10 Rätselhafte wissenschaftliche Geheimnisse alltäglicher Dinge

Wie fliegen Bienen? Warum pulsieren manche Korallen? Was ist Ballblitz? Diese Fragen werden jetzt beantwortet (oder zumindest meistens beantwortet). Man könnte sogar denken, dass alle Dinge des Alltags jetzt gut verstanden werden, wobei die Geheimnisse der Seltenen, der Fernen und der Rekonditen gehören. Doch viele Dinge des Alltags bergen immer noch ihre Geheimnisse.

10Sticky Tape

Wenn Sie bestimmte Arten von Klebeband (einschließlich Scotch-Klebeband) im Vakuum abziehen, werden kurze Röntgenstrahlen erzeugt. Eine Gruppe von UCLA-Wissenschaftlern bemerkte diese verrückte Tatsache erstmals im Jahr 2008, obwohl sowjetische Wissenschaftler in den fünfziger Jahren etwas Ähnliches beobachtet hatten (wobei sie eher hochenergetische Elektronen als Röntgenstrahlen produzierten). Es scheint, dass niemand den sowjetischen Befunden glaubte. Wie könnte das Peeling-Band solche hochenergetischen Elektronen erzeugen? Seit 2008 haben viele andere Wissenschaftler Röntgenaufnahmen mit Klebeband gemacht, es scheint also ein echtes Phänomen zu sein - aber wie passiert das?

Wir wissen, dass das Abziehen des Bandes zu einer Anhäufung der Ladung führt, genau wie bei einer statischen Aufladung, wenn Sie eine Katze mit einer Kreditkarte streicheln. Es wird der triboelektrische Effekt genannt. Sobald die Ladung (und das dazugehörige elektrische Feld) groß genug ist, kommt es zu einer plötzlichen Entladung - ein Stoß von Elektronen springt und geht so schnell, dass die Elektronen Röntgenstrahlen aussenden, wenn die Elektronen auf etwas Materie treffen. Das Problem besteht darin, zu verstehen, wie die Elektronen so schnell in Gang kommen. Die Zeitung von 2008 folgerte: "Die erreichbaren Grenzen der Energien und der Blitzbreiten liegen jenseits der gegenwärtigen Theologie der Tribologie."

9Protons

Alltagsgegenstände bestehen aus Atomen und jedes Atom enthält ein oder mehrere Protonen. Das einfachste Atom-Wasserstoff besteht aus einem Proton und einem Elektron. Ein Proton kann als kleiner Ball mit konstantem Radius modelliert werden. Anhand von Daten aus Experimenten mit Wasserstoff haben Wissenschaftler den Radius des Protons geschätzt. Ihre derzeit beste Schätzung (der CODATA 2010-Wert) beträgt 0,8775 Femtometer mit einer Unsicherheit von plus oder minus 0,0051 Femtometern. Ein Femtometer (fm) ist ein Billiardstel Meter.

Die Wissenschaftler wünschten eine geringere Unsicherheit als 0,0051, sodass Randolf Pohl und seine Kollegen Experimente mit einer exotischen Form von Wasserstoff namens Muonischer Wasserstoff machten. Es ist wie normaler Wasserstoff, außer dass das Elektron durch ein Myon ersetzt wird, ein Teilchen, das einem Elektron ähnlich ist, aber eine viel größere Masse aufweist. Wie erwartet reduzierten Pohl et al die Unsicherheit auf 0,00067 fm und ein späteres Experiment reduzierte sie noch weiter. Aber es gab eine Überraschung - sie hatten einen viel geringeren Wert für den Radius des Protons selbst!

Hier ist eine Analogie. Angenommen, Sie hätten einen billigen Messstab und den Radius eines riesigen Wasserballs mit 1 Meter und einer Messunsicherheit von 0,1 Metern gemessen. Nehmen wir an, Sie haben ein paar fantastische Riesen-Bremssättel, mit denen Sie 0,5 Meter messen können, mit einer Messunsicherheit von 0,01 Metern. Was ist los? Der Ball sollte keinen anderen Radius haben, je nachdem, wie Sie ihn messen! Genau dies geschieht jedoch mit den Protonenradiusmessungen.

Vielleicht ist die angegebene Unsicherheit im CODATA 2010-Wert zu gering? Möglicherweise sind einige andere in den Berechnungen verwendete Werte falsch? Oder wurde vielleicht ein neues physikalisches Phänomen entdeckt? Es ist ein Mysterium.

8Frauen

Männer haben ein X-Chromosom von ihrer Mutter und ein Y-Chromosom von ihrem Vater. Frauen haben ein X-Chromosom von ihrer Mutter und ein (anderes) X-Chromosom von ihrem Vater (andere Kombinationen von X- und Y-Chromosomen können vorkommen, XY und XX sind jedoch am häufigsten). Jede Zelle im Körper einer Frau enthält Kopien beider X-Chromosomen. Eine Reihe von Entdeckungen führte ab 1949 zur Erkenntnis, dass eines dieser X-Chromosomen immer inaktiv ist. Die meisten genetischen Informationen auf diesem X-Chromosom werden ignoriert.

Angenommen, wir haben eine Zelle von einer Frau, bei der das X-Chromosom ihrer Mutter inaktiv ist und das X-Chromosom ihres Vaters aktiv ist. Nennen wir das eine "Vaterzelle". Lassen Sie uns die andere Möglichkeit eine "Mutterzelle" nennen. Wie entscheidet eine Zelle, ob sie eine Mutterzelle oder eine Vaterzelle werden soll? Wissenschaftler dachten, es sei völlig zufällig - die Zelle entsprach einem Münzwurf. Kürzlich durchgeführte Experimente mit Mäusen zeigten jedoch, dass ein ganzes Organ (zum Beispiel ein Auge) meistens Mutterzellen oder meistens Väterchen sein kann. Es ist kein Zufall! Es ist ein Rätsel, wie die Zelle entscheidet.

7Tiermagnetozeption

Vögel tun es, Bienen tun es, selbst die im Ozean umherstreifenden Haie spüren Magnetfelder. Es ist bekannt als Magnetoception (oder Magnetorezeption). Wie machen Sie das? Es gibt zwei Haupthypothesen.

Die erste (und älteste) Hypothese besagt, dass einige Tiere in einigen ihrer Zellen winzige Stabmagnete haben. Die Idee ist, dass diese Stabmagnete wie Kompassnadeln mit dem Magnetfeld der Erde ausgerichtet sind und ihre Ausrichtung dem Gehirn mitgeteilt wird. Das ist keine verrückte Idee: Winzige Stabmagnete wurden zum Beispiel in Taubenschnäbeln gefunden. Leider erwiesen sich die Schnabelzellen mit Stabmagneten als Immunsystemzellen, die nicht mit dem Gehirn der Taube kommunizieren können.

Die zweite führende Hypothese ist, dass sich im Auge ein Protein befindet, das, wenn es von blauem Licht getroffen wird, in zwei Teile zerfällt, die auf Magnetfelder empfindlich sind. Natürlich können manche Tiere beide Mechanismen nutzen. Es ist auch möglich, dass es völlig andere Mechanismen gibt. Die Wissenschaft der tierischen Magnetozeption ist noch jung, daher bleibt vieles unbekannt.

6Blushing

Erröten ist eine unwillkürliche Rötung des Gesichts, die normalerweise auf starke Emotionen oder Stress zurückzuführen ist. Es ist bekannt, dass die Rötung auf erweiterte Blutgefäße zurückzuführen ist (Vasodilatation), aber was löst die Vasodilatation aus?

Der erste Hinweis kam 1982, als Mellander et al. Feststellten, dass Gesichtsvenen zusätzlich zu den üblichen Alpha-Adrenozeptoren Beta-Adrenozeptoren aufweisen.Diese Rezeptoren können durch Adrenalin und ähnliche Moleküle ausgelöst werden, die mit emotionaler Reaktion einhergehen. Vielleicht lösen die Beta-Adrenozeptoren in den Gesichtsvenen das Erröten aus?

In den 1990er Jahren führte Peter Drummond, Professor für Psychologie an der Universität Murdoch, einige Experimente durch, um dies herauszufinden. Einige seiner Testpersonen erhielten Medikamente, um alpha-Adrenozeptoren zu blockieren, andere bekamen Medikamente, um Beta-Adrenozeptoren zu blockieren. Er ließ sie dann eine anstrengende mentale Arithmetik durchführen, singen oder moderate Übungen machen (Dinge, die normalerweise zum Erröten führen) und ihre Reaktion gemessen haben. Wie erwartet hatte das Blockieren von Alpha-Adrenozeptoren keinen Einfluss auf das Erröten. Das Blockieren von Beta-Adrenozeptoren führte zu einer Abnahme des Rouge-Effekts, konnte jedoch nicht vollständig verhindert werden. Es muss etwas anderes sein, das Erröten (Vasodilatation) auslöst - aber was? Es bleibt unbekannt.

5Glas

Glas ist überall im modernen Leben: Smartphone-Bildschirme, Soda-Flaschen, Kaffeetassen, Küchenfenster, wie Sie es nennen. Sicher verstehen Wissenschaftler und Ingenieure Glas. Aber in Wirklichkeit ist Glas immer noch tief geheimnisvoll.

Das Geheimnis ist, wie Glas entsteht. Sie können Glas herstellen, indem Sie eine glasbildende Substanz wie Siliziumdioxid erwärmen, bis sie flüssig ist, und dann abkühlen lassen. Im Gegensatz zum Beispiel Salz, das bei einer bestimmten Temperatur von einer Flüssigkeit in einen kristallinen Feststoff übergeht, wird Glas beim Abkühlen immer zäher. Wenn die Temperatur niedrig genug ist, wird Glas so viskos, dass es fest wird, auch wenn seine Moleküle nicht ordentlich angeordnet sind. Der amerikanische Physiker James Langer schrieb 2007: „Wir wissen nicht, welche Art von Umwandlung stattfindet, wenn eine Flüssigkeit zu einem Glas wird oder ob diese bekannte Zustandsänderung tatsächlich ein thermodynamischer Phasenübergang wie Kondensation oder Verfestigung ist oder etwas völlig anderes Der mysteriöse „Glasübergang“ ist immer noch ein Thema aktiver Forschung.

4 Erdnussallergien

In den Vereinigten Staaten ist die Zahl der Kinder mit einer Erdnussallergie in den letzten Jahren dramatisch angestiegen. Eine Studie ergab, dass die Prävalenz bei Kindern von 0,4 Prozent im Jahr 1997 auf 1,4 Prozent im Jahr 2008 stieg. Ähnliche Ergebnisse wurden in Großbritannien, Kanada und Australien gefunden. Warum? Es gibt viele Theorien.

Die häufigste Idee ist wahrscheinlich die Hygienehypothese. Einige moderne Kinder wachsen in sehr sauberen Umgebungen auf, in denen sie nicht denselben Bakterien, Pilzen, Pollen, Viren usw. ausgesetzt sind wie die Kinder früherer Zeiten. Die Hypothese besagt, dass sich ihr Immunsystem dadurch unterschiedlich entwickelt, so dass es anders auf Erdnüsse reagiert.

Eine andere Möglichkeit besteht darin, dass Erdnüsse jetzt anders verarbeitet werden (sie werden geröstet), was möglicherweise zu einer Allergie führen kann. Oder bekommen moderne Kinder vielleicht nicht genug Vitamin D? Vielleicht werden Erdnüsse zu spät eingeführt? Es gibt viele Möglichkeiten, aber nicht viele Antworten.

3Black Widow Venom

Schwarze Witwenspinnen gibt es in den gemäßigten Regionen der Welt. Wenn sie Menschen beißen, verursacht das Gift oft schreckliche, körperweite Schmerzen und Blutdruckschwankungen, die tagelang andauern können. Laut Gordon Grice Die rote Sanduhr„Einige [Opfer] haben versucht, sich umzubringen, um den Schmerz zu stoppen.“ Wie wirkt das Gift? Hier werden die Dinge geheimnisvoll:

„Eine Dosis des Giftes enthält nur wenige Moleküle des Neurotoxins, das ein hohes Molekulargewicht hat - tatsächlich sind die Moleküle groß genug, um unter einem gewöhnlichen Mikroskop gesehen zu werden. Wie schaffen es diese wenigen Moleküle, den gesamten Körper eines Tieres mit einem Gewicht von Hunderten oder sogar Tausenden von Pfund zu beeinflussen? Niemand hat den spezifischen Mechanismus erklärt. "

Irgendwie muss das Neurotoxin den Körper dazu bringen, sich selbst anzugreifen. Wenn Sie wissen, wie dies geschieht, können Sie Einblick in Autoimmunerkrankungen und andere Zustände erhalten, bei denen der Körper sich selbst angreift.

2Eis

Hockeyspieler und Eiskunstläufer gleiten über das Eis, weil es sehr rutschig ist - aber warum ist es so rutschig? Die gleichen Schlittschuhe gleiten nicht über Asphalt, Glas oder Stahlplatten.

Die alte Antwort war, dass der Schlittschuh Druck auf das Eis ausübt. Der erhöhte Druck erniedrigt den Schmelzpunkt des Eises, wodurch es schmilzt und eine dünne Schicht flüssigen Wassers entsteht, die rutschig ist. Das Problem bei dieser Antwort ist, dass der Druck nicht groß genug ist, um die beobachtete Gleitfähigkeit zu erklären.

Zwei weitere Antworten wurden vorgeschlagen. Die Reibung schmilzt das Eis. Die andere ist, dass die Eis / Luft-Grenze immer eine dünne Schicht aus flüssigem Wasser hat. Es gibt experimentelle Beweise für diese beiden Antworten, daher könnte es eine Kombination sein, aber der relative Beitrag von beiden ist nicht bekannt. Möglicherweise arbeiten auch andere Mechanismen. Die Glätte des Eises ist nicht das einzige komische Eigentum des Wassers - es gibt viele mehr. Beispielsweise hat es einen ungewöhnlich hohen Schmelzpunkt.

1Die Dominanz der Materie

Fast alles um uns herum besteht aus Materie, nicht aus Antimaterie. Wenn es gelingt, dass Antimaterie produziert wird (beispielsweise beim radioaktiven Zerfall bestimmter Atome oder bei einigen Gewittern), trifft dies normalerweise auf etwas Materie und verschwindet schnell in einem Stoß energiereicher Gammastrahlen.

Das Problem ist, dass das derzeit beste Modell der fundamentalen Teilchenphysik, das Standardmodell, voraussagt, dass gleiche Mengen an Materie und Antimaterie vom Urknall produziert werden sollten. Es scheint jedoch mehr als nur Antimaterie zu geben. Warum?

Eine Möglichkeit ist, dass das Standardmodell überarbeitet werden muss, damit die überarbeitete Version eine leichte Präferenz für die Erzeugung von Materie gegenüber Antimaterie vorhersagt. Eine andere Möglichkeit ist, dass das Standardmodell in Ordnung ist, aber irgendwie wurden die Antimaterie und die Materie mit leerem Raum dazwischen getrennt.Aber welcher Mechanismus würde sie trennen? Die Schwerkraft würde sie zusammenziehen und nicht auseinander drücken.

Dieses Problem ist als Baryon-Asymmetrie des Universums bekannt. Es bleibt eines der großen ungelösten Rätsel der modernen Physik.