#83 Światło vol. 2, czyli Nosisz, Uszysz i Oczysz je w sobie

0. Wstępniak okolicznościowy.

Witam ponownie. Tym razem, w odróżnieniu od poprzedniego tematu, zajmiemy się światłem. Wyjątkowo, skoro okoliczności pozwalają, nie będę się rozwlekał, to ma być druga część. Podobno. Dziś gościnnie wystąpią u nas literki 'Ś', 'C', oraz liczba 300. To nie będzie tych trzystu z filmu, jeszcze by mi tu obory narobili. Mam nadzieję, że domyślacie się, dlaczego zaprosiłem do nas akurat te literki i tę liczbę. Nie? 

O, Wy, Tłuczyska. To ja się tu produkuję i wypacam co mam najlepszego spod klawiszy, a Wy nie potraficie zapamiętać, że 'Ś' to światło, 'C' to prędkość światła, a 300 to liczba tysięcy kilometrów na sekundę, jaką przebywa światło? Na sekundę?! No, trzysta! Wiecie co, nawet ja się mylę, tak naprawdę jestem podjarany tym, że mogę znowu do Was przemawiać z ambony Fizyki dla Laika. A propos nazwy, jakaś babka wydała książkę pod dość znajomo brzmiącym tytułem 'Fizyka dla Laika'. Obrażam się i podaję do sądu. Ja byłem pierwszy. Jakbyście nie wiedzieli, kto wymyślił, to ja - 10 lat temu.

Ale do meritum.

1. Co do babć wypadających z bamboszy, odnośnie pierwszego tematu.

Na czym ja to skończyłem? A na, podawaniu do sądu. Może przełóżmy tę kwestię gdzie indziej, a raczej wystrzelamy ją z plagiatem na Księżyc.

Co się tyczy bamboszy, na pewno uznacie fakt, że foton podróżuje bez czasu, za jakąś bzdurkę. Fizyczną, laiczną, tłuczyskową. Skoro bez czasu, to panie, jak się mówi, skąd te 300,000 km na sekundę? I pewnie bystrzejsi z Was powiedzą: 'Kolego, foton potrzebuje 8 minut, by dotrzeć ze Słońca do Ziemi. Co ty na to, tępa strzało?'. Ci bystrzejsi, na pewno tak powiedzą. Widzę to w Waszych oczach. 

A te, skoro jeszcze nie są jak spodki, będę się produkował dalej. Jeśli mógłbyś lecieć razem z fotonem, czego nie da się zrobić, ale przyjmijmy to na chwilę jako eksperyment myślowy; wtedy czas w ogóle nie płynie. Foton opuszcza Słońce (chlip, chlip), podróżuje 150 milionów kilometrów do Ziemi, nasze zegary mierzą 8 minut. Ale dla fotonu czas wynosi ZERO. Jest emitowany i absorbowany w jednej i tej samej chwili. Foton nie doświadcza 'podróżowania'. Nie doświadcza tak naprawdę niczego. Pojawia się w jednym miejscu a zaraz potem w innym, tylko że to zaraz nie istnieje - podróżuje bez czasu pomiędzy tymi dwoma zdarzeniami.

Z punktu widzenia światła nie było żadnej podróży. Coś Wam jednak powiem. Mogę? Ha, mogę, bo to mój blog, i mogę pisać, co chcę, byle się zgadzało z fizyczną wiedzą. Mogę też dla jaj zakończyć w tym miejscu. Wiem, że przeczytacie. Przecież tak się Wszyscy lubimy ;)

Kiedy opisywałem perspektywę fotonu, trochę minąłem się z prawdą, ponieważ słowo 'perspektywa' odnosi się do obserwatora, a foton nie ma masy. A szczególna teoria względności doznaje lekkiego zakłopotania, kiedy punktem odniesienia jest coś bez masy. Prawdę mówiąc, nie daje ona odpowiedzi faktycznej dla czegoś, co nie ma masy, załamuje się. No ręce opadają, jednym słowem, szczególna teoria względności załamana, Albert Einstein płacze, a fotony, cóż fotony świecą oczami, bo to takie małe świecące kuleczki. Żartuję, oczywiście.

Dlatego kiedy mówię, że foton ma perspektywę, ekstrapoluję naszą intuicję do czegoś, co w rzeczywistości nie może mieć perspektywy. Nie można sobie lecieć z fotonem. Matematyka tego zabrania. Matematyka nie w pełni pozwala na nazywanie czegoś 'perspektywą fotonu'. To ważne rozróżnienie. Fizyka to jest takie coś, co mówi o tym, co pokazują nam równania. Nie jest historyjką o równaniach, czy innym opowiadaniem znad rzeki. Historyjki i filozofia są przydatne, ale to nie to samo, co fizyka.

Dobra, powiedzieliśmy, że światło to fala elektromagnetyczna. Podróżuje przez pusta przestrzeń bez poruszania się jakiejkolwiek masy, i ma prędkość stałą dla wszystkich obserwatorów. A ze swojego punktu widzenia, nie doświadcza czasu. I jego upływu.

2. Nadchodzi wiek 20 i mechanika kwantowa.

Co takiego zaś mówi o świetle mechanika kwantowa, bo z klasycznego i relatywistycznego punktu widzenia wiemy tyle, że możemy wykładać na Sorbonie?

Okazuje się, że na początku wieku XX wkradło się do fizyki cos takiego, jak efekt fotoelektryczny. Świecisz sobie na jakiś materiał, a tu wylatują elektrony. Tak w skrócie można opisać efekt fotoelektryczny, za który Einstein dostał Nobla. Naprawdę :)

Ale, jest pewien problem. Energia wylatujących z kapelusza Białego Królika fotonów nie zależy od jasności światła. Zależy zaś od częstotliwości, koloru światła, inaczej mówiąc. Jasne czerwone światło nie powoduje wypadania żadnych elektronów. Przyciemnione niebieskie światło wywołuje elektrony do tablicy z zakamarków kapelusza Białego Kapelusznika, Alicji, zaraz, to nie ta bajka. Wracać do nory!

Rozlazły mi się zwierzęta i baśniowe chochliki. Zawsze się pojawiają, gdy piszę o fizyce. Zawsze. Na przemian z białymi myszkami i zielonymi słoniami. Mam ich pełno w pokoju. Powaga, pomagają mi pisać, te głupie żarciki wyskakują wtedy, gdy na attosekundę przejmują kontrolę nad moją świadomością, ja jestem śmiertelnie poważny. Gdzie mi by było do obśmiewania naukowców z XX wieku, którzy maja młotki jak w mojej grafice. Ot, kwantowa mechanika.

Obraz falowy nie tłumaczy efektu fotoelektrycznego. Jeśli światło byłoby falą, wtedy jaśniejsze światło oznaczałoby  więcej energii. I wiązałby się ów fakt z innym, zaprzyjaźnionym sobie faktem, że jaśniejsze światło wystrzeliwuje elektrony z materiału mocniej. Ale, tak się nie dzieje. Einstein w roku 1905, tym samym, w którym ogłosił światu szczególną teorię względności, powiedział, tak, powiedział, do siebie w łazience przed lustrem, i tak wiadomość obiegła cały świat, że światło przenosi się w skwantowanych pakietach, małych wycinkach. Każdy pakiet ma energię, która zależy od częstotliwości. E = h*f. H to stała Plancka, kolejnego lizusa i placka fizyki kwantowej, f to częstotliwość. Pojedynczy pakiet ma wystarczająco energii, by wybić elektron, albo nie ma. Większa jasność to tylko więcej pakietów, nie więcej energii na pakiet. Kumacie? Już słyszę rechot żab. Tak, kumamy.

Jeśli pakiet nie jest wystraczająco energetyczny, żaden elektron się nie pojawi. Nieważne, ile ich wystrzelimy w kierunku badanego materiału. Te pakiety, to fotony. Robi się teraz trochę dziwniej, bo światło to i fala i, jak się później okazało, także cząstka. Można je wykryć raz od czasu, jakbyście mieli przypadkiem taki detektor promieniowania, licznik Geigera znaczy, to można zaobserwować takie tyknięcia.

Już widzę jak, to mógłbym inaczej wytłumaczyć. Pyk, foton, pyk, foton. Ale nie zniżajmy się do poziomu piaskownicy. Na pewno już wszyscy jesteśmy wystraczająco dorośli, by uznać wyższość licznika Geigera nad pykaniem.

Można je wykryć, jeden po drugim. Przyciemnione światło wystrzeliwuje jeden foton za każdym razem. Jeśli mamy wystraczająco czuły detektor, słyszymy 'klik, klik'. Ja mam, słyszę klikanie, a może to tylko klawisze od komputera? Już nie wiem, czy jestem fizykiem, czy pisarzem. Wybaczcie.

3. Eksperyment z dwoma szczelinami, czyli doświadczenie Younga. (a raczej Olda, bo to było 100 lat temu ;))

Jeśli te fotony wystrzelimy w coś, co ma dwie szczeliny, taką barierę z dwoma dziurami, każdy foton przejdzie przez...

Tam tara ram tam tam…

… dwie szczeliny jednocześnie. To nie żart. To pisałem ja, Tomasz Dawidowicz, a nie moje białe myszki ;)

Jak to? A tak to, że gdy na ekranie detektora za barierą, tam gdzie powinny lądować fotony, powstaje obraz interferencyjny, czyli po prostu obraz nakładających się na siebie fal. Ale przecież my wysyłamy, oprócz czasem poczty gołębiami, jeden foton na raz! Nie ma co z czym interferować! A widzicie. A widzicie! Tu przydaje się ja, jako fizyk. Bo ja Wam mogę to wyjaśnić ni mniej ni więcej tak, że foton interferuje sam ze sobą. Gdybym dopuścił jakiś żart, cały temat runąłby. W tym momencie nie pora na żarty, tylko na prawdziwy zachwyt nad niesamowitością i pięknem Natury :)

Mało tego. Gdybyśmy próbowali wykryć, przez którą szczelinę przeszedł foton, zniknąłby obraz prążków interferencyjnych na detektorze za szczelinami. Foton wtedy przechodziłby grzecznie jedna cząstka po drugiej, przez jedną bądź drugą szczelinę, jak zwykła cząstka. Na detektorze pojawiają się dwie kupy (parszywe gołębie! Bujajcie się!), eee, to znaczy, już ścieram, dwa stosy cząstek, po jednej na każdą szczelinę. Próba podejrzenia drogi fotonu kończy się zniszczeniem obrazu interferencyjnego.

To doprowadzało Einsteina do białej gorączki. Nigdy się z opisanym faktem nie pogodził. Chodzili za nim, tłumaczyli, a on nie! Sam odkrył i się wygłupia, co najśmieszniejsze. Nie zaakceptował tak naprawdę własnego odkrycia. Mówił, że 'Bóg nie gra w kości z Wszechświatem'. A jednak, teoria działała. I działa do dzisiaj, choć nie wiemy nadal, dlaczego. Teoria kwantów przewiduje wszystko, co do tej pory zmierzyliśmy. Jest precyzyjniejsza niż jakakolwiek inna teoria w fizyce. Całej fizyce. Jest po prostu świetna.

Elektrodynamika kwantowa, kwantowa teoria materii i energii, jest najlepiej przebadaną teorią w fizyce. Jej przewidywania sprawdzają się do 10 miejsc po przecinku, zero, przecinek i dziesięć zer. A na końcu...

Czym więc jest właściwie światło? Falą czy cząstką?

4. Z dwojga złego, na dwoje babka wróżyła, tak czy nie, kurde...

… Otóż nie jest ani tym, ani tym. Powiedzcie to Ani. Zabije Was i nasmaży Plancków, a nie zrozumie. Trochę się zapędziłem myślami, ale wiecie, tak to jest, gdy Wam coś łazi między palcami. Może to korniki z mojej maszyny do liczenia, mojego drewnianego Atari?

Światło jest tym, na co nie mamy dobrego klasycznego odpowiednika, czegoś z naszej codzienności. Słowo fala i słowo cząstka to zwykłe ludzkie wynalazki, bazujące na logice dnia codziennego, dla dużych, klasycznych obiektów, fali na wodzie, kul bilardowych. Natura na poziomie kwantowym nie jest zmuszona do mieszczenia się w naszych pojęciach; robi coś po swojemu, tak, że nie jesteśmy w stanie nadążyć, ani sobie wyobrazić. Jest to prostu efekt świetlny. To, co mamy, to matematyczna rama, która mówi nam dokładnie o prawdopodobieństwie znalezienia fotonu w danym miejscu. Funkcja falowa, bo taki instrument mamy, to fala. Ma częstotliwość, długość fali i interferuje, czyli nakłada się sama na siebie. Ale kiedy wykrywamy foton, otrzymujemy go w dokładnej lokalizacji jako cząstkę. Tam, gdzie funkcja falowa ma wysoką amplitudę, jest większa szansa, że go znajdziemy. I odwrotnie, gdzie fala jest niska, tam mało prawdopodobne, że znajdziemy foton. A kiedy ją badamy, kiedy dokonujemy pomiaru, kiedy ktoś patrzy (tak jak w eksperymencie z dwiema szczelinami Młodzieniaszka), funkcja falowa dokonuje kolapsu do tego punktu. Nie patrzysz - fala, patrzysz, kolaps i cząstka.

5. A teraz najlepsze, czyli najgorsze.

Kiedy foton podróżuje z punktu A do punktu B, nie wygląda to tak dobrze, by pomogła nam mechanika klasyczna. Ot, kulka toczyłaby się z jednego miejsca do drugiego. Prawidłowo na to zagadnienie odpowiada mechanika kwantowa, bo foton nie podróżuję prosta linią. Porusza się za to po... każdej możliwej trajektorii!

Każdy foton podróżujący z A do B leci jednocześnie każdą możliwą ścieżką, poprzez bezdroża Antarktydy i ciasne szczeliny grawastarów. A także, oczywiście, i to jest tylko jedna z opcji, prosto z A do B. Zygzaki, ślimaki, korniki. Do Jowisza i z powrotem. Wszystkie te ścieżki dokładają się do jednej strzałki, a każda z nich jest maleńką strzałeczką, amplitudą, a sumujemy wszystkie te małe strzałeczki, by otrzymać naszą jedną, prosta strzałę. Leciała cząstka jak strzała, i strzała jak leciała, to znaczy strzała też leciała ;)

Większość z tych strzałeczek anuluje się sumując ze sobą, ponieważ lecą one w losowych kierunkach  i w sumie dają zero. Ale strzałki blisko klasycznej strzały, tej od punktu A do B, prostej linii, blisko ścieżki o najniższym czasie podróży, te się nie zerują. W rezultacie otrzymujemy fakt, że foton zachowuje się, jakby podróżował po prostej linii. Klasyczny obraz mówi, że porusza się w linii prostej od A do B, ale światło nie trzyma się zasady podróżowania po linii prostej, na fundamentalnym poziomie. To tylko efekt zsumowania wszystkich małych strzałek, dróg, po których poruszało się światło, a raczej foton.

Linia prosta jest tak zwaną emergentną, czyli wypadkową wszystkich możliwych dróg.

Wszystkie głupie niedobre ścieżki się zerują, przetrwała tylko linia klasyczna i to mówi nam mechanika kwantowa... Prawo odbicia, refrakcji, prosta linia rozchodzenia się świtała, wszystko z tego wynika. Wszystko, to wszystko. Phi.

6. Końcówka, Moi Drodzy, brawo dla bohaterów, którzy doczytali do końca. W nagrodę - e-uścisk od Autora :)

Co wiemy o świetle?

Tak naprawdę… coś rozchodzi się od źródła do detektora. Porusza się ze stałą prędkością C w próżni, dla wszystkich obserwatorów. Wiemy, że to, co się rozchodzi, mianowicie, nie wiemy o co się rozchodzi, ale chodzi o to, że... :)

Już teraz jaśniej, bo przecież to temat o świetle. To co się przemieszcza ma własności fali. Ma częstotliwość, długość fali, interferuje samo ze sobą. Ale ma też własności cząstki. Dociera do detektora w dyskretnych pakietach, kliknięciach na detektorze, przenosi także energię równą (h) * swoją częstotliwość. Foton ma zerową masę. I właśnie z uwagi na powyższy fakt, może poruszać się tylko i wyłącznie z prędkością światła. Nigdy szybciej, nigdy wolniej. Do trzystu wolno mu tylko zliczyć. To w próżni. Wiemy też, że z relatywistycznego punktu widzenia czyli stamtąd, gdzie siedział Einstein, właściwy czas dla fotonu wynosi zero. Nie doświadcza on trwania.

Czego nie wiemy o świetle?

Nie wiemy tego , co dzieje się z fotonem między emisją a detekcją. Tak, może to brzmi dziwnie, ale wiemy, że jest w punkcie A i B, a co pomiędzy - tak naprawdę nie wiadomo. Piknie. Co robi foton, gdy nikt nie patrzy? Czy fala jest rzeczywista? Czy rzeczywista jest korpuskularność, czyli cząsteczkowość? Te pytania mogą na zawsze pozostać bez odpowiedzi, bo odpowiedzi zależą od tego, jakie zadamy i jak zadamy pytanie... Natura robi cos w sekrecie przed nami. Pytanie, przez którą szczelinę przechodzi światło, gdy nie patrzymy, może nie mieć żadnej odpowiedzi. To nie kwestia naszej wiedzy. To kwestia tego, jak naprawdę, na atomowym poziomie, funkcjonuje Rzeczywistość.

Tak właśnie jest rozumiane zdanie, że nikt nie rozumie mechaniki kwantowej. Nie dlatego, że równania są zbyt skomplikowane, bo nie są, ale ponieważ dlatego, że równania nie opowiadają żadnej historyjki. Dają wyliczenia. Zadajemy pytanie, otrzymujemy prawdopodobieństwo, a ono jest zgodne z obserwacją. Ale na pytanie o to, co się dzieje z fotonem między detektorem a źródłem, nie otrzymamy jasnej odpowiedzi. Możemy zapytać filozofów, ale oni raczej zadymiają niż rozjaśniają. Tam, gdzie powinna się znajdować fizyka, mamy filozofię, i to jest właśnie bardzo niewiarygodne. Światło podróżuje? Tak. 300000 km/s? Tak. Jest falą? Tak. Jest cząstką? Tak. Czy coś się fizycznie porusza? Cóż, zmieniają się wartości pól. Pola - elektromagnetyczne i elektryczne oscylują, ale nic nie jest transportowane. Czy mija czas podczas tej podroży? Nie, z punktu widzenia fotonu, ale czy można o takiej perspektywie mówić z matematycznego punktu widzenia? Nie. Ale żaden czas nie upływa. Czy foton porusza się po linii prostej, czy tak uczy mechanika kwantowa? Tak, ale tylko dlatego że niewiarygodne ścieżki się zerują.

Czym jest światło? To kwant pola elektromagnetycznego. Coś, co jest falo i cząstko podobne, coś co porusza się bez pośrednika, z prędkością ściśle wyznaczoną i tylko z nią, czymś co obiera wszystkie ścieżki jednocześnie i najczęściej się zeruje, a co dociera do detektora jako klik. Czy tam, pyk.

Tak wygląda światło, kiedy Natura, a nie człowiek, rysuje obraz.

#82 Światło, nosisz je w sobie, albo nie, czyli Światło vol.1

0. Wstępniak.

Dzień dobry (cześć i czołem). Dziś będzie śmiesznie, strasznie, choć jasno jak w dzień. A że mamy wieczór, myślę że dobrze przeczytać ten kawałek. Dziś będzie o świetle. Pozwólcie, że wyjaśnię.

Rok mnie nie było, byłem w Rio, byłem w Bajo, itp. Nieważne, prawda? Ważne, że dziś spotykamy się w starym dobrym gronie, jesteśmy jak rodzina, czyli w rodzinnym winogronie. I tak dalej. Nie chcę Wam już na wstępie robić kisielu z mózgów moją paplaniną, za chwilę będzie coś z sensem. Ale póki co...

Tralalalalala.

No dobra, kiepski żart. Zacznijmy już, bo zaczynam się niepokoić, co jeszcze wyskoczy mi spod klawiszy. Może jakieś muchy, bo dawno nie pisałem.

1. To jest blog fizyczny, temat o świetle, czy to jasne?! ;)

Chciałbym rozpocząć czymś kompletnie oczywistym. Światło podróżuje, prawda? Można włączyć lampę, a światło grzecznie przemieści się z żarówki, uderza w ścianę, a Ty widzisz ścianę. Proste. Światło sobie podróżuje. Wiemy to od wieków (niektórzy od dzisiaj, ale nimi się nie przejmujmy, to Tłuki ;)). Ale dzisiaj uderzę prosto w serce tego zdania: światło PODRÓŻUJE. Lecz jeśli spytacie się mnie, CO tak naprawdę podróżuje, naprawdę będę rżnął głupa. Dopiero zacznę. Bo nie wiem. Ani ja, ani cała fizyka.

Często najtrudniejsze jest to najprostsze. Np. jak wstać rano z łóżka bez słynnego 'ja pier...'. Albo - zacznijmy po prostu od tego, co mówi Wam wasza intuicja. Pewnie myślicie o świetle o czymś takim, jak o wodzie. A raczej o fali na niej. Wrzucacie słonia (albo kamień) do wody, macie zmarszczki, koła rozchodzą się na zewnątrz. To jest przemieszczanie się. Coś się rusza. Dla wody, będzie to woda, która porusza się, i tu Was zaskoczę, nie wzdłuż stawu (nie wiem, jak wrzucicie słonia do stawu ale to już Wasz problem), ale w dół i górę. Fala to wzór zakłócenia poruszającego się przez ośrodek. Nie pytajcie mnie gdzie jesteśmy. (Staw, słoń ośrodek). To nie ma znaczenia.

Ośrodkiem jest woda. Porusza się wzór fali, owo zakłócenie. Woda zostaje mniej więcej tam, gdzie była (no chyba, że w przypadku słonia). Dlatego ludzie w wieku XIX mówili: 'Cóż, światło to pewnie coś takiego: to taka fala. Dlatego musimy mieć ośrodek, w którym się ona rozchodzi.' 

Naprawdę, chodzili i tak mówili!

Ów ośrodek nazwano eterem. I było to bardzo rozsądne, myśleć sobie o eterze i o fali światła. Fale gdzieś przecież muszą falować, nieprawdaż? Dlatego fale światła także muszą falować sobie w czymś, nie mogą ot tak sobie po prostu być. Ale wtedy nadszedł eksperyment niejakiego Mckllisona (nie znam gościa osobiście, więc nie podałem imienia). A, zapomniałem o panu Malayu. I roku 1887. Zbudowali coś, co nazywa się interferometrem, nie będę opisywał tego urządzenia, chcecie, to sobie poszukajcie w Googlu. Ja nie jestem Google, więc nie podałem tej informacji ;)

To urządzenie pozwoliło na zmierzenie prędkości światła w różnych kierunkach, takich małych, malusieńkich różnic. Wytłumaczę, o co chodzi: jeśli eter istniał, a Ziemia poruszała się w nim, wtedy światło poruszające się kierunku tym samym, co Ziemia, powinno poruszać się ciut wolniej, niż światło poruszające się bokiem do tego ruchu. Coś jak wiosłowanie w górę rzeki, albo z nurtem. To był najlepszy termometr ich czasów, kurde. Przepraszam, interferometr. I co? 

Nie znaleziono nic. Żadnej różnicy. Okazało się, że nie ma czegoś takiego jak eter. Światło nie falowało w... niczym. A raczej, falowało w niczym ;)

2. Zatem co faluje, jeśli nie ma w czym? Nie gadaj tyle synu, tylko wiosłuj.

Co zatem poruszało się, oscylowało, jeśli nie było ośrodka? Do tego jeszcze wrócę. Spokojnie, to nie Wy będziecie wiosłować. Jak nie zapomnę, to wrócę.

Clerk (co za imię, od razu widać, że dziwak, Clark Kent, to rozumiem, ale Clerk Maxwell...) Maxwell udzielił odpowiedzi na to pytanie jakieś 20 lat wcześniej. Chociaż, właściwie, nie zwrócono wtedy na nie większej uwagi, na te cztery równania Maxwella... Wynikało z nich, że pola elektryczne i magnetyczne mogą podtrzymywać się nawzajem. Zmienne pole elektryczne wytwarza pole magnetyczne. A zmienne pole magnetyczne wytwarza pole elektryczne. Niby takie proste, a przez 1860 lat od narodzenia Zbawiciela nikt na to nie wpadł. A Maxwell - tak. Hurra dla niego, wiwat!

Te dwa pola poruszają się przez pustą przestrzeń. I robią to z określoną prędkością, prędkością światła. Maxwell wyliczył te prędkość wprost ze stałych elektryczności i magnetyzmu (stała to taka liczba, która charakteryzuje daną wielkość fizyczną; i tak, mamy np. stałą grawitacji, przez którą trzeba pomnożyć iloczyn mas obu ciał i podzielić ten iloczyn przez kwadrat odległości, jeśli chcemy wyliczyć siłę działającą na ciała w polu grawitacyjnym). Uzyskał 300,000 kilometrów na sekundę, czyli sporo. To prędkość światła.  Te trzy stówy na sekundę. Tak szybko porusza się światło... a, sekundę. Wszystko w swoim czasie ;)

Z równań wynikało też, że światło to zakłócenie elektromagnetyczne. I to jest dziwne. Bo to, co porusza się, oscyluje, nie jest materią. Oscylowatoriuszem jest pole, elektryczne i magnetyczne, skierowane prostopadle do kierunku ruchu, goniące się dosłownie nawzajem przez przestrzeń z prędkością tych trzech stów. Żaden, powtarzam żaden materiał, nic, nie porusza się do przodu. Zakłócenie - to porusza się do przodu. Zmieniają się wartości pól. Ale nie przenoszona jest żadna materia, substancja, po prostu... nic.

3. Robi się ciekawie, bo nagle mamy rok 1905 i Einsteina rozszczepiającego atomy młotkiem w piwnicy dziadka ;)

Otóż, Einstein i jego teorie pojawiły się na zasadzie uprzątnięcia bałaganu, ale tak naprawdę, oznaczały totalna rewolucję. Albercik powiedział: 'Prędkość światła jest taka sama dla wszystkich obserwatorów, nieważne jak szybko się poruszają."

Możesz stać w miejscu, możesz być w rakiecie, która porusza się z prędkością równej połowie prędkości światła, nieważne! Każdy z obserwatorów zmierzy, że światło porusza się dokładnie 299,792,458 metrów na sekundę w próżni. Tak nie działa nasza codzienna intuicja, nieprawdaż?

Jeśli rzucę piłkę z prędkością 90 km/h (no, kawał draba ze mnie, taki rzut) a Ty będziesz jechał w moim kierunku z prędkością 60 km/h, zmierzysz, że piłka zmierza do ciebie z szybkością 150 km/h. Zwykłe dodawanie. Założycie się? Ale ja rzucam piłką, wy jedziecie samochodem, ok? ;)

Cwaniaczek ze mnie, ale nie o to przecież chodzi. Z tymi piłkami i samochodami jest tak, jak przewidział Galileusz. Tak działają wszystkie normalne rzeczy. Ale światło, cóż... No, chyba jest jakieś nienormalne! Zwariowane, znaczy się.

Światło zachowuje się inaczej. Jeśli zmierzysz, biegnąc, prędkość promienia światła skierowanego w Twoim kierunku, będzie ono miało zmierzoną prędkość zawsze taką samą, czyli to słynne C z jeszcze słynniejszego E=(m x c)^2. Emcekwadrat. To już chyba rozumiecie. ;)

A tak w ogóle, coś z tego rozumiecie? Bo jeśli nie to powiedzcie, i skończę pisać, a jeśli tak, proszę o kontakt, przydadzą mi się światli konsultanci.

Żarty żartami, i one na bok. Einstein przewidział jeszcze jedną rzecz: czas i przestrzeń to nie są dwie niezależne od siebie sprawy, jak wcześniej myślano. Są one powiązane i tworzą czasoprzestrzeń. I teraz najciekawsze: Kiedy zaczynamy ruch, czas i przestrzeń tak się zmieniają, tak maleją i rosną, aby dla każdego obserwatora prędkość światła była zawsze taka sama!

Tak jak dzieci, które wymyślają różne historie, aby tylko pozostać niewinnym zjedzonego pączka ze stołu w kuchni. Tak cię urobią, że im uwierzysz, ale pączka nie ma. Dzieci to czas i przestrzeń, zaś pączek to prędkość światła.

Jednym słowem, czas zwalnia, to tak zwana dylatacja czasu, dla poruszających się obserwatorów. Odległość maleje.  Zmierzone w akceleratorach cząstek, jeśliby kto pytał. To nie science-fiction, choć brzmi podobnie. To zwykła fizyka, człowieku ;)

*** A propos Science-Fiction, ktoś ma ochotę na wydanie moich dwóch powieści sci-fi? :D Powieści istnieją, w przeciwieństwie do Autora ;) ***

Im szybciej coś się porusza, tym czas dla tego czegoś płynie wolniej, np. zegary na szczycie Mount Everestu i na Ziemi będą wskazywały, po określonym czasie, różne upływy czasu. Rakieta, która rozpędza się do prędkości światła, ulegałaby coraz większemu skurczeniu.

A co z fotonem, kwantem światła?

Tu sprawy robią się ciekawe, ba, nawet ciekawsze niż ciekawe, rozbijają nasze wyobrażenie o Wszechświecie, jeśli jeszcze o tym nie wiecie. Skala problemu urasta do rangi, czym mógłby oddychać żuk na Marsie, a babcie szydełkujące na fotelach na chwilę wypadają z bamboszy.

Nie chcę jednak Was męczyć, za długo to trwa, kurde, zaczynam się niepokoić, że może ktoś z Was zrozumiał choć zdanie z mojego pisania! Naprawdę! ;)))

Dlatego postaram się zamieścić ciąg dalszy niedługo, w kolejnej części...

'Fizyki dla Laika, czyli Nauki dla Tłuka'!

Howgh. 

#81 Klasyczna Loteria czyli Nowa Teoria Grawitacji

0. Wstęp.

Dzieńdobrywieczór!

To znowu ja. Rozmośćie sie wygodnie w fotelach, załączajcie ścieżkę dźwiękową z Gwiezdnych Wojen czy innego Interstellar i fruniemy. Fruniemy do gwiazd, do kwantów, chcecie, to wymyślę jeszcze jedną lokalizację: może nie do sklepu po piwo, bo można sobie zamydlić ogląd i powiedzieć wtedy, że temat jest nudny. Za trudny. Zamiast tego żołądkowa gorzka i możecie się czuć znieczuleni!

Dziś nie będzie nudno. Będzie jak zawsze. Czyli wzloty i upadki naukowców, także naszych ulubionych, czyli amerykańskich; oraz o tym, co tam nowego zalęgło się w mózgach tychże. Startujemy!

1. Przybliżenie problemu (jakby ich był mało), czyli alkoholizm wśród Indian.

W głębi serca fizyki biegnie głęboka szczelina. Ogólna teoria względności, która opisuje grawitację, rozbija się o fizykę kwantową. Nie szczędzono wysiłków, by zakryć tę rozpadlinę, wielu naukowców spędziło swoje całe kariery budując teorię kwantowej grawitacji.

Jeden z nich objął jednak całkowicie inną drogę. Jonathan Oppenheim (niestety, nie ma nic wspólnego z Oppenheimerem, choć wydawałoby się, że Oppenheim to taki mały Oppenheimer) uważa, że grawitacja może być fundamentalnie klasyczna, czyli nie być kwantową, w ogóle. To bardzo niekonwencjonalne podejście, krótko mówiąc. To tak jakby znaleźć się, będąc jedynym białym, w pokoju pełnym Indian. Lepiej nic nie mówić.

'Kiedy zaczynaliśmy, może 99 procent uważało nas za głupków, teraz ta liczba zmniejszyła się do 70%' docina Oppenheim z Uniwersytetu w Londynie.

Wszystkie znane siły fundamentalne, z wyjątkiem grawitacji, są sformułowane w kategoriach fizyki kwantowej. Przeważa pogląd, że grawitacja powinna dołączyć do swoich kwantowych kolegów. Ale Oppenheim uważa, że ona jest inna. Podczas gdy inne siły rozprzestrzeniają się w obrębie czasoprzestrzeni, grawitacja jest zagięciem samej czasoprzestrzeni. Oppenheim twierdzi: 'nie jest do końca przesądzone, że powinna być kwantowa z natury'. No pewnie, że nie jest przesądzone, że zdejmą ci skalp. Mamy XXI wiek.

Fizycy opracowali kilka niedostępnych twierdzeń, które, wydaje się, zabraniają stworzeniu klasycznej teorii grawitacji. Takie twierdzenia uwydatniają niespójności, najwidoczniej zabójcze dla pomysłu, które powstają gdy klasyczna grawitacja jest zastosowana do cząstek kwantowych. Ale można ominąć te zakazy, poprzez dodanie pewnej losowości do sposobu, w jaki czasoprzestrzeń zagina się w odpowiedzi na kwanty, twierdzi Oppenheim.

2. Dwie szczeliny, orzeł czy reszka? Stanęło Kantem i zostaliśmy z Nietzschem.

Rozważmy słynny eksperyment z dwiema szczelinami. Cząstki są wysyłane w kierunku detektora, oddzielone barierą z otworami po bokach. Dwoma. Kiedy cząstki docierają do ekranu detekcyjnego, tworzą paskowany wzór zwany wzorem interferencyjnym. Ten wzór powstaje gdyż w fizyce kwantowej cząstka nie jest ograniczona do przejścia przez jedna albo druga szczelinę. Zamiast tego, może istnieć w superpozycji, obierając dwie drogi jednocześnie w pewnej kombinacji. Kiedy badacze próbują podejrzeć, która szczelina cząstka przeszła, wzór interferencyjny zanika. Mówisz do sklepikarki dzień dobry, uber eine flasze noch mal, a ona nagle się odwraca. Niegrzeczne kwanty!

Kiedy cząstki, w tym wypadku kwanty światła zwane fotonami, są wysyłane przez barierę z dwiema szczelinami, cząstki tworzą wzór interferencyjny (paski) ze względu na efekty kwantowe.

3. Zagwózdki, czyli wracamy do problemu.

Jeśli standardowy obraz grawitacji jest poprawny, można by zmierzyć pole Dżi takiej cząstki tak dokładnie, że dałoby się stwierdzić, przez która szczelinę przeszła cząstka. To prawdopodobnie zniszczyłoby wzór interferencyjny, nawet bez dokonywania pomiaru. Ponieważ jednak obserwuje się w laboratoriach wzory interferencyjne, jest to duży cios dla klasycznej teorii grawitacji. Ha! Fajnie by było, gdybyśmy byli Indianami w naszym pokoju, ale niestety jakoś się nie da tak na szybko przefarbować. Howgh, blada twarzy, szykuj łeb.

Jednakże w teorii Oppenheima zamieszczono losowość, a to oznacza, że cząstka zamiast posiadać określone pole grawitacyjne, posiada pole grawitacyjne fluktuujące. Takie cos jak bąbelki w naszej żołądkowej gorzkiej, losowo sobie wylatują na powierzchnię. Można rzec, że żołądkowa gorzka to nasza siła ciążenia, a bąbelki są dodane.

To oznacza, ze, w odróżnieniu od standardowej wersji klasycznej grawitacji, nie jest możliwe określenie przez która szczelinę przeszła cząstka poprzez precyzyjny pomiar pola grawitacyjnego. Cząstki mogą przechodzić przez dwie szczeliny w superpozycji, wzór interferencyjny zostaje zachowany, a to oznacza, że grawitacja może być klasyczna. Ufff. Panie, idź pan stąd, idź pan stąd! Włosy zachowane, ale musieliśmy dać dyla z pokoju, gdzie sami Indianie i polewają już wódę z bąbelkami.

W eksperymentach można dowieść, a w zasadzie przetestować teorie szukając dowodu na te losowe grawitacyjne fluktuacje. Po prostu mierzy się bardzo precyzyjnie reakcje masy na pole grawitacyjne.

To nie pierwszy raz, gdy badacze proponują drogę, aby grawitacja klasyczna była zgodna z fizyka kwantową. Oppenheim to jednak lider ruchu odnowy klasycznej siły ciążenia. Precz z kwantami! Proponuje się także inny eksperyment, mierzący korelacje pomiędzy ruchami dwóch mas które oddziałują grawitacyjnie.

Jednakże, pomysł ten posiada cechy, przez które można określić go jako niesatysfakcjonujący. Na przykład, losowość oznacza, że teoria nie jest nieodwracająca się: w odróżnieniu od innych koncepcji, nie można zacząć od końca interakcji i prześledzić jej przebiegu wstecz.

Jednakże jest także drugie jednakże: nawet niektórzy zwolennicy kwantowej grawitacji uznają, ze ta praca ma zalety.

'Powód, dla którego ta teoria jest tak interesująca to nie fakt, ze wierzę, ze grawitacja jest klasyczna', mówi Flaminia Giacomini z ETH w Zurychu. Mamma mia! Wynik jest interesujący niezależnie od faktu czy grawitacja jest klasyczna czy kwantowa. Naukowcy muszą zrozumieć możliwości, że grawitacja jest klasyczna, w celu bycia pewnym stwierdzenia, ze jednak jest kwantowa. 'Tylko tak możemy być w stanie dowieść w przekonującym stopniu, ze grawitacja jest niekompatybilna z klasycznym opisem.'

Czyli zobaczyliśmy, że jesteśmy biali, tylko po to, by stwierdzić, że nie jesteśmy czarni. A co z Indianami?

Wodą ognistą im polano, jak zwykle upadek cywilizacji Mohikan, która gdyby nie flaszka, opanowałaby świat.

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

#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.