10 Mind-Bending-Entdeckungen in der Physik

Das Studium der Physik ist das Studium des Universums - und genauer gesagt, wie zur Hölle das Universum arbeitet. Es ist zweifellos der interessanteste Zweig der Wissenschaft, denn das Universum ist, wie sich herausstellt, viel komplizierter als es auf der Oberfläche aussieht (und es sieht schon ziemlich kompliziert aus). Die Welt funktioniert auf eine sehr seltsame Weise, und obwohl Sie vielleicht einen Doktorgrad benötigen, um zu verstehen, warum, brauchen Sie nur ein Gefühl der Ehrfurcht, um zu verstehen, wie. Hier sind zehn der erstaunlichsten Dinge, die Physiker über unser Universum entdeckt haben:

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Die Zeit stoppt bei Lichtgeschwindigkeit

Gemäß Einsteins Theorie der besonderen Relativitätstheorie kann sich die Lichtgeschwindigkeit niemals ändern - sie bleibt immer bei etwa 300.000.000 Metern / Sekunde hängen, unabhängig davon, wer sie beobachtet. Dies ist an sich schon unglaublich genug, da sich nichts schneller als Licht bewegen kann, aber es ist immer noch sehr theoretisch. Der wirklich coole Teil der Speziellen Relativitätstheorie ist eine Idee namens Zeitdilatation, die besagt, dass je schneller Sie gehen, desto langsamer vergeht Ihnen die Zeit relativ zu Ihrer Umgebung. Im Ernst - wenn Sie eine Stunde lang mit Ihrem Auto fahren, werden Sie um einiges weniger gealtert, als wenn Sie zu Hause am Computer gesessen hätten. Die zusätzlichen Nanosekunden, die Sie daraus erhalten, sind vielleicht nicht den Gaspreis wert, aber hey, es ist eine Option.

Natürlich kann sich die Zeit nur so sehr verlangsamen, und die Formel funktioniert so, dass sich die Zeit überhaupt nicht bewegt, wenn Sie sich mit Lichtgeschwindigkeit bewegen. Nun, bevor Sie rausgehen und etwas Get-Immortal-Quick-Schema versuchen, sollten Sie nur beachten, dass eine Bewegung mit Lichtgeschwindigkeit nicht wirklich möglich ist, es sei denn, Sie sind aus Licht. Technisch gesehen, würde es eine unendliche Menge an Energie erfordern, sich so schnell zu bewegen (und ich habe diese Art von Saft nicht einfach herumliegen).

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Quantenverschränkung

Okay, wir haben gerade zugestimmt, dass sich nichts schneller bewegen kann als die Lichtgeschwindigkeit? Nun ja und nein. Obwohl dies technisch immer noch wahr ist, stellt sich zumindest in der Theorie heraus, dass es eine Lücke in dem überwältigenden Zweig der Physik gibt, der als Quantenmechanik bekannt ist.

Quantenmechanik ist im Wesentlichen das Studium der Physik auf mikroskopischer Ebene, wie das Verhalten subatomarer Teilchen. Diese Arten von Teilchen sind unglaublich klein, aber sehr wichtig, da sie die Bausteine ​​für alles im Universum bilden. Ich lasse die technischen Details zunächst beiseite (es wird ziemlich kompliziert), aber man kann sich sie als winzige, drehende, elektrisch geladene Murmeln vorstellen. Okay, vielleicht ist das auch etwas kompliziert. Rollen Sie einfach mit (Wortspiel beabsichtigt).

Nehmen wir an, wir haben zwei Elektronen (ein subatomares Teilchen mit negativer Ladung). Quantenverschränkung ist ein spezieller Prozess, bei dem diese Teilchen so gepaart werden, dass sie identisch werden (Kugeln mit dem gleichen Spin und der gleichen Ladung). Wenn dies geschieht, werden die Dinge merkwürdig, denn von jetzt an bleiben diese Elektronen identisch. Das heißt, wenn Sie einen von ihnen ändern, sagen Sie, drehen Sie ihn in die andere Richtung - der Zwilling reagiert genauso. Sofort. Egal wo es ist. Ohne dass du es überhaupt anfasst. Die Auswirkungen dieses Prozesses sind enorm - es bedeutet, dass Informationen (in diesem Fall die Drehrichtung) praktisch überall im Universum teleportiert werden können.

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Licht wird durch die Schwerkraft beeinflusst

Aber gehen wir noch einmal kurz ans Licht und sprechen wir diesmal über die Theorie der Allgemeinen Relativitätstheorie (auch von Einstein). Bei dieser Idee handelt es sich um eine Idee, die als Lichtablenkung bezeichnet wird. Genau so klingt es - der Weg eines Lichtstrahls ist nicht völlig gerade.

So seltsam das klingt, es wurde wiederholt bewiesen (Einstein bekam sogar eine Parade zu Ehren, weil er es richtig vorausgesagt hatte). Was es bedeutet, ist, dass, obwohl Licht keine Masse hat, sein Weg von Dingen beeinflusst wird, die etwas tun - wie zum Beispiel die Sonne. Wenn also ein Lichtstrahl von einem weit entfernten Stern nahe genug an der Sonne vorbeizieht, wird er sich tatsächlich leicht biegen. Bei einem Beobachter - wie uns - bewirkt dies, dass wir den Stern an einem anderen Himmelspunkt sehen, als er tatsächlich ist (so wie Fische in einem See nie an dem Ort sind, an dem sie sich zu befinden scheinen). Denken Sie daran, dass das nächste Mal, wenn Sie zu den Sternen aufschauen, alles nur ein Trick des Lichts sein kann.

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Dunkle Materie

Dank einiger Theorien, die wir bereits besprochen haben (und eine ganze Menge, die wir nicht haben), haben Physiker einige ziemlich genaue Methoden, um die Gesamtmasse im Universum zu messen. Sie haben auch einige ziemlich genaue Methoden zum Messen der Gesamtmasse, die wir beobachten können, und hier ist die Wendung - die beiden Zahlen stimmen nicht überein.

Tatsächlich ist die Menge der Gesamtmasse im Universum erheblich größer als die Gesamtmasse, die wir tatsächlich ausmachen können. Die Physiker waren dazu gezwungen, eine Erklärung dafür zu finden, und die führende Theorie beinhaltet im Moment dunkle Materie - eine mysteriöse Substanz, die kein Licht emittiert und ungefähr 95% der Masse im Universum ausmacht. Obwohl es nicht formal nachgewiesen wurde (weil wir es nicht sehen können), wird dunkle Materie durch eine Tonne Beweise gestützt und muss in irgendeiner Form existieren, um das Universum zu erklären.

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Unser Universum expandiert rasch

Hier werden die Dinge ein bisschen trippy und um zu verstehen warum, müssen wir zur Urknalltheorie zurückkehren. Bevor es eine Fernsehsendung war, war die Urknalltheorie eine wichtige Erklärung für den Ursprung unseres Universums. In einer möglichst einfachen Analogie funktionierte es so: Das Universum begann als Explosion. Trümmer (Planeten, Sterne usw.) wurden in alle Richtungen geschleudert, getrieben von der enormen Energie der Explosion. Da all diese Trümmer so schwer sind und daher von der Schwere aller dahinterliegenden Faktoren beeinflusst werden, würden wir erwarten, dass sich diese Explosion nach einer Weile verlangsamt.

Tut es nichtTatsächlich wird die Expansion unseres Universums im Laufe der Zeit immer schneller, was so verrückt ist, als würden Sie einen Baseball werfen, der immer schneller wurde, anstatt auf den Boden zu fallen (obwohl Sie das nicht zu Hause versuchen). Dies bedeutet, dass der Raum immer größer wird. Der einzige Weg, dies zu erklären, ist mit dunkler Materie oder genauer mit dunkler Energie, die die treibende Kraft hinter dieser kosmischen Beschleunigung ist. Was ist also die dunkle Energie, fragen Sie? Nun, das ist eine andere interessante Sache…

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Alles ist nur Energie

Es ist wahr, Materie und Energie sind nur zwei Seiten derselben Medaille. In der Tat haben Sie dies Ihr ganzes Leben lang gewusst, wenn Sie jemals von der Formel E = mc ^ 2 gehört haben. Das E steht für Energie und das m für Masse. Die in einer bestimmten Massenmenge enthaltene Energiemenge wird durch den Umwandlungsfaktor c im Quadrat bestimmt, wobei c für die Lichtgeschwindigkeit steht.

Die Erklärung für dieses Phänomen ist wirklich faszinierend, und es hat damit zu tun, dass die Masse eines Objekts zunimmt, wenn es sich der Lichtgeschwindigkeit nähert (selbst wenn sich die Zeit verlangsamt). Es ist jedoch ziemlich kompliziert, so dass ich Ihnen im Sinne dieses Artikels einfach versichere, dass es wahr ist. Als Beweis (leider) suchen Sie nicht weiter nach Atombomben, die sehr kleine Mengen an Materie in sehr große Mengen an Energie umwandeln.

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Wellenpartikel-Dualität

Apropos Dinge, die andere Dinge sind ...

Auf den ersten Blick könnten Teilchen (wie ein Elektron) und Wellen (wie Licht) unterschiedlicher nicht sein. Eines ist ein festes Stück Materie, und das andere ist ein strahlender Energiestrahl. Es sind Äpfel und Orangen. Aber wie sich herausstellt, können Dinge wie Licht und Elektronen nicht wirklich auf einen Zustand der Existenz beschränkt sein - sie wirken als Partikel und Wellen, je nachdem, wer schaut.

Nein im Ernst. Ich weiß, dass das lächerlich klingt (und es wird noch verrückter klingen, wenn wir zu Nummer 1 kommen), aber es gibt konkrete Beweise, dass Licht eine Welle ist, und andere konkrete Beweise, dass Licht ein Teilchen ist (dito für Elektronen). Es ist nur… beides. Zur selben Zeit. Keine Art von Zwischenzustand zwischen den beiden, wohlgemerkt, physisch beide in dem Sinne, dass es beides sein kann. Machen Sie sich keine Sorgen, wenn das nicht viel Sinn ergibt, denn wir sind wieder im Bereich der Quantenmechanik und auf dieser Ebene mag das Universum sowieso nicht sinnvoll sein.

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Alle Objekte fallen mit der gleichen Geschwindigkeit

Lassen Sie uns die Sache ein wenig beruhigen, denn die moderne Physik ist sofort viel zu sehen. Okay, die klassische Physik hat auch einige coole Konzepte bewiesen.

Es wird Ihnen vergeben, anzunehmen, dass schwerere Objekte schneller fallen als leichtere - das klingt nach gesundem Menschenverstand und außerdem wissen Sie, dass eine Bowlingkugel schneller fällt als eine Feder. Und das ist wahr, aber es hat nichts mit der Schwerkraft zu tun - der einzige Grund dafür ist, dass die Erdatmosphäre Widerstand leistet. Wie Galileo vor 400 Jahren erstmals erkannte, wirkt die Schwerkraft auf alle Objekte unabhängig von ihrer Masse gleich. Das bedeutet, dass, wenn Sie das Feder / Bowling-Kugelexperiment auf dem Mond (der keine Atmosphäre hat) wiederholt wird, diese zur selben Zeit auf den Boden schlagen würden.

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Quantenschaum

Okay, brechen Sie ab. Die Dinge werden wieder komisch.

Sie denken, dass der leere Raum leer ist. Das klingt nach einer ziemlich sicheren Annahme - es ist schließlich der Name. Aber das Universum ist zu unruhig, um das zu ertragen, weshalb Partikel ständig in und aus dem Dasein springen. Sie werden virtuelle Partikel genannt, machen aber keinen Fehler - sie sind echt und bewiesen. Sie existieren nur für einen Bruchteil einer Sekunde, was lang genug ist, um einige grundlegende Gesetze der Physik zu brechen, aber schnell genug, dass dies eigentlich keine Rolle spielt (als ob Sie etwas aus einem Laden gestohlen hätten, aber eine halbe Stunde zurück ins Regal stellen würden) Sekunde später). Wissenschaftler haben dieses Phänomen "Quantenschaum" genannt, weil es sie anscheinend an die sich bewegenden Blasen im Kopf eines Erfrischungsgetränks erinnerte.

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Das Doppelspaltexperiment

Erinnern Sie sich also an ein paar Einträgen, als ich sagte, alles sei gleichzeitig Welle und Teilchen? Natürlich haben Sie es genau verfolgt. Aber hier ist die andere Sache - Sie wissen aus Erfahrung, dass die Dinge bestimmte Formen haben - ein Apfel in der Hand ist ein Apfel, nicht irgendein komisches Apfelwangensache. Was bewirkt also, dass etwas definitiv zu einem Teilchen oder einer Welle wird? Wie sich herausstellt, tun wir es.

Das Doppelspaltexperiment ist das Wahnsinnigste, worüber Sie den ganzen Tag lesen können, und es funktioniert so: Wissenschaftler haben einen Bildschirm mit zwei Schlitzen vor einer Wand aufgestellt und einen Lichtstrahl durch die Schlitze geschossen, damit sie sehen konnten wo es an der Wand traf. Wenn das Licht eine Welle ist, zeigt es traditionell etwas, das als Beugungsmuster bezeichnet wird, und Sie sehen ein Lichtband, das sich über die Wand ausbreitet. Das ist die Standardeinstellung: Wenn Sie das Experiment jetzt einrichten, werden Sie es sehen.

Aber so würden Teilchen nicht auf einen Doppelspalt reagieren - sie würden einfach zwei Linien an der Wand bilden, die zu den Schlitzen passen. Und wenn Licht ein Teilchen ist, warum zeigt es dann nicht diese Eigenschaft anstelle eines Beugungsmusters? Die Antwort ist, dass es geht - aber nur, wenn wir es wollen. Sehen Sie, wie eine Welle gleichzeitig Licht durch beide Schlitze zieht, aber als Teilchen kann es nur durch eine der Schlitzen laufen. Wenn wir wollen, dass es sich wie ein Teilchen verhält, müssen wir nur ein Werkzeug einrichten, um genau zu messen, welchen Spalt jedes Lichtstück (Photon genannt) durchläuft.Stellen Sie sich das wie eine Kamera vor. Wenn ein Foto von jedem Photon aufgenommen wird, während es durch einen einzelnen Spalt geht, kann dieses Photon nicht beide Spalten durchlaufen haben, und daher kann es keine Welle sein. Das Interferenzmuster an der Wand erscheint daher nicht - stattdessen werden die beiden Linien angezeigt. Licht wird nur dann als Partikel wirken, weil wir eine Kamera davor stellen. Wir ändern das Ergebnis physisch, indem wir es messen.

Es wird im Allgemeinen als Observer-Effekt bezeichnet, und obwohl es eine gute Möglichkeit ist, diesen Artikel zu beenden, kratzt er nicht einmal die Oberfläche verrückter Dinge, die in der Physik zu finden sind. Zum Beispiel gibt es eine Reihe von Variationen des Doppelspaltexperiments, die noch verrückter sind als die, über die ich hier gesprochen habe. Ich ermutige Sie, sie nachzuschlagen, aber nur, wenn Sie bereit sind, den ganzen Tag mit Quantenmechanik beschäftigt zu sein.