10 choses étranges à propos de l'univers

L'univers peut être un endroit très étrange. Bien que des idées novatrices telles que la théorie quantique, la relativité et même la Terre entourant le Soleil puissent être communément acceptées, la science continue de montrer que l'univers contient des choses que vous pourriez avoir du mal à croire, et encore plus difficile à comprendre. .

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L'énergie négative

Théoriquement, la température la plus basse pouvant être atteinte est le zéro absolu, exactement 273,15 ° C, où le mouvement de toutes les particules s’arrête complètement. Cependant, vous ne pouvez jamais réellement refroidir quelque chose à cette température car, en mécanique quantique, chaque particule a une énergie minimale, appelée «énergie du point zéro», que vous ne pouvez pas obtenir en dessous. Remarquablement, cette énergie minimale ne s’applique pas seulement aux particules, mais à tous les aspirateurs dont l’énergie est appelée «énergie du vide». Pour montrer que cette énergie existe, il faut une expérience assez simple: prendre deux plaques de métal dans le vide, placez-les à proximité. ensemble, et ils seront attirés l'un vers l'autre. Cela est dû au fait que l’énergie entre les plaques ne peut résonner qu’à certaines fréquences, tandis qu’à l’extérieur des plaques, l’énergie du vide peut résonner à peu près n’importe quelle fréquence. Parce que l'énergie à l'extérieur des plaques est supérieure à l'énergie entre les plaques, les plaques sont poussées l'une vers l'autre. Au fur et à mesure que les plaques se rapprochent, la force augmente et à environ 10 nm de distance, cet effet (appelé effet Casimir) crée une atmosphère de pression entre elles. Parce que les plaques réduisent l'énergie du vide entre elles au-dessous de l'énergie du point zéro normale, on dit que l'espace contient une énergie négative, qui possède des propriétés inhabituelles.

L'une des propriétés d'un vide à énergie négative est que la lumière voyage plus rapidement à l'intérieur que dans un vide normal, ce qui peut un jour permettre aux gens de voyager plus vite que la vitesse de la lumière dans une sorte de bulle de vide à énergie négative. . L'énergie négative pourrait également être utilisée pour maintenir ouvert un trou de ver transverse qui, bien que théoriquement possible, s'effondrerait dès qu'il aurait été créé sans moyen de le maintenir ouvert. L'énergie négative provoque également l'évaporation des trous noirs. L'énergie du vide est souvent modélisée sous forme de particules virtuelles apparaissant et annihilant. Cela ne viole aucune loi de conservation d'énergie tant que les particules sont annihilées peu de temps après. Cependant, si deux particules sont produites à l'horizon des événements d'un trou noir, l'une peut s'éloigner du trou noir, tandis que l'autre y tombe. Cela signifie qu'ils ne seront pas en mesure d'annihiler, de sorte que les particules finissent toutes les deux par une énergie négative. Lorsque la particule d’énergie négative tombe dans le trou noir, elle diminue la masse du trou noir au lieu de s’ajouter à celui-ci et, avec le temps, de telles particules feront évaporer complètement le trou noir. Parce que cette théorie a été suggérée par Stephen Hawking, les particules émises par cet effet (celles qui ne tombent pas dans le trou noir) sont appelées rayonnement de Hawking. Ce fut la première théorie acceptée à combiner la théorie quantique avec la relativité générale, ce qui en fait la plus grande réussite scientifique de Hawking à ce jour.

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Cadre glissant

Une des prédictions de la théorie de la relativité générale d'Einstein est la suivante: lorsqu'un objet volumineux bouge, il entraîne l'espace-temps autour de lui, entraînant également les objets voisins. Cela peut se produire lorsqu'un objet volumineux se déplace en ligne droite ou tourne, et bien que l'effet soit très petit, il a été vérifié expérimentalement. L’expérience Gravity Probe B, lancée en 2004, visait à mesurer la distorsion espace-temps près de la Terre. Bien que les sources de brouillage aient été plus importantes que prévu, l'effet de traînée de trame a été mesuré avec une incertitude de 15%, une analyse plus poussée espérant pouvoir la réduire davantage.

Les effets attendus étaient très proches des prévisions: en raison de la rotation de la Terre, la sonde a été retirée de son orbite d’environ 2 mètres par an, un effet uniquement causé par la masse de la Terre qui déforme l’espace-temps qui l’entoure. La sonde elle-même ne ressentirait pas cette accélération supplémentaire, car elle ne serait pas causée par une accélération sur la sonde, mais plutôt sur l'espace-temps où la sonde se déplaçait de manière analogue à un tapis tiré sous une table, plutôt que de déplacer la table elle-même. .

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Relativité de la simultanéité

La relativité de la simultanéité est l’idée que le fait que deux événements se produisent simultanément ou non est relatif et dépend de l’observateur. C'est une conséquence étrange de la théorie de la relativité restreinte, et s'applique à tous les événements qui se produisent et qui sont séparés par une certaine distance. Par exemple, si un feu d'artifice est lancé sur Mars et un autre sur Vénus, un observateur voyageant dans l'espace d'une manière peut dire qu'ils se produisent en même temps (en compensant le temps qu'il faut à la lumière pour les atteindre), tandis qu'un autre observateur voyageant dans une autre direction pourrait disons que celui sur Mars est parti le premier, et encore un autre pourrait dire que celui sur Vénus est parti le premier. Cela est dû à la façon dont différents points de vue sont déformés les uns par rapport aux autres en relativité restreinte. Et comme ils sont tous relatifs, aucun observateur ne peut être considéré comme ayant le bon point de vue.

Cela peut conduire à des scénarios très inhabituels, tels qu'un observateur constatant un effet avant la cause (par exemple, voir une bombe exploser, puis voir plus tard quelqu'un allumer le fusible). Cependant, une fois que l'observateur a constaté l'effet, ils ne peuvent pas interagir avec la cause sans voyager plus vite que la vitesse de la lumière, ce qui était l'une des premières raisons pour lesquelles on croyait que les voyages plus rapides que la lumière étaient interdits, car cela s'apparente au voyage dans le temps. et un univers dans lequel vous pouvez interagir avec la cause une fois que l’effet n’a aucun sens.

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Cordes Noires

L'un des mystères les plus anciens de la physique est la relation entre la gravité et les autres forces fondamentales, telles que l'électromagnétisme. Une théorie, proposée pour la première fois en 1919, montrait que si une dimension supplémentaire était ajoutée à l'univers, la gravité existait toujours dans les quatre premières dimensions (trois dimensions spatiales et le temps), mais la manière dont cet espace quadri-dimensionnel courbait la cinquième dimension supplémentaire, produit naturellement les autres forces fondamentales. Cependant, nous ne pouvons ni voir ni détecter cette cinquième dimension. Il a donc été proposé que la dimension supplémentaire soit enroulée et devienne donc invisible pour nous. Cette théorie a finalement conduit à la théorie des cordes et est toujours incluse au cœur de la plupart des analyses de la théorie des cordes.

Comme cette dimension supplémentaire est si petite, seuls des objets minuscules, tels que des particules, peuvent s'y déplacer. Dans ces cas, ils finissent par aboutir à leur point de départ, car la dimension supplémentaire est repliée sur elle-même. Cependant, un objet qui devient beaucoup plus complexe dans cinq dimensions est un trou noir. Lorsqu'il est étendu à cinq dimensions, il devient une «chaîne noire» et, contrairement à un trou noir 4D normal, il est instable (cela ignore le fait que les trous noirs 4D s'évaporent éventuellement). Cette chaîne noire va se déstabiliser en une chaîne complète de trous noirs, reliés par d'autres chaînes noires, jusqu'à ce que les chaînes noires soient entièrement pincées et quittent l'ensemble des trous noirs. Ces multiples trous noirs 4D se combinent ensuite en un trou noir plus grand. La chose la plus intéressante à ce sujet est que, avec les modèles actuels, le trou noir final est une singularité «nue». C'est-à-dire qu'il n'y a pas d'horizon des événements qui l'entoure. Cela viole l'hypothèse de la censure cosmique, qui dit que toutes les singularités doivent être entourées d'un horizon d'événements, afin d'éviter les effets de voyage dans le temps qui se produiraient près d'une singularité de changer l'histoire de l'univers entier, car ils ne peuvent jamais s'échapper de derrière un horizon d'événements.

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Geon

Comme le montre bien l'équation E = MC, l'énergie et la matière sont fondamentalement liées. Un effet de ceci est que l’énergie, ainsi que la masse, crée un champ gravitationnel. Un géon, étudié pour la première fois par John Wheeler en 1955, est une onde électromagnétique ou gravitationnelle dont l’énergie crée un champ gravitationnel qui, à son tour, maintient l’onde elle-même dans un espace confiné. Wheeler a émis l'hypothèse qu'il pourrait exister un lien entre des géons microscopiques et des particules élémentaires et qu'il pourrait même s'agir de la même chose. Un exemple plus extrême est un «kugelblitz» (en allemand «boule de foudre»), où se concentre une lumière si intense en un point particulier, que la gravité causée par l’énergie lumineuse devient suffisamment forte pour s’effondrer dans un trou noir, piégeant le lumière à l'intérieur. Bien que rien ne soit censé empêcher la formation d'un kugelblitz, on ne pense plus que les geons puissent se former temporairement, car ils vont inévitablement perdre de l'énergie et s'effondrer. Ceci indique malheureusement que la conjecture initiale de Wheeler était incorrecte, mais cela n’a pas été définitivement prouvé.

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Kerr Black Hole

Le type de trou noir que la plupart des gens connaissent, qui comporte un horizon d'événements extérieur servant de «point de non-retour» et un point singulier de densité infinie à l'intérieur, porte en fait un nom plus spécifique: un trou noir de Schwarzschild. . Il tire son nom de Karl Schwarzschild, qui a trouvé la solution mathématique des équations de champ d'Einstein pour une masse sphérique non rotative en 1915, un mois seulement après qu'Einstein ait publié sa théorie générale de la relativité. Cependant, ce n’est qu’en 1963 que le mathématicien Roy Kerr trouve la solution pour une masse sphérique en rotation. Par conséquent, un trou noir en rotation s'appelle un trou noir de Kerr et possède des propriétés inhabituelles.

Au centre d'un trou noir de Kerr, il n'y a pas de singularité, mais plutôt une singularité d'anneau - un anneau unidimensionnel en rotation maintenu ouvert par son propre élan. Il existe également deux horizons d’événement, l’intérieur et l’extérieur, et un ellipsoïde appelé ergosphère, dans lequel l’espace-temps lui-même tourne avec le trou noir (à cause du glissement du cadre) plus rapidement que la vitesse de la lumière. En entrant dans le trou noir, en passant par l'horizon des événements extérieurs, les chemins ressemblant à l'espace deviennent comme du temps, ce qui signifie qu'il est impossible d'éviter la singularité au centre, tout comme dans un trou noir de Schwarzschild. Cependant, lorsque vous passez à l’horizon des événements intérieurs, votre chemin redevient comme un espace. La différence est la suivante: l'espace-temps lui-même est inversé. Cela signifie que la gravité près de la singularité de l'anneau devient répulsive et vous éloigne réellement du centre. En fait, à moins d'entrer dans le trou noir exactement sur l'équateur, il est impossible de frapper la singularité de l'anneau lui-même. De plus, les singularités d'anneau peuvent être liées à travers l'espace-temps, elles peuvent donc agir comme des trous de ver, bien qu'il soit impossible de sortir du trou noir de l'autre côté (à moins que ce ne soit une singularité nue, éventuellement créée lorsque la singularité d'anneau tourne assez vite). Voyager à travers une singularité d'anneau pourrait vous mener à un autre point de l'espace-temps, tel qu'un autre univers, où vous pourriez voir de la lumière entrer de l'extérieur du trou noir, sans pour autant quitter le trou noir lui-même. Cela pourrait même vous mener à un «trou blanc» dans un univers négatif, dont la signification exacte est inconnue.

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Tunneling Quantique

La tunnelisation quantique est un effet lorsqu'une particule peut passer à travers une barrière qu'elle n'aurait normalement pas l'énergie de vaincre. Cela peut permettre à une particule de passer à travers une barrière physique qui devrait être impénétrable, ou peut permettre à un électron de s'échapper de l'attraction du noyau sans avoir l'énergie cinétique de le faire.Selon la mécanique quantique, il y a une probabilité finie que n'importe quelle particule puisse être trouvée n'importe où dans l'univers, bien que cette probabilité soit astronomiquement petite pour toute distance réelle du chemin attendu des particules.

Cependant, lorsque la particule est confrontée à une barrière suffisamment petite (environ 1 à 3 nm de large), une probabilité que les calculs conventionnels indiqueraient impénétrable par la particule, la probabilité que la particule passe simplement à travers cette barrière devient assez perceptible. Cela peut s'expliquer par le principe d'incertitude de Heisenberg, qui limite la quantité d'informations pouvant être connues sur une particule. Une particule peut «emprunter» l'énergie du système dans lequel elle agit, l'utiliser pour passer à travers la barrière, puis la perdre à nouveau.

Le tunneling quantique est impliqué dans de nombreux processus physiques, tels que la désintégration radioactive et la fusion nucléaire qui se produit dans le Soleil. Il est également utilisé dans certains composants électriques et il a même été démontré qu'il se produit dans les enzymes des systèmes biologiques. Par exemple, l'enzyme glucose oxydase, qui catalyse la réaction du glucose en peroxyde d'hydrogène, implique le tunneling quantique d'un atome d'oxygène entier. Le tunneling quantique est également une caractéristique clé du microscope à effet tunnel, la première machine à permettre l'imagerie et la manipulation d'atomes individuels. Il fonctionne en mesurant la tension dans une pointe très fine, qui change lorsqu'elle se rapproche d'une surface en raison de l'effet des électrons qui creusent un tunnel à travers le vide (connu sous le nom de «zone interdite») entre eux. Cela donne à l'appareil la sensibilité nécessaire pour créer des images à résolution extrêmement élevée. Il permet également au dispositif de déplacer des atomes en mettant délibérément un courant à travers la pointe conductrice.

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Cordes Cosmiques

Peu après le Big Bang, l’univers était dans un état de désordre et de chaos extrême. Cela signifie que de petits changements et des défauts n'ont pas changé la structure globale de l'univers. Cependant, lorsque l’univers s’est élargi, a refroidi et est passé d’un état désordonné à un état ordonné, il a atteint un point où de très petites fluctuations ont créé de très grands changements.

Cela revient à disposer les carreaux uniformément sur un sol. Quand une tuile est posée de manière inégale, cela signifie que les tuiles suivantes seront placées selon son motif. Par conséquent, vous avez toute une ligne de tuiles hors de propos. Ceci est similaire aux objets appelés cordes cosmiques, qui sont des défauts extrêmement minces et extrêmement longs dans la forme de l'espace-temps. La plupart des modèles de l'univers prédisent ces chaînes cosmiques, telles que la théorie des cordes dans laquelle deux types de «chaînes» ne sont pas liés. S'ils existent, chaque chaîne serait aussi fine qu'un proton, mais incroyablement dense. Ainsi, une chaîne cosmique d'un kilomètre de long peut peser autant que la Terre. Cependant, cela n'aurait pas réellement de gravité et le seul effet que cela aurait sur la matière qui l'entourerait serait la façon dont il changerait la forme et la forme de l'espace-temps. Par conséquent, une chaîne cosmique est essentiellement une "ride" en forme d'espace-temps.

On pense que les cordes cosmiques sont incroyablement longues, jusqu’à l’ordre des tailles de milliers de galaxies. En fait, des observations et des simulations récentes ont suggéré qu'un réseau de cordes cosmiques s'étend sur tout l'univers. On pensait autrefois que c’était la raison pour laquelle les galaxies se formaient dans des complexes de superamas, bien que cette idée ait été abandonnée depuis. Les complexes de superamas sont constitués de «filaments» connectés de galaxies pouvant atteindre un milliard d'années-lumière. En raison des effets uniques des chaînes cosmiques sur l'espace-temps lorsque vous rapprochez deux chaînes, il a été démontré qu'elles pourraient éventuellement être utilisées pour les voyages dans le temps, comme pour la plupart des éléments de cette liste. Les cordes cosmiques créeraient également des ondes gravitationnelles incroyables, plus fortes que toute autre source connue. Ces détecteurs sont conçus pour les détecteurs d’ondes gravitationnels actuels et prévus.

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Rétrocausalité de l'antimatière

L'antimatière est le contraire de la matière. Il a la même masse mais avec une charge électrique opposée. John Wheeler et le Prix Nobel Richard Feynman, lauréat du prix Nobel Richardson, ont élaboré une théorie fondée sur l'idée que les systèmes physiques devraient être réversibles dans le temps. Par exemple, les orbites de notre système solaire, si elles sont jouées à l'envers, doivent toujours obéir aux mêmes règles que lorsqu'elles sont jouées à l'avant. Cela a conduit à l’idée que l’antimatière n’est qu’une matière ordinaire allant en arrière dans le temps, ce qui expliquerait pourquoi les antiparticules ont une charge opposée, car si un électron est repoussé en avançant dans le temps, puis en arrière dans le temps, cela devient une attraction. Cela explique également pourquoi la matière et l'antimatière s'annulent. Ce n'est pas une circonstance où deux particules se brisent et se détruisent; c'est la même particule qui s'arrête soudainement et qui remonte dans le temps. Dans le vide, où une paire de particules virtuelles sont produites puis annihilées, il ne s’agit en fait que d’une particule allant dans une boucle sans fin, qui avance dans le temps, puis qui retourne, puis qui avance.

Bien que l'exactitude de cette théorie fasse encore l'objet de débats, traiter l'antimatière comme une matière remontant dans le temps aboutit mathématiquement à des solutions identiques à d'autres théories plus conventionnelles. Lorsqu’elle a été théorisée pour la première fois, John Wheeler a déclaré qu’elle répondait peut-être à la question de savoir pourquoi tous les électrons de l’univers ont des propriétés identiques, une question si évidente qu’elle est généralement ignorée. Il a suggéré qu'il ne s'agissait que d'un seul électron, parcourant constamment l'univers, du Big Bang à la fin des temps, et inversement, en continuant un nombre incalculable de fois.Même si cette idée implique un aller-retour dans le temps, elle ne peut pas être utilisée pour renvoyer des informations dans le passé, car les mathématiques du modèle ne le permettent tout simplement pas. Vous ne pouvez pas déplacer une pièce d'antimatière pour affecter le passé, car en le déplaçant, vous n'affectez que le passé de l'antimatière elle-même, c'est-à-dire votre avenir.

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Théorèmes d'inachèvement de Gödel

Ce n'est pas strictement de la science, mais plutôt un ensemble très intéressant de théorèmes mathématiques sur la logique et la philosophie qui sont certainement pertinents pour la science dans son ensemble. Prouvées en 1931 par Kurt Gödel, ces théories disent qu'avec n'importe quel ensemble de règles logiques, à l'exception des plus simples, il y aura toujours des déclarations indécidables, ce qui signifie qu'elles ne peuvent être ni prouvées ni réfutées en raison de la nature inévitable de l'autoréférentiel. de tout système logique qui est même compliqué à distance. Cela semble indiquer qu’il n’existe aucun grand système mathématique capable de prouver ou de réfuter toutes les affirmations. Une déclaration indécidable peut être considérée comme une forme mathématique d'une déclaration telle que «je mens toujours». Étant donné que la déclaration fait référence au langage utilisé pour la décrire, il est impossible de savoir si la déclaration est vraie ou non. Cependant, une déclaration indécidable n'a pas besoin d'être explicitement auto-référentielle pour être indécidable. La conclusion principale des théorèmes d'inachèvement de Gödel est que tous les systèmes logiques auront des déclarations qui ne peuvent être ni prouvées ni réfutées; par conséquent, tous les systèmes logiques doivent être «incomplets».

Les implications philosophiques de ces théorèmes sont très répandues. L'ensemble suggère qu'en physique, une «théorie de tout» peut être impossible, car aucun ensemble de règles ne peut expliquer chaque événement ou résultat possible. Cela indique également que logiquement, la «preuve» est un concept plus faible que le «vrai»; Un tel concept est déconcertant pour les scientifiques car il signifie qu'il y aura toujours des choses qui, même si elles sont vraies, ne peuvent pas être prouvées vraies. Puisque cet ensemble de théorèmes s’applique également aux ordinateurs, cela signifie également que nos propres esprits sont incomplets et que nous ne pouvons jamais connaître certaines idées, notamment si nos propres esprits sont cohérents (c’est-à-dire que notre raisonnement ne contient pas de contradictions incorrectes). En effet, le second des théorèmes d'incomplétude de Gödel stipule qu'aucun système cohérent ne peut prouver sa propre cohérence, ce qui signifie qu'aucun esprit sain ne peut prouver sa propre santé mentale. De plus, puisque cette même loi stipule que tout système capable de prouver sa cohérence doit être incohérent, tout esprit qui croit pouvoir prouver sa propre santé mentale est donc fou.