Die seltsamsten kleinen Dinge in der Natur


Wenn kleine kleiner bekommen kann, geben Sie die Quantenwelt von Quarks, Photonen und Raum-Zeit-Schaum. Sie können gerne einen Blick auf diese unteilbar Seite der Natur, aber denken Sie daran, lassen Sie Ihren gesunden Menschenverstand an der Tür.

Menschen so weit zurück wie der griechische Philosoph Demokrit glaubte, dass Dinge aus irreduziblen Stück gebaut wurden. Isaac Newton selbst dachte, dass Licht nicht war eine Welle, sondern vielmehr eine Sammlung von kleinen "Körperchen." Physiker haben erst vor kurzem Werkzeuge mit ausreichender Auflösung zu sehen, der Natur innewohnenden Körnigkeit erworben.

Hier ist ein kurzer Überblick über die Quanten-Schattenseite der Dinge um uns herum.

Frage

Wenn Sie eine Banane teilen, und dann teilen Sie es wieder und wieder und wieder... erhalten Sie schließlich auf Zellen, Moleküle, Atome. Jedes Atom hat einen Kern aus Protonen und Neutronen, mit winzigen Elektronen umschwirrt. Protonen und Neutronen enthalten drei Quarks.

Meer der Partikel


Quarks aus verschiedenen Aromen – oben, unten, strange, charm, oben und unten erscheinen als Paare von Quarks und Anti-Quarks. Oben, unten und Strange-Quarks sind die häufigsten. Beispielsweise kann ein Charm-Quark werden mit ihr Gegenteil, ein Anti-Charm-Quark, im Schlepptau auf was Wissenschaftler wie ein Meer von Quarks im Inneren ein Proton anzeigen angezeigt.

Bild: Thomas Jefferson National Beschleunigeranlage Jefferson Lab

Ein Proton ist nicht unbedingt kugelförmig, nach Arbeit von Gerald Miller und Michael Frank von der University of Washington. Abhängig von der Drehimpuls der Quarks könnte ein Proton sphärische oder eher wie ein Donut, eine Brezel oder eine Erdnuss. Miller sagt die Formenvielfalt ist nahezu unbegrenzt und hängt von der Dynamik der Quarks und der Winkel zwischen den Spin des Quarks und den Spin des Protons.

Bild: G. Miller, U. von Washington

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Aber die Dissektion hört es: Elektronen und Quarks sind die kleinsten Stücke von gewöhnlicher Materie.

Wie klein sie sind? Das Elektron wird manchmal gesagt, ein paar Femtometer über (über ein Billionstel eines Haares Breite), aber dies ist irreführend. Elektronen und Quarks sind eher geschwollene Wolken als starre Kugeln.

Diese Schwellungen ist das Ergebnis der unvermeidbaren Quantum Unsicherheit: man kann nicht genau wissen eines Partikels Bewegung und zur gleichen Zeit zu positionieren. Wenn Sie versuchen, ein Quark noch halten, müsste man fast keine Ahnung, wo es ist.

Diese Glätte macht genaue Größenmessungen bedeutungslos.

Licht

Wenn wir unsere Skalpell Licht einschalten, finden wir, dass seine scheinbar kontinuierlich leuchten eigentlich aus kleinen Bündel von Energie, Photonen genannt. Don't bother schielen die Augen zu sehen, aber: eine 100-Watt-Glühbirne emittiert 9223372.036854775807 Billionen Photonen pro Sekunde.

War Newton also richtig? Licht ist ein Teilchen, keine Welle? Die Antwort ist ja und Nein.

Licht wirkt wie eine Welle, wenn Sie ein Experiment auf der Suche nach einer Welle-Eigenschaft (wie Streuung durch eine Lochblende) tun. Wie ein Teilchen verhält es sich wenn Sie Partikeleigenschaften (wie Kollision mit Elektronen) testen.

"Man bekommt, was Sie fordern" ist ein allgemeiner Refrain in der Quantenphysik.

Rotation

Eigenschaften von Partikeln können "sowie quantisiert werden". Wahrscheinlich ist das merkwürdigste Beispiel Partikel Drehung (was ist Spin genannt), die übrigens nichts geht wie bewegt sich ein Planet oder ein Top.

Zu aller erst Partikel haben nur eine Drehzahl-sie können nicht bis oder langsam nach unten beschleunigen.

Und zweitens die Drehachse hängt wie man es betrachtet. In einem Experiment könnte ein Melder eines Partikels Spin Norden, Bericht, während ein weiterer Detektor Osten sagen könnte. Und sie haben beide Recht!

Schwerkraft

Die Kraft von Schwerkraft hat diese Quanten-Narretei weitgehend widerstanden. Aber manche Physiker glauben, dass Newtons Apfel von seinem Baum Dank Gravitonen fiel-Photon-ähnliche Partikel, die die Anziehungskraft zu tragen.

Fallenden Äpfel würde keine Menge von Gravitonen erzeugen, aber würde Kollision schwarzer Löcher. Detektoren sind derzeit auf der Suche nach Signalen aus dieser fernen Kollisionen, aber es möglicherweise viele Jahre, bis keine Beweise für Gravitonen gefunden wird.

Planck-Einheiten

Im Jahr 1900 der Vater der Quantenphysik, Max Planck, eine langjährige theoretische Rätsel gelöst durch vorausgesetzt, dass die von einem warmen Körper abgestrahlte Energie kam nur in diskreten Blöcken, genannt "Quanten." Es ist vielleicht angebracht, dass Planck auch eine Reihe von Einheiten entwickelt, die die Grenze von unserer aktuellen Quantentheorie zu markieren.

Im Abstand weniger als die Planck-Länge (10 ^-35 Meter), die Schwerkraft der Partikel werden bedeutende und Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie muss mit dem Quanten-Paradigma korrigiert werden.

Kosmologen beschreibt den Urknall haben keine Ahnung, was früher als die Planck-Zeit im Universum passiert ist (10 ^-44 Sekunden).

Heißer als die Planck-Temperatur (10 ^ 32 Grad), die Kräfte der Natur werden gedacht, um alle verschmelzen ineinander.

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Vakuum

Auch nichts wirkt seltsam auf kleinster Ebene. Das Vakuum ist vermutlich nicht wirklich leer, sondern stattdessen gefüllt mit "virtuellen" Teilchen, die ständig ein-und Existenz zu blinken.

Diese virtuelle Realität ergibt sich aus Quanten in der Regel die besagt, dass die wahrscheinliche Ereignisse wirkliche Ergebnisse zu beeinflussen. Genauer gesagt, ist es möglich (wenn auch höchst unwahrscheinlich) für Teilchen und Antiteilchen, pop aus dem nichts und dann schnell zu vernichten. Niemand sieht dies geschieht immer, aber die Summe aller dieser Quanten-Wahrscheinlichkeit ist eine echte Energie.

Raum und Zeit

Die oben genannten Vakuumenergie ist nicht konstant: es brodelt und verpufft mit Luftblasen die Größe der Planck-Länge (siehe Kasten). Dieser Schaum verzieht das Gewebe von Raum und Zeit, verwischen die Antworten auf wann und wo.

Im Wesentlichen ist die zugrundeliegende Geometrie der Welt nicht glatt. Stattdessen gibt es "Pixel", die nicht weiter aufgelöst werden. Teilchen bewegen sich nicht kontinuierlich, sondern stattdessen machen kleine Quantensprünge von einem Pixel zum nächsten.

Solcher quantisierte Raumzeit, ist obwohl noch nicht beobachtet, der Endpunkt der Kleinheit, als auch das Ende dieser Tour.

  • Die Geheimnisse des Lebens wenig
  • Antimaterie in den Griff bekommen
  • Bande, die Atome schwächer als gedacht
  • Wissenschaftler hinterfragen Grundgesetze der Natur
  • Die seltsamsten Dinge im Raum
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