10 cosas extrañas sobre el universo
- 846
- 201
- Óscar Miramontes
El universo puede ser un lugar muy extraño. Si bien las ideas innovadoras como la teoría cuántica, la relatividad e incluso la tierra que rodean el sol podrían aceptarse comúnmente ahora, la ciencia aún continúa demostrando que el universo contiene cosas que puede encontrar difícil de creer, y aún más difícil entender.
10 Energía negativa
Teóricamente, la temperatura más baja que se puede lograr es absolutamente cero, exactamente ?273.15 ° C, donde el movimiento de todas las partículas se detiene por completo. Sin embargo, nunca puede enfriar algo a esta temperatura porque, en la mecánica cuántica, cada partícula tiene una energía mínima, llamada "energía de punto cero", que no puede obtener debajo. Sorprendentemente, esta energía mínima no solo se aplica a las partículas, sino a cualquier vacío, cuya energía se llama "energía de vacío."Demuestro que esta energía existe implica un experimento bastante simple: tome dos placas de metal en el vacío, las junte, y se sentirán atraídos el uno al otro. Esto es causado por la energía entre las placas que solo pueden resonar a ciertas frecuencias, mientras que fuera de las placas la energía del vacío puede resonar a casi cualquier frecuencia. Debido a que la energía fuera de las placas es mayor que la energía entre las placas, las placas se empujan entre sí. A medida que las placas se acercan, la fuerza aumenta, y en alrededor de una separación de 10 nm, este efecto (llamado efecto Casimir) crea una atmósfera de presión entre ellos. Debido a que las placas reducen la energía de vacío entre ellas a debajo de la energía de punto cero normal, se dice que el espacio tiene energía negativa, que tiene algunas propiedades inusuales.
Una de las propiedades de un vacío de energía negativa es que la luz realmente viaja más rápido que en un vacío normal, algo que algún día puede permitir a las personas viajar más rápido que la velocidad de la luz en un tipo de burbuja de vacío de energía negativa. La energía negativa también podría usarse para mantener abierta un agujero de gusano transversible, que aunque teóricamente es posible, colapsaría tan pronto como se creó sin un medio para mantenerlo abierto. La energía negativa también hace que los agujeros negros se evaporen. La energía del vacío a menudo se modela a medida que las partículas virtuales se producen y aniquilan. Esto no viola ninguna ley de conservación de energía siempre que las partículas se aniquilen poco después. Sin embargo, si se producen dos partículas en el horizonte del evento de un agujero negro, se puede alejar del agujero negro, mientras que el otro se está cayendo en él. Esto significa que no podrán aniquilar, por lo que ambas partículas terminan con energía negativa. Cuando la partícula de energía negativa cae en el agujero negro, baja la masa del agujero negro en lugar de agregarle, y con el tiempo, partículas como estas hará que el agujero negro se evapore por completo. Debido a que Stephen Hawking sugirió por primera vez esta teoría, las partículas emitidas por este efecto (las que no caen en el agujero negro) se llaman radiación de halcón. Fue la primera teoría aceptada en unir la teoría cuántica con la relatividad general, lo que lo convirtió en el mayor logro científico de Hawking hasta la fecha.
9 Arrastre de marco
Una predicción de la teoría de la relatividad general de Einstein es que cuando un objeto grande se mueve, arrastra el espacio-tiempo a su alrededor, lo que hace que los objetos cercanos sean arrastrados también. Puede ocurrir cuando un objeto grande se mueve en línea recta o está girando, y, aunque el efecto es muy pequeño, se ha verificado experimentalmente. El experimento de la sonda B de gravedad, lanzado en 2004, fue diseñado para medir la distorsión de espacio-tiempo cerca de la Tierra. Aunque las fuentes de interferencia fueron mayores de lo esperado, el efecto de arrastre de cuadro se ha medido a una incertidumbre del 15%, con un análisis más detallado con la esperanza de reducir esto aún más.
Los efectos esperados estaban muy cerca de las predicciones: debido a la rotación de la tierra, la sonda se extrajo de su órbita en alrededor de 2 metros por año, un efecto causado exclusivamente por la masa de la tierra que distorsionaba el espacio-tiempo que lo rodea. La sonda en sí no sentiría esta aceleración adicional porque no es causada por una aceleración en la sonda, sino que en el espacio-tiempo, la sonda viaja a través de una alfombra que se tira debajo de una mesa, en lugar de mover la mesa misma.
La relatividad de la simultaneidad es la idea de que si dos eventos ocurren simultáneamente o no es relativo y depende del observador. Es una consecuencia extraña de la teoría especial de la relatividad, y se aplica a cualquier evento que ocurra por cierta distancia. Por ejemplo, si se sale un fuego artificial en Marte y otro en Venus, un observador que viaja por el espacio de una manera podría decir que suceden al mismo tiempo (compensando el tiempo que la luz lleva alcanzarlos), mientras que otro observador que viaja de otra manera podría Digamos que el de Marte se disparó primero, y otro podría decir que el de Venus se fue primero. Es causado por la forma en que diferentes puntos de vista se distorsionan en comparación entre sí en una relatividad especial. Y debido a que todos son relativos, no se puede decir que ningún observador tenga el punto de vista correcto.
Esto puede conducir a escenarios muy inusuales, como un efecto de presenciación de observadores antes de la causa (por ejemplo, ver una bomba sonar, luego ver a alguien encender el fusible). Sin embargo, una vez que el observador ve el efecto, no puede interactuar con la causa sin viajar más rápido que la velocidad de la luz, que fue una de las primeras razones por las que se creía que el viaje más rápido que la luz estaba prohibido, porque es similar al viaje en el tiempo y un universo donde puedes interactuar con la causa después del efecto no tiene sentido.
7 Cadenas negras
Uno de los misterios más antiguos en física es cómo la gravedad está relacionada con las otras fuerzas fundamentales, como el electromagnetismo. Una teoría, propuesta por primera vez en 1919, mostró que si se agrega una dimensión adicional al universo, la gravedad todavía existe en las primeras cuatro dimensiones (tres dimensiones y tiempo de espacio), pero la forma en que este espacio de cuatro dimensiones se curva sobre la quinta dimensión adicional, Naturalmente produce las otras fuerzas fundamentales. Sin embargo, no podemos ver o detectar esta quinta dimensión, por lo que se propuso que la dimensión adicional se acurrucó y, por lo tanto, se volvió invisible para nosotros. Esta teoría fue lo que finalmente condujo a la teoría de cuerdas, y todavía se incluye en el corazón de la mayoría de los análisis de la teoría de cuerdas.
Dado que esta dimensión adicional es tan pequeña, solo los objetos pequeños, como las partículas, pueden moverse a lo largo de ella. En estos casos, finalmente terminan donde comenzaron, ya que la dimensión adicional se acurruca sobre sí misma. Sin embargo, un objeto que se vuelve mucho más complejo en cinco dimensiones es un agujero negro. Cuando se extiende a cinco dimensiones, se convierte en una "cuerda negra", y a diferencia de un agujero negro 4D normal, es inestable (esto ignora el hecho de que los agujeros negros 4D finalmente se evaporan). Esta cuerda negra se desestabilizará en una cadena completa de agujeros negros, conectados por más cuerdas negras, hasta que las cuerdas negras se pellizcan por completo y deje el conjunto de agujeros negros. Estos múltiples agujeros negros 4D luego se combinan en un agujero negro más grande. Lo más interesante de esto es que, usando los modelos actuales, el hoyo negro final es una singularidad "desnuda". Es decir, no tiene un horizonte de eventos que lo rodea. Esto viola la hipótesis de censura cósmica, que dice que todas las singularidades deben estar rodeadas por un horizonte de eventos, para evitar los efectos de viaje en el tiempo que se cree que ocurren cerca de una singularidad al cambiar la historia de todo el universo, ya que nunca pueden Escape de detrás de un horizonte de eventos.
Como se muestra mejor en la ecuación e = mc2, La energía y la materia están fundamentalmente conectadas. Un efecto de esto es que la energía, así como la masa, crea un campo gravitacional. Un Geon, investigado por primera vez por John Wheeler, en 1955, es una onda electromagnética o gravitacional cuya energía crea un campo gravitacional, que a su vez mantiene la onda en un espacio confinado. Wheeler especuló que puede haber un vínculo entre los geones microscópicos y las partículas elementales, y que incluso podrían ser lo mismo. Un ejemplo más extremo es un "kugelblitz" (alemán para "rayo de pelota"), que es donde tan intensa luz se concentra en un punto particular que la gravedad causada por la energía de la luz se vuelve lo suficientemente fuerte como para colapsar en un agujero negro, atrapando el iluminar. Aunque no se cree que nada evite la formación de un Kugelblitz, ahora se cree que Geons solo puede formarse temporalmente, ya que inevitablemente filtrarán energía y colapsarán. Lamentablemente, esto indica que la conjetura inicial de Wheeler era incorrecta, pero esto no ha sido definitivamente probado.
5 Kerr Black Hole
El tipo de agujero negro con el que la mayoría de las personas están familiarizadas, que tiene un horizonte de eventos en el exterior que actúa como el "punto de no retorno" y una singularidad de la densidad infinita en el interior, en realidad tiene un nombre más específico: un agujero negro de Schwarzschild. Lleva el nombre de Karl Schwarzschild, quien encontró la solución matemática de las ecuaciones de campo de Einstein para una masa esférica y no rotatoria en 1915, solo un mes después de que Einstein publicara su teoría general de la relatividad. Sin embargo, no fue hasta 1963 que el matemático Roy Kerr encontró la solución para una masa esférica giratoria. Por lo tanto, un agujero negro giratorio se llama un agujero negro de Kerr, y tiene algunas propiedades inusuales.
En el centro de un agujero negro de Kerr, no tiene sentido singularidad, sino más bien un anillo singularidad, un anillo unidimensional giratorio abierto por su propio impulso. También hay dos horizontes de eventos, uno interno y externo, y un elipsoide llamado ergosfera, dentro del cual el espacio-tiempo en sí gira con el orificio negro (debido a arrastre de cuadro) más rápido que la velocidad de la luz. Al entrar en el agujero negro, pasando por el horizonte de eventos externos, los caminos de tipo espacio se vuelven de tiempo, lo que significa que es imposible evitar la singularidad en el centro, al igual que en un agujero negro de Schwarzschild. Sin embargo, cuando pasa por el horizonte de eventos internos, su camino se vuelve similar a un espacio nuevamente. La diferencia es esta: el espacio-tiempo en sí se invierte. Esto significa que la gravedad cerca del anillo, la singularidad se vuelve repulsiva, en realidad alejándote del centro. De hecho, a menos que ingrese al agujero negro exactamente en el ecuador, es imposible llegar a la singularidad del anillo. Además, las singularidades del anillo se pueden vincular a través del espacio-tiempo, para que puedan actuar como agujeros de gusano, aunque salir del agujero negro del otro lado sería imposible (a menos que fuera una singularidad desnuda, posiblemente creada cuando el singularidad del anillo gira lo suficientemente rápido). Viajar a través de un anillo de singularidad podría llevarte a otro punto en el espacio-tiempo, como otro universo, donde se podía ver la luz cayendo desde fuera del agujero negro, pero no dejar el agujero negro en sí mismo. Incluso podría llevarte a un "agujero blanco" en un universo negativo, cuyo significado exacto es desconocido.
El túnel cuántico es un efecto en el que una partícula puede pasar a través de una barrera que normalmente no tendría la energía para superar. Puede permitir que una partícula pase a través de una barrera física que debe ser impenetrable, o puede permitir que un electrón se escape del núcleo sin tener la energía cinética para hacerlo. Según la mecánica cuántica, existe una probabilidad finita de que se pueda encontrar cualquier partícula en cualquier parte del universo, aunque esa probabilidad es astronómicamente pequeña para cualquier distancia real de la ruta de partículas esperadas.
Sin embargo, cuando la partícula está enfrentada con una barrera de arena pequeña (alrededor de 1-3 nm de ancho), una que los cálculos convencionales indicarían es impenetrable por la partícula, la probabilidad de que la partícula simplemente pase a través de esa barrera se vuelve bastante notable. Esto puede explicarse por el principio de incertidumbre de Heisenberg, que limita cuánta información se puede conocer sobre una partícula. Una partícula puede "pedir prestado" la energía del sistema en el que está actuando, usarla para pasar a través de la barrera y luego perderla nuevamente.
El túnel cuántico está involucrado en muchos procesos físicos, como la descomposición radiactiva y la fusión nuclear que tiene lugar al sol. También se usa en ciertos componentes eléctricos, e incluso se ha demostrado que ocurre en enzimas en sistemas biológicos. Por ejemplo, la enzima glucosa oxidasa, que cataliza la reacción de glucosa en peróxido de hidrógeno, implica el túnel cuántico de un átomo de oxígeno completo. El túnel cuántico también es una característica clave del microscopio de túnel de exploración, la primera máquina en habilitar la imagen y la manipulación de átomos individuales. Funciona midiendo el voltaje en una punta muy fina, que cambia cuando se acerca a una superficie debido al efecto del túnel de electrones a través del vacío (conocido como la "zona prohibida") entre ellos. Esto le da al dispositivo la sensibilidad necesaria para hacer imágenes de resolución extremadamente alta. También permite que el dispositivo mueva los átomos colocando deliberadamente una corriente a través de la punta conductora.
3 Cuerdas cósmicas
Shorty después del Big Bang, el universo estaba en un estado altamente desordenado y caótico. Esto significa que pequeños cambios y defectos no cambiaron la estructura general del universo. Sin embargo, a medida que el universo se expandió, enfrió y pasó de un estado desordenado a uno ordenado, llegó a un punto en el que las fluctuaciones muy pequeñas crearon cambios muy grandes.
Esto es similar a organizar fichas de manera uniforme en un piso. Cuando un mosaico se coloca de manera desigual, esto significa que los mosaicos posteriores colocados seguirán su patrón. Por lo tanto, tiene una línea completa de mosaicos fuera de lugar. Esto es similar a los objetos llamados cadenas cósmicas, que son defectos extremadamente delgados y extremadamente largos en forma de espacio-tiempo. Estas cadenas cósmicas son predicho por la mayoría de los modelos del universo, como la teoría de cuerdas en la que dos tipos de "cuerdas" no están relacionadas. Si existen, cada cadena sería tan delgada como un protón, pero increíblemente densa. Por lo tanto, una cuerda cósmica de una milla de largo puede pesar tanto como la tierra. Sin embargo, en realidad no tendría ninguna gravedad y el único efecto que tendrá en la materia que lo rodea sería la forma en que cambia la forma y la forma del espacio-tiempo. Por lo tanto, una cuerda cósmica es, en esencia, solo una "arruga" en forma del espacio-tiempo.
Se cree que las cuerdas cósmicas son increíblemente largas, hasta el orden de los tamaños de miles de galaxias. De hecho, las observaciones y simulaciones recientes han sugerido que una red de cadenas cósmicas se extiende en todo el universo. Esto se pensó que era lo que causó que se formaran galaxias en los complejos de supercluster, aunque esta idea ha sido abandonada desde entonces. Los complejos de supercluster consisten en "filamentos" conectados de galaxias de hasta mil millones de años luz de longitud. Debido a los efectos únicos de las cadenas cósmicas en el espacio-tiempo a medida que une dos cuerdas juntas, se ha demostrado que posiblemente podrían usarse para viajar en el tiempo, como con la mayoría de las cosas en esta lista. Las cadenas cósmicas también crearían ondas gravitacionales increíbles, más fuertes que cualquier otra fuente conocida. Estas ondas son lo que están diseñados para buscar esos detectores de ondas gravitacionales actuales y planificados.
La antimateria es lo opuesto a la materia. Tiene la misma masa pero con una carga eléctrica opuesta. John Wheeler y el premio Nobel Richard Feynman desarrolló una teoría sobre por qué la antimateria existe. Por ejemplo, las órbitas de nuestro sistema solar, si se reproducen hacia atrás, aún deben obedecer las mismas reglas que cuando se juegan adelante. Esto llevó a la idea de que la antimateria es simplemente una materia ordinaria retrocediendo en el tiempo, lo que explicaría por qué las antipartículas tienen una carga opuesta, ya que si un electrón se repele mientras avanza en el tiempo, luego en el tiempo esto se convierte en atracción. Esto también explica por qué la materia y la antimateria aniquilan. Esto no es una circunstancia de dos partículas que se estrellan y se destruyen entre sí; Es la misma partícula de repente y retrocediendo en el tiempo. En el vacío, donde se producen y luego se aniquilan un par de partículas virtuales, esto es en realidad solo una partícula en un bucle interminable, hacia adelante en el tiempo, luego hacia atrás, luego hacia adelante, y así sucesivamente.
Si bien la precisión de esta teoría aún está en debate, el tratamiento de la antimateria como materia que retrocede en el tiempo se le ocurre matemáticamente soluciones idénticas a otras teorías más convencionales. Cuando se teorizó por primera vez, John Wheeler dijo que tal vez respondió la pregunta de por qué todos los electrones en el universo tienen propiedades idénticas, una pregunta tan obvia que generalmente se ignora. Sugirió que era solo un electrón, constantemente lanzando por todo el universo, desde el Big Bang hasta el final de los tiempos y de regreso, continuando un número incontable de veces. A pesar de que esta idea implica viajes en tiempo hacia atrás, no se puede usar para enviar ninguna información al tiempo, ya que las matemáticas del modelo simplemente no lo permiten. No puede mover un pedazo de antimateria para afectar el pasado, ya que al moverlo solo afecta el pasado del antimateria en sí, es decir, su futuro.
1 Teoremas incompletos de Gödel
No es estrictamente ciencia, sino más bien un conjunto muy interesante de teoremas matemáticos sobre la lógica y la filosofía que definitivamente es relevante para la ciencia en general. Probado en 1931 por Kurt Gödel, estas teorías dicen que con cualquier conjunto dado de reglas lógicas, excepto las más simples, siempre habrá declaraciones indecidibles, lo que significa que no pueden ser probados o refutados debido a la inevitable naturaleza autorreferencial de cualquier sistema lógico que sea remotamente complicado. Se cree que esto indica que no hay un gran sistema matemático capaz de probar o refutar todas las declaraciones. Una declaración indecidible puede considerarse como una forma matemática de una declaración como "Siempre miento."Debido a que la declaración hace referencia al lenguaje que se usa para describirlo, no se puede saber si la declaración es verdadera o no. Sin embargo, una declaración indecidible no necesita ser explícitamente autorreferencial para ser indecidible. La principal conclusión de los teoremas de incompletitud de Gödel es que todos los sistemas lógicos tendrán declaraciones que no pueden ser probadas o refutadas; Por lo tanto, todos los sistemas lógicos deben estar "incompletos."
Las implicaciones filosóficas de estos teoremas están generalizadas. El conjunto sugiere que en física, una "teoría de todo" puede ser imposible, ya que ningún conjunto de reglas puede explicar todos los eventos o resultados posibles. También indica que lógicamente, "prueba" es un concepto más débil que "verdadero"; Tal concepto es inquietante para los científicos porque significa que siempre habrá cosas que, a pesar de ser cierto, no se puede demostrar que sean verdaderas. Dado que este conjunto de teoremas también se aplica a las computadoras, también significa que nuestras propias mentes están incompletas y que hay algunas ideas que nunca podemos saber, incluso si nuestras propias mentes son consistentes (yo.mi. Nuestro razonamiento no contiene contradicciones incorrectas). Esto se debe a que el segundo de los teoremas de incompletitud de Gödel establece que ningún sistema consistente puede demostrar su propia consistencia, lo que significa que ninguna mente sensata puede demostrar su propia cordura. Además, dado que esa misma ley establece que cualquier sistema capaz de demostrar su consistencia en sí misma debe ser inconsistente, cualquier mente que crea que puede demostrar su propia cordura, por lo tanto, es una locura.