#19 Retroprzyczynowość, czyli czas zadziwia nas

0. Wstępniak Okolicznościowy.

Mamy piąteczek. Fajnie. Naprawdę! Można pójść do knajpy, można napić się czegoś z bąbelkami i %. Pewnie. Ale można także poczytać coś o fizyce kwantowej. 

To mi nasuwa pewne dwa powiedzonka.

A) "Dlaczego najczęściej 'trzeba spróbować w życiu wszystkiego' oznacza kokainę, amfę i wypić denaturat przez bułkę, a nie chemię molekularną i fizykę kwantową?"

B) 'Dziś wszyscy chcą być młodsi, bogatsi, silniejsi, piękniejsi, ale jakoś nikt nie chce być mądrzejszy'.

Oczywiście nie dotyczy to nas, Tłuków i Laików. My jesteśmy ambitnymi 10%, które nie idzie w weekend na potańcówę do remizy, tylko siedzi w domu i czyta o fizyce. I zadajemy kłam ironicznym powiedzonkom. Dobra, żartuję. Muszę się uwinąć przed wyjściem do knajpy, dlatego będzie szybko ;) Ale czaicie pomysł: na przekór wszystkiemu i wszystkim nie pójdę pić tylko poszerzę horyzonty! Hipsterstwo wśród hipsterów.

1. Wstępniak naukowy, czyli mamy czas, żeby dowiedzieć się czegos o czasie.

Jak zwykle, aby dojść do meritum, czyli jak to możlwie, że w świecie kwantów teraźniejszość może wpłynąć na przeszłość, muszę się naprodukować. Zacznę od samego początku i zadam Wam pozornie głupie pytanie, godne przedszkolakowego 'dlaczego woda jest mokra?' ;)

Czy czas ma kierunek?

Bardzo śmieszne. Czas to czas! Płynie sobie w tempie sekundy na sekundę. Tak bardzo go nie dostrzegamy i nie zastanawiamy się nad nim, że zapominamy, że jest to jeden z wymiarów czasoprzestrzeni, inny od trzech wymiarów przestrzeni. Bo czas to przecież taka strzałka - jeden wymiar i to jeszcze skierowany w jedną stronę, od przeszłości do przyszłości.

Kierunek czasu, asymetryczność czasowa, anizotropia czasu, nieodwracalność czasu i jednokierunkowość czasu - ta cecha odróżnia czas od jednowymiarowej przestrzeni.

Tak?

To bardzo pobieżne wytłumaczenie. Pokroju na przykład takiego 'czas jest tym, co mierzą zegary'. Tak mało wiemy o czasie, że nawet definicji zbyt dobrej nie mamy. To jedna z największych zagadek współczesnej fizyki. OK, czas jest. Prawdopodobnie jest realny bo obserwujemy jego upływ, na przykład w procesach biologicznych (choćby starzenie się). Ale jak to jest z jego kierunkiem? A właściwie z kierunkiem tzw. strzałki czasu. Kiedy dowiemy się nieco o kierunkowości czasu i entropii, będziemy mogli lepiej zrozumieć Retroprzyczynowść.

Czas upływa zawsze w kierunku od przeszłości do przyszłości, a nigdy odwrotnie, czyli jest jednokierunkowy, asymetryczny i nieodwracalny.

Kiedy wlewasz mleko do kawy, zaczyna ono wirować i zabarwia płyn w szklance z czarnego na brązowo-beżowy. Może źle określiłem kolor, ale fakt jest faktem, że staje się jaśniejszy. Ten płyn.

Naszym codziennym doświadczeniem jest fakt, że to mleko jest dolewane do kawy, a nie odwrotnie - np., że mleko wypływa z rozmieszanej kawy do kartonu. A to dlatego, że drugie prawo termodynamiki mówi, iż entropia (stopień nieuporządkowania ukłądu) systemu zawsze wzrasta, dopóki nie osiągnie tzw. równowagi termicznej i energia nie ulegnie całkowitemu rozproszeniu. Istnieje różnica w temperaturach (kawy i mleka), a ich zetknięcie wprowadza więcej chaosu, nieuporządkowania do układu, ponieważ płyny mieszają się. Kawa osobno i mleko osobno - większe uporządkowanie systemu, entropia mniejsza, mleko i kawa razem - bardziej nieuporządkowany i chaotyczny system, entropia większa. Proces ten - domniemany upływ czasu od przeszłości do teraźniejszości - daje szansę molekułom (mlekolekułom? ;) poukładać się, rozproszyć, rozprowadzić i przejść do stanu bardziej luźnego - większego nieładu. Czas ma kierunek od mniejszej do większej entropii układu. Nieładu układu ;) Entropia wyznacza kierunek strzałki czasu.

2. Czy jakaś absurdalna strzałka ma rządzić naszym niesamowitym kwantowym światem? ;)

Jakkolwiek owa 'strzałka czasu' dosłownie rządzi całym Wszechświatem, fizycy podejrzewają, że na poziomie kwantowym karty rozdawane są nieco inaczej  (mówiłem, że jesteśmy hipsterami). Szczególnie, jeśli chodzi o tzw. splątanie kwantowe. Nie będę się tu rozwlekał, czym owo splątanie jest, to bardzo ciekawe zjawisko, ale aby wytłumaczyć je dokładnie, potrzebowałbym osobnego artykułu.

Wow, artykułu, jak dumnie to brzmi. Dumniej niż 'post' ;)

Wystarczy nam wiedzieć, że w pewnych warunkach cząstki objęte prawami mechaniki kwantowej doznają swego rodzaju połączenia, tzw. splątania. I tu pojawia się bardzo nudne, bo wałkowane do znudzenia powiedzenie Einsteina, że splątanie to tzw. 'upiorne działanie na odległość'. Einstein po prostu był wkurzony, bo splątanie kwantowe zakłada przesył informacji szybciej od światła, a w jego teorii względności nie mieścił się fakt, że coś było szybsze od światła. No cóż, dostał za jedną z teorii względności Nobla, mógł się ciut zdenerwować ;)

W splątaniu kwantowym cząstki rozpoczynają swego rodzaju podróż od bardzo bliskiego położenia względem siebie. Kiedy zostają rozdzielone, mogą 'porozumieć się', wymienić informację np. o polaryzacji . Problem leży w tym, że wymiana informacji następuje natychmiastowo - szybciej od światła. Niezależnie od tego, czy cząstki dzieli miliardy lat świetlnych, kiedy jedna cząstka np. zostanie poddana obserwacji, druga, oddalona o parseki, reaguje dokładnie w tym samym czasie. Ale teoria względności zabrania komunikacji szybszej od światła! Touche, Einstein.

3. Retroprzyczynowość i splątanie, czyli jak ugłaskać najeżonego z nerwów Eisnteina.

Niektórzy fizycy, ba, nawet filozofowie, m.in Huw Price (nie znam faceta ale wydaje się, że dobrze myśli ;)) wprowadzili więc pojęcie tzw. Retroprzyczynowości. Byłoby to rozwiązanie problematycznego splątania, przesyłu informacji w trybie nadświetlnym i ugładzenie zepsutej fryzury Einsteina. Oto niesamowita teoria: co jeśli informacja, czy też same cząstki, nie poruszają się w przestrzeni a w czasie - i to wstecz?

?!?

Dobrze widzicie :)

Profesor filozofii Uniwersytetu w Cambrodge, Huw Price, zasugerował, że Retropczynowść może mieć miejsce w odniesieniu do teorii kwantów. Dlaczego?

A dlaczego nie?

OK, poważniejemy bardzo szybko. Założył, że każda teoria kwantowa zakładająca, że chmura możliwości wystąpienia cząstki w danym miejscu, rozkład prawdopodobieństwa jej położenia jest realną a nie tylko matematyczną strukturą, oraz że świat kwantowy jest symetryczny względem czasu (tzn. że gdyby dla jakiegoś procesu puścić czas do tyłu, obowiązywałyby go takie sama prawda fizyczne jak dla czasu "w przód"), to Retroprzyczynowość musi być dozwolona.

To tylko teoria, do tego bardzo nieprawdopodobna. Ale za to - bardzo ciekawa.

George Musser tak wypowiedział się dla Nautilusa: 

"Przypuśćmy, że nie jest tak, iż cząstki komunikują się natychmiastowo ze sobą, oraz że ich właściwości nie były ustalone już wcześniej. Wydaje się, że brakuje wtedy możliwości wyboru. Ale co się stanie, jeśli rozważymy z pozoru niemożliwe rozwiązanie: fakt, iż dokonujemy jakiejś operacji na splatanej cząstce wywołuje efekt, który podróżuje wstecz w czasie do momentu, w którym cząstki były blisko siebie i intensywnie ze sobą oddziaływały? W tym punkcie wymieniana jest informacja z przyszłości, każda z cząstek wpływa na zachowanie partnera (obawiam się, że cząstki to w większości geje - nie przychodzi mi do głowy żeńska nazwa cząstek. Jeśli macie coś, dajcie znać, jestem lekko zaniepokojony i rozczarowany {przyp. Autora};)). Potem efekty te są przenoszone z powrotem w przyszłość. Nie ma potrzeby wprowadzania natychmiastowej wymiany informacji oraz łamania praw teorii względności.

Na chłopski rozum wygląda to tak:

Mamy cząstki A i B, splątane kwantowo. To oznacza, że jeśli jedna ma wartość 1 (którą później zmierzymy), to druga musi mieć wartość przeciwną - -1. Takie są warunki i efekty splątania. Cząstki splątujemy w naszym kwantowym splątywaczu (bez komentarza ;)) w środę. Wypuszczamy A w przestrzeń - off it goes! W czwartek naszym kosmicznym odkurzaczem doganiamy cząstkę A i patrzymy na nią wybałuszając gały aby być pewnym, że dokona się kolaps jej funkcji falowej i dostrzeżemy naszą mierzoną wartość. I teraz - jeśli A ma wartość -1, to oznacza, że B ma wartość 1. I odwrotnie - jeśli A = -1, to B=-1.

Pewnie myślicie: one od razu miały wartości przeciwne. Informacja nie jest przesyłana, tylko po prostu splątanie robi z cząstek przeciwników. A od początku miało wartość -1 i B = 1.

Ale to nie tak. Dowiódł tego pewien Irlandczyk - John Bell. Wystarczy nam jego wniosek (całe doświadczenie było dość skomplikowane a my przecież jesteśmy Tłukami. Przepraszam, Laikami ;)) układ, kiedy jest splątany, dopóki nie zostanie poddany obserwacji, pozostaje w superpozycji dwóch stanów (np. polaryzacji pionowej i poziomej jednocześnie). Czyli ma wartość 1 i -1 jednocześnie. To nie jest tylko rachunek prawdopodobieństwa. Może inaczej: w przypadku superpozycji rachunek prawdopodobieństwa jest najprawdopodobniej realnym bytem :D

I teraz odjazd z krainy Rzeczywistość: cząstki nie mają zmiennych ukrytych, jak chciał Einstein! Czyli nie miały od razu, przed splątaniem i wystrzeleniem na Księżyc, od razu wartości przeciwnych! Zamiast tego, wydawać by się mogło, że uzyskują swoją właściwość (w tym przypadku stan polaryzacji, nasze 1 lub -1) dopiero przy pomiarze! Niezbadany dotąd mechanizm powoduje, że kiedy wyznaczymy na cząstce A, która jest u nas w laboratorium wartość 1, to możemy być pewni, że na cząstce B pojawi się wartość -1. Powtarzam - o tym, czy uzyskamy 1 czy -1 decyduje pomiar, a nie zwykłe ustalenie wartości A i B przed wystrzeleniem jednej cząstki daleko stąd. Cząstka ma wartość 1 i -1 jednocześnie, dopóki nie dokonamy pomiaru na jednej z nich. Możemy otrzymać 1 lub -1 w B (ta cząstka w laboratorium), ale możemy być pewni, że w chwili pomiaru cząstka A na Księżycu 'decyduje' o swojej wartości - naturalnie przeciwnej do B. Niczym stare niedobre małżeństwo ;) Pomiar wpływa na cały układ, niezależnie od odległości.

To nie bajka! Bell przeprowadził eksperyment, który dowiódł tej niewygodnej prawdy. W oczy kole, że hoho! ;)

I teraz pojawiamy się my, z naszą Retroprzyczynowością, cali na biało ;)

4. Wnioski płynące z idei Retroprzyczynowości.

Price twierdzi, a właściwie proponuje teorię, że jeśli nie możemy przesyłać niczego natychmiast w przestrzeni, to może spróbujmy w czasie? Być może splątane cząstki przesyłają informację w przeszłość, a potem przenoszą ją z powrotem do przyszłości!

To tak jakby wysłać list do przyjaciela w przeszłość, idziesz na pocztę, ale - już zanim dojdziesz, przyjaciel zna jego treść, bo kiedyś mieszkaliście razem w akademiku.

To złamanie zasady przyczynowo-skutkowej. Być może, na poziomie kwantowym, nie ma zwykłego pojęcia czasu i przestrzeni, być może rządzą tam inne prawa, całkowicie odbiegające od naszej codziennej intuicji. To ostatnie wyrażenie jest prawdziwie, mamy na to dowody (i co nam zrobicie? ;)), ale do całej gamy z pozoru nielogicznych zachowań może trzeba będzie dołożyć złamanie klasycznych zasad skutku i przyczyny? Tam w dole, w odległościach mierzonych długościami Plancka, być może panują inne od znanych nam, niezbadane jeszcze prawa fizyki. Być może rzeczywistość na najniższym, najbardziej fundamentalnym poziomie, jest absurdalna w odniesieniu do naszych klasycznych zasad mechaniki.

Do teorii Retropczyczynowości fizycy podchodzą bardzo ostrożnie. Istnieje wiele głosów sceptycyzmu co do niej, daleko do ogłoszenia jej pełnoprawną, potwierdzoną doświadczalnie teorią. Jednak mechanika kwantowa zwykła zaskakiwać. Może będzie tak i w tym przypadku?

Dla nas obowiązują zwykłe zasady przyczyny i skutku, kierunku czasu i jego percepcji. Zasada Retroprzyczynowości nie jest jeszcze potwierdzona, ale może dołączyć do najdziwniejszej talii kart świata, kart zasad niezgodnych z intuicją szarego Janusza, jako jeszcze jedna łamiąca nam mózgi własność świata kwantów... :)

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

#18 Superpozycja, czyli najgorszy pasażer świata

0. Wstępniak Okolicznościowo/Naukowy.

Wyobraźcie sobie, że elektron wsiada do tramwaju. To znaczy, że ma rozmiary człowieka, ale właściwości cząstki kwantowej. Siada, ale zajmuje dwa miejsca jednocześnie... Jest i na siedzeniu dla kobiety ciężarnej i kobiety o lasce. Gdyby elektrony miały rozmiary ludzi, tak właśnie by się zachowywały. Najgorsi pasażerowie świata.

Chociaż, z drugiej strony...

Gdybyś, Czytelniku, był elektronem (a jeszcze lepiej fotonem, bo one nie doświadczają czasu - swoiste cząstki 'forever young'), mógłbyś obudzić się o szóstej (najlepiej rano, bo po południu to trochę za późno), umyć zęby, zjeść śniadanie, ubrać się (niekoniecznie w tej kolejności ;)) i wyjść do pracy. Potem odwalać swoje w biurze, za kółkiem, za ladą, przy koparce przedsiębierno-zasięrzutnej (czyli po prostu łopacie), a jednocześnie... smacznie spać w łóżku! Boże mój, Boże, dlaczego efekty kwantowe nie działają w skali makro?! (na to pytanie postaram się kiedyś, przy okazji, odpowiedzieć, ale nie z boskiej perspektywy, oczywiście ;)).

Efekty kwantowe w skali makro wyglądają absurdalnie, ale właśnie takimi prawami rządzą się cząstki elementarne. To świat czystej magii, jeśli nie brać pod uwagę faktu, że nauka zajmuje się nie do końca wyjaśnionymi kwestiami. Nie potrafi odpowiedzieć na wszystkie pytania, dlatego często niewiedzę uzupełniamy magią albo np. boską ingerencją. Ale przejdźmy do rzeczy.

1. Szaleństwo superpozycji - małe jest piękne.

Obiekty mikroskopowe, kiedy, na przykład, przemieszczają się z punktu A do punktu B, mogą wybrać dwie drogi do miejsca docelowego jednocześnie. Max Bron, Erwin Schrodinger i Werner Heisenberg, fizycy, którzy stworzyli mechanikę kwantową prawie sto lat temu, odkryli, że obiekty w świecie kwantowym już nie poruszają się według dobrze zdefiniowanej, jednej ścieżki. Mogą za to jednocześnie obierać różne drogi do tego samego celu i kończyć swoją podróż w jednym miejscu.

Właściwie mógłbym skończyć w tym miejscu i post byłby wystarczająco szalony. Jak to możliwe, że w naszym świecie, z pozoru tak przewidywalnym i logicznym, cząstki poruszają się jak ze świata z inną, nieracjonalną fizyką, tylko dlatego, że są małe?

To tak zwana superpozycja.

Na poziomie atomów, obiekty naprawdę przestrzegają innych praw - praw mechaniki kwantowej. Przez długie lata eksperymenty potwierdzały zwariowane zachowanie cząstek mikroskopowych (i nie mówię tu o muszce owocówce obserwowanej przez mikroskop na lekcji biologii) - mechanika kwantowa naprawdę działa. Dlaczego obiekty z naszego Kingsajzu nie zachowują się podobnie?

Dr. Andrea Alberti z Instytutu Fizyki Stosowanej na Uniwersytecie w Bonn tłumaczy (na język Laika i Tłuka): 'Istnieją dwie interpretacje. Mechanika kwantowa pozwala na superpozycję obiektów makroskopowych, ale ich stany kwantowe są bardzo delikatne. Nawet obserwując np. piłkę do kosza lecącą nieuchronnie w stronę obręczy zaburzamy i w zasadzie niszczymy superpozycję i sprawiamy, że podążą ona jednym, określonym torem.' Chwila! Czyżby samo patrzenie na cząstkę, obiekt, sprawiało, że zaburza się jej stan? A tak. pomiar układu powoduje, że następuje dekoherencja, tzw. kolaps funkcji falowej. Foton lub elektron, który wylatuje z mikroskopu w stronę obserwowanej cząstki odbija się od niej i wraca do naszego oka. Tak, w dużym skrócie, przebiega proces obserwacji. Skoro jeden atom (w stanie superpozycji) jest zakłócony przez nawet jeden elektron, to przy dużych obiektach i dużej ilości fotonów/elektronów, pozwalających nam na patrzenie na coś, dekoherencja jest nieunikniona - jest fizycznie bardzo trudno wyizolować taką piłkę od wszystkich fotonów 'obserwatora'.

2. Inna interpretacja braku efektów kwantowych - w twojej kuchni, na przykład.

Czy duże obiekty przestrzegają innych zasad?

Być może piłka zachowuje zupełnie inne zasady niż atomy/elektrony/fotony/inne małe kuleczki.

Mamy pewien makro-realistyczny obraz świata. Według tej interpretacji, piłka zawsze porusza się po określonej trajektorii (chyba, że rzucający jest na kacu albo ma rozregulowany celownik przez setkę czystej na wzmocnienie przed meczem - znam takich zawodników. Grałem z nimi i była to nieziemska radość - patrzenie na nich - kiedy kozłują puste powietrze, z piłką dwa metry dalej ;))

Ale która interpretacja jest prawidłowa? Czy lepiej pić przed meczem, czy nie? Żartuję, oczywiście -czy mechanika kwantowa stosuje się do makro, ale dekoherencja jest zbyt wysoko prawdopodobna? Czy po prostu dla krasnali istnieją inne prawa niż dla mieszkańców Kingsajzu? Kingsajz dla każdego - zakrzykniecie.

Czy duże obiekty poruszają się inaczej niż małe?

Ekipa z Bonn, we współpracy z dr Clivem Emarym z Uniwersytetu Hull w UK (UK to nie odgłos wydawany przez orangutana tylko Wielka Brytania ;)) zaproponowali pewne doświadczenie. Postanowiono podważyć drugie rozwiązanie, czyli zasady makro-realistycznego świata. Jednym słowem, spróbowano udowodnić, że wszystkie obiekty stosują się do praw mechaniki kwantowej!

3. Św. Tomasz Apostoł, czyli 'nie zobaczę, nie uwierzę', czyli doświadczenie prawdę ci powie.

Doświadczenie opisano w Physical Review X. Taka 'Wyborcza' dla fizyków. Przy pomocy tzw. pęset optycznych (taka pęseta, której używamy do wyciągania much z oka ;) żartuję. jest to fachowy sprzęt laboratoryjny) uchwycono jeden atom Cezu i pociągnięto go w dwóch przeciwnych kierunkach. W świecie makro-realistycznym atom znajdowałby się tylko w jednej z dwóch docelowych lokalizacji. Według praw mechaniki kwantowej natomiast, byłby w superpozycji dwóch stanów, czyli i tu i tam... jednocześnie.

'Postarano się, aby doświadczenie przebiegało najbardziej bezinwazyjnie, jak to tylko możliwe' ('hola, hola' - powie atom Cezu. 'Ciekawe co byście powiedzieli cwaniaki, gdyby was np. rozciągano końmi w przeciwnych kierunkach. Bezinwazyjnie, ta, jasne' ;)) - relacjonuje Carsten Robens, doktorant. 'Nawet tak mało ingerujący w stan systemu pomiar  znacząco zaburza wynik doświadczenia'.

'Taki pomiar wyklucza' - mówi, z kolei, Karl Popper (porządkowy w laboratorium; musicie wiedzieć, że na takich uniwersytetach nawet porządkowi mają stopień magistra fizyki i potrafią coś powiedzieć o doświadczeniu, kiedy po godzinach przecierają szmatką wszystkie te atomy i elektrony ;) żartuję, ale nie zwracajcie uwagi - czytajcie dalej), 'możliwość, że atomy Cezu zachowują się według zasad teorii makro-realistycznych' (nie zachowują się zgodnie z zasadami mechaniki klasycznej, naszego dużego świata). Zamiast tego, wyniki doświadczeń z Bonn wskazują, że interpretacja oparta na superpozycji stanów, ulegająca zniszczeniu nawet przy pośrednim pomiarze, jest prawidłowa. Wszystko, co możemy zrobić, to przyznać, że atom faktycznie obiera dwie ścieżki jednocześnie! Dlaczego? Jak? Nie wiemy, wiemy tylko, że to prawda.

'To jeszcze nie dowód, że mechanika kwantowa stosuje się do obiektów makroskopowych - przestrzega Alberti. 'Kolejnym krokiem będzie rozdzielenie atomu Cezu na odległość kilku milimetrów. Jeśli odniesiemy sukces i atom nadal będzie znajdował się w stanie superpozycji, teoria makro-realistyczna otrzyma kolejny cios'.

4. Słów kilka o superpozycji i już okienko się zamyka.

Może, poza opisem doświadczenia, dodam coś od siebie.

Odnośnie tych dwóch trajektorii piłki.

Wyobraźmy sobie, że puszczamy kulkę w małą rynienkę, pochyloną w dół tak, że kulka toczy się siłą ciążenia. Nagle nasza rynienka rozdwaja się na lewo i prawo. Wszystko jest tak równe, że kulka, kiedy ją puszczamy w dół, ma takie same szanse na rozwidleniu na stoczenie się prawym jak i lewym korytarzem. Rynienki kończą się jakiś metr niżej, w odległości od siebie około pół metra - lewa i prawa. Wiemy, że kulka musi wybrać którąś z dróg - w lewo, albo w prawo. I teraz mały trick - zamykamy oczy, i dopiero wtedy puszczamy kulkę.

Wiadomo, że kuleczka ma 50% szans na wybranie prawej rynny, oraz, tak samo, 50% na wybranie lewej. 

W świecie klasycznym wszystko jest jasne. Kulka poleciała albo w lewo, albo w prawo, i mamy 50% szans, że znajdziemy ją na dole po lewej stronie, oraz 50% szans na znalezienie jej po stronie prawej. Otwieramy oczy. Na pewno wybrała którąś z dróg. Jest na pewno albo po lewej, albo po prawej stronie.

Możemy nawet ułożyć sobie równanie matematyczne, że jest szansa jak jeden do dwóch, że kulka poleciała lewą rynną, o raz jeden do dwóch, że wybrała prawość. Ale to tylko równanie, wiemy, że w realnym świecie wybrała jedną z dwóch opcji. Na pewno.

Cały wic mechaniki kwantowej polega na tym, że w mikroświecie równanie matematyczne, rozkład prawdopodobieństwa 50%/50%, jest realny... Jeśli nie poddaliśmy obserwacji dróg w dół, cząstka elementarna przebyła drogę zarówno lewą, jak i prawą stroną i jest to faktyczny... fakt. Jeśli akt obserwacji nie zakłóci systemu kwantowego, zachodzi zjawisko superpozycji - jednoczesności.

Kulka makro otwiera ze zdziwienia oczy i nie wierzy, po prostu nie wierzy.

To, co świecie makro jest teorią, w nano-skali jest rzeczywistością.

Gdyby tak elektronem być... Gdyby pracować i smacznie spać jednocześnie. Móc z czystym sumieniem zajmować dwa miejsca w tramwaju. Świat może nie byłby prostszy, ale na pewno piękniejszy, gdyby mechanika kwantowa była naszą codziennością, nieprawdaż? :)

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

#17 'To nie ja, psze Pani', czyli Kwantowy Efekt Zenona zweryfikowany

0. Wstępniak okolicznościowy/naukowy.

Witajcie :)

Jeśli tu jesteś, Czytelniku, to znaczy, że masz ambicję i łeb na karku. Nikt by nie przeżył tylu postów o fizyce przyprawiającej o siwiznę i zakola, tylko wyjątkowo twarda i łebska sztuka.

Mechanika kwantowa. Najciekawsza, najtrudniejsza, sprzeczna z codzienną intuicją - oto niektóre jej cechy. Poza tym, ma jedną, bardzo ważną własność - nadal nie przestaje mnie zadziwiać.

Ta  odkryta w latach .20 XX wieku fizyka wieku XXI jest nadal do końca nie poznana. Naukowcy nie potrafią wyjaśnić najbardziej fundamentalnych praw leżących u jej podstaw, a niedługo kwantówce stuknie setka (tak pi x drzwi). A, co najlepsze, w doświadczeniach i w swoim zastosowaniu w technice działa, ma się dobrze i przyniosła nie lada postęp w rozwoju cywilizacji ludzkiej, jednakże nikt nie wie, dlaczego działa. Korzystamy z jej dobrodziejstw, jednakże nie rozumiemy jej. To prawdziwy cud, o dobrze znanej i, ba, wyświechtanej nazwie (bo dziś kwantowa jest nawet Świadomość Wszechświata, Umysł i tak dalej, słyszałem już naprawdę niezłe kwiaty z obszaru ezoteryki), jednakże filary tej dziedziny są dla nas, naukowców (tutaj trochę przysłodziłem sobie i Wam; zaraz będzie gorzko więc łykajcie cukierasa póki dają ;)).

To tyle w temacie wstępnym. Jak wiecie, nie lubię się rozwodzić, także uderzamy od razu w sedno.

1. Jak dzieci w szkole na przerwie.

Wyobraźcie sobie dwóch chłopców. Takich małych, ale nie całkiem jak niemowlęta, bo mało się da z nimi zrobić (co najwyżej przewinąć, ululać, bądź nakarmić). Siedzą sobie na szkolnej przerwie, gdzieś tam na ławce. Nagle jeden wali drugiego w łeb książką. Dlaczego? To znany obrazek, ale dlaczego tak robią, tego nie wiem, chyba łatwiej przewidzieć kwantowe efekty cząstek elementarnych ;) No ale wali go tą knichą w czoło. Zaczyna się bójka, to oczywiste. Nawet pewnie zebrało się trochę kibiców, żądnych wrażeń niczym w rzymskim Koloseum.

A teraz...

Podchodzi, a właściwie podbiega, oczywiście z krzykiem, pani nauczycielka, która ma akurat dyżur na korytarzu.

- Co tu się dzieje?!

I teraz najlepsze, sedno.

'- To nie ja' (no jak nie on, przecież nawet go nauczycielka widziała, jak okładał kolegę), '- On zaczął' (no pewnie, że to zawsze ten drugi), ' - My się tak bawimy' (z rozbrajającym uśmiechem').

Zatrzymajmy się na chwilę przy ostatnim przykładzie. Gdy nikt nie widział, bójka trwałą w najlepsze. Jednak gdy całe zajście widzi pani nauczycielka, wtedy cała sytuacja jest diametralnie się zmienia. Inne jest prawie wszystko w postawie nicponi, gdy wiedzą, że są obserwowani. Nawet się jeszcze bezczelnie uśmiechają, ba, śmieją się nauczycielce w twarz!

Podobnie cząstki elementarne. Gdy dokonujemy pomiaru elektronu, którą szczeliną  przeszedł, zachowuje się jak cząstka. Natomiast nieobserwowany, płynie sobie przez Rzeczywistość niczym fala na morzu (to bałwan.)

[rozwinięcie opisu falowo-korpuskularnej natury cząstek kwantowych]

I, co mam sądzić o stwierdzeniu, że efekty kwantowe nie dotyczą ciał makroskopowych? ;)

2. Jakby tu zagaić, czyli opis doświadczenia.

Jedno z najdziwniejszych przewidywań teorii kwantów - mówiące, że system nie może ulec zmianie, gdy jest obserwowany - zostało potwierdzone przez eksperyment naukowców z uniwersytetu Cornell. Ich praca otwiera nowe drzwi do fundamentalnie nowej metody kontrolowania i manipulacji kwantowych stanów atomów. Tak jak jeleń w lesie zamiera, gdy czuje, że jest obserwowany, albo usłyszy nawet drobny hałas. Proszę, tylko nie kwantowe jelenie ;)

Doświadczenie przeprowadzono w Ultracold Lab, należących do Mukunda Vengalatorre'a. Ten asystent profesora założył pierwszy w Uniwersytecie Cornell program do badań materiałów schłodzonych do temperatury  około 0,000000001 powyżej -273,15 st. C (zero bezwzględne, najniższa możliwa temperatura w naszej Rzeczywistości).

Gaz złożony z miliarda atomów Rubidu schłodzono i umieszczono (umieszczono przez Yogesha Patila i Srivatsana K. Chakrama, studentów fizyki ostatniego roku) w komorze próżniowej. Gaz ten znajdował się w stanie zawieszenia pomiędzy promieniami lasera. Nie pytajcie mnie, jak laser może utrzymać gaz. To trochę tak, jakby wziąć dwie latarki i próbować nimi zatrzymać parę z czajnika ;) Takie mocne latarki i bardzo zimną parę. Jak widzicie, nie jestem zbyt dobrym fizykiem doświadczalnym ;)

W stanie tym atomy układają się w uporządkowany sposób - w rodzaj siatki, tak jak w ciele krystalicznym. Taki, jakimi może handlowali wasi rodzice na Węgrzech w czasach PRL. Albo taki, jak u Waszej babci na stole. A jeśli nie taki, to odwiedźcie Wujostwo G. - oni na pewno mają właśnie taki, jak nam potrzeba. Ciało krystaliczne :)

W takich niskich temperaturach elektrony często poddają się efektowi tunelowemu (tu o tymże). Słynna zasada nieoznaczoności Heisenberga (i nie piję do Breakin' Bad) mówi, że prędkość i położenie cząstki są w interakcji; w skrócie - nie możemy z dowolną dokładnością zmierzyć pewnych par wielkości odnośnie cząstki, na przykład położenia i pędu. Im dokładniej mierzymy jedną z nich, tym gorzej znamy wartość tzw. 'komutującą'. Temperatura zaś jest miarą ruchu cząstki - im wyższa, tym cząstka intensywniej się porusza. Przy ekstremalnie niskich temperaturach ruch cząsteczkowy prawie zamiera (wyobraźcie sobie kuleczki, atomy gazu, które bardzo szybko odbijają się od ścian balonu; tym szybciej im są cieplejsze; tak samo, jak gdyby ktoś usiadł na podgrzewane krzesło - zaczynie się wiercić ;)). Istnieje zatem duża swoboda położenia, atomy rzadziej się zderzają.

3. Pora na lekki szok.

Naukowcy wykazali, że byli w stanie zlikwidować efekt tunelowy poprzez samą obserwację atomów. '- Marek, Wacek, Pani idzie! - Co tu się dzieje?! - Nic proszę pani, my się tylko bawimy :)' - gdzie Marek i Wacek to atomy, a Pani nauczycielka to naukowiec dokonujący obserwacji. A uśmiechy obu urwisów to efekty kwantowe ;)

Dziwne, co?

Wygląda na to, że istnieje jakaś niewidoczna i niezbadana przez nas właściwość cząstek kwantowych, która każe im zachowywać się w ten a nie inny sposób. Obserwacja to nic innego jak stworzenie obrazu na podstawie odbitych od badanego obiektów cząstek takich jak fotony czy elektrony. Sam akt pomiaru w jakiś sposób zaburza system kwantowy - dokonuje się kolaps jego funkcji falowej, obiekt przestaje już być falą, 'zapada się' do jednego położenia a nie dziesięciu na raz, różniących się prawdopodobieństwem wystąpienia tego obserwowanego dziecka. Elektronu. Czy atomu ;)

To tak zwany Kwantowy Efekt Zenona, ochrzczony po greckim filozofie Zenonie. Już w 1977 roku E. George Sudarshan i Baidyanath Misra z Uniwersytetu w Teksasie zaproponowali tezę, że dziwna natura pomiarów kwantowych pozwala z zasady, aby system kwantowy został 'zamrożony' przez sam fakt dokonywania pomiaru.

Poprzednie doświadczenia pokazywały Efekt Zenona jedynie na spinach cząstek atomowych. To nie żadne obrażanie się czy kłótnia atomów, tylko pewna mierzalna, właściwa cząstkom wielkość. Spin.

Nasz naukowiec, Vengalattore stwierdził, że to pierwsze uchwycenie Kwantowego Efektu Zenona poprzez pomiar przestrzeni ruchu atomów. Oraz, że dzięki dokładnemu kontrolowaniu eksperymentu, można było 'dostroić' intensywność obserwacji, a tym samym skalę efektów kwantowych. Gdy obserwacja była intensywniejsza, wtedy coraz bardziej do głosu dochodziła mechanika klasyczna i atomy zaczęły zachowywać się jak zwykłe kulki. Z czegoś tam, nie ważne z czego. Ale takie większe ;) To tak zwana 'klasyczność emergentna'.

4. Diabeł Tkwiący, czyli szczegóły.

Atomy były obserwowane pod mikroskopem poprzez oświetlanie ich oddzielnymi laserami. Zwykły mikroskop nie może pokazać pojedynczych atomów, ale laser powodował, że atomy zaczynały świecić fluorescencyjnie, a mikroskop wyłapywał błyski światła. Kiedy laser był wyłączony, atomy tunelowały w najlepsze - efekty kwantowe hulały, aż miło. Kiedy jednak laser stawał się mocniejszy, tunelowanie prawie całkowicie ustało. To taki trochę 'Tańcząc w Ciemnościach'. A może atomy są po prostu nieśmiałe? Na to nie wpadł żaden z naukowców ;)

'Opisane zależności dają nam bezprecedensową możliwość kontrolowania systemu kwantowego, być może nawet pojedynczych atomów' - pysznił się Patil, autor opublikowanego artykułu. 'Atomy w tym stanie są bardzo czułe na siły zewnętrzne, dlatego można by wykorzystać ów efekt do produkcji nowego rodzaju sensorów'.

Eksperyment udał się dzięki wynalazkowi naszej szacownej grupy naukowców - nowej technice obrazowania, która umożliwia obserwację ultrazimnych atomów znajdujących się w tym samym stanie kwantowym. To przełom, i to spory, bo od teraz mamy unikalną możliwość kontrolowania dynamiki kwantowej poprzez samą obserwację...

5. Dobranocka się skończyła, czyli napisy końcowe.

To dość szokujące, nie uważacie? Nie chcę użyć tego sformułowania, ale samo się nasuwa (oczywiście to tylko półprawda, analogia z przymrużeniem oka, a nie dosłowny wniosek) - atomy zachowują się, jakby w jakiś nieznany sposób 'wiedziały', że są obserwowane... :)

Kojarzycie czajnik z gotującą się wodą? Nie? To proszę...

Nie mieliście czasem takiego wrażenia, że woda nie chce się zagotować, kiedy stoicie i patrzycie na czajnik? Albo, że trwa to jakoś odrobinę za długo? To nasza percepcja czy coś z zewnątrz, jakiś proces fizyczny? 

To wcale nie znaczy, że wierzę w kwantowe czajniki. Ale być może mechanika kwantowa nie jest tak obca naszej intuicji, jak nam się wydaje ;)

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

#15 Marzenie Każdej Anorektyczki, czyli Negatywna Masa

0. Szybki i mało upierdliwy Wstępniak Okolicznościowy.

Witajcie!

Widzimy się coraz częściej, czyżby Nowy Rok chciał mi powiedzieć, że mam zadanie? Misję? Dotrzeć z fizyką pod strzechy? Jednakże, nie jestem Wieszczem, czyli raczej - dotrzeć pod kopuły Waszych czaszek :) Mam nadzieję, że znajdzie się tam, obok miejsca na ważne sprawy, jak mycie zębów i instrukcja obierania ziemniaków, także pewien obszar zarezerwowany na fizykę.

Spokojnie, na razie nie będę mieszał nikomu w głowach kwantami. Wiem, że po Świętach bardziej rozwinięte są ruchy robaczkowe jelit, czyli procesy odpowiedzialne za trawienie karpików i śledzików :) Ale jeśli rozwinęliśmy nasze umiejętności pałaszowania potraw, czas na strawę umysłową. Niech opony mózgowe i inne obszary naszego głównego procesora także mają trochę ćwiczeń, aby być skutecznym w myśleniu co najmniej tak, jak szczęka we wcinaniu znakomitych potraw. Co innego, gdy opony mózgowe mają już zużyty bieżnik; wtedy zalecam trepanację czaszki albo chociaż zanurzenie głowy w misce z zimną wodą. Lub - lekturę Fizyki dla Laika czyli Nauki dla Tłuka. Z trojga złego wybrałbym opcję trzecią, najmniej inwazyjna.

1. Wstępniak naukowy.

Dziś chciałbym zaprezentować Wam wyniki niezwykłego eksperymentu, jednego z wielu przeprowadzanych w laboratoriach fizycznych na całym świecie. Jest to swego rodzaju nowinka naukowa, nie kolejny wykład z fizyki lat .20 XX wieku. Pewnie Wam trochę kwanty obrzydły, dlatego dziś nie będzie tradycji. Będzie coś ekstra - ekstradycja ;)

Czym jest negatywna masa? To hipotetyczna właściwość tzw. materii egzotycznej, nieuchwytna i do tej pory niezaobserwowana. Brzmi dobrze? Zarzuciłem wędkę? No dobrze, to może jeszcze raz, rybki moje ulubione ;) Taka materia, oczywiście na razie pozostająca w domenie spekulacji, nie jest zgodna z klasycznym modelem materii, czyli tzw. Modelem Standardowym (jest to opis wszystkich cząstek elementarnych, jakie znamy w przyrodzie; wydaje się on jednak niekompletny - nie uwzględnia np. grawitonów (tutaj można o nich poczytać) - kwantów grawitacji). Lub, jeśli jest z nim zgodna, nie składa się z tzw. barionów - czyli np. protonów i neutronów, tradycyjnych cegiełek materii. Materia egzotyczna ma cechy, które nie są cechami materii zwykłej, czyli właśnie np. negatywną masę. I nie jest to antymateria - antymateria ma masę dodatnią. Antymateria (jak np. dla elektronu pozyton) to taka sama materia co normalna, tylko z przeciwnym znakiem ładunku elektrycznego. Antymateria jest to po prostu złośliwe rodzeństwo materii zwykłej, jest im zawsze przeciwna - na każde 'tak' materii przypada zawsze 'nie' antymaterii. To tak jakby mieć brata, który, cokolwiek nie powiesz, zawsze ci zaprzeczy, ale poza tym jest taki sam jak ty.

Bo masa, przynajmniej w teorii, powinna, tak samo jak ładunek elektryczny, mieć możliwość występowania w dwóch, przeciwnych znakach, (+) i (-). Toczą się debaty, czy aby taka możliwość nie stała w sprzeczności z obecnymi prawami fizyki. 

Do materii egzotycznej zalicza się także np.: materię zdegenerowaną i materię dziwną (tu znajdziecie trochę o niej), cząstki ciemnej materii, elementy ciemnej energii, a także składniki kondensatu Bosego-Einsteina i plazmy kwarkowo-gluonowej.

Uffff. Mózg się lasuje, ale spokojnie, to są tematy do rozwinięcia na wizycie u Wujostwa Google albo innym razem u mnie. Nie mogę nic obiecać; np. nie wiem, czy jeszcze raz mógłbym gościć u siebie materię zdegenerowaną. Kiedy ostatnim razem wpadła z wizytą w poście #13, narobiła takiego chlewu, że nie chcę już jej zapraszać. Jak to degeneraci! Pobrudziła obrus skwarkami dziwnymi i cały stół zrobił się jakiś nietutejszy ;) (aby zrozumieć ten żart, należy przeczytać post #13) Dobrze, już wystarczy o materii egzotycznej.

Ujemna masa powodowałaby odpychanie grawitacyjne! Antygrawitacja to kolejny temat godny rozwinięcia, ale poruszamy się coraz bardziej w kierunku fantastyki naukowej. Jeśli Was to interesuje, zapuśćcie sobie Star Treka lub innego Dr. Who. Antygrawitacja jest również, tak jak materia egzotyczna, czysto hipotetyczną koncepcją. Lecz przygotowałem dla Was szczyptę nowinek, które pozwalają uważać, że śmiałe koncepcje fizyczne mogą okazać się całkiem prawdziwe. Zapraszam do kolejnego rozdziału, czas na konkrety! :)

2. Amerykańscy naukowcy uzyskali płyn o ujemnej masie. Ci wspaniali amerykańscy naukowcy ;)

Tak, odkryli to. Tekst o amerykańskich naukowcach jest zabawny, ale naprawdę tego dokonali. Płyn ten, kiedy jest pchany w jednym kierunku, porusza się wstecz, zamiast do przodu!

Wiemy, że druga zasada dynamiki Newtona mówi, że Siła (F) = Masa (m) x Przyspieszenie (a). Przyspieszenie zaś to Siła / Masę. Kiedy masa ma znak ujemny, wtedy Przyspieszeni będzie ujemne.

To niezwykłe odkrycie naukowców z USA może, w dalszej kolejności, rzucić światło na procesy zachodzące w gwiazdach neutronowych (post o tychże gwiazdach) i czarnych dziurach.

Fizycy odnieśli pewien sukces w próbach uzyskania negatywnej masy. Naukowcy z Uniwersytetu Stanowego w Washington (dobrze, że nie w Londynie, bo nie ma takiego miasta, Londyn. Jest Lądek, Lądek Zdrój. Musielibyśmy uznać owo odkrycie za zmyślone). Udało się stworzyć płyn z atomów o temperaturze bardzo bliskiej zera bezwzględnego, najniższej możliwej temperaturze w przyrodzie (-273,15 stopni Celsjusza, 0 Kelvinów; przy tej temperaturze wszelki ruch cząsteczkowy, poza fluktuacjami kwantowymi, zanika. Wszystkie elementy układu termodynamicznego mają najniższą możliwą energię) i wtedy, Eureka! Materia z tychże atomów zaczęła zachowywać się, jakby miała ujemną masę :) Bohaterami mojej opowieści są znowu atomy Rubidu. Utworzyły one tzw. kondensat Bosego-Einsteina.

3. Einstein bez butów czyli kondensat Bosego-Einsteina.

W tym stanie materii cząstki poruszają się niezwykle powoli i zaczynają przejawiać cechy opisywane za pomocą mechaniki kwantowej, zamiast fizyki klasycznej. Po prostu, cząstki nagle zyskują cechy fali, to znaczy, że nie mają jednego konkretnego położenia, tylko rozkład (coś jak sinusoida na osi x,y) falowy prawdopodobieństwa swojego położenia. Tłumaczyłem to trochę w postach o tunelowaniu (#12, punkt 1.)) i doświadczeniu Younga (#3).

Kondensat Bosego-Einsteina to piąty stan skupienia materii. Obok tak oczywistych, jak ciecz czy gaz, mamy także materię, która zachowuje się w specyficzny sposób, przy temperaturach bliskich 0 K.

4. Trochę o nieśmiertelnych bizonach.

Po kolei. Czyli od końca ;)

Bozony są to cząstki, które posiadają spin całkowity (wartość całkowita pewnej wielkości charakteryzującej cząstki elementarnej). Mogą one znajdować się jednakowym stanie kwantowym, zgodnie z regułą Pauliego; fermiony mają spin połówkowy i nie mogą. Widocznie Pauli mniej je lubił ;) Każda cząstka jest bozonem albo fermionem. Bozony to np. gluony (cząstki, które spajają kwarki w nukleonach), fotony - cząstki światła, i hipotetyczne grawitony. Czyli - bozony przenoszą oddziaływania.

Fermiony to kwarki i leptony, czyli cząstki budujące materię. Leptonem jest np. elektron i neutrino elektronowe, a także masa innych, których nie ma sensu przywoływać, bo nie są nam one tutaj potrzebne. Jest to cała wesoła rodzinka cząstek, wchodzących w skład tzw. Modelu Standardowego. I tyle w temacie :)

No i mamy sobie te bozony, prawdaż czy nieprawdaż? :) Gdy się ochłodzi te bozony, które mogą mieć ten sam stan kwantowy, tworzą one, ni z gruchy, ni z pietruchy, układ kwantowy, w którym wszystkie cząstki zachowują się, jakby były jedną cząstką! Mają identyczny pęd, a w stanie tym zachodzi także zjawisko nadciekłości - całkowicie zanika lepkość! Na przykład, mieszając łyżeczką nadciekłą, jakimś cudem, kawę, sprawilibyśmy, że płyn obracałby się bez końca, o ile sami byśmy go nie zatrzymali. Dlatego lepiej unikajcie mrożonej kawy, mogłaby Was wessać w swój nieokiełznany wir ;)

Ten stan skupienia nazywa się kondensatem Bosego-Einsteina (nie bosego Einsteina, ale aż się prosi) od nazwisk indyjskiego fizyka Satendry Natha Bosego i Alberta Einsteina, którzy przewidzieli istnienie tego stanu skupienia już w roku 1924.

5. I znowu amerykańscy naukowcy, odkryli wszystko, wstrzymali Słońce, ruszyli Ziemię i po prostu ocalili świat :)

Doświadczenia ciąg dalszy. Zespół owych naukowców utrzymywał za pomocą laserów płyn z kondensatem w niskiej temperaturze, ale także w maleńkim polu o kształcie miski, o średnicy mniejszej niż 100 mikronów.

Dopóki płyn utrzymywał się w miejscu, w tej misce, wszystko było w miarę OK. Zachowywał się jak nadciekły płyn i miał dodatnią masę. Jednakże cyrki zaczęły się, gdy zechciano wypchnąć ten płyn poza obręb miskowatego pola.

Użyto drugiego zestawu laserów to uderzania w atomy, powodując ich ruch do przodu i do tyłu, zmieniając ich spin. Niecka, miska (denko, sitko, solniczka, nazwijcie to jak chcecie ;)) została zniszczona, i teraz najlepsze. Atomy Rubidu mogły wydostać się poza obręb solniczki. Miski. I zaczęły zachowywać się, jakby miały ujemną masę.

Kiedy popychało się je w jednym kierunku, one poruszały się w przeciwnym, z ujemnym przyspieszeniem. Wyglądało to, jakby uderzały w niewidoczną ścianę. 

Dla mnie bomba! Wyobraźcie sobie na przykład, jak wyglądałby mecz w tenisa. Gracze staliby tyłem do siebie? Albo mecz piłki nożnej. Rekordowe ilości bramek samobójczych ;)

Aby na pewno stwierdzić, że doświadczenie niezmordowanych amerykańskich naukowców faktycznie wskazało na istnienie ujemnej masy, potrzebne są wyniki niezależnych zespołów naukowców z innych krajów. Chociaż, czy ja wiem? Ruscy naukowcy pewnie już dawno mają ujemną masę, ciemne światło i słony cukier. Tam wszystko jest możliwe, Putin ma tyle kasy, że finansuje wszystko ;) 

Wyniki doświadczenia jak i sam opis eksperymentu Amerykanów zostały opublikowane w 'Physical Review Letters', poważanym czasopiśmie naukowym. Teraz każdy będzie mógł wytworzyć nadciekły kondensat Bosego-Einsteina o negatywnej masie w swojej własnej lodówce. Pod warunkiem, że potrafi ona schłodzić tę ciecz do -273,15 stopni Celsjusza. No pewnie, że każdy ;)

5. Napisy końcowe.

Fajni ci amerykańscy naukowcy, umieją prawie wszystko zrobić.

A poważnie - ujemna masa pojawiła się w trochę innym wydaniu, niż można by się spodziewać. Ja myślałem o jakiejś kulce, bloku materii, która na wadze pokazywałaby minus. I, nie, tu mówię do wszystkich anorektyczek, które marzą o obżeraniu się i traceniu na wadze. Nigdy nie napijemy się nadciekłej Pepsi o ujemnej masie, z prostego względu - ujemnego przyspieszenia. Chyba, że jesteście gotowi na malowanie sufitu. Pepsi podobno strasznie brudzi ;) 

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

#14 Elektron, czyli Całkiem Szokująca Cząstka Elementarna

0. Wstępniak Okolicznościowy.

Dziś wstępniak bez okoliczności. Chociaż nie, jest. Jutro święto Trzech Króli. Byli to trzej mędrcy, inaczej mówiąc, i myślę, że ucieszyliby się, że propaguję mądrości. Zapewne nic by nie zrozumieli z tego tekstu, ale gładząc wąsa powiedzieliby 'to mądre'. No pewnie, że nic by nie skumali! W końcu piszę po polsku. A może Trzej Królowie byli Polakami? Kto ich tam wie. Mieszko, Cieszko i Orzeszko. Na przykład. Albo Gniewojeb, Zdziwimir i Jebusław. Coś jak Wielgas Kutas, Jebus Maximus, Cycus Zwisus albo Dupencja Niezadowolencja, że przytoczę klasyka ;) Takie były kiedyś imiona, naprawdę! ;) Tak często odchodzimy od fizyki klasycznej, że imiona też mogą się zmieniać. Fajnie byłoby, gdyby były bardziej kwantowe; Kwantosław, Protoniusz i A'Tomasz. To ostatnie pożyczyłem z komiksu, pewnie znacie, mam nadzieję, że Papcio Chmiel nie oskarży mnie o plagiat. Dlatego nie użyłem zdrobnienia A'Tomek. Jakby co, powiem, że po dobrej wódce byłem ;)  I od razu konkurs - skąd pochodzi ów cytat (z wódką). Od razu mówię - nie można używać Internetu, ma być z głowy. Nie bójcie się, mam kolegów hakerów, będę wiedział.

Dziś Wigilia Trzech Króli, dlatego będzie o elektronie. Co ma elektron do Trzech Króli? Na przykład to, że czasami są trzy elektrony przy jądrze atomowym. Chyba. Albo, że elektrony już istniały, wtedy. Albo - niejeden elektron tworzył atomy w ciałach Trzech Króli. Na pewno. Tu zadaję kłam jednej z interpretacji fizyki kwantowej - tej mówiącej, że obiekt nie istnieje, a raczej pewna jego właściwość, jeśli nie dokonuje się na nim obserwacji. Elektrony były w Trzech Królach, pomimo że nikt z dzisiejszych ludzi ich tam nie widział. Albo, można zagrać na nosie płaskoziemcom, którzy nie uwierzą, dopóki nie zobaczą z Kosmosu, że Ziemia jest kulą (a raczej geoidą).

Owszem, Trzej Królowie składali się na pewno po części z elektronów. Ładnie na tezy o obserwacji i świadomości obserwatora, która dokonuje kolapsu funkcji falowej obiektu (to bzdura), głoszone m.in. przez Nielsa Bohra, jednego z twórców niezwykłej fizyki lat .20 XX wieku, odpowiadał Albert Einstein. 'Czy Księżyc istnieje tylko wtedy, kiedy na niego patrzę?' Można odpowiedzieć, i to prawda, że efektom kwantowym ulegają jedynie mikroskopowe obiekty, powyżej pewnej wielkości fizyka kwantowa 'nie ma prawa głosu'. Ale za to możemy dosrać płaskoziemcom. Ziemia jest okrągła, i mówię to nie dokonując takiej obserwacji, czyli nie będąc wystrzelonym na Księżyc.

Chociaż niedługo pewnie wystrzelą mnie tam moi Czytelnicy, którzy mają dość wstępniaków. Chcą tylko, abym przeszedł do sedna. Spokojnie, bo się obrażę i nie będę pisał. I może o to Wam chodzi? ;) Mój blog nie będzie już narzędziem wyrzutów sumienia: 'przeczytałbyś coś rozwijającego, na przykład o fizyce kwantowej, a nie ciągle łupiesz w Farm Heroes Saga (albo, co gorsza, w Candy Crush Saga); tu masz blog Diesla! (Diesel to ja, jakby ktoś nie widział. Dlaczego Diesel? Kiedyś Wam opowiem ;)) Naprawdę, przepraszam za to. Taka rola, z fizyką pod strzechy ;) Kwantowy wyrzut sumienia.

Dobra. Jedziemy z koksem bo już mi się skończyły żarty. I tak były to w głównej mierze tak zwane 'suchary'. Musicie jednak wiedzieć, że wymyślam to wszystko jednego dnia, ale gdy się zabieram za pisanie, wtedy mija już te kilka i dowcipy z soczystych, owocowych i chrupiących żartów zamieniają się w suchary. Jeśli macie konia, możecie go nimi nakarmić. Przeczytajcie mu, na pewno będzie rżał. Do rzeczy. I, tak, będą obrazki ;) Elektron. Starting in 10, 9, 8,...

1. Zadziwiająco krótki Wstępniak Naukowy, czyli 3, 2, 1, ignition and take-off.

Dziś będzie trochę inaczej. Nie będę Wam pisał, że elektron to lepton, jakie są rodzaje innych cząstek, że ma spin i co to jest spin (tylko bez spin, proszę ;)), a że jądro atomowe, a że prąd to strumień elektronów, ale tak do końca to nie wiemy, czym jest prąd elektryczny. Że ma ładunek... A że hadrony, a że protony, a że neutrony. Fermiony, bozony, leptony... No i te orbitale. Tak, orbitale. Te to dopiero są nieziemskie... Dość! I słusznie Czytelniku, że dość. Podzielam Twój pogląd :)

Specjalnie rzucam Wam same niewiele mówiące hasła - zainteresowani znajdą ich znaczenie i rozwinięcie w okamgnieniu, w otchłaniach Internetu. Nie będę Was zanudzał podręcznikową wiedzą, którą trzeba mieć, ale na egzamin semestralny z fizyki, a nie u Nas. My jesteśmy elitą, jesteśmy głodni wiedzy i żądni krwi. Tu się zgina dziób pingwina! Postanowiłem rzucić Wam najlepsze kąski - ciekawostki o elektronie.

2. Zero wymiarów, ładunek, promień i spin punktowy. Pozdrowienia dla fizyków, z życzeniami szybkiego osiwienia - od elektronu.

Pierwszą własnością elektronu jest szokujący mnie fakt, że aby doświadczenia z jego udziałem dawały poprawne wyniki, musi być traktowany jako matematyczny punkt! Ale uwaga - z masą, spinem i ładunkiem. Już tłumaczę.

Punkt w matematyce jest zerowymiarowy. Dlaczego? To bardzo trudno zrozumieć, jak coś może mieć zero wymiarów, a być obiektem poddawanym rozważaniom (a raczej być przedmiotem obliczeń). Faktycznie, to trudne, ale wyobraźcie sobie - linia prosta ma jeden wymiar. Tak jakby miała długość, ale nie grubość. Jakby długopis, którym ją rysujemy, zostawiał na papierze zerową grubość ale i tak by rysował. No ale jak, zakrzykniecie (tak, to jest już mniej więcej odpowiedniapora na wrzaski) - coś istnieje i nie istnieje jednocześnie?! Grubość istnieje tylko dlatego, że żyjemy w świecie fizycznym, a nie matematycznym. Jednakże do wszystkich obliczeń zakłada się, że prosta ma zerową grubość. Kwadrat ma dwa wymiary. Zobaczcie; narysowawszy kwadrat na kartce, na pewno tusz lub warstwa innego barwnika (spokojnie, wiem, że część z Was rysuje jeszcze kredkami. Jesteśmy w końcu wszyscy Tłukami, ale przez duże Tłu, bo potrafimy narysować obiekt dwuwymiarowy w trójwymiarowym świecie! ;)) sprawi, że w fizycznym świecie obiekt ma trzy wymiary. Szerokość, długość i niestety wysokość - to ta warstwa barwnika. Proponuję kolor niebieski, w końcu elektron to niebieska kulka ze znaczkiem (-), prawda? Niektórzy tak naprawdę myślą, ale przeważnie są to osoby pokroju wierzących w Świętego Mikołaja. Tych, którzy do tej pory nie wiedzieli, przepraszam za spoiler ;) 

Wracając do warstwy barwnika: umownie wysokości (czyli grubości tuszu) na kartce nie ma. W obliczeniach się ją pomija i uznaje kwadrat za obiekt dwuwymiarowy. Nie szkodzi, że w fizycznym świecie byłoby to niemożliwe; bo przecież jeśli nie zostawisz warstwy tuszu posiadającej zawsze jakąś grubość, to nie narysujesz kwadratu. Ale matematycy wiedzą swoje (i dobrze) i twierdzą, że grubości nie ma. Obliczenia wychodzą im dobrze, skłonni jesteśmy uznać, ale mamy także na uwadze, że w chwili dokonywania obliczeń nie żyją w fizycznym świecie. Za to my, fizycy, jesteśmy realni ;)

Teraz nasz punkt: Kwadrat - dwa wymiary, prosta - jeden, czyli punkt - zero. Ale jednak ten punkt istnieje, prawda? To tak jak funkcja 1/x dąży do zera - ale w nieskończoności. Będzie równała się zero ale dopiero, gdy x=nieskończoność. Czyli - prawie nigdy ;) Spróbuj pokazać na osi x, gdzie jest ten punkt. Tak samo matematyczny punkt, obiekt zerowymiarowy. Istnieje i nie istnieje jednocześnie. Albo inaczej. Znamy dokładnie jego położenie, ale jego samego nie ma. Hmmm, całkiem nieźle to sobie wymyśliłem ;)

Wiem, że głowa puchnie, ale pocieszę Was, że chyba nikt, nawet najtęższe umysły świata, nie są sobie w stanie wyobrazić nieskończoności. Po prostu, tak chyba działają nasze mózgi, że musimy mieć jakieś granice. A nieskończoność to brak granic. Nieskończony jest Bóg, a pokażcie mi kogoś, kto Go rozumie - kim On jest? Ło matko. A miało być o elektronie ;)

3. Sztuczka Boskovica, czyli jak ugryźć ten elektron.

Jednym słowem: aby obliczenia doświadczeń z udziałem elektronu mogły dawać przewidywalne wyniki, konieczne było zastosowanie pewnej sztuczki. Użył jej pewien naukowiec o nazwisku Boskovic. Traktował on elektrony jako opisane wyżej matematyczne punkty, z tym, że pozwolił im mieć takie własności jak masa, ładunek, spin. Czym jest spin? To taka kłótnia, inaczej spina, tylko że wśród facetów. Żartuję, ale tutaj jest to ładnie wyłuszczone (punkt 4.)). I teraz problem: takie obiekty są tworami teoretycznymi, ale elektrony takie nie są - są realne. Jednak do obliczeń przybliżenie Boskovica wystarczało, bo dawało dobre wyniki. To tak jak z całą fizyką kwantową: obliczenia nam wychodzą, ale prawdziwej, fizycznej natury obiektów kwantowych nie znamy. Elektron jest najprawdopodobniej cząstką punktową - jak najbardziej elementarną i niepodzielną. Ma masę, ładunek, spin, ale nie ma promienia! To tak, jakby wirująca kula ładunku zmniejszała i zmniejszała swój promień, aż do zera. Promień znika, ale pozostają: spin, ładunek i masa.

Za pomocą akceleratorów cząstek starano się jednak wyznaczyć promień elektronu. Bo przecież fizycznie istnieje... W doświadczeniach uzyskano około 10-^18m, czyli 0,000000000000000001 metra. A raczej: jest mniejszy, niż ta liczba. Nie całkiem zero, bo istnieje, ale na pewno mniej niż 10^-18m. A pewnie i mniej, niż jeszcze mniejsza liczba. To jest właśnie granica x=0 przy x -> minus nieskończoność.

Ale od czego mamy coraz dokładniejsze przyrządy pomiarowe? Założę się, że nawet jeśli będą lepsze instrumenty (pomiarowe, chociaż pianina też można zrobić jeszcze lepsze ;)), to wykażą po prostu promień mniejszy niż np. 10^-26m. I tak dalej, w kierunku zera, aczkolwiek pewnie nigdy go nie osiągając.

Kwantowy świat jest sprzeczny z  intuicją. Doświadczalnie potwierdzono prawdziwość hipotezy, według której w  świecie kwantów mamy punktowe spiny (czyli bardzo małe spiny; spinki?), punktowe ładunki i  punktowe obroty! Nie martwcie się, nie jesteśmy sami w naszej migrenie wywołanej ostatnim rozdziałem. Nawet fizycy, tacy jak Niels Bohr (Tu cytuję: 'Jeśli kogoś nie szokuje mechanika kwantowa, to znaczy, że jej nie rozumie') i Richard Feynamnn ('Feynaman do swoich studentów: 'nikt nie rozumie mechaniki kwantowej'; studenci o swojego Feynmana: 'to czego pan chce od nas?'), którzy tworzyli i potem wykładali teorię kwantów musieliby się zgodzić, że to fizyka XXI wieku odkryta w latach .20 XX wieku.

Inna kwestia - nie jesteśmy w stanie podać zarówno położenia jak i prędkości elektronu. Im dokładniej mierzymy położenie, tym gorzej znamy prędkość. To tzw. zasada nieoznaczoności Heisenberga. Zainteresowanych zapraszam tutaj.

3. Chaotycznie przytoczone przez Autora ciekawostki o elektronie.

Elektron jest niepodzielny, czyli elementarny. Nie ma struktury wewnętrznej. Najprawdopodobniej. Co to oznacza? A to, że na razie nie mamy technologii, która pozwoliłaby nam dotrzeć do środka elektronu. Nawet tak doskonałe narzędzia jak Wielki Zderzacz Hadronów, LHC, nie dostarczyły odpowiednich danych. Istnieją przesłanki, że być może elektron z czegoś się składa, jak protony i neutrony - z kwarków, ale nie dane jest nam na razie zajrzeć do środka bohatera dzisiejszego posta. Dopóki nie powstaną odpowiednie doświadczenia i, przede wszystkim, technologia, możemy jedynie spekulować.


Inna ich niesamowita cecha to to, że elektrony są od siebie całkowicie nierozróżnialne! Są idealnymi kopiami samych siebie, elektrony moich atomów są dokładnie identyczne jak elektrony atomów, z których składają się moi Czytelnicy, szympansy i orangutany, żołędzie i kasztany, jabłka i banany (mówię już wierszem, jest trochę późno; zawsze po 23 mówię już wierszem ;)). Gdyby pozamieniać miejscami elektrony moje i elektrony orangutana nikt by się nie zorientował, nawet orangutan ;) Wszystko działałoby tak samo, ja nie myślałbym jak małpa, a orangutan jak ameba ;)) Pozwoliłem sobie na taki żart ponieważ fizyk, nawet amator, musi mieć czysty umysł, zupełnie jak ameba.

Atom to w większości pustka. To nie tak, że są to kuleczki i krążące po orbitach kuleczki ze znakiem minus, jak w starych rycinach bądź niektórych podręcznikach do fizyki ze szkoły średniej. Przede wszystkim - rozmiary. Realny atom to (w skali) proton o wielkości jabłka, elektron jak ziarnko słonecznika. Gdyby jabłka, czyli nasze protony i neutrony, znajdywały się na środku Camp Nou, elektrony krążyłyby po obrzeżach trybun. Takie proporcje ma prawdziwy atom. 

4. Konkluzja; prawdopodobne wyjaśnienie zagwózdki z punktu 2.

Dlaczego nie można określić rozmiaru elektronu? Wytłumaczeniem może być pewna fundamentalna zasada mechaniki kwantowej. Tak zwany dualizm korpuskularno-falowy (fala i cząstka jednocześnie) mówi, że elektron ma naturę zarówno cząsteczkową, jak i falową. A fala, jak wiemy, nie zajmuje żadnego szczególnego miejsca w przestrzeni - rozkłada się na pewien obszar. Dlaczego jednak możemy opisać elektrony jako cząstki punktowe? Bo pomiar dokonuje kolapsu fali elektronu do jednego punktu. Ta fala to nic innego jak rozkład prawdopodobieństwa położenia elektronu. Co ciekawe, niektórzy naukowcy twierdzą, że ta matematyczna struktura, funkcja falowa położenia elektronu a zatem pewne wyliczenie gdzie mógłby się on znajdować, jest realna, że istnieje nie tylko jako obiekt matematyczny, ale i fizyczny!

I teraz, w najciekawszym momencie przerwę te rozważania. Jak widzicie, fizyka to nie tylko siłownia dla mózgu, to także niezły thriller. Autor specjalnie dokonał cięcia, bo jest już późno i uznał, że macie już wystarczająco zlasowane mozgi. W sam raz, żeby jutro być w stanie uwierzyć, że gwiazda prowadziła trzech facetów przez pół świata do pewnego Żłóbka ;) Jak widzicie, fizyka i religia znakomicie się uzupełniają, żyją w symbiozie i tworzą jedną, wielką szczęśliwą rodzinę :)  I tym optymistycznym żartem zakończę kłapanie dziobem. Dobrej.

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