#25 Piana Kwantowa, czyli Fizyczne Szuru-Buru

0. Wstępniak, coby wstąpić na wyżyny wyobraźni.

Witam Was!

Znów się widzimy, a raczej czytamy ;)

Co by nie gadać, czytamy się ostatnio dość często. Mam czas, pomysły wirują w głowie, więc nic, tylko pisać. Mam nadzieję, że jeszcze jedziecie ze mną tym pociągiem, w tunelu, na końcu którego iluminuje się światło wiedzy.

Nie chcę Was straszyć, ale dziś zejdziemy bardzo głęboko, prosto w fundamenty Rzeczywistości. Dotrzemy do nano-skali, w której załamują się koncepcje czasu i przestrzeni, zwyczajnie - przestają one mieć sens. Będzie to w okolicach skali Plancka, o której już pisałem > kilk < . Zobaczymy, z czego składa się nasz Wszechświat, co może leżeć u podstaw wszystkich procesów fizycznych. Rozpatrzymy także koncepcję, że najbardziej podstawowa struktura Rzeczywistości jest dyskretna, czyli ziarnista, czyli składa się z jakichś niepodzielnych, najmniejszych cegiełek.

Do rzeczy! Ptaki wracają z ciepłych krajów, więc my też wygrzebmy się z zimowych, ciepłych pieleszy i podążajmy ku wiośnie, ku światłu... Ale najpierw się umyjmy po zimowym zasiedzeniu, mydłem prosto od firmy Fizyka dla Laika czyli Nauka dla Tłuka, które pieni się... kwantowo ;)

1. Za królikiem, wgłąb nory.

Aby 'zobaczyć' Pianę Kwantową, musimy udać się w rejony, którymi rządzi mechanika kwantowa. To miejsce, gdzie obowiązują takie prawa, jak superpozycja (cząstka może przebywać w wielu miejscach jednocześnie, dopóki nie zostanie poddana pomiarowi, czyli obserwacji), oraz materia jest cząstką i falą jednocześnie. Dziwne? Dla nas tak, ale królicza nora rządzi się swoimi prawami. Świat kwantów jest sprzeczny z naszą codzienną intuicją. Ale dla hipotetycznych mieszkańców Kwantowej Krainy Czarów to, że coś nie ma dokładnie określonego miejsca w przestrzeni jest zupełnie normalne, tak jak dla nas to, że nie da się przejść przez ścianę. A w skali mikroskopowej da się, bo czynią to, na przykład, elektrony - w zjawisku tunelowania kwantowego ( > kilk < ).

Einstein proponował inny świat i teorię, która bardzo dobrze opisuje skale makroskopowe. Mówi ona, na przykład, że masa równa się energii, a sama masa zagina czasoprzestrzeń. Pomyślcie o kuli do kręgli na ogrodowej trampolinie, na jej środku, i macie już obraz jak masa wpływa na otaczającą ją przestrzeń i czas. I tak samo gwiazdy i planety - powodują, że czasoprzestrzeń wokół nich odkształca sie. Ale to już wiecie, moje Tłuczyska. Głupi nie jesteśmy, przynajmniej nie tak, jak przed powstaniem tego bloga. O! Mam powód, dla którego powinniście czytać dalej tego bloga: głupsi nie będziecie ;)

Słońce zakrzywia przestrzeń i czas wokół siebie i sprawia, że kula ziemska obiega ją po ugiętej trajektorii. Im większe obiekty, tym silniejsze ugięcie.

I teraz pierwszy krok w Krainę Czarownych Kwantów: jeśli przybliżylibyście obraz czasoprzestrzeni do najmniejszej możliwej skali (około 10^-33 metra - 0.000(...tutaj wstawmy 27 zer...)0001 metra) okazałoby się, że nie ma czegoś takiego, jak ugięcie. Nie ma czegoś takiego, jak ciągłość tkanki czasoprzestrzeni. Ujrzelibyśmy... Kwantową Pianę. Tak przynajmniej brzmi hipoteza.

2. Czym jest Piana Kwantowa? I, przede wszystkim, czy to się aby dobrze mydli? ;)

Teoria Kwantowej Grawitacji przewiduje, że czasoprzestrzeń jest wrzącą pianą malutkich obszarów, gdzie miniaturowe wymiary (tak, tak - wymiary przestrzeni zwinięte w siebie, widoczne jedynie przy odpowiednio małych skalach. Wyjaśnię to w punkcie trzecim) rozwijają się i zwijają w siebie same, w bardzo szybkim tempie pojawiają się i znikają. Te obszary wyłaniają się i nikną jak piana na świeżo nalanym piwie. Wiem, że pewnie wolelibyście pianę piwną niż kwantową, ale na razie zadowólmy się kwantową. Jak będzie cieplej, dołożymy procentów ;)

Nie istnieje coś takiego jak pusta przestrzeń!

Bardzo fajnie opisał to Eric Perlman z Florida Institute of Technology: ' 'bąbelki' w kwantowej pianie są kwadryliony razy mniejsze niż skala atomowa; pojawiają się na niewyobrażalnie małą ilość czasu - dosłownie, mają rozmiar Plancka i trwają przez czas Plancka (5,4 x 10^-44 sekundy... ło matko). Zwolennicy teorii strun dodają, że aby takie zachowanie struktury Rzeczywistości było możliwe, potrzeba sześciu dodatkowych wymiarów przestrzennych... [Wytłumaczę Wam zaraz na mrówkach jak to możliwe]. Czasoprzestrzeń, sama czasoprzestrzeń, fluktuuje nieustannie.' 

Co to jest fluktuacja? Jest to przypadkowe, niemożliwe do przewidzenia odchylenie od stanu 'normalnego'. Czyli, normalnie przestrzeń jest płaska, ale w pewien przypadkowy, nie dający się przewidzieć sposób, ulega zmianom. To tak, jakby za tym zjawiskiem stała jakaś niewiadoma, losowo działająca przyczyna; tak fundamentalna, że nie da się dotrzeć poza nią. Einstein dał wyraz złości wobec tej teorii mówiąc, że 'Pan Bóg nie gra w kości z Wszechświatem'. Sprzeciwiał się temu, że u podstaw wszystkiego leży losowość, niemożliwa do opisania jakimkolwiek wzorem czy bez żadnych prawidłowości, symetrii, czysty chaos...

I takie fluktuacje zachodzą podobno na najgłębszym poziomie Rzeczywistości, czasoprzestrzeń losowo fluktuuje czyli, po prostu, zmienia się, jak bąbelki na piwie.

Niestety, nie mamy dowodów na słuszność przypuszczeń teorii Piany Kwantowej. Nie posiadamy takiej technologii, która pozwoliłaby nam zajrzeć w głąb czasoprzestrzeni, do jej samego dna. Podejrzewamy, że jest ziarnista, dyskretna. Ale pewności nie ma.

3. Szuru-buru w kwantowym stylu ;)

Jeśli chodzi o koncepcję, najprostszą metodą na kwantowanie czasoprzestrzeni jest po prostu jej granulacja. John Wheeler, laureat Nagrody Nobla z dziedziny fizyki w 1965 roku za stworzenie relatywistycznej elektrodynamiki kwantowej (nie czas na bajanie o starych czasach więc utnę w tym miejscu ;)), stwierdził, że na najwyższym poziomie rozdzielczości, należy traktować czasoprzestrzeń jako dyskretną, ziarnistą. Użył stwierdzenia 'piana kwantowa'. Lecz pojawiło się pytanie: 'gdzie jest kwantowe mydło, które spowodowało powstanie kwantowej piany?!'. To ostatnie do oczywiście żart, cząsteczki się nie myją. 

Problem leży gdzie indziej: jak wymodelować dynamikę ziarnistej struktury czasoprzestrzeni tak, aby móc przeskalować ją na gładką, geometryczną formę teorii względności Einsteina? Czyli, po prostu, jak to się dzieje, że dyskretna natura rzeczywistości w skali nano tworzy wersję ciągłą w skalach relatywistycznych. Długoletnią zagadką jest też fakt, że dla skali mikro stosujemy zupełnie inne teorie opisujące zjawiska w niej zachodzące niż w sakli makro. Ale to już temat na inną bajkę ;)

Zagadnienia z ostatniego akapitu najlepiej tłumaczą dziś dwie teorie: pętlowa grawitacja kwantowa  oraz przyczynowa triangulacja dynamiczna ( > klik < ). Jednak daleko jeszcze do pełnego zrozumienia i ostatecznego modelu.

3.5. Mrówki? Mrówki! :)

Mrówki i zwinięte wymiary przestrzenne. 

Teoria strun zakłada, że istnieją dodatkowe, do naszych trzech, zwinięte wymiary przestrzenne. W sumie ma być ich 10. Teoria strun jest, na razie, niesprawdzona doświadczalnie, dlatego pozostaje czysto hipotetyczną tezą, zapisaną jedynie na kartkach i tablicach.

O co chodzi z tymi wymiarami, jak to możliwe, że są małe, i co to oznacza, że są zwinięte?

Wyobraźmy sobie widzianą z daleka linię energetyczną na słupie wysokiego napięcia. Z oddali wygląda na prostą linię, która ma tylko jeden wymiar - długość. Nie widzimy jej grubości, gdybyśmy nie znali linii z doświadczenia, być może stwierdzilibyśmy, że ma tylko jeden wymiar. Długość.

To z naszej perspektywy. A teraz, wyobraźmy sobie, że po tej linii idzie mrówka. Mrówka porusza się także po średnicy, przekroju linii, nie tylko wzdłuż. Z daleka widzielibyśmy tylko (o ile z daleka można dojrzeć mrówkę), że owad znika nam z oczu, jest zasłonięty, a ona po prostu idzie wzdłuż przekroju. Zbliżając nasze widzenie, w końcu dostrzegamy, że linia jest trójwymiarowa i oddajemy rację mrówce.

Tak właśnie jest ze zwiniętymi wymiarami przestrzennymi w teorii strun. Dopiero przy przybliżeniu dostrzegamy, że trójwymiarowa przestrzeń to tylko widok w skali makro. Dodatkowe wymiary są zwinięte i dostrzegamy je tylko przy odpowiednim przybliżeniu, tak jak linę - z daleka wymiar jeden, z bliska wymiarów trzy. Nawet mrówka może nas nauczyć fizyki ;)

4. I oto nadchodzi - doświadczenie, czyli eksperyment, nie zdziadziałość.

Naukowcy szukają potwierdzenia teorii Piany Kwantowej. Chcą udowodnić, że losowość faktycznie jest samą naturą wszystkiego. Najgłębszym i najbardziej fundamentalnym prawem.

Perlman i jego współpracownicy przeprowadzili pewien eksperyment. Obserwowali, przy pomocy promieni rentgenowskich i promieni gamma odległe kwazary (Google it! Dla nas nie ważne, co to jest, ale jeśliś głodny wiedzy, pędź na gogle, binokle, musztardówy ;)) w Obserwatorium Rentgenowskim Chandra, Kosmicznym Teleskopie Gamma Fermi oraz VERITAS (podobnież - obserwatorium).

Perlman: 'Ponieważ bąble te są tak małe i trwają tak krótko, być może nigdy nie zaobserwujemy ich bezpośrednio. Ale mogą wpływać na światło w bardzo interesujący sposób'.

Każda ścieżka fotonu byłaby trochę inna (gdyby istniała Piana Kwantowa), gdyby sama czasoprzestrzeń fluktuowała - wpływałaby na trajektorię fotonu. Oraz - odległości, jakie pokonują każde, pojedyncze fotony, byłyby inne.

Perlman: 'Fotony mają do pokonania olbrzymie odległości. To oznacza, że fluktuacje czasoprzestrzeni skumulowałyby się, ponieważ odległości są wielkie. Światło byłoby bardzo niezsynchronizowane. Aby utworzyć obraz z kolekcji takich fotonów, trzeba byłoby dysponować technologią, której obecnie nie posiadamy. To tak, jakby chcieć rozróżnić co mówi jedna osoba w tłumie gaworzących ludzi. Nie jest obecnie możliwe uzyskanie takiego obrazu.'

Jednym słowem - nie mamy potwierdzenia teorii Piany Kwantowej.

Nie załamujmy się jednak! ;)

Odkrycia Perlmana i jego zespołu dają trochę nadziei.

Perlman: 'Wydaje się, że czasoprzestrzeń jest ciągła, przynajmniej na poziomie około 1000x mniejszym niż rozmiar atomu, i musi być mniej 'spieniona', niż przewiduje większość modeli.'

4. Ale, ale!

Perlman: 'Dochodzenie nie objęło tak małej skali, jak skala Plancka. Dlatego wciąż mamy nadzieję na... bardzo małe bąbelki'.

Bąbelki może istnieją! Nie mówimy 'nie'. 

Mam nadzieję, że mój post przyniósł Wam trochę fluktuacji myślenia, koncentracji i uwagi. Teraz z czystym sumieniem można położyć się pod koc i dalej oglądać seriale.

W końcu mamy zimę. A w zimie mózgi rzadko fluktuują ;)

Aha, zapraszam na Patronite! To nie takie trudne założyć tam konto i wesprzeć klikanie w klawiaturę! :)

patronite/DiesPhys

Oraz na Facebook fanpage; więcej nas, jest ciaśniej ale weselej! ^_^

fanpage/DiesPhys