10 seltsame Dinge über das Universum

Das Universum kann ein sehr merkwürdiger Ort sein. Während bahnbrechende Ideen wie die Quantentheorie, die Relativitätstheorie und sogar die Erde, die sich um die Sonne bewegt, vielleicht allgemein akzeptiert werden, zeigt die Wissenschaft nach wie vor, dass das Universum Dinge enthält, die Sie schwer glauben können, und noch schwieriger, Ihren Kopf herumzubewegen .

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Negative Energie

Theoretisch ist die niedrigste Temperatur, die erreicht werden kann, der absolute Nullpunkt, genau 273,15 ° C, wo die Bewegung aller Partikel vollständig zum Stillstand kommt. Man kann jedoch nie etwas auf diese Temperatur abkühlen, da in der Quantenmechanik jedes Teilchen eine minimale Energie hat, die als „Nullpunkt-Energie“ bezeichnet wird und die man nicht darunter bekommen kann. Bemerkenswert ist, dass diese minimale Energie nicht nur für Partikel gilt, sondern für jedes Vakuum, dessen Energie als „Vakuumenergie“ bezeichnet wird. Um zu zeigen, dass diese Energie vorhanden ist, ist ein recht einfaches Experiment erforderlich: Nehmen Sie zwei Metallplatten im Vakuum und setzen Sie sie in die Nähe zusammen, und sie werden voneinander angezogen. Dies wird dadurch verursacht, dass die Energie zwischen den Platten nur bei bestimmten Frequenzen in Resonanz treten kann, während außerhalb der Platten die Vakuumenergie bei nahezu jeder Frequenz in Resonanz treten kann. Da die Energie außerhalb der Platten größer ist als die Energie zwischen den Platten, werden die Platten aufeinander zu gedrückt. Wenn die Platten näher zusammenkommen, steigt die Kraft an, und bei einem Abstand von 10 nm erzeugt dieser Effekt (als Casimir-Effekt bezeichnet) eine Druckatmosphäre zwischen ihnen. Da die Platten die Vakuumenergie zwischen ihnen auf unter die normale Nullpunktsenergie reduzieren, wird gesagt, dass der Raum negative Energie hat, was einige ungewöhnliche Eigenschaften hat.

Ein negatives Energievakuum hat unter anderem die Eigenschaft, dass Licht tatsächlich schneller durchläuft als in einem normalen Vakuum. Dies kann dazu führen, dass Menschen eines Tages möglicherweise schneller reisen als Lichtgeschwindigkeit in einer Art Vakuumblase mit negativer Energie . Negative Energie könnte auch verwendet werden, um ein transversibles Wurmloch offen zu halten, das, obwohl theoretisch möglich, zusammenbrechen würde, sobald es geschaffen wurde, ohne Mittel, um es offen zu halten. Negative Energie bewirkt auch, dass Schwarze Löcher verdunsten. Vakuum-Energie wird oft als virtuelle Partikel modelliert, die in die Existenz geraten und vernichten. Dies verstößt nicht gegen die Energieerhaltungsgesetze, solange die Partikel kurz danach vernichtet werden. Wenn jedoch am Ereignishorizont eines Schwarzen Lochs zwei Partikel erzeugt werden, kann sich einer vom schwarzen Loch entfernen, während der andere in das Loch fällt. Dies bedeutet, dass sie nicht vernichten können, so dass beide Teilchen mit negativer Energie enden. Wenn das Partikel mit negativer Energie in das Schwarze Loch fällt, verringert es die Masse des Schwarzen Lochs, anstatt es zu vergrößern, und im Laufe der Zeit werden Partikel wie diese das Schwarze Loch vollständig verdampfen lassen. Da diese Theorie erstmals von Stephen Hawking vorgeschlagen wurde, werden die von diesem Effekt abgegebenen Partikel (die nicht in das Schwarze Loch fallen) als Hawking-Strahlung bezeichnet. Es war die erste akzeptierte Theorie, die die Quantentheorie mit der allgemeinen Relativitätstheorie vereinte und damit Hawkings bisher größte wissenschaftliche Leistung erreichte.

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Rahmen ziehen

Eine Vorhersage von Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie ist, dass wenn sich ein großes Objekt bewegt, die Raum-Zeit um es herum gezogen wird, wodurch auch Objekte in der Nähe mitgezogen werden. Dies kann vorkommen, wenn sich ein großes Objekt in einer geraden Linie bewegt oder rotiert und obwohl der Effekt sehr gering ist, wurde es experimentell bestätigt. Das 2004 eingeführte Experiment der Schwerkraftsonde B wurde zur Messung der Raum-Zeit-Verzerrung in der Nähe der Erde entwickelt. Obwohl die Interferenzquellen größer waren als erwartet, wurde der Frame-Dragging-Effekt mit einer Unsicherheit von 15% gemessen. Weitere Analysen hoffen, diesen Effekt weiter reduzieren zu können.

Die erwarteten Auswirkungen waren sehr nahe an den Vorhersagen: Durch die Rotation der Erde wurde die Sonde um etwa zwei Meter pro Jahr aus ihrer Umlaufbahn gezogen, was allein durch die Masse der Erde verursacht wurde, die die sie umgebende Raumzeit verzerrte. Die Sonde selbst spürt diese zusätzliche Beschleunigung nicht, weil sie nicht durch eine Beschleunigung der Sonde verursacht wird, sondern durch die Raumzeit, die die Sonde durchläuft, analog zu einem Teppich, der unter einem Tisch gezogen wird, anstatt den Tisch selbst zu bewegen .

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Relativität der Gleichzeitigkeit

Die Relativität der Gleichzeitigkeit ist die Vorstellung, ob es sich bei zwei Ereignissen gleichzeitig handelt oder nicht, ist relativ und hängt vom Beobachter ab. Dies ist eine merkwürdige Konsequenz der speziellen Relativitätstheorie und gilt für alle Ereignisse, die sich in einiger Entfernung befinden. Wenn zum Beispiel ein Feuerwerk auf dem Mars und ein anderes auf der Venus ausgelöst wird, könnte ein Beobachter, der auf eine Art und Weise durch den Weltraum fährt, sagen, dass er gleichzeitig geschieht (indem er die Zeit kompensiert, die das Licht braucht, um sie zu erreichen), während ein anderer Beobachter auf einen anderen Weg reisen könnte sagen wir, der auf dem Mars sei zuerst losgegangen, und noch einer könnte sagen, der auf der Venus sei zuerst ausgegangen. Dies wird durch die Art und Weise verursacht, wie unterschiedliche Sichtweisen in der speziellen Relativitätstheorie gegeneinander verzerrt werden. Und weil sie alle relativ sind, kann man sagen, dass kein Beobachter den richtigen Standpunkt hat.

Dies kann zu sehr ungewöhnlichen Szenarien führen, z. B. wenn ein Beobachter den Effekt vor der Ursache beobachtet (z. B. wenn eine Bombe abgeht und dann jemand die Sicherung zündet). Sobald der Betrachter die Wirkung erkennt, kann er jedoch nicht mit der Ursache interagieren, ohne sich schneller als die Lichtgeschwindigkeit zu bewegen. Dies war einer der ersten Gründe, weshalb Reisen, die schneller als Licht waren, als verboten angesehen wurden, da sie einer Zeitreise ähneln und ein Universum, in dem Sie nach dem Effekt mit der Ursache interagieren können, macht keinen Sinn.

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Schwarze Saiten

Eines der längsten herausragenden Mysterien in der Physik ist, wie die Schwerkraft mit den anderen fundamentalen Kräften wie dem Elektromagnetismus zusammenhängt. Eine Theorie, die 1919 zum ersten Mal vorgeschlagen wurde, zeigte, dass die Schwerkraft in den ersten vier Dimensionen (drei Raumdimensionen und Zeit) noch vorhanden ist, wenn dem Universum eine zusätzliche Dimension hinzugefügt wird. produziert natürlich die anderen fundamentalen Kräfte. Wir können diese fünfte Dimension jedoch nicht sehen oder erkennen. Daher wurde vorgeschlagen, dass die zusätzliche Dimension zusammengerollt ist und daher für uns unsichtbar wurde. Diese Theorie hat letztendlich zur Stringtheorie geführt und ist immer noch im Herzen der meisten Stringtheorieanalysen enthalten.

Da diese zusätzliche Dimension so klein ist, können sich nur winzige Objekte, z. B. Partikel, daran entlang bewegen. In diesen Fällen enden sie letztendlich nur dort, wo sie angefangen haben, da die zusätzliche Dimension sich zusammenzieht. Ein Objekt, das in fünf Dimensionen wesentlich komplexer wird, ist ein schwarzes Loch. Wenn sie auf fünf Dimensionen ausgedehnt wird, wird sie zu einer „schwarzen Saite“ und ist im Gegensatz zu einem normalen 4D-Schwarzen Loch instabil (dies ignoriert die Tatsache, dass 4D-Schwarze Löcher schließlich verdampfen). Diese schwarze Saite destabilisiert sich zu einer ganzen Reihe von schwarzen Löchern, die durch weitere schwarze Saiten miteinander verbunden sind, bis die schwarzen Saiten vollständig abgeklemmt sind und die schwarzen Löcher hinterlassen. Diese mehreren schwarzen 4D-Löcher verbinden sich dann zu einem größeren Schwarzen Loch. Das Interessanteste daran ist, dass das letzte Schwarze Loch unter Verwendung aktueller Modelle eine „nackte“ Singularität ist. Das heißt, es hat keinen Ereignishorizont. Dies verstößt gegen die kosmische Zensur-Hypothese, die besagt, dass alle Singularitäten von einem Ereignishorizont umgeben sein müssen, um zu vermeiden, dass Zeitreiseeffekte, von denen angenommen wird, dass sie in der Nähe einer Singularität auftreten, die Geschichte des gesamten Universums verändern, wie es niemals möglich ist Flucht hinter einem Ereignishorizont.

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Geon

Wie am besten in der Gleichung E = MC zu sehen ist, sind Energie und Materie grundsätzlich miteinander verbunden. Dies hat zur Folge, dass sowohl die Energie als auch die Masse ein Gravitationsfeld erzeugen. Ein Geon, erstmals 1955 von John Wheeler untersucht, ist eine elektromagnetische oder Gravitationswelle, deren Energie ein Gravitationsfeld erzeugt, das die Welle selbst in einem engen Raum zusammenhält. Wheeler spekulierte, dass es eine Verbindung zwischen mikroskopisch kleinen Geonen und Elementarteilchen geben könnte und dass sie sogar dasselbe sein könnten. Ein extremeres Beispiel ist ein „Kugelblitz“, bei dem ein so intensives Licht an einem bestimmten Punkt konzentriert wird, dass die durch die Lichtenergie verursachte Schwerkraft stark genug wird, um in ein schwarzes Loch zu fallen, wodurch das Licht eingefangen wird Licht im Inneren. Obwohl nichts daran gedacht wird, die Bildung eines Kugelblitzes zu verhindern, wird geglaubt, dass Geons nur noch vorübergehend gebildet werden können, da sie unweigerlich Energie verlieren und kollabieren werden. Dies deutet leider darauf hin, dass die anfängliche Vermutung von Wheeler nicht korrekt war, dies ist jedoch noch nicht endgültig belegt.

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Kerr Black Hole

Die Art von Schwarzem Loch, mit der die meisten Menschen vertraut sind, deren Ereignishorizont außen als "Point of No Return" und als Punkt-Singularität von unendlicher Dichte im Inneren fungiert, hat tatsächlich einen spezifischeren Namen: ein Schwarzschild-Schwarzes Loch . Es ist nach Karl Schwarzschild benannt, der 1915 die mathematische Lösung der Einsteinschen Feldgleichungen für eine sphärische, nicht rotierende Masse fand, nur einen Monat, nachdem Einstein seine allgemeine Relativitätstheorie veröffentlicht hatte. Der Mathematiker Roy Kerr fand jedoch erst 1963 die Lösung für eine rotierende kugelförmige Masse. Daher wird ein rotierendes schwarzes Loch als Kerr-schwarzes Loch bezeichnet und weist einige ungewöhnliche Eigenschaften auf.

In der Mitte eines Kerr-Schwarzen Lochs gibt es keine Punkt-Singularität, sondern eine Ring-Singularität - einen sich drehenden eindimensionalen Ring, der durch seinen eigenen Impuls offen gehalten wird. Es gibt auch zwei Ereignishorizonte, einen inneren und einen äußeren, und ein Ellipsoid, die Ergosphäre, innerhalb derer sich die Raumzeit selbst mit dem Schwarzen Loch dreht (wegen des Ziehens des Rahmens) schneller als die Lichtgeschwindigkeit. Beim Betreten des Schwarzen Lochs werden raumähnliche Pfade, wenn sie durch den äußeren Ereignishorizont gehen, zeitlich, was bedeutet, dass es unmöglich ist, die Singularität in der Mitte zu umgehen, genau wie in einem Schwarzschild-Schwarzen Loch. Wenn Sie jedoch den inneren Ereignishorizont passieren, wird Ihr Pfad wieder raumähnlich. Der Unterschied ist folgender: Die Raumzeit selbst ist umgekehrt. Dies bedeutet, dass die Schwerkraft in der Nähe des Rings Singularität abstoßend ist und Sie tatsächlich vom Zentrum wegdrückt. Tatsächlich ist es unmöglich, die Ring-Singularität selbst zu treffen, wenn Sie das Schwarze Loch nicht exakt auf dem Äquator betreten. Außerdem können Ring-Singularitäten über die Raumzeit miteinander verknüpft werden, sodass sie als Wurmlöcher wirken können, obwohl das Verlassen des Schwarzen Lochs auf der anderen Seite nicht möglich wäre (es sei denn, es handelt sich um eine nackte Singularität, die möglicherweise erzeugt wird, wenn sich die Ring-Singularität schnell genug dreht). Wenn Sie durch eine Ring-Singularität reisen, könnten Sie zu einem anderen Punkt in der Raumzeit gelangen, beispielsweise zu einem anderen Universum, wo Sie sehen können, dass Licht von außerhalb des Schwarzen Lochs einfällt, das Schwarze Loch selbst aber nicht verlassen. Es könnte sogar sein, dass Sie zu einem „weißen Loch“ in einem negativen Universum gelangen, dessen genaue Bedeutung unbekannt ist.

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Quantentunneling

Quantentunneling ist ein Effekt, bei dem ein Teilchen eine Barriere passieren kann, die normalerweise nicht die zu überwindende Energie hätte. Dadurch kann ein Teilchen eine physikalische Barriere passieren, die undurchlässig sein sollte, oder ein Elektron kann aus dem Kern herausgezogen werden, ohne dass dazu die kinetische Energie vorhanden ist.Gemäß der Quantenmechanik gibt es eine begrenzte Wahrscheinlichkeit, dass ein beliebiges Teilchen irgendwo im Universum gefunden werden kann, obwohl diese Wahrscheinlichkeit für jeden realen Abstand vom erwarteten Pfad der Teilchen astronomisch klein ist.

Wenn das Partikel jedoch mit einer ausreichend kleinen Barriere (ca. 1-3 nm breit) konfrontiert ist, die nach konventionellen Berechnungen für das Partikel undurchdringlich ist, wird die Wahrscheinlichkeit, dass das Partikel diese Barriere einfach passieren wird, ziemlich wahrnehmbar. Dies kann durch das Heisenberg-Unschärferprinzip erklärt werden, das die Anzahl der Informationen über ein Teilchen begrenzt. Ein Teilchen kann sich Energie aus dem System „leihen“, durch das es die Barriere passiert, und es dann wieder verlieren.

Quantentunneling ist an vielen physikalischen Prozessen beteiligt, wie dem radioaktiven Zerfall und der Kernfusion, die in der Sonne stattfindet. Es wird auch in bestimmten elektrischen Komponenten verwendet, und es wurde sogar gezeigt, dass es in biologischen Systemen in Enzymen vorkommt. Beispielsweise beinhaltet das Enzym Glucoseoxidase, das die Reaktion von Glucose in Wasserstoffperoxid katalysiert, das Quantentunneln eines gesamten Sauerstoffatoms. Quantentunneling ist auch ein Schlüsselmerkmal des Rastertunnelmikroskops, der ersten Maschine, die die Abbildung und Manipulation einzelner Atome ermöglicht. Es misst die Spannung in einer sehr feinen Spitze, die sich ändert, wenn sie sich einer Oberfläche nähert, wenn Elektronen durch das Vakuum (bekannt als "verbotene Zone") zwischen sich tunneln. Dies gibt dem Gerät die erforderliche Empfindlichkeit, um Bilder mit extrem hoher Auflösung zu erstellen. Dadurch kann das Gerät auch Atome bewegen, indem es gezielt einen Strom durch die leitende Spitze leitet.

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Kosmische Streicher

Kurz nach dem Urknall befand sich das Universum in einem höchst chaotischen Zustand. Dies bedeutet, dass kleine Änderungen und Defekte die Gesamtstruktur des Universums nicht verändert haben. Als sich das Universum jedoch ausdehnte, abkühlte und von einem ungeordneten Zustand zu einem geordneten Zustand überging, erreichte es einen Punkt, an dem sehr kleine Schwankungen sehr große Veränderungen verursachten.

Dies ähnelt dem gleichmäßigen Anordnen von Fliesen auf einem Boden. Wenn eine Kachel ungleichmäßig platziert wird, bedeutet dies, dass die nachfolgenden Kacheln ihrem Muster folgen. Daher haben Sie eine ganze Reihe von Fliesen unpassend. Dies ist ähnlich zu den Objekten, die als kosmische Strings bezeichnet werden, die extrem dünn sind und extrem lange Defekte in der Form von Raumzeit sind. Diese kosmischen Strings werden von den meisten Modellen des Universums vorhergesagt, beispielsweise durch die Stringtheorie, bei der zwei Arten von "Strings" nicht miteinander zusammenhängen. Wenn sie existieren, wäre jede Saite so dünn wie ein Proton, aber unglaublich dicht. So kann eine kosmische Saite, die sich über eine Meile erstreckt, so viel wiegen wie die Erde. Es hätte jedoch eigentlich keine Schwerkraft und der einzige Effekt, den es auf die Materie haben wird, ist die Art und Weise, wie es die Form und Form der Raumzeit verändert. Daher ist eine kosmische Saite im Wesentlichen nur eine „Falte“ in der Form der Raumzeit.

Man nimmt an, dass kosmische Fäden unglaublich lang sind, und zwar in der Größenordnung von Tausenden von Galaxien. Tatsächlich haben jüngste Beobachtungen und Simulationen gezeigt, dass sich ein Netzwerk kosmischer Strings über das gesamte Universum erstreckt. Dies wurde einst als Ursache für die Entstehung von Galaxien in Supercluster-Komplexen angesehen, obwohl diese Idee inzwischen aufgegeben wurde. Supercluster-Komplexe bestehen aus miteinander verbundenen "Filamenten" aus Galaxien mit einer Länge von bis zu einer Milliarde Lichtjahren. Aufgrund der einzigartigen Auswirkungen kosmischer Strings auf die Raumzeit, wenn Sie zwei Strings nahe zusammenbringen, wurde gezeigt, dass sie möglicherweise für Zeitreisen verwendet werden können, wie bei den meisten Dingen auf dieser Liste. Kosmische Saiten würden auch unglaubliche Gravitationswellen erzeugen, stärker als jede andere bekannte Quelle. Diese Wellen sind das, wonach diese aktuellen und geplanten Gravitationswellendetektoren suchen sollen.

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Antimaterie-Retrokausalität

Antimaterie ist das Gegenteil von Materie. Es hat die gleiche Masse, jedoch mit entgegengesetzter elektrischer Ladung. Eine Theorie, warum Antimaterie existiert, wurde von John Wheeler und Nobelpreisträger Richard Feynman entwickelt, der auf der Idee basiert, dass physikalische Systeme zeitlich reversibel sein sollten. Zum Beispiel sollten die Bahnen unseres Sonnensystems, wenn sie rückwärts gespielt werden, immer den gleichen Regeln folgen, wie wenn sie vorwärts gespielt werden. Dies führte zu der Idee, dass Antimaterie nur eine gewöhnliche Materie ist, die in der Zeit rückwärts geht, was erklären würde, warum Antiteilchen eine entgegengesetzte Ladung haben, denn wenn ein Elektron während des Vorwärtsgehens abgestoßen wird, wird dies in der Zeit rückwärts. Dies erklärt auch, warum Materie und Antimaterie vernichtet werden. Dies ist kein Umstand, dass zwei Teilchen ineinander stürzen und sich gegenseitig zerstören; es ist das gleiche Teilchen, das plötzlich stoppt und in der Zeit zurückgeht. In einem Vakuum, in dem ein Paar virtueller Partikel erzeugt und anschließend vernichtet wird, handelt es sich eigentlich nur um ein Partikel, das sich in einer Endlosschleife bewegt, zeitlich vorwärts, dann rückwärts, dann vorwärts und so weiter.

Während die Genauigkeit dieser Theorie immer noch zur Debatte steht, werden bei der Behandlung von Antimaterie als Materie, die in der Zeit rückwärts geht, mathematisch identische Lösungen zu anderen, eher konventionellen Theorien gefunden. Als es zum ersten Mal theoretisiert wurde, sagte John Wheeler, dass es vielleicht die Frage beantwortet hat, warum alle Elektronen im Universum identische Eigenschaften haben, eine Frage, die so offensichtlich ist, dass sie im Allgemeinen ignoriert wird. Er schlug vor, dass es sich nur um ein Elektron handelte, das ständig durch das gesamte Universum schoss, vom Urknall bis zum Ende der Zeit und wieder zurück und eine unzählige Anzahl von Malen.Auch wenn diese Idee eine Rückwärtszeitreise beinhaltet, kann sie nicht dazu verwendet werden, Informationen in der Zeit zurückzusenden, da die Mathematik des Modells dies einfach nicht zulässt. Sie können ein Stück Antimaterie nicht bewegen, um die Vergangenheit zu beeinflussen, da Sie nur die Vergangenheit der Antimaterie selbst, dh Ihre Zukunft, beeinflussen.

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Gödels Unvollständigkeitssätze

Es ist nicht streng Wissenschaft, sondern eine sehr interessante Reihe mathematischer Sätze über Logik und Philosophie, die definitiv für die Wissenschaft als Ganzes relevant sind. Diese Theorien, die 1931 von Kurt Gödel bewiesen wurden, besagen, dass es bei jedem gegebenen Satz logischer Regeln, abgesehen von den einfachsten, immer unbestreitbare Aussagen geben wird, was bedeutet, dass sie aufgrund der unvermeidlichen selbstbezogenen Natur nicht nachgewiesen oder widerlegt werden können von allen logischen Systemen ist dies sogar von der Ferne kompliziert. Es wird angenommen, dass es kein großes mathematisches System gibt, das alle Aussagen beweisen oder widerlegen kann. Eine unentscheidbare Aussage kann als mathematische Form einer Aussage wie "Ich lüge immer" gedacht werden. Da die Aussage auf die Sprache verweist, mit der sie beschrieben wird, kann nicht festgestellt werden, ob die Aussage wahr ist oder nicht. Eine unentscheidbare Aussage muss jedoch nicht explizit auf sich selbst bezogen sein, um unentscheidbar zu sein. Die wichtigste Schlussfolgerung aus Gödels Unvollständigkeitssätzen lautet, dass alle logischen Systeme Aussagen haben werden, die nicht bewiesen oder widerlegt werden können. Daher müssen alle logischen Systeme "unvollständig" sein.

Die philosophischen Implikationen dieser Theoreme sind weit verbreitet. Der Satz legt nahe, dass in der Physik eine „Theorie von allem“ möglicherweise unmöglich ist, da kein Regelwerk jedes mögliche Ereignis oder Ergebnis erklären kann. Es zeigt auch an, dass "Beweis" logischerweise ein schwächeres Konzept ist als "wahr"; Ein solches Konzept ist für Wissenschaftler beunruhigend, weil es immer Dinge gibt, die trotz ihrer Richtigkeit nicht bewiesen werden können. Da dieser Satz von Theoremen auch für Computer gilt, bedeutet dies auch, dass unsere eigenen Gedanken unvollständig sind und dass wir einige Ideen haben können, die wir niemals wissen können, einschließlich der Frage, ob unsere eigenen Gedanken konsistent sind (d. H. Unsere Argumentation enthält keine falschen Widersprüche). Dies liegt daran, dass der zweite Satz von Gödels Unvollständigkeitssatz besagt, dass kein konsistentes System seine eigene Konsistenz beweisen kann, was bedeutet, dass kein vernünftiger Verstand seine eigene Vernunft beweisen kann. Da dasselbe Gesetz besagt, dass jedes System, das in der Lage ist, seine Konsistenz für sich selbst zu beweisen, inkonsistent sein muss, ist daher jeder Geist, der glaubt, seine eigene Vernunft beweisen zu können, verrückt.