#31 Kwanty do Przedszkola, czyli Jak Uproszczono Fizykę

0. Wstępniak także uproszczony.

Fizyka kwantowa.

Na sam dźwięk tego pojęcia siwieją włosy dwudziestolatkom, wypadają zęby trzydziestolatkom, a czterdziestolatkowie w popłochu wspinają się na drzewa, banany się prostują.

Dlaczego?

Dualizm korpuskularno-falowy, zasada nieoznaczoności Heisenberga, Wielki Zderzacz Hadronów, doświadczenie z dwiema szczelinami (czyli Doświadczenie Younga. A, zapomniałem. Młodzi starzeją się o co najmniej sto lat), superpozycja...

Można wymieniać i wymieniać, a siwych włosów przybywa, ubywa zębów, rosną brody i przybywa lasek. Tych kijkowych.

Jak to ogarnąć? Jak to zrozumieć nie wpędzając się do grobu? Chciałbym powiedzieć: czytajcie Fizykę dla Laika... Ale, niestety, nie mogę, bo na pewno część z moich początkowych odbiorców już nie żyje...

Dobra, żarty na bok. Oto sposób.

1. Requiem, czyli miłe złego początki. Chciałbym napisać 'dobrego', ale muszę uhonorować moich pierwszych czytelników.

Niespodzianka. Fizyka kwantowa okazuje się mniej skomplikowana, niż można sądzić. Międzynarodowe grono badaczy wykazało, że dwa z pojęć, które są flagowymi okrętami flotylli o nazwie 'Fizyka Kwantowa' to tak naprawdę manifestacja jednej cechy, ujęta w dwojaki sposób.

Ha! Czyli mamy superpozycję! Jedna rzecz jako dwie! Niestety! =]

To był ostatni żart, obiecuję ;)

Wyniki zostały ogłoszone 19.12.2014 roku czasopiśmie 'Nature Communications'. Grupa badaczy: Patrick Coles, Jędrzej Kaniewski (Polak w Singapurze, brawo nasi) oraz Stephanie Wehner dokonali epokowego odkrycia, które zapisało się na konto 'Ośrodka Technologii Kwantowych' Uniwersytetu Narodowego w Singapurze (brawo Jędrek, przede wszystkim).

Wykazano, że dualizm korpuskularno-falowy i zasada nieoznaczoności Heisenberga są manifestacją tej samej cechy świata kwantów. Oto, jak tłumaczy owo odkrycie Stephanie Wehner:

'Związek między zasadą nieoznaczoności Heisenberga a dualizmem falowo-korpuskularnym [kojarzy się z muskularnym, wiem, ale zmilczę] jest zupełnie naturalny, kiedy potraktuję się oba zagadnienia jako pytania dotyczące informacji, jakie możemy zebrać o układzie. Naszym sukcesem jest spojrzenie na fizykę jako na dziedzinę, która zajmuje się właśnie informacją. To jej najsilniejszy aspekt.' Wehner to holenderka z QuTech, ma stopień profesora nadzwyczajnego na Politechnice Delft w Holandii. Możemy jej wierzyć.

 2. Ale co tak naprawdę jest grane i dlaczego mamy wierzyć?

Zanim rozpieję się na temat, jakie to wspaniałe odkrycie, bo tak jest w istocie - może ono rzucić światło na mroki fizyki kwantowej o której wiemy, że działa, wiemy też jak, ale już nie bardzo - dlaczego działa... Parę słów objaśniających. Na razie wiedzmy tyle, iż dzięki wesołemu gronu badaczy z Uniwersytetu w Singapurze dualizm korpuskularno-falowy może zyskać nowe zastosowania.

Okej, rzucam tymi nazwami: muskularny, nieoznaczony, Hajzerberg, ale co to toto?

2a. Dualizm korpuskularno-falowy. Dla Laików.

To pojęcie oznacza, w sporym uproszczeniu, że obiekt kwantowy, taki jak np. atom, cząsteczka węgla lub pojedynczy elektron (oraz wiele innych) może zachować się jak fala (wyobraźcie sobie siebie samych, wpisujących w Google słowo 'sinusoida' - to właśnie jest fala w ujęciu kwantowym. Nie wy, tylko ta 'sinusoida';)), ale nagle ta cząstka przestaje być falą, kiedy próbujecie określić jej dokładne położenie! To czysta magia, ale taka prawdziwa, bo właśnie tak, jak opisałem, zachowują się cząstki podlegające prawom fizyki kwantowej :)

Nieźle obrazuje ów aspekt tzw. Doświadczenie Younga (link), kiedy pojedyncze cząstki są wystrzeliwane jedna po drugiej w kierunku ekranu zawierającego dwie wąskie szczeliny. Następnie, cząstki wpadają na coś, co możemy nazwać 'detektorem'. Najlepsze w tym wszystkim jest to, że kiedy próbujemy podejrzeć, przez którą szczelinę przeszła cząstka, na detektorze otrzymujemy obraz w postaci dość losowo rozstrzelonych kulek. Czyli - kiedy chcemy wykryć cząstkę, elektron 'mówi nam' - "tak, przeszedłem przez szczelinę nr 1 i zachowałem się jak cząstka". Jednakże kiedy nie próbujemy zobaczyć, którą drogę obrał obiekt kwantowy, na detektorze pokazuje się tzw. obraz interferencyjny, a taki powstaje, kiedy fale [te sinusoidy] się na siebie nakładają. A to oznacza, że elektron przeszedł przez szczelinę jako... fala. A teraz - jeszcze jeden rzut oka na ekran, bo jakże to tak, raz jak cząstka, raz jak fala, w zależności od tego, czy patrzymy? A skąd, do ciężkiej cholery, elektron 'wie', że patrzyliśmy? Zaczynamy obserwować ekran z dwiema szczelinami - obraz interferencyjny na detektorze... znika. Znowu jak cząstka.

Wiemy, że działa. Wiemy jak działa. Nie wiemy dlaczego działa. Fizyka kwantowa.

2b. Zasada nieoznaczoności Heisenberga.

Ta zasada mówi, że niemożliwe jest, aby poznać dwie specyficzne ze sobą skorelowane cechy obiektu kwantowego jednocześnie, z dowolną dokładnością.

Chociażby - im bardziej precyzyjnie znamy położenie atomu, tym mniej dokładnie możemy określić jego prędkość, gdy się porusza (link).

To ograniczenie jest nałożone nie przez dokładność naszych przyrządów pomiarowych, tylko, niejako, na poziomie fundamentalnych aspektów natury...

To dziwne, prawda? Fizyka kwantowa mówi nam po prostu, że najbardziej podstawowe prawa przyrody są ulotne i z zasady... niepoznawalne.

3. Upragnione uproszczenie. Dzięki, Jędrek i s-ka! =]

Nowe opracowania dwóch przedstawionych przeze mnie aspektów fizyki kwantowej wprowadzają nowe pojęcie:

'Wiedza, jaką możemy uzyskać o tym, czy obiekt kwantowy jest cząstką czy falą, jest tak samo skorelowana, jak w klasycznej zasadzie nieoznaczoności Heisenberga'.

Czyli - im lepiej poznajemy aspekt korpuskularny cząstki, tym mniej informacji mamy o jego falowej naturze.

Kolejne czyli - no, w dużym skrócie, bardzo prosto - im bardziej obiekt kwantowy jest falą, tym mniej cząstką. I na odwrót!

Coles: 'Byliśmy wiedzieni od początku XX wieku pewnym przeczuciem, że coś podobnego może być prawdą' [mowa oczywiście o pracy zespołu Coles/Kaniewski/Wehner]. Coles pochodzi z kraju Klonowego Liścia i zajmuje się Informatyką Kwantową.

Można stworzyć równania, które bardzo dokładnie opisują, jaka ilość informacji jest dostępna o konkretnej cesze, gdy mowa o zasadzie nieoznaczoności Heisenberga. Zespół Coles/Kaniewski/Wehner odkryli także, że cały aparat matematyczny stosowany do opisu dualizmu korpuskularno-falowego może być użyty w kontekście obliczeń wielkości skorelowanych w zasadzie nieoznaczoności!

Fajnie, fajnie. Ale co to oznacza dla nas, Laików i Tłuków?

Całe doświadczenie mówi, że dokonano niejako syntezy zasady nieoznaczoności i dualizmu falowo-korpuskularnego, że to dwa aspekty tego samego zjawiska przyrody i że można użyć matematyki z zasady Heisenberga do dualizmu.

4. Konieczny koniec.

Bo już późno, otwiera się noc, a sen podchodzi pod drzwi ;)

Zespół badaczy twierdzi, że ich odkrycie może zdziałać wiele w zastosowaniu  tworzenia nowych protokołów kryptograficznych, czyli po prostu zostać użyte w technologii informatyki kwantowej, jeśli chodzi o kodowanie i zabezpieczanie danych komputerowych.

Co ciekawe, we wcześniejszych pracach Wehner i s-ka przedstawili dowody na związek między zasadą nieoznaczoności i innymi działami fizyki - tzw. zjawiskiem nielokalności drugą zasadą termodynamiki...

Łojoj! Toż niedługo okaże się, że wszystkie podręczniki do fizy w kosz bo mamy jedno prawo fizyki!

To żart, oby się nie sprawdził, ale ja jestem zszokowany. No, bo... jak sobie poradzą z tym nasi wydawcy elementarzy szkolnych, których wersje zmieniają się co rok! Będzie jedna książka. I będzie miała jedną stronę. I będzie na niej jedno Równanie.

Teoria, Kurde, Wszystkiego.

Dobrej! Bo nadchodzi czas ucieczki na out.

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

#30 Fale Grawitacyjne i Dodatkowe Wymiary - Komiczny Kosmos

0. Na dzień dobry.

Witam.

Trochę wody w rzece czasu upłynęło, ale nic nie szkodzi, prawda? Dalej głodni wiedzy?
Ja jestem głodny lania wody w tej rzece, mam nadzieję, że wy też macie ochotę na trochę humoru, fizyki i... to wszystko. To wszystko, co mam do zaoferowania. Mam nadzieję, że wystarczy.

Nie będę Was męczył hipotezami. Miałem zamiar pisać o gwiazdach hipotetycznych, jakichś tam czarnych karłach, gwiazdach żelaznych i innych pierdoletach, ale postanowiłem postawić na coś konkretniejszego.

Fizyka doświadczalna. Oczywiście, będzie mnóstwo o kwantach, liźniemy też lizaka astrofizyki, ale wszystko oparte na doświadczeniach, badaniach prawdziwych fizyków, a nie wodolejstwo z różnych szemranych źródeł. Źródeł czasu. Wody czasu. Rzeki czasu. Ale się poeta ze mnie zrobił. Ale to nie jest takie najgorsze, wiecie? Poeta też czasem dobrze o fizyce plecie ;)

I do tego rymuje.

Dobra, żarty na bok, lecimy z koksem.

1. Fale grawitacyjne - oto w jaki sposób mogą dostarczyć informacji na temat dodatkowych wymiarów przestrzennych.

No, nie tak od razu.

Oczywiście, na początek trochę od rzeczy, potem do rzeczy. Do tego przecież jesteście przyzwyczajeni ;)

Nie będę zdradzał już na początku, czy zabił leśniczy... To znaczy, czy fale grawitacyjne dostarczyły dowodu na istnienie dodatkowych wymiarów. Bo wtedy nie musielibyście czytać wszystkiego, tylko zatrzymalibyście się tutaj i zrobili mnie w konia. Ja chcę trochę napleść od rzeczy, żeby się i Was zabawić. To znaczy, bawimy się  w kotka i myszkę. I leśniczego. Leśniczy poluje na mnie, ja na Was, a Wy... Macie przechlapane! Czytać, leniwi Laicy ;)

No i teraz ja robię Was w konia, nie powiem, nie powiem! Powiem w ostatnim rozdziale tej epopei fizycznej, ale uprzedzam, że warto. Wciągniecie się w tę opowieść jak w najlepszy thriller, zdradzę tylko, że będzie o grawitacji, oraz o tym, dlaczego jest najsłabszą z sił fundamentalnych.

Mnie temat grawitacji zawsze ekscytuje, zboczeństwo matematyczno-fizyczne, wiem, ale do sedna.

2. Zderzenie dwóch gwiazd neutronowych i co za tym idzie.

Pierwsze wykrycie fal grawitacyjnych zdarzyło się naukowcom z LIGO (link) w roku 2015. Doniosłe wydarzenie, nie ma co. Prawie jak śmierć Hanki z Klanu, czy tam z innego em jak miłość. Prawie.

Trzech fizyków dostało wtedy za to nagrodę Nobla. Bo to właśnie trzech fizyków zabiło Hankę z em jak miłość. Ja bym im dał nawet złoty medal olimpijski.

Ha. Tu Was mam. Dostali nagrodę za odkrycie fal. Na pewno daliście się nabrać z tą Hanką.

W roku 2017 zderzyły się dwie gwiazdy neutronowe, w przeciwieństwie do roku 2015, kiedy kolidowały dwie czarne dziury. Różnica polega na tym, że rok 2017 i gwiazdy neutronowe dostarczyły także danych z teleskopu konwencjonalnego, a nie tylko z interferometru LIGO.

Już tłumaczę. LIGO to interferometr i pozwala on wykryć fale grawitacyjne, zmarszczki czasoprzestrzeni. Zwykły teleskop wykrywa obraz bardziej bliski temu, co widzą nasze piękne oczęta. Fale elektromagnetyczne - światło widzialne.

Można porównać interferometr do czegoś w rodzaju podsłuchu Wszechświata, podczas gdy teleskop to zwykli podglądacze i ich narzędzia zbrodni. LIGO to ucho na Wszechświat, teleskop oko.

Myślę - Oko. Dlaczego Oko? Czemu nie nos zamiast oka? Co jest nosem na Wszechświat? No, tego moi Drodzy Laikowie nam jeszcze brakuje, ale przecież to my mamy nosa i intuicję, żeby czytać dalej, po tym, jak wyżyłem się na Was moimi suchymi jak nos chorego pieska żartami. Ale musiałem! Dawno nie pisałem, stąd te pierdolety.

3. Jednoczesność informacji oknem na dalsze i bogatsze niż dane z samego LIGO rezultaty obserwacji.

2017 - to pierwsze takie wydarzenie, kiedy otrzymano jednocześnie dane grawitacyjne i elektromagnetyczne, z dwóch teleskopów - konwencjonalnego i interferometru.

Trochę teorii i przejdziemy do wisienki na torcie - czyli kwestii słabej grawitacji.

Teoria względności Einsteina świetnie opisuje nasz system słoneczny, jednak w miarę, jak poznawaliśmy dalsze rejony Wszechświata, pojawiały się kolejne niewiadome. Dwie z nich są gigantycznie niepokojące, bo nijak nie da się znaleźć na nie odpowiedzi, dopiero LIGO, czyli detektor fal grawitacyjnych, dał cień szansy na wyjaśnienie owych kwestii.

Te kwestie to ciemna energia - rzekoma siła, któa napędza ekspansję (rozszerzanie się Wszechświata), oraz ciemna materia - główny składnik budowy Wszechświata, procentowo znacznie przewyższająca udział zwykłej materii.

Naukowcy gryźli się z opisanymi wyżej pojęciami jak pies z czarnymi kotami. I to z dwoma! A my, małe fizyczne myszki, spijamy śmietankę i czytamy sobie o owych perypetiach.

Na początek wielka bomba. Alternatywa była potrzebna, bo teoria względności Einsteina nie uwzględniała ciemnej materii i energii, które, wiemy to prawie na pewno, brakuje jedynie bezpośrednich dowodów, istnieją; dlatego...

Co zrobili fizycy? Dodali sobie dodatkowy wymiar przestrzenny. A co! Nie wolno im? Im wolno, my mamy ubaw. Bo dodatkowy wymiar przestrzenny, proszę Państwa, to jest to, co Laicy i Tłukowie lubią najbardziej (link).

4. Słaba grawitacja i dodatkowy wymiar przestrzenny.

Istnieje teoria, która tłumaczy, dlaczego grawitacja jest tak słaba w porównaniu do trzech pozostałych sił fundamentalnych.

Niestety, teoria ta zakłada istnienie dodatkowego wymiaru przestrzennego, na co z kolei nie ma dowodów. Dlatego to tylko teoria ;) Ale jest świetna! Czyż cztery wymiary przestrzenne nie są super? Zawsze to lepiej, niż tylko trzy, bo więcej ;)

Grawitacja, rzekomo, jako jedyna siła ma możliwość przemieszczania się między trzema wymiarami kartezjańskiego układu współrzędnych (wyskość, szerokość i długość - (x,y,z)) a czwartym, hipotetycznym. Ona po prostu 'wycieka' do czwartego wymiaru!

Możemy ową sytuację porównać do czterech rzek. Płyną sobie równolegle, prosto przed siebie, rzeka obok rzeki. Jednak jedna z nich, nazwijmy ją Grawitazonką, ma odnogę, która płynie na lekko na ukos.

Trzy rzeki pozostałych sił fundamentalnych mają (załóżmy, dla uproszczenia) jednakowo silny nurt, ponieważ płyną prosto przed siebie, trzy równolegle do każdej. Jednakże Grawitazonka oddaje część nurtu w poboczny odpływ, który ma kierunek skośny do jej nurtu.

I, mimo że Grawitazonka płynie także równolegle, jej nurt jest znacznie osłabiony przez oddanie części pływu do nurtu pobocznego, tego skośnego. Skośnookiego, nazwijmy ją nawet Grawitangcy, nieważne. Ważne, że nurt grawitacji oddaje część swojej intensywności w inny wymiar.

Zauważcie, że istnieje świetna analogia do wymiarowości w tych trzech rzekach równoległych, równoległej Grawitangcyzonki i skośnego nurtu. One wszystkie, oprócz odnogi ostatniej rzeki, płyną w jednym wymiarze - długości. Ponieważ płyną prosto przed siebie! Tylko odnoga grawitacji porusza się w dodatkowym wymiarze - szerokości.

Grawitacja ma rzekomo te zdolność poruszania się w dodatkowym wymiarze przestrzennym, przez co jest słabsza niż pozostałe siły fundamentalne. To bardzo ciekawa hipoteza.

5. Kolizja gwiazd neutronowych i dalsze wnioski z obserwacji.

Panowie Holz i Fishbach z Uniwersytetu w Chicago postanowili przetestować teorię dodatkowego wymiaru przestrzennego i słabej grawitacji na bazie zderzenia gwiazd neutronowych i dwóch źródeł danych - detektora fal grawitacyjnych i konwencjonalnego teleskopu.

Fale grawitacyjne z LIGO to jedno źródło danych, fale elektromagnetyczne to całe spektrum fali elektromagnetycznej: fale gamma, promienie X (niestety, nie mają związku z X-men, czego osobiście bardzo żałuję ;)) fale radiowe, oraz zwykłe fale optyczne i podczerwone.

Poprzez porównanie obu źródeł danych można było wyliczyć, jak silne powinny być fale grawitacyjne, aby zgadzała się teoria o dodatkowym wymiarze przestrzennym i słabej grawitacji. A wszystko dzięki jednoczesnej detekcji fal elektromagnetycznych, które były podstawą do wyliczeń oczekiwanej intensywności fal grawitacyjnych...

No, i... wielkie rozczarowanie. Okazało się, że fale grawitacyjne były silniejsze, niż oczekiwano, a to oznacza, że upadła teoria o dodatkowym wymiarze przestrzennym i grawitacji 'wyciekającej' do niego. Słaba grawitacja nadal pozostaje zagadką.

Dlaczego można być pewnym? Ponieważ na długości 100 milionów lat świetlnych, jakie dzielą nas od zderzenia dwóch gwiazd neutronowych, grawitacja musiałaby puścić farbę. To znaczy... =]

To za duża odległość, aby 'wyciek' do innych wymiarów nie mógłby zostać odkryty, jeśliby miał miejsce.

Wyobraźcie sobie dwie linie, na przykład linie boiska do piłki nożnej. Jedna linia boczna jest prosta, jak w mordę strzelił. Druga jest lekko krzywa, nie całkiem równoległa do drugiej... A teraz - w przypadku boiska do piłki nożnej ta 'nierównoległość' uszłaby płazem, bo boisko ma jakieś 100 metrów długości. Ale gdyby miało długość 100 kilometrów, dwie linie na pewno złączyłyby się i powstałoby... trójkątne boisko do piłki nożnej =]

Po prostu, im większa odległość, tym cecha bardziej wyraźna. Mały błąd przeistacza się w widoczną anomalię. Na krótkiej odległości jest niemal nie do wykrycia - grawitacja jest tak słaba, że za pomocą przyrządów pomiarowych na Ziemi nie jesteśmy, praktycznie, w stanie jej badać. Dość powiedzieć, że przy wyliczaniu efektów oddziaływań cząstek w LHC w Genewie jest pomijana! Dopiero w olbrzymiej skali, jaką dostarczyło LIGO i kolizja gwiazd neutronowych można było mówić o mierzalnych danych.

Niestety, przewidywania nie zostały potwierdzone. Grawitacja nadal jest zagadką. Do jej opisu muszą nam wystarczyć teorie Einsteina i Newtona.

I koniec =]. Zostajemy w trzech wymiarach przestrzennych i jednym czasowym.

I kropka.

A zabił leśniczy.

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

#29 RailGun, czyli 'Działo Kolejowe' =] Wakacyjnie!

0. Wstępniak bardzo mało naukowy.

Naszła mnie ochota na pisanie.

Mam labę od nauki, więc zaserwuję Wam coś lekkiego, ale pysznego jak koktajl bananowy. Mam nadzieję, że banan się pojawi na Waszych Laikowo-Naukowych Twarzach. Chcecie Banana? Nie? 

To dostaniecie =]

1. The Mthafuckin' RailGun.

Skąd wziąłem pomysł? Z gry Quake2!!! =D

To nie są żarty. Taka Broń istnieje naprawdę. Oczywiście w fazach testów. W 1999 roku, gdy ukazał się Quake 2, dam sobie głowę uciąć, że ta broń była już w planach wojska. Wiecie jak to jest. Tajne przez poufne, super secret, wojsko nas oszukuje, teorie spiskowe, wirujące UFO za oknem ;)

Zaczniemy od gry, a potem zaprezentuję prawdziwego RailGuna.

W Quake2 rilgun to po prostu taki karabin snajperski. zdejmuje 100HP, czyli właściwie, kiedy zostaniesz trafiony 'na golasa', bez żadnej zbroi, masz dzwona na gębę, zgon =]

Promień RailGuna leci w nieskończoność. Nie ma przybliżenia, więc, teoretycznie, można kogoś zdjąć z dowolnej odległości.

Zostawia po sobie bardzo ciekawie wyglądający ślad. Zobaczycie na fotosach =D

RailGun pojawił się także w Quake3 i QuakeLive, jednak został osłabiony, ze względu na zabójczą skuteczność. Powiadam Wam, oglądałem niesamowite prezentacje umiejętności pro graczy, robi wrażenie.

2. Bam! Teraz do Rzeczy. Prawdziwy RailGun.

Jest o niebo lepszy niż ten z gry. To prawdziwie Zabójcza Broń, nie 1, nie 2, (do 3 nie wolno zliczyć ;)), a 888 ;]

W iNecie i i w prasie informacje o RailGunie zalęgły się około roku 2016 [ mogę mieć niedokładne dane, no przecież. Komu udało się ściągnąć cały Internet ;) ]. Stosunkowo niedawno.

Ta broń znajduje sie w fazie testów. To działo Elektromagnetyczne. Broń eksperymentalna. Wiadomo na kogo. Na Ruskich i Koreańczyków, tych z Północy! Chyba. A może na Polskę? Za to, że chcemy wiz? ;)

RailGun został stworzony z myślą o US Navy. Umiejscowiony ma być na lotniskowcach, do zdejmowania celów ziemia [woda?] - powietrze. 

Pocisk RailGuna, któy jest relatywnie tani w produkcji, porusza się z prędkością Mach 8 (8x prędkość dźwięku, około 7,000 km/h). Do wystrzelenia tego pocisku nie potrzeba prochu, chemikaliów, czarów-marów, hokusów-pokusów, czy oczu ślimaka, łez żaby i psiego łoju, wymieszanych razem w podczas 1 kwadry Księżyca po nocy świętojańskiej. Potrzeba tylko i wyłącznie - pola elektromagnetycznego.

Pomysł jest taki:

Ładunki prądu elektrycznego po obu stronach tzw. 'Szyn'. Prąd elektryczny wytwarza pole magnetyczne. Oczywiście, płynący prąd elektryczny. Elektromagnetyzm. Ładunki pola elektrycznego znajdują się po obu stronach lufy.

RailGun zazywany jest także działem szynowym', bo pocisk porusza się po szynach, niczym 'The Freight Train coming your way' [ponglish rulz].

Wiemy jedno. Wirujące pole elektryczne wytwarza pole magnetyczne. I odwrotnie.

Kiedy ładunki pola elektrycznego się nie poruszają, mamy do czynienie z polem elektrostatycznym.

Ale. Ale, ale, ale. Zawsze jest jakieś ale. Ruchome pole elektryczne wytwarza pole magnetyczne i to napędza nasz pocisk! Nic szczególnego się nie dzieje, tyko siła elektromagnetyczna wypycha pocisk [ no, pociska zdrowo ten pocisk ;) ] do przodu.

Szyna-pocisk-szyna. Siłą elektrodynamiczna stara się rozsunąć szyny i wyrzucić pocisk. Szyny są twarde jak adamantium [pozdro Wolverine], więc cała energia idzie w pocisk.

3. Wisienka na torcie czyli -100hp.

Pocisk. Nie ma w nim żadnego ładunku wybuchowego. Nic! To nawet nie jest kapiszon. Wystarcza...  energia kinetyczna, czyli energia ruchu! 8x prędkość dźwięku. To tak, jak Maślana we Włatcach Móch zabił pana Saaito drewnianym mieczem. Ale samuraj! ;)

Pocisk waży 2kg, a energia rzędu 2 MJ [dwóch mega żuli, jeden kupuje bułkę, drugi denaturat, kładą się na torach i mają działo kolejowe. Działają panowie. Kierowniku... ;) ] wystarczałaby do niszczenia celów.

Pocisk. W momencie zderzenia z celem uwalniałby chmurę  kul, dewastując cel/ Putina, Kim-Ir-syna, Konfucjusza, Aleksandra Macedońskiego i cholera wie kogo. Prezydenta Burkina Faso?? Bez oszustw. Kto wie, jaka jest stolica Burkina Faso? Bez iNetu.

I tak wiem, że oszukacie =] Rozwiązanie zagadki na końcu popłuczyn nauki ;)

Zasięg Działa? 300 mil morskich [Pińcet kilometrów około]

Jedno ale - zasilanie... 15MW mocy. To dużo. Więcej, niż dużo. To jeden z problemów działa kinetycznego, problemów, któy uniemożliwia stosowanie go na Kim-Ir-Senach. I Lechach Wałęsach. Prezydentach Władców Galaktyki. Tyranów, którzy mają sny o potędze [A co tam, panie, w polityce? ;) ]

4. Wisienka zjedzona. Warto było.

Jeden strzał i marynarze nie mają światłą w kajutach. Czytają przy świeczce. Co? Oczywiście Fizykę dla Laika, czyli Naukę dla Tłuka.

Wagadugu! =]

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

#28 Słońce na Ziemi, czyli Zimna Fuzja

0. Wstępniak. Energetyczny!

Witam wszystkich darmozjadów. Tylko darmozjady mają czas na czytanie kosmicznych, wątpliwej przydatności nowinek, jakie, niemal już co dzień, serwuje 'Fizyka dla Laika czyli Nauka dla Tłuka'.

Chciałem tylko napomknąć, że na fejsie jest Nas już równo 160, a wyświetleń mamy ~6000. Powoli stajemy się potęgą Internetu, już niedługo, jak przewiduję, zasypiemy świat wirtualny naszymi bzdetami, a cały Net będzie myślał kwantowo, tak jak my. Oczywiście oznacza to zagładę ludzkości, bo kto będzie wtedy robił obiady, pracował w fabrykach, sprzedawał bułki w sklepie, karmił gołębie?

Ano nikt. I do tego właśnie dążę, ja, mój blog, do zapanowania...

Przepraszam, rozpędziłem się. I zdradziłem plan zawładnięcia światem. Nieważne ;)

Tak naprawdę chodzi mi o poszerzanie horyzontów myślowych. Abyście, Drodzy Tłukowie i Laicy, nie tyle wiedzieli wszystko o kwantach, fizyce relatywistycznej czy gwiazdach neutronowych, tylko o to, abyście wiedzieli, że istnieje także niesamowity świat oprócz tego, który widujemy na co dzień. Nie sposób stać się fizykiem tylko z czytania bloga, bo ja też do tego miana nie aspiruję - brakuje mi akademickiej wiedzy. Ale za to, mamy przyjemność z czytania o rzeczach kosmicznych, a, jak pewnie wiecie, to, co staje się pracą, obowiązkiem, przestaje być już tak atrakcyjne. 

Jednym słowem - chcę rozczapierzyć Wasze mózgi i wnieść iskierkę zainteresowania fizyką :) Która jest świetna, ale w formie pasji - być może studenci fizyki nie są już tak entuzjastycznie do niej nastawieni. Radość maleje odwrotnie proporcjonalnie do ilości egzaminów ;)

Dziś będzie o Zimnej Fuzji. To coś, co daje olbrzymią ilość energii, działa na takiej samej zasadzie jak Słońce - łączy atomy wodoru w hel. Wodoru mamy pod dostatkiem - np. w postaci wody w oceanach. Energii z fuzji powstaje więcej (oczywiście udziałem procentowym masa -> energia) niż w reaktorach atomowych - jest to proces bardziej wydajny niż rozszczepianie atomów.

A więc - do rzeczy.

1. Źródła energii jako takie. Czyli - czym się obecnie karmimy.

Odnawialne źródła energii, takie jak energia słoneczna lub pochodząca od wiatru, ma coraz większy udział w ogólnej produkcji światowej energii. To nie nowina, bo źródła klasyczne, takie jak elektrownie węglowe, wykorzystujące paliwa kopalne, są bardzo szkodlwie dla środowiska. Potrzebujemy alternatywy. Stąd wiatraki i panele słoneczne.

Dlatego, kiedy udało się skonstruować elektrownie atomowe, wszyscy oszaleli ze szczęścia. Energia atomowa posiada wiele zalet i przewag nawet nad odnawialnymi źródłami energii. Kiedy nie świeci Słońce i wiatr nie wieje, zawsze możemy sobie rozszczepić atom czy dwa, i - bum! Jest prąd ;) Jednakże do rozszczepiania atomów potrzebny sa rzadkie metale, takie jak uran. Cały proces zrzuca nam na barki problem składowania radioaktywnych odpadów - produktów ubocznych w elektrowniach atomowych. Jest także kwestia kontroli nad całym systemem, czasem dochodzi do tragedii - i są to Tragedie przez duże Te, jak w Czarnobylu lub, niedawno, w Fukushimie.

Innym źródłem energii jądrowej jest tak zwana Fuzja Jądrowa. Łączenie, zamiast rozszczepiania, i do tego wodoru, a nie rzadkich metali, to praktycznie nieograniczone źródło czystej, a tak potrzebnej ludzkości masy pomnożonej przez prędkość światła (słynne E=m c ^2 = energia!).

Fuzja zasila Słońce od miliardów lat. I co? Świeci dalej! Energia słoneczna leci do nas 8 minut, pokonuje około 150 milionów kilometrów i daje nam życiodajne zasilanie. Jednakże, pomimo wielu wysiłków, nie udało się jeszcze stworzyć zamiennika Słońca na Ziemi - elektrowni fuzyjnej.

Jest taki żart, wymyślony dawno temu: 'ludzkość dzieli od zimnej fuzji 50 lat, i zawsze będzie dzielić' :)

Jednakże, obecnie, mamy powody sądzić, że już niedługo uda się dopiąć swego. Komercyjna Zimna Fuzja jest już w zasięgu ręki. Jak to możliwe?

2. Dlaczego Fuzja i dlaczego Zimna.

Zimna Fuzja to, na razie, hipotetyczna metoda połączenia dwóch jąder atomowych, którą dałoby się uzyskać w temperaturze o wiele niższej niż w znanych dzisiaj reakcjach termojądrowych.

Aby zfuzjownować dwa jądra atomowe, należy pokonać siłę elektrostatyczną (odpychającą) protonów. Potrzebna jest do tego spora dawka energii. Kiedy dwa jądra są dostatecznie blisko, silne oddziaływania jądrowe (jedna z sił fundamentalnych) zaczynają dominować nad elektrostatyką. Jądra muszą zetknąć się powierzchniami. Takie akcje są obecnie uzyskiwane jedynie w LHC (akcelerator cząstek - Wielki Zderzacz Hadronów w CERNie, Genewa), albo właśnie w tokamakach, gdzie wytworzona plazma ma parametry podobne do materii słonecznej.

Do takiego procesu niezbędna jest energia rzędu milionów stopni Celsjusza. I dlatego, jeśli uda się dokonać fuzji w warunkach znacznie chłodniejszych, będzie nazywać się Zimną.

Zimna Fuzja przewyższa wydajnością spalanie węgla... milion razy! Syntezuje się deuter, trwały izotop wodoru. Co to jest izotop? To sytuacja, kiedy mamy dziewczynę o imieniu Iza. Iza idzie na basen, ale nie umie pływać i się topi. Izotop. Google! ;) W reakcji jako produkt uzyskuje się izotopy helu lub tryt - inny izotop wodoru. Nie powiem, co to jest izotop. Nie. Jesteśmy Laikami i Tłukami, a nie Leniwcami i Ślimakami.

Synteza deuteru zachodzi w Słońcu. Chcemy jej na Ziemi! Wtedy wszystkie problemy energetyczne znikną jak makiem zasiał, pies pogrzebany, baba z wozu, zającom lżej. Przysłowia mieszają mi się z radości, że być może wszyscy zostaniemy uratowani i nie będziemy musieli produkować napędu warp {([klik]}) , aby zamieszkać na innej planecie ;)

3. A tak, to możliwe... ;) ITER!

Jednym z najjaśniejszych źródeł nadziei na Zimną Fuzję na Ziemi to reaktor ITER w południowo-wschodniej Francji. Mówi się, że zacznie on produkować energię z fuzji już około 2040 roku.

Działanie ITER opiera si ę na tzw. 'tokamaku' - komorze próżniowej w kształcie torusa. Czyli pączka. Oponki, z dziurą w środku. Faworka już nie ;) Nie idźmy tym tropem, bo robię się głodny ;)

Jego konstrukcja osiągnęła już połowę drogi. Ma rozmiar około 20 metrów. Wyobraźcie sobie, ile czasu można by jeść takiego pączka! (jak tak dalej pójdzie, idę do sklepu. Albo zacznę produkować Tokamączki - 20 metrowe pączki ;))

Nadal istnieje wiele problemów inżynieryjnych związanych z ITER i jego w pełni wydajnym działaniem. Kłopotem jest m.in. to, jak zbudować ściany reaktora, które wytrzymałyby temperaturę obecną w tokamaku - 150 milionów stopni Celsjusza. To 10 razy goręcej, niż w środku Słońca.

Nadal nie rozwiązano także kwestii wytworzenia nadprzewodnikowych materiałów (czyli takich, które przewodzą prąd bez oporu elektrycznego; ciężka sprawa, mówię Wam. Ostatnio próbowałem stworzyć nadprzewodnik w piwnicy i wróciłem do domu z nową fryzurą ;) to żart, oczywiście ;)), które mogłyby wytworzyć potężne pole magnetyczne, potrzebne do utrzymania reakcji fuzji w jednym miejscu.

ITER to przedsięwzięcie międzynarodowe o budżecie > 14 miliardów dolców... Ale nie jest on jedynym projektem, który ma sprowadzić Słoneczko na Ziemię.

4. Inne Ziemskie Gwiazdki.

Jest parę innych reaktorów Zimnej Fuzji na planecie Ziemia, trochę mniejszych niż ITER, ale równie interesujących. Na przykład: Lockheed Martin (to firma od samolotów) w USA (ci dzielni, wszystkowiedzący i wszystkoumiejący amerykańscy naukowcy... ;)), General Fusion w Kanadzie (chyba nie ma nic wspólnego z wojskiem i generałami) i Tokamak Energy w Wielkiej Brytanii (żeby Brytole mieli na czym smażyć frytki i rybę ;)).

Facet od Tokamak Energy w UK - David Kingham - rzecze 'Naszym celem jest stworzenie sieci energetycznej opartej na fuzji do roku 2030'. Odważnie rzecze.

Oddział Skunk Works (skunksy...) z Lockheed Martin mówi z kolei (oczywiście - cały oddział mówi, jednym chórem ;)), że pracują nad reaktorem fuzyjnym, który używa cylindrycznych pól magnetycznych, aby uzyskać reakcję fuzyjną - zamiast pączkowatego reaktora fuzyjnego, tego w ITER.

Również, planuje się zastąpienie zwykłych reaktorów jądrowych w okrętach wojennych i łodziach podwodnych (w żółtych też, jak najbardziej) - oraz, uwaga, w ciężarówkach - żeby mogły dowozić energię tam, gdzie jest potrzebna. Taki kramik z energią na kółkach ;) 100 megawatowy reaktor, który mieści się na tyłach ciężarówki (na pewno tam, gdzie przeważnie śpi kierowca ;)), może dostarczyć energii wystarczającej dla 100,000 ludzi. Całe moje miasto miałoby prąd z jednego tira :)

Inne projekty z Zimną Fuzją na czele, jak Wendelstein 7-X w Niemczech, używają alternatywy dla tokamaków - tzw. stellaratory (gwiazdaki? ;))Na razie, podobnie jak ITER, niemiecki reaktor jest wspierany przez międzynarodowe konsorcjum i jest w fazie eksperymentalnej.

5. I tyle o naszych agregatach.

Nie wiadomo jeszcze, który z projektów wychyli się na czoło i osiągnie sukces, cel - produkcję taniej energii elektrycznej dla całych rzesz zgłodniałych prądu ludzi. Jeśliby zadziałał, rozwiązałby problemy energetyczne całej planety, przy okazji będąc przyjaznym środowisku.

Miejmy nadzieję, że pozostałe zmiany i wyzwania dla inżynierów są już tylko kwestią czasu - wszystko na to wskazuje.

I czy nie lepiej pompować dolce w rozwój takich technologii, zamiast w zbrojenia? Wielu śmieje się, że pieniądze na naukę przeznaczane z budżetu to jak krew w piach, idą na marne. Jednakże czym jest nowy model śmigłowca wobec rozwiązania problemu energii na całym świecie, na całe lata?
Ale chłopcy, jak to chłopcy. Wolą kupić pistolet i bawić się w żołnierzy, niż przyczyniać się do rozwoju cywilizacji ludzkiej. 'Fizyka dla Laika czyli Nauka dla Tłuka' apeluje, aby chłopcy pozostali ze swoimi pistoletami na podwórku ;) Inwestujmy raczej w kujonów ;)

Słyszałem kiedyś ciekawe zdanie: 'Dzień, w którym naukowcy staną się popularni tak samo, jak celebryci, będzie dniem zwycięstwa rodzaju ludzkiego'.

Trafiony, zatopiony. Pif-paf! ;)

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

#27 Nadciekła Czarna Dziura, czyli Zabawy z Zimnym Bardzo Helem

0. Wstępniak, który niewiele wniesie, ale musi być ;)

A, witam.

To znowu Wy. Tłuczyska i Laiczyska, które trzeba oświecić, bo są tak żądne wiedzy, że dostaję już listy z prośbami o następne tematy. Naprawdę! Codziennie rano po moim parapecie chodzi parę gołębi pocztowych z liścikami. 'Chcemy coś o Szarych Dziurach', albo 'Gdzie się podziały skwarki i bizony', czy też 'Czy Ziemia jest płaska i dlaczego tak' ;)

Jesteście już tak zaawansowanymi fizykami, a korzystacie nadal z pocztowych gołębi? Znam osoby, które ich strasznie nie lubią, i gdyby Ta Osoba pisała zamiast mnie, z wszystkich tych gołębi zostałyby tylko pióra. Pozdrawiam Królową Gołębi, już ona będzie wiedzieć, o kogo chodzi ;)

Wydaje się Wam, że bredzę, i tak jest w istocie. Trzeba czymś zapełnić Wstępniak. Szanuję zieleń i gołębie, dlatego możecie nadal śmiało je wysyłać.

Dobra, dość tego kłapania dziobem bez sensu.

Dziś dowiecie się, jak w ultra-ekstremalnych warunkach nadciekły hel zachowuje się jak prawdziwa, choć mała, czarna dziura. To nie żart. Słyszałem o dźwiękowych czarnych dziurach, świetlnych też (< klik >), ale ta jest wyjątkowa, bo jest trwała.

Zaczynajmy.

1. Po kolei, czyli nawet trochę o entropii będzie.

Dokonano ostatnio bardzo dziwnego odkrycia. Przy badaniu nadciekłości (później wyjaśnię) wyszło na jaw, że te same prawa, które rządzą zachowaniem horyzontu zdarzeń czarnej dziury (czyli miejsca, poza którym nic już nie wróci, jeśli do niej wleci ;)), stosują się także do nadciekłego helu, w stanie płynnym, oczywiście. Hel to w warunkach temperatury pokojowej gaz, ale przy około 0 bezwzględnego (-273.15 st. Celsjusza) jest płynny. I porusza się bez tarcia! To znaczy, że gdybyście do zamiast porannej kawy pili ciekły hel (nie polecam, mogłaby to być ostatnia Wasza filiżanka w życiu), raz zamieszawszy, płyn obracałby się w nieskończoność. Zerowa lepkość.

Mówi się nawet, że owo zjawisko może być kluczem do zrozumienia Kwantowej Teorii Grawitacji (< klik >) - rozwiązanie jednego z najtrudniejszych problemów dzisiejszej fizyki teoretycznej.

Czarne dziury są dziwne. Oczywiście, mamy jeszcze Gwiazdy Dziwne, ale to nie to samo. I mamy  z nimi pewien problem. Ba, nawet Stephen Hawking siedzi w tym problemie, jego niepokoi on szczególnie. Kłopot polega na związek czarnych dziur z entropią.

Entropia to wielkość, która charakterzyuje cały Wszechświat, jak i pojedyncze, izolowane układy. Nie jest to proste pojęcie, bo zachacza i wbija się głęboko w termodynamikę, jednak nam wystarczy bardzo pobieżna informacja, w dużym uproszczeniu - entropia to miara nieuporządkowania ukladu. A właściwie, progres systemu z uporządkowanego do nieuporządkowanego. Jajko ma stosunkowo małą entropię w porównaniu do jajka rozbitego - które charakteryzuje się entropią większą - większy chaos. I podobnie, jak nie można poskładać jajka do kupy, tak entropia Wszechświata nie może samoistnie się zmniejszyć. Oczywiście, można włożyć pewną pracę w układ i przywrócić stan niższej entropii, ale naturalną (bez ingerencji z zewnątrz) koleją rzeczy jest entropia zwiększająca się. Temat rzeka, mówię Wam, ale nie wchodzimy w to. Na razie nie ma takiej potrzeby, ale jeśli zobaczę któregoś ranka gołębia z karteczką 'Entropia plizzzzzz', to się zastanowię ;)

I teraz ciekawsze, bo samo pojęcie entropii pewnie niewiele Wam mówi. Strzałka czasu.

To ona wskazuje kierunek od przeszłości do przyszłości, naturalny dla naszego Wszechświata. Jest ona zgodna z entropią, a właściwie pokazuje kierunek od mniejszej do większej entropii, od mniejszego do większego chaosu. Tak jest. Według fizyki podążamy naturalnym torem ku chaosowi...

2. Entropia, czarne dziury i Stefan Hawking (Jastrzębski? ;))

W latach .70 ubiegłego wieku Hawking i inny fizyk, Jacob Bekenstein, odkryli, że kiedy materia dostanie się poza horyzont zdarzeń czarnej dziury, dodawana jest pewna informacja 'do czarnej dziury'. Jest to pewna forma entropii. I ta entropia rośnie, wraz z powierzchnią horyzontu zdarzeń.

To dziwne.

Entropia nie zwiększa się wraz z objętością, tylko z polem powierzchni. 

Kiedy powięszysz rozmiar pudełka dwa razy, oczekujesz przecież, że dwukrotnie wzrośnie ilość informacji w tym pudle. Nie wystarczą przecież pomiary powierzchni, aby stwierdzić, ile jest informacji w środku.

Jednak czarne dziury właśnie tak ukazują swoją zawartość - ilość informacji w środku równa się nie jej objętości, a polu powierzchni. To bardzo sprzeczna, nieintuicyjna właściwość czarnych dziur, a, od niedawna także wiadomo - nadciekłego helu.

Taka sama zależność stosuje się do informacji kwantowej w nadciekłym... helu, oczywiście ;)

Hel ochłodzono do 2 stopni powyżej zera bezwzględnego, najniższej możliwej temperatury w naszym Wszechświecie. Przy takim wyziębieniu nawet najtwardsi Eskimosi wyliby z zimna, a pingwiny... Zostawmy to lepiej. Po prostu - zima stulecia.

Przy takich temperaturach zanika całkowicie lepkość płynu. Porusza się bez tarcia, może wirować w nieskończonośc po jednym zamieszaniu. Bez straty energii kinetycznej. Taki hel może także poruszać się wbrew grawitacji, w górę, po ściankach naczynia. W tych warunkach pojedyncze atomy przestają być odrębnymi cząsteczkami - stają się kwantowo splątane i są jakby jedną cząstką.

3. Superkomputery w służbie nauki, jeszcze nie kwantowe, ale bardzo szybkie.

W symulacji komputerowej uzyskano przejście helu w stan nadciekły. Otrzymano dwie powierzchnie - nadciekłą kulę, oraz otaczającą ją warstwę także nadciekłego helu. Nadciekły hel to, nadciekły hel tamto... Czy da się użyć jakiegoś zamiennika? 'Nadpłynny pierwiastek chemiczny o liczbie atomowej dwa'. Czy Wy też wolicie krótszą, acz powtarzającą się formę? To dobrze, że też tak. Jesteśmy Tłukami i Laikami, ale, na miłość Boską, nie masochistami ;)

Objętość kuli wewnętrznej zwiększała się, a badano ilość splątanej kwantowo informacji dzielonej przez dwa obszary.

W czarnych dziurach wygląda to tak: Obiekt wpada poza horyzont zdarzeń, zostaje tam, leci w dół, do osobliwości, jednak na powierzchni, na samym horyzoncie, pozostaje po nim informacja, kwantowo splątana. Entropia wewnątrz zwiększa się. 

W naszym nadciekłym helu powstał efekt taki sam, jak w przypadku czarnych dziur i horyzontu zdarzeń: ilość informacji splatanej kwantowo, dzielona przez obydwa obszary, była proporcjonalna do powierzchni nadciekłego obszaru, a nie jego objętości.

I teraz najlepsze: to zupełnie jak w hologramie. Trójwymiarowa objętość przestrzeni (wewnątrz czarnej dziury, oraz wewnątrz kuli nadciekłego helu) jest całkowiecie zakodowana na jej powierzcni, dwuwymiarowej...

To tak jakby... trójwymiarowy obiekt wpada poza horyzont zdarzeń i jest utracony na zawsze... Jednak został tak rozszczepiony, przesłany na dwuwymiarową informację, że z wiadomości o nim na powierzchni horyzontu zdarzeń można by go całkowicie odtworzyć... Czad! :)

Efekt ten przewidziano w teorii nadciekłości, jednak tym razem był to pierwszy, wprawdzie symulowany komputerowo, ale już zaobserwowany, naturalnie występujący stan materii.

4. I znowu kończymy poplątani... kwantowo :)

Splątanie kwantowe nie idzie w parzez ze standardowym modelem fizyki. Einstein bardzo mocno się mu sprzeciwiał, jednak dowiedziono, że faktycznie występuje w naturze. Splątanie, nie Einstein ;) Chociaż, w zasadzie, Einstein też... wystąpił ;)

Splątanie kwantowe to informacja spoza mechaniki klasycznej, dzielona przez cząstki o stanie kwantowym. Jest cechą charakterystyczną mechaniki kwantowej, która jest obca naszemu codziennemu doświadczeniu, w którym karty rozdaje fizyka klasyczna, newtonowska.

Im dalej w las, tym ciekawiej, jak mawiał klasyk. Nasza klasyczna teoria grawitacji opiera się dokładnie na kształcie, geometrii czasoprzestrzeni. Czyli, dobrze znamy tę pieśń: zagięta przez masę czasoprzestrzeń, niczym trampolina ogrodowa z kulą do kręgli w środku, wyznacza kształt, orbitę każdego ciała, które krąży w jej pobliżu. Nie siła, jaką przyciąga, na przykład Słońce - naszą Matkę Ziemię - Słońce zakrzywia czasoprzestrzeń, a Ziemia nie ma innego wyjścia, jak poruszać się po owej geometrii trampolinowej. Wpadnijcie kiedyś do mojego ogrodu, pokażę Wam trampolinę, kule do kręgli i inne dzikie historie ;) Oczywiście, jak tylko sprawię sobie ogród.

Jak doskonale wiedzą najwytrwalsi Czytelnicy (a jak nie wiedzą, dowiedzą się tutaj: <- klik -> ( nie wiem, czy to dostrzegacie, ale staram się Was zaskoczyć coraz to nowymi strzałkami 'klika'. Cóż za kreatywność, od samych podstaw ;)), zachowanie cząstek makro (gwiazdy, planety i inne kosmiczne wydarzenia) oraz mikro (bingo: oczywiście skwarki i bizony, a także cała gama wesołego ZOO cząstek elementarnych) jest skrajnie różne, toteż fizyka opisująca każdą z nich jest inna. Makro to teoria względności Einsteina, maluchy to oczywiście mechanika kwantowa. Trudno im się pogodzić, tym teoriom, dlatego nikomu jeszcze nie udało się ich scalić, ujednolicić, a w skrócie - stworzyć kompletnej Teorii Grawitacji Kwantowej.

Ale jak już się napatrzymy, a szczególnie mądrzy naukowcy, na hel nadciekły, zachowujący się jak czarna dziura, jest szansa, że ktoś w końcu wyciągnie oczywiste wnioski (dla kogo jak dla kogo, ale na pewno dla Tłuków i Laików ;)) i stworzy brakującą teorię - Teorię Wszystkiego.

To śmieszne, taka nazwa, Teoria Wszystkiego. Czyli co, opisuje jajko, którym rzucam z okna w przechodzącego człowieka, oraz tor lotu nietoperza w jakiejś zapyziałej jaskini? Proces myślowy Laika i drapanie się po głowie Tłuka, który doczytał aż do tego miejsca i nadal nic nie rozumie?

Tak, Moi Drodzy, Teoria Wszystkiego powinna być od Wszystkiego.

Żarty na bok. Teoria Wszystkiego to w założeniu kilka równań, które w sposób kompletny opiszą wszystkie cztery fundamentalne siły w przyrodzie. Tak zgrabne, eleganckie i proste, że mogłyby się zmieścić na podkoszulku. Tak powiedział kiedyś jeden fizyk, nie pamiętam który, ale nazwisko miał prominentne. Poważnie, fizycy tak to widzą. Jeśli coś nie jest eleganckie, jest dla nich do...

...zobaczenia w następnym odcinku 'Fizyki dla Laika czyli Nauki dla Tłuka'; :)

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

#26 'Kugelblitz Drive', czyli Czarnodziurowy Napęd Kosmologiczny

0. Wstępniaczysko.

Niezła grafika, co?

Pochodzi z filmu 'Event Horizon', w którym statek kosmiczny był napędzany czarną dziurą.

Fiu, fiu, filmy już nawet zrobili, a 'Fizyka dla Laika czyli Nauka dla Tłuka' zajmuje się tym dopiero teraz? Przepraszam za opieszałość. Powinienem zacząć pisać w latach .90. A teraz - można spokojnie oskarżyć mnie o wtórność.

Jednak mam w zanadrzu garść teorii na temat silnika czarnodziurowego, których nie było w filmie. Ha! 1:1, ' Event Horizon' ;)

Film ma tę przewagę, że zwizualizował to, jak może wyglądać silnik statku kosmicznego oparty na czarnej dziurze. Jednak z tego, co pamiętam, nie było tam wyjaśnione, jak takie ustrojstwo może działać. Dlatego przygotowałem szczyptę teorii, znalezioną gdzieś w Internecie, która do spółki z obrazkiem da nam prawdziwie wirtualny silnik czarnodziurowy.

Kto nie czyta dalej, ten głupi! ;))

1. Lecimy na... czarnej dziurze.

Obecnie wydaje się, że przyszłość ludzkości jest zapisana w gwiazdach, ba, nawet można zaryzykować stwierdzenie, że nasza przyszłość jest w gwiazdach. Gdybyśmy się bardzo uparli, dysponujemy już nawet taką technologią, że za naszego życia (ok, za życia obecnych przedszkolaków) moglibyśmy zadokować już gdzieś w jakimś gwiezdnym, pozaziemskim układzie.

Naprawdę! Byłem wczoraj w siedzibie NASA i rozmawiałem z szefem wszystkich szefów, powiedział: 'Ta jest, panie Tomku, możemy wylatywać już jutro, ale gdzie się pan tak spieszy?' Naprawdę! ;)

Jakie są wymogi , aby zbudować takowy statek kosmiczny? I dlaczego nie widzimy jeszcze  dowodów na to, że gdzieś tam, w otchłaniach Kosmosu, są jakieś galaktyczne imperia? Czy nasza galaktyka jest usiana cywilizacjami, które zamieszkuję jedynie pojedyncze planety, i po prostu siedzą cicho? Czy, naprawdę, to takie trudne, aby skolonizować inne systemy gwiezdne?

Już teraz mówi się o technologiach, które mogłyby zabrać nas do gwiazd. Jest wiele projektów, w większości czysto teoretycznych, ale i dających wiele nadziei. Jest na przykład napęd Em-Drive, mający działać jedynie dzięki energii elektrycznej. Mamy tunele czasoprzestrzenne (hipotetyczne, oczywiście), tak jak w filmie 'Interstellar', jest także napęd warp (< klik>) - zaginający czasoprzestrzeń.

Nie oszukujmy się. Wymienione wyżej napędy to melodia przyszłości. Pierwsza wycieczka w gwiazdy raczej na pewno będzie opierać się na technologii, która będzie dostępna za naszego życia. Żadne tam warpy, EmDrive'y, tunele czasoprzestrzenne. To oczywiście przy założeniu, że jesteśmy optymistami i rozpatrujemy pozytywne scenariusze. A, wiadomo, nie każdy jest optymistą. Pesymiści siedzą w domu i oglądają seriale, a optymiści budują intergalaktyczny statek kosmiczny! ;)

Wybudowanie takiego statku kosmicznego wymagałoby zgodnej współpracy wielu tęgich mózgów, siły politycznej i kooperacji w dziedzinie finansów. Inna sprawa, że budowa kolonizatora galaktyk byłaby tak skomplikowanym i dużym, jeśli chodzi o rozmiar, przedsięwzięciem, że musielibyśmy tworzyć je na orbicie okołoziemskiej.

Powiedzmy, że znaleźliśmy Ziemię.2 w układzie Alfa Centauri, 4.4 lata świetlne od Ziemi. I, musimy tam polecieć, bo swoją planetę już tak zapaskudziliśmy, że musimy uciekać. Bo lada chwila wybuchnie, czy coś takiego. Nieważne. Ale musimy wiać. A, mam. Leci na nas asteroida K1 i zrobi nam łubu-du. I musimy naprędce coś zbudować. Największą sztuką byłoby to, żeby wybrać kompromis między prędkością statku (lepsza technologia=większa prędkość=długi czas budowy) a przewidywanym czasem jego konstrukcji (krótki czas konstrukcji=wolniejsza prędkość). Nie opłaca się wypuszczać wolnego statku, którego konstrukcja zajmie 20 lat, jeśli będziemy mogli za 50 lat zbudować prom kosmiczny, który dogoni ten pierwszy. Istnieje coś takiego, jak Kalkulacja Oczekiwania, taki balans pomiędzy szybkością statku a szybkością jego konstrukcji.

2. Czarna dziura w służbie ludzkości.

Ok, zdecydowaliśmy się. Nasz napęd będzie opierał się na czarnej dziurze. Pomijamy w/w statki, a także coś takiego, jak żaglowce na wiatr słoneczny.

Budujemy Silnik z Czarną Dziurą!

Dlaczego? Jak to, dlaczego? Bo jest najbardziej odjechany! ;)

Inna jego nazwa to Silnik Schwarzschilda-Kugelblitz. Jest to silnik, który jest zasilany sztucznie skonstruowaną czarną dziurą i jest zdecydowanie najszybszy.

Jednakże jest to czarna dziura zbudowana ze światła, nie z masy. Odpowiednia gęstość energii światła laserowego, skupiona na małym obszarze spowoduje zgniecenie tkaniny, struktury czasoprzestrzeni i wytworzy osobliwość - tzw. 'Kugelblitz' (z niemiecka 'piorun kulisty'). Taka czarna dziura, oczywiście odpowiedniej wielkości, promieniuje promieniowaniem Hawkinga jak szalona (jest to normalne promieniowanie każdej czarnej dziury, a właściwie jej 'parowanie'). Im mniejsza czarna dziura, tym silniejsze promieniowanie i, tym samym, lepszy napęd dla naszego statku kosmicznego. Idealna byłaby czarna dziura o masie około 600 miliardów kg, albo o wadze dwóch budynków Empire State. Obiekt ten miałby rozmiar... protonu!

Taka czarna dziura wyprodukowałaby około 160 petawatów energii, a to, w przeliczeniu na bardziej obrazowe jednostki, 10000 razy więcej niż cała światowa konsumpcja... :) Wyparowałaby po koło 3,5 roku. Trochę mniejsza wyparowałaby za szybko, za duża - za słabe promieniowanie i zbyt duży ciężar, aby napędzić statek kosmiczny.

Zakładając, że uda nam się wykorzystać większość promieniowania, takie zasilanie pozwoliłoby nam osiągnąć 10% prędkości światła w 20 dni, a potem jeszcze szybciej. Jest to najszybszy z teoretycznych napędów.

Jedyną jego wadą jest to, że laser, który by ją stworzył, musiałby być jeszcze potężniejszy niż sama czarna dziura. Ta technologia jest jak najbardziej realna, jednak bardzo odległa.

3. Niech czarna dziura będzie z Wami.

Co by nie gadać, taki silnik z czarnej dziury mógłby, poza dofrunięciem do gwiazd, pomóc rozwiązać problemy energetyczne naszej planety. Wyobraźcie sobie, że zamiast palić w piecu, rzucalibyście jakąś nieokreśloną masę do pieca z czarną dziurą. Z wyjątkiem, oczywiście, Czytelników z Krakowa i okolic. Wszyscy wiemy, że wrzuciliby śmieci ;)))

Panie i Panowie, dziękuję za uwagę i zapraszam na kolejny odcinek 'Fizyki dla Laika i Nauki dla Tłuka' - już niebawem!

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

#25 Piana Kwantowa, czyli Fizyczne Szuru-Buru

0. Wstępniak, coby wstąpić na wyżyny wyobraźni.

Witam Was!

Znów się widzimy, a raczej czytamy ;)

Co by nie gadać, czytamy się ostatnio dość często. Mam czas, pomysły wirują w głowie, więc nic, tylko pisać. Mam nadzieję, że jeszcze jedziecie ze mną tym pociągiem, w tunelu, na końcu którego iluminuje się światło wiedzy.

Nie chcę Was straszyć, ale dziś zejdziemy bardzo głęboko, prosto w fundamenty Rzeczywistości. Dotrzemy do nano-skali, w której załamują się koncepcje czasu i przestrzeni, zwyczajnie - przestają one mieć sens. Będzie to w okolicach skali Plancka, o której już pisałem > kilk < . Zobaczymy, z czego składa się nasz Wszechświat, co może leżeć u podstaw wszystkich procesów fizycznych. Rozpatrzymy także koncepcję, że najbardziej podstawowa struktura Rzeczywistości jest dyskretna, czyli ziarnista, czyli składa się z jakichś niepodzielnych, najmniejszych cegiełek.

Do rzeczy! Ptaki wracają z ciepłych krajów, więc my też wygrzebmy się z zimowych, ciepłych pieleszy i podążajmy ku wiośnie, ku światłu... Ale najpierw się umyjmy po zimowym zasiedzeniu, mydłem prosto od firmy Fizyka dla Laika czyli Nauka dla Tłuka, które pieni się... kwantowo ;)

1. Za królikiem, wgłąb nory.

Aby 'zobaczyć' Pianę Kwantową, musimy udać się w rejony, którymi rządzi mechanika kwantowa. To miejsce, gdzie obowiązują takie prawa, jak superpozycja (cząstka może przebywać w wielu miejscach jednocześnie, dopóki nie zostanie poddana pomiarowi, czyli obserwacji), oraz materia jest cząstką i falą jednocześnie. Dziwne? Dla nas tak, ale królicza nora rządzi się swoimi prawami. Świat kwantów jest sprzeczny z naszą codzienną intuicją. Ale dla hipotetycznych mieszkańców Kwantowej Krainy Czarów to, że coś nie ma dokładnie określonego miejsca w przestrzeni jest zupełnie normalne, tak jak dla nas to, że nie da się przejść przez ścianę. A w skali mikroskopowej da się, bo czynią to, na przykład, elektrony - w zjawisku tunelowania kwantowego ( > kilk < ).

Einstein proponował inny świat i teorię, która bardzo dobrze opisuje skale makroskopowe. Mówi ona, na przykład, że masa równa się energii, a sama masa zagina czasoprzestrzeń. Pomyślcie o kuli do kręgli na ogrodowej trampolinie, na jej środku, i macie już obraz jak masa wpływa na otaczającą ją przestrzeń i czas. I tak samo gwiazdy i planety - powodują, że czasoprzestrzeń wokół nich odkształca sie. Ale to już wiecie, moje Tłuczyska. Głupi nie jesteśmy, przynajmniej nie tak, jak przed powstaniem tego bloga. O! Mam powód, dla którego powinniście czytać dalej tego bloga: głupsi nie będziecie ;)

Słońce zakrzywia przestrzeń i czas wokół siebie i sprawia, że kula ziemska obiega ją po ugiętej trajektorii. Im większe obiekty, tym silniejsze ugięcie.

I teraz pierwszy krok w Krainę Czarownych Kwantów: jeśli przybliżylibyście obraz czasoprzestrzeni do najmniejszej możliwej skali (około 10^-33 metra - 0.000(...tutaj wstawmy 27 zer...)0001 metra) okazałoby się, że nie ma czegoś takiego, jak ugięcie. Nie ma czegoś takiego, jak ciągłość tkanki czasoprzestrzeni. Ujrzelibyśmy... Kwantową Pianę. Tak przynajmniej brzmi hipoteza.

2. Czym jest Piana Kwantowa? I, przede wszystkim, czy to się aby dobrze mydli? ;)

Teoria Kwantowej Grawitacji przewiduje, że czasoprzestrzeń jest wrzącą pianą malutkich obszarów, gdzie miniaturowe wymiary (tak, tak - wymiary przestrzeni zwinięte w siebie, widoczne jedynie przy odpowiednio małych skalach. Wyjaśnię to w punkcie trzecim) rozwijają się i zwijają w siebie same, w bardzo szybkim tempie pojawiają się i znikają. Te obszary wyłaniają się i nikną jak piana na świeżo nalanym piwie. Wiem, że pewnie wolelibyście pianę piwną niż kwantową, ale na razie zadowólmy się kwantową. Jak będzie cieplej, dołożymy procentów ;)

Nie istnieje coś takiego jak pusta przestrzeń!

Bardzo fajnie opisał to Eric Perlman z Florida Institute of Technology: ' 'bąbelki' w kwantowej pianie są kwadryliony razy mniejsze niż skala atomowa; pojawiają się na niewyobrażalnie małą ilość czasu - dosłownie, mają rozmiar Plancka i trwają przez czas Plancka (5,4 x 10^-44 sekundy... ło matko). Zwolennicy teorii strun dodają, że aby takie zachowanie struktury Rzeczywistości było możliwe, potrzeba sześciu dodatkowych wymiarów przestrzennych... [Wytłumaczę Wam zaraz na mrówkach jak to możliwe]. Czasoprzestrzeń, sama czasoprzestrzeń, fluktuuje nieustannie.' 

Co to jest fluktuacja? Jest to przypadkowe, niemożliwe do przewidzenia odchylenie od stanu 'normalnego'. Czyli, normalnie przestrzeń jest płaska, ale w pewien przypadkowy, nie dający się przewidzieć sposób, ulega zmianom. To tak, jakby za tym zjawiskiem stała jakaś niewiadoma, losowo działająca przyczyna; tak fundamentalna, że nie da się dotrzeć poza nią. Einstein dał wyraz złości wobec tej teorii mówiąc, że 'Pan Bóg nie gra w kości z Wszechświatem'. Sprzeciwiał się temu, że u podstaw wszystkiego leży losowość, niemożliwa do opisania jakimkolwiek wzorem czy bez żadnych prawidłowości, symetrii, czysty chaos...

I takie fluktuacje zachodzą podobno na najgłębszym poziomie Rzeczywistości, czasoprzestrzeń losowo fluktuuje czyli, po prostu, zmienia się, jak bąbelki na piwie.

Niestety, nie mamy dowodów na słuszność przypuszczeń teorii Piany Kwantowej. Nie posiadamy takiej technologii, która pozwoliłaby nam zajrzeć w głąb czasoprzestrzeni, do jej samego dna. Podejrzewamy, że jest ziarnista, dyskretna. Ale pewności nie ma.

3. Szuru-buru w kwantowym stylu ;)

Jeśli chodzi o koncepcję, najprostszą metodą na kwantowanie czasoprzestrzeni jest po prostu jej granulacja. John Wheeler, laureat Nagrody Nobla z dziedziny fizyki w 1965 roku za stworzenie relatywistycznej elektrodynamiki kwantowej (nie czas na bajanie o starych czasach więc utnę w tym miejscu ;)), stwierdził, że na najwyższym poziomie rozdzielczości, należy traktować czasoprzestrzeń jako dyskretną, ziarnistą. Użył stwierdzenia 'piana kwantowa'. Lecz pojawiło się pytanie: 'gdzie jest kwantowe mydło, które spowodowało powstanie kwantowej piany?!'. To ostatnie do oczywiście żart, cząsteczki się nie myją. 

Problem leży gdzie indziej: jak wymodelować dynamikę ziarnistej struktury czasoprzestrzeni tak, aby móc przeskalować ją na gładką, geometryczną formę teorii względności Einsteina? Czyli, po prostu, jak to się dzieje, że dyskretna natura rzeczywistości w skali nano tworzy wersję ciągłą w skalach relatywistycznych. Długoletnią zagadką jest też fakt, że dla skali mikro stosujemy zupełnie inne teorie opisujące zjawiska w niej zachodzące niż w sakli makro. Ale to już temat na inną bajkę ;)

Zagadnienia z ostatniego akapitu najlepiej tłumaczą dziś dwie teorie: pętlowa grawitacja kwantowa  oraz przyczynowa triangulacja dynamiczna ( > klik < ). Jednak daleko jeszcze do pełnego zrozumienia i ostatecznego modelu.

3.5. Mrówki? Mrówki! :)

Mrówki i zwinięte wymiary przestrzenne. 

Teoria strun zakłada, że istnieją dodatkowe, do naszych trzech, zwinięte wymiary przestrzenne. W sumie ma być ich 10. Teoria strun jest, na razie, niesprawdzona doświadczalnie, dlatego pozostaje czysto hipotetyczną tezą, zapisaną jedynie na kartkach i tablicach.

O co chodzi z tymi wymiarami, jak to możliwe, że są małe, i co to oznacza, że są zwinięte?

Wyobraźmy sobie widzianą z daleka linię energetyczną na słupie wysokiego napięcia. Z oddali wygląda na prostą linię, która ma tylko jeden wymiar - długość. Nie widzimy jej grubości, gdybyśmy nie znali linii z doświadczenia, być może stwierdzilibyśmy, że ma tylko jeden wymiar. Długość.

To z naszej perspektywy. A teraz, wyobraźmy sobie, że po tej linii idzie mrówka. Mrówka porusza się także po średnicy, przekroju linii, nie tylko wzdłuż. Z daleka widzielibyśmy tylko (o ile z daleka można dojrzeć mrówkę), że owad znika nam z oczu, jest zasłonięty, a ona po prostu idzie wzdłuż przekroju. Zbliżając nasze widzenie, w końcu dostrzegamy, że linia jest trójwymiarowa i oddajemy rację mrówce.

Tak właśnie jest ze zwiniętymi wymiarami przestrzennymi w teorii strun. Dopiero przy przybliżeniu dostrzegamy, że trójwymiarowa przestrzeń to tylko widok w skali makro. Dodatkowe wymiary są zwinięte i dostrzegamy je tylko przy odpowiednim przybliżeniu, tak jak linę - z daleka wymiar jeden, z bliska wymiarów trzy. Nawet mrówka może nas nauczyć fizyki ;)

4. I oto nadchodzi - doświadczenie, czyli eksperyment, nie zdziadziałość.

Naukowcy szukają potwierdzenia teorii Piany Kwantowej. Chcą udowodnić, że losowość faktycznie jest samą naturą wszystkiego. Najgłębszym i najbardziej fundamentalnym prawem.

Perlman i jego współpracownicy przeprowadzili pewien eksperyment. Obserwowali, przy pomocy promieni rentgenowskich i promieni gamma odległe kwazary (Google it! Dla nas nie ważne, co to jest, ale jeśliś głodny wiedzy, pędź na gogle, binokle, musztardówy ;)) w Obserwatorium Rentgenowskim Chandra, Kosmicznym Teleskopie Gamma Fermi oraz VERITAS (podobnież - obserwatorium).

Perlman: 'Ponieważ bąble te są tak małe i trwają tak krótko, być może nigdy nie zaobserwujemy ich bezpośrednio. Ale mogą wpływać na światło w bardzo interesujący sposób'.

Każda ścieżka fotonu byłaby trochę inna (gdyby istniała Piana Kwantowa), gdyby sama czasoprzestrzeń fluktuowała - wpływałaby na trajektorię fotonu. Oraz - odległości, jakie pokonują każde, pojedyncze fotony, byłyby inne.

Perlman: 'Fotony mają do pokonania olbrzymie odległości. To oznacza, że fluktuacje czasoprzestrzeni skumulowałyby się, ponieważ odległości są wielkie. Światło byłoby bardzo niezsynchronizowane. Aby utworzyć obraz z kolekcji takich fotonów, trzeba byłoby dysponować technologią, której obecnie nie posiadamy. To tak, jakby chcieć rozróżnić co mówi jedna osoba w tłumie gaworzących ludzi. Nie jest obecnie możliwe uzyskanie takiego obrazu.'

Jednym słowem - nie mamy potwierdzenia teorii Piany Kwantowej.

Nie załamujmy się jednak! ;)

Odkrycia Perlmana i jego zespołu dają trochę nadziei.

Perlman: 'Wydaje się, że czasoprzestrzeń jest ciągła, przynajmniej na poziomie około 1000x mniejszym niż rozmiar atomu, i musi być mniej 'spieniona', niż przewiduje większość modeli.'

4. Ale, ale!

Perlman: 'Dochodzenie nie objęło tak małej skali, jak skala Plancka. Dlatego wciąż mamy nadzieję na... bardzo małe bąbelki'.

Bąbelki może istnieją! Nie mówimy 'nie'. 

Mam nadzieję, że mój post przyniósł Wam trochę fluktuacji myślenia, koncentracji i uwagi. Teraz z czystym sumieniem można położyć się pod koc i dalej oglądać seriale.

W końcu mamy zimę. A w zimie mózgi rzadko fluktuują ;)

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

#24 Cztery De w Eksperymencie, czyli Poszlaki Czwartego Wymiaru

0. Wstępniak, po prostu Wstępniak, bez udziwnień ;)

Ano, witajcie.

Dziś jest sobota, a sobota to dobry dzień dla kota, szczególnie Schrodingera, który jest i żywy, i martwy, jasna cholera ;)

Zostawmy koty w spokoju, choć wiadomo nie od dziś, że to one rządzą czwartym wymiarem przestrzennym czyli wirtualnym królestwem Internetu.

Czwarty wymiar powraca, ale tym razem chciałem przytoczyć Wam eksperyment, już nie domysły a pewne doświadczenie, spoza którego wyziera na nas spojrzeniem pełnym pogardy wymiar numer cztery, oczywiście przestrzenny. Bo inny wymiar czwarty mamy - jest nim czas. Jednakże ja o przestrzennym chciałem Was potraktować. Dlaczego pełnym pogardy? A jak Wy patrzycie na mrówki, na przykład? Z pełną wyższością. I nie kłamcie, że nie ;)

Dobrze byłoby, gdybyście przeczytali moje wypociny w tym temacie > klik < - nie będę musiał zaczynać od zera. I, Tłuczyny moje, zrobię tak: nie będę się produkował o tym samym, se przeczytajcie, rozboli Was co najwyżej głowa, ale przybędzie szarych komórek, w najgorszym wypadku rozwiniecie nowe połączenia neuronowe.

1. No to do dzieła!

Na szczęście nie musimy wcale lubić mrówek, jesteśmy przecież fizykami, a nie biologami.

Niedawno dokonano pewnego odkrycia, które zamierzam przytoczyć. Przytaszczyć ;)

Jesteśmy przyzwyczajeni do trzech wymiarów przestrzennych i jednego czasowego. Jednak niedawno, przedzierając się przez chaszcze skomplikowanej warstwy teoretycznej i zahaczając o mechanikę kwantową, uzyskano pewne ślady wskazujące, że czwarty wymiar przestrzenny może istnieć.

Poprzez umieszczenie blisko siebie dwóch dwuwymiarowych, specjalnie zaprojektowanych struktur, dwa zespoły naukowców (USA, oczywiście! Ci dzielni, wszechwiedzący amerykańscy naukowcy ;) oraz europejscy.) odkryły ślady czwartego wymiaru przestrzennego. Dokonały tego wykorzystując tzw. kwantowy efekt Halla, o którym napiszę później (w tym tekście oczywiście, nie jutro czy za rok ;))

Mikael Rechtsman (którego dziadek służył wiadomo gdzie. Zapewne ;)) z Uniwersytetu Penn State zauważa: 'Fizycznie, nie mamy dostępnego systemu czterowymiarowego, ale mamy dostęp do kwantowej czterowymiarowej fizyki Halla, używając układu o niższej strukturze wymiarowej, ponieważ układ 4D jest niejako zakodowany w skomplikowanej strukturze badanych obiektów 2D'

I, kontynuuje ten pan: 'Być może będziemy w stanie wymyślić nową fizykę w wyższym wymiarze, a potem zaprojektować urządzenia, które wykorzystują fizykę 4D w przestrzeni o wymiarach niższych niż 4.'

Brzmi to wszystko dość enigmatycznie ale niesamowicie ciekawie. Sam jestem przejęty tym, co zaraz napiszę ;)

Bo, innymi słowy, zdania powyższe oznaczają, że tak jak obiekt 3D rzuca cień na płaszczyznę dwuwymiarową, tak naukowcy zdołali zaobserwować cień trójwymiarowy struktury czterowymiarowej - nawet jeśli nie byli w stanie dostrzec jej prawdziwego, czterowymiarowego kształtu.

2. Szczegóły, czyli sam miód ;)

Całe doświadczenie wymagało nie lada konceptu, zaprzęgnięto i wykonano obliczenia, za które w 2016 roku przyznano Nagrodę Nobla z fizyki. Wynikiem tych zabaw z cyferkami jest wniosek, że kwantowy efekt Halla wskazuje na istnienie czwartego wymiaru przestrzennego! Eksperymenty opisane powyżej dały nam obraz efektów, jakie czwarty wymiar przestrzenny może wywoływać.

Zespół europejski stworzył układ atomów schłodzonych do temperatury bliskiej zera bezwzględnego (-273.15 st. Celsjusza). Umieszczono je (atomy, nie naukowców) na siatce dwuwymiarowej za pomocą laserów. Z oczu ;)

Za pomocą dodatkowych laserów, zespół był w stanie wytworzyć kwantowe 'doładowanie' (dostarczenie energii do układu), aby wzbudzić uwięzione atomy i sprawić, by zaczęły się poruszać. I, teraz, bomba: pewne odchylenia od przewidzianej trajektorii bardzo dokładnie pasują do efektu, jaki wywołałby czterowymiarowy kwantowy efekt Halla. To bardzo mocny argument na to, że czwarty wymiar mógłby istnieć naprawdę.

Zespół naukowców z USA także użył laserów (poproszono Supermana, aby trochę poświecił oczami ;)), jednak ich doświadczenie polegało na kontrolowaniu laserami światła, które przemieszczało się przez szklany blok. Nie blok czteropiętrowy, nie mówię tu o szklanych domach niczym w 'Przedwiośniu', ale taki, po prostu, blok ze szkła. Ech. Wiem jak to brzmi, ale nie będę się powtarzał ;) 

Poprzez manipulację światła i symulując efekty, jakimi pole elektryczne wpływa na cząstki naładowane, znowu zaobserwowano, że zachodzą 4D-kwantowe efekty Halla.

3. I co dalej? I czym, do cholery, jest w końcu 4D-kwantowy efekt Halla, o którym tak tu się głośno trąbi?! :)

Niestety i oczywiście, nie mamy dostępu do tego 4D-świata. Utknęliśmy na dobrego w jedynie trzech przestrzennych wymiarach. Jednak naukowcy uważają, że mechanika kwantowa może nam pewien obraz świata 4D.

Wiecie co sobie myślę? 

Dlaczego mechanika kwantowa jest tak sprzeczna z normalną intuicją, taką intuicją dnia codziennego? Dlaczego rządzą nią tak dziwne prawa, jak superpozycja czy zasada nieoznaczoności?

Bo, być może, na poziomie cząsteczkowym, widzimy jedynie cienie cztero lub wyżej wymiarowych struktur... I nie mamy ich pełnego obrazu, bo nie możemy sięgnąć do perspektywy czterowymiarowej. 

Pewne rzeczy rodem z mechaniki kwantowej wydają się bez sensu, ale w życiu codziennym też napotykamy na takie sytuacje. Prosta sprawa - cień. Taki zwykły cień. Kiedy oświetlisz z tyłu np. pudełko zapałek, rzuca ono na ścianę cień - zwyczajny prostokąt. Na podstawie cienia nie możemy stwierdzić, co to tak naprawdę jest. Dopiero, gdy zobaczymy sobie pudełko w naszych trzech wymiarach, widzimy, czym rzecz jest naprawdę. Cień to tylko skrawek informacji nie daje nam pełnego obrazu istoty.

Podobnie z mechaniką kwantową. Możliwe, że widzimy tylko cienie 3D czterowymiarowych struktur, a na podstawie cieni nie możemy wysnuć prawdziwych wniosków o istocie rzeczy, które widzimy. Cieniami są dziwne zachowania cząstek, ale gdybyśmy mogli dostrzec ich prawdziwy, nie jedynie 3D-cieniowy obraz, wtedy wszystko byłoby proste jak strzelanie z procy.

To taka moja teoryjka, którą wymyśliłem naprędce.

Wszystko pięknie, ale...

4. Czym, do cholery, jest kwantowy efekt Halla?! ;)

Jest to zjawisko polegające na wystąpieniu różnicy potencjałów w przewodniku, gdy znajduje się w poprzecznym do płynącego prąd polu magnetycznym, jednak pole magnetyczne musi być silne a temperatura dość niska. Przewodnik najczęściej zawiera dwuwymiarowy gaz elektronowy.

Jednym słowem - wiele hałasu o nic, po prostu jedno ze zjawisk fizycznych, które można zaobserwować w dość ekstremalnych warunkach.

Gaz elektronowy? Dwuwymiarowy?

Jest to zbiór swobodnych elektronów walencyjnych, które poruszają się miedzy jonami.

Jonami?

Spadajcie! ;)

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