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 ;)).
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 ;)
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! :)
Oraz na Facebook fanpage; więcej nas, jest ciaśniej ale weselej! ^_^
Brak komentarzy:
Prześlij komentarz