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! :)
Oraz na Facebook fanpage; więcej nas, jest ciaśniej ale weselej! ^_^
2 zasada termodynamiki Newtona?
OdpowiedzUsuńNie rozwinąłem myśli. 2 zasada termodynamiki Newtona determinuje strzałkę czasu, a właściwie jej kierunek (od przeszłości do przyszłości). Chodzi o pojęcie entropii oraz fakt, że zgodnie z 2 zasadą termodynamiki w układach izolowanych wielkość zwana entropią zawsze rośnie (o ile 'na' układzie nie zostanie wykonana praca). O co chodzi? Układy izolowane zawsze dążą do stanu większego nieuporządkowania. Nie oznacza to, że nie istnieje taka możliwość, że z nieuporządkowanego układu stanie się on uporządkowany, w sposób spontaniczny. Owszem, istnieje szansa, że rozbite jajko (większa chaotyczność i rozproszenie) wturla się z powrotem na stół i stanie się jajkiem całym (układ łatwiejszy do opisania) - o tym mówi mechanika kwantowa! Jeśli założymy odpowiednio długi czas oczekiwania na taki proces, jest on możliwy, gdyż rozbijanie jajek jak i inne procesy cząsteczkowe są teoretycznie odwracalne. Samoistnie? Dlaczego nie! Mamy przecież zjawisko tunelowania kwantowego, na którym to procesie opiera się konstrukcja tranzystorów (przekroczenie przez cząstkę kwantową bariery potencjału) - elektron może tunelować, z małym, aczkolwiek istniejącym i skończonym prawdopodobieństwem, na drugą stronę bariery, czyli, tak jakby, samoistnie pojawić się po drugiej stronie mniemanej ściany... Dziwne, prawda? Wynika to z faktu, że istnieje skończone prawdopodobieństwo zajścia takiego zdarzenia, a skoro mowa o statystyce i kwantach, do w grę wchodzi fakt, że jest on realny, choć ograniczony procentami... zaistnienia, oczywiście... ; ) Wracając do jajka. I jego wturlania się oraz złożenia w całość. Powiedzmy, że takie zdarzenie to jeden z możliwych rozwoju procesu. Czyli tzw. konfiguracja procesu. Prawdopodobieństwo jego zajścia wynosi 0.00001%. Strzelam, liczba z całkowitej z kapelusza. Siedzisz przy stole, i patrzysz. I patrzysz. I patrzysz... Czekasz 10^100, czyli gugol (haha, nie google, a gugol) lat. Teraz liczymy. W 99.9999% przypadków jajko się nie wturlało. Mamy już brodę, wąsy, paznokcie tak długie... Żartuję, oczywiście. Takie prawdopodobieństwo oznacza, że 0.00001% przypadków to właśnie konfiguracja systemu izolowanego z jajkiem wturlanym i złożonym do... siebie, w siebie, w jajko, z powrotem, zaszła w rzeczywistości. Pewnie się machnąłem z liczbami. Może z Czasem. I pewnie takie jajko nie jest układem idealnie izolowanym. Ale prawa fizyki są odwracalne, również w czasie. Na poziomie kwantowym wystarczy zmienić cząsteczce znak ładunku na odwrotny, odwrócić kolejność interakcji w przeprowadzeniu eksperymentu i mamy... identyczny proces, wyglądający tak samo, tylko biegnący od tyłu. To tzw. symetria procesu fizycznego w czasie... Tak dziwna jest mechanika kwantowa. Ekstrapolując, jeśli materia składa się z cząstek elementarnych, dlaczego podobne dziwactwa nie mogłyby się dziać w świecie makroskopowym? Podkreślam, teoretycznie. Co do entropii, wystarczy nadmienić, że istnieje statystycznie więcej układów nieuporządkowanych niż uporządkowanych, dlatego Natura wybiera prawie zawsze to pierwsze, jeśli chodzi o kierunek ewolucji procesu. Co nie oznacza, że procesy rzadsze nigdy nie zachodzą. Zachodzą, ale statystycznie rzadziej i trzeba by dłużej poczekać. A teraz. Dlaczego mówiłem w temacie o drugiej zasadzie termodynamiki Newtona? Ponieważ kierunek wzrostu entropii (2 ZTN) - od jajka do mokrej plamy, od porządku w pokoju do totalnego bałaganu, od molekuł gazu ułożonych sztucznie w pudełku przedzielonym na pół po jednej stronie do (następuje uruchomienie maszyny ; )) wyjęcia przegrody i rozproszonych cząsteczek walących jak oszalałe w ściany pudełka - taki kierunek ma tzw. termodynamiczna strzałka czasu, od przeszłości do przyszłości. Mam nadzieję, że jeszcze jest jasne, jak niejasne, to wyjaśnię, pytajcie śmiało, ale uprzedzam, że szczególnie obkuty w teorii entropii nie jestem. To dość tajemnicze pojęcie, łącznie ze strzałką czasu, a jednocześnie bardzo fascynujące. A, i ta termodynamika. Jest bardzo trudna, Ludwig Boltzmann, fizyk zajmujący się entropią i termodynamiką w XIX wieku, popełnił samobójstwo. Eee, także, dobranoc =]
OdpowiedzUsuń