10 Zvláštní věci o vesmíru

Vesmír může být velmi zvláštní místo. Zatímco průkopnická myšlenka, jako je kvantová teorie, relativita a dokonce i Země, která se děje kolem Slunce, mohou být nyní běžně přijímána, věda stále ukazuje, že vesmír obsahuje věci, pro něž byste mohli těžko věřit, a ještě obtížnější dostat svou hlavu kolem .

10

Negativní energie

Teoreticky je nejnižší teplota, kterou lze dosáhnout, absolutní nula, přesně? 273,15 ° C, kde se pohyb všech částic úplně zastaví. Na tuto teplotu nicméně nikdy nemůžete vychladnout, protože v kvantové mechanice má každá částečka minimální energii nazývanou "nulová bodová energie", kterou nemůžete dostat dolů. Je zřejmé, že tato minimální energie se nevztahuje pouze na částice, ale na jakékoliv vakuum, jehož energie se nazývá "vakuová energie". Ukázat, že tato energie existuje, spočívá v poměrně jednoduchém experimentu - ve vakuu se dvěma kovovými deskami, společně a budou navzájem přitahovány. To je způsobeno tím, že energie mezi deskami je schopna rezonovat pouze na určitých frekvencích, zatímco mimo desky může energie podtlaku rezonovat téměř jakoukoli frekvencí. Protože energie mimo desky je větší než energie mezi deskami, desky jsou tlačeny k sobě. Když se desky přiblíží, síla se zvětšuje a při tomto odstupu 10 nm tento efekt (nazývaný účinkem Casimir) vytváří mezi nimi atmosféru tlaku. Protože desky snižují energii podtlaku mezi nimi pod normální nulovou hodnotu energie, prostor má negativní energii, která má některé neobvyklé vlastnosti.

Jednou z vlastností negativního energetického vakua je to, že světlo se ve skutečnosti v něm pohybuje rychleji než v normálním vakuu, což může jednoho dne umožnit lidem cestovat rychleji než rychlost světla v jakési vakuové bubline s negativní energií . Negativní energie by také mohla být použita k udržení otevřené transverzibilní červí díry, která, i když teoreticky možná, by se zhroutila hned, jakmile byla vytvořena bez prostředků, aby ji otevřely. Negativní energie také způsobuje odpařování černých děr. Vákuová energie je často modelována tak, že virtuální částice vystupují do existence a vyhubí. To neporušuje žádné zákony na ochranu energie, pokud jsou částice krátce později zničeny. Nicméně pokud se na obzoru černých otvorů vytvoří dvě částice, může se člověk vzdálit od černé díry, zatímco druhý do něj padá. To znamená, že nebudou schopni zničit, takže částice skončí s negativní energií. Když záporná částice energie spadne do černé díry, snižuje hmotnost černé díry namísto toho, aby se k ní přidala, a časem, jako jsou tyto, bude černá díra úplně odpařena. Vzhledem k tomu, že tato teorie byla nejprve navržena Stephen Hawkingem, částice, které se tímto účinkem uvolňují (ty, které nespadají do černé díry), se nazývají Hawkingové záření. Byla to první přijatá teorie, která spojila kvantovou teorii s obecnou relativitou, což z něj dělá největší vědecký úspěch od Hawkinga.

9

Přetažení rámu

Jednou z předpovědí Einsteinovy ​​teorie obecné relativity je to, že když se velký objekt pohybuje, vtahuje čas kolem něj a způsobuje to, že i blízké předměty budou taženy. Může k ní dojít, když se velký předmět pohybuje v přímce nebo se otáčí, a přestože je účinek velmi malý, byl experimentálně ověřen. Experiment Gravity Probe B, který byl zahájen v roce 2004, byl navržen k měření prostorového a časového zkreslení blízko Země. Přestože zdroje rušení byly větší, než se očekávalo, efekt přetahování snímků byl změřen na nejistotu 15% a další analýza doufala, že to dále sníží.

Očekávané účinky byly velmi blízké předpovědím: kvůli rotaci Země byla sonda vytažena z její oběžné dráhy přibližně 2 metry za rok, což je účinek čistě způsobený hmotou Země, která narušuje časoprostor, který ji obklopuje. Sonda sama o sobě nebude cítit tuto další akceleraci, protože to není způsobeno zrychlením sondy, nýbrž spíše časem, kdy sonda prochází - podobně jako koberec vytahovaný pod stolem, spíše než pohyb samotného stolu .

8

Relativnost souběžnosti

Relativita souběžnosti je myšlenka, že zda se dvě události vyskytují současně nebo ne, je relativní a závisí na pozorovateli. Je to zvláštní důsledek speciální teorie relativity a vztahuje se na události, které se dějí, které jsou od sebe vzdáleny. Například, pokud je na Marsu vypuštěno ohňostroj a další na Venuši, jeden pozorovatel, který cestuje vesmírem, může jednat, že se stane současně (kompenzace časového osvětlení se jim dostane), zatímco jiný pozorovatel cestující jiným způsobem Řekněme, že první na Marsu šel pryč, a další by mohl říci, že ten na Venuši odešel první. To je způsobeno tím, že různé pohledy jsou ve srovnání se zvláštními relativními faktory zkresleny. A protože jsou všechny relativní, nelze říci, že by pozorovatel měl správný pohled.

To může vést k velmi neobvyklým scénářům, jako je například pozorování svědčícího účinku před příčinou (například při spuštění bomby, později při pohledu na někoho, kdo zapálil pojistku). Nicméně, jakmile pozorovatel uvidí efekt, nemůžou s příčinou komunikovat bez toho, aby cestoval rychleji než rychlost světla, což byl jeden z prvních důvodů, proč se cestování rychlejší než světlo bylo považováno za zakázané, protože je to podobné cestování v čase , a vesmír, kde můžete působit na příčinu poté, co efekt nemá smysl.

7

Černé struny

Jedním z nejdelších tajemství ve fyzice je, jak se gravitace souvisí s jinými základními silami, jako je elektromagnetismus. Jedna teorie, nejprve navržená v roce 1919, ukázala, že pokud se k vesmíru přidá další dimenze, gravitace se stále vyskytuje v prvních čtyřech rozměrech (tři prostorové dimenze a čas), ale způsob, jakým tento čtyřrozměrný prostor křive nad extra pátou dimenzi, přirozeně vytváří další základní síly. Tuto pátou dimenzi však nemůžeme vidět ani rozpoznat, a proto bylo navrženo, aby byla další dimenze zvrásněna a tudíž se nám stala neviditelnou. Tato teorie byla to, co nakonec vedlo k teorii strun, a je stále zahrnuto v srdci většiny analýzy teorie strun.

Vzhledem k tomu, že tento další rozměr je tak malý, mohou se po něm pohybovat pouze drobné předměty, například částice. V takových případech nakonec nakonec skončí, odkud začali, protože další rozměr je zvlněný. Nicméně jeden objekt, který se v pěti rozměrech stává mnohem složitější, je černá díra. Když je rozšířen na pět rozměrů, stává se "černým řetězcem" a na rozdíl od normální 4D černé díry je nestabilní (to ignoruje skutečnost, že 4D černé díry se nakonec odpaří). Tento černý řetězec destabilizuje do celé řady černých děr spojených dalšími černými strunami, dokud nebudou černé struny úplně zachyceny a soubor černých děr ponechá. Tyto černobílé 4D černé díry se pak spojují do jedné větší černé díry. Nejzajímavější je, že pomocí současných modelů je poslední černá díra "nahá" singularita. To znamená, že to neobsahuje žádný horizont události. To porušuje Hypotézu o kosmickém cenzuře, která říká, že všechny singularity musí být obklopeny horizontem událostí, aby se zabránilo účinkům času-cestování, o kterých se domníváme, že se v blízkosti jedinečnosti stávají změny historie celého vesmíru, protože nemohou nikdy uniknout z horizontu událostí.

6

Geon

Jak je nejlépe znázorněno v rovnici E = MC, energie a materiál jsou zásadně propojeny. Jeden účinek je, že energie, stejně jako hmota, vytváří gravitační pole. Geon, poprvé zkoumaný Johnem Wheelerem, v roce 1955, je elektromagnetická nebo gravitační vlna, jejíž energie vytváří gravitační pole, které zase drží vlnu společně v omezeném prostoru. Wheeler spekuloval, že může existovat spojení mezi mikroskopickými geony a elementárními částicemi, a že by to mohlo být dokonce totéž. K extrémnějším příkladem patří "kugelblitz" (němčina pro "koule blesků"), kde se takové intenzivní světlo soustřeďuje v určitém bodě, kdy gravitace způsobená světelnou energií stává dostatečně silná, aby se zhroutila do černé díry, světlo uvnitř. Ačkoli se nic nenamítá, aby se zabránilo vzniku kugelblitzu, dnes se domnívají, že geoni jsou schopni dočasně tvořit, protože budou nevyhnutelně unikat energií a zhroutí se. To bohužel naznačuje, že Wheelerova první domněnka byla nesprávná, ale to nebylo definitivně prokázáno.

5

Kerr Black Hole

Typ černých otvorů, které většina lidí pozná, má vnější obzor, který působí jako "bod bez návratu" a bodová singularita nekonečné hustoty uvnitř, má ve skutečnosti specifický název: Schwarzschildova černá díra . Je pojmenován podle Karla Schwarzschilda, který v roce 1915 našel matematické řešení Einsteinových polních rovnic pro sférickou, neotočivou hmotu, teprve měsíc poté, co Einstein vlastně publikoval svou obecnou teorii relativity. Nicméně, až do roku 1963, matematik Roy Kerr našel řešení pro rotující sférickou hmotu. Proto se rotující černá díra nazývá Kerr černá díra a má některé neobvyklé vlastnosti.

Ve středu Kerrové černé díry neexistuje žádný singularita, ale spíše kruhová singularita - rotující jednorozměrný prsten, který je otevřen vlastním hybným momentem. Existují také dva horizonty událostí, vnitřní a vnější, a elipsoid nazývaný ergosphere, uvnitř kterého se prostorový čas sám otáčí s černým otvorem (díky tažení rámce) rychleji než je rychlost světla. Když vstoupíme do černé díry, průchodem vnějšího horizontu událostí se vesmírné cesty stávají časově podobné, což znamená, že nelze uniknout singularitě uprostřed, stejně jako v černé díře Schwarzschild. Nicméně, když procházíte horizontem vnitřních událostí, vaše cesta se opět stává vesmírem. Rozdíl je toto: prostor-čas sám je obrácen. To znamená, že gravitace v blízkosti prstence se stává oddělitelností odrazivou, ve skutečnosti vás vytlačuje z centra. Ve skutečnosti, pokud nevstoupíte do černé díry přesně na rovníku, není možné zasáhnout singularitu samotného kruhu. Navíc singularity kruhů mohou být propojeny časoprostorem, takže mohou fungovat jako červí díry, ačkoli opuštění černé díry na druhé straně by bylo nemožné (pokud to nebyla nahá singularita, možná vytvořená, když se singularita kruhu natočila dostatečně rychle). Cestování přes singularitu kruhu vás může přenést na jiný bod v časoprostoru, jako je jiný vesmír, kde můžete vidět světlo, které padá z vnější strany černé díry, ale neopouštějte samotnou černou díru. Může se dokonce dostat k "bílé díře" v záporném vesmíru, jehož přesný význam je neznámý.

4

Kvantová tunelování

Kvantové tunelování je účinek, kdy částice mohou procházet bariérou, která by normálně neměla energii překonat. Může umožnit, aby částice prošla fyzikální bariérou, která by měla být neproniknutelná, nebo může umožnit elektronu uniknout z tahu jádra, aniž by měla kinetickou energii k tomu.Podle kvantové mechaniky existuje konečná pravděpodobnost, že jakákoliv část může být nalezena kdekoliv ve vesmíru, ačkoli tato pravděpodobnost je astronomicky malá pro libovolnou skutečnou vzdálenost od očekávané dráhy částic.

Nicméně, když je částice vystavena malé bariéře (asi 1 až 3 nm široké), která by znamenala konvenční výpočty, je neproniknutelná částicí, pravděpodobnost, že částice prostě projde touto bariérou, se stane docela znatelnou. To lze vysvětlit principem Heisenberga nejistoty, který omezuje, kolik informací o částice může být známo. Částek může "vypůjčit" energii ze systému, v němž působí, využívat ji procházet bariérou a pak ji znovu ztratit.

Kvantové tunelování se účastní mnoha fyzikálních procesů, jako je radioaktivní rozklad a jaderná fúze, která se děje na slunci. Používá se také v některých elektrických součástech a dokonce se ukázalo, že se vyskytuje v enzymech v biologických systémech. Například enzym glukóza oxidáza, který katalyzuje reakci glukózy na peroxid vodíku, zahrnuje kvantové tunelování celého atomu kyslíku. Kvantové tunelování je také klíčovým rysem skenovacího tunelovacího mikroskopu, prvního stroje umožňujícího zobrazování a manipulaci s jednotlivými atomy. Pracuje tím, že měří napětí ve velmi jemném hrotu, který se mění, když se dostává blízko k povrchu kvůli účinkům elektronů tunelujících přes podtlak (známý jako "zakázaná zóna") mezi nimi. Toto zařízení dává citlivost nezbytnou pro vytváření obrazů s vysokým rozlišením. Umožňuje také zařízení pohybovat atomy záměrným uvedením proudu vodícím hrotem.

3

Kosmické struny

Krátce po Velkém třesku byl vesmír ve velmi neuspořádaném a chaotickém stavu. To znamená, že malé změny a vady nezměnily celkovou strukturu vesmíru. Nicméně, jak vesmír expandoval, ochladil a šel z nepořádného stavu do řádného stavu, dosáhl bodu, kdy velmi malá fluktuace vedla k velkým změnám.

To je podobné uspořádání dlaždic rovnoměrně na podlaze. Pokud je jedna dlaždice položena nerovnoměrně, znamená to, že následující dlaždice budou následovat svůj vzorec. Proto máte celou řadu dlaždic mimo místo. Toto je podobné objektům nazývaným kosmické řetězce, které jsou extrémně tenké a extrémně dlouhé vady tvaru prostoru a času. Tyto kosmické řetězce jsou předpovídány většinou modelů vesmíru, jako je teorie strun, kde dva druhy "řetězců" nesouvisejí. Pokud existují, každý řetězec bude tenký jako protón, ale neuvěřitelně hustý. Takže kosmický řetězec o délce jedné míle může vážit stejně jako Země. Nicméně by to vlastně nemělo žádnou gravitaci a jediný účinek, který bude mít na záležitost obklopující ji, bude způsob, jakým změní podobu a tvar prostoru a času. Proto je kosmický řetězec v podstatě jen "vráskem" v podobě časoprostoru.

Kosmické řetězce jsou považovány za neuvěřitelně dlouhé, až do velikosti tisíců galaxií. Ve skutečnosti nedávná pozorování a simulace naznačují, že síť vesmírných řetězců se táhne po celém vesmíru. Toto bylo kdysi považováno za to, co způsobilo tvorbu galaxií v komplexech superclusterů, ačkoli tato myšlenka byla od té doby opuštěna. Komplexy Supercluster se skládají z propojených "vláken" galaxií až do miliardy světelných let. Kvůli unikátním účinkům kosmických řetězců na časoprostor, když přinášíte dvě struny blízko sebe, ukázalo se, že by se mohly případně použít pro cestování v čase, jako u většiny věcí na tomto seznamu. Kosmické řetězce by také vytvořily neuvěřitelné gravitační vlny, silnější než jakýkoli jiný známý zdroj. Tyto vlny jsou to, co jsou navržené a plánované detektory gravitačních vln navrženy tak, aby hledaly.

2

Antimatter Retrocausality

Antihmota je opak hmoty. Má stejnou hmotnost, ale s protilehlým elektrickým nábojem. Jedna teorie o tom, proč existuje antihmotnost, byla vyvinuta Johnem Wheelerem a laureátem Nobelovy ceny Richardem Feynmanem na základě myšlenky, že fyzické systémy by měly být časově reverzibilní. Například oběžné dráhy naší sluneční soustavy, pokud jsou přehrávány zpět, by měly stále dodržovat všechna pravidla, jako když se hrají dopředu. To vedlo k myšlence, že antihmoty jsou prostě běžnou hmotou, která se vrací zpět v čase, což by vysvětlovalo, proč antipartikly mají opačný náboj, protože jestliže je elektron odpuzován zatímco jde dopředu v čase, pak se časem dozadu stává přitažlivostí. To také vysvětluje, proč hmota a antimateriál zničí. Nejedná se o situaci, kdy se dvě částice rozpadají a vzájemně se zničí; to je stejná částicová náhle zastavit a vrátit se v čase. Ve vakuu, kde se vytvoří a zničí pár virtuálních částic, je to vlastně jen jedna částic, která jde nekonečnou smyčkou, dopředu v čase, pak zpět, pak dopředu a tak dále.

Zatímco přesnost této teorie je stále ještě pro debata, léčba antihmoty jako hmoty, která jde zpět v čase, matematicky přichází s identickými řešeními k jiným konvenčním teoriím. Když to bylo poprvé teoretizované, John Wheeler řekl, že možná odpověděl na otázku, proč všechny elektrony ve vesmíru mají stejné vlastnosti, což je tak zřejmá otázka, že je obecně ignorována. Navrhl, že to byl jen jeden elektron, neustále se šíří po celém vesmíru, od Velkého třesku až do konce času a zpět, a pokračoval nespočetným počtem dob.Přestože tato myšlenka zahrnuje zpětnou cestou v čase, nemůže být použita k odeslání žádných informací zpět, protože matematika modelu to prostě neumožňuje. Nemůžete posunout kus antihmoty, aby ovlivnil minulost, protože při jeho přemísťování ovlivňujete pouze minulost antihmoty samotné, tedy vaší budoucnosti.

1

Gödelovy věty neúplnosti

Není to přísně věda, ale spíše velmi zajímavá sada matematických teorémů o logice a filozofii, která je rozhodně relevantní pro vědu jako celek. Osvědčený v roce 1931 Kurt Gödel, tyto teorie říkají, že s jakýmkoli daným souborem logických pravidel, s výjimkou těch nejjednodušších, budou vždy existovat prohlášení, která jsou nerozhodná, což znamená, že nemohou být prokázány ani vyvráceny kvůli nevyhnutelné samoreferenční povaze jakýchkoli logických systémů, které jsou dokonce vzdáleně komplikované. To je myšlenka naznačovat, že neexistuje žádný velký matematický systém schopný dokázat nebo vyvrátit všechna tvrzení. Neurčité tvrzení lze považovat za matematickou formu prohlášení, jako je "vždycky lež." Protože se v prohlášení odkazuje na jazyk, který se používá k jeho popisu, nelze vědět, zda je tvrzení pravdivé nebo ne. Nicméně, nerozhodnutelné prohlášení nemusí být výslovně samoregionální, aby bylo nerozhodnutelné. Hlavním závěrem věty Gödelovy neúplnosti je, že všechny logické systémy budou mít prohlášení, které nelze dokázat nebo vyvrátit; proto musí být všechny logické systémy "neúplné".

Filozofické důsledky těchto věty jsou rozšířené. Soubor naznačuje, že ve fyzice může být "teorie všeho" nemožná, protože žádný soubor pravidel nemůže vysvětlovat každou možnou událost nebo výsledek. Ukazuje také, že logicky je "důkaz" slabší koncept než "pravda"; taková koncepce je pro vědce znepokojující, protože to znamená, že tam budou vždycky věci, které, i když jsou pravdivé, nelze dokázat, že jsou pravdivé. Vzhledem k tomu, že tato množina věty platí také pro počítače, znamená to také, že naše vlastní mysl je neúplná a že existují nějaké myšlenky, které nikdy nemůžeme vědět, včetně toho, zda jsou naše mysl konzistentní (tj. Naše odůvodnění neobsahuje žádné nesprávné rozpory). Je to proto, že druhá Gödelova věta o neúplnosti uvádí, že žádný konzistentní systém nemůže dokázat svou vlastní konzistenci, což znamená, že žádná rozumná mysl nemůže dokázat vlastní rozum. Také, protože ten stejný zákon říká, že jakýkoli systém schopný dokázat svou konzistenci sama o sobě musí být nekonzistentní, každá mysl, která věří, že dokáže prokázat svoji vlastní rozum, je proto šílená.