to nevykazuje tuto vlastnost místo difrakčního vzoru? Odpověď je, že ano - ale pouze pokud to chceme. Vidíte, jako vlna, světlo prochází oběma štěrbinami současně, ale jako částice může cestovat jen jedním. Takže pokud chceme, abychom se chovali jako částice, musíme jen nastavit nástroj, který přesně změří, jaký štěrk prochází každý bit světla (tzv. Foton).Přemýšlejte o tom jako o fotoaparátu - pokud pořídí každý foton, když projde jednou štěrbinou, pak tento foton nemůže projít oběma štěrbinami, a proto nemůže být vlna. V důsledku toho se nezobrazí interferenční vzorek na stěně - namísto toho se budou nacházet dvě řádky. Světlo bude působit jako částice jen proto, že před ni položíme fotoaparát. Fyzicky měříme výsledek pouze měřením.

Říká se to obecně řečeno jako efekt pozorovatele a přestože je to dobrý způsob, jak tento článek ukončit, ani nenarušuje povrch bláznivých věcí, které se nacházejí ve fyzice. Například je zde spousta variací dvojitého štěrbinového experimentu, které jsou ještě šílené než ta, o níž jsem tu mluvil. Doporučuji tě, abyste je hledali, ale jen pokud jste připraveni strávit celý den v kvantové mechaniky.