Comenzó con un estallido
El Universo esta ahí, esperando a que lo descubras
Los rayos cósmicos producidos por fuentes astrofísicas de alta energía pueden alcanzar la superficie de la Tierra. Mediante la detección correcta de estas partículas de movimiento rápido, podemos poner a prueba la relatividad de Einstein. Crédito de la imagen: ASPERA collaboration / AStroParticle ERAnet
Original de Ethan Siegel para Forbes Abril 27, 2017
Las opiniones expresadas por el autor son exclusivamente de él
La idea de la relatividad especial sigue siendo una de las más difíciles para la gente de envolver sus cabezas alrededor. Estamos tan acostumbrados a pensar en el espacio y el tiempo como entidades fijas e inmutables - puede tomar un mapa y un reloj en cualquier lugar, después de todo - que es difícil imaginar que cambien dependiendo de cómo se mueva. Sin embargo, es incontrovertiblemente cierto: si viajas cerca de la velocidad de la luz, las distancias se contraen en tu dirección del movimiento, mientras que el tiempo se dilatará más y más cuanto más rápido te muevas. Es una idea tan extraña que hoy, más de un siglo después, muchos todavía no la aceptan. Sin embargo, no sólo es cierto, pero usted puede probarlo a sí mismo por menos de $ 100 y con menos de un día de trabajo.
Una cámara de niebla completa se puede construir en un día de materiales fácilmente disponibles y por menos de $ 100. ¡Puedes usarlo para probar la validez de la relatividad de Einstein, si sabes lo que estás haciendo! Crédito de la imagen: Instructables user ExperiencingPhysics
Todo lo que necesitas hacer es construir una cámara de nubes. Es posible que no pueda ver partículas individuales, subatómicas con sus propios ojos, ya que las longitudes de onda de luz que nuestros ojos pueden percibir prácticamente no son afectadas por ellos. Pero si se crea un vapor de alcohol puro, alcohol 100% como el alcohol isopropílico o etil (nada menos del 90% no funcionará!) - una rápida carga, partícula cargada creará un rastro que usted mismo puede visualmente ¡ver! Cuando una partícula cargada se mueve a través del vapor de alcohol, ionizará una trayectoria de las partículas del alcohol, que actúan como centros para la condensación. Lo que usted enrolla para arriba con es un rastro que es bastante grande y bastante duradero que usted puede verlo con el ojo desnudo.
Crédito de la imagen: Wikimedia Commons user Cloudylabs
Aunque hay cuatro tipos principales de partículas que se pueden detectar en una cámara de nube, las pistas largas y rectas son los muones de rayos cósmicos, que pueden usarse para probar que la relatividad especial es correcta.
Una cámara de la nube se puede construir, por usted, en el país, por menos de $ 100. Hay algunas guías detalladas alrededor, pero aquí está el resumen simple:
- Comience por obtener un tanque de peces de acuario rectangular, uno que tiene sellos buenos y sólidos alrededor de todos los bordes y no fugas.
- Cortar tres pedazos grandes de espuma espesa, de espesor del mismo tamaño: dos con agujeros rectangulares lo suficientemente grande para el tanque de peces para encajar en el interior, uno que deja sólido para su "base".
- Corte un trozo de chapa de acero galvanizado del mismo tamaño que la espuma aislante. Acople el cartón negro o el fieltro negro mate, o rocíelo con pintura negra mate, para la superficie del tamaño del tanque de peces.
- Coloque la placa de metal entre las dos capas superiores de espuma aislante; Agregue una capa de dos caras de arcilla de modelado para que el tanque se ajuste alrededor. Agregue agua o parte de la solución de alcohol en la ranura de modo que cuando ponga el tanque encima de él, no pueda entrar ni salir aire.
- Modificar el tanque de peces por la adición de una capa de fieltro o material similar a la esponja a la base del tanque. Asegúrelo bien; Será al revés! Una vez que está establecido, usted está listo para ponerlo todo junto.
- Coloque un poco de hielo seco en las dos primeras capas (base sólida y rectángulo hueco) de la espuma aislante, luego ponga la placa de metal (lado negro hacia arriba) encima de eso, luego la última capa de espuma aislante. A continuación, coloque el agua / alcohol en la ranura de arcilla, mientras que simultáneamente remojo / saturar la capa de fieltro / esponja en el tanque de pescado con la solución de alcohol. (Sugerencia Pro: use más alcohol para saturar la capa de fieltro / esponja de lo que usted piensa que debería, no sea tacaño aquí!) Voltee el depósito de pescado y coloque los bordes dentro de las ranuras de metal, para que tenga un sello hermético todo Alrededor con el vapor del alcohol adentro.
- Apague todas las luces para que esté en un cuarto oscuro, brille una linterna brillante (o proyector) a través del tanque, coloque un objeto cálido y pesado (como una toalla plegada, recién salido de la secadora) encima del tanque y espere unos 10 minutos.
¿Su recompensa por este trabajo? Verás aparecer el vapor de alcohol sobresaturado, y hacia el fondo del tanque, empezarás a ver una forma de "rastro" en el tanque cada segundo: más o menos dependiendo del tamaño de tu tanque.
Así es como puedes ver la relatividad por ti mismo. Todas las partículas que hacen senderos prácticamente verticales son los rayos cósmicos: creados cuando partículas de alta energía (en su mayoría protones) golpean la atmósfera superior a altas energías. Forman una cascada de partículas de alta energía, muchas de las cuales son inestables y decaen. La gran mayoría de las partículas que hacen las pistas en su detector - y una configuración ligeramente más sofisticada que tiene imanes deflectores y un detector de energía / calorímetro en la parte inferior puede medir esto - serán muones.
Mientras que las duchas de rayos cósmicos son comunes a partir de partículas de alta energía, son principalmente los muones que lo hacen a la superficie de la Tierra, donde son detectables con la configuración correcta. Crédito de la imagen: Alberto Izquierdo; courtesy of Francisco Barradas Solas
Los muones son partículas inestables: primos más pesados del electrón que son idénticos a ellos. Pero debido a que son inestables, un muón puede decaer a un electrón (y un neutrino y un antineutrino, que son invisibles) después de un corto período de tiempo: 2,2 microsegundos en promedio. Rara vez, en su cámara de nube, verá una pista vertical con una "torcedura" en ella; Que en realidad es un muón decayendo ante tus ojos! Si se ejecuta y ver su cámara de nube durante aproximadamente una hora, es probable que capture un par de estos eventos.
La pista en forma de V en el centro de la imagen es probablemente un muón que se descompone en un electrón y dos neutrinos. La pista de alta energía con una torcedura en ella es una evidencia de una decadencia de partículas de aire mediano. Crédito de la imagen: The Scottish Science & Technology Roadshow
Pero el hecho de que usted pueda ver los rayos cósmicos en absoluto es suficiente para demostrar que la relatividad es real. Piense en dónde se crean estos muones: alto en la atmósfera superior, entre 30 y 100 kilómetros sobre la superficie de la Tierra. Piense en cuánto tiempo vive un muón: aproximadamente 2,2 microsegundos en promedio. Y pensar en el límite de velocidad del Universo: la velocidad de la luz, o unos 300.000 kilómetros por segundo. Si usted tiene algo moviéndose a la velocidad de la luz que sólo vive 2,2 microsegundos, debe hacer que sólo 0,66 kilómetros antes de la decadencia de distancia. Con esa vida media, menos de 1-en-10 ^ 50 muones deben alcanzar la superficie. Pero en realidad, casi todos lo hacen abajo.
Con energías y velocidades suficientemente altas, la relatividad se vuelve importante, permitiendo que muchos más muones sobrevivan que sin los efectos de la dilatación del tiempo. Crédito de la imagen: Frisch/Smith, Am. J. of Phys. 31 (5): 342–355 (1963) / Wikimedia Commons user D.H
¿Por qué? Desde nuestro punto de vista (o marco de referencia), debido a la dilatación del tiempo. Cuanto más cerca se mueven a la velocidad de la luz, más lento su reloj parece correr. Y estos muones de rayos cósmicos tienen energías tan altas que un viaje que toma unos 300 microsegundos desde nuestro punto de vista sólo toma alrededor de 1 microsegundo para el muón. La dilatación del tiempo permite que estas partículas vivan.
Crédito de la imagen:
Desde el punto de vista del muón, es la contracción de la longitud que le permite sobrevivir. "Ve" la Tierra (y la atmósfera de la Tierra) como comprimida en su dirección de movimiento, hasta el punto donde la atmósfera entera de la Tierra es menos del 1% de su tamaño en nuestro marco de descanso. Una distancia de 100 kilómetros, para nosotros, podría parecer un mero 300 metros al muón. Puede hacer fácilmente ese viaje.
Para un bonus extra de pistas radiactivas, agregue el manto de un detector de humo a la parte inferior de su cámara de nube, y observe las partículas de movimiento lento que emanan hacia fuera de ella. Algunos incluso rebotan en la parte inferior! Crédito de la imagen: NASA/GRC/Bill Bowles
Adelante, escépticos de la relatividad, y pasar un día probándolos a sí mismo. Los suministros son baratos y fácilmente disponibles, y usted puede hacer la física por sí mismo! Para una forma de gracia para disfrutar de una cámara de nubes, coloque una pequeña fuente radiactiva -como el manto desde el interior de un detector de humo- en la placa de metal en la parte inferior y vea qué partículas cargadas de movimiento lento procedentes de una dirección diferente Parece también Pero cuando llegan esas vías de muones verticales, especialmente en aquellas raras ocasiones en las que se ven las decaídas, no hay más dudas sobre la relatividad. La dilatación del tiempo y la contracción de la longitud son reales, ¡y así es como usted puede demostrarlo a sí mismo!
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