#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