10 découvertes hallucinantes en physique

L'étude de la physique est l'étude de l'univers et plus précisément de la manière dont fonctionne l'univers. C'est sans doute la branche la plus intéressante de la science, car l'univers, en l'occurrence, est bien plus compliqué qu'il n'y paraît à la surface (et cela a déjà l'air assez compliqué). Le monde fonctionne d'une manière vraiment étrange, et bien que vous ayez besoin d'un doctorat pour comprendre pourquoi, vous avez seulement besoin d'un sentiment de crainte pour comprendre comment. Voici dix des choses les plus étonnantes que les physiciens ont découvertes sur notre univers:

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Le temps s'arrête à la vitesse de la lumière

Selon la théorie de la relativité restreinte d'Einstein, la vitesse de la lumière ne peut jamais changer - elle est toujours bloquée à environ 300 000 000 mètres / seconde, peu importe qui l'observe. Cela en soi est assez incroyable, étant donné que rien ne peut aller plus vite que la lumière, mais cela reste très théorique. La partie vraiment cool de la relativité restreinte est une idée appelée dilatation temporelle, qui stipule que plus vous avancez rapidement, plus le temps passe lentement par rapport à ce qui vous entoure. Sérieusement, si vous allez faire un tour en voiture pendant une heure, vous aurez vieilli de manière légèrement inférieure à celle que vous aviez si vous veniez de vous asseoir à la maison sur votre ordinateur. Les nanosecondes supplémentaires que vous en retirez ne valent peut-être pas le prix de l'essence, mais bon, c'est une option.

Bien sûr, le temps ne peut que ralentir autant et la formule fonctionne de sorte que, si vous vous déplacez à la vitesse de la lumière, le temps ne bouge pas du tout. Maintenant, avant de sortir et d'essayer un schéma get-immortal-quick, il suffit de noter que bouger à la vitesse de la lumière n'est vraiment pas possible, à moins d'être réellement composé de lumière. Techniquement parlant, aller aussi vite nécessiterait une quantité d'énergie infinie (et pour ma part, je n'ai pas ce genre de jus en train de traîner).

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Enchevêtrement quantique

Bon, nous venons juste de finir de convenir que rien ne peut aller plus vite que la vitesse de la lumière, n'est-ce pas? Eh bien… oui et non. Bien que cela reste techniquement vrai, du moins en théorie, il s'avère qu'il y a une faille dans la branche époustouflante de la physique connue sous le nom de mécanique quantique.

La mécanique quantique, en substance, est l'étude de la physique à l'échelle microscopique, telle que le comportement des particules subatomiques. Ces types de particules sont incroyablement petites, mais très importantes, car elles constituent la pierre angulaire de tout ce qui se trouve dans l'univers. Je vais laisser les détails techniques de côté pour le moment (ça devient assez compliqué), mais vous pouvez les imaginer comme de minuscules billes en rotation, chargées électriquement. Ok, c'est peut-être compliqué aussi. Il suffit de rouler avec elle (jeu de mots voulu).

Donc, disons que nous avons deux électrons (une particule subatomique avec une charge négative). L'enchevêtrement quantique est un processus spécial qui consiste à jumeler ces particules de manière à ce qu'elles deviennent identiques (billes ayant le même spin et la même charge). Quand cela se produit, les choses deviennent bizarres car, à partir de maintenant, ces électrons restent identiques. Cela signifie que si vous en changez un, par exemple, faites-le tourner dans l'autre sens, son jumeau réagit exactement de la même manière. Immédiatement. Peu importe où c'est. Sans même le toucher. Les implications de ce processus sont énormes - cela signifie que l'information (dans ce cas, la direction du spin) peut essentiellement être téléportée n'importe où dans l'univers.

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La lumière est affectée par la gravité

Mais revenons un peu à la lumière et parlons de la théorie de la relativité générale cette fois-ci (également par Einstein). Celui-ci implique une idée appelée déviation de la lumière, qui correspond exactement à ce que cela ressemble: le trajet d'un faisceau de lumière n'est pas entièrement rectiligne.

Aussi étrange que cela puisse paraître, cela a été prouvé à maintes reprises (Einstein s'est même fait défiler en son honneur pour le prédire correctement). Cela signifie que, même si la lumière n'a pas de masse, son chemin est affecté par des choses qui le font, comme le soleil. Donc, si un rayon de lumière venant d'une étoile lointaine passe assez près du soleil, il se pliera légèrement autour de lui. L'effet sur un observateur - tel que nous - est que nous voyons l'étoile dans un endroit du ciel différent de celui où elle se trouve (tout comme les poissons d'un lac ne sont jamais à l'endroit où ils semblent être). Rappelez-vous que la prochaine fois que vous regarderez les étoiles, cela pourrait être simplement un tour de passe-passe.

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Matière noire

Grâce aux théories déjà discutées (et à bien d’autres encore), les physiciens disposent de moyens assez précis pour mesurer la masse totale présente dans l’univers. Ils ont également des moyens assez précis de mesurer la masse totale que nous pouvons observer, et voici la torsion: les deux chiffres ne concordent pas.

En fait, la quantité de masse totale dans l'univers est beaucoup plus grande que la masse totale que nous pouvons réellement comptabiliser. Les physiciens ont été forcés de trouver une explication à cela, et la théorie principale implique actuellement la matière noire, une substance mystérieuse qui n'émet aucune lumière et représente environ 95% de la masse de l'univers. Bien qu'il n'ait pas été prouvé formellement qu'il existe (parce que nous ne pouvons pas le voir), la matière noire s'appuie sur une tonne de preuves et doit exister sous une forme ou une autre pour expliquer l'univers.

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Notre univers est en pleine expansion

Voici où les choses se gâtent un peu, et pour comprendre pourquoi, nous devons revenir à la théorie du Big Bang. Avant qu'il ne s'agisse d'une émission télévisée, la Big Bang Theory était une explication importante de l'origine de notre univers. Dans la plus simple analogie possible, cela a fonctionné un peu comme ceci: l'univers a commencé comme une explosion. Des débris (planètes, étoiles, etc.) ont été jetés dans toutes les directions, entraînés par l'énorme énergie de l'explosion. Parce que tous ces débris sont si lourds, et donc affectés par la gravité de tout ce qui se trouve derrière, nous nous attendons à ce que cette explosion ralentisse au bout d’un moment.

Ce n'est pas.En fait, l'expansion de notre univers s'accélère de plus en plus avec le temps, ce qui est aussi fou que si vous jetiez une balle de baseball qui allait de plus en plus vite au lieu de retomber sur le sol (mais n'essayez pas cela à la maison). Cela signifie en effet que l'espace est en croissance constante. La seule façon d'expliquer cela est d'utiliser la matière noire, ou plus précisément l'énergie noire, qui est le moteur de cette accélération cosmique. Alors qu'est-ce que le monde est l'énergie noire, vous demandez? Eh bien, c'est une autre chose intéressante…

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Toute la matière n'est que de l'énergie

C'est vrai, la matière et l'énergie ne sont que les deux faces d'une même pièce. En fait, vous avez connu cela toute votre vie, si vous avez déjà entendu parler de la formule E = mc ^ 2. Le E est pour l'énergie et le m représente la masse. La quantité d'énergie contenue dans une quantité donnée de masse est déterminée par le facteur de conversion c au carré, où c représente l'attente, la vitesse de la lumière.

L’explication de ce phénomène est vraiment fascinante et tient au fait que la masse d’un objet augmente à mesure qu’elle se rapproche de la vitesse de la lumière (alors même que le temps ralentit). Cependant, c'est assez compliqué, alors pour les besoins de cet article, je vais simplement vous assurer que c'est vrai. Pour preuve (malheureusement), ne cherchez pas plus loin que les bombes atomiques, qui convertissent de très petites quantités de matière en très grandes quantités d’énergie.

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Dualité onde-particule

En parlant de choses qui sont autre chose…

À première vue, les particules (comme un électron) et les ondes (comme la lumière) ne pourraient être plus différentes. L'un est un bloc solide de matière et l'autre est un faisceau d'énergie rayonnant, en quelque sorte. Ce sont des pommes et des oranges. Mais il se trouve que la lumière et les électrons ne peuvent pas être confinés à un seul état d'existence: ils agissent à la fois comme des particules et des ondes, en fonction de la personne qui regarde.

Non sérieusement. Je sais que cela semble ridicule (et que cela paraîtra encore plus fou quand nous arriverons au numéro 1), mais il existe des preuves concrètes qui prouvent que la lumière est une onde et d'autres preuves concrètes qui prouvent que la lumière est une particule (idem pour les électrons). C'est juste… les deux. En même temps. Pas une sorte d'état intermédiaire entre les deux, remarquez-le physiquement, dans le sens où ce peut être l'un ou l'autre. Ne vous inquiétez pas si cela n’a pas beaucoup de sens, car nous sommes de nouveau dans le domaine de la mécanique quantique, et à ce niveau, l’univers n’aime pas être interprété de toute façon.

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Tous les objets tombent à la même vitesse

Calmes les choses quelques instants, car la physique moderne a beaucoup à prendre en même temps. Ce n'est pas grave, la physique classique a également révélé des concepts plutôt intéressants.

On vous pardonnerait de supposer que les objets lourds tombent plus rapidement que les objets plus légers - cela semble être du bon sens et, de plus, vous savez pertinemment qu'une boule de bowling tombe plus rapidement qu'une plume. Et c'est vrai, mais cela n'a rien à voir avec la gravité - la seule raison pour laquelle cela se produit est que l'atmosphère de la Terre fournit une résistance. En réalité, comme Galileo l’a réalisé pour la première fois il y a environ 400 ans, la gravité fonctionne de la même manière sur tous les objets, quelle que soit leur masse. Cela signifie que si vous répétez l'expérience de plume / boule de bowling sur la Lune (qui n'a pas d'atmosphère), elles toucheront le sol exactement au même moment.

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Mousse Quantique

D'accord, fais une pause. Les choses vont redevenir bizarres.

On pourrait penser que l’espace vide est ce qu’il ya à dire. Cela semble être une hypothèse plutôt sûre - c'est dans le nom, après tout. Mais, il se trouve que l’univers est trop agité pour supporter cela, c’est la raison pour laquelle des particules apparaissent et disparaissent constamment. On les appelle particules virtuelles, mais ne vous y trompez pas: elles sont réelles et éprouvées. Ils n'existent que pendant une fraction de seconde, ce qui est suffisamment long pour enfreindre certaines lois fondamentales de la physique, mais suffisamment rapide pour que cela n'ait aucune importance (comme si vous voliez quelque chose dans un magasin, mais le remettiez sur l'étagère un demi-siècle plus tard. seconde plus tard). Les scientifiques ont qualifié ce phénomène de «mousse quantique», parce qu'apparemment cela leur rappelait les bulles mouvantes dans la tête d'une boisson non alcoolisée.

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L'expérience de la double fente

Alors rappelez-vous quelques entrées il y a quelques années, quand j'ai dit que tout était à la fois une onde et une particule? Bien sûr que vous faites, vous avez suivi méticuleusement. Mais voici l'autre chose - vous savez par expérience que les choses ont des formes bien définies - une pomme dans votre main est une pomme, pas quelque chose de bizarre comme une vague de pomme. Alors, qu'est-ce qui fait alors que quelque chose devienne définitivement une particule ou une onde? En fait, nous le faisons.

L’expérience de la double fente est la chose la plus insensée que vous ayez vue toute la journée et elle fonctionne comme ceci: les scientifiques installent un écran avec deux fentes devant un mur et projettent un faisceau de lumière à travers les fentes pour pouvoir voir où il a frappé le mur. Traditionnellement, la lumière étant une onde, elle présentait un motif appelé diffraction, et une bande de lumière se diffusait à travers le mur. C'est la valeur par défaut. Si vous configurez l'expérience maintenant, c'est ce que vous verriez.

Mais ce n'est pas ainsi que les particules réagiraient à une double fente: elles iraient simplement de part en part pour créer deux lignes sur le mur qui correspondent aux fentes. Et si la lumière est une particule, pourquoi n’at-elle pas cette propriété au lieu d’un motif de diffraction? La réponse est que oui, mais seulement si nous le voulons. Vous voyez, comme une onde, la lumière traverse les deux fentes en même temps, mais comme une particule, elle ne peut voyager que par une seule. Donc, si nous voulons qu’elle agisse comme une particule, tout ce que nous avons à faire est de mettre en place un outil permettant de mesurer avec précision à quelle fente passe chaque bit de lumière (appelé photon).Imaginez-le comme une caméra. S'il prend une photo de chaque photon lorsqu'il passe à travers une seule fente, ce photon ne peut pas avoir traversé les deux fentes et ne peut donc pas être une onde. En conséquence, le motif d'interférence sur le mur n'apparaîtra pas - les deux lignes apparaîtront à la place. La lumière aura agi comme une particule simplement parce que nous avons placé une caméra devant elle. Nous changeons physiquement le résultat simplement en le mesurant.

Il s’appelle l’effet Observer, d’une manière générale, et bien que ce soit un bon moyen de mettre fin à cet article, il n’efface même pas la surface des choses folles que l’on trouve en physique. Par exemple, il existe toute une série de variantes de l'expérience à double fente qui sont encore plus insensées que celle dont j'ai parlé ici. Je vous encourage à les consulter, mais seulement si vous êtes prêt à passer toute la journée à vous perdre dans la mécanique quantique.