10 descubrimientos alucinantes en física

El estudio de la física es el estudio del universo, y más específicamente, cómo diablos funciona el universo. Es sin duda la rama más interesante de la ciencia, ya que el universo, como resulta, es mucho más complicado de lo que parece en la superficie (y parece bastante complicado ya). El mundo funciona de formas realmente extrañas, y aunque es posible que necesite un doctorado para entender por qué, solo necesita un sentido de asombro para apreciar cómo. Aquí hay diez de las cosas más asombrosas que los físicos han descubierto acerca de nuestro universo:

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El tiempo se detiene a la velocidad de la luz

De acuerdo con la Teoría de la Relatividad Especial de Einstein, la velocidad de la luz nunca puede cambiar, siempre se queda atascada a aproximadamente 300,000,000 metros / segundo, sin importar quién la esté observando. Esto en sí mismo es lo suficientemente increíble, dado que nada puede moverse más rápido que la luz, pero sigue siendo muy teórico. La parte realmente interesante de la Relatividad Especial es una idea llamada dilatación del tiempo, que establece que cuanto más rápido vaya, más lento pasará el tiempo en relación con su entorno. En serio, si vas a dar una vuelta en tu auto por una hora, habrás envejecido un poco menos que si te hubieras sentado en casa con la computadora. Los nanosegundos adicionales que obtienes pueden no valer el precio del gas, pero bueno, es una opción.

Por supuesto, el tiempo solo puede ralentizarse mucho, y la fórmula funciona de manera que si te mueves a la velocidad de la luz, el tiempo no se mueve en absoluto. Ahora, antes de salir y probar un esquema para obtener un movimiento inmortal rápido, solo tenga en cuenta que moverse a la velocidad de la luz no es realmente posible, a menos que esté hecho de luz. Técnicamente hablando, moverse a ese ritmo rápido requeriría una cantidad infinita de energía (y por mi parte, no tengo ese tipo de jugo solo por ahí).

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Entrelazamiento cuántico

Muy bien, entonces acabamos de aceptar que nada puede moverse más rápido que la velocidad de la luz, ¿verdad? Bueno ... sí y no. Si bien eso es técnicamente aún cierto, al menos en teoría, resulta que hay una laguna que se encuentra en la rama de la física alucinante conocida como mecánica cuántica.

La mecánica cuántica, en esencia, es el estudio de la física a escala microscópica, como el comportamiento de las partículas subatómicas. Estos tipos de partículas son increíblemente pequeñas, pero muy importantes, ya que forman los bloques de construcción para todo en el universo. Dejaré a un lado los detalles técnicos por ahora (se vuelve bastante complicado), pero puedes imaginarlos como canicas diminutas, giratorias y cargadas eléctricamente. Está bien, quizás eso también sea algo complicado. Sólo tira con él (juego de palabras intencionado).

Así que digamos que tenemos dos electrones (una partícula subatómica con una carga negativa). El entrelazamiento cuántico es un proceso especial que implica el emparejamiento de estas partículas de manera que se vuelvan idénticas (canicas con el mismo giro y carga). Cuando esto sucede, las cosas se ponen extrañas, porque a partir de ahora, estos electrones se mantienen idénticos. Esto significa que si cambia uno de ellos, digamos, gírelo en la otra dirección, su gemelo reacciona exactamente de la misma manera. Instantáneamente. No importa dónde esté. Sin siquiera tocarlo. Las implicaciones de este proceso son enormes: significa que la información (en este caso, la dirección del giro) puede esencialmente teletransportarse a cualquier parte del universo.

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La luz se ve afectada por la gravedad

Pero volvamos a la luz por un minuto y hablemos sobre la Teoría de la Relatividad General esta vez (también por Einstein). Esta incluye una idea llamada desviación de la luz, que es exactamente como suena: la trayectoria de un rayo de luz no es completamente recta.

Por extraño que parezca, se ha demostrado repetidamente (Einstein incluso consiguió un desfile en su honor por haberlo pronosticado correctamente). Lo que significa es que, aunque la luz no tiene masa, su camino se ve afectado por cosas que sí lo tienen, como el sol. Entonces, si un rayo de luz de, por ejemplo, una estrella lejana pasa lo suficientemente cerca del sol, en realidad se doblará alrededor de él. El efecto en un observador, como nosotros, es que vemos la estrella en un lugar diferente del cielo de lo que realmente está ubicado (como los peces en un lago nunca están en el lugar que parecen). Recuerda que la próxima vez que mires las estrellas, todo podría ser un truco de la luz.

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Materia oscura

Gracias a algunas de las teorías que ya hemos discutido (además de muchas otras que no hemos visto), los físicos tienen algunas formas bastante precisas de medir la masa total presente en el universo. También tienen algunas formas bastante precisas de medir la masa total que podemos observar, y aquí está el giro: los dos números no coinciden.

De hecho, la cantidad de masa total en el universo es mucho mayor que la masa total que realmente podemos explicar. Los físicos se vieron obligados a encontrar una explicación para esto, y la principal teoría en este momento involucra la materia oscura, una sustancia misteriosa que no emite luz y representa aproximadamente el 95% de la masa en el universo. Aunque no se ha demostrado formalmente que exista (porque no podemos verlo), la materia oscura está respaldada por una tonelada de evidencia, y tiene que existir de una forma u otra para explicar el universo.

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Nuestro Universo se está expandiendo rápidamente

Aquí es donde las cosas se complican un poco, y para entender por qué, tenemos que volver a la teoría del Big Bang. Antes de que fuera un programa de televisión, la teoría del Big Bang fue una explicación importante del origen de nuestro universo. En la analogía más simple posible, funcionó así: el universo comenzó como una explosión. Los escombros (planetas, estrellas, etc.) fueron arrojados en todas direcciones, impulsados ​​por la enorme energía de la explosión. Debido a que todos estos escombros son muy pesados ​​y, por lo tanto, están afectados por la gravedad de todo lo que hay detrás de ellos, esperaríamos que esta explosión disminuya luego de un tiempo.

No lo haceDe hecho, la expansión de nuestro universo en realidad se está acelerando con el tiempo, lo cual es tan loco como si lanzara una pelota de béisbol que se volvía cada vez más rápida en lugar de caer al suelo (aunque no intente hacerlo en casa). Esto significa, en efecto, que el espacio siempre está creciendo. La única forma de explicar esto es con la materia oscura, o, más precisamente, con la energía oscura, que es la fuerza impulsora detrás de esta aceleración cósmica. Entonces, ¿qué en el mundo es la energía oscura, preguntas? Bueno, eso es otra cosa interesante ...

5

Toda materia es solo energía

Es verdad, la materia y la energía son solo dos caras de la misma moneda. De hecho, has sabido esto toda tu vida, si alguna vez has oído hablar de la fórmula E = mc ^ 2. La E es para la energía, y la m representa la masa. La cantidad de energía contenida en una cantidad particular de masa está determinada por el factor de conversión c al cuadrado, donde c representa, espérala, la velocidad de la luz.

La explicación de este fenómeno es realmente fascinante, y tiene que ver con el hecho de que la masa de un objeto aumenta a medida que se acerca a la velocidad de la luz (incluso cuando el tiempo se está desacelerando). Sin embargo, es bastante complicado, por lo que a los efectos de este artículo, simplemente le aseguro que es cierto. Para la prueba (desafortunadamente), no busque más que las bombas atómicas, que convierten cantidades muy pequeñas de materia en cantidades muy grandes de energía.

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Dualidad onda-partícula

Hablando de cosas que son otras cosas ...

A primera vista, las partículas (como un electrón) y las ondas (como la luz) no podrían ser más diferentes. Uno es un trozo sólido de materia, y el otro es un haz de energía que irradia, algo así. Son manzanas y naranjas. Pero resulta que las cosas como la luz y los electrones no se pueden limitar realmente a un estado de existencia: actúan como partículas y ondas, dependiendo de quién esté mirando.

No en serio. Sé que suena ridículo (y sonará aún más loco cuando lleguemos al número 1), pero hay pruebas concretas de que la luz es una onda y otras pruebas concretas de que la luz es una partícula (ídem para los electrones). Es solo que ... ambos. Al mismo tiempo. No es una especie de estado intermedio entre los dos, fíjate físicamente de ambos, en el sentido de que puede ser cualquiera de los dos. No se preocupe si eso no tiene mucho sentido, porque estamos de vuelta en el ámbito de la mecánica cuántica, y en ese nivel, al universo no le gusta tener sentido de ninguna manera.

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Todos los objetos caen a la misma velocidad

Calmemos las cosas por un segundo, porque la física moderna es mucho para asimilar a la vez. Eso está bien. La física clásica también demostró algunos conceptos muy interesantes.

Se le perdonaría por suponer que los objetos más pesados ​​caen más rápido que los más livianos; suena como el sentido común, y además, sabe a ciencia cierta que una bola de boliche cae más rápidamente que una pluma. Y esto es cierto, pero no tiene nada que ver con la gravedad, la única razón por la que esto ocurre es porque la atmósfera terrestre proporciona resistencia. En realidad, como Galileo se dio cuenta hace unos 400 años, la gravedad funciona de la misma manera en todos los objetos, independientemente de su masa. Lo que esto significa es que si repites el experimento de la pluma / bola de bolos en la luna (que no tiene atmósfera), golpearían el suelo exactamente al mismo tiempo.

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Espuma cuántica

Está bien, rompe. Las cosas se pondrán raras de nuevo.

La cosa sobre el espacio vacío, uno pensaría, es que está vacío. Eso suena como una suposición bastante segura: está en el nombre, después de todo. Pero el universo, sucede, es demasiado inquieto para soportar eso, razón por la cual las partículas están apareciendo y desapareciendo constantemente por todas partes. Se llaman partículas virtuales, pero no se equivoquen, son reales y están probadas. Existen solo por una fracción de segundo, lo que es lo suficientemente largo como para romper algunas leyes fundamentales de la física, pero lo suficientemente rápido como para que esto realmente no importe (como si robaras algo de una tienda, pero lo pusieras de nuevo en el estante medio segundo después). Los científicos han llamado a este fenómeno "espuma cuántica" porque aparentemente les recordó las burbujas cambiantes en la cabeza de un refresco.

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El experimento de la doble rendija

Entonces, ¿recuerdas algunas entradas atrás, cuando dije que todo era tanto una onda como una partícula al mismo tiempo? Por supuesto que sí, has estado siguiendo meticulosamente. Pero aquí está la otra cosa: usted sabe por experiencia que las cosas tienen formas definidas: una manzana en su mano es una manzana, no una cosa extraña de la onda de la manzana. Entonces, ¿qué hace que algo se convierta definitivamente en una partícula o una onda? Como resultado, lo hacemos.

El experimento de la doble rendija es la cosa más demencial sobre la que leerás todo el día, y funciona así: los científicos preparan una pantalla con dos rendijas frente a una pared y lanzan un haz de luz a través de las rendijas para que puedan ver donde golpeó en la pared. Tradicionalmente, con la luz siendo una onda, exhibiría algo que se llama un patrón de difracción, y verías una banda de luz extendida a través de la pared. Ese es el valor predeterminado: si configura el experimento ahora mismo, eso es lo que vería.

Pero no es así como reaccionarían las partículas a una doble rendija: simplemente irían directamente para crear dos líneas en la pared que coincidan con las rendijas. Y si la luz es una partícula, ¿por qué no muestra esta propiedad en lugar de un patrón de difracción? La respuesta es que lo hace, pero solo si lo queremos. Vea, como una onda, la luz viaja a través de ambas rendijas al mismo tiempo, pero como una partícula, solo puede viajar a través de una. Entonces, si queremos que actúe como una partícula, todo lo que tenemos que hacer es configurar una herramienta para medir exactamente a través de qué hendidura atraviesa cada bit de luz (llamado fotón).Piense en ello como una cámara: si toma una fotografía de cada fotón cuando pasa a través de una sola rendija, entonces ese fotón no puede haber pasado a través de ambas rendijas y, por lo tanto, no puede ser una onda. Como resultado, el patrón de interferencia en la pared no aparecerá, las dos líneas aparecerán en su lugar. La luz actuará como una partícula simplemente porque ponemos una cámara delante de ella. Cambiamos físicamente el resultado con solo medirlo.

En general, se llama el efecto observador, y aunque es una buena manera de terminar este artículo, ni siquiera araña la superficie de las locuras que se encuentran en la física. Por ejemplo, hay un montón de variaciones del experimento de doble rendija que son incluso más demenciales que las que mencioné aquí. Los aliento a que los busquen, pero solo si están preparados para pasar todo el día atrapados en la mecánica cuántica.