#13 Że co, proszę, czyli Gwiazdy Dziwne aka Gwiazdy Kwarkowe

0. Wstępniak Okolicznościowy.

Serwus! Pamiętacie, kto się ostatnio tak z Wami przywitał? Może pradziadek... Specjalnie użyłem dość archaicznego powitania, żeby przykuć Waszą uwagę. Jakby Gwiazdy Dziwne nie były wystarczającym powodem ;) Rozumiem, że nie każdy szaleje na punkcie fizyki, ale postaram się dać Wam powody, aby tak było.

Mamy poświętno-przedsylwestrowy czas. Chciałem Was jeszcze w starym roku czymś zaskoczyć, dlatego wybrałem jeden z tematów, który jest nieźle odjechany. Tak naprawdę staram się, aby wszystkie były, ale wiadomo, jedne są bardziej, inne mniej pokręcone. Aż mi się palą palce, aby zacząć opowiadać o Gwiazdach Dziwnych, ale muszę uczynić zadość społecznym wymogom i się przywitać. Pewnie się dziwicie - cztery miesiące nic, a naraz dzień po dniu szaleństwo i fizyczny piknik. Spokojnie. Jest czas na milczenie i czas na kłapanie dziobem. Wypadałoby podać teraz jakiś powód; obiecuję, że do końca tekstu coś wymyślę ;) A teraz...

1. Przydługi Wstępniak Naukowy.

Bez paniki. Bez punktu 1.) nie bylibyśmy w stanie sobie wyobrazić, czym są Gwiazdy Dziwne. A chcę, żebyście dobrze zrozumieli, bo kiedy zrozumiecie, powinno Was ogarnąć podobne uczucie do tego, jakiego doznalibyście obserwując konia przysiadającego się do Was w barze i zamawiającego piwo. Naprawdę. Gwiazdy Dziwne powinny nazywać się Gwiazdami Say What??? Są aż tak pokręcone i niesamowite. Do dzieła zatem.

Jeśli gwiazdy neutronowe i czarne dziury nie są dla Ciebie, Czytelniku, wystarczająco dziwne, to dobrze trafiłeś. Zresztą, sami fizycy mają świetne powody by sądzić, że w Kosmosie istnieją jeszcze bardziej niezwykłe obiekty od dwóch w/w. Są to gwiazdy zbudowane całkowicie z kwarków. Kwarki to... Ok, może łatwiej pójdzie od końca.

Materia jest zbudowana z cząsteczek. Cząsteczki, poziom niżej - atomy danego pierwiastka. Weźmy taki węgiel. To czym palicie w piecach... no dobrze, pomijam w tym zdaniu mieszkańców Krakowa i okolic bo tam pali się śmieciami ;) Jeśli nie palicie w piecach to lepiej zacznijcie, bo Winter is coming... O'kay, koniec żartów. Węgiel. Atom węgla to nic innego jak jądro atomowe i elektrony w chmurach elektronowych otaczających jądro, poruszają się w zakresie tzw. orbitali.

1.5 Dygresja elektronowa

Elektron to cząstka o ładunku ujemnym, jądro zaś składa się z protonów (+) i neutronów (brak ładunku elektrycznego). Elektron jest cząstką elementarną, bo nie da się go podzielić.

Elektron jest tu ciekawostką; nie wiadomo, czy ma strukturę wewnętrzną. Dzięki akceleratorom, gdzie zderza się je ze sobą (LHC to nic innego jak koło przyjaciół nanobilarda ;)), odkryto, że elektron zachowuje się jak kulka o promieniu 2,818 x 10^-15 metra. Jednakże doświadczenia z tzw. pułapkowaniem w polu magnetycznym wykazały, że promień elektronu jest mniejszy niż 10^-22 metra. To oznacza, że do końca nie wiemy, czy nie jest on cząstką punktową, czyli zerowymiarową. Ponieważ mimo iż posiada dobrze znany ładunek, masę, wiemy, że wiruje wokół własnej osi, to jednak w świecie fizyki cząstek elementarnych przyjmuje się, że jego promień wynosi zero. I mówię to z pełną odpowiedzialnością fizyka amatora i kolejnej mądrali internetowej ;)

Pojawiają się pytania: co wiruje, jeśli promień wynosi zero? Gdzie jest ładunek? Jak toto może mieć masę? Był taki gość jak Boskovic, który rozwiązał te problemy w następujący sposób: potraktował zderzane obiekty jak punkty, takie matematyczne, czyli zerowymiarowe, ale pozwolił im zachować swoje własności, takie jak ładunek i masa. Wtedy obliczenia zgadzały się z obserwacjami. Jednak kłopot z elektronem istnieje nadal, ponieważ nie jest on obiektem matematycznym, a fizyczną, realną cząstką. Dalszym rozważaniom pikanterii dodaje fakt, że eksperymentalnie potwierdzono teorię, iż w nanoświecie istnieją punktowe masy, ładunki i obroty. Jest to totalna abstrakcja, bo nic z takich rzeczy nie zobaczycie w naszym normalnym otoczeniu. Świetne są te elektrony! Coś czuję, że już gdzieś o nich pisałem, ale są tak fajne, że niedługo chyba spłodzę o nich całego posta :)

Prawie 2. Ciąg dalszy Wstępniaka Naukowego, oczywiście Przydługiego.

Dobra. Mała dygresja, a ile radości.

Mamy te elektrony, protony i neutrony. Protony i neutrony tworzą jądro, spajane przez siły jądrowe, które są szczególnym przypadkiem oddziaływań jądrowych silnych, jednej z sił fundamentalnych. Na małych odległościach nie przyciągają tylko odpychają (o_O), ich siła jest sto razy większa od sił elektrostatycznych, są niezależne od ładunku i występują tylko między nukleonami. A z czego są nukleony (protony i neutrony)? Z kwarków właśnie.

Kwarki są różne. Są, według naszej wiedzy, niepodzielne. A także - spajane przez gluony, bezmasowe cząstki przenoszące oddziaływania silne, które trzyma kwarki jeden obok drugiego. Kwarki mają fajne nazwy (górny, dolny, dziwny, powabny, niski, wysoki) i różnią się właściwościami, bo, jak napisałem, są różne :)

Ale nie o to tutaj chodzi, żeby bawić się w podręcznik fizyki - tam sobie wszystko o kwarkach znajdziecie (nie mylcie ze skwarkami; do tego potrzebna jest książka kucharska), a leniwcy oczywiście włączą Interneta. Kwarki posłużą nam do zbudowania Gwiazdy Dziwnej. Ale to za chwilę. Albo i za 20 minut, jeśli wolno czytacie ;)

Matematyka, której tak nie cierpi pewnie z 50% gimbazy, dała fizyce XX wieku możliwość wytłumaczenia wielu zjawisk związanych z Wszechświatem. Jednakże ta dobroniosąca matematyka stworzyła także kilka niespodzianek. Wyzierają z tej matmy potwory, o jakich Wam się nie śniło, a właśnie o nich czytacie ;)

Te potwory to na przykład Biała Dziura, ale także przewidywania zjawisk tak ekstremalnych i dziwnych, że aż człowiek zastanawia się, czy aby mają prawo istnieć w rzeczywistości. Jednym z nich są pozostałości po najmasywniejszych gwiazdach, zombiaki, takie jak czarne dziury i gwiazdy neutronowe (zapraszam do artykułu o Gwiazdach Neutronowych).

Fizyka Einsteina mówi, że jądro martwej gwiazdy musi zapaść się pod własnym, olbrzymim ciężarem. Tak powstają neutronówki, a co masywniejsze gwiazdy zapadają się do czarnych dziur. Jednakże to są oklepane tematy. Czarna dziura to pierwsza zajawka każdego, kto zainteresował się astronomią bądź innym rodzajem fizyki (takim fajnym, chyba, że wolisz rozwiązywać zadania o staczającym się po równi pochyłej klocku i o siłach na niego działającym, są i tacy matematyczni zboczeńcy; taką fizykę znam z liceum, niestety ;), a fizyka to przecież o wiele więcej. To był krótki tekst krytykujący obecne szkolnictwo obowiązkowe ;))

Okej. Tak pokrótce: gwiazda spala wodór w procesie fuzji, tworzy się energia, jak w naszym Słoneczku. Kiedy skończy jej się to paliwo, świecidełko na nocnym niebie kopie bardzo efektownie w kalendarz - większość protonów i elektronów wodoru i helu jest miażdżonych i tworzy neutrony. Przy średnicy około 10 km miażdżenie zatrzymuje się, bo neutrony osiągają maksymalny stopień upakowania. To w jądrze. Reszta zapadającej się gwiazdy uderza w to jądro i mamy wybuch supernowej. To taki kosmiczny Sylwester ;) Pozostaje samo jądro - gwiazda neutronowa, niesłychanie gorąca i obracająca się wokół własnej osi niczym Katerina Witt za swoich najlepszych lat. Posiada ona (nie Katarina, gwiazda) silne pole magnetyczne, które powoduje, że z biegunów wystrzeliwane są tzw. dżety energii (i  takie gwiazdy to pulsary). I teraz, zbliżamy się do wisienki na torcie.

3. Neutronium i coraz dalej w las.

Zwykła gwiazda neutronowa ma żelazną powierzchnię, pod którą znajduje się kuriozalna ciecz - neutronium. Neutronium składa się prawie jedynie z neutronów i jest najgęstszą znaną substancją we Wszechświecie! Centymetr sześcienny neutronium waży miliard ton. To limit gęstości w naszych warunkach, na skalę kosmiczną nawet. No, prawie ;)

Neutronium to materia zdegenerowana. Podobna do materii, z jakiej składają się żule spod sklepu. To ostatnie to oczywiście żart. Przepraszam wszystkich żuli, którzy czytają mój artykuł ;) Ale - przysłużyliście się nauce.

Lecimy dalej. Materia zdegenerowana jest tak ściśnięta, że cząstki nie mogę znajdować się już bliżej siebie bez zajmowania tego samego stanu kwantowego. To zasada Zakazu Pauliego - dla cząstek zwanych fermionami, do których należą neutrony. Nie potrafimy stworzyć neutronium w laboratoriach, dlatego niewiele o nim wiemy.

Neutrony są tak gęsto upakowane, że zaczynają na siebie nachodzić. A wtedy, moim mili, neutrony rozpadają się na kwarki i rodzi się nowa gwiazda, Gwiazda Dziwna.

4. Materia Kwarkowa i Materia Dziwna.

Jak to możliwe, że zostają same kwarki, niepodzielne i najbardziej elementarne ze znanych cząstek? Co to za stan skupienia materii? Materia kwarkowa...

Tu wepnę kolejną dygresję, konieczną wszakże, i do tego bardzo ciekawą.

Uważa się, że coś w rodzaju gazopodobnej materii kwarkowej wypełniało cały Wszechświat w Epoce Kwarków - około jednej milionowej części sekundy po Wielkim Wybuchu, początku naszego Kosmosu. Była to tak zwana plazma kwarkowo-gluonowa. Super temat, ale to na kiedyś. Co bardziej szałowe, umiemy coś takiego wytworzyć w naszych akceleratorach cząstek! Niewielkie jej ilości istnieją przez ułamki sekund przy zderzeniach np. protonów w LHC w Genewie. Możemy ją badać po produktach rozpadów tych zderzeń. Jednakże materia kwarkowa jest poddana gargantuicznym ciśnieniom w gwieździe neutronowej, nie olbrzymiej temperaturze, jak u nas. W gwieździe tworzy raczej nadciekły płyn (Wujek Google będzie wdzięczny za odwiedziny, dla żądnych wiedzy) a nie plazmę. Jednakże ten płyn jest gęstszy od neutronium. Po prostu zupa grochowa taka, że aż łyżka stoi, do tego pełna (s)kwarków ;)

Takie gwiazdy neutronowe o jądrze z materii kwarkowej nazywamy Gwiazdami Kwarkowymi.

Neutrony rozpadły się na jeden kwark górny i dwa dolne. Materia kwarkowa zbudowana z takich typów kwarków musi być trzymana w ryzach za pomocą olbrzymiego ciśnienia, aby zachować stabilność poza jądrem atomowym. To wyklucza istnienie gwiazdy zbudowanej z takiej materii. Chyba, że...

Materia kwarkowa stanie się materią dziwną.

Prawdopodobnie, kiedy neutrony rozpadają się pod wpływem gigantycznego ciśnienia (kończą mi się synonimy słowa 'wielki'; niedługo zacznę mówić po prostu 'mega', 'ultra', 'hiper';)), połowa kwarków dolnych przeistacza się w kwarki dziwne. I oto mamy materię dziwną! Super nazwa. Następnym razem, gdy ktoś powie ci, że jesteś dziwny, powiedz, że to dlatego, że składasz się z samych kwarków ;)) O ripostę się nie martw. Usłyszysz: 'z czego, ze skwarków?!'

Materia dziwna to szczególny przypadek materii kwarkowej. Posiada trzy typy kwarków zamiast dwóch. Gdyby Gwiazdy Dziwne istniały, bo na razie są oczywiście jedynie hipotetycznymi ciałami niebieskimi, mogłyby istnieć również krople materii dziwnej, tzw. 'dziwadełka' :) Śmiejcie się, śmiejcie.  Śmieszna nazwa, tak? Dziwadełka zachowywałyby się jak wirusy! Wystarczyłoby, że pojawią się w otoczeniu materii jądrowej, a natychmiast konwertowałyby ją na materię dziwną. Dziwne... ;)

Pojawienie się kwarków dziwnych oznacza, że więcej cząstek może zajmować najniższy poziom energetyczny. Nie ważne, co to jest stan energetyczny, dla nas ważne jest tylko to, że kwarki robią 'terefere' Zakazowi Pauliego poprzez transformację. Ten najniższy poziom energetyczny wpływa na fakt, że materia dziwna może być najstabilniejszym stanem materii we Wszechświecie! Jest stabilniejsza nawet niż jądro żelaza. 

5. Tak krawiec kraje, czyli jaka materia, taka gwiazda.

Gwiazdy Kwarkowe/Dziwne są czymś pośrednim między czarnymi dziurami a gwiazdami neutronowymi. Pośrednim? Chodzi oczywiście o masę umierającej gwiazdy. Rozmiary? XS. Naprawdę, mają około 5-10km (10-14 km dla gwiazdy neutronowej).

Gwiazda Dziwna byłaby całkowicie stabilną gwiazdą. Mogłaby istnieć... wiecznie. Tak! Nie rozpadłaby się ani nie zdegenerowała do czegoś bardziej podstawowego, bo sama składałaby się z materii już niemożliwej do rozpadu. I egzystowałaby w nieskończoność.

4.5 Dygresja protonowa.

Gwiazdy dziwne przeżyłyby nawet protony, których hipotetyczny czas rozpadu (do tej pory nie zaobserwowany pomimo faktu, że detektor Super-Kamiokande starający się wykryć rozpad protonu zawiera 50000 ton wody, nie zaobserwował nic. A powinien, bo przy takiej ilości materii - 10^34 protonów - przewiduje się rozpad 100000 z nich) wynosi 10^29 lat. Wiek Wszechświata to 10^10 lat... 

Niestety, rozpad protonu to teoria spoza Modelu Standardowego, dlatego jest mocno niepewna. Zawiera się w Teorii Wielkiej Unifikacji, kandydatce na Teorię Wszystkiego. Ale to już inna para kaloszy...

Prawie 5. Ciąg dalszy afery z krawcem.

To nie wszystko. W sensie, istnienie Gwiazd Dziwnych mogłoby implikować inne, jeszcze bardziej, a jakże, zwariowane fakty. Co jeszcze mogłoby dziać się w jądrach gwiazd neutronowych? Przy dostatecznej gęstości, warunki w środku tych gwiazd mogłoby być tak ekstremalne, że przypominałyby czas nawet sprzed Epoki Kwarków.

W okresie mniej niż jedną miliardową sekundy po Wielkim Wybuchu siły fundamentalne (oddziaływanie jądrowe silne i słaby, elektromagnetyzm i grawitacja) były trochę inne niż te, jakie znamy dziś. Siła elektromagnetyczna i jądrowa słaba były połączone w jedną siłę elektrosłabą. Możliwe, że gwiazdy neutronowe mają elektrosłabe jądro, coś jak jabłko (takiej wielkości) o masie dwóch Ziem, w której dosłownie płoną kwarki... A wystrzeliwana energia to prawie wyłącznie neutrina, bardzo lekkie cząstki. Super. Witajcie w piekle.

Ach, zapomniałbym. Gwiazdy Dziwne mają w rzyci grawitację. Materia dziwna jest tak stabilna, że gdyby wyłączyć grawitację, pod naporem wewnętrznego ciśnienia rozpadłaby się nawet gwiazda neutronowa, a dziwna nie! Mogłaby jedynie trochę zwiększyć swoje rozmiary. Gwiazdy Dziwne są utrzymywane w całości dzięki specyficznym siłom międzykwarkowym, a nie grawitacyjnym. Dziwne są te Gwiazdy Dziwne! :)

5. Realne klocki do teoretycznej układanki.

Astronomowie nie robią nic innego, tylko gapią się godzinami w niebo. Ale czasem coś tam wypatrzą. I wypatrzyli.

3C58. Taka jest oficjalna nazwa podejrzanego o dziwność.

Dane wskazują na coś o wiele chłodniejszego, niż powinna być gwiazda neutronowa w tym wieku. Być może w środku tego neutroniaka powstało jądro z materii kwarkowej i powoli przeistacza się w materię dziwną (ten numer a la wirus). Kwarki dolne zamieniają się w dziwne, które są trochę cięższe. Skądś trzeba brać siły do życia, więc materia dziwna tworzy swoją masę z energii cieplnej gwiazdy neutronowej. 3C58 to potencjalna dziwaczka. Jak już to ustalą, to Wam powiem :)

Inne kandydatki na Gwiazdy Dziwne/Kwarkowe? Są, a owszem. 'Widzi pani, pani Helu. Ta Martyna spod siódemki to taka dziwna jakaś. I na gwiazdę pozuje, też mi coś!' Nie o takie wszakże nam chodzi, ale w/w są bardziej realne niż te nasze, kosmiczne.

Gwiazdami Dziwnymi mogą być te gwiazdy neutronowe, które są zbyt małe jak na swoją masę (przeważnie na początku bierze się je za gwiazdy neutronowe). Są też supernowe, które wydają się odrobinę za jasne i trwają zbyt długo. A tak dzieje się, znowu prawdopodobnie, kiedy gwiazda neutronowa wybucha drugi raz jako supernowa i zapada się do jeszcze gęstszej Gwiazdy Dziwnej.

W 1987 roku w Wielkim Obłoku Magellana doszło do wybuchu supernowej, która być może pozostawiła Gwiazdę Kwarkową. Gwiazda, która wybuchła, nie była tak masywna, aby stworzyć czarną dziurę, jednakże w miejscu wybuchu nie wykryto gwiazdy neutronowej... I co, i co? A, nico. Na razie nic nie potwierdzono, ani nie zaprzeczono. Bez komentarza. Pewnie rząd USA trzyma Gwiazdę Dziwną w tajemnicy przed ludźmi, a kosmici na pewno już tam dolecieli. A Ruscy...

6. Koniec. I dlaczego nie pisałem tak długo.

No dobrze, nie będę przedłużał, wiem, że wyczerpałem już limit uwagi. Kto dotrwał do końca, ten zobaczy fajny obrazek. A kto nie dotrwał? Po tego przyjdzie rząd USA, kosmici i Ruscy. I zrobią mu koło pióra ;)

A dlaczego tak długo ociągałem się z nowymi postami? Bo mi też zrobiono koło pióra. I nie miałem czym pisać ;)

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

#12 Szybciej niż Einstein, czyli Tunelowanie Kwantowe

0. Wstępniak Okolicznościowy.

Dzień dobry. Witam najedzonych, spasionych i o kilogram za ciężkich Czytelników. Dobra nasza, jeśli o kilogram ;) Po Świętach napadła mnie nieodparta chęć podzielenia się z Wami tematem, który wydaje się co najmniej równie nieprawdopodobny jak fakt, że 24.12 przez komin wchodzi do Waszego grubas w czerwonym wdzianku i zostawia w workach, skarpetach, majtkach czy w czym tam jeszcze wymarzone prezenty. Na szczęście wszyscy wiemy, że Mikołaja nie ma. Tych, którzy do tej pory nie wiedzieli, bardzo przepraszam za spoiler życia. Za to tunelowanie kwantowe istnieje. Otóż, właśnie! Istnieje przestrzeń w naszej fizycznej rzeczywistości, przez które cząstki poruszają się w zerowym czasie. Podróżują bez czasu, pokonują realną drogę bez tyknięć zegara. Jak to możliwe? Jeśli chcecie się dowiedzieć, zapraszam do lektury niniejszego tekstu. No chyba, że już mnie lubicie za Mikołaja, ale wiedzcie, że do bycia naukowcem amatorem ta wiedza była Wam potrzebna. Nie można jednocześnie wierzyć w Świętego Mikołaja i w tunelowanie kwantowe ;) Zapraszam!

1. Po kolei, czyli Długi Wstępniak Naukowy.

Jakże cudownie byłoby być w wielu miejscach na raz. W pracy i na Hula-Bula. Spijać drinka z parasolką i sprzedawać gazety w kiosku. Spać i przygotowywać raport dla swojego niemiłego szefa. Jednocześnie. Jeśli jakaś Dobra Wróżka spełniłaby Wasze życzenie i zamieniła Was w elektron bądź inną cząstkę elementarną, byłoby to możliwe. Bo jedną z niezwykłych cech mechaniki kwantowej jest to, że pewne fundamentalne cechy obiektów są z zasady nieokreślone, niepewne. Nie opisują ściśle określonych wartości, lecz raczej rozkład możliwych stanów istnienia. Gdy obiekt jest poddany obserwacji, każdy ze stanów posiada pewne prawdopodobieństwo bycia prawdziwym. Inaczej mówiąc, dopóki obiekt kwantowy nie wejdzie z niczym w interakcję, wszystkie możliwe stany są tak samo realne jak inne, jednakże nie tak samo prawdopodobne. Czyli, biorąc sprawy jeszcze prościej: szanse, że elektron będzie się znajdował w punkcie A wynoszą 30%. W punkcie B, oddalonym od niego w prawo o wartość mierzoną w pikometrach – 40%, w punkcie C, trochę pikometrów dalej w prawo – 30%. Przy dodaniu większej ilości punktów pośrednich na wykresie powstanie coś na kształt grzbietów i dolin fali. W wielkim uproszczeniu, tak działa chmura elektronowa, inaczej mówiąc powłoka elektronowa. Dopóki nie zostanie dokonany pomiar, czyli interakcja, elektron istnieje tylko jako wartość prawdopodobieństwa. I mamy większą szansę, że znajdziemy go w punkcie B niż w A i C. Ten rozkład prawdopodobieństwa jest zapisany w tak zwanej funkcji falowej obiektu. Ufff. Trochę matmy i człowiek od razu staje na baczność. Mnie to myślenie wyrwało od popierogowych rozmyślań o utraconej szczupłości, a Was? :) Nie? To lecimy dalej. Zapewniam Was, że po lekturze mojego tekstu będziecie smagli i leciutcy jak elektron. 9X10^-31 kg :) I osiwiejecie ;)

Redukcja, inaczej kolaps funkcji falowej z rozproszonej przestrzeni możliwości o określonej, mierzalnej wartości, to kolejna z absurdów, przeczących naszej normalnej intuicji własność obiektów kwantowych. Przyjrzyjmy się dziwnym konsekwencjom kwantowej niepewności biorąc pod uwagę położenie obiektu. Francuski matematyk Louis de Broglie stwierdził, że każdy materialny obiekt to tak naprawdę fala materii. Może być opisany jako paczka falowa prawdopodobieństwa, umieszczonego w fizycznej przestrzeni. Tam, gdzie fala ma swój grzbiet, jest większe prawdopodobieństwo znalezienia obiektu. Mniejsze – tam gdzie fala się załamuje. Dobrze pokazuje to sinusoida. Czym jest sinusoida? Bardzo ładnie tłumaczy owo zagadnienie Wujek Google i Ciocia Grafika Google ;) Idźmy dalej. Paczka falowa ma określoną długość fali. Długość fali de Broglie’a pokazuje, jak dobrze określone jest położenie obiektu. Sinusoida. Im szersza sinusoida, czyli większa długość fali de Broglie’a (z grzbietami fali – wysokie prawdopodobieństwo położenia, oraz z dolinami – niskie), tym mniej pewne położenie obiektu. Im ciaśniej ściśnięta – tym lepiej określone położenie, długość fali jest krótsza i mamy mniej odległości na osi poziomej do szukania elektronu naszym pomiarem.

W 3D wygląda to tak:

I tako też:

Tam, gdzie wysoko, jest duża szansa znalezienia elektronu. Tłumaczę to już chyba piąty raz a nadal nie wiem, czy jest to zrozumiałe. Ale jak Dla Tłuka, to Dla Tłuka! :) Gdybym był youtuberem, pewnie poszłoby łatwiej, niestety mam pryszcza i nie nadaję się do telewizji ;)

Wszystko to prawda, jeśli chodzi o obiekty kwantowe. A co z nami? Jeśli ktoś czuje się obiektem kwantowym to gratuluję wyobraźni, jednak dla większości z nas, śmiertelników, prawa kwantowe nie obowiązują. Jednak… Czy aby na pewno? :) Obecnie jestem głównie w swoim pokoju, przed komputerem. Ale istnieje jeszcze mała szansa, że jestem na Księżycu. Jednak jest to szansa bardzo mała, szansa, czyli prawdopodobieństwo. Popatrz na mnie, zaobserwuj i spraw, aby moja funkcja falowa dokonała kolapsu – z największym prawdopodobieństwem jestem jednak przed ekranem na Jaśminowej :) Czyli tam, gdzie się spodziewałeś.

Długość fali de Broglie’a obiektu zależy od pędu – masy razy prędkość. Wysoki pęd oznacza krótką długość fali. A dokładniej – długość tej fali to stała Plancka/pęd. Ludzie są zbudowani z dziesiątek kilogramów termicznie ruchomych cząstek (im większa temperatura, tym większa prędkość poruszania się ich), i dla nich długość fali de Broglie’a wynosi kilka rzędów mniej niż długość Plancka (poczytaj o niej tutaj) – to niewyobrażalnie mało. Po prostu – jesteś dosłownie wszędzie we Wszechświecie, ale w 99,9999…9% bardziej tutaj, niż gdzie indziej. O wiele bardziej tutaj. Na granicy rozszerzającego się Wszechświata, miliardy lat świetlnych stąd, jesteś także, ale bardzo „nie bardzo” :) Mała szansa, że tam jesteś, ale jednak jest to możliwe. Jeśli długość fali jest mała, to znaczy, że Twoje położenie jest dobrze określone.

Takie rozważania byłyby prawdziwe, jeśli rozpatrywalibyśmy obiekty makroskopowe w kategoriach mechaniki kwantowej. Jak widać, zdecydowanie przeczy owo rozpatrywanie naszej zwykłej i prawdziwej dla świata makro intuicji J

A co w przypadku cząstki alfa, czyli dwóch protonów i dwóch neutronów? Samodzielnie to po prostu jądro helu, jednak takie pakiety istnieją także jako części cięższych jąder atomowych. Cząstki alfa są związane w jądrach poprzez silne oddziaływania jądrowe, jedną z czterech sił fundamentalnych przyrody. Możemy wyobrazić sobie cząstkę alfa jako piłkę uwięzioną w stromej dolinie energii potencjalnej. Tak zwanej studni potencjału. Coraz bliżej do…

2. Tunelowanie kwantowe czyli wreszcie do rzeczy, Panie Kolego.

Zanim do meritum, chwila o energii. Energia potencjalna ciężkości (ta nas interesuje, jest jeszcze energia potencjalna sprężystości) jest to energia związana z położeniem ciała w przestrzeni. W dużym skrócie, większą energię potencjalną ma ciało znajdujące się wyżej od powierzchni Ziemi od tego, które znajduje się niżej. I potrzeba pewnej energii kinetycznej, czyli energii związanej z ruchem masy, aby np. dostać się na pewną wysokość. Trzeba dostarczyć pewnej energii kinetycznej do naszej cząstki alfa, aby mogła ona wydostać się poza krawędź studni potencjału, której wysokość określa pewna wartość energii potencjalnej.

A w środku leja nasza piłeczka-cząstka alfa, która bardzo chce się wydostać poza studnię, jednak nie może, bo bidulka nie ma energii kinetycznej. Jednakże, na szczęście nie obracamy się w świecie fizyki klasycznej, tylko kwantowej. A obiekty kwantowe nie są piłkami. Ich położenie nie jest ściśle określone. Ta informacja przyda nam się za chwilę.

Potrzeba pewnej energii kinetycznej, aby wydostać się ze studni. Nie tylko potencjału, gdy wpadniecie do studni z wodą, też niełatwo się wygrzebać. Cząstka alfa również potrzebuje pewnej energii kinetycznej, aby wydostać się poza obręb jądra atomowego, poza barierę, którą wyznaczają siły jądrowe silne. Gdy cząstka zbliża się do krawędzi studni potencjału, zazwyczaj jej paczka falowa, czyli rozkład prawdopodobieństwa określający położenie cząstki, jest odbijany z powrotem. Nasza piłeczka skacze, ale doskoczyć nie może. Paczka falowa pokazuje, gdzie może znajdować się cząstka. I teraz uwaga, najlepsze.

3. Magia tunelowania.

Gdyby traktować cząstkę alfa według mechaniki klasycznej, odbije się ona za każdym razem od bariery potencjału. Jednak w mechanice kwantowej istnieje pewne niezerowe prawdopodobieństwo (tak, tak, takie samo jak to, że jesteście na krawędzi rozszerzającego się Wszechświata. Małe, ale jest. Chudy, ale byk ;)), że cząstka znajduje się poza barierą potencjału, po drugiej stronie stromych ścian. Po prostu, gdy paczka falowa zbliża się do krawędzi studni, jej skrajna część wchodzi poza granicę potencjału – znajduje się jakby ‘w środku’ ściany i, dalej, poza nią. Fala gaśnie ‘w ścianie’ szybko, w sposób wykładniczy. Czyli bardzo sprawnie. Tak jakby cząstka, a właściwie fala materii, zorientowała się, że jest w zabronionym dla siebie miejscu. Zabronionym z punktu widzenia fizyki klasycznej, bo gdyby traktować falę klasycznomechanicznie, takie zachowanie to paradoks – łamie zasadę zachowania energii. Jeśli bariera jest wystarczająco gruba, fala nie przechodzi na drugą stronę (1). Zaraz będą rysuneczki, spokojnie, jesteśmy Tłukami, więc dla nas książka bez obrazków to nie książka ;). Jeśli bariera ma około nanometra, część fali przechodzi na drugą stronę – część cząstek alfa może znaleźć się po drugiej stronie bariery potencjału (2)! Wydostają się one poza obręb jądra atomowego, poza zasięg oddziaływania jądrowego silnego. To tak jakby czysto teoretyczne rozważania, że ‘hmmmm, właściwie to istnieje szansa, na przykład zdarzyłby się cud i ta piłka może sama wyskoczyć ze studni’ wziąć za fakty! Matematyczny rozkład prawdopodobieństwa jest tak samo realny jak Moja Lewa Stopa, którą sobie obserwuję ! ;) Tak jakby teleportowała się poza jądro, zamiast się odbić od jego granicy. Nie stopa. Cząstka alfa :)

(1)   

(2)   

I, uwaga. Zamiast podróżować przez barierę potencjału jak normalny człowiek - elektron, lub cząstka alfa, pojawia się od razu po drugiej stronie. Czyli, pokonuje drogę jednego nanometra w zerowym czasie. To jest właśnie tunelowanie kwantowe!

[classical - fizyka klasyczna]
[energy barier - bariera potencjału]
[quantum - fizyka kwantowa]
[electron wave - elektron w postaci fali]

4. Kwantowe cuda tunelowania w życiu nie tak kwantowo-cudacznym.

Tunelowanie kwantowe jest obecne w codziennym życiu szarego człowieka. Ta nasza cząstka alfa uciekająca od wrednego jądra to nic innego jak rozpad promieniotwórczy pierwiastków radioaktywnych. Podobnie fuzja jądrowa, obecna w naszym Słoneczku, to całe jego produkowanie energii żebyśmy mogli rano wstać do roboty w jasności, bierze się właśnie z tunelowania kwantowego. Magia w służbie ludzkości! ;) Bez niego gwiazdka nasza nie mogłaby łączyć wodoru w cięższe pierwiastki (nie chce mi się tego Wam tłumaczyć, zapytajcie Wujków i Ciocie ;)) Elektronika, panie. Tranzystory również opierają swoje działanie na tunelowaniu. Ale teraz… Wisienka. Pamiętacie, gdy bajałem Wam przed chwilą o czasie zerowym?

5. Rekord Wszechświata w biegu na nanometr – 0s.

Z grubej rury i bez owijania w bawełnę. Elektron czy inny obiekt kwantowy, o ile nam wiadomo, przemieszcza się przez barierę potencjału natychmiast. Znika i pojawia się w odstępie czasu zerowego, tak jakby nie było drogi, nie było tego jednego nanometra grubości ściany. Albo… Być może nie mamy zegarów, które zmierzyłyby tak krótki czas, jak ta niesamowicie szybka podróż.

Aby to zbadać, zastosowano interferometr Michelsona – używa się go, aby zmierzyć niesamowicie małe różnice w odległościach. Podobnego użyto do detekcji fal grawitacyjnych (więcej tutaj. Polecam, bardzo fajny tekst ;)). W skrócie, bo niepotrzebne nam opisy technologii, użyto jego zmodyfikowanej wersji. Puszczane są dwie wiązki fotonów (dla nas fotonów, a normalnie wiązki laserowe) pod kątem 90 stopni, odbijające się od luster i, następnie, znowu kąt prosty, do detektora. Jedna wiązka ma na drodze bardzo cienką barierę odbijającą. Gdyby nie istniało tunelowanie kwantowe, bariera odbijałaby fotony za każdym razem, 100% skuteczności. Jednak żyjemy w świecie, który nie zawsze rządzi się klasycznymi prawami. Paczka falowa fotonu przy barierze rozciąga się poza nią. 99% fotonów odbija się, jednak 1% ulega tunelowaniu i pojawia się za barierą, w prostej drodze do detektora. Do którego, uwaga dociera także drugi foton, puszczony pod kątem 90 stopni do pierwszego, odbity od lustra i wykrywany przez detektor, ale bez bariery na drodze. A teraz – prędkość nadświetlna :) Einstein zbiera ząbki z podłogi! ;)

Gdyby ten 1% fotonów tunelujących naprawdę podróżowałoby natychmiastowo przez barierę odbijającą, wtedy powinny one dotrzeć do detektora wychwytującego obie wiązki trochę przed fotonem z wiązki bez bariery. Banda fizyków przeprowadziła taki eksperyment. Drogi wiązek były identyczne – zastosowano efekt splątania kwantowego gwarantujący równość ścieżek (z czym to się je – w chwili obecnej, Czytelniku, nie musisz tego wiedzieć; gdybyś to tutaj przeczytał, gwarantuję wypadnięcie zębów w dodatku do osiwienia) I co? Okazuje się, że tunelujący foton przybył chwilę przed jego partnerem z drugiej wiązki, tej bez bariery. Czyli jego droga uległą skróceniu, bo każdy foton podróżuję zawsze ze stałą prędkością c – prędkością światła. Foton z barierą jakby teleportował się przez barierę i w związku z tym podróżował szybciej od światła, przynajmniej przez grubość bariery… Świetnie!

6. Paradoks? Takie rzeczy tylko u nas, w świecie kwantów.

Okazuje się, że pogwałcenie zasady prędkości relatywistycznej, czyli podróżowanie szybciej od światła, ma miejsce tylko głęboko w realiach fizyki kwantowej. Cząstka pojawia się po drugiej stronie bariery jedynie w obrębie rozkładu prawdopodobieństwa położenia swojej paczki falowej. Czyli jest tam, gdzie wskazuje jej długość fali de Broglie’a, nawet jeśli wymaga to przeskoczenie na drugą, zabronioną przez prawa mechaniki klasycznej stronę bariery potencjału.

Jednakże nawet bez bariery foton z doświadczenia z interferometrem może przybyć odrobinę później lub szybciej niż wymaga od tego jego prędkość – prędkość światła. Jak to możliwe? Poprzez zasadę nieoznaczoności. Paczka falowa to pewien zakres możliwych położeń. Np. – 30% szansy na pojawienie się w punkcie A, 40% w punkcie B i 30% w punkcie C, pamiętacie? :) W 30% przypadków foton dotrze wolniej (A), 40% razy z prędkością światła (B) i 30% razy szybciej niż c (C). Gdy dodajemy barierę potencjału, naszą odbijającą ‘szybkę’, jedyne co robimy, to wymuszamy na fotonie tunelującym jego opcję (C) – najszybszego, bo wychylonego najbardziej w prawo położenia. To może wyglądać na zwiększenie prędkości światła, ale tylko w obrębie zasięgu możliwego rozkładu prawdopodobieństwa – na długości fali de Broglie’a, czyli całej paczki falowej.

7. Ło matko i córko, w cośmy tym razem wdepnęli?

Jakieś debrolja, paczki (Św. Mikołaj?), fale, studnie, NBA, cząstki alfa… Czy to jeszcze fizyka? Bardzo tak!

Wydaje się, że w świecie kwantów zasada nieoznaczoności daje szansę na ruch w zerowym czasie. Oraz? Implikuje ona nawet pogwałcenie zasady przyczynowo-skutkowej w obrębie granic świata kwantów, ponieważ każdy obiekt poruszający się szybciej od światła porusza się wstecz w czasie (patrz: tachiony – hipotetyczne cząstki nadświetlne). W świecie klasycznym oznaczałoby to teleportację rodem ze Star Treka, rekord świata na setkę, dwusetkę, trzysetkę, spanie rano około 20 minut dłużej… Oraz podróże do Zakopanego bez korków. Na szczęście, dopóki obiekty makroskopowe nie będą rządzić się zasadami kwantowomechanicznymi, dopóty mamy względny porządek w naszym świecie. I dobrze. Elektrony i cząstki alfa to świrusy, czarodzieje, itp. Jednorożce, a wiemy, że te nie istnieją. No dobra, jeśli już istnieją, to mają rozmiar około 2,818 x 10^-15 metra :)

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

#11 Spadaj, Rubidzie, czyli Czyżby pożegnanie z Teorią Wszystkiego?

Witajcie Drodzy Marsjanie.

Dlaczego Marsjanie? Bo trzeba być co najmniej Marsjaninem, żeby czytać takie rzeczy! A kim trzeba być, żeby je pisać? Zdradzę Wam sekret. Jestem z Saturna ;) Żartowałem. Z MediaExpert.

Ale do rzeczy. Chciałem Was tylko lekko znobilitować, że zabraliście się za kolejny fizyczny temat w te Jeszcze-Wakacje. Niektórym jest trudno myśleć, a co dopiero czytać niestworzone, fizyczne teksty. Może strzelę sobie samobója, ale wiecie, że meduzy przeżyły 400 mln lat ewolucji nie posiadając mózgu? To dobra informacja dla niektórych ludzi ;) Ale, oczywiście, nie dla Nas! :)

Dziś chciałem Was uraczyć informacją ze świata nauki, która dała mi wiele do myślenia. Wszystkie komercyjne newsy ciągle trąbią o tym, że pociąg mknący w stronę znalezienia Teorii Wszystkiego, czyli kwantowej grawitacji, pędzi coraz szybciej, ma się dobrze i nawet widać już na dalekim horyzoncie końcową stację. Czyli, że unifikacja teorii kwantów i teorii względności Einsteina ma być właśnie tym kierunkiem, w którym podążamy, i to podążamy słusznie.

W całym tym zalewie hurra optymizmu fizyki teoretycznej znalazłem kamyczek w ogródku - głos sceptycyzmu, i to wrzucony ze strony fizyków doświadczalnych.

Jednym słowem - weryfikacja napuszonych tez za pomocą jednego sprytnego doświadczenia. To bardzo ważne, bo żadna teoria, jeśli nie potwierdzą jej doświadczenia, nie jest teorią słuszną. To rzeczywistość weryfikuje teorie, teorie nie kreują rzeczywistości. Cały gmach fizyki teoretycznej pnący się w kierunku Teorii Wszystkiego może runąć... Albo, po prostu, doświadczenie opisane przeze mnie solidnie zweryfikować wiele założeń i posłać do piachu wiele teorii kwantowej grawitacji.

1. Czym jest Teoria Wszystkiego, czyli równanie na T-shircie.

Słyszałem kiedyś zgrabne powiedzenie jednego z naukowców: 'Teoria Wszystkiego powinna być eleganckim zestawem równań, tak zwięzłym a jednocześnie treściwym, że byłaby dobrym napisem na koszulce'. Fizycy szukają czegoś, co w jednym bądź kilku równaniach opisze Rzeczywistość. Lubią elegancję i zwięzłość, symetrię i prostotę. Bo lwia ilość równań w fizyce, szczególnie tych elementarnych, jest prosta.

W dzisiejszych czasach za Teorię Wszystkiego uznaje się teorię kwantowej grawitacji. Poszukiwana jest teoria, która będzie pomostem między teorią kwantów i ogólną teorią względności.
Teoria kwantów opisuje świat i jego relacje w najmniejszych skalach, czyli wzajemne oddziaływania cząstek, również elementarnych, takich jak elektrony bądź fotony, i nieco większe - protony, neutrony, oraz wiele innych.

Ogólna teoria względności jest dziełem Eisnteina i opisuje grawitację jako efekt zakrzywienia czasoprzestrzeni przez masywne ciała, takich jak planety i gwiazdy, galaktyki i gromady galaktyk. Jest teorią działającą w skalach makro.

Dlaczego akurat grawitacja kwantowa ma być teorią wszystkiego? Bo tylko grawitacja, ze wszystkich czterech sił fundamentalnych, nie została 'skwantowana'. To znaczy nie opisano jej w skali mikro, nie znaleziono nośnika siły grawitacji, czyli grawitonu oraz nie stwierdzono, jak ten grawiton skaluje się w grawitacyjne zakrzywienie czasoprzestrzeni w ogólnej teorii względności. Nie znaleziono pomostu między dwiema wiodącymi i poprawnymi w swych domenach teoriach. Siła elektromagnetyczna ma swój foton, siły jądrowe słabe i silne bozony W i Z oraz bezmasowe gluony. A grawitacja jest na razie pod względem nośnika bardzo problematyczna.

Mikro i makro. O ile obydwie teorie świetnie działają na swoich poletkach, o tyle nie są ze sobą kompatybilne. Ciała duże i małe wydają się stosować do dwóch zupełnie różnych zestawów zasad. Chociaż to trochę logiczne - małym dzieciom nie wolno tego samego, co dużym rodzicom... Ciekawe, co poszukiwacze kwantowej teorii grawitacji powiedzieliby na taki argument ;)

Ogólna teoria względności potrzebuje do swojego prawidłowego funkcjonowania czasoprzestrzeni gładkiej, analogowej. Mechanika kwantowa przewiduje, że wszystko powinno dać przedstawić w skończonej liczbie 'dyskretnych' elementów. Łącznie z przestrzenią. Jest też kilka innych powodów niekompatybilności, ale pozostańmy przy fakcie: kwanty nie lubią Einsteina.

2. Atomy rubidu i Galileusz.

Jedną z prób pogodzenia dwóch wielkich teorii opisanych powyżej podjęli naukowcy z Huazong University of Science and Technology w Wuhan (wybaczcie, że nie podałem nazwy w oryginale - musiałbym ją chyba narysować i wkleić obrazek albo specjalnie z okazji pisania tego posta dokupić chińską klawiaturę; wiem, jestem trochę niekompetentny ;)). Odtworzyli oni eksperyment Galileusza z 1589 roku na... atomach rubidu. Postanowili 'zrzucić' atomy rubidu, posiadające pewne własności kwantowe, takie jak spin - sprawić, by spadały swobodnie w polu grawitacyjnym. Chcieli sprawdzić, czy zasada równoważności zastosuje się do obiektów kwantowych, czy własność kwantowa - spin - wpłynie na grawitację. Jeśli by wpłynęła, wtedy można by wysnuwać wnioski o dyskretnej naturze oddziaływania grawitacyjnego.

Zasada równoważności mówi, że przyspieszenie grawitacyjne, czyli spadek swobodny ciała, jest takie samo dla wszystkich obiektów, niezależnie od masy. Jednym słowem, Galileusz wziął i zrzucił jednocześnie z Krzywej Wieży w Pizie (podobno; źródła mówią raczej o spuszczenia ich z równi pochyłej, ale mniejsza o to) dwie kule o różnych masach i spadły one w tym samym czasie. Dziś ciekawie obrazują to doświadczenia, w których w komorze próżniowej (aby pominąć opory powietrza) garść pierza i zrzucona jednocześnie ... kula do kręgli, spadają z jednakowej wysokości w tym samym czasie! Fajna ta fizyka ;)

Trybicie już coś? Grawitacja, obiekty kwantowe...? Kwantowa grawitacja! Słusznym tropem dociekliwy Czytelnik podążał.

3. Bum tralala, rubid w polu grawitacyjnym zapie... rnicza w dół.

Wiele teorii kwantowej grawitacji przewiduje, że zasada równoważności, która jest kluczowa dla ogólnej teorii względności, może zostać pogwałcona. Brrrr.

To znaczy, że pewne własności kwantowe, takie jak spin, mogą wpływać na zasadę równoważności. A to z kolei znaczy, że pewne zasady fizyki kwantowej w jakiś sposób wpływają na grawitację i w ten sposób stworzą połączenie pomiędzy fizyką kwantową a fizyką klasyczną.

Jednym słowem, według niektórych tez, efekty kwantowe zaburzają swobodny spadek będący efektem całkowicie grawitacyjnym... Jeśli grawitacja ma cechy kwantowe, a tego wszyscy tu do cholery szukają, to własność kwantowa jakim jest spin musi jakoś na nią wpłynąć. Do cholery ;) Lecz jeśli grawitacja rządzi się odmiennymi prawami i jest innej niż kwantowa natury, wtedy własność kwantowa atomów rubidu nie wpłynie, nie 'zahaczy' o nią, spłynie, jak po kaczce.

Czym jest spin kwantowy? Nie wiecie? I tu Was mam. Nie wiecie, to zaraz się dowiecie ;)

4. A dowiecie się w punkcie 4.

Nie musimy wiele wiedzieć. O spinie oczywiście. Wystarczy tyle, że...

Spin jest wielkością kwantowomechaniczną, która jest nazywana wewnętrznym momentem pędu (w zasadzie spinowym, gdyż jest to jakość sama w sobie) ale on sam jest bodaj jedyną obserwablą (własnością) która nie ma odpowiednika w mechanice klasycznej. Czyli nie jest związany z obrotem cząstki, jak wskazuje na to angielskie nazewnictwo.

W świecie rządzącym się mechaniką klasyczną, obracający się obiekt ma własności magnetyczne dość podobne, jakie wykazują cząstki elementarne. Fizycy uwielbiają analogie, więc nazwali tę własność 'spinem'. Jednak elektron to nie obracająca się kuleczka. Spin elektronu, w odróżnieniu od rzuconej piłki tenisowej, nigdy się nie zmienia i ma tylko dwie możliwe orientacje.

Spin jest po prostu kolejną naturalną, wbudowaną w nią i niezmienną własnością cząstki, tak jak masa, kolor czy ładunek. I, nie! To, że elektron ma kolor, nie oznacza, że jest niebieski, na litość boską... ;))) Podobnie ze spinem. Kuleczka się nie kręci. Ładunek to też nie ładunek ziemniaków, ale jeśli dobrnąłeś aż tutaj, Czytelniku, to na pewno to wiesz :)

5. Dla dociekliwych oraz Wielki Finał Doświadczenia.

Doświadczenie polegało na zmierzeniu interferometrem (czyli urządzeniem, które bardzo dokładnie zmierzyło ruch cząstek) ruchu atomów rubidu 'wystrzelonych' w górę za pomocą lasera w swoistej próżniowej tubie. Atomy, po osiągnięciu pewnego pułapu, mogły po chwili (odległości mierzymy w bardzo niewielkich ułamkach metra a czas w ułamkach sekund, również niewielkich) opaść w spadku swobodnym. Atomy rubidu zostały schłodzone do temperatury zaledwie milionowych stopnia powyżej zera absolutnego (w celu zapewnienia większej stabilności; atomy poruszają się intensywniej im wyższa temperatura) miały przeciwne spiny. Przeciwne, aby stwierdzić, że jeden z nich zachował się inaczej niż drugi.

Eksperyment pokazał, że grawitacja nic nie zrobiła sobie z przeciwnych spinów i potraktowała atomy rubidu jak zwykłe obiekty klasyczne. Czyli, dosłownie, jak małe kamyczki :)

Zasada równoważności została zachowana, atomy spadły w niemal identycznym czasie, z dokładnością jednej części na 10 milionów.

Grawitacja nie wykazała cech kwantowych, nawet w bardzo małych skalach.

Klasyczne prawa grawitacji stosowały się nadal do obiektów kwantowych. Przyspieszenie grawitacyjne jest takie samo dla obiektów kwantowych i klasycznych. Po raz pierwszy spróbowano, podczas swobodnego spadku atomów, zbadać proces pod kątem spinu kwantowego, jednak efekty doświadczenia z torbą puściły kilka egzotycznych teorii kwantowej grawitacji.

6. Wnioski z tej myślowej podróży ;)

Doświadczenie zdaje się pokazywać, że grawitacja jest oddziaływaniem zupełnie innym niż trzy pozostałe, wydaje się po prostu... nie być kwantowa. Nie podlegać skwantowaniu, digitalizacji, podzieleniu na najmniejsze możliwe cząstki, jak reszta oddziaływań. Czy to możliwe, że trzy siły fundamentalne są 'cyfrowe', a jedna 'analogowa'? Że istnieje taka asymetria?

Fizycy zawsze szukają symetrii, bo lubią elegancję i prostotę w teoriach. Tak działają nasze umysły, szukają analogii, systematyzują i klasyfikują według klucza, który stwarzają na podstawie wcześniejszych doświadczeń. Uczą się na wzorcach i potem je powielają. Po prostu, szukamy w tym Wszechświecie jakiejś logiki, która, niestety, prowadzi nas do tego, że Wszechświat w końcu musi odpowiadać naszym wyobrażeniom o nim...

Ale nasze logiczne wyobrażenie o Kosmosie zderza się często z rzeczywistością i raz po raz każe weryfikować poglądy. Tak jak w przypadku mechaniki kwantowej, która zdaje się przeczyć zwykłej logice. Aby ją zrozumieć, trzeba było stworzyć logikę nową.

Ja jednak uważam, że jest bardzo możliwe, że grawitacja może sprawić niespodziankę. Jest to możliwe, bo przecież można tak mniemać z powodu braku niezbitych danych doświadczalnych. Może inaczej. Nie jest to niemożliwe.

Może wymyka się ona się prostemu zaklasyfikowaniu, usymetrowieniu, potraktowaniu jak inne siły? Skwantowaniu? Może jest hipsterem wśród sił? ;) Dopóki nie przekona mnie niepodważalne doświadczenie, mogę myśleć, jak przedstawiłem. Być może mamy trzy siły jednego rodzaju, a jedną innego. Dlaczego nie?

Na razie jest, w dużym uproszczeniu, 1:0 dla analogowej grawitacji, za sprawą eksperymentu Chińczyków z rubidem. Bo nie ma na przykład doświadczeń, które sugerowały istnienie kwantu - grawitonu. Są teorie, ale one są zawsze weryfikowane przez rzeczywistość. Ale czy sprawa jest zamknięta? :)

Na pewno nie. Być może, gdy będziemy dysponować lepszą i dokładniejszą technologią, wnioski okażą się zupełnie inne. Już nieraz historia pokazała, jak bardzo na przestrzeni wieków, właśnie z postępem techniki, zmieniało się nasze wyobrażenie o miejscu, w którym żyjemy. Od Słońca, które było bogiem, po Ziemię jako centrum Wszechświata, aż po mechanikę kwantową.

Dlatego pozostaje mieć otwarty umysł i czekać. Niech niebieskie kuleczki dalej się kręcą, a ziemniaki... ;)

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

#10 Warp Drive, czyli Kosmiczny Diesel

Cześć!

Sezon ogórkowy nie zawsze oznacza same ogórki, jak widzicie. Polecam wziąć jakiegoś małosolniaka do ręki i czytać, bo dziś jest o czym. Zawsze jest, ale dziś będzie wakacyjnie i mniej naukowo. Możemy się rozmarzyć o... podróżach szybszych od prędkości światła! Tak, tak, Star Trek i te sprawy.

Gwoli ścisłości, miało być o pianie kwantowej, ale się rozmyśliłem. Dam waszym szarym komórkom trochę luzu i zaczerpnę temat rodem z science-fiction. Jak się jednak okazuje, nie tak daleko mu do prawdziwej nauki... Ale po kolei.

1. Kto to wymyślił, skąd to Warp Drive i z czym to się je (akurat to ostatnie wiadomo - z małosolniakiem ;))

'Warp' znaczy po angielsku 'odkształcać'. Od razu ciśnie się na usta: 'przecież to ze Star Treka. Zakrzywiali czasoprzestrzeń i poruszali się szybciej od światła'. Po co czytać posta? Czy nie lepiej włączyć sobie kapitana Picarda, Spocka i spółkę zobaczyć silnik warp na własne oczy?

W serialu Star Trek napęd warp przedstawia się trochę inaczej niż ten, nad którym pracuje NASA. Co proszę?! A, tak. NASA wzięła sobie do serca obliczenia niejakiego Miguela Alcubierra i bada przestrzenie warp. Wspomniany Meksykanin z kolei, inspirował się literaturą science fiction i postanowił zobaczyć, czy da się, chociaż na papierze, w obliczeniach, skonstruować napęd zakrzywiający czasoprzestrzeń. I udało się, ale o tym trochę później.

Tymczasem, w odległej galaktyce... :) - czyli na szklanym ekranie, napęd warp wygląda bardzo efektownie: sercem napędu jest rdzeń warp, w nim antymateria i materia w sposób kontrolowany anihiluje się i dostarcza energii, która służy do produkcji wysokoenergetycznej plazmy. Potem plazma, przez cewki warp, jest pompowana do gondoli, gdzie mieści się mechanizm generujący pole. Nie pole sąsiada, tylko pole warp.

Powiem tylko tyle: abstrakcja. Podstawy naukowe tego napędu są na tyle prawdziwe, jak długo autorzy serialu posługują się naukowymi nazwami. Bo tylko one są w tym silniku naukowe, takie coś nigdy by nie zadziałało.

Co innego Modus Operandi takiego napędu: zakrzywianie czasoprzestrzeni w taki sposób, że przed statkiem jest ona 'zgniatana', a za nim rozszerzana. I właśnie tym (zgniataniem i rozszerzaniem ;)) zajmują się teraz panowie z NASA.

2. NASA Klasa bawi się w Star Trek.

Napęd warp pozwala podróżować szybciej od światła. Zarówno w serialu Star Trek, jak i w rzeczywistości. W serialach i filmach science-fiction akcja rozgrywałaby się bardzo długo, gdyby np. z Ziemi do najbliższej gwiazdy podróżowałoby się 3 lata, z prędkością światła. Nudy! Dlatego zaisntniała potrzeba stworzenia czegoś wykraczającego poza ramy standardowych ograniczeń prędkości. Zarówno pisarze jak i inżynierowie marzyli o złamaniu zakazu przekraczania prędkości światła, stąd wspomniany Star Trek (i nie tylko, oczywiście), oraz...

Meksykański fizyk Miguel Alcubierre, zainspirowany literaturą, chciał, aby napęd warp stał się rzeczywistością. I teraz uwaga: w tym momencie następuje rozbieżność między literaturą saj-faj a nauką. Pozostaje tylko nazwa. Alcubierre opracował pole warp posługując się matematycznym językiem ogólnej teorii względności. Czyli - przedstawił prawdziwe rozwiązania teorii Einsteina, które pozwalają na podróż szybciej niż 'c'.

NASA uważa, że ta teoria nie jest taką bujda, na jaką mogłaby wyglądać. Eagleworks Laboratories próbują stworzyć i testować pola warp! A jeśli NASA się tym zajmuje - cóż, musi to być prawdziwe. Przecież, nawet gdyby NASA stwierdziła, że muchomory nie są trujące, cóż - musielibyśmy je jeść ;)

3. Czy pola warp można zaorać? ;)

Pola warp to specyficzne obszary w czasoprzestrzeni, które są w pewien szczególny sposób 'zagięte', tak samo, jak masa zagina czasoprzestrzeń. Pola warp nie naruszają ograniczenia co do prędkości światła, ponieważ 'c' odnosi się do obiektów (masy, energii, informacji) podróżujących przez przestrzeń. Lecz nie do samej przestrzeni! Według OTW nie ma ograniczenia co do prędkości względnej dla dwóch odrębnych wycinków czasoprzestrzeni. Tak samo, jak rozszerzające się brzegi Wszechświata mogą poruszać się szybciej od światła (bo porusza się sama przestrzeń; dlatego też światło z brzegów nigdy do nas nie dotrze i nie zobaczymy ich z Ziemi)... Albo w wypadku, gdy odległe galaktyki oddalają się od siebie szybciej od światła, nawet jeśli są nieruchome względem swojego bliskiego otoczenia - podobnie wycinek czterowymiarowej czasoprzestrzeni może złamać ogólnokosmiczne ograniczenie prędkości.

To ciężka praca, oranie tego pola warp! ;) Ale staram się, jak mogę :)

Innym przykładem złamania prędkości światła jest wnętrze czarnej dziury. Centralny punkt - osobliwość grawitacyjna (obiekt punktowy o ekstremalnej gęstości) zagina czasoprzestrzeń i powoduje, że porusza się ona szybciej od światła, unosząc materię i wszystko inne ze sobą. Czasoprzestrzeń wokół czarnej dziury jest opisana za pomocą równań pola Einsteina dla otoczenia punktu o ekstremalnie wysokiej dodatniej energii; masa i energia mówią nam, jak powinna zaginać się owa czasoprzestrzeń (czasoprzestrzeń to, czasoprzestrzeń tamto, trudno mi znaleźć zamiennik tego słowa; czterowymiarowa tkanka rzeczywistości? słowo na 'cz', które tak lubił Einstein? coś, co mierzą razem zegarek i linijka? ogłaszam konkurs na synonim słowa 'czasoprzestrzeń' :)). A co zrobił Alcubierre? Zastosował niezły trick.

4. Czasoprzestrzenna sztuczka Alcubierre'a.

Wracając trochę do poprzedniego akapitu: meksykański fizyk w niesamowity sposób wymyśla z kapelusza rozwiązanie równania dla zagiętej czasoprzestrzeni wokół czarnej dziury bez wpływu masy i energii! Alcubierre - Einstein 1-0. Do ładnej, gładkiej czasoprzestrzeni wstawił 'bąbel' tkanki rzeczywistości o niezwykle zakrzywionej geometrii, bez otaczającej go czarnodziurowej masy i energii. Tak jakby wyciągnął go z jej środka i umieścił gdzieś na spokojnych rubieżach Galaktyki, dawno, dawno temu ;) Mało tego. Umieścił w środku bąbla statek kosmiczny. Bąbel zaginał czasoprzestrzeń tak, że rozszerzał ją za nim a ściskał przed nim. Nasz kochany bąbel ;)

W rezultacie - bąbel jest pchany i ciągnięty przez samą czasoprzestrzeń! Limitem prędkości jest tylko stopień zakrzywienia, intensywność pola warp. Bo, jak już wiemy, limit prędkości światła odnosi się do obiektów, a nie samej czasoprzestrzeni. Taka sztuczka. Statek kosmiczny w środku nie odczuwa żadnego przyspieszenia! Można porównać to do deski surfingowej, która generuje własną falę. Fala porusza się względem oceanu z prędkością większą od c, ale my nie poruszamy się względem fali.

5. Przepraszam bardzo, czy tak można? A także problemy techniczne odnośnie napędu warp.

Czy można wymyślić sobie rozwiązanie opisu czasoprzestrzeni i rozwiązać równania Einsteina od tyłu tak, aby zobaczyć, jaki będzie potrzebny rozkład masy i energii na początku? I który da nasze rozwiązanie? Czy można odpowiadać, zanim usłyszy się pytanie? :) Można. Nie wiadomo tylko, czy rozkład masy i energii będzie fizycznie poprawny. Czyli - nie wiadomo, czy pytanie będzie logiczne.

Okazuje się, że do napędu warp konieczny jest pierścień negatywnej energii, który będzie otaczał statek i stworzy ów bąbel. Niestety, prawdopodobnie nigdy nie będziemy w stanie wytworzyć negatywnej energii w odpowiednich skalach. Możemy stworzyć negatywne ciśnienie - efekt Casimira (w skrócie: między dwoma płytkami obojętnymi elektrycznie i uzyskanej tam próżni występuje negatywne ciśnienie związane z tworzeniem się i znikaniem (anihilacją) cząstek wirtualnych - efekt fluktuacji kwantowych; ciśnienie takiej 'próżni' - okazuje się, że próżnia jest wypełniona cząstkami wirtualnymi - jest większe na zewnątrz płytek niż wewnątrz, ponieważ jest ich tam więcej), ale jest to bardzo mała skala. W skalach makroskopowych, czyli naszego napędu, prawdopodobnie konieczna będzie... negatywna masa. Czy masa może być ujemna?! To temat na inną historię. Jest to bardzo hipotetyczna koncepcja, być może negatywna masa nie istnieje.

Inaczej mówiąc: do stworzenia napędu Alcubierre'a konieczne jest użycie tzw. materii egzotycznej, mającej ujemną masę, albo skorzystanie z innego źródła zakrzywienia czasoprzestrzeni, przeciwnego do tego wywoływanego przez zwykłą materię.

6. Problem czasu i przypuszczenia ochrony chronologii Hawkinga.

Każda maszyna poruszająca się szybciej od światła będzie maszyną... do podróży w czasie. Jednak zasada przypuszczenia ochrony chronologii S.Hawkinga stwierdza, że mechanika kwantowa zawsze będzie zapobiegać wydarzeniom, które mogą naruszyć zasadę przyczynowo-skutkową. Zabijanie własnych dziadków gdy są młodzi, itp. Innymi słowy, prawdopodobnie istnieje coś w głębszym związku teorii względności i mechaniki kwantowej - teorii wszystkiego - co zapobiega powstaniu napędu warp. Tak jakby prawa fizyki zabraniały skonstruowaniu takiego silnika... Inną katastrofą napędu warp mogłoby okazać się olbrzymie promieniowanie Hawkinga (to samo, którym emanują czarne dziury) wewnątrz naszego szkraba... to znaczy bąbla ;) 

7. Energia ujemna i inne problemy.

Tej energii musiałoby być cholernie dużo. Tak trudno ją uzyskać, i jeszcze dużo?! Wolę swojego diesla. Dieslom mówimy tak! (no przecież ;)) Ale pobawmy się jeszcze w Star Trek.

Energii ujemnej potrzebowalibyśmy więcej, niż zwykłej energii w obserwowalnym Wszechświecie... Badania geometrii bąbla i kolejne obliczenia zmniejszyły masę ujemną do wielkości Jowisza (nadal mało praktyczne), potem Księżyca, a nawet asteroidy - przy pogrubieniu ścian pola warp.

To nie wszystko! Chłopaki naukowcy wykombinowały, że przy oscylacji pola warp udaje się wręcz 'zmiękczyć' (cokolwiek to znaczy) tkaninę czasoprzestrzeni, i, co za tym idzie, zmniejszyć niezbędną masę ujemną do paru kilogramów. Jednak wtedy, prawdopodobnie, dałyby o sobie znać efekty wyżej-wymiarowe - być może odkrylibyśmy wymiary wyższe niż nasze cztery. Dosłownie - hiperprzestrzenny napęd! :)

Nadal udzielamy odpowiedzi zanim zadano pytanie - czyli wymyślamy rozwiązania teorii względności i dopasowujemy warunki początkowe. Dlatego możemy ścieśnić bąbel warp i jednocześnie rozszerzyć jego wewnętrzną objętość - coś jak TARDIS z Dr Who, czyli technologia podróży w czasie i przestrzeni oraz zagiętych, właśnie większych wewnątrz niż na zewnątrz obiektów. Wtedy negatywna masa/energia liczy się w miligramach. Blisko? Można bliżej!

Jeśli bąbel jest odpowiednio mały, być może nie potrzebujemy materii egzotycznej. Manipulacja w skali kwantowej energii próżni (wspomniany efekt Casimira) może być wystarczająca.

8. Rozwiązaliśmy te problemy - i co dalej?

Optymistyczne informacje z punktu 7. zainspirowały Eagleworks Laboratory z NASA do poszukiwania pola warp. Co udało się osiągnąć?

Stworzono pole warp, jednakże przy pomocy energii dodatniej, nie ujemnej. Użyto interferometru Miechelsona, mniejszej wersji takiego, jakim wykryto fale grawitacyjne (więcej o nich tutaj). Chciano zmierzyć małe zmiany długości przestrzeni stworzone przez ich pole warp. Uzyskano bardzo obiecujące rezultaty. Okazało się jednak, że interpretacja wyników jest bardzo wieloznaczna i wcale nie wskazuje na sukces. Jednym słowem, nie możemy jeszcze przenieść olbrzymiego statku kosmicznego szybciej od światła. Ba, nawet ameba nie wchodzi jeszcze w rachubę. Czyli - kiedy będziemy warpować się po całej Galaktyce?!

9. Przyszłość napędu warp.

Skonstruowanie w pełni funkcjonalnego napędu warp zajęłoby nam prawdopodobnie kilka stuleci, minimalnie. Pewnikiem szybciej osiągniemy gwiazdy podróżując prędkościami podświetlnymi niż za pomocą wymarzonego napędu warp. Nawet silnik Kugelblitz na bazie czarnej dziury jest mniej problematyczny niż warp drive. Być może będziemy już cywilizacją międzygwiezdną, a na pewno międzyplanetarną, kiedy będzie możliwe dokonanie tak wielkich przełomów, jak te potrzebne do konstrukcji napędu warp. Jednak warto zauważyć, że wtedy motywacja będzie inna - być może będziemy chcieli (albo musieli) odwiedzać inne galaktyki, i prędkości podświetlne już nie wystarczą? Rozmarzyłem się. Spojrzeć w nocne niebo i powiedzieć 'o, tam gdzieś też żyją ludzie' - to zadanie dla naszych pra-pra-pra-pra(...)-wnuków. A my tymczasem - orajmy pole i jedzmy małosolniaki ;)

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

#9 Kwantowa Natura Czasoprzestrzeni, czyli pokaż Schroedingera Kotku, co masz w środku

Witajcie ponownie!

Skoro powiedziało się już tyle słów na tematy kwantopodobne, należy powiedzieć także B. Nie jestem dobry z przysłów, ale chyba rozumiecie, o co chodzi. Nie mogę zostawić Czytelników w tak wielkim głodzie wiedzy, jaki sam wywołałem. Dlatego reaktywuję się, mam nadzieję, że na dłużej. Do dzieła!

1. - Diesel, to jaki w końcu jest ten Wszechświat? Ma strukturę ciągłą czy dyskretną? - Yyy... Jest duży.

To pytanie spędza sen z powiek fizykom od wielu lat. W najmniejszej możliwej skali, Wszechświat musi okazać się 'jakiś': złożony z małych, niepodzielnych cząstek (dyskretny), albo analogowy - nie ma czegoś takiego jak najmniejszy możliwy element i możemy pomniejszać nasz zoom w nieskończoność. Chętnych do zapoznania się z podobnym tematem zapraszam do posta o Długości Plancka. My idźmy dalej: nie mamy obecnie, nawet przy stworzeniu Wielkiego Zderzacza Hadronów w Genewie, rozpędzającego cząstki do prędkości bliskiej świetlnej, zderzającego je, odkrywającego bozony Higgsa, technologii zdolnej dostrzec czegoś w skali subatomowej. Jeden z najsilniejszych mikroskopów to STEHM (Scanning Transmission Electron Holography Microscope) znajdujący się na University of Victoria w Kanadzie. Ten kosztujący 27 milionów dolarów, ważący 7 ton i mierzący 4,5 metra sprzęt pozwala oglądać rzeczywistość w pikoskali. Pikometr to jedna bilionowa metra. STEHM pozwala przyjrzeć się z bliska atomom, których rozmiary wahają się między 62 a 520 pikometrów. 

2. Kwantowy Samolub, czyli Niepodzielny Elektron ;)

To jednak za mało, aby poznać strukturę czasoprzestrzeni. Już elektron jest sporą i nierozwiązaną dotąd zagadką, która pojawia się w podróży do coraz mniejszych skal. W zderzeniach cząstek traktowanych klasycznie, elektron zachowuje się jak kulka o średnicy ~2,8 x 10^-15m (klasyczny promień elektronu, podawany w tablicach fizycznych).

Niestety, jest to tylko teoretyczne założenie, a nie fakt. Przy doświadczeniach z elektronami 'usidlonymi' w silnym polu magnetycznym fizycy doszli do wniosku, że promień elektronu jest mniejszy niż 10^-22m. Dlatego klasyczne pojęcie rozmiaru liniowego elektronu nie ma sensu, ponieważ rozbieżność między teorią a doświadczeniem jest zbyt duża. Gdzieś tkwi haczyk. Gdzie? Eksperymenty rozpraszania elektronów zdają się sugerować, że elektron nie ma struktury wewnętrznej! To oznacza także, że nie ma rozmiarów liniowych... A to z kolei wskazuje na fakt, jaki od pewnego jest forsowany w środowisku naukowym: elektron to cząstka punktowa, zerowymiarowa, niepodzielna (o wymiarach, szczególnie tych wyższych, możecie poczytać tutej: 4D). Do bólu elementarna, można powiedzieć. A jednocześnie bardzo enigmatyczna, ponieważ, jak napisałem wcześniej, nie możemy podglądać czasoprzestrzeni i materii w tej skali w wersji 'live'.

3. Czarna dziura na Ziemi?

Wiemy obecnie, że aby dostrzec obraz w skali Plancka (10^-35 metra), musielibyśmy okiełznać energię, która byłaby tak olbrzymia, że spowodowałaby kolaps danego fragmentu czasoprzestrzeni do czarnej dziury. Mikroskopijnej czarnej dziury oczywiście, czyli takiej, która nie wessałaby Ziemi, Ziemian, ich psów i koni, orangutanów i nietoperzy. Ale owa czarna dziura posiadałaby horyzont zdarzeń, czyli, krótko mówiąc, nie moglibyśmy zajrzeć do środka tego Kwantowego Kotka. Ten i inne paradoksy implikują stwierdzenie, że podstawa istnienia czasu i przestrzeni wynika z jakiegoś głębszego kwantowego zjawiska.

Dlatego nadal struktura czasoprzestrzeni pozostaje zagadką. W jaki sposób dyskretne, niepodzielne elementy są podstawą istnienia ciągłej, możliwej do opisania przez teorię względności, czasoprzestrzeni? Istnieje kilka hipotez, które mają ambicję tłumaczyć wspomniane zagadnienie. Przyjmuję oczywiście zyskujące coraz więcej zwolenników założenie, że czas i przestrzeń mogą mieć naturę dyskretną.

4. Holografia, czyli 'Mamo, proszę, powiedz, że istnieję naprawdę, a w blogach i Internetach kłamią...'

Pewnie już kombinujecie, a ja nawet chyba wiem, jak :) Hologram, czyli coś, co w istocie jest dwuwymiarowe, a udaje trójwymiarowe. Na dodatek dobrze mu to wychodzi, bo efekt wizualny hologramu jest czasami niesamowity. I podobnie jest w koncepcji holograficznej natury czasoprzestrzeni. Zasada zakłada, że Wszechświat to czterowymiarowa projekcja trójwymiarowej struktury, leżącej u jej podstaw.

Można też, tak jak Renate Loll, profesor fizyki teoretycznej z Radboud University of Nijmegen, pójść krok dalej. Pani naukowiec zajmuje się grawitacją kwantową (oddziaływaniem grawitacyjnym w mikroskali, teorią do tej pory jeszcze niekompletną i nie w pełni sformułowaną) i bada wymiarowość przestrzeni. Jej dociekliwe eksperymenty dotyczą symulacji komputerowych, które zakładają istnienie pewnych punktów w przestrzeni i 'sklejanie' ich za pomocą grawitacji. Jako wynik otrzymuje ona mikroskopijne przestrzenie, albo nawet, będąc śmiałym adeptem nauk tajemnych, ośmielę się stwierdzić - wszechświaty. Pani profesor postawiła sobie w momencie uzyskania już kompletnych przestrzeni pytanie na temat wymiarowości tychże. Posłużyła się tutaj przykładem z atramentem. Można wstrzyknąć jego kroplę do szklanki z wodą i zaobserwować, że rozprzestrzeni się on w trzech wymiarach. Gdy atrament dostanie się na kartkę papieru, rozprowadzi się w wymiarach dwóch, po powierzchni. I teraz wisienka na torcie, ale to już po bloku reklamowym.

Jedz jedzenie! Pij picie!

Wracamy po reklamach. Gdy Renate Loll w swojej symulacji komputerowej Wszechświata 'wstrzyknęła' ów cyfrowy atrament, okazało się, że w bardzo małej skali wypełnia on znacznie mniejszą objętość niż oczekiwano. To prowadzi do szokujących wniosków: wymiarowość przestrzeni jest mniejsza niż 3! Przestrzeń w nanoskali ma postać jednowymiarowych linii!

Powyższy przykład bardzo ładnie łączy się z holografią: struktura o niższych wymiarach 'wyprodukowała' wyżej-wymiarową przestrzeń.

5. Amplituhedron (kto zapamięta, ba, wymówi poprawnie nazwę, może zgłosić się do autora bloga po nagrodę ;))

Tak, wiem, używam słów, których znaczenia nie rozumiem. Ale tak jest mądrzej ;)

Co to takiego?

Jest to skomplikowany, wielopostaciowy obiekt geometryczny, który bardzo upraszcza obliczenia oddziaływania, a w szczególności zderzenia cząstek. Kalkulacje kolizji cząstek, które kiedyś zajmowały setki linijek, dziś upraszczają się do obliczenia objętości amplituhedronu czyli do równowartości jednego wyrażenia. To, czym kiedyś zajmowały się komputery, dziś można policzyć na papierze!

Odkrycie tego obiektu geometrycznego wskazuje na fakt, że zwykły obraz cząstek zderzających się w czasie i przestrzeni (oraz wzory probabilistyczne do przewidywań wyniku zderzeń) jest tylko swoistą konstrukcją. Konstrukcją, która wyłania się jako konsekwencja prostszej, bardziej podstawowej geometrii, w której nie ma sensu pojęcie czasu albo przestrzeni. Od czasu jego odkrycia, amplituhedron jest jaskółką, która czyni wiosnę jeśli chodzi o poszukiwanie kwantowej teorii grawitacji.

Badania amplituhedronu doprowadziły do zaskakujących wniosków. Cechy takie jak czas i przestrzeń nie budują rzeczywistości, one są niejako konsekwencją istnienia i właściwości geometrii tego misternego obiektu. Analiza jego atrybutów uczyniły jasnym, dlaczego cząsteczki zdają się poruszać w trzech wymiarach przestrzeni i zmieniać się w czasie. Szokującym może wydawać się fakt, że to, co oglądamy na co dzień, materię, energię, cały Wszechświat, jest tylko konsekwencją geometrii... :)

6. Epilog.

Temat kwantowej natury czasoprzestrzeni jest bardzo szeroki, mi, w tym tutaj oto poście, udało się zaledwie liznąć wierzchołek góry lodowej, i to przez szybkę. Na pewno można by wspomnieć choćby o pianie kwantowej... Hej, hej! Chwileczkę! Czyżbym miał temat na część dalszą maltretowania Waszych biednych mózgów? Hej, hej! Chwileczkę! Czyżbym niechcący zdradził temat kolejnego posta? ;)

Do zobaczenia wkrótce!

7. Epilog epilogu.

Nagrodą za prawidłowe wymówienie nazwy 'amplituhedron' jest tygodniowy pobyt na mojej działce, jako że mamy lato i wakacje. Skoszenie trawy mile widziane ;)

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

#8 Fale Grawitacyjne, czyli Einstein znowu górą

Ale czekaliśmy 100 lat, żeby móc zwrócić honor genialnemu fizykowi. Albert Einstein przewidział fale grawitacyjne w ogólnej teorii względności, jednak aż do tej pory ludzkość była zbyt technologicznie zacofana, aby móc potwierdzić przewidywania Austriaka. W marcu 2016 roku naukowcy z obserwatorium LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory), obiektu stworzonego specjalnie po to, aby wykryć fale grawitacyjne, udało się wykryć zmarszczki w czasoprzestrzeni. Brrrr, to czasoprzestrzeń ma zmarszczki? Poleciłbym jakiś krem, ale właśnie w tym jej całe piękno; w tym także piękno teorii grawitacji Alberta Einsteina, że jest tak stara ;) Choć do tej pory nie wiemy tak naprawdę, czym jest czasoprzestrzeń, to potrafiliśmy wykryć jej zniekształcenia. To wspaniałe choć przewrotne, tak jak cała fizyka. Ale po kolei.

1. Kule, trampolina i grawitacja.

Doktoryzowanie się w kwestii czym jest grawitacja w ujęciu Einsteina zostawię panom z poważnych pism i uczelni. Dla naszego skromnego pojęcia wystarczy wyobrazić sobie uproszczony model.
Wyobraźmy sobie, że rozpinamy bardzo cienki materiał, trochę sprężynujący, na dość sporej trampolinie ogrodowej. Na pewno dopiero co wróciliście z ogrodu, zlani potem i szczęśliwi do bólu, więc wiecie, o czym mówię ;) Teraz połóżmy na naszym okrągłym i lekko naciągniętym materiale dwie kule. Mogą być do kręgli, ale takie mniejsze. Skoro skaczecie na trampolinie, na pewno gracie też w kręgle ;) Od razu zauważymy, że materiał ugina się pod kulami, tworząc w miejscu ich przebywania wgłębienia. Na pewno też można będzie zaobserwować, jak kule zbliżają się do siebie poprzez ugięcie materiału. Jesteście sobie to w stanie wyobrazić? Brawo, właśnie, oczywiście w dużym skrócie, zrozumieliście teorię grawitacji Einsteina, ogólną teorię względności. A przynajmniej główną ideę jej działania.

2. Ogólnie to ogólna teoria względności jest prosta.

Dla bardzo ogólnego pojęcia, jak działa siła grawitacji w skali astronomicznej wystarczy przykład z kulami. Wyjaśnię to trochę bardziej szczegółowo.
Isaac Newton twierdził, że dwie masy działają na siebie siłą odwrotnie proporcjonalną do kwadratu odległości między nimi. Oraz proporcjonalnie do iloczynu ich mas. Czyli - im cięższy obiekt, tym silniej działa SIŁĄ grawitacji (w jego teorii ważne jest pojęcie siły, stąd wołami podkreśliłem owo pojęcie, drodzy Tłukowie. Spokojnie. Ja też się do nich zaliczam, po prostu bardziej się obczytałem ;)) na obiekt drugi. Oraz, im dalej obiekty znajdują się od siebie w przestrzeni, tym siła jest słabsza.

To tak w skrócie. Jednak istotne jest, że Newton zakładał istnienie siły.
U Einsteina jest inaczej. Jego rewolucyjne podejście do grawitacji w skali astrofizycznej (W skali nano nie mamy teorii grawitacji; w obliczeniach przy bardzo małych odległościach jest ona pomijana jako bardzo słaba i nie mająca wpływu na prawidłowe wyliczenia, ale naukowcy pracują nad kwantową teorią grawitacji. Gdy powstanie, będzie olbrzymim przełomem) polega na tym, że wprowadził pojęcie czasoprzestrzeni. Czym ona jest? To trzy wymiary przestrzenne i jeden czasowy - całkowicie odmienny od wymiarów wskazujących na położenie, ale także składający się na czasoprzestrzeń. Definicji jest wiele, ale gdyby spróbować wytłumaczyć to Tłu... Laikowi, najprościej byłoby użyć sformułowania, jakie wyczytałem w książce Lee Smolina 'Three Roads To Quantum Gravity': jeśli cząstki elementarne i obiekty w czasoprzestrzeni to słowa, czasoprzestrzeń będzie zdaniem. Nie ma czasoprzestrzeni bez obiektów, ale obiektu muszą mieć jakiś kontekst, same litery także nie tworzą zdania.

Dlatego w czasoprzestrzeni muszą istnieć obiekty. Te obiekty mają masę, która... zagina czasoprzestrzeń. Tak jak kule na trampolinie ogrodowej. I właśnie owo zakrzywienie powoduje, że obiekty się do siebie zbliżają, po prostu tak wynika z naturalnej konsekwencji trajektorii ruchu, jaką implikuje ośrodek, w którym istnieją. Wpadają w swoiste leje, które same wytwarzają i stąd mamy np. piękny taniec planet w Układzie Słonecznym. Po prostu inaczej nie mogą się poruszać, bo swoją masą powodują zagięcie ośrodka, w którym się znajdują, i wykonują ruch, który jest jedynym możliwym. Nie działają żadne siły jak u Newtona. Ośrodek, czyli tajemnicza czasoprzestrzeń. Nie dość, że nie można jej dotknąć, to jeszcze ma wpleciony w siebie wymiar czasowy, który całkowicie burzy intuicyjne pojęcie o ośrodku, w którym coś może się poruszać. No, może nie wczasowym, bo tam, jak wiadomo, czas płynie inaczej. Jednakże na rozumienie, czym jest czasoprzestrzeń oraz o jej zakrzywieniu, bardzo mocno wpłynęło odkrycie z LIGO w 2016 roku.

3. A co na to LIGO?

Naukowcy z LIGO skonstruowali bardzo mocno zaawansowane technologicznie urządzenie, które wykryło zmarszczki w czasoprzestrzeni, przewidziane przez Einsteina 100 lat temu. Czym są i skąd się wzięły? Jeszcze szczypta teorii i wszystko będzie jasne. Wiemy już, że masywny obiekt zakrzywia czasoprzestrzeń. Logicznym wydaje się, że im masywniejszy, tym większe powoduje jej zagięcie. A co w wypadku, gdyby dwa ultra masywne obiekty... zderzyły się? I to tak około 1.3 miliarda lat temu? Brzmi niesamowicie? A siła tego uderzenia byłaby 50 razy silniejsza niż światło pochodzące z całego obserwowalnego Wszechświata! Wyobraźcie sobie, że wrzucacie olbrzymi kamień do wody. Tak, tak, fale rozchodzące się po wodzie mogą być analogią do fal grawitacyjnych (oczywiście niedoskonałą, bo dwuwymiarową), a kamień może być dwoma czarnymi dziurami, które zderzyły się z prędkością połowy prędkości światła. Fale mogą być także drganiami membrany na trampolinie ogrodowej, gdy z dużą siłą uderzy w nią kula do kręgli - zderzenie czarnych dziur. Fale grawitacyjne zarejestrowane 14.08.2015 (wyniki z detektora musiały być przetwarzane i analizowane, stąd data obwieszczenia odkrycia - dopiero 11.01.2016) w LIGO dotarły do Ziemi po 1.3 miliarda lat. A wykryło je urządzenie, które kosztowało miliard dolarów i pracowało przy nim 1000 naukowców.

4. Ale co to jest LIGO?

Jak wygląda LIGO? Są to dwa detektory, jeden znajdujący się stanie Waszyngton, drugi w Luizjanie. Każdy z nich wygląda jak olbrzymia litera L, z ramionami o długości 4 kilometrów. Wiązka lasera podróżuje w tę i z powrotem wzdłuż ramion, odbijana za pomocą specjalnych luster. Zegary atomowe mierzą czas, jak długo trwa podróż. W normalnych warunkach, światło lasera wraca w takim samym czasie dla każdego z dwóch ramion. Jednak gdy przez ramię przechodzi fala grawitacyjna, detektor i ziemia pod nim rozszerza się i kurczy w bardzo niewielkim stopniu. Zauważcie: detektor kurczy się. Czasoprzestrzeń, razem z fizycznym obiektem, ulega bardzo małej zmianie rozmiaru. To nie są zwykłe drgania powietrza! Cała czasoprzestrzeń i to, co się z niej znajduje, ulega skurczeniu bądź rozciągnięciu! Jedna z wiązek lasera dociera później i - voila. Mamy dowód. Ale te zmiany do dużych nie należą. Skrócenie bądź wydłużenie ramienia ma długość około jednej tysięcznej średnicy protonu. Eksperyment jest tak czuły, że wpływa na niego lot pobliskiego samolotu, ba, jeden z naukowców stwierdził, że gdy klaśnie pokoju kontrolnym, detektor to wykrywa. Jak odsiewają takie wydarzenia? Dzięki dwóm detektorom. Jeśli coś nie wydarzy się jednocześnie, to znak, że pochodzi z Ziemi.
W 1974 roku inni naukowcy odkryli pulsar krążący wokół gwiazdy neutronowej - również bardzo masywnych obiektów. Później okazało się, że orbita pulsara się kurczy, co stanowiło pośredni dowód, że traci on energię na fale grawitacyjne. W 1993 roku Akademia nawet przyznała za to odkrycie Nobla. 20 lat myślenia, nagroda Nobla, ale dowodów brak... Od tej pory wykrycie fal spędzało sen z powiek każdemu fizykowi, od nauczyciela podstawówki do mądrych głów w CERNie i innych MIT. No dobrze, nauczyciele mieli na głowach jeszcze sprawdzenie kartkówek, dlatego musieli obejść się smakiem :)

LIGO nadstawiało uszy od 2002 do 2010 roku bezowocnie. Zamknięto projekt w celu dokonania ulepszeń i wystartowano ponownie w roku 2015. Ulepszone LIGO jest 3 razy bardziej czułe niż wersja poprzednia, w ciągu następnych kilku lat planuje się zwiększenie czułości aż dziesięciokrotnie. Można by dla zmyłki umówić się z kolegą zza oceanu, żeby kichnąć bądź klasnąć jednocześnie, panowie z LIGO będą mieli pełne ręce roboty ;)

5. Eksperyment za miliard dolarów, a ludzie głodują.

Czyli - po co nam to wszystko?

Potwierdzenie istnienia czarnych dziur.

Czarnych dziur nie da się wykryć bezpośrednio, ponieważ nie emitują one światła, są kompletnie 'czarne'. Za to wytwarzają fale grawitacyjne, jak przy omawianym powyżej zderzeniu. To pozwala w sposób pośredni potwierdzić ich istnienie, które, wbrew pozorom, nie jest takie oczywiste.

Astronomia oparta na falach grawitacyjnych.

To tak jakby nie oglądać Wszechświata, tylko go nasłuchiwać. Można stwierdzić, czy dwie czarne dziury, zderzając się, produkują nową. Można obserwować wybuchy supernowych, a właściwie 'słuchać', okrążające się pulsary, wiedzieć, czy to kichnął sąsiad, czy zderzyły się kosmiczne monstra ;) Kiedy Galileusz wycelował pierwszy teleskop w niebo, zobaczył Księżyc i planety. Gdy wynaleźliśmy teleskopy radiowe, UV i rentgenowskie, za każdym razem otwierało się nowe okno na Wszechświat. Podobnie jest w przypadku fal grawitacyjnych, jeszcze nawet do końca nie wiadomo, co możemy odkryć.

6. Czy Einstein strzelił samobója?

Mówi się, że LIGO i podobne eksperymenty z falami grawitacyjnymi (jak np. LISA Pathfinder - satelita, który ma również wykrywać fale) otworzą drzwi do podważenia ogólnej torii względności Einsteina. 100 letnia teoria opisująca skale astronomiczne na razie wytrzymuje próbę czasu, jednak nadal zciera się z mechaniką kwantową, która rządzi światem subatomowym. Wiadomo, że któraś z nich jest błędna, jednak wszystkie te potyczki doprowadzą do opracowania nowej teorii, która będzie bardziej kompletna. Fale grawitacyjne to fizyka doświadczalna, która wyrosła na teorii z ubiegłego wieku. Nic innego jak doświadczenie nie zweryfikuje lepiej ogólnej teorii względności, która, jak się spodziewa, może mieć pewne luki. Czyżby Einstein przewidział coś, co doprowadzi do upadku jego myśli po 100 latach? Czas pokaże.

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