#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

#23 Rzut Oka w Otchłań, czyli Teleskop Horyzontu Zdarzeń

0. Wstępniaki przeróżnej maści.

Dzień dobry.

Dziś zmierzymy się z czymś, co kalibrem postępu może równać się z zaobserwowaniem fal grawitacyjnych. Doniosłe kosmologiczne wydarzenie - obserwacja czarnych dziur. Należy nam się chwila wytchnienia po poprzedniej mózg niszczącemu i rozwijającemu jednocześnie opisowi Grawitacji Kwantowej.

Dziś popatrzymy sobie na zdjęcia, pozachwycamy się pięknem nieba i spojrzymy kosmicznemu monstrum prosto w twarz. Teleskop Horyzontu Zdarzeń to inicjatywa, która ma pokazać światu pierwszy prawdziwy obraz czarnej dziury. Zaraz się wszystkiego dowiecie, jednak musicie wiedzieć, że kiedy otrzymamy ten obraz, będzie lepiej niż w 'Interstellar' - tam także pokazano, jak może wyglądać czarna dziura, jednak obraz stworzono na podstawie teorii. Czapki z głów przed fizykiem Kipem Thornem, który wspomagał naukowo tworzenie obrazu czarnej dziury do filmu, jednak Teleskop Horyzontu Zdarzeń pokaże, co tak naprawdę drzemie w czarnej dziurze. Ujawni nam jej oblicze; spekulacji jest wiele, co taka czarna dziura może mieć w środku, ale będziemy musieli zadowolić się obrazem jej powierzchni. Dobre i to, bo prawdziwe.

1. Szczypta historii.

Czarne dziury zawładnęły wyobraźnią nie tylko naukowców, także pisarzy, filmoróbców i innych artystów. Pierwszy wspomniał o nich Jon Michell w 1783 roku, w swoim liście do Towarzystwa Królewskiego w Londynie. Tyle szumu, tyle wrzasku, czarne dziury to, czarne dziury tamto, a do tej pory nikt nie widział ich na oczy! Mamy tylko wyobrażenie, niepoparte żadnym dowodem rzeczowym w postaci prawdziwego obrazu, jak wyglądają czarne dziury.

Jednak obecnie sytuacja może ulec zmianie. Gros naukowców z całego świata zebrało się do kupy i połączyło kilka naziemnych teleskopów niepośledniej mocy, aby wreszcie dojrzeć owo, owiane już niejedną legendą, zjawisko kosmologiczne.

Czarna dziura to czarna dziura. Każdy wie, o co chodzi, bo roztrąbiono już o nich (nawet nie wiedząc, jak naprawdę wyglądają) wszystko wszystkim. To obszary przestrzeni, gdzie przyciągnie grawitacyjne jest tak duże, że nic - nawet światło, złożone z bezmasowych fotonów, nie może uciec.

Tutaj ciekawostka: jak przyciągnie grawitacyjne, związane z masą, może przyciągnąć bezmasowe światło? Odpowiedź: grawitacja to nie siła a ukształtowanie geometrii czasoprzestrzeni; światło po prostu porusza się po krzywiźnie przestrzeni, a czarna dziura tak ją formuje, że fotony nie mają po prostu innej trajektorii ruchu, tylko do środka, do osobliwości. Ha! Sam się kiedyś nad tym zastanawiałem, ale rozwiązanie jest dziecinnie wręcz proste ;)

Istnienie czarnych dziur zostało przewidziane teorią matematyczną przez Karla Schwarzschilda w 1915 roku, jako rozwiązanie równań ogólnej teorii względności Einsteina.

2. Do rzeczy! Czyli dalej w stronę... ciemności ;)

Astronomowie od kilku dekad mają dowody na to, że we wnętrzu każdej dużej galaktyki, w tym naszej Drogi Mlecznej (Milky Way, Mars - oto jedyne batony, które może jeść Laik czy inny Tłuk ;)), znajduje się tzw. supermasywna czarna dziura. Nawet miliony do miliardów razy cięższa od naszego Słońca. Zostały one zaobserwowane pośrednio, poprzez olbrzymie przyciąganie grawitacyjne, jakie wywierają one na otaczające je gwiazdy w galaktykach. Innym widoczny zjawiskiem są tzw. dżety - kiedy czarna dziura wchłania masę, wyrzuca ze swoich biegunów strumienie plazmy, o prędkości bliskiej prędkości światła. Coś czuję, że bez obrazków się nie obędzie. Ech, Tłukowie ;))

Oto artystyczna wizja czarnej dziury Sagittarius A (Strzelec A). Te kreski na biegunach to właśnie dżety.

W zeszłym roku obserwatorium LIGO wykryło fale grawitacyjne > klik < - zmarszczki na czasoprzestrzeni - efekt kolizji dwóch czarnych dziur, które miało miejsce miliony lat temu. Dlaczego nie w chwili obecnej? Zmarszczki czasoprzestrzeni poruszają się z prędkością światła. Potrzebowały czasu, aby do nas dotrzeć, bo prędkość światła to około 300 000 km/s. My, na swoim niebie widzimy to, co działo się lata świetlne wstecz w czasie. Np., widzimy na niebie gwiazdę, która jest odległa od nas o 10 lat świetlnych. Widzimy ją teraz, jak wyglądała 10 lat temu, bo światło, przenoszące jej obraz, potrzebowało 10 lat, aby do nas dotrzeć i przekazać widoki :)

3. Końkrety czyli konie z betonu.

14.05.2017 roku zespół astronomów, którzy stworzyli projekt o nazwie Teleskop Horyzontu Zdarzeń, zamierza sprawdzić fundamentalne teorie fizyki czarnych dziur poprzez próbę uzyskania pierwszego w historii obrazu horyzontu zdarzeń czarnej dziury, miejsca, z którego nie wraca i nie odbija się nawet światło.

Tu mała ciekawostka: nasze postrzeganie to nic innego, jak fotony odbite od powierzchni obiektu i trafiające do naszego oka. Abyśmy mogli widzieć, fotony muszą się od czegoś odbijać. Od horyzontu zdarzeń nie mogą się odbić, bo są pochłaniane poza niego, w stronę osobliwości, poprzez silną grawitację, uniemożliwiającą ucieczkę. Dlatego obserwacja czarnych dziur to niezła sztuczka akrobacyjna ;)

Kolejne końkrety: naukowcy połączyli globalną siatkę radioteleskopów aby uzyskać gargantuiczny teleskop, rozmiarów Ziemi! Ta technika nazywa się Interferometria Wielkoobrazowa (też mnie głowa rozbolała od tej nazwy ;)). Wszystko, aby zobaczyć Sagittariusa A we wnętrzu naszej Drogi Mlecznej, czarnej dziury 4 miliony razy masywniejszej od naszego Słońca!

Astronomowie wiedzą, że czarną dziurę otacza dysk akreacyjny - obręcz gazu i pyłu, który rotuje i jest wchłaniany do wnętrza horyzontu zdarzeń, wprost w kierunku osobliwości grawitacyjnej. Ścieżka światła odbita od tego obłoku gazu i pyłu będzie zniekształcona przez pole grawitacyjne czarnej dziury. Obraz, jaki oczekują uzyskać, będzie bliższy kształtu sierpu niż dysku. Być może uda się nawet zobaczyć cień horyzontu zdarzeń.

Siatka teleskopów łączy dziewięć obiektów rozsianych po kuli ziemskiej - m.in. na Antarktydzie, Chile, Hawajach, w Hiszpanii, Meksyku i Arizonie. 'Wirtualny teleskop' był 'w produkcji' od wielu lat, kiedy testowano tę technologię. Z początku była ona niewystarczająca, aby zobaczyć horyzont zdarzeń, ale poprzez dodanie teleskopów w Chile i na Antarktydzie stało się to możliwe. To tak jakby nagle założyć musztardówy na nos i zobaczyć światła nadjeżdżającego samochodu.

Czarna dziura nie jest łatwa do zaobserwowania - długości fali świetlnych, które możemy obserwować, są całkowicie blokowane przez duże ilości pyłu i gazu. Jednakże, teleskop o odpowiedniej rozdzielczości i operujący na dłuższych - milimetrowych długościach radiowych, może 'zerknąć' poprzez tę kosmiczną zadymkę. 

4. Teleskopy zwykłe, a nie zwariowane teleskopy czarnodziurowe.

Rozdzielczość jakiegokolwiek teleskopu (najmniejszy detal, jaki może zostać zmierzony) jest zwykle opisany jako mały kąt, odpowiadający stosunkowi wielkości obiektu do jego odległości od naszych ocząt ( w musztardówach, oczywiście ;)). Kątowy rozmiar Księżyca widzianego z Ziemi wynosi około pół stopnia, albo 1800 sekund kątowych. Dla jakiegokolwiek teleskopu, im większa jego przesłona, tym mniejsza detal, jaki można dostrzec (większa rozdzielczość).

Rozdzielczość pojedynczego teleskopu radiowego (taka sytuacja: astronom ogląda widoki przez teleskop z muzyką z radia w tle; pewnie nie daliście się nabrać ;)) - z przysłoną o wielkości 100 metrów, to około 60 sekund kątowych. Ta rozdzielczość jest porównywalna do nieuzbrojonego (bez pistoletów i noży ;)) oka ludzkiego  i około 1/60 średnicy Księżyca w pełni. Ale poprzez połączenie wielu teleskopów, Teleskop Horyzontu Zdarzeń osiągnie rozdzielczość około 15-20 mikrosekund kątowych. Pozwoliłoby to na dostrzeżenie winogrona z odległości takiej, jaka dzieli nas od Księżyca. Niezłe binokle ;)

5. Co dalej z naszymi horyzontami?

Technika łączenia teleskopów jest dobrze znana od wielu lat, ale Teleskop Horyzontu Zdarzeń ma przed sobą dodatkowe wyzwania. Obraz będzie zapisany jako olbrzymia ilość danych do przetworzenia przez superkomputery. Dane z każdego, pojedynczego teleskopu, będą przesyłane do jednostki centralnej i tam połączone. Różne warunki pogodowe, warunki atmosferyczne i stan każdego z teleskopu będą wymagały bardzo skomplikowanych obliczeń.

Jeśli wszystko wypali, zobrazowanie materiału wewnątrz czarnej dziury, w rozdzielczości porównywalnej z rozdzielczością obserwowania horyzontu zdarzeń, otworzy nową erę w badaniach nad czarnymi dziurami i pomoże rozwiązać wiele zagadek: czy horyzonty zdarzeń istnieją naprawdę? Czy teoria względności Einsteina działa w obszarze o niezwykle silnej grawitacji, albo czy potrzebujemy nowej teorii, aby opisać grawitację blisko czarnej dziury? A także - jak czarne dziury 'pożerają' materię i jak ją wystrzeliwują?

Być może uda się nawet zobrazować czarne dziury w środku pobliskich galaktyk, na przykład - w olbrzymiej galaktyce eliptycznej, która znajduje się w centrum naszej lokalnej gromady galaktyk.

Łącząc teorie matematyczne i wnikliwe obserwacje fizyczne, przy współpracy międzynarodowego zespołu badaczy i stosując niesamowitą, najnowszą technologię fizyki doświadczalnej oraz inżynierii, spodziewamy się odkryć tajemnice czasoprzestrzeni, godne początku 21 wieku.

A nam, zwykłym Tłukom i Laikom, pozostaje zakładać binokle, musztardówy, brać do ręki lornetki czy co tam mamy pod ręką i patrzeć w nocne niebo. Na pewno coś zobaczymy.

Dlaczego aplikuję Wam takie trudne tematy?

Moi drodzy Laicy i Tłukowie. Warto celować w Księżyc, bo nawet jeśli chybimy, to znajdziemy się wśród Gwiazd ;)

Do usłyszenia! :) 

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

#22 Grawitacja Kwantowa, czyli Fizyczny Koktajl

0. Wstępniak Okolicznościowy.

Witajcie!

Wiem, że tęskniliście, ja też, dlatego ostatnio często się spotykamy. Nie wiadomo, jak będzie później, dlatego nacieszmy się - w szczególności fizyką. Okoliczności przyrody mamy niełatwe, bo zima, ale też nie ma co narzekać, bo nie szczypie w tyłek jakiś mróz arktyczny. Na razie pingwiny nie pojawiły się jeszcze na ulicach. Kiedy to zrobią, będziemy mogli złożyć zażalenie do masonerii lobby anty-ociepleniowego - to na pewno będzie ich sprawka. Póki co, czarno-białych uchodźców z Antarktydy nie ma, więc możemy spać spokojnie. Śmiejecie się, wiem. Ale kto oglądał film Hitchcocka pt. 'Ptaki' ten wie, że ptaszydła mogą nieźle namiąchać i uprzykrzyć życie. Choćby to były tylko pingwiny ;)

Zacząłem trochę bredzić, a chciałem tylko powiedzieć, że zima lekka tego roku, panie. I panowie. Ni to wiosna, ni to zima, drzewa łyse, śniegu ni ma. Takie nie wiadomo co to, toto. Ale... :)

To mi podsunęło niezłą myśl. Za oknem widzimy hybrydę wiosenno-zimową. A dziś piszę o innej hybrydzie, którą zaobserwujecie na ekranie komputera. Bądź, w przypadku gimbazy (są tu jakieś gimbusy? Nie bójcie się, możecie się ujawnić, to nie kartkówka z fizyki), smartfona. Siedzą w tych autobusach ze słuchawkami na uszach i oczami wlepionymi w mini ekranik. Zero kontaktu, UFA straszliwe. Ale jak czytają, to niech czytają, głupsi od tego nie będą ;) Pozdrawiam polską gimbazę! 

Hybryda to taka, że łączy teorię kwantów z teorią względności. Kwantowa Grawitacja. Jak ja ją lubię! Pomimo tego, że jest trudna i na razie hipotetyczna, a w najlepszym wypadku w powijakach, to bardzo działa na wyobraźnię. Święty Graal fizyki teoretycznej, Teoria Wszystkiego, szkoda tylko, że wszystko jest w niej jedynie teorią. Czaicie - teoria wszystkiego, wszystko teoria? Dobre, nie? Godzinę myślałem nad tym żartem, ale warto było. 

Dobra, pociąg o napędzie grawitacyjnym rusza. Wsiadacie? :)

1. Dla tych, którzy wsiedli. Ogólny zarys problematyki.

Rozróżniamy cztery rodzaje sił fundamentalnych. Wydaje mi się, że już to kiedyś pisałem ;)

Nieważne.

Fizycy i niektórzy bloggerzy wiedzą, że istnieją cztery siły fundamentalne w przyrodzie. Przebąkuje się ostatnio (śledzę artykuły w pismach zagranicznych, szczególnie z Burkina Faso ;)) o piątej, nieznanej i niesklasyfikowanej dotąd sile, ale to tylko pogłoski, dlatego nie będziemy się teraz nią zajmować. Te znane nam siły to elektromagnetyzm, oddziaływanie silne, słabe i nasza ulubiona grawitacja. Trzy pierwsze posiadają cząstki elementarne, nośniki siły - tzw. kwanty. Pisałem w poprzednim poście o tych nośnikach, nie jest to jakoś super ważne, aby wiedzieć jakie, ale myszka się nie zepsuje, jak sobie trochę poklikacie (>klik, punkt 1.<).

Tylko grawitacja pozostaje siłą opisaną jedynie poprzez teorie dotyczące wielkości makroskopowych. Nie ma obecnie kompletnej Kwantowej Teorii Grawitacji, bo nie ma jeszcze w rodzinie Modelu Standardowego grawitonu - kwantu grawitacji (nośnika tej siły, a jednocześnie cząstki elementarnej). Grawitacja pozostaje, zgodnie z opisem Einsteina, jedynie efektem zakrzywienia czasoprzestrzeni przez masywne ciała.

Np., ciała niebieskie. A także brązowe, opalone ;) Żartuję. Ciała niebieskie czyli obiekty, jak Ziemia, Słońce, Kosmiczne Zbiegowiska Gwiazd czyli galaktyki, i inne takie. Masa tak odkształca czasoprzestrzeń, że wydaje się, iż na ciała obracające się wokół innych ciał działa jakaś siła. Newton opisał grawitację jako siłę, i jego wzory można stosować otrzymując poprawne wyniki do obliczeń ruchu obiektów, ale wiemy, dzięki Einsteinowi, że grawitacja to jedynie efekt zagięcia czasoprzestrzeni, a właściwie to masa powoduje po prostu pewne ukształtowanie geometrii tkanki rzeczywistości. 

Oczywiście to tylko do momentu, kiedy odkryjemy grawiton. Wtedy grawitacja będzie już na pewno siłą, a nie efektem odkształcenia geometrii.

Ogólna teoria względności działa świetnie w odniesieniu do obiektów makroskopowych. Niestety, w skalach mikro czas i przestrzeń... oba te koncepty tracą znaczenie. Pisałem kiedyś, że w skali Plancka obowiązują inne, nieznane nam jeszcze zasady fizyki i pojęcie czasu i przestrzeni przestaje mieć znaczenie. Jak to możliwe? Na przykład, kiedy kula jest odpowiednio duża, jak np. nasza Ziemia, w małych skalach możemy swobodnie iść do przodu i wydaje nam się, że idziemy prosto. Zerknij no pan jednak na horyzont, a zobaczysz krzywiznę. W skali normalnego szarego człowieczka mamy płaską przestrzeń, jednak z pewnej odległości obserwowana nasza matka Ziemia nabiera kształtów ;) Kształtów kuli. To samo z czasem i przestrzenią: nie widać ich, gdy skala jest mała. Mała skala - nie widać krzywizny kuli, nie widać czasu i przestrzeni. Duża - wszystko wygląda inaczej.

Albo, chociażby telewizor. Z oddali widać zwykły obraz, jednak z bliska są to już piksele. Oczywiście mówię o włączonym telewizorze. Zawsze to lepiej oglądać telewizję, a nie telewizor ;) Z daleka mamy czasoprzestrzeń, z bliska - na razie nie wiadomo.

W mikroskalach, od pewnego momentu, jeszcze nie wiemy jakiego, zaczynają do głosu dochodzić efekty kwantowe. Właściwie, dobrze jest stosować różne fizyki do różnych skali. Do skali nano - kwantową, skali naszej codziennej codzienności - mechanikę Newtona, do skali największej - teorię względności.

W skali kwantowej cząstki nie mają jasno i konkretnie określonych wartości (takich jak: położenie, prędkość), tylko prawdopodobieństwo. Dziwnie to brzmi, ale tak jest naprawdę. To tak jakbyś patrzył na krzesło i byłoby ono trochę rozmyte, coś jakby zdjąć na chwilę musztardówy z oczu. Szok!
Wszystko rozmyte.

Brakuje tu jednak pewnej spójności, prawdaż? Dlaczego do różnych skal stosujemy różne rodzaje fizyki? Stosujmy jedną, powiecie. Każda z nich niestety jest niekompletna. Dobrze działa na swoim podwórku, jednak jeśli tylko zastosować ją do innego, wychodzą naprawdę niesłychane historie czyli błędne wyliczenia.

Szukamy jednej teorii, która będzie poprawna zarówno w dużych jak i małych skalach. W sumie to trochę jakby szukać jednego sztućca do wszystkich dań. Nożowidelcołyżkę. Kwantowa Teorię Grawitacji ;) Trudne, ale fizycy szukają ;) Smacznego.

Kompletna teoria grawitacji opisywałaby pochodzenie grawitacji z cząstek - grawitonów i pokazałby, jak skala mikro-grawitonowa skalowałaby się na duże odległości i rozmiary i jak grawitony tworzą zagięcia czasoprzestrzeni. Matematyka do obliczeń prowadzących do sformułowania tej teorii jest na pewno gargantuicznie trudna, cieszę się, że jestem tylko bloggerem i nie muszę tego liczyć ;) To bardzo skomplikowane.

W dalszych etapach naszej kwantowograwitacyjnej wycieczki przedstawię Wam kandydatki na Kwantową Teorię Grawitacji, czyli to, co do tej pory udało się sformułować. Nie są to teorie kompletne, jednak pokazują pewien obraz sytuacji i są żywym dowodem na to, że pieniądze podatników nie idą tylko na jedną po drugiej kawę w biurach CERNu.

2. Pętlowa Grawitacja Kwantowa, czyli nieźle zamotana teoria.

Pętlowa grawitacja kwantowa. OK. Sama nazwa powoduje, że kolana miękną i dolna żuchwa powoli się otwiera. Ale nie będzie tak źle. Nie będę zasuszał Was jakimiś nudnymi wykładami, tylko opiszę, a raczej wTłukę Tłukom i wLaiczę Laikom to do głów ;)

Teoria ta kwantuje (czyli rozbija na najmniejsze cegiełki, digitalizuje, robi pikselozę z ekranu telewizyjnego) grawitację używając nowoczesnej reformulacji ogólnej teorii względności. Co to znaczy? Dokładnie to, co jest napisane ;) Bierze na warsztat. Dokonuje się przeliczeń w taki sposób, że grawitacja, a raczej pole grawitacyjne, wygląda bardzo podobnie jak w przypadku trzech pozostałych, skwantowanych pól sił fundamentalnych.

Pętlówka przewiduje, że czasoprzestrzeń jest zbudowana z pojedynczych cegiełek, najmniejszych, niepodzielnych części. To tak, jak w przypadku długości Plancka - jest ona niepodzielną już na mniejsze odcinki, najmniejszą możliwą długością. Cegiełki te są opisane tak, że tworzą jakby sieć krystaliczną, bloki najmniejszych możliwych objętości, odległe o najmniejsze możliwe płaszczyzny. Odległości te mogą być ukazane jako węzły w złożonej sieci, tzw. 'spin netwrok' (sieć spinowa, to chyba najlepsze tłumaczenie). To znaczy, że sama przestrzeń jest kwantowana, ale czas także. Cały problem polega na skalowaniu tej sieci do wielkości opisanych przez ogólną teorię względności, czyli jak te węzły i sieci tworzą czasoprzestrzeń, która wydaje się gładka. Jednym słowem - jak ziarnista mikro-przestrzeń rodzi ciągłą przestrzeń makro.

Idźmy dalej.

Jak pisałem wcześniej, grawitacja jako odczuwalna siła wynika z geometrii czasoprzestrzeni, którą kształtuje masa.

Geometria (u nas geometria czasoprzestrzeni) to nic innego jak: sposób pomiaru różnych obiektów, albo funkcja, która określa odległość między każdą parą elementów zbioru - metryka, oraz koneksja, która określa definicję równoległości wektorów. Trochę wkraczamy na język opisu zjawisk fizycznych czyli matematykę, ale tylko na chwilę, zaraz wracamy. Mamy tu pojęcia matematyczne z geometrii różniczkowej, ale nie musimy wgłębiać się w szczegóły. Na ruszt bierzemy tylko metrykę, sposób pomiaru i odległość, oraz koneksję - definicję równoległości wektorów. To jest Fizyka dla Laika, a nie jakaś Matematyka dla Magika ;)

Koneksja i metryka w Ogólnej Teorii Względności mogą zostać sprowadzone do pewnych funkcji określonych w każdym punkcie czasoprzestrzeni, które mogą przyjmować dowolne wartości. Jedna funkcja to np. metryka, która opisuje nam odległość między punktami, a druga to koneksja - mówi o równoległości punktów. I teraz, uwaga...

W Pętlowej Grawitacji Kwantowej metryka i koneksja nie są zwykłymi funkcjami, nie mogą przyjmować dowolnych wartości. Mogą zmieniać się skokowo. Funkcje metryki i koneksji w pętlówie nie są ciągłe, nie są liniami łączącymi punkty, są właśnie tylko tymi punktami, które w większej skali tworzą linię. Nadążacie? :)

Narysujcie na kartce kropki według jakiegoś wzoru. Np., narysujcie ósemkę z kropek. To nasza funkcja w pętlowej grawitacji kwantowej. Teraz oddalcie kartkę na 20 metrów i załóżcie swoje musztardówy. Założę się, że zobaczycie ciągłą ósemkę. Chyba, że macie sto dioptrii ;)

I teraz - metryka i koneksja poddają się prawom mechaniki kwantowej. Nie można wyznaczyć jednej i drugiej z dowolną dokładnością, tylko im dokładniej jedną, tym mniej dokładnie drugą (jak w zasadzie nieoznaczoności Heisenberga).

Pętlówka ma wadę - poza samą geometrią  trudno w niej ująć materię. Nie wiadomo także, jak  z wersji kwantowej, w odpowiedniej skali, uzyskać równania Eisnteina. Najtrudniejszy jest moment przejścia z teorii kwantowej do relatywistycznej, nad tym panocki teraz się głowią.

3. Przepraszam, uprzedzając fakty, czyli Przyczynowa Triangulacja Dynamiczna :D

Uff, ale nazwa. Brawo dla tych, którzy dotrwali, jednak nie zdziwię się, jeśli w tym momencie, po przeczytaniu tytułu, ten czy ów wymiękł. Ale nie bać się proszę, będzie prosto.

Opracowała teorię tę niejaka Renate Loll (nie LoL) we wczesnych latach 2000.

W teorii triangulacji gładka i ciągła (analogowa) czasoprzestrzeń została zastąpiona skończoną siatką, kratką, kratownicą (sitkiem, denkiem, solniczką; wiecie, o co chodzi ;)) dozwolonych trajektorii cząstek. Te trajektorie triangulują (czyli dzielą na zielone trójkąty w żółte kropki ;)) zakrzywioną czasoprzestrzeń tak, jakby płaskie trójkąty złożyć w piękną geodezyjną kopułę... taki, po prostu, urodzinowy kapelutek, tylko trochę kanciasty :) Siatka (...) ewoluuje dynamicznie, ale kierunki czasowe przyległych elementów trójkątnych (tworzą tzw. simpleksy - wielowymiarowe odpowiedniki 1-wymiarowych trójkątów) muszą się zawsze zgadzać, żeby zachować zasadę przyczynowo-skutkową.

Problemem w poprzednich próbach triangulacji kwantowych przestrzeni były efekty w postaci wszechświatów o zbyt dużej albo zbyt małej ilości wymiarów. Przyczynowej Triangulacji Dynamicznej udało się uniknąć tego błędu, ponieważ pozwala ona tylko na takie konfiguracje simpleksów, których wszystkie krawędzie wspólne linii czasowych są zgodne. Takie elementy tworzą zakrzywioną czasoprzestrzeń. Zaraz będę tłumaczył, spokojnie ;)

Simpleksy ogarniamy, to taki ostrosłupy. Co to są ostrosłupy? To takie naostrzone słupy ;) Google.

Linia czasowa - chronologiczny układ wydarzeń. Po prostu, jeśli wydarzenia 'w danym trójkącie' pojawiają się w takiej samej kolejności jak w przyległym, mogą one tworzyć simpleks (wraz z paroma innymi, bo simpleksy są wielowymiarowe - jak czasoprzestrzeń). To jest warunek triangulacji powierzchni kwantowych

Teraz bierzemy te nasze trójwymiarowe kapelutki, dodajemy trójkąty wymiaru czasowego (tak, aby zgadzały się kolejności zdarzeń przyległych krawędzi), tworzą nam się czterowymiarowe bryły (ostrosłupy w 4D - odpowiedniki sześcianów i hipersześcianów) i wskakujemy w czwarty wymiar (niestety, jego wizualizacja jest możliwa jedynie w sposób pośredni) - klik.

Wizualizacja obracającego się 4D-ostrosłupa w 3 wymiarach:

Sumując wszystkie możliwe konfiguracje przyczynowe i wszystkie możliwe geometrie przestrzenne otrzymujemy narzędzie do obliczania probabilistycznych (opartych na prawdopodobieństwie) interakcji między cząstkami. Symulacje pokazują, że ta teoria zachowuje założenia ogólnej teorii względności w dużych skalach.

Uffff. Wiecie co, nie wiem jak Wy, ale ja po tym punkcie już chyba nigdy nie będę normalny ;) Niby proste, ale wyobrazić sobie to jest bardzo trudno. Nie próbujcie zrozumieć, jak wygląda ostrosłup w 4D. Grawitacja Kwantowa nie bez powodu ryje berety nawet najtęższym mózgom świata. A jeśli Ty, Laicze, dotarłeś aż tutaj, to szapoba :)

Poza tym, fakt jest faktem - oszukałem Was. Nie było prosto, choć się starałem. Ale kiedyś mi podziękujecie, gdy Wasze mózgi już ogarną 4 wymiar i obudzicie się w miłym, białym pokoju bez klamek ;)

4. A teraz przepraszam, bo z angielska będzie: 'Asymptotically Safe Gravity'

'Asymptotycznie Bezpieczna Teoria Grawitacji'? Bezpieczna? Jak taka teoria może być bezpieczna dla mózgu? Chyba, że mózgu Laika, albo Tłuka. Nie mogłem znaleźć dobrego tłumaczenia więc zadowólmy się tym pięknym tworem w języku 'ponglish' ;)

Ta teoria mówi, że kwantowanie grawitacji staje się trudne tylko w przypadku, gdy chcemy (wiem, że nie chcecie ;)) obliczyć, jak zachowują się grawitony w ekstremalnie wysokich energiach (albo, co na jedno wychodzi, w małych odległościach), kiedy obliczenia rozwidlają się do nieskończoności. Fizycy bardzo nie lubią nieskończoności, krzaczą im się wtedy wszystkie równania ;)

Ale, niejaki Steven Weinberg (nie znam gościa, ale pewnie ma łeb jak sklep) stwierdził, tworząc niniejszą teorię, że być może wysoki energie nie są problemem. Być może zachodzą wtedy efekty niewidoczne w niskich energiach, które powodują, że grawitacja staje się słabsza, niż oczekiwano ekstrapolując małe energie do dużych energii.

Tia, ekstrapolując. To takie słówko, które oznacza, że wnioskujemy zachowanie grawitonu w wysokich energiach na podstawie danych z niskich energii. Stefan W. wskazuje, że być może nie zachodzi taka jednoznaczna ekstrapolacja, skalowanie, tylko pojawiają się właściwości, które grawitację osłabiają.

Podejście to sprawia, że wynikami obliczeń nie są nieskończoności. Niestety, teoria asymptotyczna omija pewne problemy, takie jak paradoks informacyjny czarnej dziury.

Ha, ha, ha. Na koniec jeszcze dowalił: 'paradoks informacyjny czarnej dziury'. Jakby tego było mało, tego, co zasadził wcześniej.

Dobra, żegnam niektórych z Was, po takiej jeździe bez trzymanki przewiduję, a właściwie ekstrapoluję, że część Czytelników co najmniej z krzykiem wybiegła z pokoju. I już nie wróci ;)))

5. Pozdrawiam i polecam się na przyszłość.

No to hej! :)

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