#40 Elektron Geometrycznie, czyli Znowu 'Kwant Prądu'

0. Serwus.

Staropolskie (chyba z lat 70 XX w.) powitanie i od razu nam wszystkim weselej. Mi nie tak bardzo, bo dziś padam na twarz; jednakowoż pozbierałem szczękę i inne elementy twarzy z podłogi, znalazłem aż jedno oko, także mogę pisać. Okiem, oczy-wiście ;) A, oraz ze dwa elektrony, po tym, jak niechcący włożyłem palce w gniazdko. Było fajnie! ;)

Nie pytajcie dlaczego się tam ulokowałem. I, mówię od razu - jestem trzeźwy. To zmęczenie. Przemieszczam się z prędkością podświetlną, rośnie masa relatywistyczna, jestem ciężki i łatwo spaść z krzesła, na które wstaję z podłogi, by pisać. I tak w kółko.

I już wiecie, dlaczego nie odzywałem się aż tydzień!

Zapraszam na porcyjkę kolacyjną, serwują Elektron. Znowu on - powiecie. Tak, znowu, ale tym razem w odsłonie bardziej matematycznej. Albo - z matematycznego punktu widzenia opisując go.

1. Po raz pierwszy rzetelnie o elektronie geometrycznie - od szwajcarskich naukowców!

Tu <klik> znajdą Państwo Czytelnicy poprzedni temat o tej, wow, aż się boję zapowiedzieć - szokującej cząstce elementarnej. Skąd przyszedł do głowy taki tytuł? Hmmm, pewnie byłem młodszy i miałem większą fantazję ;)

Na Uniwersytecie w Bazylei dokonano ostatnimi razy niemal cudu. Otóż Panowie Fizykowie i Panie Fizyki (jeśli minister-ministra, to też fizyk-fizyka, pozdrowienia z politycznego afrontu względem niektórych polityczek ;)) przeprowadzili eksperyment, który ukazał pojedynczy elektron, po raz zupełnie pierwszy.

Ludzie, co ja plotę! Wdaję się z Wami znowu w gierki słowne, zamiast szokować siebie i Was elektronem.

Atom był sztuczny, a elektron został elegancko wyizolowany tak, żeby można było dostrzec jego strukturę, bez żadnych dodatków. Nowo opracowana metoda pozwala określić z dużą dokładnością prawdopodobieństwo, z jakim elektron znajduje się w danym obszarze przestrzeni. Można także lepiej zawiadować spinami elektronów, co może być przydatne w dziedzinie zajmującej się komputerami kwantowymi.

Aby stworzyć kubit, czyli jednostkę informacji w komputeryce (mam dziś obsesję słowotwórczą ;)) kwantowej, potrzebujemy wielkości kwantowych, które są mierzalne i, jak wskazuje nazwa, niepodzielnych oraz 'jednostkowych'. Wielu badaczy już od dawna pracuje nad zmianą i manipulacją spinem cząstek.

Jeszcze niedawno nie dało się określić eksperymentalnie geometrii elektronów. Po co nam, to, takie coś, geometria elektronów? Otóż na geometrii bazują takie wielkości, jak stabilność pojedynczego spinu, a także ich splątanie. Takimi pojęciami należy się zająć, kiedy chcemy stworzyć komputer kwantowy. A czy chcemy? Tak!

Oczy-wiście. Ze zdumienia! ;)

2. Takie afery tylko sztucznych atomikach.

Atomik to tak pieszczotliwie o atomie. Nie oznacza małego atomu. Jeśli są skwarki i bizony, to mogą być też atomiki. Jest taka firma nawet - Atomic, narty robią, ponoć niezłe.

A my mamy już jazdę po lodzie bez trzymanki, na tych naszych atomikach! Słowotwórczą oczywiście, dlatego - do meritum.

W Bazylei tejże, na Uniwersytecie, opracowano metodę pozwalającą na określenie przestrzenne geometrii elektronów w tzw. 'kropkach kwantowych'.

Co to taka kropeczka? Jest mała, kwantowa, więc wolę nazwę kropeczka.

Jest to swego rodzaju pułapka na elektrony. Pozwala ona na zatrzymanie wolnych elektronów w obszarze 1000 razy większym niż wielkość atomu. Co więcej, uwięzione wolne elektrony (dziwne, co? oksymoron jakowyś? ;)) zachowują się tak samo, jak w zwykłym atomie, dlatego kropki kwantowe to inaczej sztuczne atomy. I elektrony znajdują się w kropce. Kwantowej, ma się rozumieć.

Pola elektryczne utrzymują elektrony w grupie. Ale napotykamy problem. Kropki kwantowe poruszają sie w przestrzeni oraz, zgodnie z prawdopodobieństwem opisanym przez funkcję falową, pozostają zamknięte i ograniczone do określonych lokalizacji.

3. Rozmieszczenie ładunku. Bum!

Aby określić poziomy energetyczne w kropce kwantowej, używa się pomiarów spektroskopowych. Pomiary te służą również do badania zachowań tych poziomów w polach magnetycznych o zmiennej sile i kierunku. Nadążacie?

Kurcze, znowu przytyłem od tego szybkiego, z niemal podświetlną prędkością, pisania. Ale, dobra nasza! Wylądowałem pod szafką i znalazłem drugie oko ;)

Tymczasem w 'Fizyce dla Laika, czyli Nauce dla Tłuka'...

Bazując na modelu teoretycznym tychże pól magnetycznych można określić gęstość prawdopodobieństwa znajdowania się elektronu, a, co za tym idzie, funkcję falową, z dokładnością do tyci-metra. Tycimetr to nowa jednostka, przeznaczona do mierzenia pól i lasów elektronów, które znalazły się w kropce.

Dobra, dosyć! =]

... z dokładnością do nanometra.

Wniosek? Możemy zobaczyć, jak naprawdę wygląda elektron.

To niezwykłe, zwłaszcza w kontekście tematu z 'Fizyki dla Laika, czyli...' o elektronie, link do którego zamieściłem w akapicie 1. Przeczytajcie najpierw tekst z linka, potem ten, bieżący. I dopiero wtedy będziecie zbierać szczękę z podłogi, gwarantuję Wam :)

4. Koniec, czyli z czym możemy ów Temat jeść.

Poznano lepiej związek między geometrią i spinem elektronu, co może posłużyć do skonstruowania stabilnego kubitu, który, na dodatek, jest podatny na manipulowanie nim.

Udało się także sterować funkcją falową, zgodnie z układem pól elektrycznych. Co za tym idzie, można bardzo precyzyjnie wpływać na kierunki spinów cząstek elementarnych.

Splątanie spinów to kwestia, przede wszystkim, umiejscowienia elektronów w przestrzeni. Podobnie jak w przypadku dwóch atomów łączących się w cząsteczkę (molekułę, to co innego niż cząstka elementarna), funkcje falowe dwóch elektronów muszą rozkładać się na jednej płaszczyźnie, aby nam się ładniusio poplątały.

I na koniec...

Splątanie kwantowe - tego u nas nie było, może kiedyś będzie, może nie. To zależy od prędkości pisania, a raczej od tego, czy będzie nadświetlna czy podświetlna. Bo jeśli 'nad', wtedy muszę opisać również hipotetyczny tachion. Z tym to dopiero zabawa, na pewno przeczytalibyśmy nieco poprzednich materiałów 'Fizyki dla Laika, czyli...'. Wpiszcie w Wuja Dżi słowo 'tachion', to zakumacie bazę.

Funkcja falowa - tutaj już się wykazałem i opisałem, to i owo, na temat zadany. Mam nadzieję, że będzie równie apetyczny, jak poprzednie! <klik>

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

#39 Kwanty jak Nowe, czyli Nowe Kwanty w 2018

0. Wstępniaczysko.

Już bez cukierkowych tłumaczeń, obwiniania się nawzajem, bo doskonale wiemy, że to z winy Czytelników nie pisałem tak długo. Lajki sypały się jak z rękawa i uśpiliście moją czujność, rozślimaczyliście i rozleniwiliście mnie. Obrosłem w piórka, pasąc się samymi polubieniami. A jak wiadomo, 'tylko płodny jest artysta głodny, artysta syty chce picia i jedzenia, nie chce nic zmieniać'. To z jakiejś zmurszałej piosenki Kultu bądź Kazika, nie wiem, nie orientuję się, pisałem z głowy, więc mi tu proszę nie wytykać literówek. Jakoś takoś to szło; tymczasem - Bohrem Nielsem i lasem - proszę już nigdy nic nie lajkować! To mnie tylko usypia. Najlepiej zalajkować, a potem odlajkować, jak to niektórzy czynią. Narobią apetytu i co? I blog się posypał! Mówię przecież, to przez Was.

Jest to wypowiedź niespójna logicznie, bo najpierw na Was zwalam, że lajkujecie, potem nie lajkujecie, i tak źle, i tak niedobrze. Ha! A dlaczego? Czy jestem już gupim głupolem?

Otóż nie - lajki mają być w superpozycji, macie lajkować i nie lajkować jednocześnie ;)

Do roboty!

1. Dawno temu (2018 rok) w odległej Galaktyce (Drodze Mlecznej)… 

Rok 2018 obfitował w sensacyjne doniesienia z branży kwantowej. Branża kwantowa, przypominam, polega na sprzedawaniu i kupowaniu produktów jednocześnie (tzw. superpozycja zakupowa), im mniej pieniędzy masz, tym więcej kupujesz (zasada nieoznaczoności Handel-berga), oraz falowanie eko-groszku w pobliskim zaopatrzeniowcu na zimowy węgiel (cząstka i fala jednocześnie, co się czepiacie?).

Dobra, nie będę już marudził. Bo 2018 to był naprawdę dobry rok na odkrycia w dziedzinie fizyki naszej kwantowej jedynej. Zapomniałem, są jeszcze szybkie wirtualne kwantówki (jak cząstki wirtualne, pożyczasz trochę kwantów i nie oddajesz, bo Ci je zabierają). Jedną z Szybkich Wirtualnych Kwantówek jest... każdy nowy post 'Fizyki dla Laika, czyli...' ;) Nie dokończyłem nazwy ponieważ nie chcę obrażać Czytelników. Samo istnienie mojego bloga obraża niejedną Czytelniczą Inteligencję.

Do rzeczy zatem.

2. Konkrety.

a.) Postęp w dziedzinie informacji kwantowej.

Komputery kwantowe to ciekawe zagadnienie, pewnie niedługo je poruszę, ale na to potrzeba osobnego tematu. W wielkim skrócie: w klasycznych, tranzystorowych komputerach, bit, czyli jednostka informacji ma dwie możliwe stany: 1 lub 0 (całe nasze Windowsy są zapisane, na podstawowym poziomie, zapisane w formie zer i jedynek w niezliczonej ilości konfiguracji. Dlatego czasem mói się, że coś jest dyskretne, zdigitalizowane, tak jak dyskretne są wielkości kwantowe). Czyli, na przykład, na osiem bitów czyli jeden bajt informacji przypadnie 8 zer i jedynek, w dowolnej ilości i kombinacji ułożenia. Bit może być zerem lub jedynką. W informatyce kwantowej bit może być zerem, jedynką, bądź superozycją 0 i 1 czyli... 0 i 1 jednocześnie. Czyli - dla klasyków istnieją 2 możliwe stany zapisania informacji w bicie. W kwantowym obliczaczu, czy też mózgu elektronowym (takiego określenia użył kiedyś Stanisław Lem, bożyszcze sci-fi, nie tylko polskiego; co ciekawe Lem podobno do końca życia - 2006 roku - nie nauczył się obsługi komputera) jest ich o wiele więcej. Kubit to całe mnóstwo wartości pośrednich między 1 i 0. I o ile pojedynczy wynik obliczenia, załóżmy, operacji typu 24 + 12 nie będzie pewny (coś jak dla 7 latków, w końcu komputery kwantowe dopiero raczkują) i będzie obarczony sporym błędem, o tyle komputery kwantowe będą mogły wykonywać wiele operacji jednocześnie, o wiele więcej, niż tradycyjne komputery. Po serii obliczeń wykorzystuje taki kwantowy kalkulator wartość średnią; wniosek - im trudniejsze obliczenie, tym komputer kwantowy będzie dokładniejszy, oraz tym większa będzie jego przewaga czy też różnica między nim a klasycznym komputerem.

W 2018 osiągnięto postęp w dziedzinie magazynowania informacji w q-bitach. 18 kubitów wpakowano do 6 fotonów! Procesory wielkości cząsteczek? Proszę bardzo. To rekord jeśli chodzi o dotychczasowe osiągnięcia informacji kwantowej.

Kiedyś już pewnie totalnie się zbłaźnię i porwę się na temat o komputerach kwantowych. Raz zbratałem się z matematyką, teraz informatyka, ten świat stanął na głowie, a z nim 'Fizyka dla Laika...'. Czysty obłęd!

b.) Termometr Schroedingera.

To coś jak z kotem, pewnie zmierzyli mu temperaturę bo za bardzo miauczałł w pudełku i okazało się że jest chory, a nie żywy i martwy jednocześnie. Swoją drogą, zwróciliście uwagę na takie organizmy jak wirusy? Są one uznawane za obiekty z pogranicza materii ożywionej i nieożywionej - gdy nic się nie dzieje, zachowują się jak martwe i nie przejawiają aktywności jak inne żywe żyjątka. Składają się z osłony białkowej i RNA bądź DNA. Jednak kiedy tylko pojawia się żywiciel, replikują się i... wariują! Ożyły nagle! No proszę! To są prawdziwe Koty Schroedingera :)

W naszym świecie temperatura to niby taka prosta rzecz. Mamy lodówkę, wkładamy garnek z wodą a po chwili otrzymujemy garnek z lodem (po co komu garnek z lodem? nie wiem, jestem od kwantów a nie od równi pochyłych i innych stanów skupienia bądź ruchów jednostajnych prostoliniowych ;)). Mechanika kwantowa pozwala na zachowanie superpozycji. Lód i woda jednocześnie? Dobrze kombinujecie. W 2018 odkryto, że zasada superpozycji może odnosić się również do temperatury. Pewne cząstki mogą być niejako ciepłe i zimne jednocześnie, odkryli panowie naukowcy.

c.) Życie i fizyka kwantowa.

Teoretycznie, mechanika kwantowa powinna działać dla obiektów o dowolnych rozmiarach. Jednak uważa się, że obiekty makroskopowe, w tym istoty żywe, są zbyt skomplikowane by można było dostrzec na ich przykładzie zjawiska kwantowe. W 2016 roku zaobserwowano, iż bakteria oddziaływała kwantowomechanicznie ze światłem w prawie niezauważalny, acz jednak tak, sposób ;)
2018 to rok, kiedy przyjrzano się bliżej temu samemu doświadczeniu i okazało się, że coś może być na rzeczy. To znaczy, że życie i mechanika kwantowa mogą mieć jednak ze sobą coś wspólnego w relacji bezpośredniej. Być może u źródeł niektórych procesów, na przykład myślowych, stoją pewne zasady fizyki kwantowej, ale to już spekulacje bardziej filozoficzne niż naukowe, na drodze ku saj-faj.

d.) Światło zgubiło się w czasie, gdy oświetlało sobie drogę żarówką.

Poważka!

Jesteśmy na kręgielni. Facet czy też babka staje, turla tę kulę i wturluwowywuje ją w kręgle. Kręgle upadają, wszyscy zadowoleni, impreza na sto dwa. A nie odwrotnie! Impreza nie powoduje, że kręgle upadają, a to nie powoduje toczenia się kuli.

W świecie mechaniki kwantowej nawet te sprawy mogą ulegać modyfikacji i pewnego rodzaju rozmyciu. W 2018 roku zespół badaczy wysłał foton (te, foton, skocz po zapałki, coś tu ciemno ;)) oczekując, że odbędzie podróż drogą A, następnie B, albo w pierwszej kolejności drogą B po czym obierze trasę A. Tymczasem foton nie wybrał kolejności, przebył drogę A i B, bez obierania najpierw jednej, potem drugiej...



f.) Dr Jake Yll i Pan Schowaj Się.

Okazuje się, że istnieje więcej niż jeden rodzaj molekuł wody. Tak dowiódł pewien eksperyment z zakresu fizyki kwantowej. Nie jeden typ cząstki wody, a dwa. Molekuła wody to jeden duży atom tlenu i dwa wystające po bokach jak czułki (bez skojarzeń z mrówkami, ale wiem dlaczego mogliście o nich pomyśleć ;)) atomy wodoru. Jednak w tzw. 'orto-wodzie' atomy wodoru mają spiny skierowane w jednym kierunku, a w tzw. 'para-wodzie' spiny atomów wodoru skierowane są przeciwnie do siebie.

g.) Einstein miał rację! 

Dokonano badania tzw. splątania kwantowego. Działa ono nawet na sporych, kwantowomechanicznie rozumując, wielkościach. 600 atomów nadal wykazało cechy splątania, co spowodowało, że złapano się za głowy, naukowcy za swoje, laboranci za głowy kotów z pudełek. To naprawdę dużo, te 600 atomów ;)

h.) Splątania ciąg dalszy.

Kubity, było już o nich, więc nie będę się rozdrabniał. to podstawowa jednostka informacji w teorii informacji kwantowej. Przeprowadzono eksperyment, w którym splątano 20 kubitów i pozwolono, aby 'przekazały' sobie informację. Następnie odczytano, co tam sobie szeptały do siebie te skwarki i bizony. Wynikiem okazało się coś w rodzaju krótkotrwałej pamięci w systemach informacji kwantowej.

i.) Kwantowy Radar? No, ile pan jechał? Z prędkością światła pewnie? ;)

Radar wojskowy działa na zasadzie odbijania fal radiowych od obiektów latających po naszym niebie. Ale w rejonach magnetycznego bieguna północnego Ziemi, te sygnały mogą ulec zakłóceniu. Na domiar złego, istnieją samoloty nie dające się wychwycić radarem. W 2018 roku kanadyjscy naukowcy opracowali radar kwantowy, który pozwala odbijać fotony od samolotów, po splątaniu tych fotonów z innymi fotonami znajdującymi się w bazie radaru. Zdecydowanie, postęp radarowy ;)

j.) Kwantowa nieokreśloność i jej już bardziej ludzkie oblicze.

Losowość jest bardzo istotna dla bezpieczeństwa w cyberprzestrzeni. Jednakże prawdziwa losowość, która jest niemożliwa to przewidzenia, jest zaskakująco trudna do uzyskania. Jednym ze źródeł losowości w naszym świecie jest mechanika kwantowa, której tajemnica są przed większością z nas zakryte. W 2018 roku stworzono sieciowe źródło generatora liczb losowych, do którego dostęp może miec każdy z nas.

k.) Einstein się mylił!

Einstein wierzył w ideę tzw. 'lokalnego realizmu', która mówi, że... 'Prasłowiańska Grusza chroni w swoich konarach...' hmmm, nie ten film. Einstein nie grał w 'Misiu' ;) obiekty mają swoje właściwości niezależnie od tego, czy są obserwowane czy nie. Oraz że informacja o tych właściwościach nie może podróżować z prędkością większą od prędkości światła. 2018. Ludzie stają na głowie, by udowodnić coś Einsteinowi ;) I udało się! Kolejne wielkie eksperymentowanie, gruntowne i rzetelne, potwierdza kolejny raz to samo. Cząstki splatane kwantowo wydawały się, w pewnym doświadczeniu, wybierać stany zgodne szybciej niż światło mogło przetransferować informację między nimi. Od teraz sytuacja się komplikuje: otrzymujemy dwa scenariusze wykraczające poza nasze zwyczajne rozumowanie. Albo nasze obserwacje świata faktycznie mają na niego wpływ, lub cząstki komunikują się między sobą w sposób, jakiego nie możemy dostrzec bądź mieć na niego wpływ. Lub obie rzeczy na raz ;)

l.) Wyjaśnienie zjawiska pioruna kulistego.

Kula prądu? Owszem, zjawisko pioruna kulistego od lat spędza sen z oczu naukowców wszystkich krajów. Nigdy nie dane było jednak zbadać owego zjawiska w laboratorium bądź w warunkach pozwalających na dokładne przyjrzenie się mu. Najnowsze badania wskazują jednak, że mogą pioruny te być efektem działania tzw. skyrmionów magnetycznych, ciasno zebranych pól magnetycznych. W 2018n roku po raz pierwszy wytworzono skyrmion w laboratorium, a jego profil magnetyczny pasował do przewidywań dla układu magnetycznego niezbędnego do wytworzenia pioruna kulistego.

o.) Piąty stan skupienia materii w Kosmosie.

Nie. Nie odkryto ufoludka w stanie zamrożonym, ciekłym, bądź plazmy. Wystrzelono w Kosmos satelitę z pewnym zadaniem: stworzyć tam coś niebywałego - kondensat Bosego-Einsteina. I nie chodzi tu o to, że jeden to kondensat Einsteina-W-Butach a drugi Bosego-Einsteina ;) Ten stan skupienia materii to nic innego jak schłodzone do temperatury bliskiej zera bezwględnego atomy, a ich właściwości kwantowe ujawniają się przy niespotykanie wielkich skalach. Może nie arbuza, ale wielkości na pewno kilkudziesięciu atomów. Arbuza Schroedingera jeszcze nie zaobserwowano. No i rozumiecie, ten bosy kondensat stworzono na orbicie okołoziemskiej. I to wszystko, niby nic niezwykłego, a Einstein w zaświatach się cieszy. Bose pewnie też, nawet nie wiem, może jeszcze żyje? ;)

p.) Superświetnie szybki 'zegarek' mierzy nam elektron w akcji.

Elektrony to szybkie bestie. Poruszają się tak bystrze, że w warunkach laboratoryjnych nie można ich uchwycić w jednym miejscu w przestrzeni. 2018 rok przyniósł 'attozegar', który napieprza elektrony tak silnym źródłem promienia laserowego, że taki zegarek może nosić tylko Superman (jako że ma lasery z oczu) oraz Cyklop z X-Menów (ten ma też niezłe ślepia, prądem razi, czy inną plazmą) ;). Tak silny jest to laser, że wybija elektrony z orbity atomowej. Attozegar wie kiedy dokładnie wystrzelić laserem i mierzy gdzie atom ląduje po tym, jak już opuści rodzinne strony. Dzięki tej informacji zegar określa gdzie elektron znajdował się na orbicie okołoatomowej kiedy dostał w dziób.

r.) Leptokwark.

Lepiący się skwarek?

Nie do końca. Leptokwark nie został jeszcze odnaleziony, ale uważa się, że istnieje cząstka spajająca leptony i kwarki - leptokwark. 2018 rok nie przyniósł jeszcze donośnego niczym trąby jerychońskie odkrycia, ale powstała praca badawcza jaśniej opisująca jego naturę i zachęcająca biednych naukowców do dalszego ślęczenia nad mikroskopami.

s.) Promienie kosmiczne na Antarktydzie.

Zwykle, promieniowanie kosmiczne uderza w Ziemię z przepastnej przestrzeni pozaziemskiej. Zwykle, normalnie, dzień jak co dzień ;) W 2018 roku badacze wykazali, że niestety promienie wystrzeliwują z lodów Antarktydy. Pewnie jakaś starożytna rasa kosmitów chce zniszczyć ziemian, pożreć ich znienacka. Bo na to wygląda, mnie nic innego nie przekona ;) A poważniej - uważa się, że to skutek działania jakiejś wysokoenergetycznej cząstki, która przelatuje wesoło przez Ziemię i nic nie robi sobie z lodowców czy innych piasków pustyni.

t.) Wysokoenergetyczne neutrino w końcu wygadało się, skąd pochodzi.

Wysokoenergetyczne neutrina to, w normalnych warunkach, kosmiczna zagadka. Można je wykryć tylko pod pewnymi założeniami, na domiar złego nie wiemy za bardzo skąd pochodzą. I nagle to! 2018 rok, niespodziewanie, uderza - neutrino mające 4 miliardy lat (jak ten czas leci, Ziemianie ;)) uderza w atom na Antarktydzie. Od razu skierowano teleskopy w miejsce, skąd neutrino-dziadek (a może babcia? nie znamy płci neutrin, jeszcze). I co ujrzano? Czarną jak smoła czarną dziurę z galaktyką do niej przylepioną niczym makieta. I ta dziura, rozumiecie, strzela sobie do nas wysokoenergetycznym promieniowaniem gamma, bez względy na ptaki i chrabąszcze, które przecież mogłoby uszkodzić. Po raz pierwszy udało się wyśledzić tak dokładnie źródło pochodzenia neutrina.

u.) I coś mi się wydaje, że mamy nowe neutrino!

Najpierw neutrino-dziadek, teraz neutrino-dziecko.

Dzięki rokowi 2018 jesteśmy bogatsi o nową wiedzę. Naukowcy kierują się ku stwierdzeniu, że we Wszechświecie, dzieje się coś co sprawia, że niektóre z najbardziej zaawansowanych doświadczeń fizycznych są ze sobą sprzeczne. Nieraz odsłania się przebłysk jakby kolejnego, czwartego 'zapachu' neutrina (raczej nie fiołkowego), jednakże informacja ta nie powtarza się we wszystkich laboratoriach. Czyli nie jest oficjalna i potwierdzona. Dane z roku 2018 mówią, że być może mamy kolejne, nieodkryte dotąd neutrino, o roboczej nazwie 'sterylne'. Mogłoby ono wypełnić lukę w fizyce teoretycznej, jako że do tej pory istnieje tylko jako cząstka hipotetyczna.

v.) Czyli 'V' for Victory!

Hurra! Dobrnęliśmy do końca. A, zaraz, zapomniałem, jeszcze 2019 rok. Chcecie teraz, już, głodni i żądni wiedzy? Teraz, teraz, teraz…

Potem? Jak se życzycie. Do niedługiego zobaczyska.

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

#38 Alicja najedzona Bobem i Alicja, której dano Bobu, czyli Dwie Rzeczywistości

0. Ku Wstępowi.

Zmierzamy!

Bo oto już on, czyli Wstęp.

Bardzo mi przykro. Nie dlatego, że znowu się czytamy, tylko że się dawno nie czytaliśmy.

Może kiedyś się zobaczymy? Wy, Czytelnicy, i ja, który popełniam tu Posty. Na pewno dalibyście mi bobu za miesiące milczenia!

Mogę się ukarać obietnicą, że będę już grzeczny i trochę się... poczytamy.

Jak jest po angielsku 'ocet winny'? 'Ocet guilty', bo tylko winny się tłumaczy.

To tyle w kwestii usprawiedliwień. Na szczęście najważniejsza w 'Fizyce dla Laika czyli...' jest Fizyka, a nie ja, dlatego liczę, że mi się upiecze.

Czy wystarczy? Bo kolor, a właściwie linie promieniowania elektromagnetycznego, czyli po prostu obraz mojej twarzy niebezpiecznie przesunął się ku czerwieni. Takie ze mnie ciało niebieskie, czerwony ze wstydu karzeł. No i się ukarałem niniejszym, teraz czas na merytorykę.

1. Dwie Rzeczywistości w Jednym Wszechświecie.

Czy istnieje taka możliwość, że w tym samym miejscu i czasie istnieją dwie Rzeczywistości? Odpowiedzi mogą być różne, zależnie od punktu widzenia, a ten od punktu siedzenia, a krzesło może zawierać tego czy owego naukowca, rolnika, panią domu bądź też astronautę.

Dlatego - zależy kogo pytamy, zależy jak ten ktoś patrzy i gdzie się znajduje. Ok, dość już słowotwórstwa, nie chcę się popisywać ale wybaczcie - muszę się jakoś rozkręcić po pół roku, eeee… O to już tak długo? O matko, wyrosła mi broda do kolan. Dajcie sekundę. No i te paznokcie, obawiam się, że piła łańcuchowa może nie wystarczyć. Ale przynajmniej precyzyjniej stukam w klawisze ;)

Otóż my zabieramy się do odpowiedzi na postawione zaraz za nagłówkiem pytanie z punktu widzenia mechaniki kwantowej. Oraz - z punktu widzenia fizyka kwantowego, obserwującego obiekty kwantowe, siedzącego na kwantowym krześle, które jest jednocześnie żywe i martwe... Tak, mogą istnieć.

Pytanie postawione powyżej ma źródło w eksperymencie myślowym dotyczącym obserwowania tego samego fotonu z dwóch perspektyw i zanotowaniu różnych wyników obserwacji. Dziś badacze przeprowadzają realne badania odnośnie owego starego jak wasze dziadostwo (skoro wujek i ciocia to wujostwo... ;)), bo pochodzące gdzieś z czasów powojennych, projektu doświadczenia.

Najgorszy w tym całym eksperymencie jest fakt, że obie wersje wyników, choć różne, są... poprawne.

13.02.2019 - oto data publikacji rezultatów w znanym naukowym dzienniku 'arXiv'.

Potwierdzono, iż nawet w wypadku, gdy dwóch obserwatorów opisało różne stany w przypadku tego samego fotonu, sprzeczne ze sobą Rzeczywistości, które niejako 'zawierają' (najprościej rzecz ujmując: Cruyff i Deyna obserwują piłkę - Cruyff mówi, że wpadła w okienko, Deyna, że przeszła bokiem, jednak sędzia mówi, że obaj mają rację ;)) wynik obserwacji jednego bądź drugiego obserwatora, są prawdziwe...

Co więcej, Martin Ringbauer, współautor badania, naukowiec z Wydziału Fizyki Doświadczalnej na Uniwersytecie w Insbrucku, stwierdza: 'Można sprawdzić obie wersje i obie będą poprawne'.

2. Co na to Amerykańscy Naukowcy?

Amerykańscy Naukowcy do Austriackich Naukowców: 'Jesteście gupi, że wpadliście na to pierwsi. Gupi, gupi, gupi!'

Głupi żart, przecież Wszyscy wiemy, że Amerykańscy Naukowcy przeprowadzili takie samo doświadczenie już 50 lat temu, mają wyniki cztery razy lepsze, mają większe fotony nawet! Wielkości piłki do baseballa! Co tam, arbuza! A komentarz w prasie, skierowany w Austrię, to tylko dezinformacja. Ale co ja, tam. Nie jestem specem od teorii spiskowych. Odsyłam do innych żurnalistów naukopochodnych. Ja się bawię tylko w fizykę, politykiem nigdy nie byłem ;)

3. 'Przyjaciel Wignera'.

To taka nasza Sowa i Przyjaciele, wracając do poprzedniego nagłówka. Tylko w miejscu Sowy znajduje się Wigner. A kto to jest Wigner? Dobra, już nie będę, obiecuję. Fakt jest faktem, że trochę się przymilam i serwuję jak koktajle (czy tam suchary) swoje najwyśmienitsze żarty. Okej? ;)

'Przyjaciel Wignera' to myślowe doświadczenie z 1961 roku, zaproponowane przez Eugene Wignera, laureata Nagrody Nobla z Fizyki w roku 1963.

Obserwujemy foton, kwant światła. Kiedy obserwator w odizolowanym środowisku, takim jak laboratorium, mierzy zachowanie fotonu, stwierdza, że polaryzacja cząstki (oś, wokół której się obraca) ma kierunek poziomy albo pionowy.

Jednakże, zanim dokonano obserwacji, foton, jak nakazuje prawo superpozycji w mechanice kwantowej, ma polaryzację pionową i poziomą jednocześnie. Już gdzieś o tym pisałem, zajrzyjcie do Annałów 'Fizyki dla Laika...' :)

Kiedy dokona się pomiaru, foton musi mieć już tylko jedną z dwóch możliwych polaryzacji. Obserwowany, przyjmuje jedną, z dwóch możliwych, w danym przypadku, opcję . I tu pojawia się niesamowitość świata mechaniki kwantowej. Bo dla osoby, która znajduje się poza naszym wyizolowanym środowiskiem (Laboratorium), i która nie zna wyników pomiarów, foton nadal znajduje się w stanie superpozycji. Rzeczywistość osoby spoza Laboratorium w pewien sposób różni się od Rzeczywistości osoby badającej kwant światła.

Tymczasem - Bohrem i lasem - żadna z dwóch, jakże odmiennych obserwacji nie jest błędna tak długo, jak interpretujemy ją w ramach mechaniki kwantowej. Przez wiele lat eksperyment myślowy Wingera uznawany był jedynie za ciekawostkę przyrodniczą. Kwantową, naukową, wymyślny trik. Ale, znowu po wielu latach, przyjrzano się doświadczeniu Wingera bliżej i wzięto go na widelec, tapetę, jak wolicie. Ringbauer mówi - 'Wzięliśmy go na poważnie'.

4. Eksperymentujemy z krewnymi, przyjaciółmi i znajomymi Wingera.

Dlaczego tak długo ociągano się z przyrządzeniem pasztetu z 'Przyjaciela Wignera'? Czyżby był już 'teoretycznie' niesmaczny? ;)

Konieczny okazał się rozwój technologii, jak to zwykle w fizyce bywa. Dodatkowo, w latach 60 nie można było 'operować' systemami kwantowymi w laboratoriach na tyle skutecznie, by móc w pełni zrealizować założenia doświadczenia Wignera. Poza tym, z tego, co wiem, Amerykanie nie umieją przyrządzać pasztetów. Ale w tej kwestii odsyłam do blogów kulinarnych ;)

Ringabuer i koledzy przygotowali zatem jeszcze bardziej ekstremalną wersję eksperymentu Wignera. Wprowadzili dwa 'Laboratoria', w których odbywało się doświadczenie, oraz dwie pary splątanych fotonów. Splątanie kwantowe, pokrótce, oznacza, że 'koleje losów' dwóch splątanych cząstek są ściśle ze sobą powiązane, oraz że gdy znamy stan jednego z nich, automatycznie wiemy, co dzieje się z drugim, bez potrzeby sprawdzania.

Fotony w realnej wersji doświadczenia Wignera były rzeczywiste, tylko 'osoby' (Alicja, Bob i 'przyjaciel' każdego z nich) nie istniały naprawdę, lecz zastępowały obserwatorów eksperymentu.

Dwaj przyjaciele Alicji i Boba znajdowali się w jednym z dwóch z 'Laboratoriów'; każdy z nich zbadał foton ze splątanej pary. Splątanie 'wygasło', superpozycja zniknęła i dokonał się kolaps - polaryzacja każdego fotonu z osobna została określona jako jedna z dwóch możliwych. Zapisali wyniki w pamięci kwantowej - kopia wyniku znajdowała się w polaryzacji drugiego fotonu.

Alicja i Bob, znajdujący się 'poza' 'Laboratoriami', mogli dokonać swoich własnych obserwacji na dwa możliwe sposoby. Mogli sprawdzić wynik swojego przyjaciela, który został zapisany w pamięci kwantowej i, w ten sposób, dojść do takich samych wniosków o polaryzacji fotonu.

Jednakże mogli dokonać swojego własnego pomiaru splątanych kwantowo fotonów. W tym eksperymencie, znanym jako doświadczenie interferencyjne, jeśli fotony zachowują się jak fale i nadal znajdują sie w superpozycji stanów, wtedy Alicja i Bob zobaczyliby wzór ciemnych i jasnych prążków, gdzie doliny i grzbiety fal światła sumują się lub znoszą. Jeśli cząstki 'dokonały już wyboru' stanu, w jakim się znajdują (co oznacza brak superpozycji, jej kolaps), zobaczylibyśmy inny wzór, niż gdyby ów 'wybór' nie został dokonany.

Winger zaproponował wcześniej, że oznaczałoby to, iż fotony nadal znajdują się w stanie splątanym. Pomimo faktu, że dokonał się kolaps superpozycji, a co, za tym idzie, splątania. Paradoks? Żeby tylko...

Autorzy nowych badań odkryli, że nawet w ich podwójnym scenariuszu utrzymują się wyniki wysunięte wcześniej przez Wignera.

Alice i Bob mogli dojść do wniosków na temat fotonów, które były prawidłowe i możliwe do udowodnienia, a jednocześnie różne od obserwacji ich przyjaciół - które także były prawdziwe i możliwe do zweryfikowania.

4. Suma sumarów i innych smarów.

Mechanika kwantowa opisuje świat na tak małej skali wielkości, że zwykłe prawa fizyki dostają po grzebiecie, bo surfują na fali w kierunku doliny ;) Czyli zwyczajnie, jak to na fali - załamują się.

Jeśli wyniki pomiarów Ringbauera nie są ostateczne - jak sugerują nowe rezultaty badań - oznacza to, że posady całej mechaniki kwantowej niebezpiecznie sie chwieją. Oraz, że samo jej znaczenie jest niebezpiecznie kwestionowane.

'Wygląda na to, że, w odróżnieniu od fizyki klasycznej, wyniki pomiarów nie mogą być uznawane za ostateczną prawdę, lecz muszą być rozumiane względem obserwatora, który dokonał pomiaru' - stwierdza Ringbauer. 'Musimy zweryfikować to, co mówimy o mechanice kwantowej'.

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

#37 'Dlaczego nie pięć', czyli Dlaczego Przestrzeń jest 3-wymiarowa?

0. Wstęp, bo jakoś trzeba zacząć.

Dzień dobry!

Panie i panowie, Fizyka dla Laika i dalej wiecie co, przedstawia temat z pogranicza matematyki i fizyki.

Szarpnąłem się trochę na matmę, żeby Wam urozmaicić odbiór. I nie jest tak, że od matemy zacząłem i na niej skończę, a pewnie wielu z Was dojdzie do takiego wniosku. Zajmujemy się głównie fizyką i głównie kwantową, ale czasem autor dochodzi do wniosku, żeby trochę odpocząć.
Kwant tu, kwant tam, i spuchnięty łeb gotowy. Mój, Wasz, wszystko jedno, zawsze są jakieś łby do spuchnięcia ;)

Dlatego dziś zajmę się tym nie 'jak to możliwe', albo 'jak to jest zrobione', jak poczyniłem w pierwszym poście. Dziś zajmiemy się pytaniem 'dlaczego'.

Dlatego pytam 'dlaczego' ;)

1. Dlaczego nie?

Bo tak ;)

Pytaniem 'Dlaczego przestrzeń jest trójwymiarowa, a nie piętnasto?' zajmowali się naukowcy i filozofowie od lat niepamiętnych. Od starożytnej Greki, po Rzym i Germanię... No, z tym ostatnim to przesadziłem, bo tam głównie liczono drzazgi na wyrębie, ale w Grecji to na pewno. Ogólnie przyjętym skrótem myślowym się posłużę (chociaż w ostatnim poście pisałem inaczej, ale dla dobra naszych łepetyn i na potrzeby tego tematu poczynię założenie zgodne z teorią względności Einsteina) : czasoprzestrzeń jest czterowymiarowa. Albo - jest trójwymiarowa, jeśli chodzi o przestrzeń, a czas jest wymiarem dodatkowym, innym w swojej naturze. Co fajne, Wymiar czasowy jest bezpośrednio powiązany z drugą zasadą termodynamiki Newtona.

Co za tym idzie? Czas ma jeden kierunek (strzałka czasu jest skierowana w przyszłość), ponieważ entropia (miara nieuporządkowania układu) nigdy nie malej w zamkniętym układzie, takim jak Wszechświat. Może maleć w systemach otwartych, ale do układu musi być dostarczona energia cieplna. Wyjaśnienie pojęcia entropia znajdziecie w punkcie 2. tego oto posta:{entropia, go to point tu maj friends}. Tam jest fajnie to opisane, nie będę się powielał. Jeszcze będę się musiał zamknąć za łamanie praw autorskich ;)

3. Helmholtz! Raz, dwa, trzy.

W najnowszych opracowaniach, badacze opracowali sprytny myk, jak to możliwe, aby wykorzystać tę biedną drugą zasadę termodynamiki do wytłumaczenia 'Dlaczego przestrzeń jest trójwymiarowa?'

To już wiedza z pogranicza filozofii i nauk ścisłych: być może dzieje się tak dlatego, aby czasoprzestrzeń była idealna, by stworzyć warunki możliwe do zaistnienia życia, albo by zapewnić stabilność i różnorodność... Bazując na dedukcji, wysnuto wniosek z obserwacji modelu wymiarowości Wszechświata,z odpowiednim 'tłem' w postaci czasoprzestrzeni. Warto dodać, że liczba trzy wydaje się optymalna, biorąc pod uwagę ilość.

Naukowcy proponują takie buty: przestrzeń jest trójwymiarowa z powodu własności termodynamicznej znanej jako 'gęstość wolnej energii Helmholtza'. We Wszechświecie wypełnionym promieniowaniem, ta gęstość może być uznawana za rodzaj ciśnienia wywieranego na całość przestrzeni, a zależy ona od temperatury i ilości wymiarów przestrzennych.

Badacze, wskazali na fakt, że kiedy Wszechświat zaczął się ochładzać od momentu Wielkiego Wybuchu (bam! i mamy Wszechświat), gęstość Helmholtza osiągnęła pierwszy raz maksymalną wartość przy bardzo wysokiej temperaturze. Jakby tego było mało, nasze uniwersum było tylko w powijakach, a miało na liczniku jedynie ułamek sekundy; liczba wymiarów przestrzennych wynosiła około trzech. Dziwne, prawda? Około trzech, czyli ile? Dwa, pięć, 6,5?

Takie cuda są wyjaśnione m.in. {4d tutej}… tutej :)

4. Temperatura krytyczna, i proszę nie krytykować ;)

Kluczowym pojęciem jest fakt, że kiedy przestrzeń 3D była zamrożona w tym momencie, kiedy gęstość Helmholtza osiągnęła pierwszy raz maksimum, nie mogła się przeistoczyć w przestrzeń o wyższej ilości wymiarów. A chętnie by to zrobiła, przestrzeń ta nasza kochana ;)

To wszystko dlatego, że drugie prawo termodynamiki pozwala na takie przejścia w wyższe wymiary tylko wtedy, gdy temperatura rośnie powyżej owej krytycznej wartości, nie gdy znajduje się 'pod kreską'. Ponieważ Wszechświat ciągle się ochładza, obecna temperatura wynosi o wiele mniej, niż potrzeba do tego, żeby 3D przeistoczyło się w 4D, albo pięć, dziesięć, osiemdziesiąt...

Analizując dalej: wymiary przestrzenne są ściśle podobne do przemian fazowych materii - kiedy zmienia się temperatura, zmienia się stan skupienia. To fantastyczne - wyobraźcie sobie, że robimy ciasto, otwieramy piekarnik, a tam tesarakt… Może nie aż tak, ale coś w ten deseń. Co dopiero lodówka, strach pomyśleć, zamrożone banany w 4D ;) Lepiej je trzymać w szafce.

Ale poważnie - chodzi o ciało stałe, ciecz i gaz. Tudzież kondensat Bosego-Einsteina i plazmę.

Badacze wyjaśniają dalej: 'W procesach chłodzenia wczesnego Wszechświata i po okresie pierwszej krytycznej temperatury, zasada przyrostu dla systemów zamkniętych zamkniętych mogła zabronić pewnych zmian w wymiarowości'.

Nadal pozostaje miejsce dla wyższych wymiarów, które mogły wypełznąć podczas pierwszych ułamków sekund istnienia Wszechświata, kiedy był on gorętszy niż podczas momentu o krytycznej temperaturze. Przecież mamy o nich napisane w wielu publikacjach, są obecne w wielu modelach naszego Uniwersum - dlaczego miałyby nie istnieć w tak zagadkowym okresie pierwszych chwil po Wielkim Wybuchu? Mogłyby, to lepsze słowo. No i ta teoria strun, ta śmiała teoria spędzających sen z powiek wielu fizyków teoria strun.

Nowe badania mogą wyjaśnić dlaczego, w wielu tych modelach, te wspaniałe dodatkowe wymiary zwinęły się, niejako zapadły (albo pozostały takie, jak były na samym początku, bardzo małe), podczas gdy przestrzeń trójwymiarowa rozrosła się do rozmiarów obserwowanego Uniwersum.

W przyszłości, naukowcy planują ulepszyć swój model, włączając dodatkowe efekty kwantowe (wow, dyskoteka, czy co? ;)), które mogłyby wystąpić podczas pierwszych sekund po Wielkim wybuchu, w tak zwanym okresie Plancka, aby coś tam nie było takie proste jak się wydaje.

Dodatkowo, wyniki z bardziej kompletnego modelu mogłyby dać naukowcom wskazówki do pracy nad innymi modelami kosmologicznymi, takimi jak grawitacja kwantowa...

5. I to tyle moi mili, mam nadzieję, żeśmy razem do portu razem dobili.

Fajnie. Dodatkowe wymiary, i to nie jak, a dlaczego. Można osiwieć, oczadzieć, i nabawić się rozstroju wątroby, bądź innych narządów. Oby nie tego na szyi, i nie mówię o oczach, które też są przecież trochę na szyi.

I na ten znak, że już bredzę, trzeba kończyć :)

Dlaczego trzy, zapytacie.

A dlaczego nie? ;)  

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

#36 Czasem jest czas, czyli czas na fizykę Czasu

0. Wstęp.

Z tym czasem nikt do końca nie wie, jak jest.

To bardzo trudny temat, wielu, a właściwie większość fizyków ma ograniczone pojęcie, stosuje się bardzo oszczędne definicje.

Może zabrzmi to jak żart, ale podaje się określenia typu 'czas jest to wielkość, którą mierzą zegary', albo 'czas płynie w tempie 1 sekundy na sekundę'. I tym razem nie żartuję, podane wyżej definicje funkcjonują jako obowiązujące w fizyce. Mamy jeszcze 'jest to czwarty wymiar czasoprzestrzeni, poza trzema wymiarami przestrzennymi'.

I ostatnią definicją zajmiemy się dziś. Proszę mi wybaczyć rozwlekłość, ale przymierzałem się do wzięcia za barki z Czasem od... dłuższego już czasu ;)

1. Punkt po wstępie ;)

Czas to przede wszystkim pojęcie służące do mierzenia długości trwania wydarzeń. Jest głęboko zakorzeniona w naszej intuicji, ta koncepcja czasu, która wydaje się słuszna ;) Bo ona jest słuszna, ta koncepcja, prawda? ;) żarty na bok. Tymczasowo ;)

Pojęcie czasu służy także opisowi układów fizycznych w języku matematyki. W jaki sposób?

Prędkość to nic innego, jak przemieszczenie obiektu w danym czasie.

Niestety, dalej sprawa czasu się komplikuje. Bo w ujęciu Newtońskim jest on 'absolutny', czyli niezależny od innych zmiennych i parametrów fizycznych opisujących naszą Rzeczywistość, tak jakby istniał sobie zegar, który odmierza cały ten czas tak samo dla całego Wszechświata.

Z kolei Einstein uważał, że czas to tylko czwarty wymiar czasoprzestrzeni.

Dziś wielu teoretyków stawia znak negacji pod dwoma opisanymi wyżej koncepcjami czasu, i drąży głębiej. Uważa się, że czas jest bardziej realny, bardziej zakorzeniony w naszym świecie fizycznym, nie jest tylko suchym, stricte matematycznym, jakby nieuchwytnym pojęciem. Jak realnie spojrzeć na czas?

A może jako na miarę numeryczną kolejności zdarzeń? Czyli - czas służy do ustalenia kolejności wydarzeń, określa skutek i przyczynę.

I tym ostatnim podejściem się dziś zajmiemy.

2. Brak wymiaru czasowego.

Zwykliśmy uważać, że czas to absolutna wielkość fizyczna, która jest całkowicie niezależna, taką po prostu odgrywa rolę, jak 'wolny elektron na boisku piłki nożnej', taka 'dycha', rozgrywający. Zmienna 't', często opisywana jako 'x' na wykresach, które pokazują rozwój sytuacji w układzie fizycznym.

Ale czas bardzo często traktowany jest po macoszemu. Wyliczamy sobie za jego pomocą prędkość, częstotliwość pewnych obiektów. A wygląda to mniej więcej tak: w doświadczeniu istnieje ruch obiektu badań i 'tyknięcia' zegara, potem porównujemy jedno do drugiego i mamy pożądane zmienne.

A to malutkie 't' to tylko matematyczna wartość, bez odpowiednika w fizycznym świecie. Bo czy widzimy czas? Czy go czujemy? Widzimy ruch, widzimy drgania z pewną częstotliwością, ale czasu ni ma.

Krótko mówiąc: czas ma więcej wspólnego z przestrzenią, niż z wymyśloną kiedyś ideą 'absolutnego' czasu pewnego nadrzędnego nad wszystkim zegara.

Dlatego w tym momencie nasi badacze, którzy porywają się na zrozumienie w inny, niż dotychczas, sposób pojęcia czasu mówią, że nie ma czegoś takiego jak 3 wymiary przestrzenne w czasoprzestrzeni i jeden czasowy. Istnieją cztery wymiary przestrzenne. Mówi się, że Wszechświat jest 'bezczasowy'.

3. Czas jako wymiar przestrzenny.

Śmiałe teorie. Idziemy dalej!

Czas, być może, nie jest fizyczną wielkością, w której zachodzą zmiany w materialnych obiektach i na nich. Można uprościć sprawę - czas to po prostu liczbowe ustalenie pewnej kolejności zmian. Przy takim podejściu, twierdzą badacze, łatwiej wytłumaczyć zjawiska, takie jak grawitacja, elektrostatyka. Dlaczego? Bo są to zjawiska fizyczne, które mają związek ze zmianą w przestrzeni, w której zachodzą (owe zjawiska).

Einstein rzekł: 'Czas nie jest niezależny od zjawisk, a szczególnie od kolejności ich zachodzenia.'

Jest kolejnością zachodzenia wydarzeń.

4. Parę słów związanych z Planckiem.

Kolejna teoria na tapecie: Wszechświat jest 3-wymiarowy, od skali mikro, czyli objętości Plancka, do wielkich Dróg Mlecznych i olbrzymich Gromad. Nie ma w tej przestrzeni ani zagięcia, ani skrócenia odległości (inaczej 'skrócenia Lorentza'), a ni 'dylatacji czasu'. Jedyne, co istnieje, to fakt, że prędkość zmiany dla obiektów jest 'względna'.

5. Kolejność porządkowa w przestrzeni.

Weźmy taki foton w przestrzeni, poruszający się od punktu A do punktu B. Odległość składa z długości Plancka, dodanych do siebie. Odległość Plancka to najmniejsza możliwa odległość, jaką może pokonać foton. I pokonuje go, niestety, w czasie Plancka. Niestety, bo to znowu najkrótszy z możliwych czasów. I drugie niestety: mózg się gotuje... :)

Kiedy foton porusza się po danej prostej, i pokonuje jedną odległość Plancka, porusza się wyłącznie w przestrzeni, a nie w 'absolutnym' czasie Newtona. Porządek numeryczny jest taki: 1. punkt A., 2. punkt A + odległość Plancka, 3. punkt A + 2 odległości Plancka, itd. Pozycja 1 jest umiejscowiona w przestrzeni przed pozycją 2, pozycja 2 przed pozycją 3, itp. Jednak ta kolejność to nie kolejność w czasie... Pozycja 1 nie znajduje się przed pozycją 2 w czasie, tylko w przestrzeni.

Jak tłumaczą badacze, bez używania czasu jako czwartego wymiaru czasoprzestrzeni, można opisać świat dokładniej. Sugeruje się, że matematyczny model czasoprzestrzeni nie odpowiada fizycznej rzeczywistości oraz że bezczasowa przestrzeń dostarcza dokładniejszej struktury opisu.

6.  Newtońskie pojęcie czasu.

Newtońska teoria czasu absolutnego jest bardzo sprytna, tak sprytna, że nie da się jej ani obalić, ani udowodnić, że jest prawdziwa. Próbowano, próbowano.

Z kolei teoria czasu jako kolejności porządkowej występowania zdarzeń jest możliwa do obalenia, na szczęście obalili ją ci sami naukowcy, którzy ją postawili. Zaorali się sami ;)

Do tego dochodzi bardzo fajne, niejako przy okazji odkryte, 'znalezisko'. Czas jako kolejność porządkowa występowania zdarzeń w przestrzeni może wyjaśnić paradoks Zenona - ten o Achillesie i żółwiu.

Paradoks Zenka można opisać mniej więcej tak: Achilles startuje do biegu z żółwiem. Daje mu fory, ale mimo, iż porusza się10x szybciej niż żółw, nigdy nie może go dogonić, ponieważ... Dziwne, co?

Na każdą jednostkę odległości, którą pokonuje Achilles, żółw przebiega 1/10 dalszego dystansu. Achilles biegnie, dobiega do miejsca, w którym stał żółw, ale gadzinka jest już 1/10 odległości achillesowej dalej. I tak w kółko! Do zakichanego końca.

Ale, wierzycie w to? że Achilles nie doścignie żółwia? Oczywiście, nie. Ale spróbujcie udowodnić!

To już trudniejsze.

Istnieje wiele wytłumaczeń, dlaczego samo doświadczenie myślowe jest podstępne i niełatwe do rozwiązania. Potrzebny jest trochę lepszy, niż intuicyjny, aparat matematyczny.

Dzięki naszemu pojęciu czasu jako kolejności zachodzenia zdarzeń w przestrzeni, można go wyjaśnić, paradoks ten.

Przedefiniowano prędkość - szybkość ruchu dwóch zawodników ocenia się według ich położenia w liczbowej kolejności punktów w przestrzeni, a nie według czasu. I według tej perspektywy, Achilles i żółw poruszają się tylko w przestrzeni; Achilles może prześcignąć żółwia w odniesieniu do przestrzeni, jednakże nigdy w 'absolutnym' (nie relatywnym, nie takim od Einsteina) czasie...

7. Przeszłość, przyszłość, teraźniejszość (zastanawiająca kolejność, nieprawdaż?).

Krótka objaśnianka, jak my, ludzie, intuicyjnie postrzegamy czas.

To proste, myślimy o przeszłości, teraźniejszości, przyszłości. Stąd już szybka droga do myślenia o mózgu jako o naszym zegarku, podręcznym, naszyjnym, naszej głowicy jądrowej tykającej niczym... Nie zdziwiłbym się, gdyby teraz Wasze i nasze mózgi w ten sposób tykały, grożąc wybuchem... :)

Jednak to nie wszystko. Idąc za tokiem rozumowania zawartym w powyższym poście, wielu naukowców (radzieckich, chińskich, amerykańskich, ki grzyb - mądrych głów!) wysnuło tezę, że mózg może 'myśleć' o czasie w sposób 'przestrzenny'. Dlaczego?

Ponieważ przy myśleniu o czasie aktywują się neurony, a właściwie ich skupiska, rozsiane po całym mózgu, a, jak wiadomo, są rozmieszczone w mózgu w sposób przestrzenny! To bardzo proste, prawda? Nikt się nie spodziewał takiego rozwiązania, ale to prawda.

I być może myślimy o czasie w kategoriach przeszłości, przyszłości i teraźniejszości, ale - te pojęcia mogą być tylko psychologiczną ramą, podstawą której jest doświadczanie zmian w materii na bazie przestrzeni.

Jednym słowem, myślimy o czasie, ale tak naprawdę rozumujemy w kategoriach przestrzeni.

Pomyślcie nad zdaniem: 'Dwie godziny drogi do Warszawy'. Droga to droga, czas to czas, a jednak - tak myślą nasze mózgi! Czas jako przestrzeń! To nasze myślenie intuicyjne...

A nasze biedne mózgi chciałyby już sobie dać spokój, prawda? Nie wiem, jak Wasze, ale mój ma dość czasu. Dość czasu, by pójść na spacer i nabrać dystansu, czyli... Przestrzeni! =>

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

#35 'Masz Piątaka?', czyli Piąta Siła Fundamentalna

0. Czy bobry?

Witam,

Dziś mamy na kolację cwaniaka, który być może da nam piątaka ;)

Ten głupawy żart to tylko preludium fizyki, którą dziś chciałbym Was trochę uraczyć. Będziemy rozmawiać - ja pisać, Wy - czytać, o ile starczy Wam zapału, o prawdopodobnie nieprawdopodobnym odkryciu - piątej sile fundamentalnej.

Pięć sił fundamentalnych to o jedną za dużo, bo na razie mamy cztery, w pełni potwierdzone i realnie istniejące, piątej szukają wszyscy w półświatku fizycznym, na razie bezskutecznie, ale są oznaki.

A raczej - wskazówki, że istnieje, istnieją :)

Informacje pochodzą z roku 2016, dlatego są lekko nieaktualne, może już odkryli szóstą, a ja piszę o piątej? ;)

To też żart, zajmiemy się piątą.

1. Wstępniaczysko.

Niedawne odkrycia sugerują, że, być może, odkryto piątą siłę fundamentalną w przyrodzie. Wszystko dzięki znalezisku na gruzach kolidujących w akceleratorach cząstek protonów, neutronów i innych bizonów.

W dużym skrócie o siłach fundamentalnych, co to jest, z czym to się je, i czy warto wogóle sięgać po widelec ;)

2. Siły fundamentalne w przyrodzie nieożywionej. Inaczej - tzw. Oddziaływania.

a. Elektromagnetyczne.

Siły elektromagnetyczne to cała znana nam gama zjawisk przyciągania magnetycznego, wyładowań elektrycznych, oraz światło. Pole elektromagnetyczne oscyluje, tworząc fale - radiowe, mikrofale, podczerwone, widzialne, nadfioletowe, Roentgena... Nośnikiem, kwantem, jest foton. Dzięki sile elektromagnetycznej widzimy, umyte włosy stają dęba przy czesaniu, a magnes trzyma się na lodówce.

b. Grawitacyjne.

Najbardziej zagadkowe, bo najsłabsze z wszystkich czterech.

W uproszczeniu grawitacja to siła - jednak według OTW Einsteina to ugięcie czasoprzestrzeni. Efekt jest ten sam - jabłko spada komuś na głowę, planety kręcą się wokół Słońca. Masa - to klucz do oddziaływania grawitacyjnego.

Są trzy ujęcia grawitacji - Kwantowa (prawie czysta matematyka, niemal tylko w teorii, jeszcze nie odkryta, brrrr, nie bierzemy się za to), Newtonowska (grawitacja to siła; piłka odbija się od murawy, bo przyciąga je Ziemia, która posiada pewną masę, a wielkość siły przyciągania zależy od ilości tej masy), oraz ta zaproponowana przez Einsteina - grawitacja to tylko efekt wizualny, a jego przyczyną jest ugięcie czasoprzestrzeni; kwantówkę stosujemy do oddziaływania na poziomie, hmmm, no... kwantów :), jednak w tej nanoskali jest tak słaba, że w obliczeniach może być pomijana... Poza tym, nikt jeszcze nie opracował spójnej i w pełni działającej teorii kwantowej grawitacji. Newtońskiej używamy do obliczeń zachowań ciał na Ziemi i na kartkówkach z fizyki przy obliczaniu prędkości ciała zsuwającego się po równi pochyłej :) Einsteinowkiej używa się do obliczeń ruchu ciał niebieskich oraz, np., w takich urządzeniach jak GPS :) To ostatnie to ciekawy fakt, bo gdyby nie uwzględnić poprawek Einsteina do mechaniki klasycznej, GPSy myliłyby się o kilometry!

Kwantem, niestety teoretycznym, bo nieodkrytym, jest grawiton.

Starczy o tej grawitacji, bo zapędzę się w kozi róg. A Wy zaraz za mną, lepiej w to nie brnijmy.

c. Jądrowe Silne.

Odpowiedzialne jest za wiązania barionów i mezonów. W skrócie - gdyby nie ono, składniki jądra atomowego (proton i neutron) nie mogłyby tworzyć całości, czyli jądra właśnie. Nie byłoby atomów, cząstek, materii w-o-g-ó-l-e. Ma bardzo słaby zasięg, dlatego dotyczy tylko barionów (którymi są właśnie, m.in., proton i neutron), oraz mezonów (np. piony i kaony). Czyli, po prostu, pewne cząstki elementarne.

d. Jądrowe Słabe.

Bardzo tajemnicze. Przenoszone są przez masywne cząstki, które mają krótki czas istnienia i zachowują się jak duchy - pojawiają się to tu, to tam ;) Odpowiedzialne jest m.in. za przemiany promieniotwórcze pierwiastków, ale nie tylko... Mogą zrobić niezłego psikusa i sprawić, że cząstka elementarna pewnego typu zamieni się w cząstkę elementarną innego typu. Mówiłem, że tajemnicze!

Uffff.

Przebrnęliśmy przez etap szkolnictwa na poziomie liceum.

Teraz zapraszam Was na podróż do fizyki niemal z piekła rodem ;)

3. Parę słów wstępu jeszcze.

Jonathan Feng, profesor fizyki i astronomii: 'Przez dziesięciolecia próbowaliśmy dojrzeć poza cztery podstawowe siły fundamentalne, poza tzw. Model Standardowy. Jeśli nasze odkrycia są prawdziwe, całkowicie zmieni się postrzeganie Wszechświata, a, być może, zakończy się to całe zamieszznie nawet unifikacją sił'.

Słów kilka o teorii unifikacji: przewiduje się, że podczas pierwszych sekund istnienia Wszechświata, zaraz po Wielkim Wybuchy, nasze Uniwersum było tak gęste i gorące (bo skompresowane do mikroskopijnych rozmiarów, zanim zaczęło się rozszerzać), że nie istniał podział na siły fundamentalne, była jedna, wielka siła! :) Więcej znajdziecie pod hasłem 'GUT - Grand Unification Theory', ja się tu nie wgłębiam, bo się tak wgłębię, że się nie wygłębię, i zostanę nie Laikiem, nawet nie Tłukiem, tylko Głąbem ;)


4. Do Rze, czy do Rzeczy?

Badacze z UCI (University of Caroline, Irvine) natknęli się na pracę fizyka jądrowego z Hungarian Academy of Sciences, który szukał 'ciemnych fotonów'. To też bardzo ciekawe, tu wszystko jest ciekawe! Dlatego się nie... wgłębiam, bo... ;) Ciemne fotony to możliwy trop do istnienia ciemnej materii (Moje Laiki. Tyle jest blogów i informacji o ciemnej materii, że wiecie, co robić). Prace węgierskiego fizyka odsłoniły anomalię rozpadu radioaktywnego, która wskazuje na istnienie cząstki światła około 30% cięższej niż elektron...

To świetna informacja, ale idźmy dalej.

Badacze nie mogli jednak stwierdzić, czy to nośnik nowej siły fundamentalnej. Po prostu, na ówczesnym poziomie wiedzy nie udało się stwierdzić, czy to nowa cząstka elementarna, czy cząstka-nośnik nowej siły fundamentalnej.

Panie i Panowie z UCI poszli jednak krok dalej i orzekli z ostateczną pewnością, że to na pewno żadne tam 'ciemne fotony' ani inne cząstki materii. Zaproponowali całkowicie nową teorię, która bierze w garść całą informację Węgrów, scala je w jedną, kompletną hipotezę: możemy mieć dowody na nową siłę fundamentalną!

5. Precz z Ciemnym Fotonem, niech żyje Bozon X.

To może być przełom. Prace, żmudne i katorżnicze, doprowadziły ich do punktu wrzenia, i z wściekłości napisali na arXiv (takie forum profesjonalnych fizyków, gdzie zamieszczają swoje artykuły, ogólnodostępne w necie, istne kompendium wiedzy, rzetelnej i sprawdzonej, choć nieraz zdarzą się, tu i tam, jakieś 'dzikie teorie'), że może być to 'Bozon X'. Już was widzę: mutanty, X-meny, dalej boję się pisać... ;)

Co to takiego, ten Bozon X? Otóż.

Podczas gdy zwykła siła elektrostatyczna oddziałuje na protony i neutrony (odpycha je od siebie), ten nowy bozon oddziałuje tylko z elektronami i neutronami, do tego na bardzo ograniczonym poletku, odległości, zwał, jak zwał. Zawał, i to mózgu :) Timothy Tait, profesor fizyki i astronomii orzekł, iż nie ma innego bozonu, który miałby podobne cechy. Stąd X, jak nieznany. To ci dopiero Profesor X! :)

6. Całościowo Rzecz ujmując...

Feng: 'Dalsze badania będą kluczowe. Cząstka nie jest ciężka, a w laboratoriach już dawno osiągano energie potrzebne do wykonania wymaganych badań.'

Leniuchy! Energie mamy od lat 50 i 60 ubiegłego wieku, a tym się nie chce, no co za opieszalcy. Fizycy i Laicy zrobiliby to szybciej, lepiej i taniej ;)

Jednak powody opóźnienia są inne, żarty na bok. Reakcje między cząstkami są bardzo nieuchwytne, słabe. Jednak dzięki faktowi, że cząstka X jest tak lekka, istnieje możliwość, że małe laboratoria, rozsiane po całym świecie, będą mogły zająć się dalszymi badaniami. To coś jak projekt SETI - komputery globu połączyły się i szybciej znajdą UFO :)

7. Elektryzujący koniec.

Ciekawostka: jest możliwość, że ta piąta siła fundamentalna mogłaby być, podobnie jak siła elektromagnetyczna, jądrowa silna i słaba, swego rodzaju 'obwieszczeniem Natury', że istnieje jakieś inne, bardziej podstawowe oddziaływanie...

Matko jedyna, wszędzie Siły, a ja już nie mam siły pisać. Poważnie. Neurony mi wysiadają, dlatego rąbnę jeszcze na koniec.

Prawdopodobnie, według Fenga, może istnieć jakiś 'ciemny' sektor Modelu Standardowego, jeszcze nieodkryty, ze swoimi siłami i cząstkami elementarnymi. Może, powtarzam, może - te dwa sektory 'komunikują' się jakoś ze sobą i oddziałują za pomocą zawoalowanej, zakrytej formy oddziaływań fundamentalnych, bardzo 'podstawowych', by nie rzec - 'pierwotnych'...

Albo - w ten sposób: ten ciemny sektor manifestuje swoją obecność poprzez siłę fundamentalną, odkrytą przez Węgra, nośnikiem jej jest bozon X, a my widzimy tylko 'warkocz'  tej siły, bez zwieńczenia i podmiotu, którego dotyczy. Każdy kij ma dwa końce, ale ten ma tylko jeden - Model Standardowy, oddziaływanie przenoszone bozonem X jest warkoczem, jednak drugiego końca nie ma, a przynajmniej go nie widzimy, bo prowadzi do 'ciemnego sektora', który jest zakryty. Obserwujemy tylko oddziaływanie, Siły Modelu Standardowego, bez drugiego obiektu oddziaływania - sektora X, ciemnego, ciemna masa, ciemna Siła, cholera jasna, jestem już śpiący.

Ciemna materia, proszę Państwa. To jedyny kandydat na brakujący koniec naszego Kija.

O tym może kiedyś, może nigdy, kogo to obchodzi, skoro mamy...

Wuja Google! Ciocię Wiki! Do roboty, ciekawskie Tłuki i Laiki!

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

#34 Na Pograniczu, czyli Mechanika Klasyczna vs. Kwantowa

0. Dobrydzień.

Dzień jest dobry. Ale noc bywa ciekawsza.

Fizyka klasyczna jest dobra, bo pomaga nam zrozumieć otaczający świat, daje chleb i solidne podstawy istnienia.

Fizyka kwantowa jest w codziennym życiu niemal bezużyteczna, nie włączając może tylko komputerów kwantowych, które i tak jeszcze nie istnieją. Jestem trochę w błędzie, bo przecież tranzystory i cała sfera szeroko pojętych zagadnień związanych z komputerami oparta jest na mechanice kwantowej (ale tylko tzw. hardware), jednakże tak na chłopski rozum, rozumiecie przesłanie - ogólnie rzecz ujmując.

Ale za to jest ciekawsza. Ta kwantowa. Mechanika.

Natomiast jeszcze bardziej interesujące jest zagadnienie: gdzie znajduje się granica tych dwóch jakże odmiennych światów? Kto i co decyduje, odkąd mamy do przewidywań np. trajektorii ruchu obiektów używać mechaniki klasycznej, a kiedy już kwantowej?

To pytanie jest bardzo nurtujące, i dziś chciałem o tym Was poinstruować. W końcu jestem Diesphys, czyli - ordnung i baczność ;)

1. Na pograniczu normalności, czyli piękne angielskie słowo 'blurred'.

'Blurred' oznacza 'rozmyte'.

Natura jest skomplikowana, może to generalizowanie, ale jakże istotne.

Naukowcy z Instytutu Nielsa Bohra przeprowadzili proste doświadczenie, które dowodzi, że natura zaprzecza zdrowemu rozsądkowi. Eksperyment dotyczy istoty zachowania się światła - okazuje się, że nie zachowuje się ono zgodnie z zasadami mechaniki klasycznej, a kwantowej.

Użyto nowej metody, która pozwoli w przyszłości określić, czy układ zachowuje się kwantowomechanicznie, czy poddaje się regułom klasycznej mechaniki newtońskiej.

W dalszej części zaprezentuję Wam, jak naukowcy starają się wyznaczyć linię prostą, konkretną granicę światów: kwantowego i klasycznego, bo 'rozmytą' granicą nikt się nie zadowala.

A teraz - od ogółu do sedna.

2. Klasyka i Kwanty.

W fizyce klasycznej obiekty, takie jak samochód czy piłka, bądź też ogryzek jabłka, albo mrówka czy słoń, mają konkretne umiejscowienie i prędkość. Tak postrzegamy świat: słoń stoi na mrówce wypluwając ogryzek, który trafia w piłkę, piłka toczy się pod samochód i mamy kabałę gotową ;)

Chciałem tylko powiedzieć, że wszystkie obiekty, jakie obserwujemy w naszej małej tragedii mają prędkość i położenie.

Ale kiedy zejdziemy schodami w dół w stronę świata mechaniki kwantowej, tragedia zmienia się w… komedię!

W świecie kwantów obiekty także mają pewne określone położenie i swoją prędkość ruchu, jednak tam, na dole strony, przy gwiazdce i drobnym maczkiem stoi napisane: 'ale nie jednocześnie...' :)

Już tłumaczę.

Na poziomie atomowym, mechanika kwantowa decyduje, że natura rzeczy jest inna, niż dyktuje nam to nasza codzienna, oparta na doświadczeniu, intuicja.

To nie tak, że nie znamy prędkości cząstki bądź jej położenia. Znamy. Ale nie możemy znać tych dwóch wartości w tym samym czasie z dowolną dokładnością, jak dzieje się to w realiach mechaniki klasycznej.

Te dwie wartości: prędkość i położenie, w świecie mechaniki kwantowej jednocześnie... nie istnieją.

Szokujące?

Nie dlatego, że nie posiadamy precyzyjnych instrumentów pomiarowych i coś nam umyka. Taka jest natura rzeczywistości w świecie kwantów. Gdy istnieje prędkość, nie istnieje położenie, i odwrotnie.

Skąd znamy powyższą zależność? I gdzie jest granica świata dziwnych zachowań obiektów i zwyczajnych zachowań obiektów?

3. Doświadczenie naukowców z Instytuty Nielsa Bohra na świetle widzialnym.

Eran Kot (miau miau ;)), doktorant z grupy badawczej, pisze:

'Naszym celem jest spojrzenie na mechanikę kwantową w innym... świetle (ha, ha, ha). To ważny, aby być stuprocentowo pewnym, że układ zachowuje się w ten sposób, że nie ma ;klasycznej' metody na wyjaśneinie jego 'modus operandi'. Uniwersytet Kopenhaski, wydział Optyki Kwantowej ma wspaniałego naukowca w swoich szeregach, to doktorant, ciekawe, co mogliby powiedzieć profesorzy... aż bałbym się zapytać =]

Badano zachowanie się światła, w dużym skrócie. W fizyce klasycznej, światło ma właściwości zarówno elektryczne jak i magnetyczne.

Eran Pies... yyy, Kot (poranny suchar! dla głodnych kawalarstwa, psotnictwa i figlarstwa ;)):

'Nasze badania wskazują na fakt, że światło posiada cechy związane zarówno z polem magnetycznym i elektrycznym, ale nie obie jednocześnie. W powyższy sposób udowadniamy, że nasze doświadczenie łamie zasady mechaniki klasycznej. I oto wniosek: światło ma własności kwantowe, dlatego wykonujemy krok naprzód i próbujemy zastosować opisane w eksperymencie metody do innych układów'.

4. Klasyka i Kwanty vol.2.

Celem doświadczenia jest w pierwszej kolejności zrozumienie natury rzeczywistości, ale przede wszystkim - jak wykorzystać mechanikę kwantową do praktycznych rozwiązań. To nie żadne novum, że światło ma naturę kwantową, ale za pomocą metod z opisywanego przeze mnie eksperymentu można badać inne systemy.

Profesor fizyki kwantowej Anders S. Sorensen (a, co mi tam! ;)):

'Potrzebowaliśmy znaleźć sposoby na rozwój informatyki kwantowej. Dlatego bardzo ważne jest, aby w końcu znaleźć rozwiązanie zagadki: gdzie przebiega granica między światem kwantów i klasycznym.'

Ta wypowiedź pozornie nie wnosi nic nowego do tematu, ale - chwilunia.

Oznacza ona, że do skonstruowania komputerów kwantowych, tak wyczekiwanych przez żądny nowinek technicznych świat, musimy koniecznie rozwinąć technologię budowania układów rządzących się prawami mechaniki kwantowej.

W jednym zdaniu: układ zawierający w sobie elementy mechaniki kwantowej ma tworzyć komputer kwantowy.

W drugim zdaniu: musimy nauczyć się konstruować systemy nieklasyczne, czyli kwantowomechaniczne, aby móc skonstruować pierwszy działający na skalę komercyjną komputer kwantowy.

Opisane powyżej przeze mnie doświadczenie to sposób na badanie natury światła, ale może zostać zastosowany do badania, bądź też tworzenia, innych układów.

Pierwszy taki w Kosmosie. W roku 2012. Jestem opóźniony, bo się tylko dogrzebałem starocia, prawda? ;) Stare, ale jare, bo dziś mamy już zalążki informatyki kwantowej i to całkiem pokaźne, jednak w 2012 to był istny Piorun z Nieba.

Interesujące, nieprawdaż?

5. Konie(c), które(y) mów(i)ą, że...

Dziwne zakończenie. Nadal nie znamy dokładnej granicy kwantowo-klasycznej, tak jak nie znamy dokładnego okresu i sposobu, jak z materii nieożywionej powstało życie na Ziemi. Te dwie granice spędzają sen z oczu fizyków i biologów (badaczy skwarków, bi(o)zonów - a jednak mamy płynną, wyraźną granicę, bez przeskoków kwantowych, tunelowania, itp. ;)) - i to nas z nimi łączy! Granice! Granice łączą, także ten, teges... ;)

Jeden wniosek jest bardzo ważny. Jednoczesność zachodzenia pewnych zjawisk.

Nie można być jednocześnie tu i tam, to wiemy. I dlatego, czasami, pewne własności nie mogą zachodzić, pojawiać się symultanicznie - i tego uczy fizyka kwantowa nas, żyjących w świecie klasycznym.

Pozdrawiam i posyłam strumień fotonów wiedzy! =]

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

#33 Dwa Wymiary i Nowy Stan Skupienia Materii, czyli 'Amerykańscy Naukowcy...'

0. Wstępniak.

No, hej, dziewczęta i chłopcy, żądni wiedzy i nowinek ze świata kwantów.

To, co dziś zaprezentuję, nie jest jakimś mega kosmosem, który otworzy Wam oczy i zmieni światopogląd.

Nie będę wypisywał o czarnych jak czarne dziury dziurach, mysich norach, w których myszy potajemnie przeprowadzają doświadczenia fizyczne, tudzież rozszczepiają atomy młotkiem.

Wiem, że to, co napisałem, to trochę brednie, ale takie mamy Internety i ja też muszę trochę pobredzić, zanim przejdę do rzeczy.

Chciałem Wam tylko zakrzywić mózgi, bo za chwilę będę je Wam prostował.

A żeby coś naprostować, trzeba najpierw to wykrzywić. Mózgi macie proste i chłonne jak gąbka, więc-dlatego-jednakowoż trochę gnoju na podkładkę, coby lepiej rosło.

Pieczarki też tak mają ;)

1. Odkryto nowy stan skupienia materii...

… dzięki dwuwymiarowemu materiałowi. Co to takiego?

To bardzo cienki materiał, o grubości około jednego atomu. Płaszczyzna, taka bardzo cienka kartka papieru, która w praktyce... nie ma grubości. Zachowuje się, jakby miała dwa wymiary, a nie trzy, jak cała inna materia w naszym Wszechświecie. Wszystko ma szerokość, wysokość i grubość, a taki grafen, który też jest materiałem dwuwymiarowym, ma tylko szerokość i długość. W praktyce, bo teoretycznie wszystko ma trzy wymiary, oprócz niektórych cząstek elementarnych. Zima w głowie, prawda?

Teraz będzie już z górki.

Międzynarodowy zespół badaczy dostarczył dowodu na niecodzienny nowy stan skupienia materii.

Jego istnienie przewidziano w teorii 40 lat temu, a dziś mamy go naprawdę. Stan ten nosi nazwę 'kwantowej cieczy spinowej'.

Fajna nazwa, już mam w połowie zryty beret :)

A jeszcze fajniejsza jest jej właściwość: powoduje, że elektrony, które z założenia są cząstkami elementarnymi i nie podlegają dalszej kwantyzacji, czyli rozłożenia na dalsze czynniki pierwsze, rozpadają się... Do roku 2016 wydawało się całemu naukowemu światu, że elektrony są niepodzielnymi budulcami materii, jednak eksperyment dowiódł, że tak nie jest.

Zespół naukowców, włączając fizyków z Uniwersytetu w Cambridge (no i gdzie ci amerykańscy naukowcy? No gdzie, pytam?) dokonał pomiarów i wykrył pierwsze oznaki podzielonych elektronów, nazywane od teraz 'fermionami Majorany' na dwuwymiarowym materiale, o strukturze podobnym do grafenu.

Wyniki eksperymentu doskonale wpasowały się w dość już leciwą teorię kwantowej cieczy spinowej, nazywaną także modelem Kitaeva. Kwantowa ciecz spinowa to niezbadany dotąd stan skupienia materii, które rzekomo są ukryte w pewnych materiałach posiadających własności magnetyczne, ale...

… nie zostały dotąd odkryte w naturze.

2. Rozdzieranie elektronów.

Przełomem jest odkrycie rozbicia elektronów. To tak zwana frakcjonalizacja. Zaobserwowanie jej w prawdziwym, realnym  materiale to nie lada przełom w nauce. To gigantyczna niespodzianka i krok milowy w fizyce cząstek. Dlaczego?

Ponieważ fermiony Majorany, produkt rozbicia elektronów, mogą być użyte jako budulec, a właściwie podstawowe części składowe komputerów kwantowych. Komputery kwantowe to melodia niedalekiej przyszłości, będą one szybsze niż tradycyjne komputery i będą mogły rozwiązywać zadania poza zasięgiem naszych obecnych blaszaków. Pecetów. Ok, i tak wiem, że wolicie konsole ;)

'To nowy stan skupienia materii, który został przewidziany ale dotąd niezaobserwowany', rzecze dr Johannes Knolle z Laboratorium Cavendisha w Cambridge, jeden ze współautorów publikacji.

W zwykłym materiale o własnościach magnetycznych elektrony zachowują się jak małe magnesy sztabkowe. Kiedy schłodzi się materiał do odpowiednio niskiej temperatury, 'magnesiki' zachowują porządek, na przykład - wszystkie bieguny magnetyczne północne zwracają się w jednym kierunku.

Jednakże w materiale zawierającym  kwantową ciecz spinową, nawet jeśliby schłodzić ją do zera absolutnego, sztabki magnesowe nie ułożyłyby się w symetryczny wzór, tylko stworzyłyby splątaną kwantową zupę, rządzącą się prawami fluktuacji kwantowych: losowych 'eksplozji' energii, rządzących się zasadą nieoznaczoności Heisenberga.

Moi biedni Laicy, jak mi Was szkoda, że to czytacie. Broń Boże ze zrozumieniem jeszcze ;)

3. Eksperymenty na kwantowej cieczy spinowej.

Do tej pory nie wiadomo było, jak wyglądałyby eksperymenty na kwantowej cieczy spinowej.

Jakie pozostawiłaby 'odciski palców' (coś w rodzaju śladu na ekranie testowym, kiedy podda się ją bombardowaniem neutronami).

Fizycy o nazwach, to znaczy imionach, czy tam nazwiskach, kto ich tam wie - Knolle i Kovrizhin (a widzicie? brzmią jak nazwy czegoś) z Laboratorium Oak Ridge użyli technik zw. rozproszenia neutronowego, aby otrzymać dowód na frakcjonalizację elektronów w kryształach chlorku rutenu (RuCl3)
.
Oświetlano ten rutenek, chlorek, czy coś tam (jesteśmy fizykami a nie chemikami więc możemy z nich drwić) za pomocą neutronów i obserwowano wzór zmarszczek na ekranie, jaki powstał w efekcie ostrzeliwania biednego chlorku.

Zwykły magnes dałby efekt w postaci ostrych kropek, ale nikt nie wiedział, jaki wzór ukazałby się na ekranie, jeśli w grę wchodziłyby fermiony Majorany z kwantowej cieczy spinowej. To te rozdarte elektrony. A jednak...

4. Wnioski końcowe i dobranoc!

Przewidywania teorii sprzed 40 lat sprawdziły się, dostarczając dowodu na istnienie, po raz pierwszy, kwantowej cieczy spinowej i frakcjonalizacji elektronów w dwuwymiarowym materiale. To nowy kwantowy stan skupienia materii i milowy krok w dziedzinie zrozumienia tych stanów. Nigdy wcześniej nie zaobserwowany.

Pozostaje tylko pytanie. Jaki wzór pokazał się na ekranie?

To proste. Skwarki i bizony ;)

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

#32 Nagim Okiem na Mechanikę Kwantową Spoglądając

0. Słowo wstępne.

Dziś opiszę eksperyment, w którym naukowcy osiągnęli niespotykany dotąd efekt.

Okazało się, że można dostrzec efekty kwantowe gołym okiem, bez potrzeby sięgania po mikroskop elektronowy, a nawet taki z lekcji biologii, gdzie ogląda się rozjechaną żabę, ślimaka bez skorupki czy inne paskudztwa.

Dobra, koniec tej ściemy, zabieramy się do rzeczy.

1. Kto, kiedy, potem będzie - ‘jak’.

Zespół naukowców z Cambridge (na szczęście nie są to słynni amerykańscy naukowcy, którzy przecież wiedzą już wszystko) zbudował chip półprzewodnikowy, który przetwarza elektrony w stan kwantowy. Stan ten ma to do siebie, że emituje światło, jednakże cały ten układ nie jest jak dotychczas dostępny jedynie na poziomie mikroskopu, i to elektronowego, czyli w niedostępnej dla pani czy pana z biologii skali; światło można dostrzec gołym, nieuzbrojonym okiem (nieuzbrojone oko to oko bez przyrządów pomiarowych, niestety nie oznacza to oka rodem bohaterów z X-Men, takiego Cyclopsa czy innego Supermana. Wiem, szkoda.)

Kieruje się promień lasera na urządzenie zawierające nadciekły płyn w stanie kwantowym. Odkrycie owo może kierować w stronę wynalezienia bardzo czułych detektorów.

Sytuacja miała miejcie we wspomnianym Cambridge w roku 2012 więc jest to świeża sprawa (oczywiście, biorąc pod uwagę dinozaury czy epokę lodowcową ;)).

Dlaczego płyn nadciekły? Ponieważ mechanika kwantowa działa szczególnie dobrze wtedy, gdy temperatura jest ekstremalnie niska, a cząstki bardzo małe. Nadciekły płyn w stanie kwantowym to już skala bliska zera bezwzględnego (~ -272 st. C).

Zespół badaczy dokonał swoistego zmieszania elektronów z fotonami, aby uzyskać cząstki kwantowe o wielkościach, jak na skalę cząstek elementarnych, olbrzymich. Grubości ludzkiego włosa. Na domiar złego, cząstki te zachowywały się jak nadprzewodniki, czyli przewodziły prąd (możemy powiedzieć, w dużym przybliżeniu, bo tak naprawdę definicji, czym jest prąd elektryczny, jest wiele – strumień wolnych elektronów) bez oporu…

Wiem, że to dużo, jak na jeden akapit, ale pomyślcie w ten sposób.

Elektrony i fotony grubości ludzkiego włosa? Cząstki ze świata nano, gdzie logika jest zupełnie inna niż w naszej codzienności, a intuicja wykształcona na bazie doświadczeń z naszego świata zupełnie zawodzi?

Tak.

2. Opis doświadczenia.

Zbudowano mikroskopijne jamy, w których, w obrębie mikrochipu, sąsiadowały elektrony i fotony.

Efekt był dość dziwny.

Powstały nowe cząstki – tzw. ‘polaritony’, bardzo lekkie, aczkolwiek mogące się poruszać bardzo swobodnie w obrębie paszczy. Jaskini. No, tej jamy.

Dr Gab Christmann, prof. Jeremy Baumberg i dr Natalia Berloff z Uniwersytetu w Cambridge, wraz z ekipą badaczy z Krety (Kretyni?) wyprodukowali nowe próbki, które pozwoliły polaritonom poruszać się swobodnie w obrębie jam bez blokowania się nawzajem. Swobodny przepływ cząstek, bo to przecież nadciekłość.

Wstrzeliwano je w taki sposób, że tworzyły dwie tzw. ‘plamki laserowe’. Efektem był nadciekły płyn o właściwościach kwantowych.

Co najciekawsze, płyn zaczął spontanicznie oscylować (czyli, po prostu, płynąć naprzemiennie w dwóch przeciwnych kierunkach) do przodu i do tyłu. Ruch ten spowodował, że całość zaczęła przejawiać najbardziej znane cechy świata kwantów: superpozycję, splątanie kwantowe, i wiele innych, o których możecie przeczytać u Wujostwa Gu.

Jednakże wielkość, skala tych kwantowych zjawisk daleko wykroczyła poza zwykłą sobie normę: ze świata tak małego, jak 10^-15 metra, do grubości ludzkiego włosa.

Wyobrażacie sobie, że patrzycie na włos, a on jest rozdwojony? Nie! Nie mówię o rozdwajających się końcówkach. Jedynie o tym, że włos naprawdę jest podwójny, pomimo tego, że to jeden włos…

I też nie dlatego, że mamy jakieś dioptrie na minusie…

Trudno powyższe zdanie zrozumieć, ale w świecie kwantów takie zachowania to norma. Cząstka jest w dwóch miejscach jednocześnie ale realnie, naprawdę. To sprzeczne z naszą logiką, ale zapewne niejeden elektron zdziwiłby się, że krzesło ma cztery nogi a nie osiem i że stoi w jednym miejscu a nie w dwóch.

Albo – trochę łatwiej – wyobraźcie sobie członka jakiegoś plemienia z dżungli amazońskiej, którego złapano, zawiązano oczy i wywieziono do igloo w na Grenlandii. Śnieg byłby dla Indianina czymś bardzo dziwnym, wręcz sprzecznym z czymkolwiek, co kiedykolwiek widział, nienormalnym.

To dobre słowo. Dla nas elektrony są nienormalne, dla elektronów – my.

3. Doświadczenie w opisie rozleglejszym.

Polaritony z nadciekłego płynu, te duże cząstki kwantowe, objawiały nam całą dziwną własność mechaniki kwantowej. Dokonywały splątania, ale -nie tylko.

Jeszce dziwniejszym był fakt, że płyn próbował się odpychać… od samego siebie. Mógł także wirować jedynie w określonych ilościach… wiem, brzmi to absurdalnie, ale rezultatem były wiry o liniach regularnych, nie owalnych czy okrągłych. To tak jakby odległości były skwantowane, a my to widzieli gołym okiem. Czy wyobrażacie sobie wiry złożone z kresek, takie trochę… kanciaste? Kwadratowe wiry? Odległości uległy skwantowaniu, na naszych oczach!

Poprzez rozdzielenie promieni laserowych dr Christmann i jego współpracownicy bezpośrednio kontrolowali rozchlapywanie się płynu kwantowego, formując wahadło gibające się milion razy szybciej od bicia ludzkiego serca.

Dr Christmann dodaje: ‘To nie są zjawiska, która można oglądać na co dzień. A drugim cudem jest perfekcyjnie dobranie parametrów doświadczenia, musieliśmy być bardzo precyzyjni. Mogliśmy sterować naszym polaritonowym płynem kwantowym poprzez przemieszczanie wiązek laserowych, które go wytwarzały.’

4. Wnioski z naukowej wioski.

Zwiększenie liczby wiązek laserowych jedynie dodawało kolejnych niespodzianek, a raczej komplikowało stany kwantowe. Mnożyło je.

Długofalowym celem doświadczeń było stworzenie podobnych stanów kwantowych za pomocą baterii elektrycznej w temperaturze pokojowej. Jakby im było mało.

Jednakże, gdyby ów cel został osiągnięty, stałoby się możliwe zbudowanie nowej generacji hiperczułych żyroskopów (to takie urządzenia stosowane w awionice, pomagające utrzymać pion. Przydałyby się po Sylwestrze, prawda, Laicy? ;)) do pomiarów grawitacji, pola magnetycznego oraz do tworzenia obwodów kwantowych… Zupełnie nowa technika, człowiek się gubi.

Ale zanim człowiek się zgubi, chciałby tylko dodać, że eksperyment był sponsorowany przez Radę Badań Nauk Fizycznych i Inżynieryjnych oraz Unię Europejską.

To tak jakbym zakończył w stylu Ulicy Sezamkowej:

‘Dzisiejszy program sponsorowany był przez literki ‘G’, ‘K’ oraz cyfrę…

=].

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