#84 Dziś będzie entropicznie, czyli Entropijna Teoria Grawitacji

 

0. Wstęp.

Dziś o Newtonie. Zieeeew. Późno już, i będę przynudzał. O tym jak to jabłko wytyczyło nowy kierunek w fizyce. To bujda na resorach. Newton nigdy nie leżał pod drzewem i nie spadło mu na głowę jabłko, po czym nie krzyknął, rzekomo, Eureka! A może to Euklides? A może Platfusonides? Tak, wiem, moje suchary robią się coraz cięższe. Tak ciężkie, że zaraz spadną mi na głowę. Może odkryję to, że nie powinienem żartować z fizyki? Ale skoro inni mówią o fizyce jąder, to moje niewinne żarciki są chyba na miejscu. Z nastawieniem na chyba.

Entropia i grawitacja. Co mają wspólnego te dwa zagadnienia? Zaraz Wam wyłuszczę, to znaczy opowiem. Celowo używam staromodnego słownictwa, takiego jak np. 'Serwus' zamiast cześć, bo przecież młodzieniaszkiem już nie jestem. Nie chcę sobie odejmować lat. Jestem z Wami szczery. Naprawdę. Przepraszam za żart o fizyce jąder, ale musiałem! Rozumiecie, ze człowiek czasem musi, inaczej się udusi? Te moje żarty też są po to. Żeby się nie zadusić tą trudną fizyką :)

1. A więc... 

(nie zaczyna się zdania od więc, ale skoro jestem Tłukiem tak jak Wy, to mi wybaczycie) Sir Issac Newton. Zaraz, gdzie ja to miałem. Zdjęcie Isaaca gdzieś mi wypadło w autobusie, zrobiłem sobie z nim selfie bo spotkałem go w rynku. Wszystko mi opowiedział. A selfie robiłem Polaroidem.

Onże nigdy nie był zadowolony ze swojego prawa powszechnego ciążenia. Tego, jak je sformułował. Przez dekady po opublikowaniu go w 1687, poszukiwał odpowiedzi, jak to możliwe, że dwa obiekty umieszczone z dala od siebie przyciągają się. On i jego współpracownicy opracowali kilka modeli, w których grawitacja nie była przyciąganiem, ale pchaniem. Na przykład, przestrzeń może być wypełniona niewidocznymi cząstkami, które bombardują obiekty ze wszystkich stron. Obiekt od swojej lewej strony absorbuje cząstki przylatujące z lewej, po prawej absorbuje te przybywające od prawej strony, a efektem jest popychanie obiektu.

Te teorie nigdy dobrze nie działały, dopiero Albert Einstein dostarczył głębszego zrozumienia, ano takiego, że grawitacja to zaburzenie czasoprzestrzeni. Ale rozwiązanie Einsteina przyniosło nowe pytania, a on nigdy nie uznał swojej ogólnej teorii względności ostateczną. Dlatego pomysł, że grawitacja jest sumą pewnych oddziaływań, a nie siłą fundamentalną, dalej zajmuje fizyków. Otóż, może ona być rezultatem zachowań w mniejszej skali.

W tym roku fizycy teoretycy z pewnego igloo nad jeziorem genewskim przedstawili coś, co może być uważane za nowszą wersję 17-wiecznego modelu mechanicznego. Daniel Carney twierdzi, że może istnieć pewnego rodzaju gaz albo system termiczny, którego możemy nie dostrzegać bezpośrednio. Losowo wchodzi on (nie Carney, tylko gaz) w interakcję z masami w pewien ściśle określony sposób, tak, że w uśrednieniu tej interakcji widzimy wszystkie zwykłe zachowania grawitacyjne, Słońce krąży wokół Ziemi (ups, zapomniałem uwzględnić teorię kopernikańską, no ale przecież mówimy o Newtonie, każdy mógł się pomylić ;)), ziemniaki spadają nam na głowy z jabłonek, gdy leżymy sobie pod słoneczkiem. I tak dalej.

2. Projekt Entropia.

Ten projekt jest jedną z wielu możliwości, jakie uwzględniają fizycy w poszukiwaniu zrozumienia grawitacji. A także - uginającego się kontinuum czasoprzestrzennego samego w sobie, jako emergentnego (wyłaniającego się z...) z głębszej, bardziej mikroskopowej fizyki. Myśl Carneya biegła tak szybko, że nie zdążyłem jej zapisać. Żartuję. Carney opracował coś w stylu Grawitacji Entropijnej. Też szybko, jak myśl, pach, pach! Tak myślą fizycy, właśnie tak, pach, pach ;) Dobra, kontynuujmy po dygresji. Głupio mi, że tak się wygłupiam, ale liczę na to, że zrozumiecie. Miałem ciężki dzień.

Co tłumaczy fakt, że doskonale rozumiem tok rozumowania Carneya. Trzeba być naprawdę zwichrowanym, by takie rzeczy rozumieć, pisać o nich i czytać ;)

Ta entropijna grawitacja jest rezultatem mikroskopowej fizyki cieplnej. Mówi, że grawitacja jest wynikiem dosłownie żonglowania i mieszania się cząstek - i podobno jest efektem, który powoduje zaistnienie entropii, pobieżnie rozumianej jako stopnia nieporządku układu. Te prawa rządzą bojlerami, silnikami samochodowymi i lodówkami. Pralkami - nie wiem, trzeba by zapytać Carneya, ale on może nie wiedzieć, co to pralka. Tak zakręceniu są fizycy ;)

Pomysły, aby przedstawić grawitację jako efekt wzrastania i występowania entropii jest znany od kilku dekad. Grawitacja entropijna ma niewielu zwolenników, ale nawet przeciwnicy nie są za tym, by ją sprzątnąć z powierzchni ziemi. Nowy model ma te przewagę, że jest eksperymentalnie sprawdzalny - to rzadkość w egzotycznych teoriach przyciągania grawitacyjnego.

3. Wyłania się moc, używamy jej oczywiście na Lordzie Vaderze. A przepraszam, wyłania się siła. Moc to wielkość fizyczna ;)

Teoria Einsteina jest tak wspaniała nie tylko dlatego, że jest działającą i wysublimowaną matematyczną koncepcją, ale także dlatego, że sama o sobie mówi, że jest niekompletna. Ogólna teoria względności przewiduje, że gwiazdy zapadają się do czarnych dziur i że grawitacja w ich centrum staje się nieskończenie silna. Wtedy kontinuum czasoprzestrzenne dosłownie rozrywa się, a teoria nie wie, co ma robić dalej. To znaczy brakuje jej przewidywań, co następuje po takim rozerwaniu. Poza tym, ogólna teoria względności nieodzownie wykazuje podobieństwa do fizyki ciepła, pomimo, iż nie została w niej zawarta żadna wzmianka o wielkościach termicznych. Einstein pokazuje w ogólnej teorii względności, że czarne dziury tylko rosną i tylko pochłaniają. Taka nieodwracalność jest charakterystyczna dla przepływu ciepła. Kiedy ciepło przenosi się, energia przybiera bardziej losową lub inaczej mówiąc, zdezorganizowaną formę. Kiedy już ów fakt nastąpi, proces odwrotny jest wysoce nieprawdopodobny. Entropia jest liczbą takiego zdezorganizowania. A raczej wielkością fizyczną, która opisuje stopień chaosu.

W rzeczy samej, kiedy fizycy użyli mechaniki kwantowej do opisu sytuacji zachodzących w otoczeni czarnej dziury, w zagiętej czasoprzestrzeni, okazało się, że czarne dziury wydzielają energię jak każde gorące ciało. A ponieważ ciepło jest losowym ruchem cząstek, te efekty cieplne wskazują i wielu badaczy przyjmuje to za pewna wskazówkę, że czarne dziury i kontinuum czasoprzestrzenne ogólnie rzecz biorąc, składają się z pewnego rodzaju cząstek lub innych mikroskopowych składników.

4. Czarne dziury i entropijna grawitacja.

Podążając za wskazówkami, jakich udzielają czarne dziury, fizycy spoza igloo nad jeziorem genewskim próbowali dotrzeć do faktu, jak czasoprzestrzeń me wyłaniać się z mniejszych komponentów. Wiodącą teorią jest zasada holograficzna. Mówi ona, że wyłanianie się czasoprzestrzeni działa trochę jak kilogram. Hologram. Tak, jednak hologram, sprawdziłem w swoim słowniku język polskiego w głowie. Bo brzmią podobnie... Każdemu... itp. ;)

Tak samo, jak hologram przywołuje głębię z falowanego wzoru wplecionego w swoja płaską powierzchnię, tak wzory mikroskopijnych składników mogą dać efekt powstania nowego wymiaru przestrzennego. Ten nowy wymiar jest zagięty, a grawitacja powstaje jako efekt istnienia tego wymiaru.

Grawitacja entropijna, wprowadzona w 1995 roku przez słynną żabcię Monikę i Kulfona, eee, to nie ta bajka (ale też bajka, bo fizyka to piękna bajka, nie uważacie? :)), raczej przez Teda Jacobsona z Uniwersytetu w Maryland (Krainy Maryli, albo Krainy Marii), wprowadza istotny fakt do dyskusji. Poprzednio fizycy rozpoczynali od teorii Einsteina i wnioskowali z niej o konsekwencjach termodynamicznych układów. Ale Jacobson obrał inną ścieżkę. Rozpoczął od założenia, że czasoprzestrzeń ma właściwości cieplne i użył ich do rozwinięcia równań ogólnej teorii względności. Jego praca dowiodła, że istnieje istotny związek między grawitacją a ciepłem. Jak się przyciągamy, czyli przytulamy, robi się cieplej. Phi, też mi odkrywca ;)

Jak grawitacja mogła wyłonić się z mikroskopowych składników? Carney inspirował się pracą Jacobsena. Miał kilku współautorów ale to były foki i szczury, dlatego nie przytoczę ich nazwisk. Żartuję, nie chce mi się ;)

5. Dwa modele grawitacji entropijnej.

W pierwszym - przestrzeń jest wypełniona krystaliczną siecią cząstek kwantowych lub kubitów. Każdy z nich ma orientację, jak igła kompasu. Te kubity przypisują się do bliskich sobie obiektów o danej masie i wywierają na obiekt działanie siłą. Jeśli położymy na tej siatce obiekt posiadający masę, bliskie mu kubity spolaryzują się. Wszystkie będą próbowały poruszać się w jednym kierunku. Poprze reorientację kubitów, obiekt posiadający masę tworzy kieszeń ścisłe uporządkowanych kubitów, w przeciwieństwie do innych kubitów, które są losowo zorientowane. Kiedy umieścimy drugi obiekt w siatce, tworzymy dwie kieszenie zorientowanych kubitów. Wysoki poziom uporządkowania oznacza niską entropię. Ale naturalnym ruchem w naturze, jak i tego systemu, jest kierunek od mniejszej entropii ku większej.

Teraz, uwaga. Masy reorientują kubity, a kubity owijają, tak, dosłownie owijają masę (tworzą tzw. kwantowy kebab ;)), wynikiem sumy tych dwóch działań będzie ściśniecie się mas, aby zamieścić uporządkowanie na mniejszym obszarze. Będzie to wyglądało tak, jakby dwie masy przyciągały się grawitacyjnie, kiedy w istocie kubity odwalają całą robotę. A jak mówi prawo Newtona, pozorne przyciąganie będzie równało się kwadratowi odległości między masami.

Model drugi. Drugi model, a raczej model drugi, czy też drugi model, inaczej zwany modelem drugim, w pewnych kręgach określany jako drugi model, a szczury... 

Ten model drugi pozbywa się siatki. Masywne obiekty wciąż znajdują się w obrębie przestrzeni i działają na nie kubity, jednakże tutaj te kubity nie znajdują się w bezpośrednim otoczeniu obiektów i mogą znajdować się daleko od nich. Carney twierdzi, że ten model powinien uczynić zadość newtońskiej nielokalności grawitacji. Każdy obiekt we Wszechświecie  działa na każdy inny, do pewnego stopnia.

Każdy kubit w tym (a jakże) modelu może przechowywać pewna ilość energii. Wielkość ta zależy od odległości między masami. Kiedy są daleko od siebie, pojemność energetyczna kubitu jest wysoka, tak, że ogólna energia systemu może zmieścić się w zaledwie kliku kubitach. Ale kiedy masy są blisko siebie, zasobność na energie każdego kubitu spada, tak, że ogólna ilość energii rozkłada się na więcej kubitów. Końcowa sytuacja odnosi się do stanów o wysokiej entropii, a naturalny odruch systemu popycha masy do siebie. To po to, aby zachować zgodność z newtońską teorią grawitacji.

6. Wady i zalety, plusy i minusy, koty i psy.

Carney doradza ostrożność. Nie ma dowodu na istnienie owych kubitów. Jest to teoria trochę na pokaz - okazuje się, ż można ująć grawitację w inny model, a i tak będzie działał. Można po prostu inaczej wyjaśnić grawitację, niekoniecznie w sposób realistyczny - i tego dowiódł Carney. Fajnie, ale po co?

Owa teoria pokazuje, jak wspaniała i daleko idąca w konsekwencjach dla funkcjonowania całego Wszechświata jest teoria grawitacji. A jak w praktyce? Czy da się przetestować entropijną teorię grawitacji?

Otwiera ona nowe ścieżki rozwoju dla fizyki doświadczalnej. Okazuje się także, że pewne zachowania kubitów mogą przypominać kwantowo mechaniczne zachowania cząstek, np. zachowywać stan superpozycji, a także, że kubity będą dążyć do wyrwania obiektu z o dużej masie z tego stanu.

7. Na koniec coś ekstra - kolaps funkcji falowej a grawitacja!

Kolaps funkcji falowej mikroskopowego obiektu to stan, w którym po dokonaniu na nim pomiaru (obserwacji), jego stan z superpozycji (czyli przebywania w kilku miejscach jednocześnie) zapada się do jednego wyniku. Niektórzy fizycy uważają, że ten kolaps dokonuje się ze względu na jakąś wewnętrzną właściwość Wszechświata - jego losowość. Tzn., że jest on fundamentalnie losowy... Te propozycje różnią się w szczegółach od tej Carneya, ale mają podobne mierzalne konsekwencje. Przewidują, że izolowany system kwantowy w końcu dokona kolapsu w sobie tylko znany sposób, nawet, jeśli nigdy nie będzie poddany aktowi obserwacji. Jedna z fok, towarzysząca Carneyowi w eksperymentach, dowiodła, że można żonglować piłeczkami nawet jedną płetwą.

A poważnie, asystent Carneya już wykluczył pewne modele kolapsów w teorii entropijnej. Kwestia czasu, gdy wskazane zostaną inne własności kwantowe wynikające z entropijnej grawitacji. Najpierw ogólna teoria względności, teraz mechanika kwantowa. Widzicie, że entropijna grawitacja zahacza o dwie sprzeczne ze sobą ale wielkie i działające teorie?

Grawitacja entropijna stoi w szeregu z teoria holograficzną jako niesprawdzona i nie dowiedziona, ale jakże ciekawa. Wręcz porywająca. Może grawitacja to nie pomysł, idea, prawo, ale tylko tendencja statystyczna?

Tako rzecze @diesphys.

I koniec.

#83 Światło vol. 2, czyli Nosisz, Uszysz i Oczysz je w sobie

0. Wstępniak okolicznościowy.

Witam ponownie. Tym razem, w odróżnieniu od poprzedniego tematu, zajmiemy się światłem. Wyjątkowo, skoro okoliczności pozwalają, nie będę się rozwlekał, to ma być druga część. Podobno. Dziś gościnnie wystąpią u nas literki 'Ś', 'C', oraz liczba 300. To nie będzie tych trzystu z filmu, jeszcze by mi tu obory narobili. Mam nadzieję, że domyślacie się, dlaczego zaprosiłem do nas akurat te literki i tę liczbę. Nie? 

O, Wy, Tłuczyska. To ja się tu produkuję i wypacam co mam najlepszego spod klawiszy, a Wy nie potraficie zapamiętać, że 'Ś' to światło, 'C' to prędkość światła, a 300 to liczba tysięcy kilometrów na sekundę, jaką przebywa światło? Na sekundę?! No, trzysta! Wiecie co, nawet ja się mylę, tak naprawdę jestem podjarany tym, że mogę znowu do Was przemawiać z ambony Fizyki dla Laika. A propos nazwy, jakaś babka wydała książkę pod dość znajomo brzmiącym tytułem 'Fizyka dla Laika'. Obrażam się i podaję do sądu. Ja byłem pierwszy. Jakbyście nie wiedzieli, kto wymyślił, to ja - 10 lat temu.

Ale do meritum.

1. Co do babć wypadających z bamboszy, odnośnie pierwszego tematu.

Na czym ja to skończyłem? A na, podawaniu do sądu. Może przełóżmy tę kwestię gdzie indziej, a raczej wystrzelamy ją z plagiatem na Księżyc.

Co się tyczy bamboszy, na pewno uznacie fakt, że foton podróżuje bez czasu, za jakąś bzdurkę. Fizyczną, laiczną, tłuczyskową. Skoro bez czasu, to panie, jak się mówi, skąd te 300,000 km na sekundę? I pewnie bystrzejsi z Was powiedzą: 'Kolego, foton potrzebuje 8 minut, by dotrzeć ze Słońca do Ziemi. Co ty na to, tępa strzało?'. Ci bystrzejsi, na pewno tak powiedzą. Widzę to w Waszych oczach. 

A te, skoro jeszcze nie są jak spodki, będę się produkował dalej. Jeśli mógłbyś lecieć razem z fotonem, czego nie da się zrobić, ale przyjmijmy to na chwilę jako eksperyment myślowy; wtedy czas w ogóle nie płynie. Foton opuszcza Słońce (chlip, chlip), podróżuje 150 milionów kilometrów do Ziemi, nasze zegary mierzą 8 minut. Ale dla fotonu czas wynosi ZERO. Jest emitowany i absorbowany w jednej i tej samej chwili. Foton nie doświadcza 'podróżowania'. Nie doświadcza tak naprawdę niczego. Pojawia się w jednym miejscu a zaraz potem w innym, tylko że to zaraz nie istnieje - podróżuje bez czasu pomiędzy tymi dwoma zdarzeniami.

Z punktu widzenia światła nie było żadnej podróży. Coś Wam jednak powiem. Mogę? Ha, mogę, bo to mój blog, i mogę pisać, co chcę, byle się zgadzało z fizyczną wiedzą. Mogę też dla jaj zakończyć w tym miejscu. Wiem, że przeczytacie. Przecież tak się Wszyscy lubimy ;)

Kiedy opisywałem perspektywę fotonu, trochę minąłem się z prawdą, ponieważ słowo 'perspektywa' odnosi się do obserwatora, a foton nie ma masy. A szczególna teoria względności doznaje lekkiego zakłopotania, kiedy punktem odniesienia jest coś bez masy. Prawdę mówiąc, nie daje ona odpowiedzi faktycznej dla czegoś, co nie ma masy, załamuje się. No ręce opadają, jednym słowem, szczególna teoria względności załamana, Albert Einstein płacze, a fotony, cóż fotony świecą oczami, bo to takie małe świecące kuleczki. Żartuję, oczywiście.

Dlatego kiedy mówię, że foton ma perspektywę, ekstrapoluję naszą intuicję do czegoś, co w rzeczywistości nie może mieć perspektywy. Nie można sobie lecieć z fotonem. Matematyka tego zabrania. Matematyka nie w pełni pozwala na nazywanie czegoś 'perspektywą fotonu'. To ważne rozróżnienie. Fizyka to jest takie coś, co mówi o tym, co pokazują nam równania. Nie jest historyjką o równaniach, czy innym opowiadaniem znad rzeki. Historyjki i filozofia są przydatne, ale to nie to samo, co fizyka.

Dobra, powiedzieliśmy, że światło to fala elektromagnetyczna. Podróżuje przez pusta przestrzeń bez poruszania się jakiejkolwiek masy, i ma prędkość stałą dla wszystkich obserwatorów. A ze swojego punktu widzenia, nie doświadcza czasu. I jego upływu.

2. Nadchodzi wiek 20 i mechanika kwantowa.

Co takiego zaś mówi o świetle mechanika kwantowa, bo z klasycznego i relatywistycznego punktu widzenia wiemy tyle, że możemy wykładać na Sorbonie?

Okazuje się, że na początku wieku XX wkradło się do fizyki cos takiego, jak efekt fotoelektryczny. Świecisz sobie na jakiś materiał, a tu wylatują elektrony. Tak w skrócie można opisać efekt fotoelektryczny, za który Einstein dostał Nobla. Naprawdę :)

Ale, jest pewien problem. Energia wylatujących z kapelusza Białego Królika fotonów nie zależy od jasności światła. Zależy zaś od częstotliwości, koloru światła, inaczej mówiąc. Jasne czerwone światło nie powoduje wypadania żadnych elektronów. Przyciemnione niebieskie światło wywołuje elektrony do tablicy z zakamarków kapelusza Białego Kapelusznika, Alicji, zaraz, to nie ta bajka. Wracać do nory!

Rozlazły mi się zwierzęta i baśniowe chochliki. Zawsze się pojawiają, gdy piszę o fizyce. Zawsze. Na przemian z białymi myszkami i zielonymi słoniami. Mam ich pełno w pokoju. Powaga, pomagają mi pisać, te głupie żarciki wyskakują wtedy, gdy na attosekundę przejmują kontrolę nad moją świadomością, ja jestem śmiertelnie poważny. Gdzie mi by było do obśmiewania naukowców z XX wieku, którzy maja młotki jak w mojej grafice. Ot, kwantowa mechanika.

Obraz falowy nie tłumaczy efektu fotoelektrycznego. Jeśli światło byłoby falą, wtedy jaśniejsze światło oznaczałoby  więcej energii. I wiązałby się ów fakt z innym, zaprzyjaźnionym sobie faktem, że jaśniejsze światło wystrzeliwuje elektrony z materiału mocniej. Ale, tak się nie dzieje. Einstein w roku 1905, tym samym, w którym ogłosił światu szczególną teorię względności, powiedział, tak, powiedział, do siebie w łazience przed lustrem, i tak wiadomość obiegła cały świat, że światło przenosi się w skwantowanych pakietach, małych wycinkach. Każdy pakiet ma energię, która zależy od częstotliwości. E = h*f. H to stała Plancka, kolejnego lizusa i placka fizyki kwantowej, f to częstotliwość. Pojedynczy pakiet ma wystarczająco energii, by wybić elektron, albo nie ma. Większa jasność to tylko więcej pakietów, nie więcej energii na pakiet. Kumacie? Już słyszę rechot żab. Tak, kumamy.

Jeśli pakiet nie jest wystraczająco energetyczny, żaden elektron się nie pojawi. Nieważne, ile ich wystrzelimy w kierunku badanego materiału. Te pakiety, to fotony. Robi się teraz trochę dziwniej, bo światło to i fala i, jak się później okazało, także cząstka. Można je wykryć raz od czasu, jakbyście mieli przypadkiem taki detektor promieniowania, licznik Geigera znaczy, to można zaobserwować takie tyknięcia.

Już widzę jak, to mógłbym inaczej wytłumaczyć. Pyk, foton, pyk, foton. Ale nie zniżajmy się do poziomu piaskownicy. Na pewno już wszyscy jesteśmy wystraczająco dorośli, by uznać wyższość licznika Geigera nad pykaniem.

Można je wykryć, jeden po drugim. Przyciemnione światło wystrzeliwuje jeden foton za każdym razem. Jeśli mamy wystraczająco czuły detektor, słyszymy 'klik, klik'. Ja mam, słyszę klikanie, a może to tylko klawisze od komputera? Już nie wiem, czy jestem fizykiem, czy pisarzem. Wybaczcie.

3. Eksperyment z dwoma szczelinami, czyli doświadczenie Younga. (a raczej Olda, bo to było 100 lat temu ;))

Jeśli te fotony wystrzelimy w coś, co ma dwie szczeliny, taką barierę z dwoma dziurami, każdy foton przejdzie przez...

Tam tara ram tam tam…

… dwie szczeliny jednocześnie. To nie żart. To pisałem ja, Tomasz Dawidowicz, a nie moje białe myszki ;)

Jak to? A tak to, że gdy na ekranie detektora za barierą, tam gdzie powinny lądować fotony, powstaje obraz interferencyjny, czyli po prostu obraz nakładających się na siebie fal. Ale przecież my wysyłamy, oprócz czasem poczty gołębiami, jeden foton na raz! Nie ma co z czym interferować! A widzicie. A widzicie! Tu przydaje się ja, jako fizyk. Bo ja Wam mogę to wyjaśnić ni mniej ni więcej tak, że foton interferuje sam ze sobą. Gdybym dopuścił jakiś żart, cały temat runąłby. W tym momencie nie pora na żarty, tylko na prawdziwy zachwyt nad niesamowitością i pięknem Natury :)

Mało tego. Gdybyśmy próbowali wykryć, przez którą szczelinę przeszedł foton, zniknąłby obraz prążków interferencyjnych na detektorze za szczelinami. Foton wtedy przechodziłby grzecznie jedna cząstka po drugiej, przez jedną bądź drugą szczelinę, jak zwykła cząstka. Na detektorze pojawiają się dwie kupy (parszywe gołębie! Bujajcie się!), eee, to znaczy, już ścieram, dwa stosy cząstek, po jednej na każdą szczelinę. Próba podejrzenia drogi fotonu kończy się zniszczeniem obrazu interferencyjnego.

To doprowadzało Einsteina do białej gorączki. Nigdy się z opisanym faktem nie pogodził. Chodzili za nim, tłumaczyli, a on nie! Sam odkrył i się wygłupia, co najśmieszniejsze. Nie zaakceptował tak naprawdę własnego odkrycia. Mówił, że 'Bóg nie gra w kości z Wszechświatem'. A jednak, teoria działała. I działa do dzisiaj, choć nie wiemy nadal, dlaczego. Teoria kwantów przewiduje wszystko, co do tej pory zmierzyliśmy. Jest precyzyjniejsza niż jakakolwiek inna teoria w fizyce. Całej fizyce. Jest po prostu świetna.

Elektrodynamika kwantowa, kwantowa teoria materii i energii, jest najlepiej przebadaną teorią w fizyce. Jej przewidywania sprawdzają się do 10 miejsc po przecinku, zero, przecinek i dziesięć zer. A na końcu...

Czym więc jest właściwie światło? Falą czy cząstką?

4. Z dwojga złego, na dwoje babka wróżyła, tak czy nie, kurde...

… Otóż nie jest ani tym, ani tym. Powiedzcie to Ani. Zabije Was i nasmaży Plancków, a nie zrozumie. Trochę się zapędziłem myślami, ale wiecie, tak to jest, gdy Wam coś łazi między palcami. Może to korniki z mojej maszyny do liczenia, mojego drewnianego Atari?

Światło jest tym, na co nie mamy dobrego klasycznego odpowiednika, czegoś z naszej codzienności. Słowo fala i słowo cząstka to zwykłe ludzkie wynalazki, bazujące na logice dnia codziennego, dla dużych, klasycznych obiektów, fali na wodzie, kul bilardowych. Natura na poziomie kwantowym nie jest zmuszona do mieszczenia się w naszych pojęciach; robi coś po swojemu, tak, że nie jesteśmy w stanie nadążyć, ani sobie wyobrazić. Jest to prostu efekt świetlny. To, co mamy, to matematyczna rama, która mówi nam dokładnie o prawdopodobieństwie znalezienia fotonu w danym miejscu. Funkcja falowa, bo taki instrument mamy, to fala. Ma częstotliwość, długość fali i interferuje, czyli nakłada się sama na siebie. Ale kiedy wykrywamy foton, otrzymujemy go w dokładnej lokalizacji jako cząstkę. Tam, gdzie funkcja falowa ma wysoką amplitudę, jest większa szansa, że go znajdziemy. I odwrotnie, gdzie fala jest niska, tam mało prawdopodobne, że znajdziemy foton. A kiedy ją badamy, kiedy dokonujemy pomiaru, kiedy ktoś patrzy (tak jak w eksperymencie z dwiema szczelinami Młodzieniaszka), funkcja falowa dokonuje kolapsu do tego punktu. Nie patrzysz - fala, patrzysz, kolaps i cząstka.

5. A teraz najlepsze, czyli najgorsze.

Kiedy foton podróżuje z punktu A do punktu B, nie wygląda to tak dobrze, by pomogła nam mechanika klasyczna. Ot, kulka toczyłaby się z jednego miejsca do drugiego. Prawidłowo na to zagadnienie odpowiada mechanika kwantowa, bo foton nie podróżuję prosta linią. Porusza się za to po... każdej możliwej trajektorii!

Każdy foton podróżujący z A do B leci jednocześnie każdą możliwą ścieżką, poprzez bezdroża Antarktydy i ciasne szczeliny grawastarów. A także, oczywiście, i to jest tylko jedna z opcji, prosto z A do B. Zygzaki, ślimaki, korniki. Do Jowisza i z powrotem. Wszystkie te ścieżki dokładają się do jednej strzałki, a każda z nich jest maleńką strzałeczką, amplitudą, a sumujemy wszystkie te małe strzałeczki, by otrzymać naszą jedną, prosta strzałę. Leciała cząstka jak strzała, i strzała jak leciała, to znaczy strzała też leciała ;)

Większość z tych strzałeczek anuluje się sumując ze sobą, ponieważ lecą one w losowych kierunkach  i w sumie dają zero. Ale strzałki blisko klasycznej strzały, tej od punktu A do B, prostej linii, blisko ścieżki o najniższym czasie podróży, te się nie zerują. W rezultacie otrzymujemy fakt, że foton zachowuje się, jakby podróżował po prostej linii. Klasyczny obraz mówi, że porusza się w linii prostej od A do B, ale światło nie trzyma się zasady podróżowania po linii prostej, na fundamentalnym poziomie. To tylko efekt zsumowania wszystkich małych strzałek, dróg, po których poruszało się światło, a raczej foton.

Linia prosta jest tak zwaną emergentną, czyli wypadkową wszystkich możliwych dróg.

Wszystkie głupie niedobre ścieżki się zerują, przetrwała tylko linia klasyczna i to mówi nam mechanika kwantowa... Prawo odbicia, refrakcji, prosta linia rozchodzenia się świtała, wszystko z tego wynika. Wszystko, to wszystko. Phi.

6. Końcówka, Moi Drodzy, brawo dla bohaterów, którzy doczytali do końca. W nagrodę - e-uścisk od Autora :)

Co wiemy o świetle?

Tak naprawdę… coś rozchodzi się od źródła do detektora. Porusza się ze stałą prędkością C w próżni, dla wszystkich obserwatorów. Wiemy, że to, co się rozchodzi, mianowicie, nie wiemy o co się rozchodzi, ale chodzi o to, że... :)

Już teraz jaśniej, bo przecież to temat o świetle. To co się przemieszcza ma własności fali. Ma częstotliwość, długość fali, interferuje samo ze sobą. Ale ma też własności cząstki. Dociera do detektora w dyskretnych pakietach, kliknięciach na detektorze, przenosi także energię równą (h) * swoją częstotliwość. Foton ma zerową masę. I właśnie z uwagi na powyższy fakt, może poruszać się tylko i wyłącznie z prędkością światła. Nigdy szybciej, nigdy wolniej. Do trzystu wolno mu tylko zliczyć. To w próżni. Wiemy też, że z relatywistycznego punktu widzenia czyli stamtąd, gdzie siedział Einstein, właściwy czas dla fotonu wynosi zero. Nie doświadcza on trwania.

Czego nie wiemy o świetle?

Nie wiemy tego , co dzieje się z fotonem między emisją a detekcją. Tak, może to brzmi dziwnie, ale wiemy, że jest w punkcie A i B, a co pomiędzy - tak naprawdę nie wiadomo. Piknie. Co robi foton, gdy nikt nie patrzy? Czy fala jest rzeczywista? Czy rzeczywista jest korpuskularność, czyli cząsteczkowość? Te pytania mogą na zawsze pozostać bez odpowiedzi, bo odpowiedzi zależą od tego, jakie zadamy i jak zadamy pytanie... Natura robi cos w sekrecie przed nami. Pytanie, przez którą szczelinę przechodzi światło, gdy nie patrzymy, może nie mieć żadnej odpowiedzi. To nie kwestia naszej wiedzy. To kwestia tego, jak naprawdę, na atomowym poziomie, funkcjonuje Rzeczywistość.

Tak właśnie jest rozumiane zdanie, że nikt nie rozumie mechaniki kwantowej. Nie dlatego, że równania są zbyt skomplikowane, bo nie są, ale ponieważ dlatego, że równania nie opowiadają żadnej historyjki. Dają wyliczenia. Zadajemy pytanie, otrzymujemy prawdopodobieństwo, a ono jest zgodne z obserwacją. Ale na pytanie o to, co się dzieje z fotonem między detektorem a źródłem, nie otrzymamy jasnej odpowiedzi. Możemy zapytać filozofów, ale oni raczej zadymiają niż rozjaśniają. Tam, gdzie powinna się znajdować fizyka, mamy filozofię, i to jest właśnie bardzo niewiarygodne. Światło podróżuje? Tak. 300000 km/s? Tak. Jest falą? Tak. Jest cząstką? Tak. Czy coś się fizycznie porusza? Cóż, zmieniają się wartości pól. Pola - elektromagnetyczne i elektryczne oscylują, ale nic nie jest transportowane. Czy mija czas podczas tej podroży? Nie, z punktu widzenia fotonu, ale czy można o takiej perspektywie mówić z matematycznego punktu widzenia? Nie. Ale żaden czas nie upływa. Czy foton porusza się po linii prostej, czy tak uczy mechanika kwantowa? Tak, ale tylko dlatego że niewiarygodne ścieżki się zerują.

Czym jest światło? To kwant pola elektromagnetycznego. Coś, co jest falo i cząstko podobne, coś co porusza się bez pośrednika, z prędkością ściśle wyznaczoną i tylko z nią, czymś co obiera wszystkie ścieżki jednocześnie i najczęściej się zeruje, a co dociera do detektora jako klik. Czy tam, pyk.

Tak wygląda światło, kiedy Natura, a nie człowiek, rysuje obraz.

#82 Światło, nosisz je w sobie, albo nie, czyli Światło vol.1

0. Wstępniak.

Dzień dobry (cześć i czołem). Dziś będzie śmiesznie, strasznie, choć jasno jak w dzień. A że mamy wieczór, myślę że dobrze przeczytać ten kawałek. Dziś będzie o świetle. Pozwólcie, że wyjaśnię.

Rok mnie nie było, byłem w Rio, byłem w Bajo, itp. Nieważne, prawda? Ważne, że dziś spotykamy się w starym dobrym gronie, jesteśmy jak rodzina, czyli w rodzinnym winogronie. I tak dalej. Nie chcę Wam już na wstępie robić kisielu z mózgów moją paplaniną, za chwilę będzie coś z sensem. Ale póki co...

Tralalalalala.

No dobra, kiepski żart. Zacznijmy już, bo zaczynam się niepokoić, co jeszcze wyskoczy mi spod klawiszy. Może jakieś muchy, bo dawno nie pisałem.

1. To jest blog fizyczny, temat o świetle, czy to jasne?! ;)

Chciałbym rozpocząć czymś kompletnie oczywistym. Światło podróżuje, prawda? Można włączyć lampę, a światło grzecznie przemieści się z żarówki, uderza w ścianę, a Ty widzisz ścianę. Proste. Światło sobie podróżuje. Wiemy to od wieków (niektórzy od dzisiaj, ale nimi się nie przejmujmy, to Tłuki ;)). Ale dzisiaj uderzę prosto w serce tego zdania: światło PODRÓŻUJE. Lecz jeśli spytacie się mnie, CO tak naprawdę podróżuje, naprawdę będę rżnął głupa. Dopiero zacznę. Bo nie wiem. Ani ja, ani cała fizyka.

Często najtrudniejsze jest to najprostsze. Np. jak wstać rano z łóżka bez słynnego 'ja pier...'. Albo - zacznijmy po prostu od tego, co mówi Wam wasza intuicja. Pewnie myślicie o świetle o czymś takim, jak o wodzie. A raczej o fali na niej. Wrzucacie słonia (albo kamień) do wody, macie zmarszczki, koła rozchodzą się na zewnątrz. To jest przemieszczanie się. Coś się rusza. Dla wody, będzie to woda, która porusza się, i tu Was zaskoczę, nie wzdłuż stawu (nie wiem, jak wrzucicie słonia do stawu ale to już Wasz problem), ale w dół i górę. Fala to wzór zakłócenia poruszającego się przez ośrodek. Nie pytajcie mnie gdzie jesteśmy. (Staw, słoń ośrodek). To nie ma znaczenia.

Ośrodkiem jest woda. Porusza się wzór fali, owo zakłócenie. Woda zostaje mniej więcej tam, gdzie była (no chyba, że w przypadku słonia). Dlatego ludzie w wieku XIX mówili: 'Cóż, światło to pewnie coś takiego: to taka fala. Dlatego musimy mieć ośrodek, w którym się ona rozchodzi.' 

Naprawdę, chodzili i tak mówili!

Ów ośrodek nazwano eterem. I było to bardzo rozsądne, myśleć sobie o eterze i o fali światła. Fale gdzieś przecież muszą falować, nieprawdaż? Dlatego fale światła także muszą falować sobie w czymś, nie mogą ot tak sobie po prostu być. Ale wtedy nadszedł eksperyment niejakiego Mckllisona (nie znam gościa osobiście, więc nie podałem imienia). A, zapomniałem o panu Malayu. I roku 1887. Zbudowali coś, co nazywa się interferometrem, nie będę opisywał tego urządzenia, chcecie, to sobie poszukajcie w Googlu. Ja nie jestem Google, więc nie podałem tej informacji ;)

To urządzenie pozwoliło na zmierzenie prędkości światła w różnych kierunkach, takich małych, malusieńkich różnic. Wytłumaczę, o co chodzi: jeśli eter istniał, a Ziemia poruszała się w nim, wtedy światło poruszające się kierunku tym samym, co Ziemia, powinno poruszać się ciut wolniej, niż światło poruszające się bokiem do tego ruchu. Coś jak wiosłowanie w górę rzeki, albo z nurtem. To był najlepszy termometr ich czasów, kurde. Przepraszam, interferometr. I co? 

Nie znaleziono nic. Żadnej różnicy. Okazało się, że nie ma czegoś takiego jak eter. Światło nie falowało w... niczym. A raczej, falowało w niczym ;)

2. Zatem co faluje, jeśli nie ma w czym? Nie gadaj tyle synu, tylko wiosłuj.

Co zatem poruszało się, oscylowało, jeśli nie było ośrodka? Do tego jeszcze wrócę. Spokojnie, to nie Wy będziecie wiosłować. Jak nie zapomnę, to wrócę.

Clerk (co za imię, od razu widać, że dziwak, Clark Kent, to rozumiem, ale Clerk Maxwell...) Maxwell udzielił odpowiedzi na to pytanie jakieś 20 lat wcześniej. Chociaż, właściwie, nie zwrócono wtedy na nie większej uwagi, na te cztery równania Maxwella... Wynikało z nich, że pola elektryczne i magnetyczne mogą podtrzymywać się nawzajem. Zmienne pole elektryczne wytwarza pole magnetyczne. A zmienne pole magnetyczne wytwarza pole elektryczne. Niby takie proste, a przez 1860 lat od narodzenia Zbawiciela nikt na to nie wpadł. A Maxwell - tak. Hurra dla niego, wiwat!

Te dwa pola poruszają się przez pustą przestrzeń. I robią to z określoną prędkością, prędkością światła. Maxwell wyliczył te prędkość wprost ze stałych elektryczności i magnetyzmu (stała to taka liczba, która charakteryzuje daną wielkość fizyczną; i tak, mamy np. stałą grawitacji, przez którą trzeba pomnożyć iloczyn mas obu ciał i podzielić ten iloczyn przez kwadrat odległości, jeśli chcemy wyliczyć siłę działającą na ciała w polu grawitacyjnym). Uzyskał 300,000 kilometrów na sekundę, czyli sporo. To prędkość światła.  Te trzy stówy na sekundę. Tak szybko porusza się światło... a, sekundę. Wszystko w swoim czasie ;)

Z równań wynikało też, że światło to zakłócenie elektromagnetyczne. I to jest dziwne. Bo to, co porusza się, oscyluje, nie jest materią. Oscylowatoriuszem jest pole, elektryczne i magnetyczne, skierowane prostopadle do kierunku ruchu, goniące się dosłownie nawzajem przez przestrzeń z prędkością tych trzech stów. Żaden, powtarzam żaden materiał, nic, nie porusza się do przodu. Zakłócenie - to porusza się do przodu. Zmieniają się wartości pól. Ale nie przenoszona jest żadna materia, substancja, po prostu... nic.

3. Robi się ciekawie, bo nagle mamy rok 1905 i Einsteina rozszczepiającego atomy młotkiem w piwnicy dziadka ;)

Otóż, Einstein i jego teorie pojawiły się na zasadzie uprzątnięcia bałaganu, ale tak naprawdę, oznaczały totalna rewolucję. Albercik powiedział: 'Prędkość światła jest taka sama dla wszystkich obserwatorów, nieważne jak szybko się poruszają."

Możesz stać w miejscu, możesz być w rakiecie, która porusza się z prędkością równej połowie prędkości światła, nieważne! Każdy z obserwatorów zmierzy, że światło porusza się dokładnie 299,792,458 metrów na sekundę w próżni. Tak nie działa nasza codzienna intuicja, nieprawdaż?

Jeśli rzucę piłkę z prędkością 90 km/h (no, kawał draba ze mnie, taki rzut) a Ty będziesz jechał w moim kierunku z prędkością 60 km/h, zmierzysz, że piłka zmierza do ciebie z szybkością 150 km/h. Zwykłe dodawanie. Założycie się? Ale ja rzucam piłką, wy jedziecie samochodem, ok? ;)

Cwaniaczek ze mnie, ale nie o to przecież chodzi. Z tymi piłkami i samochodami jest tak, jak przewidział Galileusz. Tak działają wszystkie normalne rzeczy. Ale światło, cóż... No, chyba jest jakieś nienormalne! Zwariowane, znaczy się.

Światło zachowuje się inaczej. Jeśli zmierzysz, biegnąc, prędkość promienia światła skierowanego w Twoim kierunku, będzie ono miało zmierzoną prędkość zawsze taką samą, czyli to słynne C z jeszcze słynniejszego E=(m x c)^2. Emcekwadrat. To już chyba rozumiecie. ;)

A tak w ogóle, coś z tego rozumiecie? Bo jeśli nie to powiedzcie, i skończę pisać, a jeśli tak, proszę o kontakt, przydadzą mi się światli konsultanci.

Żarty żartami, i one na bok. Einstein przewidział jeszcze jedną rzecz: czas i przestrzeń to nie są dwie niezależne od siebie sprawy, jak wcześniej myślano. Są one powiązane i tworzą czasoprzestrzeń. I teraz najciekawsze: Kiedy zaczynamy ruch, czas i przestrzeń tak się zmieniają, tak maleją i rosną, aby dla każdego obserwatora prędkość światła była zawsze taka sama!

Tak jak dzieci, które wymyślają różne historie, aby tylko pozostać niewinnym zjedzonego pączka ze stołu w kuchni. Tak cię urobią, że im uwierzysz, ale pączka nie ma. Dzieci to czas i przestrzeń, zaś pączek to prędkość światła.

Jednym słowem, czas zwalnia, to tak zwana dylatacja czasu, dla poruszających się obserwatorów. Odległość maleje.  Zmierzone w akceleratorach cząstek, jeśliby kto pytał. To nie science-fiction, choć brzmi podobnie. To zwykła fizyka, człowieku ;)

*** A propos Science-Fiction, ktoś ma ochotę na wydanie moich dwóch powieści sci-fi? :D Powieści istnieją, w przeciwieństwie do Autora ;) ***

Im szybciej coś się porusza, tym czas dla tego czegoś płynie wolniej, np. zegary na szczycie Mount Everestu i na Ziemi będą wskazywały, po określonym czasie, różne upływy czasu. Rakieta, która rozpędza się do prędkości światła, ulegałaby coraz większemu skurczeniu.

A co z fotonem, kwantem światła?

Tu sprawy robią się ciekawe, ba, nawet ciekawsze niż ciekawe, rozbijają nasze wyobrażenie o Wszechświecie, jeśli jeszcze o tym nie wiecie. Skala problemu urasta do rangi, czym mógłby oddychać żuk na Marsie, a babcie szydełkujące na fotelach na chwilę wypadają z bamboszy.

Nie chcę jednak Was męczyć, za długo to trwa, kurde, zaczynam się niepokoić, że może ktoś z Was zrozumiał choć zdanie z mojego pisania! Naprawdę! ;)))

Dlatego postaram się zamieścić ciąg dalszy niedługo, w kolejnej części...

'Fizyki dla Laika, czyli Nauki dla Tłuka'!

Howgh.