O universo pode ser um lugar muito estranho. Embora ideias inovadoras como a teoria quântica, a relatividade e até mesmo a Terra girando em torno do Sol possam ser comumente aceitas agora, a ciência ainda continua a mostrar que o universo contém coisas nas quais você pode achar difícil de acreditar, e ainda mais difícil de entender. .
Teoricamente, a temperatura mais baixa que pode ser alcançada é o zero absoluto, exatamente ?273,15°C, onde o movimento de todas as partículas para completamente. No entanto, nunca é possível arrefecer algo até esta temperatura porque, na mecânica quântica, cada partícula tem uma energia mínima, chamada “energia do ponto zero”, que não pode ser inferior. Notavelmente, esta energia mínima não se aplica apenas às partículas, mas a qualquer vácuo, cuja energia é chamada “energia do vácuo”. Para mostrar que esta energia existe envolve uma experiência bastante simples – pegue duas placas de metal no vácuo, coloque-as próximas uma da outra e elas serão atraídas uma pela outra. Isso é causado pelo fato de a energia entre as placas só poder ressoar em certas frequências, enquanto fora das placas a energia do vácuo pode ressoar praticamente em qualquer frequência. Como a energia fora das placas é maior que a energia entre as placas, as placas são empurradas uma em direção à outra. À medida que as placas se aproximam, a força aumenta e, a uma separação de cerca de 10 nm, este efeito (chamado efeito Casimir) cria uma atmosfera de pressão entre elas. Como as placas reduzem a energia do vácuo entre elas abaixo da energia normal do ponto zero, diz-se que o espaço tem energia negativa, que possui algumas propriedades incomuns.
Uma das propriedades de um vácuo de energia negativa é que a luz viaja mais rápido nele do que no vácuo normal, algo que um dia pode permitir que as pessoas viajem mais rápido que a velocidade da luz em uma espécie de bolha de vácuo de energia negativa. . A energia negativa também poderia ser usada para manter aberto um buraco de minhoca transversível, que embora teoricamente possível, entraria em colapso assim que fosse criado, sem meios de mantê-lo aberto. A energia negativa também faz com que os buracos negros evaporem. A energia do vácuo é frequentemente modelada como partículas virtuais surgindo e se aniquilando. Isto não viola nenhuma lei de conservação de energia, desde que as partículas sejam aniquiladas pouco depois. No entanto, se duas partículas forem produzidas no horizonte de eventos de um buraco negro, uma pode afastar-se do buraco negro, enquanto a outra cai dentro dele. Isso significa que eles não serão capazes de aniquilar, então ambas as partículas acabam com energia negativa. Quando a partícula de energia negativa cai no buraco negro, ela diminui a massa do buraco negro em vez de aumentá-la e, com o tempo, partículas como essas farão com que o buraco negro evapore completamente. Como esta teoria foi sugerida pela primeira vez por Stephen Hawking, as partículas emitidas por este efeito (aquelas que não caem no buraco negro) são chamadas de radiação Hawking. Foi a primeira teoria aceita a unir a teoria quântica com a relatividade geral, tornando-se a maior conquista científica de Hawking até hoje.
Uma previsão da teoria da relatividade geral de Einstein é que quando um objeto grande se move, ele arrasta o espaço-tempo ao seu redor, fazendo com que objetos próximos também sejam puxados. Pode ocorrer quando um objeto grande se move em linha reta ou gira e, embora o efeito seja muito pequeno, foi verificado experimentalmente. O experimento Gravity Probe B, lançado em 2004, foi projetado para medir a distorção do espaço-tempo perto da Terra. Embora as fontes de interferência fossem maiores do que o esperado, o efeito de arrastamento do quadro foi medido com uma incerteza de 15%, com análises adicionais esperando reduzir ainda mais este valor.
Os efeitos esperados estavam muito próximos das previsões: devido à rotação da Terra, a sonda foi puxada da sua órbita cerca de 2 metros por ano, um efeito causado puramente pela massa da Terra distorcendo o espaço-tempo que a rodeia. A própria sonda não sentiria essa aceleração extra porque ela não é causada por uma aceleração na sonda, mas sim no espaço-tempo pelo qual a sonda está viajando – análogo a um tapete sendo puxado para baixo de uma mesa, em vez de mover a própria mesa .
A relatividade da simultaneidade é a ideia de que se dois eventos ocorrem simultaneamente ou não é relativo e depende do observador. É uma consequência estranha da teoria da relatividade especial e aplica-se a quaisquer eventos que ocorram e que estejam separados por alguma distância. Por exemplo, se um fogo de artifício for lançado em Marte e outro em Vênus, um observador viajando pelo espaço em uma direção poderia dizer que eles acontecem ao mesmo tempo (compensando o tempo que a luz leva para alcançá-los), enquanto outro observador viajando em outra direção poderia digamos que o de Marte disparou primeiro, e outro ainda poderia dizer que o de Vênus disparou primeiro. É causado pela forma como diferentes pontos de vista ficam distorcidos em comparação uns com os outros na relatividade especial. E porque são todos relativos, não se pode dizer que nenhum observador tenha o ponto de vista correto.
Isto pode levar a cenários muito incomuns, como um observador testemunhando o efeito antes da causa (por exemplo, ver uma bomba explodir e, mais tarde, ver alguém acender o fusível). No entanto, uma vez que o observador vê o efeito, ele não pode interagir com a causa sem viajar mais rápido que a velocidade da luz, o que foi uma das primeiras razões pelas quais se acreditava que viagens mais rápidas que a luz eram proibidas, porque é semelhante à viagem no tempo. , e um universo onde você pode interagir com a causa após o efeito não faz sentido.
Um dos mistérios mais antigos da física é como a gravidade está relacionada com outras forças fundamentais, como o eletromagnetismo. Uma teoria, proposta pela primeira vez em 1919, mostrou que se uma dimensão extra for adicionada ao universo, a gravidade ainda existirá nas primeiras quatro dimensões (três dimensões espaciais e tempo), mas a forma como este espaço quadridimensional se curva sobre a quinta dimensão extra, produz naturalmente as outras forças fundamentais. No entanto, não podemos ver ou detectar esta quinta dimensão, por isso foi proposto que a dimensão extra estivesse enrolada e, portanto, tornasse-se invisível para nós. Essa teoria foi o que levou à teoria das cordas e ainda está incluída no cerne da maioria das análises da teoria das cordas.
Dado que esta dimensão extra é tão pequena, apenas pequenos objetos, como partículas, podem mover-se ao longo dela. Nestes casos, acabam por acabar onde começaram, uma vez que a dimensão extra está enrolada sobre si mesma. Contudo, um objeto que se torna muito mais complexo em cinco dimensões é um buraco negro. Quando estendido a cinco dimensões, torna-se uma “corda preta” e, ao contrário de um buraco negro 4D normal, é instável (isto ignora o facto de que os buracos negros 4D eventualmente evaporam). Esta corda preta irá desestabilizar-se numa série inteira de buracos negros, ligados por mais cordas pretas, até que as cordas pretas sejam totalmente arrancadas e deixem o conjunto de buracos negros. Esses múltiplos buracos negros 4D se combinam em um buraco negro maior. O mais interessante disto é que, usando os modelos atuais, o buraco negro final é uma singularidade “nua”. Ou seja, não possui horizonte de eventos ao seu redor. Isso viola a Hipótese da Censura Cósmica, que diz que todas as singularidades devem ser cercadas por um horizonte de eventos, a fim de evitar que os efeitos da viagem no tempo que se acredita que acontecem perto de uma singularidade mudem a história de todo o universo, pois eles nunca podem escapar de trás de um horizonte de eventos.
Como é melhor demonstrado na equação E=MC 2 , a energia e a matéria estão fundamentalmente ligadas. Um efeito disso é que a energia, assim como a massa, cria um campo gravitacional. Um geon, investigado pela primeira vez por John Wheeler, em 1955, é uma onda eletromagnética ou gravitacional cuja energia cria um campo gravitacional, que por sua vez mantém a própria onda unida em um espaço confinado. Wheeler especulou que pode haver uma ligação entre geons microscópicos e partículas elementares, e que podem até ser a mesma coisa. Um exemplo mais extremo é um “kugelblitz” (alemão para “relâmpago esférico”), que ocorre onde uma luz tão intensa é concentrada em um ponto específico que a gravidade causada pela energia luminosa se torna forte o suficiente para colapsar em um buraco negro, prendendo o luz por dentro. Embora nada seja pensado para impedir a formação de um kugelblitz, acredita-se agora que os geons só serão capazes de se formar temporariamente, pois inevitavelmente vazarão energia e entrarão em colapso. Infelizmente, isso indica que a conjectura inicial de Wheeler estava incorreta, mas isso não foi definitivamente comprovado.
O tipo de buraco negro com o qual a maioria das pessoas está familiarizada, que tem um horizonte de eventos no exterior agindo como o “ponto sem retorno” e uma singularidade pontual de densidade infinita no interior, na verdade tem um nome mais específico: buraco negro de Schwarzschild. . Seu nome é uma homenagem a Karl Schwarzschild, que encontrou a solução matemática das equações de campo de Einstein para uma massa esférica e não rotativa em 1915, apenas um mês depois de Einstein ter publicado sua teoria geral da relatividade. No entanto, foi somente em 1963 que o matemático Roy Kerr encontrou a solução para uma massa esférica rotativa. Conseqüentemente, um buraco negro em rotação é chamado de buraco negro de Kerr e possui algumas propriedades incomuns.
No centro de um buraco negro de Kerr, não existe uma singularidade pontual, mas sim uma singularidade anelar – um anel giratório unidimensional mantido aberto pelo seu próprio momento. Existem também dois horizontes de eventos, um interno e um externo, e um elipsóide chamado ergosfera, dentro do qual o próprio espaço-tempo gira com o buraco negro (devido ao arrastamento do quadro) mais rápido que a velocidade da luz. Ao entrar no buraco negro, ao passar pelo horizonte de eventos exterior, os caminhos semelhantes ao espaço tornam-se semelhantes ao tempo, o que significa que é impossível evitar a singularidade no centro, tal como num buraco negro de Schwarzschild. No entanto, quando você passa pelo horizonte de eventos interno, seu caminho se torna novamente semelhante ao espaço. A diferença é esta: o próprio espaço-tempo é invertido. Isso significa que a gravidade perto da singularidade do anel se torna repulsiva, afastando você do centro. Na verdade, a menos que você entre no buraco negro exatamente no equador, é impossível atingir a própria singularidade do anel. Além disso, as singularidades do anel podem ser ligadas através do espaço-tempo, de modo que podem atuar como buracos de minhoca, embora fosse impossível sair do buraco negro do outro lado (a menos que fosse uma singularidade nua, possivelmente criada quando a singularidade do anel gira rápido o suficiente). Viajar através de uma singularidade de anel pode levá-lo a outro ponto no espaço-tempo, como outro universo, onde você poderia ver a luz caindo de fora do buraco negro, mas não saindo do próprio buraco negro. Pode até levá-lo a um “buraco branco” num universo negativo, cujo significado exato é desconhecido.
O tunelamento quântico é um efeito em que uma partícula pode passar através de uma barreira que normalmente não teria energia para superar. Pode permitir que uma partícula passe através de uma barreira física que deveria ser impenetrável, ou pode permitir que um elétron escape da atração do núcleo sem ter energia cinética para fazê-lo. De acordo com a mecânica quântica, existe uma probabilidade finita de que qualquer partícula possa ser encontrada em qualquer lugar do universo, embora essa probabilidade seja astronomicamente pequena para qualquer distância real do caminho esperado da partícula.
No entanto, quando a partícula se depara com uma barreira suficientemente pequena (cerca de 1-3 nm de largura), que os cálculos convencionais indicariam ser impenetrável pela partícula, a probabilidade de a partícula simplesmente passar através dessa barreira torna-se bastante perceptível. Isto pode ser explicado pelo princípio da incerteza de Heisenberg, que limita a quantidade de informação que pode ser conhecida sobre uma partícula. Uma partícula pode “pegar emprestada” energia do sistema em que está atuando, usá-la para passar pela barreira e depois perdê-la novamente.
O tunelamento quântico está envolvido em muitos processos físicos, como o decaimento radioativo e a fusão nuclear que ocorre no Sol. Também é usado em certos componentes elétricos e até foi demonstrado que ocorre em enzimas em sistemas biológicos. Por exemplo, a enzima glicose oxidase, que catalisa a reação da glicose em peróxido de hidrogênio, envolve o tunelamento quântico de um átomo de oxigênio inteiro. O tunelamento quântico também é uma característica fundamental do microscópio de tunelamento de varredura, a primeira máquina a permitir a imagem e a manipulação de átomos individuais. Funciona medindo a tensão em uma ponta muito fina, que muda quando se aproxima de uma superfície devido ao efeito dos elétrons que passam pelo vácuo (conhecido como “zona proibida”) entre eles. Isso dá ao dispositivo a sensibilidade necessária para criar imagens de resolução extremamente alta. Também permite que o dispositivo mova átomos colocando deliberadamente uma corrente através da ponta condutora.
Pouco depois do Big Bang, o universo estava em um estado altamente desordenado e caótico. Isto significa que pequenas mudanças e defeitos não alteraram a estrutura geral do universo. No entanto, à medida que o universo se expandiu, arrefeceu e passou de um estado desordenado para um estado ordenado, atingiu um ponto em que flutuações muito pequenas criaram mudanças muito grandes.
Isso é semelhante a organizar os ladrilhos uniformemente no chão. Quando uma peça é colocada de forma irregular, isso significa que as peças subsequentes colocadas seguirão seu padrão. Portanto, você tem toda uma linha de peças fora do lugar. Isso é semelhante aos objetos chamados cordas cósmicas, que são defeitos extremamente finos e extremamente longos na forma do espaço-tempo. Essas cordas cósmicas são previstas pela maioria dos modelos do universo, como a teoria das cordas, em que dois tipos de “cordas” não estão relacionados. Se existissem, cada corda seria tão fina quanto um próton, mas incrivelmente densa. Assim, uma corda cósmica com um quilômetro de comprimento pode pesar tanto quanto a Terra. No entanto, não teria realmente qualquer gravidade e o único efeito que teria sobre a matéria que o rodeia seria a forma como muda a forma do espaço-tempo. Portanto, uma corda cósmica é, em essência, apenas uma “ruga” no formato do espaço-tempo.
Acredita-se que as cordas cósmicas sejam incrivelmente longas, da ordem do tamanho de milhares de galáxias. Na verdade, observações e simulações recentes sugeriram que uma rede de cordas cósmicas se estende por todo o universo. Antigamente se pensava que isso era o que causava a formação de galáxias em complexos de superaglomerados, embora essa ideia tenha sido abandonada desde então. Os complexos de superaglomerados consistem em “filamentos” conectados de galáxias com até um bilhão de anos-luz de comprimento. Devido aos efeitos únicos das cordas cósmicas no espaço-tempo quando você aproxima duas cordas, foi demonstrado que elas poderiam ser usadas para viagens no tempo, como acontece com a maioria das coisas nesta lista. As cordas cósmicas também criariam ondas gravitacionais incríveis, mais fortes do que qualquer outra fonte conhecida. Essas ondas são o que os detectores de ondas gravitacionais atuais e planejados foram projetados para procurar.
A antimatéria é o oposto da matéria. Tem a mesma massa, mas com carga elétrica oposta. Uma teoria sobre a existência da antimatéria foi desenvolvida por John Wheeler e pelo ganhador do Nobel Richard Feynman, com base na ideia de que os sistemas físicos deveriam ser reversíveis no tempo. Por exemplo, as órbitas do nosso sistema solar, se jogadas ao contrário, ainda deverão obedecer às mesmas regras de quando são jogadas para a frente. Isso levou à ideia de que a antimatéria é apenas matéria comum retrocedendo no tempo, o que explicaria por que as antipartículas têm carga oposta, já que se um elétron é repelido enquanto avança no tempo, então retroceder no tempo isso se torna atração. Isso também explica por que a matéria e a antimatéria se aniquilam. Esta não é uma circunstância em que duas partículas colidem e se destroem; é a mesma partícula parando repentinamente e voltando no tempo. No vácuo, onde um par de partículas virtuais é produzido e depois aniquilado, trata-se, na verdade, de apenas uma partícula que se move num loop infinito, avançando no tempo, depois retrocedendo, depois avançando e assim por diante.
Embora a precisão desta teoria ainda esteja em debate, tratar a antimatéria como uma matéria que retrocede no tempo matematicamente apresenta soluções idênticas a outras teorias mais convencionais. Quando foi teorizado pela primeira vez, John Wheeler disse que talvez respondesse à questão de saber por que todos os electrões no universo têm propriedades idênticas, uma questão tão óbvia que é geralmente ignorada. Ele sugeriu que era apenas um elétron, viajando constantemente por todo o universo, desde o Big Bang até o fim dos tempos e vice-versa, continuando um número incontável de vezes. Embora esta ideia envolva viajar para trás no tempo, ela não pode ser usada para enviar qualquer informação de volta no tempo, uma vez que a matemática do modelo simplesmente não permite isso. Você não pode mover um pedaço de antimatéria para afetar o passado, pois ao movê-lo você afeta apenas o passado da própria antimatéria, ou seja, o seu futuro.
Não é estritamente ciência, mas sim um conjunto muito interessante de teoremas matemáticos sobre lógica e filosofia que é definitivamente relevante para a ciência como um todo. Comprovadas em 1931 por Kurt Gödel, essas teorias dizem que com qualquer conjunto de regras lógicas, exceto as mais simples, sempre haverá afirmações que são indecidíveis, o que significa que não podem ser provadas ou refutadas devido à inevitável natureza auto-referencial de qualquer sistema lógico que seja remotamente complicado. Pensa-se que isto indica que não existe um grande sistema matemático capaz de provar ou refutar todas as afirmações. Uma afirmação indecidível pode ser pensada como uma forma matemática de uma afirmação como “Eu sempre minto”. Como a afirmação faz referência à linguagem usada para descrevê-la, não se pode saber se a afirmação é verdadeira ou não. No entanto, uma afirmação indecidível não precisa ser explicitamente auto-referencial para ser indecidível. A principal conclusão dos teoremas da incompletude de Gödel é que todos os sistemas lógicos terão afirmações que não podem ser provadas ou refutadas; portanto, todos os sistemas lógicos devem ser “incompletos”.
As implicações filosóficas desses teoremas são generalizadas. O conjunto sugere que, na física, uma “teoria de tudo” pode ser impossível, uma vez que nenhum conjunto de regras pode explicar todos os eventos ou resultados possíveis. Também indica que, logicamente, “prova” é um conceito mais fraco do que “verdadeiro”; tal conceito é perturbador para os cientistas porque significa que sempre haverá coisas que, apesar de serem verdadeiras, não podem ser provadas como verdadeiras. Uma vez que este conjunto de teoremas também se aplica a computadores, significa também que as nossas próprias mentes estão incompletas e que existem algumas ideias que nunca poderemos saber, incluindo se as nossas próprias mentes são consistentes (ou seja, o nosso raciocínio não contém contradições incorrectas). Isto ocorre porque o segundo teorema da incompletude de Gödel afirma que nenhum sistema consistente pode provar a sua própria consistência, o que significa que nenhuma mente sã pode provar a sua própria sanidade. Além disso, uma vez que a mesma lei afirma que qualquer sistema capaz de provar a sua consistência a si mesmo deve ser inconsistente, qualquer mente que acredite que pode provar a sua própria sanidade é, portanto, insana.
