10 cosas extrañas sobre el universo

El universo puede ser un lugar muy extraño. Si bien las ideas innovadoras, como la teoría cuántica, la relatividad e incluso la Tierra alrededor del Sol, pueden aceptarse comúnmente en la actualidad, la ciencia sigue mostrando que el universo contiene cosas que le pueden resultar difíciles de creer y aún más difíciles de entender. .

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Energía negativa

Teóricamente, la temperatura más baja que se puede alcanzar es cero absoluto, exactamente? 273.15 ° C, donde el movimiento de todas las partículas se detiene por completo. Sin embargo, nunca se puede enfriar algo a esta temperatura porque, en mecánica cuántica, cada partícula tiene una energía mínima, llamada "energía de punto cero", que no se puede obtener a continuación. Sorprendentemente, esta energía mínima no solo se aplica a las partículas, sino a cualquier vacío, cuya energía se denomina “energía de vacío”. Para demostrar que esta energía existe, se trata de un experimento bastante simple: coloque dos placas de metal en el vacío, colóquelas Juntos, y serán atraídos el uno al otro. Esto se debe a que la energía entre las placas solo puede resonar en ciertas frecuencias, mientras que fuera de las placas la energía de vacío puede resonar en casi cualquier frecuencia. Debido a que la energía fuera de las placas es mayor que la energía entre las placas, las placas se empujan una hacia la otra. A medida que las placas se acercan, la fuerza aumenta y, a aproximadamente 10 nm de separación, este efecto (llamado efecto Casimir) crea una atmósfera de presión entre ellas. Debido a que las placas reducen la energía de vacío entre ellas por debajo de la energía normal de punto cero, 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 en realidad viaja más rápido que en un vacío normal, algo que un día puede permitir que las personas viajen más rápido que la velocidad de la luz en una especie de burbuja de vacío de energía negativa. . La energía negativa también podría usarse para mantener abierto un agujero de gusano transversal, que aunque teóricamente es posible, se colapsaría tan pronto como se creara sin un medio para mantenerlo abierto. La energía negativa también hace que los agujeros negros se evaporen. La energía de vacío a menudo se modela como partículas virtuales que aparecen y se aniquilan. Esto no viola ninguna ley de conservación de energía mientras las partículas sean aniquiladas poco después. Sin embargo, si se producen dos partículas en el horizonte de eventos de un agujero negro, una puede alejarse del agujero negro, mientras que la otra está cayendo en él. Esto significa que no podrán aniquilarse, por lo que ambas partículas terminarán con energía negativa. Cuando la partícula de energía negativa cae en el agujero negro, disminuye la masa del agujero negro en lugar de agregarle, y con el tiempo las partículas como estas harán 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 denominan radiación de Hawking. Fue la primera teoría aceptada en unir la teoría cuántica con la relatividad general, por lo que es el mayor logro científico de Hawking hasta la fecha.

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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, causando que los objetos cercanos también sean arrastrados. Puede ocurrir cuando un objeto grande se mueve en línea recta o gira, y aunque el efecto es muy pequeño, se ha verificado experimentalmente. El experimento Gravity Probe B, lanzado en 2004, fue diseñado para medir la distorsión espacio-temporal cerca de la Tierra. Aunque las fuentes de interferencia fueron más grandes de lo esperado, el efecto de arrastre de trama se ha medido a una incertidumbre del 15%, con un análisis adicional que espera reducir esto aún más.

Los efectos esperados estaban muy cerca de las predicciones: debido a la rotación de la Tierra, la sonda fue sacada de su órbita alrededor de 2 metros por año, un efecto causado puramente por la masa de la Tierra que distorsiona el espacio-tiempo que lo rodea. La sonda en sí misma no sentiría esta aceleración adicional porque no es causada por una aceleración en la sonda, sino por el espacio-tiempo en que la sonda viaja de manera análoga a una alfombra que se coloca debajo de una mesa, en lugar de mover la mesa en sí. .

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Relatividad de la Simultaneidad.

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 suceda que esté separado por alguna distancia. Por ejemplo, si se suelta un fuego artificial en Marte y otro en Venus, un observador que viaja por el espacio de una manera podría decir que sucede al mismo tiempo (compensando el tiempo que tarda la luz en 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 disparó primero. Es causada por la forma en que diferentes puntos de vista se distorsionan entre sí en la relatividad especial. Y como todos son relativos, no se puede decir que ningún observador tenga el punto de vista correcto.

Esto puede llevar a escenarios muy inusuales, como un efecto de observación de un observador antes de la causa (por ejemplo, ver una bomba explotar y luego ver a alguien encender el fusible). Sin embargo, una vez que el observador ve el efecto, no pueden interactuar con la causa sin viajar más rápido que la velocidad de la luz, lo cual fue una de las primeras razones por las que se creía que estaba prohibido viajar más rápido que la luz, porque es similar a un viaje en el tiempo , y un universo donde puedes interactuar con la causa después de que el efecto no tenga sentido.

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Cuerdas negras

Uno de los misterios más destacados de la física es cómo se relaciona la gravedad con 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 del espacio y tiempo), pero la forma en que este espacio de cuatro dimensiones se curva sobre la quinta dimensión adicional, Produce naturalmente las otras fuerzas fundamentales. Sin embargo, no podemos ver ni detectar esta quinta dimensión, por lo que se propuso que la dimensión adicional se acurrucó y, por lo tanto, se hizo invisible para nosotros. Esta teoría fue lo que finalmente condujo a la teoría de cuerdas, y aún se incluye en el corazón de la mayoría del análisis de la teoría de cuerdas.

Dado que esta dimensión adicional es tan pequeña, solo objetos pequeños, como partículas, pueden moverse a lo largo de ella. En estos casos, finalmente terminan donde empezaron, ya que la dimensión adicional se enrolla 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 eventualmente se evaporan). Esta cadena negra se desestabilizará en una cadena completa de agujeros negros, conectados por otras cadenas negras adicionales, hasta que las cadenas negras queden completamente separadas y dejen 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, utilizando los modelos actuales, el agujero negro final es una singularidad "desnuda". Es decir, no tiene un horizonte de eventos que lo rodea. Esto viola la Hipótesis de la Censura Cósmica, que dice que todas las singularidades deben estar rodeadas por un horizonte de eventos, para evitar los efectos del viaje en el tiempo que se cree que suceden cerca de una singularidad para que no cambien la historia de todo el universo, ya que nunca podrán hacerlo. escapar de detrás de un horizonte de sucesos.

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Geon

Como se muestra mejor en la ecuación E = MC, la energía y la materia están fundamentalmente conectadas. Un efecto de esto es que la energía, así como la masa, crea un campo gravitatorio. Un geón, investigado por primera vez por John Wheeler, en 1955, es una onda electromagnética o gravitacional cuya energía crea un campo gravitatorio, que a su vez mantiene la onda en un espacio confinado. Wheeler especuló que podría haber un vínculo entre los geones microscópicos y las partículas elementales, y que incluso podrían ser la misma cosa. Un ejemplo más extremo es un "kugelblitz" (alemán para "rayo de bola"), que es donde una luz tan intensa 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 al luz interior Aunque no se cree que nada impida la formación de un kugelblitz, ahora solo se cree que los geones pueden formarse temporalmente, ya que inevitablemente perderán energía y se colapsarán. Desafortunadamente, esto indica que la conjetura inicial de Wheeler fue incorrecta, pero esto no se ha probado definitivamente.

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Kerr Black Hole

El tipo de agujero negro con el que la mayoría de las personas está familiarizada, que tiene un horizonte de eventos en el exterior que actúa como el "punto de no retorno" y una singularidad de punto de 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 giratoria 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 agujero negro de Kerr y tiene algunas propiedades inusuales.

En el centro de un agujero negro de Kerr, no hay una singularidad puntual, sino una singularidad de anillo, un anillo unidimensional giratorio mantenido abierto por su propio impulso. También hay dos horizontes de eventos, uno interno y otro externo, y un elipsoide llamado ergosfera, dentro del cual el espacio-tiempo mismo gira con el agujero negro (debido al arrastre del cuadro) más rápido que la velocidad de la luz. Al entrar en el agujero negro, al pasar por el horizonte de eventos externo, los caminos en forma de espacio se vuelven en el tiempo, lo que significa que es imposible evitar la singularidad en el centro, al igual que en un agujero negro Schwarzschild. Sin embargo, cuando atraviesas el horizonte de eventos interno, tu camino vuelve a ser similar al espacio. La diferencia es esta: el espacio-tiempo mismo se invierte. Esto significa que la gravedad cerca de la singularidad del anillo se vuelve repulsiva, y en realidad te aleja del centro. De hecho, a menos que ingreses al agujero negro exactamente en el ecuador, es imposible golpear la singularidad del anillo. Además, las singularidades del anillo se pueden vincular a través del espacio-tiempo, de modo que pueden actuar como agujeros de gusano, aunque sería imposible salir del agujero negro del otro lado (a menos que fuera una singularidad desnuda, posiblemente creada cuando la singularidad del anillo gire lo suficientemente rápido). Viajar a través de un anillo de singularidad podría llevarlo a otro punto en el espacio-tiempo, como otro universo, donde se podría ver la luz cayendo desde fuera del agujero negro, pero sin dejar el agujero negro en sí. Incluso podría llevarte a un "agujero blanco" en un universo negativo, cuyo significado exacto se desconoce.

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Tunelización cuántica

La tunelización cuántica es un efecto donde 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 debería ser impenetrable, o puede permitir que un electrón escape de la fuerza del núcleo sin tener la energía cinética para hacerlo.Según la mecánica cuántica, existe una probabilidad limitada de que cualquier partícula se pueda encontrar en cualquier parte del universo, aunque esa probabilidad es astronómicamente pequeña para cualquier distancia real desde la trayectoria esperada de las partículas.

Sin embargo, cuando la partícula se enfrenta a una barrera lo suficientemente pequeña (alrededor de 1-3 nm de ancho), una que los cálculos convencionales indicarían que 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 la cantidad de información que se puede conocer sobre una partícula. Una partícula puede "tomar prestada" energía del sistema en el que está actuando, usarla para pasar a través de la barrera y luego perderla nuevamente.

La tunelización cuántica está involucrada en muchos procesos físicos, como la descomposición radioactiva y la fusión nuclear que tiene lugar en el 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 la glucosa en peróxido de hidrógeno, implica la tunelización cuántica de un átomo de oxígeno completo. La tunelización cuántica también es una característica clave del microscopio de exploración de túneles, la primera máquina que permite la obtención de imágenes y la manipulación de átomos individuales. Funciona al medir el voltaje en una punta muy fina, que cambia cuando se acerca a una superficie debido al efecto de los electrones que atraviesan el vacío a través del vacío (conocido como la "zona prohibida") entre ellos. Esto le da al dispositivo la sensibilidad necesaria para hacer imágenes con una resolución extremadamente alta. También permite que el dispositivo mueva átomos al colocar deliberadamente una corriente a través de la punta conductora.

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Cuerdas cósmicas

Poco 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, se enfrió y pasó de un estado desordenado a uno ordenado, llegó a un punto donde fluctuaciones muy pequeñas crearon cambios muy grandes.

Esto es similar a colocar los azulejos uniformemente en un piso. Cuando una ficha se coloca de forma desigual, esto significa que las fichas posteriores colocadas seguirán su patrón. Por lo tanto, tienes toda una línea de azulejos fuera de lugar. Esto es similar a los objetos llamados cuerdas cósmicas, que son defectos extremadamente delgados y extremadamente largos en la forma del espacio-tiempo. Estas cadenas cósmicas son predichas por la mayoría de los modelos del universo, como la teoría de cuerdas donde dos tipos de "cadenas" 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 sobre 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 de espacio-tiempo.

Se cree que las cuerdas cósmicas son increíblemente largas, del orden de miles de galaxias. De hecho, las observaciones y simulaciones recientes han sugerido que una red de cuerdas cósmicas se extiende por todo el universo. Alguna vez se pensó que esto era lo que causaba la formación de galaxias en complejos de supercúmulos, aunque esta idea ha sido abandonada desde entonces. Los complejos de superclúster consisten en "filamentos" conectados de galaxias de hasta mil millones de años luz de longitud. Debido a los efectos únicos de las cuerdas cósmicas en el espacio-tiempo a medida que se acercan dos cuerdas, se ha demostrado que posiblemente podrían usarse para viajar en el tiempo, como con la mayoría de las cosas en esta lista. Las cuerdas cósmicas también crearían increíbles ondas gravitacionales, más fuertes que cualquier otra fuente conocida. Estas ondas son lo que los detectores de ondas gravitacionales actuales y planificadas están diseñados para buscar.

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Retrocausalidad antimateria

La antimateria es lo opuesto a la materia. Tiene la misma masa pero con una carga eléctrica opuesta. Una teoría acerca de por qué existe la antimateria fue desarrollada por John Wheeler y el premio Nobel Richard Feynman basándose en la idea de que los sistemas físicos deberían ser reversibles en el tiempo. Por ejemplo, las órbitas de nuestro sistema solar, si se juegan al revés, deberían seguir todas las mismas reglas que cuando se juegan hacia delante. Esto llevó a la idea de que la antimateria es una materia ordinaria que retrocede en el tiempo, lo que explicaría por qué las antipartículas tienen una carga opuesta, ya que si un electrón es repelido mientras avanza en el tiempo, y luego en el tiempo, esto se convierte en atracción. Esto también explica por qué la materia y la antimateria se aniquilan. Esta no es una circunstancia de dos partículas que chocan y se destruyen unas a otras; Es la misma partícula que de repente se detiene y retrocede en el tiempo. En un vacío, donde un par de partículas virtuales se producen y luego se aniquilan, esto es en realidad solo una partícula que va en un bucle sin fin, avanza en el tiempo, luego hacia atrás, luego hacia adelante, y así sucesivamente.

Si bien la precisión de esta teoría aún está sujeta a debate, el tratamiento de la antimateria como materia que retrocede en el tiempo matemáticamente presenta soluciones idénticas a otras teorías más convencionales. Cuando se teorizó por primera vez, John Wheeler dijo que tal vez respondía a la pregunta de por qué todos los electrones en el universo tienen propiedades idénticas, una pregunta tan obvia que generalmente se ignora. Él sugirió que era solo un electrón, lanzándose constantemente por todo el universo, desde el Big Bang hasta el final del tiempo y viceversa, continuando un número incontable de veces.A pesar de que esta idea involucra viajes en el tiempo hacia atrás, no se puede usar para enviar información al pasado, ya que las matemáticas del modelo simplemente no lo permiten. No puede mover una pieza de antimateria para afectar el pasado, ya que al moverla solo afecta el pasado de la antimateria, es decir, su futuro.

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Teoremas de incompletitud de Gödel

No es estrictamente ciencia, sino más bien un conjunto muy interesante de teoremas matemáticos sobre lógica y la filosofía que es definitivamente relevante para la ciencia en su conjunto. Probadas en 1931 por Kurt Gödel, estas teorías dicen que con cualquier conjunto dado de reglas lógicas, a excepción de las más simples, siempre habrá afirmaciones indecidibles, lo que significa que no se pueden probar ni refutar debido a la inevitable naturaleza autorreferencial. De cualquier sistema lógico que sea incluso remotamente complicado. Se piensa que esto indica que no hay un gran sistema matemático capaz de probar o refutar todas las afirmaciones. Una declaración indecidible se puede considerar como una forma matemática de una declaración como "Siempre miento". Debido a que la declaración hace referencia al lenguaje que se usa para describirla, no se puede saber si la declaración es verdadera o no. Sin embargo, una declaración indecidible no necesita ser explícitamente auto-referencial para ser indecidible. La conclusión principal de los teoremas de incompletitud de Gödel es que todos los sistemas lógicos tendrán afirmaciones que no pueden ser probadas o refutadas; por lo tanto, todos los sistemas lógicos deben estar "incompletos".

Las implicaciones filosóficas de estos teoremas están muy extendidas. 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 verdad, no se puede probar que sean ciertas. 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 conocer, incluso si nuestras mentes son consistentes (es decir, 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 probar su propia consistencia, lo que significa que ninguna mente sana puede probar su propia cordura. Además, como esa misma ley establece que cualquier sistema capaz de demostrar su consistencia debe ser inconsistente, cualquier mente que crea que puede probar su propia cordura es, por lo tanto, una locura.