#80 Co w Trawie Piszczy, czyli Dwa Łyki Kwantowej Mechaniki

 

0. Wstęp.

Wstępniakiem znowu Was postraszę, co tam nowego w świecie kwantów. Inni piszą o wojnie na Ukrainie, o Trumpach i innych Putinach, a my nie bawimy się w wojnę tylko w leka… to znaczy w naukowców. Jak wygląda zabawa w naukowców? Bierze się temat z @diesphys, czyta go głośno na jakiejś imprezie i już ma się przydomek 'Ajnsztajn'. Naprawdę, niewiele trzeba. Można nawet oszukać i powiedzieć bizony zamiast bozony, bo towarzystwo już napite. A my dzisiaj pijemy ze źródeł wiedzy, jakie dostarcza nam ostatnio coraz częściej Fizyka Dla Laika Czyli Nauka Dla Tłuka. Się Redaktor zapędził i atakuje Was mionami, niczym z działa laserowego. Tymczasem, krotochwila już się kończy i lecimy do roboty! Zaraz uraczę Was tym, co mnie samego kręci już od ponad 12 lat. Nie to żebym miał taką wiedzę, chyba, że faktycznie weźmiemy te 12 lat i powiemy, że mam wiedzę 12 latka ;)

1. Wstęp do interpretacji, jak to się pije.

Na przestrzeni lat opracowano dziesiątki interpretacji mechaniki kwantowej. Większość z nich próbuje ugryźć problem od strony: 'co się dzieje, gdy na poziomie kwantowym dokonywany jest pomiar'. Formuła matematyczna, zwana funkcją falową (albo wektorem stanu,) opisująca stan układu, zostaje zresetowana, kiedy dokonywany jest pomiar. Liczne możliwości, na które wskazuje nam matematyka prawdopodobieństw zdają się zapadać i dokonuje się kolaps do jednego wyniku. Interpretacje mechaniki kwantowej próbują wyjaśnić, jak ten kolaps się dokonuje - albo czy w ogóle zachodzi. Niektóre z interpretacji zajmują się faktem, czy funkcja falowa jest fizycznie realna czy jest jedynie czymś zgoła matematycznym. Niestety, nie mam możliwości ujęcia wszystkich subtelnych różnic między interpretacjami, które z biegiem czasu zostały dodane przez ich zwolenników jak i samych autorów. Jednakże, jak pisze kosmolog Max Tegmark, nie ma zgody nawet co do tego, które z nich powinny zostać nazwane interpretacjami.

2. Mechanika Bohma.

Posiada ona wielu zwolenników, została opracowana w 1950 roku przez Davida Bohma. Bazował on na wcześniejszych opracowaniach Louise'a de Broglie'a. Mechanika ta opisuje cząstki jako obiekty poruszające się we wszystkich kierunkach. Są one sterowane, a raczej poprzedzane tzw. 'falami pilotującymi'. Fale te mówią cząstce, gdzie ma się poruszać. Podejście to sprowadza fizykę z powrotem do determinizmu, omijając prawdopodobieństwa, które potępił Einstein wypowiadając słynne 'Bóg nie gra w kości z Wszechświatem. Jako że eksperymenty wykluczyły jego teorię 'ukrytych zmiennych' jako narzucające determinizm, stąd mechanika Bohma wymaga pewnego rodzaju 'działania na odległość' (lub inaczej nielokalności). Einstein tego także nie popierał. Był za, a nawet przeciw ;) Równie trudno jest wyobrazić sobie, jak mechanika Bohma mogłaby przewidzieć jakiekolwiek różnice doświadczalne miedzy nią samą a standardową interpretacją mechaniki kwantowej. Krótko przed śmiercią Einstein powiedział, że nie był pod wrażeniem tej interpretacji. 'Wydaje się zbyt tania i naciągana' - napisał w liście do fizyka Maxa Borna. Kłócił się i kłócił, aż poszedł do piachu.

3. Interpretacja ewolucji stochastycznej.

Nie jest to ściśle rzecz biorąca interpretacja mechaniki kwantowej jako takiej, ponieważ zmienia ona podstawową matematykę teorii kwantów. W zwykłej mechanice kwantowej funkcja falowa (albo wektor stanu) 'ewoluuje', zmieniając się w czasie w sposób możliwy do idealnego przewidzenia. Innymi słowy, szanse innych wyników mogą się zmieniać i można ową zmianę dokładnie przewidzieć, dopóki nie zostanie dokonany akt pomiarowy. Jednakże kilku fizyków zasugerowało, że to sama ewolucja może zmienić się w losowy sposób (stochastyczny), powodując kolaps samej z siebie. Ten kolaps występuje bardzo szybko dla dużych (makroskopowych) obiektów i wolno dla cząstek subatomowych.

4. Interpretacja Bayesowska (Christopher Fuchs, Carlton Caves, Rudiger Schack).

Czasami nazywana jest 'Qbizmem'. Czerpie ona pomysły ze szczególnej szkoły statystyki bayesowskiej. Utrzymuje ona, że prawdopodobieństwa odzwierciedlają subiektywny pogląd na sposób, w jaki generują się wyniki. Pomiar to przejaw indywidualnej wiedzy na temat stanu układu i może ona być użyta do przewidywania jego rozwoju w przyszłości.

5. Interpretacja Wielu Światów (Hugh Everett III).

Arystokracja. 

Ignorowana przez wiele lat, od ukazania się w roku 1957, zyskała popularność w ciągu ostatnich dziesięcioleci. Nazywana jest czasem interpretacją Wielu Wszechświatów. Postuluje ona, że za każdym razem, gdy dokonywany jest pomiar, wszystkie możliwe wyniki tego pomiaru wyłaniają się faktycznie w różnych gałęziach rzeczywistości, kreując liczne wszechświaty równoległe. Everett jednak miał na myśli bardziej to, że obserwator rozszczepia się na liczne klony samego siebie, które obserwują różne możliwe wyniki pomiarów.

6. Interpretacja kosmologiczna (Anthony Aguirre i Max Tegmrak).

Względnie nowa, bo okazała się dopiero w 2010 roku. Autorzy twierdzą, że koncepcja wielu światów jest banalnie prawdziwa ale tylko w przypadku, jeśli Wszechświat jest nieskończony. Musiałaby także zaistnieć nieskończona liczba wszechświatów równoległych, w których wszystkie wyniki dozwolone przez mechanikę kwantową faktycznie mają miejsce. Obliczyli oni, Tegmark i Aguirre oczywiście, że rezultaty wystąpiłyby dokładnie w proporcjach przewidzianych przez prawdopodobieństwo obliczone przez matematykę związaną z teorią kwantów. Pogląd ten głosi, że 'funkcja falowa opisuje faktyczny zbiór przestrzenny identycznych układów kwantowych, a kwantowe niepewności pomiarowe występują z powodu niemożności obserwatora do umieszczenia siebie w tym zbiorze'.

7. Interpretacja kopenhaska (Niels Bohr).

Bohr uważał, że pomiary dawały wyniki, które mogły zostać opisane tylko w języku fizyki klasycznej, dlatego nie było sensu pytać, co dzieje się w niewidocznym świecie subatomowym. Uważał on, że trzeba najpierw poczynić pewne doświadczalne założenia, aby pytać o naturę rzeczywistości, a pytanie, które się zadało, odgrywa pewną rolę w wyniku, jaki otrzymujesz. Pogląd ten zawiera zasadę nieoznaczoności Heisenberga. Jest ona założeniem, które narzuca pewną zasadę natury rzeczywistości, a nie tylko jeśli chodzi ograniczenia pomiarowe. Wynikiem jest założenie, że jednoczesne lokalizacje i prędkości nie istnieją dla cząstek fundamentalnych, dopóki nie zostanie dokonany pomiar. Pomiary dokonują niejako wyboru z szeregu możliwości (albo potencjalnych rzeczywistości, jak mówił Heisenberg). Bohr tłumaczył paradoksy, takie jak cząstki zachowujące się jak fale i fale jak cząstki  jako wzajemnie wykluczające się ale komplementarne aspekty natury.

8. Interpretacja historii spójnych (Robert Griffiths).

Utworzona w 1984 roku interpretacja ta traktuje fizykę klasyczną jako jedynie przybliżenie mechaniki kwantowej. Według niego, matematyka dotycząca teorii kwantów może być użyta również do obliczania prawdopodobieństw dla zjawisk makroskopowych, jak i subatomowych. Prawdopodobieństwa nie odnoszą się do wyników pomiarów, ale do fizycznych stanów w układzie. Griffiths podkreśla niekompatybilność wielokrotnych możliwych rzeczywistości w fizyce kwantowej. Można zrobić zdjęcie górze z różnych stron, i zdjęcia te mogą być połączone w celu stworzenia jednego zdjęcia zupełnie spójnego z rzeczywistością góry. Jednakże w fizyce kwantowej można wybrać właściwość, którą się mierzy (np. prędkość lub pozycje cząstki), ale nie można dokonać dwóch pomiarów, aby uzyskać w pełni spójny obraz rzeczywistości cząstki przed pomiarem. Podobnie, nie ma stanu fizycznego, w którym kot Schroedingera jest jednoczenie żywy i martwy. Fakt, że funkcja falowa może opisywać taki stan oznacza jedynie, że jest ona po prostu matematycznym tworem używanym do obliczania prawdopodobieństwa zdarzeń lub historii. W prawdziwym życiu, te sekwencje zdarzeń będą spójne, tworząc jedna historię.

9. Kwantowy Darwinizm (Wojciech Żurek).

Jest to pogląd podobny w wielu aspektach do historii spójnych. Kwantowy darwinizm podkreśla rolę dekoherencji. Jest to proces, w którym wiele możliwych rzeczywistości kwantowych jest eliminowanych, kiedy układ wejdzie w interakcję z otoczeniem. Molekuły powietrza i fotony odbijają się od obiektu i przez to ich trajektorie zapisują pozycje obiektu. Bardzo szybko tylko jedna pozycja pozostanie spójna z informacjami zapisanymi w otaczającym cząstkę środowisku. Te interakcje są efektem pewnego rodzaju doboru naturalnego właściwości, zapisanej w otoczeniu w wielokrotnych kopiach, dostępnych dla obserwatora. W ten sposób, obserwatorzy mogą zgodzić się co do określonej lokalizacji dla obiektów makroskopowych, zamiast w wielu lokalizacjach w jednej.

10. Historie dekoherentne (Murray Gell-MAnn i James Hartle).

Odmiana historii spójnych. Interpretacja ta powstała w roku 1989. Podkreśla ona dekoherencję, podobnie jak kwantowy darwinizm. Jednakże jej istotą jest twierdzenie, że cały Wszechświat może być uważany za układ kwantowy, bez środowiska zewnętrznego. Dekoherencja występuje wewnętrznie, czego wynikiem są domeny 'kwazi-klasyczne' - zbiory historii spójnych, które nie mogą być odróżnialne na poziomie gruboziarnistym (po kolapsie funkcji falowej), narzuconym przez dekoherencję.

Podobało się? Zapraszam na następny odcinek @diesphys czyli fizyka pod strzechy. Kto załapie, o co chodzi, będzie chciał więcej, kto nie załapie, cóż, są jeszcze blogi kulinarne! ;)

I koniec.

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

#79 Czarny Bigos z Szyszkami czyli Chaos we Wnętrzu Czarnych Dziur

0. Wstęp.

Witam serdecznie. Co to się porobiło! Od dwóch tygodni zero w temacie bloga, a tu czarne dziury atakują. Będzie to pierwszy temat na moim blogu dotyczący czarnych dziur. Wzbraniałem się przed nim, jako że uważałem, iż to zbyt wyświechtany temat. Ale, jako że idziemy z duchem czasu, można powiedzieć, że czarne dziury występują u nas gościnnie. W końcu nie chcemy, aby nas wessało. Za to zagadnienie może wessać, bo jest bardzo interesujące. Co dzieje się we wnętrzu czarnych dziur? Czy można tam zajrzeć? Albo chociaż przewidzieć, co możemy tam zastać? Można obliczyć. Jak się jest supermózgiem, można wziąć kalkulator i sobie wydziubać na nim, że... panuje tam chaos. To bardzo możliwe. Ale zapraszam do tematu, abyście dowiedzieli się więcej w tej materii. Post o czarnych dziurach raz, proszę!

1. Nowe obrazy dziwnych, chaotycznych przestrzeni we wnętrzu czarnych dziur.

Fizycy od lat zastanawiali się, czy badanie obszarów wokół osobliwości może podać rozwiązanie zadania karkołomnego: połączenie teorii grawitacji Einsteina i mechaniki kwantowej. Stworzono modele grawitacji, które wskazują, że małe obszary przestrzeni skracają się i rozszerzają w chaotycznym bigosie. To znaczy, zamieszaniu. Żeby nie było brzydko. Chociaż bigos pewnie każdy lubi. Nie jest brzydki tylko smaczny ;)

Na początku czasu i w centrum każdej czarnej dziury leży punkt o nieskończonej gęstości nazywany osobliwością. Aby rozwikłać zagadkę osobliwości, bierzemy to, co wiemy na temat przestrzeni, czasu, grawitacji, mechaniki kwantowej i aplikujemy je do miejsca, gdzie wszystkie te pojęcia po prostu się załamują. Czyli wszystkie (k)fanty w dłoń i rozpierducha! 

Prawdopodobnie jest to zagadnienie, które angażuje wyobraźnię najbardziej ze wszystkich danych zagadnień na temat Wszechświata. Przynajmniej fizyków. Ja lubię sobie pomyśleć o zimnych drinkach i wyspie Bali. Fizycy jednak ciągle wierzą, że jeśli udałoby im się odwzorować to, co znajduje się i wydarza wokół osobliwości, odnaleźliby coś rewolucyjnego; może odpowiedź na pytanie, jak naprawdę zbudowane są czas i przestrzeń? Albo chociaż numery totolotka?

W późnych latach 60 XX wieku niektórzy fizycy spekulowali, że osobliwości mogą być otoczone czymś w rodzaju zamieszanego chaosu. Tam czas i przestrzeń miałyby się rozrastać i kurczyć w sposób losowy. A nie mówiłem? Im chodzi tylko o totolotka.

Jeśli astronauta wpadłby do czarnej dziury, prawdopodobnie zostałby rozczłonkowany i rozmieszany jak komar na szybie samochodu. Istny chaos. Teoria względności Einsteina, która opisywała grawitację czarnych dziur, używa pojedynczego równania pola do opisania, jak zagina się czasoprzestrzeń oraz jak porusza się materia. Jednakże, istnieje haczyk: równania te używają matematycznego skrótu nazywanego tensorem, aby ukryć 16 osobnych, niejako splecionych ze sobą równań. Niektórzy naukowcy opracowali kilka upraszczających założeń, aby móc konstruować tak zwane scenariusze kosmologiczne: na przykład Zmiksowany Kosmos.

Bez wyżej wspomnianych założeń, równania Einsteina nie mogą być rozwiązane analitycznie, ale nawet z nimi były zbyt skomplikowane dla numerycznych symulacji czasu. Tak jak miksery, po prostu wyszły z mody. Buuu. A ja już miałem kalkulator i chciałem liczyć.

W ostatnich latach fizycy odświeżyli wiedzę o chaosie wokół osobliwości za pomocą nowych matematycznych narzędzi. Ich cele były dwojakie. Jeden to pokazanie, że przybliżenia, których kiedyś dokonano, są poprawnymi przybliżeniami einsteinowskiej grawitacji. Drugim celem było przybliżenie się do koncepcji osobliwości (osobliwy pomysł, ale to przecież fizycy) po to, aby za pomocą ekstremalnych przypadków wykazać, że można uzyskać kwantową teorię grawitacji, łączącą teorię względności i mechanikę kwantową. Ufff. Dobrze, że nie jestem fizykiem. Marzyłbym wtedy o zupie kwarkowo-gluonowej zamiast o zwykłym barszczu.

Lata 60 były złotą epoką badań nad czarnymi dziurami. Pojęcie czarna dziura zaczynało być znane szerszej publice od niedawna. Znaleziono wtedy także nowe rozwiązania równań Einsteina dla grawitacji blisko osobliwości.

Wcześniejsze modele czarnych dziur zakładały perfekcyjne symetrie, których nie da się odnaleźć w naturze. Zakładały one, że gwiazda była doskonałą sferą, zanim zapadła się do czarnej dziury. Oraz to, że nie miała ładunku elektrycznego. Ładunek elektryczny to zagadnienie bliskie przyczepie pełnej elektryczności, którą uprzednio załadowano. Jeśli chcecie wiedzieć więcej o ładunku, można sobie poczytać gdzieś w Internecie, my nie jesteśmy klasycznymi fizykami tylko kwantowymi; dziś wszystko przecież musi być kwantowe.

Rozwiązania z lat 60, tak zwane rozwiązanie BKL opisywało, co mogłoby się zdarzyć w chaotycznym, czyli bardziej realistycznym przypadku, gdzie czarne dziury formowały się z obiektów o nieregularnych kształtach. Wynikiem była nie gładka czasoprzestrzeń w środku, ale kipiące morze czasu i przestrzeni, rozciągające się i kurczące w wielu różnych kierunkach. Rozwiązania wskazywały również na istnienie czegoś, co można nazwać osobliwością 'ogólną'.

Aby lepiej zrozumieć rozwiązania równań z lat 60 (BKL), należy wiedzieć, jak ogólna teoria względności i mechanika kwantowa różnią się od siebie. Teoria względności zakłada, że czasoprzestrzeń musi być ciągła. Można patrzeć na dowolnie mały obszar i długość i nie znajdzie się w niej żadna dziura. Czarna, zielona, nawet różowa. Pomarańczowa też nie, uprzedzam pytanie. W mechanice kwantowej nie ma sensu mówić o długości mniejszej niż długość Plancka, poniżej której nie możemy wiedzieć, czy istnieją dziury w czasoprzestrzeni. Te dwie teorie mają jednak ze sobą coś wspólnego: są bardzo głęboko nieintuicyjne.

Teoria względności utrzymuje, że dwa obszary czasoprzestrzeni mogą zostać od siebie odłączone, to znaczy: nic, co dzieje się w regionie pierwszym nie może mieć żadnego wpływu na drugi. Dzieje się tak dlatego, że są od siebie oddalone - prędkość światła jest skończona. Jednakże, istnieje przypadek, gdy dzieje się tak z innego powodu: mogą zostać rozłączone w obecności silnych pól grawitacyjnych, takich jak te otaczające czarne dziury. Pola te spowalniają upływ czasu tak bardzo, ze interakcja staje się niemożliwa. Na przykład, obszar wewnątrz i na zewnątrz czarnej dziury jest rozdzielony przez granice zwaną horyzontem zdarzeń. Ponieważ grawitacja jest bardzo silna, wszystko, co zachodzi wewnątrz horyzontu nie może być obserwowane z zewnętrza czarnej dziury - według teorii względności. Mechanika kwantowa nie jest lepsza, komplikuje sprawy jeszcze bardziej, wprowadzają utrudniające założenia. Według niej, należy rozwiązać równania z szyszką na głowie.

Ponieważ silne pola grawitacyjne mogą powodować, że przestrzeń zostanie rozdzielona, spierano się, czy gdy zbliżasz się do osobliwości, silna grawitacja powoduje, że każdy punkt w przestrzeni oddziela się od każdego innego. Oznacza to, że każdy punkt przestrzeni zachowuje się zupełnie niezależnie, działa w odosobnieniu do innych punktów. Sprawia to, że obliczenia matematyczne są o wiele prostsze. Kiedy rozdzielenie zachodzi, okazuje się, że wnętrze czarnej dziury to istny bigos (szyszki ekstra na przystawkę!), a nie gładka i rozciągnięta przestrzeń i czas - jak wskazywałby pierwotne rozwiązania Schwarzschilda. Również ważny był fakt, że dopóki nie powrócono do równań BKL z nowymi narzędziami matematycznymi, nikt nie zauważył, że występuje rozdzielenie. BKL była matematyką przyszłości, wyprzedzającą swoje lata 60.

Wokół każdego rozdzielonego punktu przestrzeń rozciąga się w losowym kierunku (jest to tak zwana przestrzeń totolotka. takie rzeczy tylko w czarnych dziurach) i ściska w dwóch pozostałych, prostopadłych kierunkach. Wtedy, po krótkim ale także losowym okresie czasu odwraca się, rozciągając się w jednym z uprzednio zmiażdżonych kierunków, po czym dewastuje pozostałe dwa. Można o tym myśleć jak o piłce do rugby, która jest niesamowicie wydłużona i która odbija się pomiędzy różnymi orientacjami.

Przez dziesiątki lat fizycy i matematycy chcieli pokazać, że te chaotyczne dynamiki nie są pozostałością uproszczającego założenia oddzielenia, ale te że to właściwości samych czarnych dziur. We wczesnych latach 2000, kiedy moc obliczeniowa komputerów wzrosła wykładniczo, nowe algorytmy pomogły w stworzeniu symulacji, które były spójne z rozdzieleniem. Mniej więcej w tym samym czasie udowodniono istnienie zawiłych symetrii w pobliżu osobliwości bez zakładania, że oddzielenie ma wystąpić. Od tamtego czasu fizycy i matematycy pracują nad uzyskaniem odpowiedzi na pytanie kiedy chaos występuje blisko osobliwości, oraz co można powiedzieć o samych osobliwościach.

W 1997 roku odkryto zależność zwaną Ads/CFT. Jest to relacja między dwoma różnymi wersjami czasoprzestrzeni: o wyższej i o niższej ilości wymiarów, tak zwane masa i granica. Ta zależność często jest porównywana do sposobu, w jaki hologram może tworzyć dwuwymiarowe struktury, które wyglądają na trójwymiarowe. Dualizm ten oznacza to, że rozwiązania, które uzyskano na jednym z uproszczonych modeli Wszechświatów na stronie pierwszej, stosują się także do drugiej.

Grawitacja występuje tylko na stronie o wyższej liczbie wymiarów tej analogii. Strona ta nazywana jest przestrzenia anty-de Sittera, albo Ads (inaczej masa). Zaś na stronie granicy nie ma grawitacji. Interakcjami między cząstkami na stronie CFT, czyli granicy, rządzi tylko mechanika kwantowa, w wersji zwanej konforemną teorią pola. Można użyc analogii Ads/CFT w celu zaproponowania problemu na jednej stronie, przełożyć je na prostszą formę czyli rozwiązać na stronie dwa i dokonać translacji powrotnej. Jest to potężne narzędzie w rękach fizyków, którzy szukają rozwiązań grawitacyjnych zagadnień takich jak np. w czarnych dziurach. Niektóre problemy są łatwiejsze na stronie Ads, inne na CFT. Taki to jest myk.

W 2019 roku pewien zespół fizyków wraz ze swoimi studentami ustawił analogię Ads/CFT w celu odkrycia, co dzieje się w czarnej dziurze na stronie Ads, czyli tej z grawitacją. Próbowali oni powiązać wnętrze czarnej dziury, które nie jest dobrze poznane, z obszarem, który znajduje się daleko od niego, znanym już lepiej. Odkryto taki sam chaos, jaki wcześniej proponowała teoria BKL. Oznacza to, że to nic innego jak kontynuacja badań sprzed pół wieku, z użyciem zależności Ads/CFT w celu analizy dynamiki czarnych dziur.

Po pierwszym odkryciu chaosu podobnego do BKL za pomocą Ads/CFT, rozpoczęto badanie na temat tego, co tak właściwie powoduje, że ów chaos się pojawia. Wykazano również, że chaos ten pojawia się nawet dla modeli Wszechświatów, dla których prędkość światła wynosi zero. Równolegle, matematycy próbowali podejść do problemu chaosu BKL ze swojej własnej perspektywy poprzez redukcję. Wszystko to przy założeniach wymaganych do dowiedzenia, że chaos powstaje. Potem sprawdzano, czy musi on pojawiać się nawet bez uprzednich założeń oddzielania.

2. Koniec. A na końcu, oczywiście, sponsorzy dzisiejszego występu: Ads (nie te z Google) oraz CFT, czyli Czy Fajne To? ;)

Jak można się było spodziewać, modelowanie chaotycznych i nieprzewidywalnych odbić czasoprzestrzeni to nie lada wyzwanie. Niedawno próbowano uśrednić odbicia czasoprzestrzeni we wnętrzu czarnej dziury. Odnaleziono wzór pojawiający się w tych odbiciach, kiedy używano techniki odnoszących się do abstrakcyjnych  funkcji matematycznych nazywanych formami modularnymi. Oznacza to, że język matematyki może zostać użyty, aby zrozumieć ten swoisty chaos. Te wzory mogą wskazywać na ukrytą strukturę grawitacji!

Jedno jest pewne. Zamiast bigosu z szyszkami otrzymaliście teorię o wnętrzu czarnych dziur. Takie rzeczy tylko na @diesphys! To jak wygrana w totolotka, a teraz następuje zatrzymanie maszyny ;)

I koniec.

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

#78 Czasem Można Zabić Dziadka, czyli podróże w czasie i nauka

0. Wstęp.

Wiem, że czekaliście. Prawdę mówiąc, ja też. Nie wiedziałem czy pisać, czy nie, na dwa lata więc wziąłem Was na przeczekanie i nie pisałem. To był wielki eksperyment, ja kontra Wy, wygraliście Wy, dlatego witam najserdeczniej na świecie w nowym odcinku @diesphys!

Nie było mnie, ponieważ taką miałem nową pracę, że nie udawało się pogodzić z pisaniem bloga.

Inna sprawa - pisałem drugą książkę, kontynuację 'Bezmiaru Wymiarów'. 'Bezmiar' niedługo będzie dostępny w formie papierowej, zaś powieść 'Na Przekór Czasowi' jest w ostatecznej fazie produkcji. Pisania, znaczy.

A tak naprawdę, byłem uprowadzony na plantację bawełny gdzieś w Ameryce Środkowej, ale udało mi się zbiec. To była ta praca. Sami widzicie, nie dało się pogodzić.

Dziś będzie o naukowym podejściu do podróży w czasie i paradoksu dziadka. Zapraszam!

1. Część właściwa, czyli co o podróżach w czasie mówią mózgowcy. Naukowcy. Naumiani.

Dla podróżników w czasie oczywistą wydaje się jedna zasada: nie zmieniaj przeszłości. Czyli, jeśli wylądujesz na polu golfowym, nie wolno ci się ruszyć ani na milimetr, żeby nie zaburzyć stanu czasoprzestrzeni trawnika. To żart. Żałosny - wiem, ale dawno nie trenowałem.

Czy chodzi o własne poczęcie, czy przekazywanie planów dotyczących zawładnięcia światem czy innego totolotka, wygenerowanie paradoksalnych sekwencji wydarzeń stoi w wielkiej sprzeczności z ideą podróży w czasie. Tak już jest, nie oglądaliście filmów?

Fizyk Lorenzo Gavassino z Uniwersytetu Vanderbilt opowiada inną wersję czasowego przemieszczania się, pozostawiając problemy paradoksów pesymistom. W ostatnich badaniach na temat entropii czasu i przestrzeni wykazał, że dziadków możemy mordować do woli. Ale tylko swoich, oczywiście.

Przyjemniaczek.

Paradoks dziadka to wewnętrznie sprzeczna koncepcja. Podróż w czasie wstecz i zabicie własnego, powtarzam, własnego, dziadka zapobiegłoby twoim urodzinom. Oznacza to także, że ty się nie urodziłeś, więc jak mogłeś się cofnąć i go zabić?

Fizyk twierdzi, że możliwe, że już go zabiłeś, i z wygodnictwa albo bardziej naukowych, związanych z entropią i termodynamiką kwantową przyczyn, zapomniałeś o tym.

2. Przecież zabicie dziadka to 100 punktów w filmie 'Wyścig Śmierci 2000'.

Ogólna teoria względności, w dużym uproszczeniu, podpowiada nam, że konstrukcja czasu może przypominać zestaw zabawkowych pociągów na podłodze. Gdzie skracanie i wydłużanie torów względem siebie to wynik obecności nieodległych mas i przyspieszeń obserwatorów. Tory skracają się i wydłużają (ulegają kontrakcji), bo obecne są obok sporych mas obiektów, albo obserwatorów poruszających się z przyspieszeniem. Obie te sytuacje determinują fakt, że czas i odległość są  względne.

W ekstremalnych przypadkach, jak w obecności czarnych dziur, można powiedzieć, że tory te zapętlają się same w sobie, tworząc zamknięte krzywe czasowe. Poruszając się po tych krzywych, pociągi wracają po prostu do punktu wyjścia. Jako wynik poruszania się po czasowych rondach rodzi się zagadnienie, nad którym rozmyślą spece od fikcji, ale także zawodowcy w dziedzinie czasu - fizycy. Pytanie to dotyczy między innymi odszczepiania się linii czasowych, albo np. tego, że pewne wydarzenie powtarza się, raz za razem.

3. Termodynamika cofania się w czasie.

Musimy rozebrać cały system do podłoża termodynamicznego i zadać pytanie: co dzieje się w przypadkach pewnego uporządkowanego zbioru cząstek, kiedy cały system cofa się w czasie. Inaczej - co dzieje się z systemem uporządkowania - entropią - gdy układ przeskoczy do stanu początkowego, czyli takiego o mniejszej entropii.

- Panie profesorze, czym jest entropia?

- Czy chcecie mieć z tego kartkówkę następnym razem?

- Przepraszamy, panie profesorze, to znaczy Wujku Google.

Rozpoznajemy wczoraj i jutro, bazując na tym co pamiętamy i co przewidujemy. Fizycy nie mają takiego luksusu. Nasz Wszechświat jest czasowo symetryczny, to znaczy, że jego prawa mogą zostać owdrócone w czasie w celu poznania warunków początkowych.

Jeden z aspektów fizyki zdaje się iść w parze ze strzałką, czyli inaczej skierowaniem czasu w kierunku od przeszłości do przyszłości. To właśnie ta nieszczęsna entropia. Entropia to losowe mieszanie się stanów, które sprawia, że uporządkowanie układu zmienia sie w nieuporządkowane, z każdą mijającą sekundą, w przypadku brak ingerencji w układ, którego entropię badamy.

Statystyczne podstawy termodynamiki są znane od około dwustu lat. Należy zatem rozpatrzyć kwantową teorię termodynamiki. Ona znajduje się u podstaw całego zagadnienia.

Gavassino chciał poznać jakie są konsekwencje podróży do przeszłości układu o wysokiej entropii (takich np. jak statek kosmiczny), rozważając ów przypadek dla jego kwantowej reprezentacji.

Dobrze, że jest Włochem, gdyby był Polakiem, nasza reprezentacja na pewno by przegrała.

Taki statek kosmiczny byłby wysłany do przeszłości, czyli z powrotem w jego stan o niskiej entropii.

4. Gavassino, Gavassino. Co ja takiego zrobiłem, że tak mnie nie szanujesz? Nie zaprosiłeś mnie nawet na filiżankę kawy.

Gavassino odkrył, że entropia własna podróżnika w czasie nie może dalej rosnąć, kiedy przeniesie się do przeszłości. To kwantowe nieuporządkowanie, tzw. fuzziness, anuluje oczekiwany wzrost nieuporządkowania. Nie może zatem utworzyć się równoległa entropijna linia czasowa, która zaczyna się i kończy w tych samych punktach. 

Jak owa sytuacja przekłada się na przypadek statku kosmicznego w zamkniętej pętli czasowej? Moglibyśmy spodziewać się, że procesy związane z entropią musiałyby koniecznie się zmienić, albo nawet odwrócić.

Wracając do dziadka (w wiadomym celu), który zaleca się do babci, pętla czasowa uczyniłaby jego śmierć odwracalną. To twoja pamięć o tym, że go zabiłeś/łaś mogłaby zostać... wymazana. Innymi słowy, konkludując - nie da się przewidzieć w zasadzie niczego w zapętlonej linii czasowej, jeśli rozważamy ów stan w kontekście teorii kwantów. Fizyka kwantowa wygładza wszelkie niezgodności wynikające z paradoksalnych stanów entropii.

Gavassino nie był pierwszym, który rozmyślał nad tym, jak cechy mechaniki kwantowej mogłyby zachowywać się, kiedy czas się odwraca. Odkrył on jednak, że falowa natura Wszechświata sprawia, że nasze zapatrywanie się na to, jak mogłaby wyglądać podróż w czasie, jest absurdalne.

5. Oferta, której nie możesz odrzucić - wnioski. Moje trochę też. 

Czym są czas i przestrzeń u najbardziej fundamentalnych założeniach? Z czego są zbudowane na poziomie odległości Plancka? Jak mechanika kwantowa wpływa na ogólną teorię względności? Czy kiedykolwiek odkryjemy prawa, które rządzą naszą rzeczywistością u samych podstaw? Kiedy tego dokonamy, podróże w czasie mogą stać się użytecznym narzędziem do przewidywania i weryfikowania granice naszej wiedzy.

I to na tyle. Widzimy się niedługo, polecam cofanie się w czasie i czytanie innych, jakże fascynujących odcinków Fizyki dla Laika czyli... :)

#77 Odbłyski Czasu, czyli Ma Się Ten Refleks!

 

0. Wstęp.

Dobry wieczór wszystkim odbiorcom. Z tej strony strona fizyka dla laika czyli nauka dla tłuka. Ciemną stroną bieżącego przedsięwzięcia jest fakt, że piszę i publikuje nocą. Niech Was to nie zrazi, choć w nocy niektóre światła mogą razić. Np. Odbłyski czasu od czasowej składowej funkcji falowej np. fali elektromagnetycznej. Jasną zaś stroną jest fakt, że znowu się spotykamy, tym razem w kolejnej odsłonie niezwykłych zjawisk zbadanych w przepastnych laboratoriach dzisiejszych gabinetów panów od fizyki teoretycznej i doświadczalnej. Jak wiadomo, bez teorii nie da się zaprojektować doświadczenia. Jaka jest różnica między teorią a praktyką? Posłużę się analogią, która gdzieś mi dzisiaj zaświtała. Skoro tzw. biała dziura jest czysto matematycznym tworem (wypycha materię i energię), bliźniaczym do czarnej dziury, co wynika z równań teorii względności... To czy praktyką nie można nazwać czarnej dziury, realnego obszaru czasoprzestrzeni? To oczywiście tylko literacka metafora, ale idźmy dalej, może analogia przyniesie nam odkrycie (raczej rodem z Krainy Czarów i Alicji wraz z kotem z Cheshire ;)) - co łączy teorię z praktyką? Czarną i białą dziurę ma łączyć tunel czasoprzestrzenny, który przechodzi przez inny niż znamy stopień swobody przestrzeni; Czym jest zaś przepaść między teorią a praktyką? Czy może znaleźć się miejsce dla ducha w teoriach nauk przyrodniczych? Jeśli już, to tylko między teorią a praktyką. Proszę tego nie brać na poważnie, mózgowi w ciemnej nocy zdarza się błądzić... Kartezjusz to miejsce w ludzkim mózgu lokalizował w ... szyszynce. Poważnie. Ale do rzeczy.

1. Odbłyski czasu...

... zostały w końcu zaobserwowane przez fizyków po dekadach poszukiwań. Przejdźmy się przez gabinet luster, aż w końcu - napotykamy samych siebie. Twój nos spotka twój nos, odciski palców dotykają swoich bliźniaczych widm, zatrzymanych nagle przez granicę tafli szkła.

W większości przypadków, czym jest odbłysk każdy widzi. Zderzenie światła z powierzchnia lustra jest niemal intuicyjne, jego promienie poruszają się po nowej ścieżce przez przestrzeń z taką samą łatwością, z jaką piłka odbija się od ściany. Przez niemal 60 lat jednakże, fizycy rozważali trochę innego rodzaju refleksy, czyli odbłyski. A chodzi o takie, które występują nie w trzech wymiarach przestrzennych, ale jednym czasowym.

Badacze z City University of New York's Science Research Center przenieśli teorię odbłysków czasu w praktykę, dostarczając pierwszego eksperymentalnego dowodu jego zmiany przez spektrum elektromagnetyczne. Krótko mówiąc, wystarczy nam wiedzieć tyle, że odbicia czasowe istnieją tak samo jak odbicia przestrzenne! Tak samo jak fala światła odbija się od powierzchni lustra, tak zmienna czasowa, nie tylko przestrzenna, może ulec odbiciu... Czysta magia!

2. ... Są realne i nic złego nam nie zrobią ;)

Do lat 70 ubiegłego wieku stawało się jasne, że istnieje analogiczne do odbicia przestrzennego - odbicie czasowe. Ma ono związek z elementem wymiaru czasowego w kwantowej fali światła, a raczej w jej matematycznej reprezentacji czyli równaniu Schroedingera. Do tej pory istniały tylko hipotetycznie.

Wystarczyło bowiem zmienić odpowiednio szybko ośrodek, przez który podróżowała fala, a wraz z falą zmieniał się jej składnik czasowy. Przestrzeń ma wpływ na czas, to już znamy z teorii Einsteina :) Ale w skali kwantowej?! Efekt odbicia w czasie nie wydziera dziury w rzeczywistości.  Ale zmienia częstotliwość fali w sposób, jaki technologia mogłaby wykorzystać, na wielu polach: obrazowanie, komputery analogowe i filtrowanie optyczne. Dziwne jest także zjawisko, iż 'echo' zmienionej częstotliwości jest także odwróconym sygnałem. Jeśli echem byłby dźwięk twojego głosu odliczania od 1 do dziesięciu, każdy numer byłby odczytany małpim piskiem od tyłu, od dziesięciu do jednego. Urocze.

Odpowiedniki w akustyce i elektromagnetyzmie były badane doświadczalnie już wcześniej. Posiadały jednak wadę - słaba możliwość ich badania z powodu wąskiej częstotliwości w odbiciu czasowym elektromagnetyzmu. Badania były prowadzone przez system komputerowy, stąd ograniczenia. Rozważanie zjawiska na mniej ograniczony wymagałoby zbyt dużego nakładu energii i pracy, jak twierdzą eksperymentatorzy, krótkowzroczne lenie.

3. Opis eksperymentu.

Zespół wziął do badania metalowy pasek o długości 6 metrów. Oświetlono go falą elektromagnetyczną o zmieszanej częstotliwości, metalowy pasek najeżono zaś kondensatorami i przełącznikami. Włączone w tym samym momencie, kondensatory uwolniły swój ładunek, gładko zmieniając impedancję metamateriału, kiedy sygnał przez nie przechodził.

Metamateriały to sztuczne twory, które nie maja odpowiednika w naturalnym świecie. Mają unikalne właściwości, są przeznaczone do celowych zastosowań tak, aby dostroić się do różnych strukturalnych, akustycznych i optycznych potrzeb. Wynalezienie materiału zdolnego do wyprodukowania odbłysków czasu dostarcza inżynierom nowe narzędzie do manipulowania światłem. Egzotyczne właściwości elektromagnetyczne metamateriałów mają swoje źródło w projekcie sprytnych połączeń interfejsów przestrzennych. Eksperyment dowiódł, że możliwe jest dodanie interfejsów czasowych rozszerzając stopnie swobody manipulowania światłem.

I koniec.

  

#76 Kwantowy Pomiar, czyli Nowe Spojrzenie na Rzeczywistość

 

0. Wstęp.

Dzień dobry! Dziś będzie znowu trudno. Trudno się mówi. Jeśli chcecie nowinek o najnowszym meteorycie który walnął w nocy w samochód sąsiada (sensacja na całe osiedle, co najmniej), albo o kolejnego zdjęcia chmurek tudzież zorzy, zapraszam obok! Jest mnóstwo portali, które opisują takie sprawuśki.

U nas się toczy bój o bycie na topie z najnowszymi osiągnięciami fizyki kwantowej, prosto spod igły, w nowoczesnym wydaniu. A, zapomniałbym. Czasem opowiem żart (niebywałe! Już to mnie powinno ustawić mnie w pierwszym rzędzie nowinkowców), tudzież... zamieszczę Obrazek! Mało osób zamieszcza obrazki, a, jak wiadomo wszystkim, nie tylko nam, elicie, tekst z obrazkami to jest to!

Nie będę dalej szydził, każdy robi to, co lubi i umi. Niektórzy wydają wyroki na takich jak ja, internetowi szydercy i hejterzy. Nie wiem jak wy, ale ja się boję, że mi jakiś niechciany użytkownik wtargnie na moje skromne poletko i zabrudzi. Zaora. Już takiego raz miałem, oczywiście, od razu usunąłem komentarze! ;)

Dość żartów, bo, jak wiadomo, żarty się skończyły ;)

1. Sposób patrzenia na obiekty bez 'dotykania ich' czyli tzw. bezinwazyjny.

Fizycy odkryli nowy sposób na 'widzenie obiektów' bez spoglądania na nie. Zwykle, aby dokonać pomiaru na obiekcie, obserwator musi wejść z nim w jakiś sposób w interakcję. Dźgnięcie, echo fal dźwiękowych lub strumień światła - w taki sposób dokonujemy pomiarów inwazyjnie, naruszając mierzony przedmiot. Jednak w świecie fizyki kwantowej istnieją pewne ustępstwa od tej reguły.

Fińscy naukowcy z Uniwersytetu w Aalto w Finlandii zaproponowali metodę patrzenia na sygnał mikrofalowy bez żadnej absorpcji lub reemisji fal świetlnych. To przykład specjalnego sposobu 'bez interakcji', kiedy coś jest obserwowane bez bycia zakłóconym przez pośredniczącą cząstkę. Ta metoda nie jest nowa. Fizycy pokazali, że możliwe jest użycie falowej natury światła do eksploracji przestrzeni bez przywoływania jego korpuskularnego sposobu zachowania (jak wiadomo, światło ma naturę falową a także korpuskularną czyli cząsteczkową; cząstką jest foton, to kwant światła) poprzez rozszczepienie wyrównanych fal światła na różne tory i porównanie ich tras.

Zamiast laserów i luster, zespół użył mikrofal i półprzewodników, dokonując osobnego osiągnięcia. Układ wykorzystał coś, co znane jest jako transmon (opisuję go w poprzednim moim temacie) w celu wykrycia fali elektromagnetycznej pulsującej w stronę komory.

2. Dalej, dalej, pędzimy autostradą wiedzy prawie na równi z fotonami!

Trasmony, co to takiego? Mimo, iż relatywnie duże jak na standardy mechaniki kwantowej, urządzenia te naśladują kwantowe zachowanie pojedynczych cząstek! I to na wielu poziomach, poprzez użycie obwodu nadprzewodnikowego.

Pomiar bez interackji, nieinwazyjny, to użycie fundamentalnego efektu efektu kwantowego polegającego na tym, że obecność fotoczułego przedmiotu jest określana bez nieodwracalnego procesu absorpcji fotonu. Zespół z Finlandii oparł swoją metodę na koherencji kwantowej, wytworzonej przez swój, zrobiony na zamówienie, system. Koherencja kwantowa to możliwość zajmowania dwóch różnych stanów obiektu w tym samym czasie, coś jak kot Schroedingera. Co to znaczy w dwóch różnych stanach? No, na przykład, kiedy twój myśliwiec został zestrzelony na granicy dwóch stanów, i potem szczątki zbierane są zarówno w Kalifornii i w Arizonie ;) 

Zmieniono standardowy sposób z protokołu na bezinwazyjny pomiar: dodano kolejną warstwę kwantów, aby móc użyć wyższego poziomu energii transmonu. Potem wykorzystano koherencję kwantową aby uzyskać trójpoziomowy układ jako źródło. Dzięki temu, po raz kolejny udowodniono, że urządzenia kwantowe mają wyższy zakres możliwości niż te tradycyjne.

3. Po co i na co nam te Pokemony? Te Transmony?

W świecie kwantów dotykanie obiektów oznacza to samo, co ich zniszczenie. Nic tak nie niszczy fali prawdopodobieństwa jak zderzenie z rzeczywistością. Sposób naukowców z Finlandii może być stosowany do bardziej wymagających pomiarów, gdzie delikatność stanowi główny atut. Metoda ta sprawdza się w informatyce kwantowej, technologii obrazowania (nie obrażania tylko obrazowania; to wtedy, kiedy ktoś nas obrazi a nie sam się obrazi ;)) optycznego, wykrywaniu szumów i kryptografii. Wydajność na każdym  tych pól powinna być znacznie zwiększona, oczywiście z przewagą dla urządzenia kwantowego.

W komputeryzacji kwantowej można takie pomiary wykorzystać do diagnozowania stanów mikrofala-foton (a to co? Nie wiem, jestem bloggerem, nie fizykiem :D ) w pewnych elementach obsługujących pamięć. Może być także stosowany do wydobycia informacji bez zniszczenia funkcjonalności profeso... eee, procesora. A miałem napisać profesora! W sumie to chyba każdy profesor ma w głowie procesor, więc na jedno by wyszło.

I koniec.

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

#75 Oscylujące Koty z Pudełek, czyli Największy Jak Dotąd Kot Schroedingera

0. Wstęp.

Dzień dobry! Ptaszki śpiewają, że dziś poznacie drugi odcinek kwantowej sagi na @diesphys. A co się będę ograniczał! Zamierzam, jakimś cudem... może uzdrowię sobie kwantowo świadomość? ... pisać więcej. Nie wiem, czy to dobrze, czy źle, pewnie część z Was powie że źle, bo takich bzdurek w Internecie pełno, poza tym, nie lubimy cię, idź spać. Na drzewo, korniki doić z takim pisaniem. A ja co? Im bardziej mnie nie lubicie, tym więcej będę pisał. Ale może już dość, bo jeszcze się okaże, że piszę Wam na złość, a tak przecież nie jest.

Tudzież zapowiadam więcej czasu na pisanie, może się uda wytrzymać owo szaleńcze tempo, liczę na Wasze zaangażowanie i lajkowanie, bo nic tak nie cieszy bloggera, jak porządny Lajk. Laik. Fizyczny Laik. O, takich proszę więcej. Lajki które czytają - Laiki z @diesphys. Pożartowałem, trochę bzdetów, i od razu człowiek weselszy.

1. Rozdział pierwszy.

Mały wibrujący kryształ, ważący nieco więcej niż ziarnko piasku, stał się najcięższym obiektem w historii, który znajdował się w stanie superpozycji.

Fizycy ze Szwajcarskiego Federalnego Instytutu Technologii w Zurychu podłączyli mechaniczny rezonator do pewnego rodzaju nadprzewodnikowego obwodu. Przyznajcie, robi się ciekawie ;) Żartowałem. Obwód ten jest powszechnie używany w informatyce kwantowej w celu wykonania słynnego eksperymentu myślowego Erwina Schroedingera. Tym razem skala, w jakiej udało się przeprowadzić doświadczenie, była bezprecedensowa.

O ironio, Schroedinger byłby pewnie sceptycznie nastawiony do faktu, że coś tak dużego, a właściwie cokolwiek mogłoby istnieć w tego rodzaju mglistym stanie rzeczywistości.

Stany superpozycji nie mają odpowiednika w naszej codzienności. Rzućmy piłką tenisową, a na pewno uda się powiedzieć kiedy upadła, ponieważ, całkiem niespodziewanie i zupełnie przypadkowo mieliśmy ze sobą stoper. Jej końcowa pozycja jest jasna jak Słońce, a nawet to, jak sie obraca, jest oczywiste. W koło, no przecież.

Jeśli zamkniesz oczy, kolega na pewno rzuci cię w głowę tą piłką... ok, żarty się skończyły; jeśli zamkniesz oczy, kiedy piłka upada na Ziemię, nie ma powodu myśleć, że te stany położenia i zachowanie piłki mogłyby być inne, niż gdybyśmy mieli oczy otwarte. Jednak w fizyce kwantowej, własności takie jak położenie, spin i moment pędu nie istnieją w żaden inny znaczący sposób, dopóki nie ujrzysz piłki spoczywającej na podłożu.

2. Rozdział drugi - jest jeszcze lepszy niż pierwszy.

Wraz z innym zawodnikiem klasy superciężkiej jeśli chodzi o fizykę teoretyczną - Albertem Einsteinem - Erwin Schroedinger niezbyt wierzył w interpretację, która mówiła, że cząstki elementarne nie mają precyzyjnie określonych właściwości, dopóki akt obserwacji im ich nie nadał. Aby pokazać, jak absurdalną wydawała mu się ta idea, austriacki laureat Nagrody Nobla opisał scenariusz, niezaobserwowane położenie było powiązane z nieobserwowanym kotem.

Proszę sobie wyobrazić cząstkę losowo wystrzeliwaną (jak zamkniemy oczy, dostaniemy cząstką w głowę, od kota, oczywiście ;)) z rozpadającego się promieniotwórczo atomu, która uderza w licznik Geigera (taki przyrząd do mierzenia radioaktywności), powodując uwolnienie trucizny do pudełka, w którym znajduje się kot. Kot umiera od razu. Jako, że wszystko odbywa się w zamkniętym pudełku, wydarzenia i czas ich zaistnienia pozostają poza zasięgiem jakiejkolwiek obserwacji.

Interpretacja Kopenhaska (jest to rozumienie fizyki kwantowej, takie tłumaczenie z języka matematyki na język filozofii, zaoferowanej i nadal obowiązującej w podręcznikach - autorem Niels Bohr) mówi, że system, którego nikt nie obserwuje istnieje w stanie wszystkich możliwych konfiguracji, dopóki nie zostanie poddany aktowi obserwacji. Cząstka z rozpadu promieniotwórczego jest jednocześnie wyemitowana jak i niewyemitowana, dla kogoś, kto nie widzi atomu. Tak samo - kot jest żywy i martwy jednocześnie.

Ta koniunkcja życia i śmierci jest  niejako niemożliwa do opisania, ale ma swoje uzasadnione miejsce w równaniu funkcji falowej, wymyślonej właśnie przez Erwina Schroedingera. Prawie wiek później, kot Schroedingera nie jest już dowcipem. Efekt superpozycji został zaobserwowany nie tylko dla maleńkich cząstek, ale także całych molekuł (nie wspominając o zlepkach tysięcy atomów). Podobnie jest, kiedy dużo się napijecie alkoholu - wtedy też widzimy w superpozycji, drzwi po lewej i prawej jednocześnie. Należy wtedy dokonać aktu pomiarowego i przywalić w nie głową lub obok, w ścianę. Wtedy się okazuje, że drzwi były otwarte a w progu czeka żona z tłuczkiem. Albo z Tłukiem! To ostatnie to żart, ha, ha. Można manipulować pudełkiem z kotem (wracamy do rzeczywistości czyli do kaca) aby upewnić się, że kot nie umiera nigdy. Można także majstrować w opcjach eksperymentu tak, że osiągniemy rozerwanie kota na dwie części. A wszystko przez pieszczenie kotka za pomoca młotka ;) (buuuuu, ale śmieszne). Właściwie to całe technologie oparte są na tych samych zasadach superpozycji, w jakich znajdują się cząstki z eksperymentu myślowego Schroedingera.

Nic się nigdy żadnemu kotu nie stało - odnośnie eksperymentu myślowego Schroedingera, ponieważ istnieje coś takiego jak etyka (cała wina z rozrywaniem kotów na części spada na psy). Poza tym, obiekty takie jak koty, ludzie, słonie i dinozaury mogą istnieć w stanie superpozycji, tak samo jak elektrony, kwarki i fotony. Tak myśleć nakazuje nam matematyka, jednakże obseracja rozmytych istnień w dużej skali to zupełnie inna historia.

Na poziomie atomowym, rozmaz niezrealizowanych scenariuszy może być obserwowany przy użyciu dość prymitywnych przyrządów. Jednak, kiedy obiekty robią się większe, ślady superpozycji stają się coraz trudniejsze do wykazania eksperymentalnie.

3. Rozdział trzeci - trochę lepszy niż pierwszy ale nieco gorszy niż drugi.

W ostatnim doświadczeniu wybrano {High-overtone bulk acoustic-wave resonator} w skrócie HBAR, jest to swego rodzaju rezonator fal akustycznych. Jeśli ktoś ma propozycję tłumaczenia - proszę walić śmiało, byłaby niezła zabawa z takim tłumaczeniem. Oczywiście, nagrodą jest lizak. Kiedyś był zegarek, ale od kiedy zrobiono nalot na pobliską giełdę, zegarki się skończyły ;)

Ten rezonator posłużył jako 16.2 mikrogramowy kot Schroedingera. Brakowało mu wąsów i oddechu zalatującego rybą. W zamian za to, może on wytwarzać szumy wzdłuż krótkiego zasięgu częstotliwości, kiedy jest zasilany prądem elektrycznym. I oto - udało się ustawić dwa stany oscylacji kryształu w superpozycję i w zasadzie stworzono kota Schroedingera ważącego 16 mikrogramów. W roli atomu radioaktywnego, licznika Geigera i trucizny, zespół badaczy umieścił transmon - nadprzewodnikowy obwód, który był źródłem mocy w doświadczeniu, czujnik i superpozycję.

Podłączenie tych dwóch urządzeń do siebie pozwoliło wprawić w ruch HBAR tak, (nawiasem mówiąc, h-bar to inaczej zredukowana stała Plancka, uczeni lubią takie dwuznaczne skróty) aby oscylacje drgały w dwóch fazach jednocześnie.

Otwartym pytaniem pozostaje - jak daleko mogą zajść kolejne eksperymenty. Zwiększenie skali i osiąganie kolejnych limitów wielkości obiektów, na których obserwuje się superpozycję może doprowadzić do, m.in., utrwalenia i swego rodzaju ustabilizowania technologii kwantowej, albo produkowania coraz bardziej czułych przyrządów używanych do badania materii i Kosmosu. Sama superpozycja materii to nawet dziś zjawisko zagadkowe, uczeni zadają sobie pytania, czym jest superpozycja dla obiektów posiadających masę. 

Oni zadają pytania, a ja odpowiem - ale to już w następnym odcinku bloga pt. 'Fizyka dla Laika czyli Nauka dla Tłuka'! :)

I koniec...

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

#74 Zero Jest Bezwzględne, czyli Termodynamika i 0 st. Kelvina

0. Wstęp.

Wiosna, lato, jesień, zima, czemu znowu bloga ni ma? Na tak zadane przez Was pytanie mogę odpowiedzieć tylko kwantowo: jest i ni ma jednocześnie. Jest, ponieważ właśnie piszę tekst, a ni ma, bo długo nie było. Jak głupek z uporem lepszej sprawy naobiecuję Wam zaraz. Uwaga! To może mnie kosztować życie, bo jeśli dalej będę pisał kwantowo (broń Boże nie kwantowo.pl ;)), i nic nie napiszę, utracę część 'na tak' czyli 'piszę'. Już nie będzie superpozycji pisania i niepisania jednocześnie. Będzie tylko pisanie. A, to ostatnie mogę obiecać.

Tymczasem, borem, lasem, chcę Was dziś uraczyć ciekawostką ze świata termodynamiki i kwantów. Nie jest to jakieś wielkie halo, bo u mnie wszystko jest skromnie, nawet posty ukazują się biednie (biednie, ale skromnie), nie będzie to odkrycie na miarę Andrzejów Draganów i inszych bogaczy fizycznych. Ja sobie powoli piszę, w tempie 1 znaku na minutę. I dlatego wydaje się, że tak długo nie pisałem. O.

I tym przemiłym akcentem, z czystym sumieniem prezentuję: kwantowy trick - jak osiągnąć zero bezwzględne.

1. Rozdział pierwszy.

Stan perfekcyjnego bezruchu, znany inaczej jako stan zera bezwzględnego, najniższa z możliwych w fizycznym świecie temperatur, jest jednym z niemożliwych osiągnięć do uzyskania. Możemy zbliżać się na niemal dowolną odległość, jednak prawa fizyki zawsze powstrzymają nas przed osiągnięciem absolutu zerowego. Zera absolutnego, miałem na myśli. Absolut jest absolutnie nie do osiągnięcia, jak sama nazwa wskazuje ;)

Międzynarodowy zespół badaczy (nie będę pisał jakich, bo i tak nie zapamiętacie, Laikowie, ba, ja już nawet nie pamiętam gdzie o nich czytałem; załóżmy, że są to amerykańscy naukowcy, którzy umieją wszystko oprócz zrobienia sobie samodzielnie śniadania ;)) znalazł nowy sposób. Na co? Hmmm, a o czym jest temat? Okej, już wiem: na osiągnięcie w teorii mitycznego punktu absolutnie zerowej temperatury! Nie oznacza to, że udało się złamać prawa fizyki i usunąć ostatnią cząstkę ciepła. Chodzi bardziej o zbudowanie struktury, która może zainspirować do tworzenia nowych sposobów na poznawanie materii w niskich temperaturach.

Jako konsekwencja trzeciego prawa termodynamiki (przypominam: 'nie można za pomocą skończonej liczby kroków uzyskać temperatury zera bezwględnego, jeżeli za punkt wyjścia obierzemy niezerową temperaturę bezwzględną'). A co to za zasada - ano taka, w skrócie, że aby uzyskać zero absolutne, potrzebna jest nieskończona liczba kroków, czyli przeskoków w obniżaniu temperatury. To tak jakby zero absolutne było asymptotą, do której dąży nasze obniżanie temperatury. Nigdy jej nie osiągnie, ale do niej dąży. Pamiętacie limesy z matematyki? Nie? Ja też nie. - to po co Pan o nich mówi? - to po co o nie pytacie? - Ale to Pan o nich zaczął mówić. - Spadajcie.

2. Moje spostrzeżenia.

Jednym słowem mamy fakt, a raczej moje prywatne spostrzeżenie, że prawa fizyki (np. zero bezwzględne, prędkość światła - tu mamy foton, ale on nie mam masy) mogą być jak asymptoty, hipotetyczne punkty, które można osiągnąć w teorii, istnieją naprawdę, i w rzeczywistości nigdy ich nie osiągniemy. To np. tak, jakby podstawić za prędkość światła nieskończoność. Mówi się, że w fizyce nie ma nieskończoności (mogę się mylić ale tak słyszałem; źródło: ptaszki za oknem ćwierkały). Ale gdyby tak się pobawić w eksperymenty myślowe... Przecież to nic innego niż zasada nieoznaczoności Heisenberga w natarciu. Zero bezwzględne istnieje. W teorii. Zbliżamy sie do niego na niego na odległość 1/nieskończoność, ale nigdy go nie osiągamy. Im bliżej jesteśmy zera bezwzględnego, tym więcej kroków musimy wykonać w obniżaniu temperatury. Oczywiście, nie jest to zasada nieoznaczoności w pełnym tego słowa znaczeniu, ale sam mechanizm działania jest podobny. A prędkość światła? Zbliżanie się od prędkości światła powoduje wzrost masy poruszającego się obiektu do nieskończoności. Coś Wam to przypomina? Zbliżanie się do zera bezwzględnego? Taaaaak! Wygrywają Państwo lizaka. Otóż w przypadku nieprzekraczalnej prędkości mamy coś, co się z nią porusza: foton. Tylko że foton nie ma masy, a przed barierą prędkości światła masa rosła w nieskończoność! Dziwny ten foton, bo w języku matematyki jego prędkość to... 1/0. Nieokreśloność. Droga/czas, a jak wiemy, fotony poruszają się bez czasu, z ich własnej perspektywy. Pozostawiam to do panelu dyskusyjnego, o ile taki u mnie w ogóle istnieje ;)

Wiem, że pewnie się wygłupiłem pisząc te wnioski i zaraz zaliczycie mnie w grono specjalistów od kwantowego uzdrawiania świadomości, że czas to absolut, a zero jest wymysłem kosmitów, a nasza energia łączy się w kwantowy sposób z magiczna energią Wszechświata. Ale to była jedynie taka zabawa myślowa, może jakieś ciekawe komentarze się pojawią. Liczę na natychmiastowe wytknięcie mi błędów w myśleniu! Hmmm, a może to ja jestem fotonem? Sam już nie wiem ;)

3. Ech, się rozmarzyłem. Wracamy do rzeczywistości.

Usunięcie przyrostu energii cieplnej będzie zawsze wymagać nieskończonej liczby kroków. Co za tym idzie, wymaga nieskończonej ilości energii, aby dotrzeć do celu. Niezwykłe wyzwanie.

Fizyka klasyczna stawia jednak inne wymogi i sprawa jest oczywista. Jednak jeśli spojrzeć na problem w kontekście fizyki kwantowej, wygląda on wtedy nieco inaczej.

Fizyka kwantowa opisuje cząstki według rozkładu prawdopodobieństw. Tylko kiedy właściwość zostanie zmierzona, ma swój konkretny stan; nawet wtedy inne własności cząstki stają się nieco mniej pewne. Cząstka w teoretycznym stanie zero Kelvina nie poruszałaby się zupełnie, a to oznaczałoby, że jej położenie jest pewne. Detale, informacje kwantowe odnośnie jej poprzedniego położenia zostałyby wymazane, kasując informację. W jednym zdaniu: pogwałcenie zasady nieoznaczoności Heisenberga i zasady zachowania informacji w przyrodzie. 

Spójrzmy także na zasadę Landauera, która głosi, że skasowanie części informacji wymaga użycia skończonej i minimalnej ilości energii. Jak teraz odnieść się do informacji, że istnieje kwantowy trick pozwalający zejść do zera absolutnego?

4. Rozwiązanie paradoksu.

Są ich dwa. Aby wykonać przeskok, nadal potrzebna jest nieskończona ilość czasu i energii. Albo, podążając tokiem myślowym odkrycia, o którym mówi mój tekst - wymaga on skasowania nieskończonej ilości złożoności informacji.

To nowe odkrycie roli złożoności. Pokazuje ono nowe spojrzenie na drogę do zera absolutnego. Mimo, iż jest praktycznie niewykonywalne, wpisujemy je na listę innych rozwiązań problemu zera bezwzględnego, nad którymi naukowcy pracują już od dawna.

Okazało się, że systemy kwantowe mogą zostać tak zdefiniowane, że pozwalają osiągnąć stan zera absolutnego nawet przy skończonej ilości energii i w skończonym czasie. Nikt tego nie podejrzewał. Jednakże za takie warunki płaci się swoistą cenę - nieskończoność złożoności (znowu mamy coś w rodzaju zasady nieoznaczoności Heisenberga - tylko tam nie obchodzimy się z nieskończonościami; mówi ona, że dla wartości skorelowanych im lepiej poznajemy jedną wartość, to drugą poznajemy odwrotnie proporcjonalnie, dla fizycznych, skończonych wielkości). Mamy więc kwantową wersję trzeciego prawa termodynamiki, które wykracza poza wiedzę, jaką wpaja nam fizyka klasyczna: aby osiągnąć zero absolutne, wymagana jest nieskończona ilość energii, czasu albo złożoności.

Obliczenia i modelowanie przeprowadzone przez zespół badaczy pokazuje także, że perfekcyjne wykasowanie danych i najniższa możliwa temperatura są ściśle powiązane. Oba, najwidoczniej, poza zasięgiem nas, śmiertelników.

Jeśli chce się wykasować informacje w sposób perfekcyjny w komputerze kwantowym i w trakcie procesu przenieść kubit w stan perfekcyjnie czystego stanu podstawowego, należy mieć coś, czego nigdy mieć nie będziemy (może w Niebie; albo w piekle, zależy od oceny z zachowania ;)). Otóż jest to nieskończenie złożony komputer kwantowy, który może doskonale kontrolować nieskończoną liczbę cząstek.

5. Koniec. Nareszcie, powiecie.

W praktyce nie istnieje coś takiego jak idealny system komputerowy. Dlatego nie powinno się uważać, że fakt, iż nie da się pozbyć informacji z cząstki w komputerze kwantowym, jest czymś złym. Mówię tu także o informacjach o poprzednich stanach kubitu. W niedoskonałym systemie niedoskonały komputer kwantowy jest dokładnie na swoim miejscu ;))

Mechanika kwantowa i temperatura zera bezwzględnego są ściśle powiązane. Kiedy zbliżamy się do 0 st. Kelvina uruchamia się dziwny mechanizm kwantowy. Owo odkrycie może być przydatne w innych badaniach, w przyszłości.

Pe.eS. Dziwne może się wydawać z punktu widzenia osoby, której zasada nieoznaczoności jest obca jak typowy obcy z typowo obcej planety ;)