#81 Klasyczna Loteria czyli Nowa Teoria Grawitacji

0. Wstęp.

Dzieńdobrywieczór!

To znowu ja. Rozmośćie sie wygodnie w fotelach, załączajcie ścieżkę dźwiękową z Gwiezdnych Wojen czy innego Interstellar i fruniemy. Fruniemy do gwiazd, do kwantów, chcecie, to wymyślę jeszcze jedną lokalizację: może nie do sklepu po piwo, bo można sobie zamydlić ogląd i powiedzieć wtedy, że temat jest nudny. Za trudny. Zamiast tego żołądkowa gorzka i możecie się czuć znieczuleni!

Dziś nie będzie nudno. Będzie jak zawsze. Czyli wzloty i upadki naukowców, także naszych ulubionych, czyli amerykańskich; oraz o tym, co tam nowego zalęgło się w mózgach tychże. Startujemy!

1. Przybliżenie problemu (jakby ich był mało), czyli alkoholizm wśród Indian.

W głębi serca fizyki biegnie głęboka szczelina. Ogólna teoria względności, która opisuje grawitację, rozbija się o fizykę kwantową. Nie szczędzono wysiłków, by zakryć tę rozpadlinę, wielu naukowców spędziło swoje całe kariery budując teorię kwantowej grawitacji.

Jeden z nich objął jednak całkowicie inną drogę. Jonathan Oppenheim (niestety, nie ma nic wspólnego z Oppenheimerem, choć wydawałoby się, że Oppenheim to taki mały Oppenheimer) uważa, że grawitacja może być fundamentalnie klasyczna, czyli nie być kwantową, w ogóle. To bardzo niekonwencjonalne podejście, krótko mówiąc. To tak jakby znaleźć się, będąc jedynym białym, w pokoju pełnym Indian. Lepiej nic nie mówić.

'Kiedy zaczynaliśmy, może 99 procent uważało nas za głupków, teraz ta liczba zmniejszyła się do 70%' docina Oppenheim z Uniwersytetu w Londynie.

Wszystkie znane siły fundamentalne, z wyjątkiem grawitacji, są sformułowane w kategoriach fizyki kwantowej. Przeważa pogląd, że grawitacja powinna dołączyć do swoich kwantowych kolegów. Ale Oppenheim uważa, że ona jest inna. Podczas gdy inne siły rozprzestrzeniają się w obrębie czasoprzestrzeni, grawitacja jest zagięciem samej czasoprzestrzeni. Oppenheim twierdzi: 'nie jest do końca przesądzone, że powinna być kwantowa z natury'. No pewnie, że nie jest przesądzone, że zdejmą ci skalp. Mamy XXI wiek.

Fizycy opracowali kilka niedostępnych twierdzeń, które, wydaje się, zabraniają stworzeniu klasycznej teorii grawitacji. Takie twierdzenia uwydatniają niespójności, najwidoczniej zabójcze dla pomysłu, które powstają gdy klasyczna grawitacja jest zastosowana do cząstek kwantowych. Ale można ominąć te zakazy, poprzez dodanie pewnej losowości do sposobu, w jaki czasoprzestrzeń zagina się w odpowiedzi na kwanty, twierdzi Oppenheim.

2. Dwie szczeliny, orzeł czy reszka? Stanęło Kantem i zostaliśmy z Nietzschem.

Rozważmy słynny eksperyment z dwiema szczelinami. Cząstki są wysyłane w kierunku detektora, oddzielone barierą z otworami po bokach. Dwoma. Kiedy cząstki docierają do ekranu detekcyjnego, tworzą paskowany wzór zwany wzorem interferencyjnym. Ten wzór powstaje gdyż w fizyce kwantowej cząstka nie jest ograniczona do przejścia przez jedna albo druga szczelinę. Zamiast tego, może istnieć w superpozycji, obierając dwie drogi jednocześnie w pewnej kombinacji. Kiedy badacze próbują podejrzeć, która szczelina cząstka przeszła, wzór interferencyjny zanika. Mówisz do sklepikarki dzień dobry, uber eine flasze noch mal, a ona nagle się odwraca. Niegrzeczne kwanty!

Kiedy cząstki, w tym wypadku kwanty światła zwane fotonami, są wysyłane przez barierę z dwiema szczelinami, cząstki tworzą wzór interferencyjny (paski) ze względu na efekty kwantowe.

3. Zagwózdki, czyli wracamy do problemu.

Jeśli standardowy obraz grawitacji jest poprawny, można by zmierzyć pole Dżi takiej cząstki tak dokładnie, że dałoby się stwierdzić, przez która szczelinę przeszła cząstka. To prawdopodobnie zniszczyłoby wzór interferencyjny, nawet bez dokonywania pomiaru. Ponieważ jednak obserwuje się w laboratoriach wzory interferencyjne, jest to duży cios dla klasycznej teorii grawitacji. Ha! Fajnie by było, gdybyśmy byli Indianami w naszym pokoju, ale niestety jakoś się nie da tak na szybko przefarbować. Howgh, blada twarzy, szykuj łeb.

Jednakże w teorii Oppenheima zamieszczono losowość, a to oznacza, że cząstka zamiast posiadać określone pole grawitacyjne, posiada pole grawitacyjne fluktuujące. Takie cos jak bąbelki w naszej żołądkowej gorzkiej, losowo sobie wylatują na powierzchnię. Można rzec, że żołądkowa gorzka to nasza siła ciążenia, a bąbelki są dodane.

To oznacza, ze, w odróżnieniu od standardowej wersji klasycznej grawitacji, nie jest możliwe określenie przez która szczelinę przeszła cząstka poprzez precyzyjny pomiar pola grawitacyjnego. Cząstki mogą przechodzić przez dwie szczeliny w superpozycji, wzór interferencyjny zostaje zachowany, a to oznacza, że grawitacja może być klasyczna. Ufff. Panie, idź pan stąd, idź pan stąd! Włosy zachowane, ale musieliśmy dać dyla z pokoju, gdzie sami Indianie i polewają już wódę z bąbelkami.

W eksperymentach można dowieść, a w zasadzie przetestować teorie szukając dowodu na te losowe grawitacyjne fluktuacje. Po prostu mierzy się bardzo precyzyjnie reakcje masy na pole grawitacyjne.

To nie pierwszy raz, gdy badacze proponują drogę, aby grawitacja klasyczna była zgodna z fizyka kwantową. Oppenheim to jednak lider ruchu odnowy klasycznej siły ciążenia. Precz z kwantami! Proponuje się także inny eksperyment, mierzący korelacje pomiędzy ruchami dwóch mas które oddziałują grawitacyjnie.

Jednakże, pomysł ten posiada cechy, przez które można określić go jako niesatysfakcjonujący. Na przykład, losowość oznacza, że teoria nie jest nieodwracająca się: w odróżnieniu od innych koncepcji, nie można zacząć od końca interakcji i prześledzić jej przebiegu wstecz.

Jednakże jest także drugie jednakże: nawet niektórzy zwolennicy kwantowej grawitacji uznają, ze ta praca ma zalety.

'Powód, dla którego ta teoria jest tak interesująca to nie fakt, ze wierzę, ze grawitacja jest klasyczna', mówi Flaminia Giacomini z ETH w Zurychu. Mamma mia! Wynik jest interesujący niezależnie od faktu czy grawitacja jest klasyczna czy kwantowa. Naukowcy muszą zrozumieć możliwości, że grawitacja jest klasyczna, w celu bycia pewnym stwierdzenia, ze jednak jest kwantowa. 'Tylko tak możemy być w stanie dowieść w przekonującym stopniu, ze grawitacja jest niekompatybilna z klasycznym opisem.'

Czyli zobaczyliśmy, że jesteśmy biali, tylko po to, by stwierdzić, że nie jesteśmy czarni. A co z Indianami?

Wodą ognistą im polano, jak zwykle upadek cywilizacji Mohikan, która gdyby nie flaszka, opanowałaby świat.

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

#80 Co w Trawie Piszczy, czyli Dwa Łyki Kwantowej Mechaniki

 

0. Wstęp.

Wstępniakiem znowu Was postraszę, co tam nowego w świecie kwantów. Inni piszą o wojnie na Ukrainie, o Trumpach i innych Putinach, a my nie bawimy się w wojnę tylko w leka… to znaczy w naukowców. Jak wygląda zabawa w naukowców? Bierze się temat z @diesphys, czyta go głośno na jakiejś imprezie i już ma się przydomek 'Ajnsztajn'. Naprawdę, niewiele trzeba. Można nawet oszukać i powiedzieć bizony zamiast bozony, bo towarzystwo już napite. A my dzisiaj pijemy ze źródeł wiedzy, jakie dostarcza nam ostatnio coraz częściej Fizyka Dla Laika Czyli Nauka Dla Tłuka. Się Redaktor zapędził i atakuje Was mionami, niczym z działa laserowego. Tymczasem, krotochwila już się kończy i lecimy do roboty! Zaraz uraczę Was tym, co mnie samego kręci już od ponad 12 lat. Nie to żebym miał taką wiedzę, chyba, że faktycznie weźmiemy te 12 lat i powiemy, że mam wiedzę 12 latka ;)

1. Wstęp do interpretacji, jak to się pije.

Na przestrzeni lat opracowano dziesiątki interpretacji mechaniki kwantowej. Większość z nich próbuje ugryźć problem od strony: 'co się dzieje, gdy na poziomie kwantowym dokonywany jest pomiar'. Formuła matematyczna, zwana funkcją falową (albo wektorem stanu,) opisująca stan układu, zostaje zresetowana, kiedy dokonywany jest pomiar. Liczne możliwości, na które wskazuje nam matematyka prawdopodobieństw zdają się zapadać i dokonuje się kolaps do jednego wyniku. Interpretacje mechaniki kwantowej próbują wyjaśnić, jak ten kolaps się dokonuje - albo czy w ogóle zachodzi. Niektóre z interpretacji zajmują się faktem, czy funkcja falowa jest fizycznie realna czy jest jedynie czymś zgoła matematycznym. Niestety, nie mam możliwości ujęcia wszystkich subtelnych różnic między interpretacjami, które z biegiem czasu zostały dodane przez ich zwolenników jak i samych autorów. Jednakże, jak pisze kosmolog Max Tegmark, nie ma zgody nawet co do tego, które z nich powinny zostać nazwane interpretacjami.

2. Mechanika Bohma.

Posiada ona wielu zwolenników, została opracowana w 1950 roku przez Davida Bohma. Bazował on na wcześniejszych opracowaniach Louise'a de Broglie'a. Mechanika ta opisuje cząstki jako obiekty poruszające się we wszystkich kierunkach. Są one sterowane, a raczej poprzedzane tzw. 'falami pilotującymi'. Fale te mówią cząstce, gdzie ma się poruszać. Podejście to sprowadza fizykę z powrotem do determinizmu, omijając prawdopodobieństwa, które potępił Einstein wypowiadając słynne 'Bóg nie gra w kości z Wszechświatem. Jako że eksperymenty wykluczyły jego teorię 'ukrytych zmiennych' jako narzucające determinizm, stąd mechanika Bohma wymaga pewnego rodzaju 'działania na odległość' (lub inaczej nielokalności). Einstein tego także nie popierał. Był za, a nawet przeciw ;) Równie trudno jest wyobrazić sobie, jak mechanika Bohma mogłaby przewidzieć jakiekolwiek różnice doświadczalne miedzy nią samą a standardową interpretacją mechaniki kwantowej. Krótko przed śmiercią Einstein powiedział, że nie był pod wrażeniem tej interpretacji. 'Wydaje się zbyt tania i naciągana' - napisał w liście do fizyka Maxa Borna. Kłócił się i kłócił, aż poszedł do piachu.

3. Interpretacja ewolucji stochastycznej.

Nie jest to ściśle rzecz biorąca interpretacja mechaniki kwantowej jako takiej, ponieważ zmienia ona podstawową matematykę teorii kwantów. W zwykłej mechanice kwantowej funkcja falowa (albo wektor stanu) 'ewoluuje', zmieniając się w czasie w sposób możliwy do idealnego przewidzenia. Innymi słowy, szanse innych wyników mogą się zmieniać i można ową zmianę dokładnie przewidzieć, dopóki nie zostanie dokonany akt pomiarowy. Jednakże kilku fizyków zasugerowało, że to sama ewolucja może zmienić się w losowy sposób (stochastyczny), powodując kolaps samej z siebie. Ten kolaps występuje bardzo szybko dla dużych (makroskopowych) obiektów i wolno dla cząstek subatomowych.

4. Interpretacja Bayesowska (Christopher Fuchs, Carlton Caves, Rudiger Schack).

Czasami nazywana jest 'Qbizmem'. Czerpie ona pomysły ze szczególnej szkoły statystyki bayesowskiej. Utrzymuje ona, że prawdopodobieństwa odzwierciedlają subiektywny pogląd na sposób, w jaki generują się wyniki. Pomiar to przejaw indywidualnej wiedzy na temat stanu układu i może ona być użyta do przewidywania jego rozwoju w przyszłości.

5. Interpretacja Wielu Światów (Hugh Everett III).

Arystokracja. 

Ignorowana przez wiele lat, od ukazania się w roku 1957, zyskała popularność w ciągu ostatnich dziesięcioleci. Nazywana jest czasem interpretacją Wielu Wszechświatów. Postuluje ona, że za każdym razem, gdy dokonywany jest pomiar, wszystkie możliwe wyniki tego pomiaru wyłaniają się faktycznie w różnych gałęziach rzeczywistości, kreując liczne wszechświaty równoległe. Everett jednak miał na myśli bardziej to, że obserwator rozszczepia się na liczne klony samego siebie, które obserwują różne możliwe wyniki pomiarów.

6. Interpretacja kosmologiczna (Anthony Aguirre i Max Tegmrak).

Względnie nowa, bo okazała się dopiero w 2010 roku. Autorzy twierdzą, że koncepcja wielu światów jest banalnie prawdziwa ale tylko w przypadku, jeśli Wszechświat jest nieskończony. Musiałaby także zaistnieć nieskończona liczba wszechświatów równoległych, w których wszystkie wyniki dozwolone przez mechanikę kwantową faktycznie mają miejsce. Obliczyli oni, Tegmark i Aguirre oczywiście, że rezultaty wystąpiłyby dokładnie w proporcjach przewidzianych przez prawdopodobieństwo obliczone przez matematykę związaną z teorią kwantów. Pogląd ten głosi, że 'funkcja falowa opisuje faktyczny zbiór przestrzenny identycznych układów kwantowych, a kwantowe niepewności pomiarowe występują z powodu niemożności obserwatora do umieszczenia siebie w tym zbiorze'.

7. Interpretacja kopenhaska (Niels Bohr).

Bohr uważał, że pomiary dawały wyniki, które mogły zostać opisane tylko w języku fizyki klasycznej, dlatego nie było sensu pytać, co dzieje się w niewidocznym świecie subatomowym. Uważał on, że trzeba najpierw poczynić pewne doświadczalne założenia, aby pytać o naturę rzeczywistości, a pytanie, które się zadało, odgrywa pewną rolę w wyniku, jaki otrzymujesz. Pogląd ten zawiera zasadę nieoznaczoności Heisenberga. Jest ona założeniem, które narzuca pewną zasadę natury rzeczywistości, a nie tylko jeśli chodzi ograniczenia pomiarowe. Wynikiem jest założenie, że jednoczesne lokalizacje i prędkości nie istnieją dla cząstek fundamentalnych, dopóki nie zostanie dokonany pomiar. Pomiary dokonują niejako wyboru z szeregu możliwości (albo potencjalnych rzeczywistości, jak mówił Heisenberg). Bohr tłumaczył paradoksy, takie jak cząstki zachowujące się jak fale i fale jak cząstki  jako wzajemnie wykluczające się ale komplementarne aspekty natury.

8. Interpretacja historii spójnych (Robert Griffiths).

Utworzona w 1984 roku interpretacja ta traktuje fizykę klasyczną jako jedynie przybliżenie mechaniki kwantowej. Według niego, matematyka dotycząca teorii kwantów może być użyta również do obliczania prawdopodobieństw dla zjawisk makroskopowych, jak i subatomowych. Prawdopodobieństwa nie odnoszą się do wyników pomiarów, ale do fizycznych stanów w układzie. Griffiths podkreśla niekompatybilność wielokrotnych możliwych rzeczywistości w fizyce kwantowej. Można zrobić zdjęcie górze z różnych stron, i zdjęcia te mogą być połączone w celu stworzenia jednego zdjęcia zupełnie spójnego z rzeczywistością góry. Jednakże w fizyce kwantowej można wybrać właściwość, którą się mierzy (np. prędkość lub pozycje cząstki), ale nie można dokonać dwóch pomiarów, aby uzyskać w pełni spójny obraz rzeczywistości cząstki przed pomiarem. Podobnie, nie ma stanu fizycznego, w którym kot Schroedingera jest jednoczenie żywy i martwy. Fakt, że funkcja falowa może opisywać taki stan oznacza jedynie, że jest ona po prostu matematycznym tworem używanym do obliczania prawdopodobieństwa zdarzeń lub historii. W prawdziwym życiu, te sekwencje zdarzeń będą spójne, tworząc jedna historię.

9. Kwantowy Darwinizm (Wojciech Żurek).

Jest to pogląd podobny w wielu aspektach do historii spójnych. Kwantowy darwinizm podkreśla rolę dekoherencji. Jest to proces, w którym wiele możliwych rzeczywistości kwantowych jest eliminowanych, kiedy układ wejdzie w interakcję z otoczeniem. Molekuły powietrza i fotony odbijają się od obiektu i przez to ich trajektorie zapisują pozycje obiektu. Bardzo szybko tylko jedna pozycja pozostanie spójna z informacjami zapisanymi w otaczającym cząstkę środowisku. Te interakcje są efektem pewnego rodzaju doboru naturalnego właściwości, zapisanej w otoczeniu w wielokrotnych kopiach, dostępnych dla obserwatora. W ten sposób, obserwatorzy mogą zgodzić się co do określonej lokalizacji dla obiektów makroskopowych, zamiast w wielu lokalizacjach w jednej.

10. Historie dekoherentne (Murray Gell-MAnn i James Hartle).

Odmiana historii spójnych. Interpretacja ta powstała w roku 1989. Podkreśla ona dekoherencję, podobnie jak kwantowy darwinizm. Jednakże jej istotą jest twierdzenie, że cały Wszechświat może być uważany za układ kwantowy, bez środowiska zewnętrznego. Dekoherencja występuje wewnętrznie, czego wynikiem są domeny 'kwazi-klasyczne' - zbiory historii spójnych, które nie mogą być odróżnialne na poziomie gruboziarnistym (po kolapsie funkcji falowej), narzuconym przez dekoherencję.

Podobało się? Zapraszam na następny odcinek @diesphys czyli fizyka pod strzechy. Kto załapie, o co chodzi, będzie chciał więcej, kto nie załapie, cóż, są jeszcze blogi kulinarne! ;)

I koniec.

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