#6 Kosmiczne Rafaello, czyli Biała Dziura

Witajcie!

Zapewne zdziwił Was tytuł. Miał zadziałać na zasadzie odruchu Pawłowa - rafaello - wywołać cieknącą ślinkę, ale zamiast niego schrupiemy dziś białą dziurę. Czym jest, czy w ogóle jest, i przede wszystkim - z czym się to je (dziurę, bo do tego, jak jeść rafaello, nie trzeba znać fizyki ;))? Wyjaśnię poniżej, gdy tylko wrócę ze sklepu. Sam sobie narobiłem apetytu ;)

1. Biała dziura - chwila, a gdzie czarna?!

Czym jest czarna dziura, nie muszę chyba nikomu tłumaczyć. Wie o niej wszystko każdy przedszkolak, ba, nawet dzieci w żłobku robią już do mamy oczka, które przypominają dwa czarne guziczki wtedy, gdy chcą pokemona ze sklepu ;) O czarnych dziurach pisałem trochę w poście #2 - tym o gwiazdach neutronowych: #2 Gwiazdy Neutronowe czyli młodsze siostry czarnych dziur.

Informacje zawarte w powyższym poście zupełnie nam wystarczą, bo o czarnych dziurach można przeczytać prawie wszystko na przepastnych cyberautostradach Internetu.

2. Narodziny białych dziur... na białym papierze.

Teoria względności Einsteina z początku XX wieku przewidziała istnienie czarnych dziur, po czym, jak na zawołanie, bo tylko kilkadziesiąt lat później, wykryto je za pomocą teleskopów. Jednak fizycy są z natury sprytni i często szukają dziury (tym razem białej) w całym. W 1964 astrofizyk zza Buga - Igor Novikov - zaproponował dość niecodzienny pomysł rozwiązania równań wielkiego A.Einsteina. Wykorzystał fakt, że równania teorii są odwracalne w czasie - posiadają tzw. odbicie T. Jej równania można rozwiązać i uzyskać wymierne wyniki nawet wtedy, gdy... odwrócimy bieg czasu. A to przecież takie proste... na szczęście tylko dla matematyków ;) Jakby wyglądały ulice? Ministerstwo Głupich Kroków byłoby przy tym kaszką z mlekiem. Ale do rzeczy.

Abrakadabra, strzałka czasu odwrócona! Biała dziura to po prostu jej czekoladowa siostra z czasem puszczonym wstecz. Dodatkowo, naukowcy zajmujący się na co dzień, tak jak niektórzy z nas mieszają herbatę, matematyką czarnych dziur, bawią się w różne symulacje. A to wyłączą prąd, a to pomalują ją na różowo, a to dorysują wąsy... A poważnie - zabierają im ładunki bądź wyłączają rotację, lub, i to jest nasz przypadek, obniżają masę osobliwości grawitacyjnej do zera. Wtedy powstaje biała dziura. Jest ona koncepcją, czysto teoretycznym mirażem (prawie, ale o tym w dalszej części programu), ale - bardzo nęcącym dla matematycznych zboczeńców ;) Trzeba jednak podkreślić, że rozwiązania równań dla białych dziur są hipotetyczne, ponieważ opisują Wszechświat składający się jedynie z czarnych dziur, białych dziur oraz tuneli czasoprzestrzennych - bez materii, promieniowania i energii.

Ale co wiemy o tych wyimaginowanych dziwadłach?

3. Biała dziura w praniu, czyli 'Kurde, dlaczego nie wyjąłem rafaello z kieszeni spodni...'

Czarna dziura jest odwrotnością białej dziury. Biała damulka wypycha materię na zewnątrz, zamiast ją wciągać! Nie działa jak kosmiczny odkurzacz, tylko jak kosmiczna plujka. Trochę materii tu, trochę tam... Jest jakby złośliwą siostrą dziury czarnej, bo gdy tamta wsysa, białaska puszcza kosmicznego pawia ;) Ale nie od dziś wiadomo, że tak jest zawsze między rodzeństwem ;) Do białej dziury nie da się wejść, można z niej tylko wyjść. Istnieje tak długo, dopóki poza horyzont zdarzeń nie dostanie się materia. Wystarczy jeden atom wodoru, jedna kuleczka i bum! Nastąpiłby kolaps do czarnej dziury. Białe dziury, gdyby istniały, byłyby bardzo niestabilne. Egzystowałyby tylko przez niewielką liczbę sekund po czym przeistoczyłyby się w swoją czarną odpowiedniczkę.

Dlaczego prawa fizyki tak bardzo nie lubią białych dziur? Dlaczego?! O, bezlitosne, cóżem ja wam uczyniła? Czyżby kosmiczny rasizm? ;) Białe dziury, gdyby istniały, musiałyby stać w sprzeczności z drugą zasadą termodynamiki. To nie takie trudne, jak Wam się wydaje, już objaśniam.

4. Dlaczego fizyka nie lubi Białych Dziur?

Pojęcie entropii jest Wam na pewno znane z lekcji muzyki i techniki. Nie? Udowodnię, że tak ;) Wyobraźmy sobie pianino. Każdy je widział na muzyce... 1-0 dla mnie. A teraz... Bierzemy młotek i rozwalamy to pianino na drzazgi. Każdy widział młotek na technice. I już po Was ;)

A teraz entropia. Mamy dwie sytuacje - pianino w całości i po ataku ucznia, który dostał pałę za śpiewanie Bogurodzicy. Wszedł w nocy do szkoły, ukradł młotek z pracowni techniki... Nieważne. Pianino i sterta wiórów. Entropia to stopień nieuporządkowania układu. A raczej - w jak wielu różnych stanach mogą znajdować się cząstki w układzie w danym momencie. Siekamy pianino na plasterki i entropia rośnie, bo trociny mogą znajdować się w o wiele większej liczbie konfiguracji niż samo pianino. De facto, entropia zawsze rośnie, albo pozostaje stała. To właśnie druga zasada termodynamiki. I tak jest w całym Wszechświecie, przynajmniej takim, jakim go znamy obecnie. A biała dziura plwa na te wszystkie entropie i termodynamiki. W teorii - kosmiczne rafaello zmniejszałoby ją. A tego zabraniają nam obecne prawa fizyki. Olaboga, i co teraz? Co wyście stworzyli, matematycy?! Czarne dziury robią wszystko, jak należy - rąbią na kawałki, w zasadzie na atomy całe gwiazdy, wciągając je, powiększają entropię jak fiza nakazuje. A biała? Szkoda słów. Kosmiczna czarna owca wcale nie jest czarna.

5. Biała dziura i pętlowa grawitacja kwantowa.

Wróćmy do równań teorii grawitacji, bo tam kryje się zagadka pochodzenia białych dziur. Teorie Einsteina niestety załamują się, gdy przychodzi do obliczeń nieskończenie gęstej osobliwości grawitacyjnej we wnętrzu czarnej dziury. Lecz dwójka fizyków - H.Haggard i Crovelli z Aix-Marseille University, którzy pracują nad tzw. pętlową grawitacją kwantową dowodzą, że czarne dziury mogą transformować się do białych poprzez procesy kwantowe. Transformować, entropia, kwantowe... Tyle mądrych słów, tyle mądrych słów... To może jakiś obrazek ;)

Czym jest pętlowa grawitacja kwantowa? Jest to jedna z wersji teorii grawitacji kwantowej - Świętego Graala współczesnej fizyki teoretycznej - unifikacji teorii kwantów (opisującej cząstki) oraz teorii Einsteina (grawitacja w astrofizyce, oddziaływania grawitacyjne na dużą skalę). Pętlowa grawitacja kwantowa zakłada, że czasoprzestrzeń składa się z fundamentalnych bloków ukształtowanych jak pętle. O co tyle hałasu? Weź pan tę pętlę i powieś się zamiast przynudzać! Otóż nie.

Gdy gwiazda umiera, zapada się pod własnym ciężarem. Jednak zamiast zapadać się do osobliwości o nieskończonej gęstości (założenie teorii względności), odbija się i tworzy białą dziurę! Po prostu, osobliwość nie może mieć nieskończenie małego rozmiaru, jako że 'piksel' czasoprzestrzeni - pętla, najmniejszy możliwy rozmiar obiektu w naszej rzeczywistości, ma rozmiar skończony. Czarna dziura przechodzi w naturalny sposób w dziurę białą. W jednej chwili ferrero rocher, zaraz potem - rafaello ;)

Powyższy proces trwałby bardzo krótko, dosłownie tysięczne części sekundy, jednak tylko dla obiektów znajdujących się bardzo blisko osobliwości. Ze względu na dylatację czasu, czyli relatywizm i fakt, że przy czarnej dziurze, ze względu na grawitację, czas płynie wolniej - całe zdarzenie wyglądałoby dla obserwatorów zewnętrznych jako trwające miliardy lat! Dlatego mówi się, że mikroskopijne czarne dziury powstałe tuż po Wielkim Wybuchu mogłyby zostać widziane jako wybuchy białodziurowe dopiero teraz. No, świetny refleks!

6. Drzwi do innych Wszechświatów? Ej, rafaello, naprawdę?

Inną ciekawą właściwością białych dziur i obliczeń teorii względności dla odwróconego czasu jest fakt, że mogą one być, po połączeniu z czarną dziurą tunelem czasoprzestrzennym, miejscem wylotowym do innego czasu, przestrzeni, ba, może Wszechświata? To oczywiście hipoteza na temat hipotetycznego obiektu bo, jak napisałem wcześniej, taki Wszechświat serwowałby nam jedynie białe i czarne dziury oraz tunele. Coś za coś. Swoją drogą, drogie to rafaello... =]

7. Czy to była biała dziura, tam, na nocnym niebie?! A nie, to NASA.

14 czerwca 2006 roku satelita SWIFT należąca do NASA zaobserwowała eksplozję materii w głębokim Kosmosie, której astronomowie do dziś nie potrafią wyjaśnić. Mówiło się o rozbłysku gamma - najbardziej energetycznym wybuchu we Wszechświecie - milion trylionów silniejszym niż światło, jakie zapodaje nam Słońce. 102 sekundy bardzo silnego promieniowania. Rozbłyski gamma trwają tyle tylko podczas wybuchu supernowej. Jednak przy GRB 060614 nie zaobserwowano supernowej. Białe, gorące światło pojawiło się znikąd, po czym zniknęło. Próbowano też podpiąć pod to wydarzenie zderzenie dwóch czarnych dziur, albo czarnej dziury i gwiazdy neutronowej... Ale takie wybuchy trwają 2-3 sekund.

Ostatecznie stwierdzono, że gdyby kiedykolwiek zaobserwowano białą dziurę, wydarzenie to wyglądałoby dokładnie tak, jak GRB 060614 14 czerwca 2006 roku :)

8. Bajka na dobranoc... Wciagnięci i wypluci, przez dziurę czarną i białą :)

Film pokazuje widok, jaki ujrzelibyśmy wpadając do czarnej dziury, osiągając punkt osobliwości i wylatując wystrzeleni przez białą dziurę :) Czysto hipotetyczna sytuacja, interpretacja raczej artystyczna. Ale jest na co popatrzeć. Do zobaczenia po drugiej stronie! ;)

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

#5 Co jeść i jak ćwiczyć, czyli Max Planck i jego słynna Długość

Witajcie!

Kolejna już odsłona mojego bijącego popularność w całej galaktyce bloga! Kosmici już pukają do okien i podsuwają nowe pomysły, zaraz, a może pukają się w głowę? To byłoby bardziej prawdopodobne... Właściwie to materiał na nowego posta podsłuchałem na przystanku od pani Wiesi i Barbary, miałem szczęście, że akurat wracały z kościoła... No dobra. Jestem takim trochę fizykiem, ale też i fizolem, bo lubię biegać. I to i to na fi, więc jesteśmy w domu.

Dziś chciałem pomęczyć przysłowiową bułę tzw. Długością Plancka. Placka, planka? Nie, nie! Tego się nie je i nie służy też do wzmacniania mięśni brzucha. Ta długość to najmniejsza odległość mająca sens fizyczny. Co to oznacza? Właśnie to, co napisałem. Dobranoc.

1. A co to takie malutkie, ło, tam?

Ok, teraz już poważniej. Max Planck był to niemiecki fizyk, który zapoczątkował, wraz z paroma innymi, nie do końca normalnymi - na tle górnictwa, zbierania rupieci w piwnicy i przybijania młotkiem gwoździa - facetami, fizykę kwantową na początku XX wieku. Naszej ery oczywiście ;) Czym jest kwantówka - każdy słyszał, nie każdy wie, co się z tym wiąże, dla nas wystarczy wiedzieć, że to głównie zachowanie materii i energii na poziomie podstawowym oraz że bez niej nie byłoby komputerów. Nie tylko kwantowych. Ale ja nie o tym tutaj.

Czym jest długość Plancka? Bardzo ładnie się składa, że to tak zwana wielkość naturalna. Dlaczego naturalna? Bo nie ma owoców i bakalii, sama naturalna przyjemność. A już mądrzej to dlatego, że została obliczona jako kombinacja trzech stałych, fundamentalnych dla przyrody. Na piękne równanie dające jako wynik długość pana Maxia składają się: newtońska stała grawitacji (G), prędkość światła (c) - podstawa dla elektromagnetyzmu oraz kwantowomechaniczna stała Plancka (h). Równanie wygląda tak:

Lp = √(h*G/c^3)

Czasami fizycy nazywają jednostki naturalne 'boskimi jednostkami'. Dlaczego? Ponieważ są one uniwersalne w całym znanym nam Wszechświecie, jako że są kombinacją stałych fizycznych. O ile prędkość światła i inne konstansje są takie same w całym Kosmosie, byle kosmita mógłby zrozumieć równanie zapisane na bazie jednostek naturalnych. Usunięta została antropocentryczność, czyli ludzka zależność od naszego systemu liczbowego.

2. Skala, czyli ile placków można zjeść, żeby poprawnie wykonać plank.

A teraz sama długość, chociaż trudno nazwać takie maciupeństwo długością... hmmmm. Ok, mamy te 1.6^-35 metra, zero, kropka, 33 zera, jedynka i szóstka. Można powiedzieć, że długo długo nic, a na końcu szesnastka, ale nie czas tu na numerologię. Chciałbym unaocznić czytelnikowi, jak mała jest to liczba.

Załóżmy, że mamy deskę o wysokości 1.6 metra, czyli mniej więcej wielkości nastolatka albo sporego wzrostu karła ;) podzielmy tę deskę na 10 części. Otrzymujemy 0.1 długości deski, czyli 16cm. Następnie, podzielmy 16 centymetrowy odcinek na 10 kolejnych kawałków. Otrzymujemy 1,6 cm, czyli dystans, jaki ślimak mógłby uznać za solidny spacer z zadyszką ;). To już drugie miejsce po przecinku, czyli 0.01 deski - 1.6^-2 metra. Powtórzmy tę czynność... 33 razy. Nadążacie?

Może inaczej. 1.6^-35 to wielkość NIEWYOBRAŻALNIE mała.

Każdy widział na rysunku atom, te kuleczki i orbitki, zupełnie jak mały Układ Słoneczny. Nie tak to wygląda w rzeczywistości, ale mniejsza z tym. Większa o... rozmiary. Te małe kuleczki w środku, protony i neutrony, mają rozmiar około 10^-15 metra. To znaczy - 0.000000000000001 metra. Cały atom wodoru, z elektronami okrążającymi go w orbitalach osiąga niebotyczne rozmiary 10^-10 metra. Na pewno te zera i jedynki nie mówią nic nikomu, poza informatykami i komputerami (których rzesza na pewno też czyta ten post ;)), dlatego posłużę się skalami. Gdyby jądro (atomu...) miało rozmiar łebka od szpilki, elektrony znajdowałyby się na koronie dużego stadionu piłkarskiego. Jak sami widzicie, podręczniki z pedałówy kłamią. Nasza materia składa się przede wszystkim z ... pustki :)

To tylko początek ukazania skali długości Placka. Planka. Plancka. Ufff. Przy takiej manipulacji liczbami można pogubić się w literach ;) Wyobraźcie sobie, że ten mały atom wodoru (10^-15 metra) chcielibyśmy skonfrontować z długością Plancka, czyli skalą 10^-35 metra. Wydaje się, że to niewiele mniej, prawda? Owszem, wydaje się, ponieważ ludzki mózg ma problem z wizualizacją postępu geometrycznego i innych, podobnych ciągów. W końcu na papierze to tylko parę zer, trochę miejsc po przecinku... Nic bardziej mylnego. Aby móc wyobrazić sobie różnicę między atomem wodoru a długością Plancka, należałoby atom powiększyć. Jak bardzo? Załóżmy, że 10^-35 ma wysokość drzewa, przy odpowiednim skalowaniu. Wobec tego, jak duży powinien być atom wodoru? Wielkości lasu! Puszczy! Nie. Nie. Ziemi? Układu Słonecznego?! Galaktyki?! Bredzę? Też nie. Atom wodoru, aby zachować skalę, musiałby mieć rozmiar... widzialnego Wszechświata. To znaczy 92... miliardów lat świetlnych. Rok świetlny to 9.46^15 metra czyli około 9 bilionów kilometrów. Teraz można się już położyć i spokojnie odłożyć na stolik nocny wyrwane włosy z głowy. O ile coś z niej jeszcze zostało ;)

3. Deserek, wisienka na torcie, to znaczy na Pla(n)cku.

Dobrze. Ci z Państwa, którzy lubią liczby, na pewno czują się usatysfakcjonowani. Ale najlepsze danie zostawiłem na koniec. Na początku napisałem, że długość Plancka to najmniejsza długość mająca sens fizyczny. Tak, sens fizyczny, ale jaki sens ma w ogóle ostatnie zdanie? Co to znaczy sens fizyczny?

Załóżmy, że dysponujemy magiczną lupą, która wprowadza nas w przedziwny, w zasadzie im mniejszy, tym dziwniejszy, nano-świat. Pomijamy grzyby, ryby, bakterie (do których wszakże nie trzeba lupy, chyba że do potomstwa sardynek lub tych małych, najsmaczniejszych grzybków ze słoika ;), komórki, DNA, bla, bla bla. Nasza lupa robi co może i pokazuje na atom wodoru, protony i neutrony w jądrze ~10^-15 metra. Dalej znajduje się już tylko średnica elektronu - 10^-20 metra. Taka jest granica technologiczna, aby spoglądać głębiej i powiększać dalej, musielibyśmy dysponować nieosiągalnym dziś sprzętem. Już sam elektron jest enigmatyczny, bo jego średnica jest jedynie szacowana, a sam, jako niepodzielna cząstka elementarna, określana jest jako punktowa, czyli nie posiadająca wymiarów! Takie założenie stosuje się przy obliczeniach i, jak dotąd, przy dość małym błędzie pomiarowym, sprawdza się ono. Ale przecież elektron jest obiektem fizycznym, nie matematycznym, bezwymiarowym punktem! Istnieje, na Peruna! Perun tu nie pomoże. Ani nawet nasza obecna technologia.

I oto, nasza hipotetyczna lupa, pozwala nam zajrzeć dalej! To, co dzieje się w skali 10^-35 metra jest na razie czystą spekulacją. Najtęższe umysły świata próbują przewidzieć, co też tam zachodzi. I są to spekulacje naprawdę elektryzujące.

3.a. Hipoteza #1.

Istnieje pomysł, że przy skali Plancka zwykła, czterowymiarowa czasoprzestrzeń przestaje istnieć. Nikt nie wie, jakie procesy tam zachodzą, ani co zajmuje miejsce czasoprzestrzeni. Być może inna liczba wymiarów? O większej ilości wymiarów mówiłem w poście #1 (http://diesphys.blogspot.com/2016/04/1-4d-czyli-wyzszy-wymiar-przestrzenny.html). Jeśli to nie jest wystarczająco interesujące, to spadajcie. Ja się tak nie bawię, następnym razem napiszę relację z Halloween party na fermie drobiu w Oborze koło Lubina, gdzie kurczaki przebrane za wampiry... ;) Ale, co tam. Dobrnęliśmy już z lupą tak daleko... Niech będzie ;)

Oprócz innej liczby wymiarów, w skali Plancka czasoprzestrzeń może wyglądać jeszcze inaczej. I nie, to nie są opowiadania science-fiction, ani filmy pokroju Atak Krwiożerczych Pomidorów z Kosmosu. Hipotezy, które przedstawiam, mają swoje pochodzenie w najlepszych ośrodkach naukowych świata.

Być może przy odległości Plancka istnieje całkowicie nowy koncept rzeczywistości, wyglądem przypominającym boisko do futbolu amerykańskiego. To nie znaczy, że jest tam trawa i biegają po nim małe ludziki w kaskach. Chodzi o linie poprzeczne boiska, rozmieszczone co pewną, określoną odległość. Te linie tworzą strukturę, z której składa się Wszechświat, a co najgorsze, pomiędzy nimi nie ma... nic. Nic?! A nic. Po prostu i dosłownie nic. Te linie to budulec i swoista tkanina całej rzeczywistości. Przy poruszaniu się w tej skali, istnieją tylko cyfrowe przeskoki, nie ma ciągłego ruchu! To tak jakby futbolista biegł, ale pojawiałby się tylko na kolejnych liniach, bez pokonywania odległości między nimi, bo między nimi nie istnieje nic. Nie ma żadnych stanów pośrednich, nie ma żadnego przebywania drogi, między liniami nie istnieje przestrzeń... Oczywiście, przy odpowiednim powiększeniu i pojawia się wrażenie poruszania się, bo już z w skali niewiele większej niż 10^-35 metra pojawia się wrażenie ruchu ciągłego. Ale na najbardziej podstawowym poziomie, istnieją tylko cyfrowe przeskoki, zero albo jeden, linia albo nicość. Rzeczywistość miałaby charakter zdigitalizowany.

3.b. Hipoteza #2

Inna hipoteza mówi, że zmniejszanie poniżej tej długości jest pojęciem, które nie ma sensu, a czas i przestrzeń mogą być właściwościami emergentnymi Wszechświata. To znaczy, że składowe tworzą złożoną strukturę - czas i przestrzeń może być opisana jedynie jako funkcja składowych współgrających razem, a nie tylko jako suma elementów. Co to oznacza w języku Laika i Tłu... Początkującego Ekslporatora Zagadnień Fizycznych? ;)

Wyobraźmy sobie mózg. Najlepiej nie ślimaka, ponieważ posiada on tylko zwoje mózgowe, między niewieloma innymi takie do wybrania kierunku i lokalizacji pożywienia. Mózg przez duże Mó. Mamy tam neuronów masę (~100 mld, jedni więcej, drudzy mniej), a między nimi zachodzą przeróżne reakcje neurochemiczne. Neurony mają też różne funkcje komórkowe. Ten cały bajzel jakoś hula, bo budzimy się rano (jeszcze pięć minutek ;)), jemy, chodzimy, mówimy, coś robimy, i tak dalej. Ale najpiękniejsza i jednocześnie najbardziej tajemnicza właściwość mózgu to świadomość. I właśnie ona jest właściwością emergentną mózgu. Reakcje i funkcje na poziomie neuronalnym składają się na mózg, jednak opisane składowe nie tłumaczą świadomości. Świadomość swoją złożonością przekracza w dużym stopniu funkcje neuronów, jest rezultatem współgrania ich działania.

Podobnie z czasem i przestrzenią: same składowe - czy to opisana powyżej tkanina rzeczywistości, czy inna struktura - sama w sobie nie tłumaczy istnienia czasoprzestrzeni. Jeśli zejdziemy do poziomu neuronów, pojęcie świadomości traci sens i przestaje właściwie istnieć - tak samo, gdy zejdzie się poniżej skali Plancka, pojęcie czasu i przestrzeni przestaje funkcjonować, załamuje się. Spójrzmy choćby na telewizor. Z pewnej odległości widzimy obraz, przy solidnym walnięciu ręką w bok nawet film, ale gdy przyjrzeć się bliżej - na poziomie piksela - nie widzimy już pożądanego "M jak Miłość" - jedynie składową w postaci bardzo małej cząstki wyświetlanej zawartości, tworzącą jednak wraz z innymi spójną całość.

- Stachu! Zabierz mnie tę lupę sprzed oka bo jakąś kreskę ino widzę! A tu Hanka jedzie i, no, zaraz coś chyba będzie!
- Cicho tam, babo. Badam strukturę czasoprzestrzeni.

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

#4 Grawiton, czyli brakująca cegiełka w murze fizyki teoretycznej

Bajek było wiele, ale wszystkie chowają się przy tej o grawitonie. Ten ulotny kwant oddziaływania grawitacyjnego spędza sen z powiek wszystkim siwym głowom w CERNie oraz innym, rozsianym po świecie szpecom od warstwy teoretycznej współczesnej fizyki. Jego odkrycie wiązałoby się ze znalezieniem brakującego elementu, który spoiłby teorię względności Einsteina, czyli tego, co opisuje grawitację w skalach kosmologicznych, oraz teorię kwantową, czyli najlepszy opis świata w skalach najmniejszych. Pojawienie się grawitonu na scenie fizycznych odkryć wiązałoby się ze stworzeniem tzw. Kwantowej Teorii Grawitacji - grawitacji, jedynej siły fundamentalnej, która nie została zrozumiana w sposób pełny. Ale po kolei.

1. Grawiton w bajce.

Czerwony kapturek szedł przez las. Paczy, paczy, a pod krzakiem leży grawiton. Hurra! Święty Graal fizyki teoretycznej wystąpił w naszej bajce jako jedna z jagód! Koniec bajki. Czas na fakty ;)

2. Przystawka teoretyczna do grawitonu.

Przynudzałem już o wyższych przestrzennych, ale nie pora, aby rozwijać ten temat. Wystarczy pamiętać, że podobnie, jak poruszający się po linie cyrkowiec widziany z daleka wygląda, jakby kroczył po jednowymiarowej linii, tak samo dodatkowe wymiary mogą być ukryte, gdy patrzymy w nieodpowiedniej skali. Wystarczy przybliżyć naszą kamerę filmującą doniosłe cyrkowe przedstawienie i od razu widać, że lina ma także obwód, czyli wymiary dodatkowe, niewidoczne z daleka. Podobnie z wymiarami czasoprzestrzeni, przy odpowiednim powiększeniu "powinno" dać się zobaczyć jej dodatkowe aspekty.

Idea dodatkowych wymiarów potrzebna mi była do przejścia do kolejnej teorii - cząstek Kaluzy-Kleina. Spokojnie, zaraz dojdziemy do meritum, jednak droga do niego jest jak zwykle zawiła i pokrętna. Nie to, co Kapturzasty, wchodzi do lasu jako dziecko z koszykiem, a wychodzi w glorii chwały fizyka-noblisty. Nie, aż takiego szczęścia nie mamy ;)  Te wszystkie Kaluzy i Kleiny to nic innego jak cząstki, które, rzekomo, istnieją w właśnie w tych dodatkowych przestrzennych wymiarach. Są bliźniaczo podobne do protonów, neutronów, elektronów i reszty całej tej hałastry z ZOO cząstek elementarnych Modelu Standardowego. Kurde! Teraz wiem, dlaczego na bozony można mówić bizony... Ale widział no kto bizona w ZOO? Nieważne. Cząstki Eine-Kleine-Kałuży mają właściwości takie same, jak ich odpowiednicy z szarej czterowymiarowej rzeczywistości z tą różnicą, iż różnią się masą. Odkrycie takich masywnych cząstek w Wielkim Zderzaczu Hadronów (Large Hadron Collider, LHC w skrócie - akcelerator cząstek w CERN w Genewie, ten sam, który dał światu bozon Higgsa, boską cząstkę, kwant pola Higgsa nadającego masę pozostały elementarniakom) sugerowałoby, a właściwie dowodziłoby istnienia dodatkowych wymiarów czasoprzestrzeni. I teraz - enter graviton.

3. Smakowite danie główne.

Grawiton to hipotetyczna cząstka pola grawitacyjnego. Tak samo jak foton jest kwantem, najmniejszą niepodzielną jednostką siły elektromagnetycznej (coś jak piksel na ekranie komputera), tak grawiton miałby być takim właśnie odpowiednikiem dla siły grawitacji. Dziwne, prawda? Siła grawitacji jest najpowszechniej znaną siłą, nawet goryl, gdy podrzuci w górę banana wie, że za chwilę spadnie mu on na głowę! Szympans także wie, że gdy wychyli się za bardzo, spadnie czaszką prosto w mrowisko pod drzewem. Tukan... No dobrze, wszyscy wiemy, że tukany latają, to nie był dobry przykład ;) Ale wszyscy ludzie od niepamiętnych czasów, od malucha do starucha, wiedzą, jak działa grawitacja. Jest intuicyjna i wszechobecna, a jednak... Jako jedyna z fundamentalnych sił przyrody nie ma swojego nośnika! Elektromagnetyzm ma fotony, siły jądrowe słabe (odpowiedzialne za promieniotwórczość i odkryte relatywnie niedawno, oczywiście w porównaniu do grawitacji) są przenoszone przez bozony W i Z, oddziaływanie silne (spajające neutrony i protony w jądrze atomowym) ma swoje gluony (nie glutony! choć w głowie słyszę już te szydercze komentarze ;))... A grawitacja? Einstein opisywał ją jako zakrzywienie czasoprzestrzeni wywołane obecnością masywnego ciała, ale to tyle! Na poziomie cząsteczkowym dla grawitacji nie istnieje nic, poza hipotetycznym wciąż grawitonem.

Wracamy do LHC. Jeśli na narty, to tylko w Alpy, jeśli piwo, to tylko VIP z Biedronki, a jeśli grawiton, to tylko w LHC. Albo Jowisz =] Ale o tym za chwilę. Grawiton, przy wytworzeniu odpowiedniej energii zderzeń protonów, powinien powstać w Zderzaczu, jednak natychmiast "uciekłby" do wyższych, zwiniętych przestrzennych wymiarów, tak przewidują hipotezy. Kolizje zawsze wytwarzają coś na kształt efektu fajerwerków, rozpryskując egzotyczne cząstki różnych mas i rodzajów we wszystkie strony. Grawiton najprawdopodobniej umknąłby wykryciu przez detektor, jednak pozostawiłby swego rodzaju dziurę energetyczną w obrazie zderzenia. Znane są parametry, jakie mógłby pozostawić uciekający do wyższych wymiarów grawiton, jednak w chwili obecnej energie zderzeń są niewystarczające. Albo któryś z fizyków przysnął przy komputerze i cały splendor zgarnął Kapturek... Zatem - na jagody, młodzi fizycy! ;) Podobne metody stosuje się do badania ciemnej materii i cząstek supersymetrycznych, ale o tym nie będę pisał, bo przy grawitonie są one po prostu nudne ;)

4. Do roboty! - czyli - jak go wykryć?

No dopsz. Jakiego zatem detektora potrzebowaliśmy, aby wykryć tego tam, no, grawitona? Grawitona, grawitona, myślę o jakimś śmiesznym wyzwisku na niego, ale nic nie przychodzi mi do głowy. Może czytelnicy wykażą się kreatywnością? Zapraszam do konkursu - Przezywamy Grawiton :) Do detekcji fotonu wystarczy zwykłe ludzkie oko - ono radzi sobie nawet z pojedynczym kwantem elektromagnetyzmu. Zaś detektor, który wytworzyłby wystarczającą energię zderzeń, by wyłuszczyć grawiton z fali śmiecia cząsteczkowego, musiałby mieć rozmiar Jowisza! 10 i 27 zer kilogramów... Dużo, na Jowisza, Peruna, Trygława i Swaroga! Lelum polelum, no dobra, to nie :/ Chwila - to nie wszystko. Detektor ten musiałby poruszać się na orbicie gwiazdy neutronowej - też ciężkie bydlę, opisane w jednym z poprzednich postów. Baaaaardzo ciężkie. Na koniec dobijmy się faktem, że taki detektor wykryłby jeden grawiton raz na sto lat. Dodatkowo, gwiazda neutronowa emituje także neutrina, ultralekkie cząstki bardzo słabo oddziaływujące z materią. Na jeden grawiton przypada 10^33 neutrinów. Neutrin. Neutrinów. Whatever, man, dużo. A gdyby pan chciał se zblokować te neutrina, tarcza antyneutrinowa musiałby mieć grubość kilku lat świetlnych, czyli tak stąd do Alpha Centauri i z powrotem, pi razy drzwi. Spryciarze może chcieliby ją splaszczyć, żeby im się zmieściła między gwiazdę a Jupitera... Tak, proszę, tylko wtedy byłaby tak ciężka, że od razu zapadłaby się do czarnej dziury. Huh! No to o czym ja tu marzę?! O czym marzy ludzkość? Nieeee. Dlatego każdy szanujący się i rozsądny fizyk wybierze raczej kinetykę i ciało stałe ze szkoły średniej niż grawiton. Poza garstką szaleńców, którzy gonią za iluzją... Końkludując, o ile nie mamy w zanadrzu szczwanego planu, tudzież ultrafuturystycznej technologii, nigdy nie wykryjemy grawitonu.

5. Światełko w tunelu.

Tia. Mamy przecież fale grawitacyjne ;)

Otóż fale grawitacyjne, zmarszczki w samej czasoprzestrzeni, odkryte w lutym tego roku w detektorze LIGO, powstałe zderzeniu dwóch czarnych dziur, składają się z grawitonów! Tak samo, jak fale elektromagnetyczne (światło z żarówki, latarki pana, który szuka w nocy robaków w ziemi na jutrzejsze rybobranie) składają się z fotonów, fale grawitacyjne składają się z grawitonów. Z dużej ilości grawitonów. W jednym centymetrze sześciennym powinno ich być około 10^15. Jednak to i tak gruszki na wierzbie, bo nadal, o ile nie wynajdziemy jakiegoś genialnego sposobu, wykrycie kwantów grawitacji z ich fal pozostaje poza zasięgiem obecnej technologii.

6. Teoria Grawitacji Kwantowej.

Teoria ta unifikuje mechanikę kwantową oraz teorię względności, duże i wielkie skale.  Nie są jednak one kompatybilne matematycznie, są niespójne, zatem obie nie mogą być poprawne. Dlatego uważa się, że potrzebna jest teoria grawitacji kwantowej, która niejako "pogodzi" obie ważne dla ludzkości teorie. Nie jest ona jeszcze gotowa, ale mamy wiele wskazówek, jak powinna wyglądać. Co z tego? To, że jeśli sformułujemy teorię kwantowej grawitacji, będziemy pewni, że grawiton istnieje. No jak to?! A co z tym całym Jowiszem, gwiazdą neutronową - na śmietnik? Tyle dolarów, tyle sałaty, i wszystko jak krew w piach?! Otóż sprawa ma się podobnie jak z elektrodynamiką kwantową. Teoria ta wysnuła przewidywania istnienia skwantowanego pola elektromagnetycznego i fotonów. Następnie, wdrożono tę teorię eksperymentalnie i dowiedziono kwantyzacji pola. Podobnie będzie z teorią kwantowej grawitacji. Gdy już ją panowie fizycy opracują, będzie można potwierdzić istnienie grawitonu w sposób pośredni. Taka jest koncepcja. I jest ona słuszna, ta koncepcja ;)

7. Pomarzyć zawsze można...

Można, można. Ale skoro nie możemy go wykryć, możemy go przynajmniej wyśmiać. Powytykać palcami. Poprzezywać :) Zatem - czas na czytelniczy konkurs pt. "Przezywamy Grawiton" :) Jako przykład podaję słynny już bozon - bizon. Do dzieła! Nagrodą jest oczywiście smakowita zawartość koszyka Czerwonego Kapturka ;)

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

#3 Magia Świata Kwantów, czyli Doświadczenie Younga/Eksperyment z Dwoma Szczelinami

Witajcie!

Dziś mamy czwartek, a czwartek to dobry dzień na przedstawienie Wam najbardziej spektakularnego aspektu świata mechaniki kwantowej. Dlaczego czwartek? Bo będzie tłusto. Grubo. Ale młodzieżowiec ze mnie ;) Zaczynajmy. Lepsze niż cycki ;)

Mechanika kwantowa to dla mnie jedna z wielu dziedzin fizyki, gdzie nauka zahacza o czystą magię. Została wymyślona przez bystrzaków pokroju Nielsa Bohra, Wernera Heisenberga, Erwina Schrodingera i paru innych w latach dwudziestych XX wieku. Uwierzcie mi, to nazwiska z najwyższej półki jeśli chodzi o fizykę. Teoria dotyczy zachowań cząstek elementarnych na najniższym zbadanym poziomie rzeczywistości - budulców materii (protony, neutrony, skwarki i bizony... przepraszam kwarki i bozony) i składników energii (fotony i elektrony oraz rzesza innych, ale nie będziemy się zajmować cząstkowym ZOO Modelu Standardowego). Najśmieszniejszym faktem mechaniki kwantowej jest to, że doskonale przewiduje wyniki eksperymentów, obliczenia się zgadzają, wszystko cacy, ale nikt nie wie, dlaczego. Po prostu nie da się wyjaśnić pewnych jej aspketów, bo cząstki elementarne zachowują się, jakby przeczyły znanej logice, pochodziły z innej rzeczywistości niż nasze makroskopowe krzesła, stoły, banany, łabędzie. Albatrosy. Tak. Albatrosy również nie zachowują się kwantowomechanicznie. Nie wiem jak Was, ale mnie to dziwi ;)

W czym rzecz? Co takiego dziwnego jest w elektronach, czego nie można zaobserować u albatrosów? Nie znoszą jajek! A teraz już poważniej. Najpierw wprowadzenie, czyli kilka najdziwniejszych cech cząstek elementarnych. Będzie w punktach, tak, jak lubicie. Sprawdziło się w przypadku gwiazdy neutronowej, bo rzesze fanów piały z zachwytu, więc i tu powielę schemat sukcesu.

1. Superpozycja.

Cząstki elementarne mają tę dziwną właściwość, że mogą znajdować się w wielu miejscach równocześnie. To tak, jakby krzesło stojące obok Was nie zajmowało jednego miejsca w przestrzeni, tylko, na przykład, dwa. Brzmi to... co najmniej dziwnie. W matematyce mówi się, że suma dwóch rozwiązań jest rozwiązaniem równania. Jeśli elektron przebywa drogę od punktu A do punktu B, nie jest to po zwyczajna linia prosta. Jego położenie określa prawdopodobieństwo. Załóżmy, dla uproszczenia, że ma dwie możliwości - lekkim łukiem od A do B na prawo i lekkim łukiem w lewo. Szanse, że elektron przebył drogę jednym lub drugim łukiem wynoszą po 50%. Co w sumie daje 100%, rozwiązanie jest sumą dróg. I teraz najlepsze. To, co napisałem, wygląda na matematykę, czyli po prostu obliczenie na papierze tego, jak mógł zachować sie elektron. Ale ta cwana bestia robi tak naprawdę. Nie w matematycznym a w fizycznym, realnym świecie. Dopóki nie zostanie zaobserwowana, naprawdę poruszą się tymi dwoma torami jednocześnie. Wyjaśnię to później przy opisie doświadczenia Younga, które pokazuje jak na dłoni dziwny aspekt superpozycji.

2. Zasada nieoznaczoności Heisenberga.

Heisenberg. Nieee, nie ten z Breaking Bad. Jeśli Werner Heisenberg to Interstellar, to Walter White jest Panem Kleksem w Kosmosie. Zasada nieoznaczoności mówi nam, że nie można z dowolną dokładnością zmierzyć dwóch wartości cząstki. Wielkości są sparowane i działa to tak, że im dokładniej mierzymy jedną, tym mniej dokładnie mierzymy drugą. Czyli, na przykład: pęd i położenie. Pęd to masa x prędkość, położenie - to oczywiście położenie browara na stole w oczekiwaniu na mecz Polaków. A browar znajduje się w dwóch miejscach równocześnie... Kupiłem jeden, mam dwa... Ech, rozmarzyłem się. Położenie to po prostu położenie. Czyli: gdzie jest cząstka? I teraz szczypta magii: jeśli zmierzymy z dokładnością X pęd cząstki, jej położenie możemy określić z dokładnością 1/X, czyli odwrotnie propocjonalnie. Im dokładniej zmierzymy pęd, tym mniej dokładnie mierzymy położenie. Czyli - nasuwamy kołdrę na nogi, jest nam coraz zimniej w łepetynę. Chcemy byc sprytni i nasuwamy kołdrę pod szyję - nie starcza jej na zmarznięte stopiszcza. Przelewasz browar z puszki do szklanki i masz go coraz mniej w puszcze, ale więcej w szklance. Patrzysz, jak piana rośnie, zajęty złotym płynem i oczywiście pada gol... Ale chwila, kwantowomechanicznie miało być tylko w świecie cząstek... :) Najlepszym cusiem jest to, że nieoznaczoność nie wynika z niedoskonałości przyrządów pomiarowych. Ona wynika z samej natury rzeczywistości. Kraina Czarów zaczyna się gdzieś na granicy wielkości atomu :) Nie ma możliwości dokonania nieskończenie dokładnego pomiaru każdej z wielkości. Możemy określic bardzo dokładnie, gdzie jest krzesło. Gorzej z albatrosem, bo frunie dziadostwo bardzo szybko. Ale i tak sprawia mniej problemów niż taki elektron. Sam pomiar położenia czy pędu elektronu zmienia stan tego małego ukadu. To tak jakby samym patrzeniem zmieniać jego właściwości.... Tak, tak. Witajcie w świecie kwantów. Obserwując obiekt kwantowy, musimy oświetlić go fotonami. A to zaburza układ.

Inny przykład: wyobraźmy sobie, że wykonujemy zdjęcie aparatem fotograficznym (lub komórką; albo wyobraźmy sobie, że chcemy zrobic sobie selfie z pędzącym a tle samochodem. Będzie trudniej, ale w końcu mechanika kwantowa jest trudna. A jeśli jeszcze uda nam się uchwycić albatrosa, wtedy wygraliśmy wszystko ;)) W zależności od szybkości migawki ruszający się samochód będzie mniej lub bardziej rozmyty. Samochód wyda się dłuższy, będzie bardziej rozmyty, uchwyciliśmy prędkośc, ale pomiar położenia szwankuje. W granicznym przypadku, gdy czas migawki = 0, zmierzyliśmy idealnie jego położenie, ale nie wiemy nic o prędkości. Proste? Jak strzelanie z procy bananem w albatrosa!

3. Dualizm korpuskularno-falowy

Zaczynają się schody. Najprościej wytłumaczyć owo zagadnienie na przykładzie światła. Albert Einstein (za badania nad światłem dostał pierwszą nagrodę Nobla, a nie, jak uważa wielu tłuków-nieuków-pseudo-bloggerów-naukowych, fizycznych amatorów... sami wiecie ;), za teorię względności) i paru innych cwaniaczków fizycznych dowiodło, że światło ma naturę zarówno fali - takiej jak rozchodzące się po stawie koła, gdy wpadnie do niego albatros, oraz cząstki - naszego kochanego fotonu, małej świetlnej kuleczki. Ciekawostka odnośnie fotonu: porusza się z prędkościa światła. Wow! - powiecie. Prędkość światła jest największą możliwą prędkością w naturze, według obecnej wiedzy fizycznej. Diesel, rządzisz! Wiem, wiem ;) Informacje rodem ze żłobka o profilu fizycznym. Ale... Gdy prędkość zbliża się do prędkości światła, efekty relatywistyczne powodują, że zwiększa się masa obiektu, a czas spowalania. Przy prędkości światła masywny obiekt powienien zwiększyć swój ciężar do nieskończoności, a czas = 0. Dlatego foton nie ma masy, jest czystą energią. Ale jest jeszcze jedna ciekawa implikacja faktu z czasem. Dla fotonu czas jest w istocie równy zero. Z jego punktu widzenia porusza się po całym Kosmosie natychmiastowo, bez czasu. Z jego perspektywy, podróżuje z gwiazdy odległej i miliardy lat świetlnych od razu! W zerowym czasie. My widzimy go poruszającego się z prędkością światła, ale, jako że jest to najwyższa prędkość w naturze, jego perspektywa eliminuje czas. Także mogę już wykładać co najmniej w żłobku ;)

Światło jest zarówno falą jak i cząstką. W zależności od rodzaju pomiaru. Jeśli chcemy wykryć falę, wykryjemy falę. Jeśli pragniemy zobaczyć cząstkę, zobaczymy cząstkę. Dziwne? Powoli zbliżamy się do meritum, czyli eksperymetnu z dwoma szczelinami. Fale przejawiają takie właściwości jak intereferencja (nakładanie sie grzbietów bądź dolin, albo wygaszanie, w przypadku nałożenia się doliny i grzbietu - na razie, mam nadzieję, jesteście ze mną). Intereferencja. Szkoda albatrosa, ale pozwolił nam zobaczyć na stawie fale, które idealnie pokazują rozchodzenie się jej w ośrodku. A teraz wyobraźcie sobie, że żona biednego ptaszka zobaczyła, że koleś wpadł do stawu i próbuje go uratować. Daje nura. Pojawiają się drugie fale, od drugiego ptaszyska, które zagłębiło się w odmęty Świtezi. Powstaje drugie źródło fal. I nakładają się, nakładają, bądź wygaszają, wygaszają. Finał jest taki, że albatrosy żyły długo i szczęśliwie, stając się, niejako okazjonalnie, zwierzętami podowodnymi, bo dobrze im tam. A my obserwujemy falową naturę materii. Wszyscy zadowoleni. Dyfrakcja? To ugięcie fali. Trudno to opisać, więc posłużę się obrazkiem. Nadal lepsze niz cycki!

Łeee. Ale przynajmniej ładnie obrazuje, co mam na myśli. Przy szczelinie fala się załamuje. Tyle mamy wiedzieć, bye bye cycki ;)

W przypadku obiektów kwantowych, mamy do czynienia z funkcją falową. Fala opisuje prawdopodobieństwo, z jakim cząstka znajduje się w danym rejonie. Najwięszke prawdopodobieństwo wystąpienia cząstki znajduje się na grzbiecie, maleje wraz z załamywaniem się fali. Niels Bohr uważał, że przy dokonaniu obserwacji funkcja falowa doznaje tzw. kolapsu i taki foton musi określić, 'zdecydować się', w jakim jest położeniu. I wtedy staje się cząstką! Mało ciekawe? Nu pagadi, zajac! Jak to nie! Ale w porządku. Przejdźmy więc do sedna, czyli naszego doświadczenia. Punkty, które opisałem, pozowolą nam lepiej zrozumieć Doświadczenie Younga. Jeśli do tej pory bawiliśmy się w Dorotkę z Kansas, teraz czas na Alicję w Krainie Czarów.

4. Doświadczenie Younga.

W doświadczeniu Younga mamy do czynienia ze źródłem światła, czyli fotonów, dwóch szczelin w płycie stojącej na ich drodze, przez które światło może przejść, oraz ekranie detekcyjnym, na którym widzimy jak fotony, przechodzące przez szczeliny, zatrzymują się, tudzież zostają wykryte. Światło, jako fala, tworzy na ekranie obraz interferencyjny, czyli wzajemne nakładanie się fal z dwóch 'źródeł' - szczelin. Po drodze przez szczeliny fale ulegają jednak dyfrakcji jak na rysunku lepszym od cycków powyżej. Rewelacja, prawda?

Żartowałem. to dopiero wprowadzenie. Takie doświadczenie może Wam pokazać pani od fizyki w podstawówce, zaraz po zajęciach z techniki i robieniu mereżki. Połowa klasy śpi a druga, większa połowa, nie wie o co chodzi. A fizyczka podniecona, nic nie zauważa, tylko swoje dyfrakcje i interefencje. Chociaż, mogę się mylić. Pewnie druga połowa gra w węża na komórce. Mereżka, wąż? OK, może jestem trochę w tyle, ale na szczęście prawa fizyki nie zmieniły się od moich czasów tak bardzo. Niektórzy poszli z duchem czasu i grają w fifę na smartfonie, ja wolę mereżki ;)

Na obrazku przedstawiam, jak bawili się fizycy na początku XX wieku, odkrywając falową naturę światła. Najpierw mamy źródło i szczeliny, drugi rysunek to obraz interferencyjny na ekranie.

1 - źródło światła
2 - detektor - niespodzianka
3 - ekran - detekcja obrazu interferencyjnego

Sam obraz interferencyjny na ekranie wygląda tak:

Na razie nie ma w tym nic niezwykłego. Światło załamuje się na szczelinach, intererferuje ze sobą i daje obraz wyglądający jak widok oglądany co ranka przez pensjonariuszy wesołego zakładu we Wronkach. Albo bardziej upierdliwych i niebezpiecznych kuracjuszy naszego pięknego Zamku w Lubiążu. Kto wie, gdyby wsadzili tam fizyka, może widziałby zamiast krat doświadczenie Younga? ;) I pewnie paru z nich już tam siedzi, znając cienka linię między geniuszem a szeleństwem. Co dalej? Teraz postaram się Was zaskoczyć. Zaszokować. I nie, nie jestem fizykiem z Lubiąża obserwującym albatrosy przez okno swej celi ;)

Panowie fizycy w dwudziestym wieku bawili sie i podziwiali obraz interferencyjny i falową naturę światła. Nie budziło ono wielu kontrowersji. Jednak w świetle praw mechaniki kwantowej i interpretacji doświadczenia zaczęły, jak grzyby po deszczu, wyrastać kolejne zagadki. Ktoś bardzo mądry i niebaczny konsekwencji postanowił w miejsce ciągłego źródła światła (1. na rysunku) wypuścić pojedyncze fotony. Zwykłe cząstki. Wydawałoby się, że foton powinien wybrać którąś ze szczelin i zaznaczyć swoją obecność punktem na ekranie, prawda? Wyobraźcie sobie kulkę, którą spuszczacie z góry po jakimś tam blacie, w którym jest przegródka z dwoma dziurami. Naturalnie musi ona przelecieć przez którąś z nich. No chyba, że ją zepsujecie ;) Fotony też tak robią. Przechodzą przez szczelinę. Ale... przez dwie na raz.

Okazało się, że pomimo, iż wypuszczono pojedynczy foton, na ekranie nadal widniał obraz interferencyjny. Jakby foton, pojedyncza cząstka, nadal była falą i przeszła przez dwie szczeliny jednocześnie! Zauważcie, że fala mogła to zrobić - stworzyć nakładające się grzbiety na ekranie i namalować paski swoim falowym pędzelkiem. Ale jak mogła tego dokonać pojedyncza cząstka? Czyżby też miała zapędy artystyczne? Po prostu, foton przechodził przez szczeliny jako swoja funkcja falowa. Zaobserwowany był dopiero na ekranie i tam pokazał, w jaki sposób przebył drogę - a przebył ją jako fala. Przebył ją w stanie superpozycji, w dwóch miejscach jednocześnie. Szokujące? Nie? Proszę, naprawdę? ;) A co powiecie na fakt, że dopiero detekcja mówi, jaką drogę przebyła cząstka? Że... skutek określa przyczynę? I co teraz? ;) Takie są implikacje dalszej części doświadczenia Younga.

5. W takim razie idźmy dalej.

Ktoś chciał być sprytniejszy niż dwuznaczny foton i umieścił w punkcie nr 2 detektor-niespodziankę. Bo skoro mamy obraz interferencyjny z pojedynczego fotonu, dobrze byłoby wiedzieć, co robił on po drodze. Po prostu fajnie byłoby przyłapać go na gorącym uczynku, jak beztrosko uskutecznia rozdwojenie jaźni i wesoło przechodzi przez dwie szczeliny na raz.

Umieszczono detektor. Złapano foton. Przeszedł przez jedną szczelinę. Popatrzono na ekran. Obraz interferencyjny... zniknął. Kolega fotonu, wystrzelony przed naszym obserwowanym osobnikiem, pozbawiony nadzoru w punkcie dwa, przeszedł przez dwie szczeliny naraz. Ale już kolejny, pilnie podpatrywany w momencie przechodzenia przez szczelinę, wybrał tylko jedną. Obraz na ekranie to pojedynczy punkt. Jak gdyby nigdy nic, foton zwinął superpozycję, obserwacja dokonała kolapsu jego funkcji falowej i musiał wybrać szczelinę. To wygląda trochę tak, jakby wiedziały, że są obserwowane, prawda? Nieładnie nas podglądać, panowie naukowcy! Fotony śpiewają pod prysznicem, ale gdy ktoś wchodzi, gwiżdżą tylko cichutko ;)

No dobra, usuniemy kamerę. Foton numer trzy. Dwie szczeliny naraz, interferencja. Cholera jasna... co z wami nie tak, fotony?! Może trochę ubarwiam, ale takie są fakty. Takie zjawiska naprawdę zachodzą. fotony dosłownie 'wiedzą', że są obserwowane. Nie wiemy, jakie mechanizmy kierują ich zachowaniem. Wiemy tylko, że tak jest. I zawsze się powtarza. Mechanika kwantowa daje jednoznaczne przewidywania, ale niejasne są jej podstawy. To coś bardzo głębokiego, jakieś sekretne mechanizmy, które rządzą światem kwantów, a które są dla nas ukryte. Może kiedyś... Gdy już będziemy wiedzieć, że nasz świat to symulacja komputerowa, zapytamy Architekta. Ale pewnie i tak będzie kłopot, którą bramkę wybrać. Knock, knock, Neo ;)

6. I na koniec:

Żartuję, albatrosy zostawiamy na chwilę w spokoju. Raczej nie są kwantowomechaniczne. Chociaż nie jestem do końca pewien. Ta rozpiętość skrzydeł, ten rozmach... ;)

Załóżmy, że punkcie 3. czyli ekranie umieścimy detektor fali lub cząstek. To znaczy, że jeśli foton przeszedł przez szczelinę jako fala, czyli przez dwa otwory naraz, nasz detektor, nastawiony na wykrycie fali, potwierdzi to. Możemy też ustawić go na wykrycie cząstki i, jeśli foton przejdzie przez jedną szczelinę, detekcja nastawiona na cząstki powie nam 'bingo'.

Ale w tym momencie zaczynają się dziać kuriozlane rzeczy. Bo jeśli nastawimy detektor na wykrycie cząstki, wykryje cząstkę. Foton przeszedł przez jedną szczelinę. Przestawiamy detekcję na falę i wykrywamy falę - foton przeszedł przez dwie szczeliny naraz. Jednakowoż, dzieje się to po fakcie. Jakbyśmy dostawali to, czego oczekujemy. Oczekujemy fali - dostajemy falę. Oczekujemy cząstki - dostajemy albatrosa. Oczywiście żartuję, otrzymujemy cząstkę. Ale zauważcie, że foton najpierw przechodzi przez szczelinę, potem trafia do detektora. Jednak to detektor decyduje, jak foton przeszedł przez szczelinę... Obserwacja decyduje nie tylko o rzeczywistości, nie tylko! Ona decyduje o tym, co się stało w przeszłości. Skutek wpływa na przyczynę. To tak jakby polecieć samolotem z Wrocławia do Warszawy i na lotnisku stwierdzić, że właściwie to jechaliśmy samochodem. Witajcie w świecie kwantów.

Podobnie dzieje się nie tylko z fotonami, ale także elektronami, atomami, nawet z całymi molekułami. To nie dziwna natura światła implikuje zatrważające cechy nano-świata. Materia również ma naturę falowo-korpuskularną. Pogubieni? Nic nie szkodzi.

Niels Bohr powiedział kiedyś, że jeśli teoria kwantów nie szokuje cię, to zupełnie nic z niej nie rozumiesz. Szokujące jest także to, że obserwacja wpływa na rzeczywistość. Tak postulował Bohr. To tak zwana interpretacja kopenhaska, kontrowersyjna, przez wielu odrzucana, ale przez wielu innych akceptowana. Einstein nie zgadzał się z Nielsem Bohrem i pytał: 'czy Księżyc istnieje tylko dlatego, że na niego patrzysz?'

Pytanie jest otwarte. Nie jest to kwestia interpretacji, tylko badań. Może istnieje granica, gdzie kończą się efekty kwantowe, a gdzie zaczyna 'normalna' mechanika newtonowska, przewidywalna i logiczna? Dziś stworzono układy, które zachowują się kwantowomechanicznie już na poziomie 60 atomów. Stworzono też qubit, jednostkę danych w komputerach kwantowych, melodii przyszłości, który ma wielkość 40 mikrometrów/tryliona atomów/jest widoczny gołym okiem. Są już obecne makroskopowe efekty kwantowe, jednak nadal nie wiemy, gdzie przebiega granica. To trochę jak z Kingsajzem: panują inne zasaday, w końcu w normalnym świecie nikt nie zjadłby 'muchy na dziko'.

A może granicy po prostu nie ma? I gdy dziecko zostawione samo w pokoju robi straszny bałagan, wchodzi mama, dokonuje obserwacji a brzdąc szybko uśmiecha się - dokonuje się jego kolaps do jednego, beztroskiego stanu - mama wychodzi, maluch wraca do chaotycznej superpozcyji rozrzuconych żołnierzyków i połamanych resoraków... to także efekt kwantowy w skali makro? To zabawne porównanie przytoczył kiedyś pewien fizyk, podoba mi się, ale proszę, nie bierzecie go na poważnie. Przedszkolaki nie są kwantowe, ich mamy i pokoje też nie. To tylko analogia ;)

Potrzeba kolejnych doświadczeń i przekonujących rezultatów, aby określić, co tak naprawdę dzieje się w świecie kwantów. Ale dotychczasowe wnioski teorii naprawdę jeżą włos na głowie i mogą przysporzyć niejednego siwego włosa. Dosłownie, widzisz to, co chcesz zobaczyć. Chcesz zobaczyć falę? Widzisz falę. Chcesz zobaczyć cząstkę? Proszę bardzo. Jednak świat cząstek elementarnych nie tak bardzo odbiega od naszych psychologicznych mechanizmów, prawda? :)

Skąd to wszystko wiem? Godziny spędzone na obserwowaniu albatrosów wędrownych prowadzą do wysnuwania zaskakujących wniosków.

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

#2 Gwiazdy Neutronowe, czyli młodsze siostry czarnych dziur

Pozdrawiam wszystkich czytelników, jest nas coraz więcej  a kolejne tematy mnożą się jak grzyby po deszczu! ;) To taki żart, obliczony na sukces marketingowy. Nie bójcie się, nadal jesteśmy w niszy 4 komentarzy do poprzedniego posta! ;)

Bez zbędnych dalszych ozdobników językowych i wstępów ruszamy w przestrzeń... tym razem trójwymiarową, co nie znaczy, że mniej ciekawą, bo zagiętą przez olbrzymie pole grawitacyjne gwiazdy neutronowej. Oglądaliście komiksową adaptację Thora? Podobno młot Mjollnir tej postaci jest wykonany z materii gwiazdy neutronowej. To bujda, bo nie chciałbym być w skórze planety, na którą upadłby taki młot. Ale po kolei...

Pewnie słyszeliscie o czarnych dziurach. Zapewne większość z Was wie też, słyszało co nieco o śmierci potężnych gwiazd, zapadaniu się umierających gazowych olbrzymów (bo tym są gwiazdy, te zwykłe)? Zapewne. O horyzoncie zdarzeń, czyli promieniu wokół osobliwości, po przekroczeniu którego siła grawitacji jest tak silna (a właściwie to czasoprzestrzeń jest tak silnie zakrzywiona przez grawitację, że zakrzywia drogę fotonów tak, że nie mogą z powrotem wyjśc poza horyzont) też pewnie słyszął niejeden z Was; tu można do znudzenia przywoływać film Interstellar, bo tam pokazana jest piękna, bliska naukowemu pojęciu wizualizacja czarnej dziury.

Osobliwość, czyli? To coś trochę innego od osobowości, uprzedzam pytanie ;) To hipotetyczny (bo na razie są snute tylko teorie, nikt nie potwierdził nigdy, że faktycznie coś takiego istnieje, poza przewidywaniami m.in. teorii względności) punkt, znajdujący się wewnątrz horyzontu zdarzeń. Centrum czarnej dziury, punkt, który ma nieskończoną gęstość i nieskończenie małą objętość (punkt, czyli zerowymiarowy obiekt, brzmi to dziwnie, ale w ujęciu teoretycznym i matematycznym tak właśnie jest, punkt nie ma wymiarów). Podobno poza horyzontem zdarzeń przemieszczamy się w czasie, a nie przestrzeni, osie drogi i czasu w ruchu zostają odwrócone... Mamy także naturalne ścieżki dźwiękowe do czarnych dziur - 'Supermassive Black Hole' - Muse oraz 'Black Hole Sun' - Soundgarden. Wszędzie czarne dziury! Całkowita szajba. Trąbią o tych czarnych dziurach wszyscy: robią one zawrotne kariery w mediach, prasie, kulturze, literaturze sci-fi... Wszystko pięknie, ale jest jeden problem. Bo to, co opisałem, to całkiem sporo jak na obiekty, które nigdy nie zostałuy zaobserwowane bezpośrednio i nawet niedawno Stephen Hawking podważył całkowiecie ich istnienie... Miraż, coś nieuchwytnego, często robi wiele szumu.

Ja mam dziś dla Was coś lepszego. Dlaczego lepszego? Bo potwierdzonego, zaobserwowanego i lepiej poznanego. Gwiazdy neutronowe. Są one ostatnim źródłem informacji o najbardziej skrajnym, a dostępnym jeszcze do obserwacji stanie materii we Wszechświecie. Poza horyzont zdarzeń czarnej dziury niestety nie da się zajrzeć, zabraniają tego obecne prawa fizyki.

Zacznijmy od początku. Skąd biorą się gwiazdy neutronowe? Ich także nie przynoszą bociany, to chyba jedyna cecha wspólna z ludźmi. Bo gwiazdy neutronowe to prawdziwe monstra przestrzeni kosmicznej. Gwiazdy, takie jak nasze Słońce, mają różne masy. Od 0,08 masy Słońca do gwiazd o masie 120-200 razy większej od naszej. Każda z nich ma określony czas życia, czyli czas, w jakim cały wodór budujący gwiazdę zostanie zużyty w reakcji syntezy w hel (co powoduje produkcję olbrzymich ilości energii;  na Ziemi od dawna prowadzone są badania nad syntezą termojądrową, czyli stworzeniem gwiazdy na Ziemi; byłoby to o wiele wydajniejsze źródło energii niż najwydajniejsze dzisiejsze elektrownie atomowe), któy to proces my obserwujemy jako wydzielaną energię świetlną i cieplną. Gdy gwieździe znudzi się popisywać i rozdawać za darmochę energię, zaczyna zwijać żagle. Jednak, jak już pewnie większość z nas zdążyła się dowiedzieć (to wiedza pokroju wiary/niewiary w świętego Mikołaja), Słoneczko nie kładzie się spać. Na zakończenie swojej działalności charytatywnej szykuje niezłe fajerwerki w postaci supernowej, jednego z najjaśniejszych i najpotężniejszych zjawisk w przestrzeni kosmicznej.

Jak do tego dochodzi? Nie będę wgłębiał sie w szczgóły śmierci gwiazdy, bo żeby rzetelenie wyjaśnić ten temat, należałoby napisać drugą epopeję. Poza tym, po co opisywać śmierć gwiazdy, skoro można opisać narodziny jej neutronowego potomka? Umarła królowa, niech żyje gwiazda neutronowa!

Wystarczy wiedzieć, że ciśnienie wywierane przez jądro przestaje równoważyć siły grawitacyjne zewnętrznych warstw złożone z cięższych pierwiastków (kiedy kończy się wodór, gwiazda zaczyna syntezować hel i po kolei, coraz cięższe pierwiastki, aż do żelaza; dlatego jest coraz cięższa, w skrócie rzecz ujmując).

I teraz najciekawsze: gwiazda zapada się pod własnym ciężarem. Szybko i gwałtownie, gwiazdy cięższe niż 8 Słońc wybuchają jako supernowe, a po wybuchu pozostaje... tu także nie będę Wam wykładał mas, tego co powstaje w każdym z przypadków i czym jest rezultat (a efektami moga być białe karły, nasze gwiazdy neutronowe oraz czarne dziury). Nas interesuje przypadek, gdy jądro pozostałe po wybuchu ma masę mniejszą niż 3,8 mas Słońca i może utworzyć gwiazdę neutronową. No, nareszcie! Widać główkę! ;)

W punktach będzie łatwiej :)

1. Powitanie

Jej istnienie zostało przewidziane w 1934 roku, dwa lata po odkryciu neutronów. W 1967 naukowcy z Uniwersytetu Cambridge zaobserwowali je w przestrzeni kosmicznej. Gwiazda neutronowa 1, czarna dziura 0 :) przynajmniej, jeśli chodzi o realność. Garść anegdot

2. Garść anegdot

Gwiazda neutronowa ma masę 1,4 do 2,5 masy Słońca, ale wielkość... Manhattanu, czyli średnicę około 20km. Niesie to za sobą dziwne implikacje. Jedna łyżeczka stołowa masy z gwiazdy neutronowej waży około 6 miliardów ton, czyli mniej więcej tyle, ile Mount Everest. Skorupa gwiazdy neutronowej jest 100 bilionów twradsza niż stal. Gdyby zrzucić żelkę z wysokości metra na jej powierzchnię, upadłaby na nią z prędkością 7 miliardów km/h, z siłą 1000 bomb atomowych. Niech żyje grawitacja, ponoć najsłabsza z czterech sił fundamentalnych ;) A jednak...

3. Soczewkowanie grawitacyjne

Gwiazda neutronowa wytwarza tak silną grawitację, że zakrzywia, tak jak czarne dziury, czasoprzestrzeń wokół siebie, powodując tak zwane soczewkowanie grawitacyjne - zagięcie światła znajdującego się za gwiazdą a wpadającego do naszego oka. To znaczy, że patrząc na gwiazdę neutronową od frontu, na bezczelnego, możemy zobaczyć to, co znajduje się bezpośrednio za nią i jest przez nią zasłaniane. Jednym słowem, kosmiczny słoń ;) Efekt jest widoczny na zdjęciu, trochę jednak artystycznym:

4. Pulsar

Gdy zapadająca się gwiazda kurczy się, z zasady zachowania pędu wynika, że gwiazda neutronowa musi zwiększyć szybkość rotacji. Przeciętnie okres obrotu wynosi od jednej setnej do kilku sekund. Rośnie też pole magnetyczne tego obiektu, a rośnie do olbrzymich rozmiarów. Naładowane cząstki - protony i neutrony, wydzielane przez powierzchnię gwiazdy, są przechwytywane przez to pole i wprawiane w ruch wirowy. Powstają wtedy fale elektromagnetyczne, które w postaci wąskich wiązek opuszczają gwiazdę w okolicach biegunów magnetycznych. Gwiazda 'wystrzeliwuje' ze swoich biegunów regularną, w postaci impulsów, wiązkę promieniowania, w zakresie całego widma (czyli zarówno bardzo energetyczne promieniowanie gamma jak i bardziej znane, ale równiez bardzo intensywne promieniowanie rentgenowskie), co powoduje, że gwiazdy te są czymś w rodzaju kosmicznych latarni morkich. Stąd nazwa - pulsar. Nie mylić z pulsometrem, biegacze. Takiego pulsometru nie chcielibyście nosić na ręce, 'nieco' spadłoby tempo  biegu ;) Dzięki okresowości promieniowania można obserwować je z Ziemi (co jednak nie znaczy, że uda sie to za pomocą lornetki. Potrzebujemy czegoś bardziej ekstra. Teleskopu ;)). Co więcej, okres ich obrotu jest tak regularny, że...

5. Zegar pulsarowy.

Tak! W 2011 roku w Gdańsku powstał pierwszy zegar pulsarowy, który odmierza czas wyznaczając go na podstawie okresu obrotu pulsara milisekundowego (bardzo szybko rotującej gwiazdy neutronowej). Dach Kościoła Św. Katarzyny Aleksnadryjskiej gości najdokładniejszy w momencie budowy zegar świata, przewyższający ponad 100x precyzyjnośc zegara atomowego. Sygnały pobierane są z 6 pulsarów, za pomocą 16 anten (tak, dach kościoła wygląda, jakby księża szukali kontaktu z UFO. No cóż, gwiazdy. Zawsze to bliżej Boga, niż na Ziemi. Zakon poszedł z duchem czasu ;)), tworząc macierz 4x4 metry. I tak braciszkowie dorobili się najdokładniejszego zegara. Teraz żaden z nich na pewno nie zaśpi na jutrznię. Niech no spróbuje, nie ma wymówek ;)

6. Magnetar.

To jest dopiero kuriozum. Jakby mało było gwiazdy neutronowej, która sama w sobie jest już kosmicznym cyrkiem na kółkach, z soczewkowaniem grawitacyjnym jako wizytówką, jest jeszcze magnetar, wyjątkowy rodzaj naszej złowieszczej neutronowej kulki. Posiada najsilniejsze ze wszystkich znanych obiektów w Kosmosie pole magnetyczne. Czym jest? I co potrafi?

Gwiazda neutronowa wytwarza olbrzymie pole magnetyczne, rzędu 10^8 Tesli. Magnetar szczyci się polem o natężeniu 10^10 Tesli. Dla porównania, średnie ziemskie natężenie pola magnetycznego to... 4,5 x 10^-5 T. To piętnaście rzędów wielkości, liczba różna o 1 i 15 zer. Nie robi wrażenia? No cóż, trudno sobie wyobrazić, ile to jest biliard razy więcej. To więcej niż bardzo, bardzo dużo.

Ale porównanie robi się ciekawsze, gdyby, czysto hipotetycznie, magnetar zbliżył sie do Ziemi. Tak, wyobraźmy sobie, że zamiast komety i bohaterskiego Bruce'a Willisa, który miałby nas, zwykłych i słabych ludzi, przed nią uratować, do trzeeciej planety od Słońca zbliżałby się magnetar. Fani Armageddonu mogą być rozczarowani, ale, chwileczkę, chwileczkę! Wrażenia, zapewniam, byłyby znacznie bardziej intensywne.

Jego powierznia ma temperaturę 10 milionów stopni Celsjusza. Gdyby magnetar, znajdujący się 10 lat świetlnych od Ziemi, wystrzelił swą tzw. 'flarę' w jej kierunku, całe życie na naszej planecie dosłownie by wyparowało. Flary powstają, kiedy pole magnetyczne jest tak mocno skręcone, że nie może się już bardziej ugiąć - wtedy 'prostuje się' w energetycznym rozbłysku. Najmocniejsza zaobserowawana flara (2004 rok, w konstelacji Strzelca, 50,000 lat świetlnych od Ziemi) - trwająca 1/10 sekundy - miała energię, jaką wypromieniowuje Słońce przez 100,000 lat!

Samo pole magnetyczne byłoby tak silne, że magnetar znajdujący się w połowie drogi między Ziemią a Księżycem zakłóciłby działania wszystkich naszych urządzeń elektronicznych, wymazując wszystkie na dane na jakichkolwiek kartach kredytowych. Zamiast rabować banki, sprowadźcie sobie magnetar, ale najpierw - zabezpieczcie swoje karty, coby uniknąć samobója ;)


7. Nasi tu byli!

Szczęśliwa siódemka z faktów o gwiazdach neutronowych okazuje się szczęśliwa dla naszego kraju. W 1992 roku Aleksander Wolszczan odkrył pierwszy pozasłoneczny układ planetarny - PSR 1257+12. Fakt, że planety okrążają gwiazdę neutronową, dodaje odkryciu smakczku. Oto wizja artystyczna wolszczanowskiego układu, rodem niemal z filmu 'Interstellar', gdzie planety krążą wokół starszej i ciemniejszej siostry gwiazdy neutronowej - czarnej dziury. Ale nasz, polski, też nienajgorszy, tym bardziej, że realny :)

8. Najlepsze jak zwykle na koniec. Materia zdegenerowana.

Gwiazda neutronowa składa się,w bardzo dużym uproszczeniu, z neutronów; są to elementy każdego jądra atomowego o ładunku obojętnym (protony (+) i elektrony (-) łączą się pod wpływem wysokiego ciśnienia, tworząc neutrony; stąd nazwa gwiazdy). Ale nie o tym chciałem napisać, takie informacje można sobie bez problemu znaleźć na ściądze.pl i biegać po lesie, obwieszczając żukom i jeleniom, że wiemy, z czego składa się gwiazda neutronowa. Tak, wylądowaliśmy na Księżycu.

Chciałem napisać nieco więcej o hipoteteycznej budowie jądra wewnętrznego naszej gwiazdki. Składa się ono, prawdopodobnie, z tzw. materii zdegenerowanej.

Materia zdegenerowana jest najgęstszym możliwym stanem materii - cząstki nie mogą zająć mniejszej objętości z powodu zajęcia już wszystkich stanów energetycznych o dopuszczalnej energii (cząstki nie mogą mieć takich samych stanów kwantowych - tzw. reguła Pauliego). Materia taka zachowuje się podobnie do cieczy a nie gazu, nie zmniejsza objętości w wyniku zwiększania ciśnienia. Czyli my ciśniemy, a neutrony swoje, nie, i koniec! Same neutrony, jeden obok drugiego i zupełnie nie ma miejsca na nic innego. Nie można gęściej upakować cząstek koło siebie, Pauli mówi 'stop'. Przytulaski.

Jest to materia tak gęsta, że pochłania neutrina, cząstki elementarne o tak małej masie, że Ziemia jest dla nich niemal przezroczysta, przelatują przez nią jak komar przez siatkę w oknie (wszyscy wiemy, że jednak zawsze przelatuje ;)).

Podejrzewa się też, że wewnętrzne jądro gwiazdy neutronowej, zbudowane z materii zdegenerowanej, jest nadciekłe. To znaczy, że ciecz ta ma lepkość równą zero. Miód ma większą lepkość niż woda, i tak dalej. Nie wiem, jak ze smołą, trochę się boję sprawdzać, bo mam mało łyżeczek na stanie, sami rozumiecie. Poza tym jestem fizykiem-teoretykiem-amatorem, nie doświadczystą ;) Materia nadciekła, puszczona raz w ruch, krąży bez końca, bez żadnego nakładu energii. Pomyślcie tylko, jak technologia mogłaby oszczędzić nam wysiłków, gdyby zastosować ją do ceremonii picia herbaty. Jeden ruch łyżeczką zamiast pięciu! I kto mi teraz powie, że nie lepiej inwestować w naukę niz zbrojenia? ;)

I tak, dobrnęlismy do końca. Oddaję głos do studia. Halo, halo, Tomku?

***

Halo, halo, Dieslu! ;)

Mam nadzieję, że podobał się Wam mini wykład z ciekawszej części astrofizyki, która mnie samego pasjonuje. Gwiazdy neutronowe należą do moich ulubionych, bo nie są tak oklepane, jak czarne dziury, a również wyjątkowo tajemnicze. Są tak ciekawe, że zasługują na moje pisanie i Wasze czytanie. Jeśli macie jakieś uwagi, śmiało, nie bójcie się - nie mam bomby neutronowej, będę co najwyżej raził słowem. A że jest silniejsze od miecza? Amatorzy herbaty na pewno się ze mną zgodzą ;)

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

#1 4D, czyli wyższy wymiar przestrzenny

Powitanie już było, więc przejdę prosto do rzeczy. No dobra - cześć ;)

Pierwszy temat, jaki chciałem poruszyć, dotyczy naszej rzeczywistości. Rzeczywistości, którą obserwujemy na co dzień, ale w ujęciu fizycznym. I mówiąć fizycznym, nie mam na myśli lekcji wuefu, tylko lekcję fizyki ;) Obiecuję, będzie prosta!

Dla każdego z nas jest zupełnie oczywiste, że jeśli chodzi o przestrzeń, mamy pewną swobodę wyboru kierunków. Możemy poruszać się do przodu, do tyłu, w boki, a czasem do góry i w dół. Jednym słowem - czasem chodzimy, czasem latamy ;) Te trzy osie, góra-dół, lewo-prawo oraz przód-tył tworzą 3 wymiary naszej przestrzeni. Po prostu 3D.

Jednak zapewne wielu z Was słyszało, że nasza rzeczywistość wcale nie jest wcale trójwymairowa, a czterowymiarowa... Jak to możliwe? Czy istnieje jeszcze jakiś inny kierunek oprócz wspomnianych przeze mnie trzech osi? Jeśli tak, to gdzie? Nie w górę-dół, nie w prawo-lewo, nie na boki - czyli - gdzie? Należy tu rozróżnić wymiary przestrzenne od... czasowego. Bo to właśnie dzięki temu ostatniemu nasza rzeczywistość jest cztero a nie trójwymiarowa. Do wyższych wymiarów przestrzennych jeszcze wrócimy, najpierw czas, który składa się nam na piękne, wymyślone przez Einsteina, pojęcie czasoprzestrzeni.

O czasoprzestrzeni napisano już epopeje. Nie starczyło by mi klawiszy na klawiaturze, aby choć trochę, w zadowalający sposób, opisać, co się wiąże z tym pojęciem. Ale może dwie proste analogie z życia codziennego. Gdy się z kimś spotykasz, podajesz dwie współrzędne - położenie i czas. Powiesz tylko Cogito pub - nie zadziałą, bo koleżanka przyjdzie rano a ty o 20.00 nerwowo patrzysz w telefon - gdzie ta szelma?! Umówisz się podając tylko współrzena czasową - i skończycie o 12.00, ale jedno oko na Maroko, drugie na Kaukaz ;) Czasoprzestrzeń!

Inny przykład - jak ludzki mózg podświadomie wyczuwa, że czas i przestrzeń to jedno. Gdy pytałeś kiedyś kolegi, jak daleko jest stąd do Wrocławia - otrzymałeś kiedyś odpowiedź - jakieś 2 godziny drogi? 2 godziny drogi? Przecież droga to odległość, a czas to... czas. Niby dwa różne pojęcia, a jednak gdzieś tam w naszym pojmowaniu rzeczywistości istnieje głeboko wbudowane przekonanie, że te dwie zmienne mają ze sobą wiele wspólnego. Czasoprzestrzeń. Nie są to naukowe dowody, bardziej socjologiczne. I chyba dlatego tym bardziej ciekawe :)

Czasoprzestrzeń, czas i przestrzeń jako dwa elementy tworzące rzeczywistośc.W dzisiejszym temacie nie jest ona kluczowa, dlatego na razie skupmy się na tym, że czas, owszem, jest czwartym wymiarem, jednak zupełnie innym niż przestrzenne. Dlaczego?

O ile w przestrzeni możemy poruszać się dowolnie, to w czasie, przynajmniej w naturalny sposób, możemy poruszać się tylko do przodu. Czas ma kierunek! Nie płynie do tyłu. Nawet więcej: przestrzeń możemy eksplorować dowolnie, wymiar czasowy ogranicza nas tylko do teraźniejszości - nie mamy dostępu do przyszłości, ani do przeszłości. Tu ciekawostka: jeśli udałoby nam się dostać do czwartego wymiaru przestrzennego - prawdopodobnie (tak mówią niektóre teorie) widzielibyśmy czas tak samo, jak widzimy naszą zwykłą przestrzeń : szerokość, wysokość i długość. Oczom naszym ukazałaby się linia, na której widzimy, jak stawiamy pierwsze kroki, robią nam kanapkę na korytarzu w pierwszej klasie liceum, wypada nam ostatni ząb i idziemy do sklepu po naszą pierwszą protezę, oraz wiele innych momentów. Właściwie nie wiele - wszystkie. Dlatego, w tym ujęciu, zawsze istnieje moment, gdy stawiamy pierwsze kroki. Zawsze robią nam kanapkę. Zawsze my już nie możemy jeść kanapki :) Ale to tylko koncepcja, nikt nigdy nie był w wyższym wymiarze przestrzennym.

Jak to może wyglądać, pięknie ukazuje film Interstellar i scena, gdy Cooper wpada do czarnej dziury. Ale uprzedzam, choć film jest bardzo dobrze podszyty nauką, istnieją pewne uproszczenia, zastosowane, aby był oglądalny. Bo wpadając do czarnej dziury najprawdopodobniej nawet nie zdążylibysmy zauważyć, kiedy zostalibyśmy rozerwani przez grawitację, a właściwie olbrzymią różnicę między jej wartościami działającymi na nogi i na głowę astronauty. Różnica ta wynika z faktu, że siła grawitacji jest odwrotnie proporcjonalna do kwadratu odległości między ciałami (F~ 1/r2), czyli po prostu im dalej od źródła, tym grawitacja słabsza. Słabsza na głowę, mocniejsza na nogi, jednak rozbieżność byłaby ogromna ze względu na olbrzymią grawitację poza horyzontem zdarzeń czarnej dziury. Zakładając oczywiście, że człowiek kierowałby się nogami w kierunku osobliwości grawitacyjnej, teoretycznego centrum naszej mrocznej koleżanki. I w ten sposób astronauta zostałby rozciągnięty, jak spaghetti, ale w dość drastyczny i szybki sposób. Powodzenia, Cooper ;)

Ale wrócmy do  wyższych wymiarów przestrzennych. Czwarty wymiar. Gdzie to jest? Niestety, ludzki mózg, jak twór pochodzący ze świata 3D,  nie jest w stanie fizycznie wyobrazić sobie wyższego wymiaru przestrzennego. W matematyce istnieje nie tylko 4D, ale i nieskończona liczba wymiarów, ale dla nas nawet czwarty jest już zamknięty. Kolejna ciekawostka - każde z naszych oczu, pojedynczo, widzi tylko dwuwymiarowy obraz. Ale dzięki temu, że mamy ich dwoje (może nie wszyscy, ale większość ;)), nasz mózg potrafi skompilować dwa obrazy i stworzyć z nich 3D.

Może łatwiej będzie zrozumieć, czym jest wyższy wymiar przestrzenny, na przykładzie... istot dwuwymiarowych. Tak! Nie istnieją one w naszym świecie, są czysto hipotetyczne, ale posłużymy się nimi jako modelem.

Wyobraźcie sobie krainę, które całą rzeczywistością jest zwykła kartka papieru. Kartką, która ma szerokość i długość, ale nie ma głębi (to oczywiście niezgodne z prawdą, bo kartka ma grubość, ale u nas posługujemy sie modelem). Żyją na niej... figury geometryczne. Kwadraty, prostokąty, trójkąty. Poruszają się na boki, do przodu i do tyłu, ale nie moga ruszyć się ani w górę, ani w dół. Dlaczego? Bo ich rzeczywistość, ich cały Wszechświat, ma tylko dwa wymiary. Tak jak nasz ma 3. W głowach im się po prostu wysokość nie mieści, bo ich mózgi są dwuwymiarowe. I tak jak my nie potrafimy sobie wyobrazić, czym jest czwarty wymiar, tak figury nie mogą, bo tak są stworzone, pojąc, co to znaczy 'w górę'.

To jeszce nie koniec, właściwie początek ;) Wyobraźciy sobie, że do kartki zbliża się kosmita. Kosmita w rozumieniu figur oczywiście. Kosmita w postaci kuli, czyli obiektu 3D, o jeden wymiar wyższym, niż świat figur. Co zobaczyłyby figury płaskie, gdyby kula przeszła przez ich świat? Zobaczyłyby, w miarę jak kula dotyka kartki najpierw swoim brzegiem kartki - punkt. Ten punkt, w miarę jak kula porusząłaby się w dół, przerodziłby się w coraz to większy okrąg, widziane przez figury 2D. Byłby coraz większy, aż do momentu, gdy kula przecinałaby kartkę swoim równikiem.Potem, okrąg by się zmniejszał, aż do punktu, czyli momentu, gdy kula całkowicie przeszłaby przez świat 2D.

I teraz niezła zagwózdka. Czy figury 2D mogłyby mieć jakiekolwiek pojęcie, czym jest kula? Czy byłyby sobie w stanie choć trochę to wyobrazić? Oczywiście, że nie.

Idźmy dalej w rozważaniach nad kartką, czyli quasi-wszechświatem 2D. Załóżmy, że po dwóch stronach tej kartki znajdują się mieszkańcy tego świata, czyli trójkąt i kwadrat - nie bawmy się w serduszka i kwiatki, chociaż pewnie wtedy ten świat byłby weselszy ;) A teraz - robimy małego psikusa naszym dwuwymiarowym kolegom i zaginamy kartkę tak, aby dwa końce bardzo się do siebie zbliżyły... Figury są dla siebie nadal bardzo oddalone w dwóch wymiarach, bo dzieli je cała długość kartki, ale nie wiedzą, że w wymiarze trzecim są tuż obok siebie. Nie wiedzą, bo dla nich istnieją tylko szerokość i długość. Gdyby udało im się zetknąć, byłyby bardzo zdziwione, jak udało im się pokonać tak olbrzymią odległość w tak krótkim czasie. Właśnie poznaliście, pokazaną również w ten sposób w filmie Interstellar, ideę tunelu czasoprzestrzennego, oczywiście w dużym uproszczeniu. Że jak? :) Otóż w tunelu czsaoprzestrzennym nasza przestrzeń 3D zostaje zagięta w wyższym wymiarze (czwartym) analogicznie, jak kartka 2D w wymiarze nr 3. Tylko jak, w którym kierunku, zagiąć przestrzeń 3D? Wiem, ale nie powiem. Żartowałem. Nie wiem ;)

To tak jak w ciekawym pojęciu tzw. Jaskini Platońskiej. Koncepcja jest taka: w jaskini żyje pewna grupa ludzi, przykuta na zawsze kajdanami do skały. Siedzą oni tyłem do wejścia a za ich plecami pali się ognisko. Nie mogą się obrócić, mogą patrzeć tylko przed siebie. Świetnie ;) Widzą przed sobą płaski koniec jaskini, to ich cały świat, nigdy nie widzieli nic więcej, poza.... Gdy przy wejściu do jaskini, za plecami kajdaniarzy, ale przed ogniskiem, pojawią się obiekty ze świata z zewnątrz, rzucają cień na ścianę, którą widzą ludzie w kajdanach. Cień ma tylko dwa wymiary, ludzie ze świata poza jaskinią są trójwymiarowi. Jeśli w całym swoim życiu kajdaniarze widzieli tylko cienie, nie ma możliwości, aby wyobrazili sobie, jak wygląda prawdziwy świat. Nie mają najmniejszego pojęcia, wyciągają łaszywe wnioski, mają jedynie strzępy i ułamki prawdziwych informacji. Nie mogą, na podstawie tego, co widzą, wyobrazić sobie realnego świata.

Tak samo, jak płaskie figury nigdy nie będą w stanie pojąć czym jest kula, i kajdaniarze nigdy nie wyobrażą sobie, czym naprawdę są cienie na ścianie, tak człowiek nie ma narzędzi w postaci wizualizacji swoim mózgiem, czym jest wyższy wymiar przestrzenny.

Tyle się nagadałem tylko po to, aby na końcu stwierdzić, że i tak nigdy tego nie zobaczymy... Wziąłem was podstępem ;) Narobiłem apetytu na podwieczorek, zjedliście kotleta z ziemniakami i surówką, lecz w ostatniej chwili zabrałęm wam tego stojącego na stole i napędzającego wsuwanie obiadu pączka ;) Tak naprawdę, 4D to ciekawa koncepcja, możliwa do opisania językiem matematyki, ale niewyobrażalna dla nas. Niestety. Choćbym chciał, nie mogę. Ale... Przekaże wam garść innych informacji, aby mieć choć strzępy tego, jak to mogłoby wyglądać. Kajdany w ruch i lecimy ;)

Weźmy linię prostą ( _ ) . To wymiar nr 1. Poprowadźmy do niej linię prostopadłą ( |_ ) Zróbmy z niej most! Żartowałem, mamy zwyczajny kąt prosty. Teraz prowadzimy kolejną linię, prostopadłą do dwóch poprzednich. Szerokość, potem wysokość, na końcu długość. Weźcie paczkę papierosów lub kostkę do gry,  wybierzcie jakikolwiek róg - od niego rozchodzą się nasze trzy osie współrzędnych. Każda z nich jest prostopadła do dwóch pozostałych. I teraz uwaga, skok w czwarty wymiar... Poprowadźmy prostą... prostopadłą do wszystkich poprzednich! Tak, aż tak. Sami widzicie, że nawet najtęższe mózgi wysiadają. Matematyka zezwala, nasze kajdaniarskie mózgi nie :)

Inny przykład, jak choć w mikrym stopniu móc spróbować sobie wyobrazić, czym jest wyższy niż trzeci wymiar przestrzenny. Wyobraźcie sobie siatkę sześcianu, kostki do gry na przykład. Będzie to plan krzyża, złożony z sześciu połączonych z sobą kwadratów.

Składamy go w trzecim wymiarze, czyli zaginamy do góry i otrzymujemy sześcian. Voila!

Na razie proste, prawda? Kaszka z mleczkiem. Dobra, cwaniaki :)

A siatka hipersześcianu, tesaraktu, czyli odpowiednika sześcianu w 4D? To także plan krzyża.

Co zrobić, aby otrzymać hipersześcian? Oczywiście, tak jak w przypadku sześcianu, składamy go, zaginając... yyy, no właśnie, gdzie? W czwartym wymiarze przestrzennym. 2D jest siatką dla sześcianu, 3D jest siatką dla hipersześcianu. Bardzo proste ;) Takim oto dziecinnie łatwym sposobem, otrzymaliśmy tesarakt. A jednak, będzie obiecany pączek. Tylko chyba ciężko będzie go ugryźć naszymi jedynie-trójwymiarowymi zębami. Obraca się, aby łatwiej było zrozumieć... To tak samo, jakby obracać sobie przed oczami kostkę, tylko że kostka zamiast trzech ma cztery wymiary. A z tym rozumieniem to oczywiście żart ;)

Obracający się hipersześcian

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

Introdakszon :)

Witajcie na moim blogu! Będę starał się wprowadzić nieco nauki pod strzechy, jak mawiał nasz wspaniały wieszcz narodowy. Ale nie będę suszył w jego stylu, postaram się przybliżyć Wam niesamowity świat nauki, który jest fascynujący, gdy nie podchodzi się do niego jak do jeża; ugłaskać go można w prosty sposób - wystarczy nie dać się zwieść trudnym słowom jak skwarki i bizony... to znaczy kwarki i bozony, tylko spokojnie starac się zrozumieć :) Mam nadzieję, że będę umiał Wam to ułatwić i choć trochę sprzedam i zarażę własną pasją.

Blog będzie dotyczył nauki w ogólnym tego słowa znaczeniu, ale jako że mam pewne zboczenie na punkcie fizyki, temat ten będzie raczej dominujący. Jak mawiała pewna osoba, z którą kiedyś coś mnie tam łączyło - nie tak wilk straszny, jak go opisują :D Poważnie ;)

Skąd pomysł? Po pierwsze - nauka to taka moja prywatna pasja. Po drugie - zagraniczne media, w tym społecznościowe, zalewają Internet naprawdę kopiącymi po czaszcze tematami prawie że nie z tej planety (a jednak). Lecz niestety, Polska jest skutecznie pomijana i osoby, które nie znają języka, a posiadają ciekawość świata innego niż fejsbukowe koty i słodziaki (no dobra, koty są spoko ;)), wiele tracą. Bardzo wiele. Gigabajty ciekawych filmików, tekstów i prezentacji. Dlatego chciałem umożliwić polskim niespełnionym Einsteinom podróż do... sami zobaczycie :)

Pozdrawiam - Tomek 'Diesel' Dawidowicz

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