#17 'To nie ja, psze Pani', czyli Kwantowy Efekt Zenona zweryfikowany

0. Wstępniak okolicznościowy/naukowy.

Witajcie :)

Jeśli tu jesteś, Czytelniku, to znaczy, że masz ambicję i łeb na karku. Nikt by nie przeżył tylu postów o fizyce przyprawiającej o siwiznę i zakola, tylko wyjątkowo twarda i łebska sztuka.

Mechanika kwantowa. Najciekawsza, najtrudniejsza, sprzeczna z codzienną intuicją - oto niektóre jej cechy. Poza tym, ma jedną, bardzo ważną własność - nadal nie przestaje mnie zadziwiać.

Ta  odkryta w latach .20 XX wieku fizyka wieku XXI jest nadal do końca nie poznana. Naukowcy nie potrafią wyjaśnić najbardziej fundamentalnych praw leżących u jej podstaw, a niedługo kwantówce stuknie setka (tak pi x drzwi). A, co najlepsze, w doświadczeniach i w swoim zastosowaniu w technice działa, ma się dobrze i przyniosła nie lada postęp w rozwoju cywilizacji ludzkiej, jednakże nikt nie wie, dlaczego działa. Korzystamy z jej dobrodziejstw, jednakże nie rozumiemy jej. To prawdziwy cud, o dobrze znanej i, ba, wyświechtanej nazwie (bo dziś kwantowa jest nawet Świadomość Wszechświata, Umysł i tak dalej, słyszałem już naprawdę niezłe kwiaty z obszaru ezoteryki), jednakże filary tej dziedziny są dla nas, naukowców (tutaj trochę przysłodziłem sobie i Wam; zaraz będzie gorzko więc łykajcie cukierasa póki dają ;)).

To tyle w temacie wstępnym. Jak wiecie, nie lubię się rozwodzić, także uderzamy od razu w sedno.

1. Jak dzieci w szkole na przerwie.

Wyobraźcie sobie dwóch chłopców. Takich małych, ale nie całkiem jak niemowlęta, bo mało się da z nimi zrobić (co najwyżej przewinąć, ululać, bądź nakarmić). Siedzą sobie na szkolnej przerwie, gdzieś tam na ławce. Nagle jeden wali drugiego w łeb książką. Dlaczego? To znany obrazek, ale dlaczego tak robią, tego nie wiem, chyba łatwiej przewidzieć kwantowe efekty cząstek elementarnych ;) No ale wali go tą knichą w czoło. Zaczyna się bójka, to oczywiste. Nawet pewnie zebrało się trochę kibiców, żądnych wrażeń niczym w rzymskim Koloseum.

A teraz...

Podchodzi, a właściwie podbiega, oczywiście z krzykiem, pani nauczycielka, która ma akurat dyżur na korytarzu.

- Co tu się dzieje?!

I teraz najlepsze, sedno.

'- To nie ja' (no jak nie on, przecież nawet go nauczycielka widziała, jak okładał kolegę), '- On zaczął' (no pewnie, że to zawsze ten drugi), ' - My się tak bawimy' (z rozbrajającym uśmiechem').

Zatrzymajmy się na chwilę przy ostatnim przykładzie. Gdy nikt nie widział, bójka trwałą w najlepsze. Jednak gdy całe zajście widzi pani nauczycielka, wtedy cała sytuacja jest diametralnie się zmienia. Inne jest prawie wszystko w postawie nicponi, gdy wiedzą, że są obserwowani. Nawet się jeszcze bezczelnie uśmiechają, ba, śmieją się nauczycielce w twarz!

Podobnie cząstki elementarne. Gdy dokonujemy pomiaru elektronu, którą szczeliną  przeszedł, zachowuje się jak cząstka. Natomiast nieobserwowany, płynie sobie przez Rzeczywistość niczym fala na morzu (to bałwan.)

[rozwinięcie opisu falowo-korpuskularnej natury cząstek kwantowych]

I, co mam sądzić o stwierdzeniu, że efekty kwantowe nie dotyczą ciał makroskopowych? ;)

2. Jakby tu zagaić, czyli opis doświadczenia.

Jedno z najdziwniejszych przewidywań teorii kwantów - mówiące, że system nie może ulec zmianie, gdy jest obserwowany - zostało potwierdzone przez eksperyment naukowców z uniwersytetu Cornell. Ich praca otwiera nowe drzwi do fundamentalnie nowej metody kontrolowania i manipulacji kwantowych stanów atomów. Tak jak jeleń w lesie zamiera, gdy czuje, że jest obserwowany, albo usłyszy nawet drobny hałas. Proszę, tylko nie kwantowe jelenie ;)

Doświadczenie przeprowadzono w Ultracold Lab, należących do Mukunda Vengalatorre'a. Ten asystent profesora założył pierwszy w Uniwersytecie Cornell program do badań materiałów schłodzonych do temperatury  około 0,000000001 powyżej -273,15 st. C (zero bezwzględne, najniższa możliwa temperatura w naszej Rzeczywistości).

Gaz złożony z miliarda atomów Rubidu schłodzono i umieszczono (umieszczono przez Yogesha Patila i Srivatsana K. Chakrama, studentów fizyki ostatniego roku) w komorze próżniowej. Gaz ten znajdował się w stanie zawieszenia pomiędzy promieniami lasera. Nie pytajcie mnie, jak laser może utrzymać gaz. To trochę tak, jakby wziąć dwie latarki i próbować nimi zatrzymać parę z czajnika ;) Takie mocne latarki i bardzo zimną parę. Jak widzicie, nie jestem zbyt dobrym fizykiem doświadczalnym ;)

W stanie tym atomy układają się w uporządkowany sposób - w rodzaj siatki, tak jak w ciele krystalicznym. Taki, jakimi może handlowali wasi rodzice na Węgrzech w czasach PRL. Albo taki, jak u Waszej babci na stole. A jeśli nie taki, to odwiedźcie Wujostwo G. - oni na pewno mają właśnie taki, jak nam potrzeba. Ciało krystaliczne :)

W takich niskich temperaturach elektrony często poddają się efektowi tunelowemu (tu o tymże). Słynna zasada nieoznaczoności Heisenberga (i nie piję do Breakin' Bad) mówi, że prędkość i położenie cząstki są w interakcji; w skrócie - nie możemy z dowolną dokładnością zmierzyć pewnych par wielkości odnośnie cząstki, na przykład położenia i pędu. Im dokładniej mierzymy jedną z nich, tym gorzej znamy wartość tzw. 'komutującą'. Temperatura zaś jest miarą ruchu cząstki - im wyższa, tym cząstka intensywniej się porusza. Przy ekstremalnie niskich temperaturach ruch cząsteczkowy prawie zamiera (wyobraźcie sobie kuleczki, atomy gazu, które bardzo szybko odbijają się od ścian balonu; tym szybciej im są cieplejsze; tak samo, jak gdyby ktoś usiadł na podgrzewane krzesło - zaczynie się wiercić ;)). Istnieje zatem duża swoboda położenia, atomy rzadziej się zderzają.

3. Pora na lekki szok.

Naukowcy wykazali, że byli w stanie zlikwidować efekt tunelowy poprzez samą obserwację atomów. '- Marek, Wacek, Pani idzie! - Co tu się dzieje?! - Nic proszę pani, my się tylko bawimy :)' - gdzie Marek i Wacek to atomy, a Pani nauczycielka to naukowiec dokonujący obserwacji. A uśmiechy obu urwisów to efekty kwantowe ;)

Dziwne, co?

Wygląda na to, że istnieje jakaś niewidoczna i niezbadana przez nas właściwość cząstek kwantowych, która każe im zachowywać się w ten a nie inny sposób. Obserwacja to nic innego jak stworzenie obrazu na podstawie odbitych od badanego obiektów cząstek takich jak fotony czy elektrony. Sam akt pomiaru w jakiś sposób zaburza system kwantowy - dokonuje się kolaps jego funkcji falowej, obiekt przestaje już być falą, 'zapada się' do jednego położenia a nie dziesięciu na raz, różniących się prawdopodobieństwem wystąpienia tego obserwowanego dziecka. Elektronu. Czy atomu ;)

To tak zwany Kwantowy Efekt Zenona, ochrzczony po greckim filozofie Zenonie. Już w 1977 roku E. George Sudarshan i Baidyanath Misra z Uniwersytetu w Teksasie zaproponowali tezę, że dziwna natura pomiarów kwantowych pozwala z zasady, aby system kwantowy został 'zamrożony' przez sam fakt dokonywania pomiaru.

Poprzednie doświadczenia pokazywały Efekt Zenona jedynie na spinach cząstek atomowych. To nie żadne obrażanie się czy kłótnia atomów, tylko pewna mierzalna, właściwa cząstkom wielkość. Spin.

Nasz naukowiec, Vengalattore stwierdził, że to pierwsze uchwycenie Kwantowego Efektu Zenona poprzez pomiar przestrzeni ruchu atomów. Oraz, że dzięki dokładnemu kontrolowaniu eksperymentu, można było 'dostroić' intensywność obserwacji, a tym samym skalę efektów kwantowych. Gdy obserwacja była intensywniejsza, wtedy coraz bardziej do głosu dochodziła mechanika klasyczna i atomy zaczęły zachowywać się jak zwykłe kulki. Z czegoś tam, nie ważne z czego. Ale takie większe ;) To tak zwana 'klasyczność emergentna'.

4. Diabeł Tkwiący, czyli szczegóły.

Atomy były obserwowane pod mikroskopem poprzez oświetlanie ich oddzielnymi laserami. Zwykły mikroskop nie może pokazać pojedynczych atomów, ale laser powodował, że atomy zaczynały świecić fluorescencyjnie, a mikroskop wyłapywał błyski światła. Kiedy laser był wyłączony, atomy tunelowały w najlepsze - efekty kwantowe hulały, aż miło. Kiedy jednak laser stawał się mocniejszy, tunelowanie prawie całkowicie ustało. To taki trochę 'Tańcząc w Ciemnościach'. A może atomy są po prostu nieśmiałe? Na to nie wpadł żaden z naukowców ;)

'Opisane zależności dają nam bezprecedensową możliwość kontrolowania systemu kwantowego, być może nawet pojedynczych atomów' - pysznił się Patil, autor opublikowanego artykułu. 'Atomy w tym stanie są bardzo czułe na siły zewnętrzne, dlatego można by wykorzystać ów efekt do produkcji nowego rodzaju sensorów'.

Eksperyment udał się dzięki wynalazkowi naszej szacownej grupy naukowców - nowej technice obrazowania, która umożliwia obserwację ultrazimnych atomów znajdujących się w tym samym stanie kwantowym. To przełom, i to spory, bo od teraz mamy unikalną możliwość kontrolowania dynamiki kwantowej poprzez samą obserwację...

5. Dobranocka się skończyła, czyli napisy końcowe.

To dość szokujące, nie uważacie? Nie chcę użyć tego sformułowania, ale samo się nasuwa (oczywiście to tylko półprawda, analogia z przymrużeniem oka, a nie dosłowny wniosek) - atomy zachowują się, jakby w jakiś nieznany sposób 'wiedziały', że są obserwowane... :)

Kojarzycie czajnik z gotującą się wodą? Nie? To proszę...

Nie mieliście czasem takiego wrażenia, że woda nie chce się zagotować, kiedy stoicie i patrzycie na czajnik? Albo, że trwa to jakoś odrobinę za długo? To nasza percepcja czy coś z zewnątrz, jakiś proces fizyczny? 

To wcale nie znaczy, że wierzę w kwantowe czajniki. Ale być może mechanika kwantowa nie jest tak obca naszej intuicji, jak nam się wydaje ;)

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

#15 Marzenie Każdej Anorektyczki, czyli Negatywna Masa

0. Szybki i mało upierdliwy Wstępniak Okolicznościowy.

Witajcie!

Widzimy się coraz częściej, czyżby Nowy Rok chciał mi powiedzieć, że mam zadanie? Misję? Dotrzeć z fizyką pod strzechy? Jednakże, nie jestem Wieszczem, czyli raczej - dotrzeć pod kopuły Waszych czaszek :) Mam nadzieję, że znajdzie się tam, obok miejsca na ważne sprawy, jak mycie zębów i instrukcja obierania ziemniaków, także pewien obszar zarezerwowany na fizykę.

Spokojnie, na razie nie będę mieszał nikomu w głowach kwantami. Wiem, że po Świętach bardziej rozwinięte są ruchy robaczkowe jelit, czyli procesy odpowiedzialne za trawienie karpików i śledzików :) Ale jeśli rozwinęliśmy nasze umiejętności pałaszowania potraw, czas na strawę umysłową. Niech opony mózgowe i inne obszary naszego głównego procesora także mają trochę ćwiczeń, aby być skutecznym w myśleniu co najmniej tak, jak szczęka we wcinaniu znakomitych potraw. Co innego, gdy opony mózgowe mają już zużyty bieżnik; wtedy zalecam trepanację czaszki albo chociaż zanurzenie głowy w misce z zimną wodą. Lub - lekturę Fizyki dla Laika czyli Nauki dla Tłuka. Z trojga złego wybrałbym opcję trzecią, najmniej inwazyjna.

1. Wstępniak naukowy.

Dziś chciałbym zaprezentować Wam wyniki niezwykłego eksperymentu, jednego z wielu przeprowadzanych w laboratoriach fizycznych na całym świecie. Jest to swego rodzaju nowinka naukowa, nie kolejny wykład z fizyki lat .20 XX wieku. Pewnie Wam trochę kwanty obrzydły, dlatego dziś nie będzie tradycji. Będzie coś ekstra - ekstradycja ;)

Czym jest negatywna masa? To hipotetyczna właściwość tzw. materii egzotycznej, nieuchwytna i do tej pory niezaobserwowana. Brzmi dobrze? Zarzuciłem wędkę? No dobrze, to może jeszcze raz, rybki moje ulubione ;) Taka materia, oczywiście na razie pozostająca w domenie spekulacji, nie jest zgodna z klasycznym modelem materii, czyli tzw. Modelem Standardowym (jest to opis wszystkich cząstek elementarnych, jakie znamy w przyrodzie; wydaje się on jednak niekompletny - nie uwzględnia np. grawitonów (tutaj można o nich poczytać) - kwantów grawitacji). Lub, jeśli jest z nim zgodna, nie składa się z tzw. barionów - czyli np. protonów i neutronów, tradycyjnych cegiełek materii. Materia egzotyczna ma cechy, które nie są cechami materii zwykłej, czyli właśnie np. negatywną masę. I nie jest to antymateria - antymateria ma masę dodatnią. Antymateria (jak np. dla elektronu pozyton) to taka sama materia co normalna, tylko z przeciwnym znakiem ładunku elektrycznego. Antymateria jest to po prostu złośliwe rodzeństwo materii zwykłej, jest im zawsze przeciwna - na każde 'tak' materii przypada zawsze 'nie' antymaterii. To tak jakby mieć brata, który, cokolwiek nie powiesz, zawsze ci zaprzeczy, ale poza tym jest taki sam jak ty.

Bo masa, przynajmniej w teorii, powinna, tak samo jak ładunek elektryczny, mieć możliwość występowania w dwóch, przeciwnych znakach, (+) i (-). Toczą się debaty, czy aby taka możliwość nie stała w sprzeczności z obecnymi prawami fizyki. 

Do materii egzotycznej zalicza się także np.: materię zdegenerowaną i materię dziwną (tu znajdziecie trochę o niej), cząstki ciemnej materii, elementy ciemnej energii, a także składniki kondensatu Bosego-Einsteina i plazmy kwarkowo-gluonowej.

Uffff. Mózg się lasuje, ale spokojnie, to są tematy do rozwinięcia na wizycie u Wujostwa Google albo innym razem u mnie. Nie mogę nic obiecać; np. nie wiem, czy jeszcze raz mógłbym gościć u siebie materię zdegenerowaną. Kiedy ostatnim razem wpadła z wizytą w poście #13, narobiła takiego chlewu, że nie chcę już jej zapraszać. Jak to degeneraci! Pobrudziła obrus skwarkami dziwnymi i cały stół zrobił się jakiś nietutejszy ;) (aby zrozumieć ten żart, należy przeczytać post #13) Dobrze, już wystarczy o materii egzotycznej.

Ujemna masa powodowałaby odpychanie grawitacyjne! Antygrawitacja to kolejny temat godny rozwinięcia, ale poruszamy się coraz bardziej w kierunku fantastyki naukowej. Jeśli Was to interesuje, zapuśćcie sobie Star Treka lub innego Dr. Who. Antygrawitacja jest również, tak jak materia egzotyczna, czysto hipotetyczną koncepcją. Lecz przygotowałem dla Was szczyptę nowinek, które pozwalają uważać, że śmiałe koncepcje fizyczne mogą okazać się całkiem prawdziwe. Zapraszam do kolejnego rozdziału, czas na konkrety! :)

2. Amerykańscy naukowcy uzyskali płyn o ujemnej masie. Ci wspaniali amerykańscy naukowcy ;)

Tak, odkryli to. Tekst o amerykańskich naukowcach jest zabawny, ale naprawdę tego dokonali. Płyn ten, kiedy jest pchany w jednym kierunku, porusza się wstecz, zamiast do przodu!

Wiemy, że druga zasada dynamiki Newtona mówi, że Siła (F) = Masa (m) x Przyspieszenie (a). Przyspieszenie zaś to Siła / Masę. Kiedy masa ma znak ujemny, wtedy Przyspieszeni będzie ujemne.

To niezwykłe odkrycie naukowców z USA może, w dalszej kolejności, rzucić światło na procesy zachodzące w gwiazdach neutronowych (post o tychże gwiazdach) i czarnych dziurach.

Fizycy odnieśli pewien sukces w próbach uzyskania negatywnej masy. Naukowcy z Uniwersytetu Stanowego w Washington (dobrze, że nie w Londynie, bo nie ma takiego miasta, Londyn. Jest Lądek, Lądek Zdrój. Musielibyśmy uznać owo odkrycie za zmyślone). Udało się stworzyć płyn z atomów o temperaturze bardzo bliskiej zera bezwzględnego, najniższej możliwej temperaturze w przyrodzie (-273,15 stopni Celsjusza, 0 Kelvinów; przy tej temperaturze wszelki ruch cząsteczkowy, poza fluktuacjami kwantowymi, zanika. Wszystkie elementy układu termodynamicznego mają najniższą możliwą energię) i wtedy, Eureka! Materia z tychże atomów zaczęła zachowywać się, jakby miała ujemną masę :) Bohaterami mojej opowieści są znowu atomy Rubidu. Utworzyły one tzw. kondensat Bosego-Einsteina.

3. Einstein bez butów czyli kondensat Bosego-Einsteina.

W tym stanie materii cząstki poruszają się niezwykle powoli i zaczynają przejawiać cechy opisywane za pomocą mechaniki kwantowej, zamiast fizyki klasycznej. Po prostu, cząstki nagle zyskują cechy fali, to znaczy, że nie mają jednego konkretnego położenia, tylko rozkład (coś jak sinusoida na osi x,y) falowy prawdopodobieństwa swojego położenia. Tłumaczyłem to trochę w postach o tunelowaniu (#12, punkt 1.)) i doświadczeniu Younga (#3).

Kondensat Bosego-Einsteina to piąty stan skupienia materii. Obok tak oczywistych, jak ciecz czy gaz, mamy także materię, która zachowuje się w specyficzny sposób, przy temperaturach bliskich 0 K.

4. Trochę o nieśmiertelnych bizonach.

Po kolei. Czyli od końca ;)

Bozony są to cząstki, które posiadają spin całkowity (wartość całkowita pewnej wielkości charakteryzującej cząstki elementarnej). Mogą one znajdować się jednakowym stanie kwantowym, zgodnie z regułą Pauliego; fermiony mają spin połówkowy i nie mogą. Widocznie Pauli mniej je lubił ;) Każda cząstka jest bozonem albo fermionem. Bozony to np. gluony (cząstki, które spajają kwarki w nukleonach), fotony - cząstki światła, i hipotetyczne grawitony. Czyli - bozony przenoszą oddziaływania.

Fermiony to kwarki i leptony, czyli cząstki budujące materię. Leptonem jest np. elektron i neutrino elektronowe, a także masa innych, których nie ma sensu przywoływać, bo nie są nam one tutaj potrzebne. Jest to cała wesoła rodzinka cząstek, wchodzących w skład tzw. Modelu Standardowego. I tyle w temacie :)

No i mamy sobie te bozony, prawdaż czy nieprawdaż? :) Gdy się ochłodzi te bozony, które mogą mieć ten sam stan kwantowy, tworzą one, ni z gruchy, ni z pietruchy, układ kwantowy, w którym wszystkie cząstki zachowują się, jakby były jedną cząstką! Mają identyczny pęd, a w stanie tym zachodzi także zjawisko nadciekłości - całkowicie zanika lepkość! Na przykład, mieszając łyżeczką nadciekłą, jakimś cudem, kawę, sprawilibyśmy, że płyn obracałby się bez końca, o ile sami byśmy go nie zatrzymali. Dlatego lepiej unikajcie mrożonej kawy, mogłaby Was wessać w swój nieokiełznany wir ;)

Ten stan skupienia nazywa się kondensatem Bosego-Einsteina (nie bosego Einsteina, ale aż się prosi) od nazwisk indyjskiego fizyka Satendry Natha Bosego i Alberta Einsteina, którzy przewidzieli istnienie tego stanu skupienia już w roku 1924.

5. I znowu amerykańscy naukowcy, odkryli wszystko, wstrzymali Słońce, ruszyli Ziemię i po prostu ocalili świat :)

Doświadczenia ciąg dalszy. Zespół owych naukowców utrzymywał za pomocą laserów płyn z kondensatem w niskiej temperaturze, ale także w maleńkim polu o kształcie miski, o średnicy mniejszej niż 100 mikronów.

Dopóki płyn utrzymywał się w miejscu, w tej misce, wszystko było w miarę OK. Zachowywał się jak nadciekły płyn i miał dodatnią masę. Jednakże cyrki zaczęły się, gdy zechciano wypchnąć ten płyn poza obręb miskowatego pola.

Użyto drugiego zestawu laserów to uderzania w atomy, powodując ich ruch do przodu i do tyłu, zmieniając ich spin. Niecka, miska (denko, sitko, solniczka, nazwijcie to jak chcecie ;)) została zniszczona, i teraz najlepsze. Atomy Rubidu mogły wydostać się poza obręb solniczki. Miski. I zaczęły zachowywać się, jakby miały ujemną masę.

Kiedy popychało się je w jednym kierunku, one poruszały się w przeciwnym, z ujemnym przyspieszeniem. Wyglądało to, jakby uderzały w niewidoczną ścianę. 

Dla mnie bomba! Wyobraźcie sobie na przykład, jak wyglądałby mecz w tenisa. Gracze staliby tyłem do siebie? Albo mecz piłki nożnej. Rekordowe ilości bramek samobójczych ;)

Aby na pewno stwierdzić, że doświadczenie niezmordowanych amerykańskich naukowców faktycznie wskazało na istnienie ujemnej masy, potrzebne są wyniki niezależnych zespołów naukowców z innych krajów. Chociaż, czy ja wiem? Ruscy naukowcy pewnie już dawno mają ujemną masę, ciemne światło i słony cukier. Tam wszystko jest możliwe, Putin ma tyle kasy, że finansuje wszystko ;) 

Wyniki doświadczenia jak i sam opis eksperymentu Amerykanów zostały opublikowane w 'Physical Review Letters', poważanym czasopiśmie naukowym. Teraz każdy będzie mógł wytworzyć nadciekły kondensat Bosego-Einsteina o negatywnej masie w swojej własnej lodówce. Pod warunkiem, że potrafi ona schłodzić tę ciecz do -273,15 stopni Celsjusza. No pewnie, że każdy ;)

5. Napisy końcowe.

Fajni ci amerykańscy naukowcy, umieją prawie wszystko zrobić.

A poważnie - ujemna masa pojawiła się w trochę innym wydaniu, niż można by się spodziewać. Ja myślałem o jakiejś kulce, bloku materii, która na wadze pokazywałaby minus. I, nie, tu mówię do wszystkich anorektyczek, które marzą o obżeraniu się i traceniu na wadze. Nigdy nie napijemy się nadciekłej Pepsi o ujemnej masie, z prostego względu - ujemnego przyspieszenia. Chyba, że jesteście gotowi na malowanie sufitu. Pepsi podobno strasznie brudzi ;) 

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

#14 Elektron, czyli Całkiem Szokująca Cząstka Elementarna

0. Wstępniak Okolicznościowy.

Dziś wstępniak bez okoliczności. Chociaż nie, jest. Jutro święto Trzech Króli. Byli to trzej mędrcy, inaczej mówiąc, i myślę, że ucieszyliby się, że propaguję mądrości. Zapewne nic by nie zrozumieli z tego tekstu, ale gładząc wąsa powiedzieliby 'to mądre'. No pewnie, że nic by nie skumali! W końcu piszę po polsku. A może Trzej Królowie byli Polakami? Kto ich tam wie. Mieszko, Cieszko i Orzeszko. Na przykład. Albo Gniewojeb, Zdziwimir i Jebusław. Coś jak Wielgas Kutas, Jebus Maximus, Cycus Zwisus albo Dupencja Niezadowolencja, że przytoczę klasyka ;) Takie były kiedyś imiona, naprawdę! ;) Tak często odchodzimy od fizyki klasycznej, że imiona też mogą się zmieniać. Fajnie byłoby, gdyby były bardziej kwantowe; Kwantosław, Protoniusz i A'Tomasz. To ostatnie pożyczyłem z komiksu, pewnie znacie, mam nadzieję, że Papcio Chmiel nie oskarży mnie o plagiat. Dlatego nie użyłem zdrobnienia A'Tomek. Jakby co, powiem, że po dobrej wódce byłem ;)  I od razu konkurs - skąd pochodzi ów cytat (z wódką). Od razu mówię - nie można używać Internetu, ma być z głowy. Nie bójcie się, mam kolegów hakerów, będę wiedział.

Dziś Wigilia Trzech Króli, dlatego będzie o elektronie. Co ma elektron do Trzech Króli? Na przykład to, że czasami są trzy elektrony przy jądrze atomowym. Chyba. Albo, że elektrony już istniały, wtedy. Albo - niejeden elektron tworzył atomy w ciałach Trzech Króli. Na pewno. Tu zadaję kłam jednej z interpretacji fizyki kwantowej - tej mówiącej, że obiekt nie istnieje, a raczej pewna jego właściwość, jeśli nie dokonuje się na nim obserwacji. Elektrony były w Trzech Królach, pomimo że nikt z dzisiejszych ludzi ich tam nie widział. Albo, można zagrać na nosie płaskoziemcom, którzy nie uwierzą, dopóki nie zobaczą z Kosmosu, że Ziemia jest kulą (a raczej geoidą).

Owszem, Trzej Królowie składali się na pewno po części z elektronów. Ładnie na tezy o obserwacji i świadomości obserwatora, która dokonuje kolapsu funkcji falowej obiektu (to bzdura), głoszone m.in. przez Nielsa Bohra, jednego z twórców niezwykłej fizyki lat .20 XX wieku, odpowiadał Albert Einstein. 'Czy Księżyc istnieje tylko wtedy, kiedy na niego patrzę?' Można odpowiedzieć, i to prawda, że efektom kwantowym ulegają jedynie mikroskopowe obiekty, powyżej pewnej wielkości fizyka kwantowa 'nie ma prawa głosu'. Ale za to możemy dosrać płaskoziemcom. Ziemia jest okrągła, i mówię to nie dokonując takiej obserwacji, czyli nie będąc wystrzelonym na Księżyc.

Chociaż niedługo pewnie wystrzelą mnie tam moi Czytelnicy, którzy mają dość wstępniaków. Chcą tylko, abym przeszedł do sedna. Spokojnie, bo się obrażę i nie będę pisał. I może o to Wam chodzi? ;) Mój blog nie będzie już narzędziem wyrzutów sumienia: 'przeczytałbyś coś rozwijającego, na przykład o fizyce kwantowej, a nie ciągle łupiesz w Farm Heroes Saga (albo, co gorsza, w Candy Crush Saga); tu masz blog Diesla! (Diesel to ja, jakby ktoś nie widział. Dlaczego Diesel? Kiedyś Wam opowiem ;)) Naprawdę, przepraszam za to. Taka rola, z fizyką pod strzechy ;) Kwantowy wyrzut sumienia.

Dobra. Jedziemy z koksem bo już mi się skończyły żarty. I tak były to w głównej mierze tak zwane 'suchary'. Musicie jednak wiedzieć, że wymyślam to wszystko jednego dnia, ale gdy się zabieram za pisanie, wtedy mija już te kilka i dowcipy z soczystych, owocowych i chrupiących żartów zamieniają się w suchary. Jeśli macie konia, możecie go nimi nakarmić. Przeczytajcie mu, na pewno będzie rżał. Do rzeczy. I, tak, będą obrazki ;) Elektron. Starting in 10, 9, 8,...

1. Zadziwiająco krótki Wstępniak Naukowy, czyli 3, 2, 1, ignition and take-off.

Dziś będzie trochę inaczej. Nie będę Wam pisał, że elektron to lepton, jakie są rodzaje innych cząstek, że ma spin i co to jest spin (tylko bez spin, proszę ;)), a że jądro atomowe, a że prąd to strumień elektronów, ale tak do końca to nie wiemy, czym jest prąd elektryczny. Że ma ładunek... A że hadrony, a że protony, a że neutrony. Fermiony, bozony, leptony... No i te orbitale. Tak, orbitale. Te to dopiero są nieziemskie... Dość! I słusznie Czytelniku, że dość. Podzielam Twój pogląd :)

Specjalnie rzucam Wam same niewiele mówiące hasła - zainteresowani znajdą ich znaczenie i rozwinięcie w okamgnieniu, w otchłaniach Internetu. Nie będę Was zanudzał podręcznikową wiedzą, którą trzeba mieć, ale na egzamin semestralny z fizyki, a nie u Nas. My jesteśmy elitą, jesteśmy głodni wiedzy i żądni krwi. Tu się zgina dziób pingwina! Postanowiłem rzucić Wam najlepsze kąski - ciekawostki o elektronie.

2. Zero wymiarów, ładunek, promień i spin punktowy. Pozdrowienia dla fizyków, z życzeniami szybkiego osiwienia - od elektronu.

Pierwszą własnością elektronu jest szokujący mnie fakt, że aby doświadczenia z jego udziałem dawały poprawne wyniki, musi być traktowany jako matematyczny punkt! Ale uwaga - z masą, spinem i ładunkiem. Już tłumaczę.

Punkt w matematyce jest zerowymiarowy. Dlaczego? To bardzo trudno zrozumieć, jak coś może mieć zero wymiarów, a być obiektem poddawanym rozważaniom (a raczej być przedmiotem obliczeń). Faktycznie, to trudne, ale wyobraźcie sobie - linia prosta ma jeden wymiar. Tak jakby miała długość, ale nie grubość. Jakby długopis, którym ją rysujemy, zostawiał na papierze zerową grubość ale i tak by rysował. No ale jak, zakrzykniecie (tak, to jest już mniej więcej odpowiedniapora na wrzaski) - coś istnieje i nie istnieje jednocześnie?! Grubość istnieje tylko dlatego, że żyjemy w świecie fizycznym, a nie matematycznym. Jednakże do wszystkich obliczeń zakłada się, że prosta ma zerową grubość. Kwadrat ma dwa wymiary. Zobaczcie; narysowawszy kwadrat na kartce, na pewno tusz lub warstwa innego barwnika (spokojnie, wiem, że część z Was rysuje jeszcze kredkami. Jesteśmy w końcu wszyscy Tłukami, ale przez duże Tłu, bo potrafimy narysować obiekt dwuwymiarowy w trójwymiarowym świecie! ;)) sprawi, że w fizycznym świecie obiekt ma trzy wymiary. Szerokość, długość i niestety wysokość - to ta warstwa barwnika. Proponuję kolor niebieski, w końcu elektron to niebieska kulka ze znaczkiem (-), prawda? Niektórzy tak naprawdę myślą, ale przeważnie są to osoby pokroju wierzących w Świętego Mikołaja. Tych, którzy do tej pory nie wiedzieli, przepraszam za spoiler ;) 

Wracając do warstwy barwnika: umownie wysokości (czyli grubości tuszu) na kartce nie ma. W obliczeniach się ją pomija i uznaje kwadrat za obiekt dwuwymiarowy. Nie szkodzi, że w fizycznym świecie byłoby to niemożliwe; bo przecież jeśli nie zostawisz warstwy tuszu posiadającej zawsze jakąś grubość, to nie narysujesz kwadratu. Ale matematycy wiedzą swoje (i dobrze) i twierdzą, że grubości nie ma. Obliczenia wychodzą im dobrze, skłonni jesteśmy uznać, ale mamy także na uwadze, że w chwili dokonywania obliczeń nie żyją w fizycznym świecie. Za to my, fizycy, jesteśmy realni ;)

Teraz nasz punkt: Kwadrat - dwa wymiary, prosta - jeden, czyli punkt - zero. Ale jednak ten punkt istnieje, prawda? To tak jak funkcja 1/x dąży do zera - ale w nieskończoności. Będzie równała się zero ale dopiero, gdy x=nieskończoność. Czyli - prawie nigdy ;) Spróbuj pokazać na osi x, gdzie jest ten punkt. Tak samo matematyczny punkt, obiekt zerowymiarowy. Istnieje i nie istnieje jednocześnie. Albo inaczej. Znamy dokładnie jego położenie, ale jego samego nie ma. Hmmm, całkiem nieźle to sobie wymyśliłem ;)

Wiem, że głowa puchnie, ale pocieszę Was, że chyba nikt, nawet najtęższe umysły świata, nie są sobie w stanie wyobrazić nieskończoności. Po prostu, tak chyba działają nasze mózgi, że musimy mieć jakieś granice. A nieskończoność to brak granic. Nieskończony jest Bóg, a pokażcie mi kogoś, kto Go rozumie - kim On jest? Ło matko. A miało być o elektronie ;)

3. Sztuczka Boskovica, czyli jak ugryźć ten elektron.

Jednym słowem: aby obliczenia doświadczeń z udziałem elektronu mogły dawać przewidywalne wyniki, konieczne było zastosowanie pewnej sztuczki. Użył jej pewien naukowiec o nazwisku Boskovic. Traktował on elektrony jako opisane wyżej matematyczne punkty, z tym, że pozwolił im mieć takie własności jak masa, ładunek, spin. Czym jest spin? To taka kłótnia, inaczej spina, tylko że wśród facetów. Żartuję, ale tutaj jest to ładnie wyłuszczone (punkt 4.)). I teraz problem: takie obiekty są tworami teoretycznymi, ale elektrony takie nie są - są realne. Jednak do obliczeń przybliżenie Boskovica wystarczało, bo dawało dobre wyniki. To tak jak z całą fizyką kwantową: obliczenia nam wychodzą, ale prawdziwej, fizycznej natury obiektów kwantowych nie znamy. Elektron jest najprawdopodobniej cząstką punktową - jak najbardziej elementarną i niepodzielną. Ma masę, ładunek, spin, ale nie ma promienia! To tak, jakby wirująca kula ładunku zmniejszała i zmniejszała swój promień, aż do zera. Promień znika, ale pozostają: spin, ładunek i masa.

Za pomocą akceleratorów cząstek starano się jednak wyznaczyć promień elektronu. Bo przecież fizycznie istnieje... W doświadczeniach uzyskano około 10-^18m, czyli 0,000000000000000001 metra. A raczej: jest mniejszy, niż ta liczba. Nie całkiem zero, bo istnieje, ale na pewno mniej niż 10^-18m. A pewnie i mniej, niż jeszcze mniejsza liczba. To jest właśnie granica x=0 przy x -> minus nieskończoność.

Ale od czego mamy coraz dokładniejsze przyrządy pomiarowe? Założę się, że nawet jeśli będą lepsze instrumenty (pomiarowe, chociaż pianina też można zrobić jeszcze lepsze ;)), to wykażą po prostu promień mniejszy niż np. 10^-26m. I tak dalej, w kierunku zera, aczkolwiek pewnie nigdy go nie osiągając.

Kwantowy świat jest sprzeczny z  intuicją. Doświadczalnie potwierdzono prawdziwość hipotezy, według której w  świecie kwantów mamy punktowe spiny (czyli bardzo małe spiny; spinki?), punktowe ładunki i  punktowe obroty! Nie martwcie się, nie jesteśmy sami w naszej migrenie wywołanej ostatnim rozdziałem. Nawet fizycy, tacy jak Niels Bohr (Tu cytuję: 'Jeśli kogoś nie szokuje mechanika kwantowa, to znaczy, że jej nie rozumie') i Richard Feynamnn ('Feynaman do swoich studentów: 'nikt nie rozumie mechaniki kwantowej'; studenci o swojego Feynmana: 'to czego pan chce od nas?'), którzy tworzyli i potem wykładali teorię kwantów musieliby się zgodzić, że to fizyka XXI wieku odkryta w latach .20 XX wieku.

Inna kwestia - nie jesteśmy w stanie podać zarówno położenia jak i prędkości elektronu. Im dokładniej mierzymy położenie, tym gorzej znamy prędkość. To tzw. zasada nieoznaczoności Heisenberga. Zainteresowanych zapraszam tutaj.

3. Chaotycznie przytoczone przez Autora ciekawostki o elektronie.

Elektron jest niepodzielny, czyli elementarny. Nie ma struktury wewnętrznej. Najprawdopodobniej. Co to oznacza? A to, że na razie nie mamy technologii, która pozwoliłaby nam dotrzeć do środka elektronu. Nawet tak doskonałe narzędzia jak Wielki Zderzacz Hadronów, LHC, nie dostarczyły odpowiednich danych. Istnieją przesłanki, że być może elektron z czegoś się składa, jak protony i neutrony - z kwarków, ale nie dane jest nam na razie zajrzeć do środka bohatera dzisiejszego posta. Dopóki nie powstaną odpowiednie doświadczenia i, przede wszystkim, technologia, możemy jedynie spekulować.


Inna ich niesamowita cecha to to, że elektrony są od siebie całkowicie nierozróżnialne! Są idealnymi kopiami samych siebie, elektrony moich atomów są dokładnie identyczne jak elektrony atomów, z których składają się moi Czytelnicy, szympansy i orangutany, żołędzie i kasztany, jabłka i banany (mówię już wierszem, jest trochę późno; zawsze po 23 mówię już wierszem ;)). Gdyby pozamieniać miejscami elektrony moje i elektrony orangutana nikt by się nie zorientował, nawet orangutan ;) Wszystko działałoby tak samo, ja nie myślałbym jak małpa, a orangutan jak ameba ;)) Pozwoliłem sobie na taki żart ponieważ fizyk, nawet amator, musi mieć czysty umysł, zupełnie jak ameba.

Atom to w większości pustka. To nie tak, że są to kuleczki i krążące po orbitach kuleczki ze znakiem minus, jak w starych rycinach bądź niektórych podręcznikach do fizyki ze szkoły średniej. Przede wszystkim - rozmiary. Realny atom to (w skali) proton o wielkości jabłka, elektron jak ziarnko słonecznika. Gdyby jabłka, czyli nasze protony i neutrony, znajdywały się na środku Camp Nou, elektrony krążyłyby po obrzeżach trybun. Takie proporcje ma prawdziwy atom. 

4. Konkluzja; prawdopodobne wyjaśnienie zagwózdki z punktu 2.

Dlaczego nie można określić rozmiaru elektronu? Wytłumaczeniem może być pewna fundamentalna zasada mechaniki kwantowej. Tak zwany dualizm korpuskularno-falowy (fala i cząstka jednocześnie) mówi, że elektron ma naturę zarówno cząsteczkową, jak i falową. A fala, jak wiemy, nie zajmuje żadnego szczególnego miejsca w przestrzeni - rozkłada się na pewien obszar. Dlaczego jednak możemy opisać elektrony jako cząstki punktowe? Bo pomiar dokonuje kolapsu fali elektronu do jednego punktu. Ta fala to nic innego jak rozkład prawdopodobieństwa położenia elektronu. Co ciekawe, niektórzy naukowcy twierdzą, że ta matematyczna struktura, funkcja falowa położenia elektronu a zatem pewne wyliczenie gdzie mógłby się on znajdować, jest realna, że istnieje nie tylko jako obiekt matematyczny, ale i fizyczny!

I teraz, w najciekawszym momencie przerwę te rozważania. Jak widzicie, fizyka to nie tylko siłownia dla mózgu, to także niezły thriller. Autor specjalnie dokonał cięcia, bo jest już późno i uznał, że macie już wystarczająco zlasowane mozgi. W sam raz, żeby jutro być w stanie uwierzyć, że gwiazda prowadziła trzech facetów przez pół świata do pewnego Żłóbka ;) Jak widzicie, fizyka i religia znakomicie się uzupełniają, żyją w symbiozie i tworzą jedną, wielką szczęśliwą rodzinę :)  I tym optymistycznym żartem zakończę kłapanie dziobem. Dobrej.

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

#13 Że co, proszę, czyli Gwiazdy Dziwne aka Gwiazdy Kwarkowe

0. Wstępniak Okolicznościowy.

Serwus! Pamiętacie, kto się ostatnio tak z Wami przywitał? Może pradziadek... Specjalnie użyłem dość archaicznego powitania, żeby przykuć Waszą uwagę. Jakby Gwiazdy Dziwne nie były wystarczającym powodem ;) Rozumiem, że nie każdy szaleje na punkcie fizyki, ale postaram się dać Wam powody, aby tak było.

Mamy poświętno-przedsylwestrowy czas. Chciałem Was jeszcze w starym roku czymś zaskoczyć, dlatego wybrałem jeden z tematów, który jest nieźle odjechany. Tak naprawdę staram się, aby wszystkie były, ale wiadomo, jedne są bardziej, inne mniej pokręcone. Aż mi się palą palce, aby zacząć opowiadać o Gwiazdach Dziwnych, ale muszę uczynić zadość społecznym wymogom i się przywitać. Pewnie się dziwicie - cztery miesiące nic, a naraz dzień po dniu szaleństwo i fizyczny piknik. Spokojnie. Jest czas na milczenie i czas na kłapanie dziobem. Wypadałoby podać teraz jakiś powód; obiecuję, że do końca tekstu coś wymyślę ;) A teraz...

1. Przydługi Wstępniak Naukowy.

Bez paniki. Bez punktu 1.) nie bylibyśmy w stanie sobie wyobrazić, czym są Gwiazdy Dziwne. A chcę, żebyście dobrze zrozumieli, bo kiedy zrozumiecie, powinno Was ogarnąć podobne uczucie do tego, jakiego doznalibyście obserwując konia przysiadającego się do Was w barze i zamawiającego piwo. Naprawdę. Gwiazdy Dziwne powinny nazywać się Gwiazdami Say What??? Są aż tak pokręcone i niesamowite. Do dzieła zatem.

Jeśli gwiazdy neutronowe i czarne dziury nie są dla Ciebie, Czytelniku, wystarczająco dziwne, to dobrze trafiłeś. Zresztą, sami fizycy mają świetne powody by sądzić, że w Kosmosie istnieją jeszcze bardziej niezwykłe obiekty od dwóch w/w. Są to gwiazdy zbudowane całkowicie z kwarków. Kwarki to... Ok, może łatwiej pójdzie od końca.

Materia jest zbudowana z cząsteczek. Cząsteczki, poziom niżej - atomy danego pierwiastka. Weźmy taki węgiel. To czym palicie w piecach... no dobrze, pomijam w tym zdaniu mieszkańców Krakowa i okolic bo tam pali się śmieciami ;) Jeśli nie palicie w piecach to lepiej zacznijcie, bo Winter is coming... O'kay, koniec żartów. Węgiel. Atom węgla to nic innego jak jądro atomowe i elektrony w chmurach elektronowych otaczających jądro, poruszają się w zakresie tzw. orbitali.

1.5 Dygresja elektronowa

Elektron to cząstka o ładunku ujemnym, jądro zaś składa się z protonów (+) i neutronów (brak ładunku elektrycznego). Elektron jest cząstką elementarną, bo nie da się go podzielić.

Elektron jest tu ciekawostką; nie wiadomo, czy ma strukturę wewnętrzną. Dzięki akceleratorom, gdzie zderza się je ze sobą (LHC to nic innego jak koło przyjaciół nanobilarda ;)), odkryto, że elektron zachowuje się jak kulka o promieniu 2,818 x 10^-15 metra. Jednakże doświadczenia z tzw. pułapkowaniem w polu magnetycznym wykazały, że promień elektronu jest mniejszy niż 10^-22 metra. To oznacza, że do końca nie wiemy, czy nie jest on cząstką punktową, czyli zerowymiarową. Ponieważ mimo iż posiada dobrze znany ładunek, masę, wiemy, że wiruje wokół własnej osi, to jednak w świecie fizyki cząstek elementarnych przyjmuje się, że jego promień wynosi zero. I mówię to z pełną odpowiedzialnością fizyka amatora i kolejnej mądrali internetowej ;)

Pojawiają się pytania: co wiruje, jeśli promień wynosi zero? Gdzie jest ładunek? Jak toto może mieć masę? Był taki gość jak Boskovic, który rozwiązał te problemy w następujący sposób: potraktował zderzane obiekty jak punkty, takie matematyczne, czyli zerowymiarowe, ale pozwolił im zachować swoje własności, takie jak ładunek i masa. Wtedy obliczenia zgadzały się z obserwacjami. Jednak kłopot z elektronem istnieje nadal, ponieważ nie jest on obiektem matematycznym, a fizyczną, realną cząstką. Dalszym rozważaniom pikanterii dodaje fakt, że eksperymentalnie potwierdzono teorię, iż w nanoświecie istnieją punktowe masy, ładunki i obroty. Jest to totalna abstrakcja, bo nic z takich rzeczy nie zobaczycie w naszym normalnym otoczeniu. Świetne są te elektrony! Coś czuję, że już gdzieś o nich pisałem, ale są tak fajne, że niedługo chyba spłodzę o nich całego posta :)

Prawie 2. Ciąg dalszy Wstępniaka Naukowego, oczywiście Przydługiego.

Dobra. Mała dygresja, a ile radości.

Mamy te elektrony, protony i neutrony. Protony i neutrony tworzą jądro, spajane przez siły jądrowe, które są szczególnym przypadkiem oddziaływań jądrowych silnych, jednej z sił fundamentalnych. Na małych odległościach nie przyciągają tylko odpychają (o_O), ich siła jest sto razy większa od sił elektrostatycznych, są niezależne od ładunku i występują tylko między nukleonami. A z czego są nukleony (protony i neutrony)? Z kwarków właśnie.

Kwarki są różne. Są, według naszej wiedzy, niepodzielne. A także - spajane przez gluony, bezmasowe cząstki przenoszące oddziaływania silne, które trzyma kwarki jeden obok drugiego. Kwarki mają fajne nazwy (górny, dolny, dziwny, powabny, niski, wysoki) i różnią się właściwościami, bo, jak napisałem, są różne :)

Ale nie o to tutaj chodzi, żeby bawić się w podręcznik fizyki - tam sobie wszystko o kwarkach znajdziecie (nie mylcie ze skwarkami; do tego potrzebna jest książka kucharska), a leniwcy oczywiście włączą Interneta. Kwarki posłużą nam do zbudowania Gwiazdy Dziwnej. Ale to za chwilę. Albo i za 20 minut, jeśli wolno czytacie ;)

Matematyka, której tak nie cierpi pewnie z 50% gimbazy, dała fizyce XX wieku możliwość wytłumaczenia wielu zjawisk związanych z Wszechświatem. Jednakże ta dobroniosąca matematyka stworzyła także kilka niespodzianek. Wyzierają z tej matmy potwory, o jakich Wam się nie śniło, a właśnie o nich czytacie ;)

Te potwory to na przykład Biała Dziura, ale także przewidywania zjawisk tak ekstremalnych i dziwnych, że aż człowiek zastanawia się, czy aby mają prawo istnieć w rzeczywistości. Jednym z nich są pozostałości po najmasywniejszych gwiazdach, zombiaki, takie jak czarne dziury i gwiazdy neutronowe (zapraszam do artykułu o Gwiazdach Neutronowych).

Fizyka Einsteina mówi, że jądro martwej gwiazdy musi zapaść się pod własnym, olbrzymim ciężarem. Tak powstają neutronówki, a co masywniejsze gwiazdy zapadają się do czarnych dziur. Jednakże to są oklepane tematy. Czarna dziura to pierwsza zajawka każdego, kto zainteresował się astronomią bądź innym rodzajem fizyki (takim fajnym, chyba, że wolisz rozwiązywać zadania o staczającym się po równi pochyłej klocku i o siłach na niego działającym, są i tacy matematyczni zboczeńcy; taką fizykę znam z liceum, niestety ;), a fizyka to przecież o wiele więcej. To był krótki tekst krytykujący obecne szkolnictwo obowiązkowe ;))

Okej. Tak pokrótce: gwiazda spala wodór w procesie fuzji, tworzy się energia, jak w naszym Słoneczku. Kiedy skończy jej się to paliwo, świecidełko na nocnym niebie kopie bardzo efektownie w kalendarz - większość protonów i elektronów wodoru i helu jest miażdżonych i tworzy neutrony. Przy średnicy około 10 km miażdżenie zatrzymuje się, bo neutrony osiągają maksymalny stopień upakowania. To w jądrze. Reszta zapadającej się gwiazdy uderza w to jądro i mamy wybuch supernowej. To taki kosmiczny Sylwester ;) Pozostaje samo jądro - gwiazda neutronowa, niesłychanie gorąca i obracająca się wokół własnej osi niczym Katerina Witt za swoich najlepszych lat. Posiada ona (nie Katarina, gwiazda) silne pole magnetyczne, które powoduje, że z biegunów wystrzeliwane są tzw. dżety energii (i  takie gwiazdy to pulsary). I teraz, zbliżamy się do wisienki na torcie.

3. Neutronium i coraz dalej w las.

Zwykła gwiazda neutronowa ma żelazną powierzchnię, pod którą znajduje się kuriozalna ciecz - neutronium. Neutronium składa się prawie jedynie z neutronów i jest najgęstszą znaną substancją we Wszechświecie! Centymetr sześcienny neutronium waży miliard ton. To limit gęstości w naszych warunkach, na skalę kosmiczną nawet. No, prawie ;)

Neutronium to materia zdegenerowana. Podobna do materii, z jakiej składają się żule spod sklepu. To ostatnie to oczywiście żart. Przepraszam wszystkich żuli, którzy czytają mój artykuł ;) Ale - przysłużyliście się nauce.

Lecimy dalej. Materia zdegenerowana jest tak ściśnięta, że cząstki nie mogę znajdować się już bliżej siebie bez zajmowania tego samego stanu kwantowego. To zasada Zakazu Pauliego - dla cząstek zwanych fermionami, do których należą neutrony. Nie potrafimy stworzyć neutronium w laboratoriach, dlatego niewiele o nim wiemy.

Neutrony są tak gęsto upakowane, że zaczynają na siebie nachodzić. A wtedy, moim mili, neutrony rozpadają się na kwarki i rodzi się nowa gwiazda, Gwiazda Dziwna.

4. Materia Kwarkowa i Materia Dziwna.

Jak to możliwe, że zostają same kwarki, niepodzielne i najbardziej elementarne ze znanych cząstek? Co to za stan skupienia materii? Materia kwarkowa...

Tu wepnę kolejną dygresję, konieczną wszakże, i do tego bardzo ciekawą.

Uważa się, że coś w rodzaju gazopodobnej materii kwarkowej wypełniało cały Wszechświat w Epoce Kwarków - około jednej milionowej części sekundy po Wielkim Wybuchu, początku naszego Kosmosu. Była to tak zwana plazma kwarkowo-gluonowa. Super temat, ale to na kiedyś. Co bardziej szałowe, umiemy coś takiego wytworzyć w naszych akceleratorach cząstek! Niewielkie jej ilości istnieją przez ułamki sekund przy zderzeniach np. protonów w LHC w Genewie. Możemy ją badać po produktach rozpadów tych zderzeń. Jednakże materia kwarkowa jest poddana gargantuicznym ciśnieniom w gwieździe neutronowej, nie olbrzymiej temperaturze, jak u nas. W gwieździe tworzy raczej nadciekły płyn (Wujek Google będzie wdzięczny za odwiedziny, dla żądnych wiedzy) a nie plazmę. Jednakże ten płyn jest gęstszy od neutronium. Po prostu zupa grochowa taka, że aż łyżka stoi, do tego pełna (s)kwarków ;)

Takie gwiazdy neutronowe o jądrze z materii kwarkowej nazywamy Gwiazdami Kwarkowymi.

Neutrony rozpadły się na jeden kwark górny i dwa dolne. Materia kwarkowa zbudowana z takich typów kwarków musi być trzymana w ryzach za pomocą olbrzymiego ciśnienia, aby zachować stabilność poza jądrem atomowym. To wyklucza istnienie gwiazdy zbudowanej z takiej materii. Chyba, że...

Materia kwarkowa stanie się materią dziwną.

Prawdopodobnie, kiedy neutrony rozpadają się pod wpływem gigantycznego ciśnienia (kończą mi się synonimy słowa 'wielki'; niedługo zacznę mówić po prostu 'mega', 'ultra', 'hiper';)), połowa kwarków dolnych przeistacza się w kwarki dziwne. I oto mamy materię dziwną! Super nazwa. Następnym razem, gdy ktoś powie ci, że jesteś dziwny, powiedz, że to dlatego, że składasz się z samych kwarków ;)) O ripostę się nie martw. Usłyszysz: 'z czego, ze skwarków?!'

Materia dziwna to szczególny przypadek materii kwarkowej. Posiada trzy typy kwarków zamiast dwóch. Gdyby Gwiazdy Dziwne istniały, bo na razie są oczywiście jedynie hipotetycznymi ciałami niebieskimi, mogłyby istnieć również krople materii dziwnej, tzw. 'dziwadełka' :) Śmiejcie się, śmiejcie.  Śmieszna nazwa, tak? Dziwadełka zachowywałyby się jak wirusy! Wystarczyłoby, że pojawią się w otoczeniu materii jądrowej, a natychmiast konwertowałyby ją na materię dziwną. Dziwne... ;)

Pojawienie się kwarków dziwnych oznacza, że więcej cząstek może zajmować najniższy poziom energetyczny. Nie ważne, co to jest stan energetyczny, dla nas ważne jest tylko to, że kwarki robią 'terefere' Zakazowi Pauliego poprzez transformację. Ten najniższy poziom energetyczny wpływa na fakt, że materia dziwna może być najstabilniejszym stanem materii we Wszechświecie! Jest stabilniejsza nawet niż jądro żelaza. 

5. Tak krawiec kraje, czyli jaka materia, taka gwiazda.

Gwiazdy Kwarkowe/Dziwne są czymś pośrednim między czarnymi dziurami a gwiazdami neutronowymi. Pośrednim? Chodzi oczywiście o masę umierającej gwiazdy. Rozmiary? XS. Naprawdę, mają około 5-10km (10-14 km dla gwiazdy neutronowej).

Gwiazda Dziwna byłaby całkowicie stabilną gwiazdą. Mogłaby istnieć... wiecznie. Tak! Nie rozpadłaby się ani nie zdegenerowała do czegoś bardziej podstawowego, bo sama składałaby się z materii już niemożliwej do rozpadu. I egzystowałaby w nieskończoność.

4.5 Dygresja protonowa.

Gwiazdy dziwne przeżyłyby nawet protony, których hipotetyczny czas rozpadu (do tej pory nie zaobserwowany pomimo faktu, że detektor Super-Kamiokande starający się wykryć rozpad protonu zawiera 50000 ton wody, nie zaobserwował nic. A powinien, bo przy takiej ilości materii - 10^34 protonów - przewiduje się rozpad 100000 z nich) wynosi 10^29 lat. Wiek Wszechświata to 10^10 lat... 

Niestety, rozpad protonu to teoria spoza Modelu Standardowego, dlatego jest mocno niepewna. Zawiera się w Teorii Wielkiej Unifikacji, kandydatce na Teorię Wszystkiego. Ale to już inna para kaloszy...

Prawie 5. Ciąg dalszy afery z krawcem.

To nie wszystko. W sensie, istnienie Gwiazd Dziwnych mogłoby implikować inne, jeszcze bardziej, a jakże, zwariowane fakty. Co jeszcze mogłoby dziać się w jądrach gwiazd neutronowych? Przy dostatecznej gęstości, warunki w środku tych gwiazd mogłoby być tak ekstremalne, że przypominałyby czas nawet sprzed Epoki Kwarków.

W okresie mniej niż jedną miliardową sekundy po Wielkim Wybuchu siły fundamentalne (oddziaływanie jądrowe silne i słaby, elektromagnetyzm i grawitacja) były trochę inne niż te, jakie znamy dziś. Siła elektromagnetyczna i jądrowa słaba były połączone w jedną siłę elektrosłabą. Możliwe, że gwiazdy neutronowe mają elektrosłabe jądro, coś jak jabłko (takiej wielkości) o masie dwóch Ziem, w której dosłownie płoną kwarki... A wystrzeliwana energia to prawie wyłącznie neutrina, bardzo lekkie cząstki. Super. Witajcie w piekle.

Ach, zapomniałbym. Gwiazdy Dziwne mają w rzyci grawitację. Materia dziwna jest tak stabilna, że gdyby wyłączyć grawitację, pod naporem wewnętrznego ciśnienia rozpadłaby się nawet gwiazda neutronowa, a dziwna nie! Mogłaby jedynie trochę zwiększyć swoje rozmiary. Gwiazdy Dziwne są utrzymywane w całości dzięki specyficznym siłom międzykwarkowym, a nie grawitacyjnym. Dziwne są te Gwiazdy Dziwne! :)

5. Realne klocki do teoretycznej układanki.

Astronomowie nie robią nic innego, tylko gapią się godzinami w niebo. Ale czasem coś tam wypatrzą. I wypatrzyli.

3C58. Taka jest oficjalna nazwa podejrzanego o dziwność.

Dane wskazują na coś o wiele chłodniejszego, niż powinna być gwiazda neutronowa w tym wieku. Być może w środku tego neutroniaka powstało jądro z materii kwarkowej i powoli przeistacza się w materię dziwną (ten numer a la wirus). Kwarki dolne zamieniają się w dziwne, które są trochę cięższe. Skądś trzeba brać siły do życia, więc materia dziwna tworzy swoją masę z energii cieplnej gwiazdy neutronowej. 3C58 to potencjalna dziwaczka. Jak już to ustalą, to Wam powiem :)

Inne kandydatki na Gwiazdy Dziwne/Kwarkowe? Są, a owszem. 'Widzi pani, pani Helu. Ta Martyna spod siódemki to taka dziwna jakaś. I na gwiazdę pozuje, też mi coś!' Nie o takie wszakże nam chodzi, ale w/w są bardziej realne niż te nasze, kosmiczne.

Gwiazdami Dziwnymi mogą być te gwiazdy neutronowe, które są zbyt małe jak na swoją masę (przeważnie na początku bierze się je za gwiazdy neutronowe). Są też supernowe, które wydają się odrobinę za jasne i trwają zbyt długo. A tak dzieje się, znowu prawdopodobnie, kiedy gwiazda neutronowa wybucha drugi raz jako supernowa i zapada się do jeszcze gęstszej Gwiazdy Dziwnej.

W 1987 roku w Wielkim Obłoku Magellana doszło do wybuchu supernowej, która być może pozostawiła Gwiazdę Kwarkową. Gwiazda, która wybuchła, nie była tak masywna, aby stworzyć czarną dziurę, jednakże w miejscu wybuchu nie wykryto gwiazdy neutronowej... I co, i co? A, nico. Na razie nic nie potwierdzono, ani nie zaprzeczono. Bez komentarza. Pewnie rząd USA trzyma Gwiazdę Dziwną w tajemnicy przed ludźmi, a kosmici na pewno już tam dolecieli. A Ruscy...

6. Koniec. I dlaczego nie pisałem tak długo.

No dobrze, nie będę przedłużał, wiem, że wyczerpałem już limit uwagi. Kto dotrwał do końca, ten zobaczy fajny obrazek. A kto nie dotrwał? Po tego przyjdzie rząd USA, kosmici i Ruscy. I zrobią mu koło pióra ;)

A dlaczego tak długo ociągałem się z nowymi postami? Bo mi też zrobiono koło pióra. I nie miałem czym pisać ;)

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

#12 Szybciej niż Einstein, czyli Tunelowanie Kwantowe

0. Wstępniak Okolicznościowy.

Dzień dobry. Witam najedzonych, spasionych i o kilogram za ciężkich Czytelników. Dobra nasza, jeśli o kilogram ;) Po Świętach napadła mnie nieodparta chęć podzielenia się z Wami tematem, który wydaje się co najmniej równie nieprawdopodobny jak fakt, że 24.12 przez komin wchodzi do Waszego grubas w czerwonym wdzianku i zostawia w workach, skarpetach, majtkach czy w czym tam jeszcze wymarzone prezenty. Na szczęście wszyscy wiemy, że Mikołaja nie ma. Tych, którzy do tej pory nie wiedzieli, bardzo przepraszam za spoiler życia. Za to tunelowanie kwantowe istnieje. Otóż, właśnie! Istnieje przestrzeń w naszej fizycznej rzeczywistości, przez które cząstki poruszają się w zerowym czasie. Podróżują bez czasu, pokonują realną drogę bez tyknięć zegara. Jak to możliwe? Jeśli chcecie się dowiedzieć, zapraszam do lektury niniejszego tekstu. No chyba, że już mnie lubicie za Mikołaja, ale wiedzcie, że do bycia naukowcem amatorem ta wiedza była Wam potrzebna. Nie można jednocześnie wierzyć w Świętego Mikołaja i w tunelowanie kwantowe ;) Zapraszam!

1. Po kolei, czyli Długi Wstępniak Naukowy.

Jakże cudownie byłoby być w wielu miejscach na raz. W pracy i na Hula-Bula. Spijać drinka z parasolką i sprzedawać gazety w kiosku. Spać i przygotowywać raport dla swojego niemiłego szefa. Jednocześnie. Jeśli jakaś Dobra Wróżka spełniłaby Wasze życzenie i zamieniła Was w elektron bądź inną cząstkę elementarną, byłoby to możliwe. Bo jedną z niezwykłych cech mechaniki kwantowej jest to, że pewne fundamentalne cechy obiektów są z zasady nieokreślone, niepewne. Nie opisują ściśle określonych wartości, lecz raczej rozkład możliwych stanów istnienia. Gdy obiekt jest poddany obserwacji, każdy ze stanów posiada pewne prawdopodobieństwo bycia prawdziwym. Inaczej mówiąc, dopóki obiekt kwantowy nie wejdzie z niczym w interakcję, wszystkie możliwe stany są tak samo realne jak inne, jednakże nie tak samo prawdopodobne. Czyli, biorąc sprawy jeszcze prościej: szanse, że elektron będzie się znajdował w punkcie A wynoszą 30%. W punkcie B, oddalonym od niego w prawo o wartość mierzoną w pikometrach – 40%, w punkcie C, trochę pikometrów dalej w prawo – 30%. Przy dodaniu większej ilości punktów pośrednich na wykresie powstanie coś na kształt grzbietów i dolin fali. W wielkim uproszczeniu, tak działa chmura elektronowa, inaczej mówiąc powłoka elektronowa. Dopóki nie zostanie dokonany pomiar, czyli interakcja, elektron istnieje tylko jako wartość prawdopodobieństwa. I mamy większą szansę, że znajdziemy go w punkcie B niż w A i C. Ten rozkład prawdopodobieństwa jest zapisany w tak zwanej funkcji falowej obiektu. Ufff. Trochę matmy i człowiek od razu staje na baczność. Mnie to myślenie wyrwało od popierogowych rozmyślań o utraconej szczupłości, a Was? :) Nie? To lecimy dalej. Zapewniam Was, że po lekturze mojego tekstu będziecie smagli i leciutcy jak elektron. 9X10^-31 kg :) I osiwiejecie ;)

Redukcja, inaczej kolaps funkcji falowej z rozproszonej przestrzeni możliwości o określonej, mierzalnej wartości, to kolejna z absurdów, przeczących naszej normalnej intuicji własność obiektów kwantowych. Przyjrzyjmy się dziwnym konsekwencjom kwantowej niepewności biorąc pod uwagę położenie obiektu. Francuski matematyk Louis de Broglie stwierdził, że każdy materialny obiekt to tak naprawdę fala materii. Może być opisany jako paczka falowa prawdopodobieństwa, umieszczonego w fizycznej przestrzeni. Tam, gdzie fala ma swój grzbiet, jest większe prawdopodobieństwo znalezienia obiektu. Mniejsze – tam gdzie fala się załamuje. Dobrze pokazuje to sinusoida. Czym jest sinusoida? Bardzo ładnie tłumaczy owo zagadnienie Wujek Google i Ciocia Grafika Google ;) Idźmy dalej. Paczka falowa ma określoną długość fali. Długość fali de Broglie’a pokazuje, jak dobrze określone jest położenie obiektu. Sinusoida. Im szersza sinusoida, czyli większa długość fali de Broglie’a (z grzbietami fali – wysokie prawdopodobieństwo położenia, oraz z dolinami – niskie), tym mniej pewne położenie obiektu. Im ciaśniej ściśnięta – tym lepiej określone położenie, długość fali jest krótsza i mamy mniej odległości na osi poziomej do szukania elektronu naszym pomiarem.

W 3D wygląda to tak:

I tako też:

Tam, gdzie wysoko, jest duża szansa znalezienia elektronu. Tłumaczę to już chyba piąty raz a nadal nie wiem, czy jest to zrozumiałe. Ale jak Dla Tłuka, to Dla Tłuka! :) Gdybym był youtuberem, pewnie poszłoby łatwiej, niestety mam pryszcza i nie nadaję się do telewizji ;)

Wszystko to prawda, jeśli chodzi o obiekty kwantowe. A co z nami? Jeśli ktoś czuje się obiektem kwantowym to gratuluję wyobraźni, jednak dla większości z nas, śmiertelników, prawa kwantowe nie obowiązują. Jednak… Czy aby na pewno? :) Obecnie jestem głównie w swoim pokoju, przed komputerem. Ale istnieje jeszcze mała szansa, że jestem na Księżycu. Jednak jest to szansa bardzo mała, szansa, czyli prawdopodobieństwo. Popatrz na mnie, zaobserwuj i spraw, aby moja funkcja falowa dokonała kolapsu – z największym prawdopodobieństwem jestem jednak przed ekranem na Jaśminowej :) Czyli tam, gdzie się spodziewałeś.

Długość fali de Broglie’a obiektu zależy od pędu – masy razy prędkość. Wysoki pęd oznacza krótką długość fali. A dokładniej – długość tej fali to stała Plancka/pęd. Ludzie są zbudowani z dziesiątek kilogramów termicznie ruchomych cząstek (im większa temperatura, tym większa prędkość poruszania się ich), i dla nich długość fali de Broglie’a wynosi kilka rzędów mniej niż długość Plancka (poczytaj o niej tutaj) – to niewyobrażalnie mało. Po prostu – jesteś dosłownie wszędzie we Wszechświecie, ale w 99,9999…9% bardziej tutaj, niż gdzie indziej. O wiele bardziej tutaj. Na granicy rozszerzającego się Wszechświata, miliardy lat świetlnych stąd, jesteś także, ale bardzo „nie bardzo” :) Mała szansa, że tam jesteś, ale jednak jest to możliwe. Jeśli długość fali jest mała, to znaczy, że Twoje położenie jest dobrze określone.

Takie rozważania byłyby prawdziwe, jeśli rozpatrywalibyśmy obiekty makroskopowe w kategoriach mechaniki kwantowej. Jak widać, zdecydowanie przeczy owo rozpatrywanie naszej zwykłej i prawdziwej dla świata makro intuicji J

A co w przypadku cząstki alfa, czyli dwóch protonów i dwóch neutronów? Samodzielnie to po prostu jądro helu, jednak takie pakiety istnieją także jako części cięższych jąder atomowych. Cząstki alfa są związane w jądrach poprzez silne oddziaływania jądrowe, jedną z czterech sił fundamentalnych przyrody. Możemy wyobrazić sobie cząstkę alfa jako piłkę uwięzioną w stromej dolinie energii potencjalnej. Tak zwanej studni potencjału. Coraz bliżej do…

2. Tunelowanie kwantowe czyli wreszcie do rzeczy, Panie Kolego.

Zanim do meritum, chwila o energii. Energia potencjalna ciężkości (ta nas interesuje, jest jeszcze energia potencjalna sprężystości) jest to energia związana z położeniem ciała w przestrzeni. W dużym skrócie, większą energię potencjalną ma ciało znajdujące się wyżej od powierzchni Ziemi od tego, które znajduje się niżej. I potrzeba pewnej energii kinetycznej, czyli energii związanej z ruchem masy, aby np. dostać się na pewną wysokość. Trzeba dostarczyć pewnej energii kinetycznej do naszej cząstki alfa, aby mogła ona wydostać się poza krawędź studni potencjału, której wysokość określa pewna wartość energii potencjalnej.

A w środku leja nasza piłeczka-cząstka alfa, która bardzo chce się wydostać poza studnię, jednak nie może, bo bidulka nie ma energii kinetycznej. Jednakże, na szczęście nie obracamy się w świecie fizyki klasycznej, tylko kwantowej. A obiekty kwantowe nie są piłkami. Ich położenie nie jest ściśle określone. Ta informacja przyda nam się za chwilę.

Potrzeba pewnej energii kinetycznej, aby wydostać się ze studni. Nie tylko potencjału, gdy wpadniecie do studni z wodą, też niełatwo się wygrzebać. Cząstka alfa również potrzebuje pewnej energii kinetycznej, aby wydostać się poza obręb jądra atomowego, poza barierę, którą wyznaczają siły jądrowe silne. Gdy cząstka zbliża się do krawędzi studni potencjału, zazwyczaj jej paczka falowa, czyli rozkład prawdopodobieństwa określający położenie cząstki, jest odbijany z powrotem. Nasza piłeczka skacze, ale doskoczyć nie może. Paczka falowa pokazuje, gdzie może znajdować się cząstka. I teraz uwaga, najlepsze.

3. Magia tunelowania.

Gdyby traktować cząstkę alfa według mechaniki klasycznej, odbije się ona za każdym razem od bariery potencjału. Jednak w mechanice kwantowej istnieje pewne niezerowe prawdopodobieństwo (tak, tak, takie samo jak to, że jesteście na krawędzi rozszerzającego się Wszechświata. Małe, ale jest. Chudy, ale byk ;)), że cząstka znajduje się poza barierą potencjału, po drugiej stronie stromych ścian. Po prostu, gdy paczka falowa zbliża się do krawędzi studni, jej skrajna część wchodzi poza granicę potencjału – znajduje się jakby ‘w środku’ ściany i, dalej, poza nią. Fala gaśnie ‘w ścianie’ szybko, w sposób wykładniczy. Czyli bardzo sprawnie. Tak jakby cząstka, a właściwie fala materii, zorientowała się, że jest w zabronionym dla siebie miejscu. Zabronionym z punktu widzenia fizyki klasycznej, bo gdyby traktować falę klasycznomechanicznie, takie zachowanie to paradoks – łamie zasadę zachowania energii. Jeśli bariera jest wystarczająco gruba, fala nie przechodzi na drugą stronę (1). Zaraz będą rysuneczki, spokojnie, jesteśmy Tłukami, więc dla nas książka bez obrazków to nie książka ;). Jeśli bariera ma około nanometra, część fali przechodzi na drugą stronę – część cząstek alfa może znaleźć się po drugiej stronie bariery potencjału (2)! Wydostają się one poza obręb jądra atomowego, poza zasięg oddziaływania jądrowego silnego. To tak jakby czysto teoretyczne rozważania, że ‘hmmmm, właściwie to istnieje szansa, na przykład zdarzyłby się cud i ta piłka może sama wyskoczyć ze studni’ wziąć za fakty! Matematyczny rozkład prawdopodobieństwa jest tak samo realny jak Moja Lewa Stopa, którą sobie obserwuję ! ;) Tak jakby teleportowała się poza jądro, zamiast się odbić od jego granicy. Nie stopa. Cząstka alfa :)

(1)   

(2)   

I, uwaga. Zamiast podróżować przez barierę potencjału jak normalny człowiek - elektron, lub cząstka alfa, pojawia się od razu po drugiej stronie. Czyli, pokonuje drogę jednego nanometra w zerowym czasie. To jest właśnie tunelowanie kwantowe!

[classical - fizyka klasyczna]
[energy barier - bariera potencjału]
[quantum - fizyka kwantowa]
[electron wave - elektron w postaci fali]

4. Kwantowe cuda tunelowania w życiu nie tak kwantowo-cudacznym.

Tunelowanie kwantowe jest obecne w codziennym życiu szarego człowieka. Ta nasza cząstka alfa uciekająca od wrednego jądra to nic innego jak rozpad promieniotwórczy pierwiastków radioaktywnych. Podobnie fuzja jądrowa, obecna w naszym Słoneczku, to całe jego produkowanie energii żebyśmy mogli rano wstać do roboty w jasności, bierze się właśnie z tunelowania kwantowego. Magia w służbie ludzkości! ;) Bez niego gwiazdka nasza nie mogłaby łączyć wodoru w cięższe pierwiastki (nie chce mi się tego Wam tłumaczyć, zapytajcie Wujków i Ciocie ;)) Elektronika, panie. Tranzystory również opierają swoje działanie na tunelowaniu. Ale teraz… Wisienka. Pamiętacie, gdy bajałem Wam przed chwilą o czasie zerowym?

5. Rekord Wszechświata w biegu na nanometr – 0s.

Z grubej rury i bez owijania w bawełnę. Elektron czy inny obiekt kwantowy, o ile nam wiadomo, przemieszcza się przez barierę potencjału natychmiast. Znika i pojawia się w odstępie czasu zerowego, tak jakby nie było drogi, nie było tego jednego nanometra grubości ściany. Albo… Być może nie mamy zegarów, które zmierzyłyby tak krótki czas, jak ta niesamowicie szybka podróż.

Aby to zbadać, zastosowano interferometr Michelsona – używa się go, aby zmierzyć niesamowicie małe różnice w odległościach. Podobnego użyto do detekcji fal grawitacyjnych (więcej tutaj. Polecam, bardzo fajny tekst ;)). W skrócie, bo niepotrzebne nam opisy technologii, użyto jego zmodyfikowanej wersji. Puszczane są dwie wiązki fotonów (dla nas fotonów, a normalnie wiązki laserowe) pod kątem 90 stopni, odbijające się od luster i, następnie, znowu kąt prosty, do detektora. Jedna wiązka ma na drodze bardzo cienką barierę odbijającą. Gdyby nie istniało tunelowanie kwantowe, bariera odbijałaby fotony za każdym razem, 100% skuteczności. Jednak żyjemy w świecie, który nie zawsze rządzi się klasycznymi prawami. Paczka falowa fotonu przy barierze rozciąga się poza nią. 99% fotonów odbija się, jednak 1% ulega tunelowaniu i pojawia się za barierą, w prostej drodze do detektora. Do którego, uwaga dociera także drugi foton, puszczony pod kątem 90 stopni do pierwszego, odbity od lustra i wykrywany przez detektor, ale bez bariery na drodze. A teraz – prędkość nadświetlna :) Einstein zbiera ząbki z podłogi! ;)

Gdyby ten 1% fotonów tunelujących naprawdę podróżowałoby natychmiastowo przez barierę odbijającą, wtedy powinny one dotrzeć do detektora wychwytującego obie wiązki trochę przed fotonem z wiązki bez bariery. Banda fizyków przeprowadziła taki eksperyment. Drogi wiązek były identyczne – zastosowano efekt splątania kwantowego gwarantujący równość ścieżek (z czym to się je – w chwili obecnej, Czytelniku, nie musisz tego wiedzieć; gdybyś to tutaj przeczytał, gwarantuję wypadnięcie zębów w dodatku do osiwienia) I co? Okazuje się, że tunelujący foton przybył chwilę przed jego partnerem z drugiej wiązki, tej bez bariery. Czyli jego droga uległą skróceniu, bo każdy foton podróżuję zawsze ze stałą prędkością c – prędkością światła. Foton z barierą jakby teleportował się przez barierę i w związku z tym podróżował szybciej od światła, przynajmniej przez grubość bariery… Świetnie!

6. Paradoks? Takie rzeczy tylko u nas, w świecie kwantów.

Okazuje się, że pogwałcenie zasady prędkości relatywistycznej, czyli podróżowanie szybciej od światła, ma miejsce tylko głęboko w realiach fizyki kwantowej. Cząstka pojawia się po drugiej stronie bariery jedynie w obrębie rozkładu prawdopodobieństwa położenia swojej paczki falowej. Czyli jest tam, gdzie wskazuje jej długość fali de Broglie’a, nawet jeśli wymaga to przeskoczenie na drugą, zabronioną przez prawa mechaniki klasycznej stronę bariery potencjału.

Jednakże nawet bez bariery foton z doświadczenia z interferometrem może przybyć odrobinę później lub szybciej niż wymaga od tego jego prędkość – prędkość światła. Jak to możliwe? Poprzez zasadę nieoznaczoności. Paczka falowa to pewien zakres możliwych położeń. Np. – 30% szansy na pojawienie się w punkcie A, 40% w punkcie B i 30% w punkcie C, pamiętacie? :) W 30% przypadków foton dotrze wolniej (A), 40% razy z prędkością światła (B) i 30% razy szybciej niż c (C). Gdy dodajemy barierę potencjału, naszą odbijającą ‘szybkę’, jedyne co robimy, to wymuszamy na fotonie tunelującym jego opcję (C) – najszybszego, bo wychylonego najbardziej w prawo położenia. To może wyglądać na zwiększenie prędkości światła, ale tylko w obrębie zasięgu możliwego rozkładu prawdopodobieństwa – na długości fali de Broglie’a, czyli całej paczki falowej.

7. Ło matko i córko, w cośmy tym razem wdepnęli?

Jakieś debrolja, paczki (Św. Mikołaj?), fale, studnie, NBA, cząstki alfa… Czy to jeszcze fizyka? Bardzo tak!

Wydaje się, że w świecie kwantów zasada nieoznaczoności daje szansę na ruch w zerowym czasie. Oraz? Implikuje ona nawet pogwałcenie zasady przyczynowo-skutkowej w obrębie granic świata kwantów, ponieważ każdy obiekt poruszający się szybciej od światła porusza się wstecz w czasie (patrz: tachiony – hipotetyczne cząstki nadświetlne). W świecie klasycznym oznaczałoby to teleportację rodem ze Star Treka, rekord świata na setkę, dwusetkę, trzysetkę, spanie rano około 20 minut dłużej… Oraz podróże do Zakopanego bez korków. Na szczęście, dopóki obiekty makroskopowe nie będą rządzić się zasadami kwantowomechanicznymi, dopóty mamy względny porządek w naszym świecie. I dobrze. Elektrony i cząstki alfa to świrusy, czarodzieje, itp. Jednorożce, a wiemy, że te nie istnieją. No dobra, jeśli już istnieją, to mają rozmiar około 2,818 x 10^-15 metra :)

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

#11 Spadaj, Rubidzie, czyli Czyżby pożegnanie z Teorią Wszystkiego?

Witajcie Drodzy Marsjanie.

Dlaczego Marsjanie? Bo trzeba być co najmniej Marsjaninem, żeby czytać takie rzeczy! A kim trzeba być, żeby je pisać? Zdradzę Wam sekret. Jestem z Saturna ;) Żartowałem. Z MediaExpert.

Ale do rzeczy. Chciałem Was tylko lekko znobilitować, że zabraliście się za kolejny fizyczny temat w te Jeszcze-Wakacje. Niektórym jest trudno myśleć, a co dopiero czytać niestworzone, fizyczne teksty. Może strzelę sobie samobója, ale wiecie, że meduzy przeżyły 400 mln lat ewolucji nie posiadając mózgu? To dobra informacja dla niektórych ludzi ;) Ale, oczywiście, nie dla Nas! :)

Dziś chciałem Was uraczyć informacją ze świata nauki, która dała mi wiele do myślenia. Wszystkie komercyjne newsy ciągle trąbią o tym, że pociąg mknący w stronę znalezienia Teorii Wszystkiego, czyli kwantowej grawitacji, pędzi coraz szybciej, ma się dobrze i nawet widać już na dalekim horyzoncie końcową stację. Czyli, że unifikacja teorii kwantów i teorii względności Einsteina ma być właśnie tym kierunkiem, w którym podążamy, i to podążamy słusznie.

W całym tym zalewie hurra optymizmu fizyki teoretycznej znalazłem kamyczek w ogródku - głos sceptycyzmu, i to wrzucony ze strony fizyków doświadczalnych.

Jednym słowem - weryfikacja napuszonych tez za pomocą jednego sprytnego doświadczenia. To bardzo ważne, bo żadna teoria, jeśli nie potwierdzą jej doświadczenia, nie jest teorią słuszną. To rzeczywistość weryfikuje teorie, teorie nie kreują rzeczywistości. Cały gmach fizyki teoretycznej pnący się w kierunku Teorii Wszystkiego może runąć... Albo, po prostu, doświadczenie opisane przeze mnie solidnie zweryfikować wiele założeń i posłać do piachu wiele teorii kwantowej grawitacji.

1. Czym jest Teoria Wszystkiego, czyli równanie na T-shircie.

Słyszałem kiedyś zgrabne powiedzenie jednego z naukowców: 'Teoria Wszystkiego powinna być eleganckim zestawem równań, tak zwięzłym a jednocześnie treściwym, że byłaby dobrym napisem na koszulce'. Fizycy szukają czegoś, co w jednym bądź kilku równaniach opisze Rzeczywistość. Lubią elegancję i zwięzłość, symetrię i prostotę. Bo lwia ilość równań w fizyce, szczególnie tych elementarnych, jest prosta.

W dzisiejszych czasach za Teorię Wszystkiego uznaje się teorię kwantowej grawitacji. Poszukiwana jest teoria, która będzie pomostem między teorią kwantów i ogólną teorią względności.
Teoria kwantów opisuje świat i jego relacje w najmniejszych skalach, czyli wzajemne oddziaływania cząstek, również elementarnych, takich jak elektrony bądź fotony, i nieco większe - protony, neutrony, oraz wiele innych.

Ogólna teoria względności jest dziełem Eisnteina i opisuje grawitację jako efekt zakrzywienia czasoprzestrzeni przez masywne ciała, takich jak planety i gwiazdy, galaktyki i gromady galaktyk. Jest teorią działającą w skalach makro.

Dlaczego akurat grawitacja kwantowa ma być teorią wszystkiego? Bo tylko grawitacja, ze wszystkich czterech sił fundamentalnych, nie została 'skwantowana'. To znaczy nie opisano jej w skali mikro, nie znaleziono nośnika siły grawitacji, czyli grawitonu oraz nie stwierdzono, jak ten grawiton skaluje się w grawitacyjne zakrzywienie czasoprzestrzeni w ogólnej teorii względności. Nie znaleziono pomostu między dwiema wiodącymi i poprawnymi w swych domenach teoriach. Siła elektromagnetyczna ma swój foton, siły jądrowe słabe i silne bozony W i Z oraz bezmasowe gluony. A grawitacja jest na razie pod względem nośnika bardzo problematyczna.

Mikro i makro. O ile obydwie teorie świetnie działają na swoich poletkach, o tyle nie są ze sobą kompatybilne. Ciała duże i małe wydają się stosować do dwóch zupełnie różnych zestawów zasad. Chociaż to trochę logiczne - małym dzieciom nie wolno tego samego, co dużym rodzicom... Ciekawe, co poszukiwacze kwantowej teorii grawitacji powiedzieliby na taki argument ;)

Ogólna teoria względności potrzebuje do swojego prawidłowego funkcjonowania czasoprzestrzeni gładkiej, analogowej. Mechanika kwantowa przewiduje, że wszystko powinno dać przedstawić w skończonej liczbie 'dyskretnych' elementów. Łącznie z przestrzenią. Jest też kilka innych powodów niekompatybilności, ale pozostańmy przy fakcie: kwanty nie lubią Einsteina.

2. Atomy rubidu i Galileusz.

Jedną z prób pogodzenia dwóch wielkich teorii opisanych powyżej podjęli naukowcy z Huazong University of Science and Technology w Wuhan (wybaczcie, że nie podałem nazwy w oryginale - musiałbym ją chyba narysować i wkleić obrazek albo specjalnie z okazji pisania tego posta dokupić chińską klawiaturę; wiem, jestem trochę niekompetentny ;)). Odtworzyli oni eksperyment Galileusza z 1589 roku na... atomach rubidu. Postanowili 'zrzucić' atomy rubidu, posiadające pewne własności kwantowe, takie jak spin - sprawić, by spadały swobodnie w polu grawitacyjnym. Chcieli sprawdzić, czy zasada równoważności zastosuje się do obiektów kwantowych, czy własność kwantowa - spin - wpłynie na grawitację. Jeśli by wpłynęła, wtedy można by wysnuwać wnioski o dyskretnej naturze oddziaływania grawitacyjnego.

Zasada równoważności mówi, że przyspieszenie grawitacyjne, czyli spadek swobodny ciała, jest takie samo dla wszystkich obiektów, niezależnie od masy. Jednym słowem, Galileusz wziął i zrzucił jednocześnie z Krzywej Wieży w Pizie (podobno; źródła mówią raczej o spuszczenia ich z równi pochyłej, ale mniejsza o to) dwie kule o różnych masach i spadły one w tym samym czasie. Dziś ciekawie obrazują to doświadczenia, w których w komorze próżniowej (aby pominąć opory powietrza) garść pierza i zrzucona jednocześnie ... kula do kręgli, spadają z jednakowej wysokości w tym samym czasie! Fajna ta fizyka ;)

Trybicie już coś? Grawitacja, obiekty kwantowe...? Kwantowa grawitacja! Słusznym tropem dociekliwy Czytelnik podążał.

3. Bum tralala, rubid w polu grawitacyjnym zapie... rnicza w dół.

Wiele teorii kwantowej grawitacji przewiduje, że zasada równoważności, która jest kluczowa dla ogólnej teorii względności, może zostać pogwałcona. Brrrr.

To znaczy, że pewne własności kwantowe, takie jak spin, mogą wpływać na zasadę równoważności. A to z kolei znaczy, że pewne zasady fizyki kwantowej w jakiś sposób wpływają na grawitację i w ten sposób stworzą połączenie pomiędzy fizyką kwantową a fizyką klasyczną.

Jednym słowem, według niektórych tez, efekty kwantowe zaburzają swobodny spadek będący efektem całkowicie grawitacyjnym... Jeśli grawitacja ma cechy kwantowe, a tego wszyscy tu do cholery szukają, to własność kwantowa jakim jest spin musi jakoś na nią wpłynąć. Do cholery ;) Lecz jeśli grawitacja rządzi się odmiennymi prawami i jest innej niż kwantowa natury, wtedy własność kwantowa atomów rubidu nie wpłynie, nie 'zahaczy' o nią, spłynie, jak po kaczce.

Czym jest spin kwantowy? Nie wiecie? I tu Was mam. Nie wiecie, to zaraz się dowiecie ;)

4. A dowiecie się w punkcie 4.

Nie musimy wiele wiedzieć. O spinie oczywiście. Wystarczy tyle, że...

Spin jest wielkością kwantowomechaniczną, która jest nazywana wewnętrznym momentem pędu (w zasadzie spinowym, gdyż jest to jakość sama w sobie) ale on sam jest bodaj jedyną obserwablą (własnością) która nie ma odpowiednika w mechanice klasycznej. Czyli nie jest związany z obrotem cząstki, jak wskazuje na to angielskie nazewnictwo.

W świecie rządzącym się mechaniką klasyczną, obracający się obiekt ma własności magnetyczne dość podobne, jakie wykazują cząstki elementarne. Fizycy uwielbiają analogie, więc nazwali tę własność 'spinem'. Jednak elektron to nie obracająca się kuleczka. Spin elektronu, w odróżnieniu od rzuconej piłki tenisowej, nigdy się nie zmienia i ma tylko dwie możliwe orientacje.

Spin jest po prostu kolejną naturalną, wbudowaną w nią i niezmienną własnością cząstki, tak jak masa, kolor czy ładunek. I, nie! To, że elektron ma kolor, nie oznacza, że jest niebieski, na litość boską... ;))) Podobnie ze spinem. Kuleczka się nie kręci. Ładunek to też nie ładunek ziemniaków, ale jeśli dobrnąłeś aż tutaj, Czytelniku, to na pewno to wiesz :)

5. Dla dociekliwych oraz Wielki Finał Doświadczenia.

Doświadczenie polegało na zmierzeniu interferometrem (czyli urządzeniem, które bardzo dokładnie zmierzyło ruch cząstek) ruchu atomów rubidu 'wystrzelonych' w górę za pomocą lasera w swoistej próżniowej tubie. Atomy, po osiągnięciu pewnego pułapu, mogły po chwili (odległości mierzymy w bardzo niewielkich ułamkach metra a czas w ułamkach sekund, również niewielkich) opaść w spadku swobodnym. Atomy rubidu zostały schłodzone do temperatury zaledwie milionowych stopnia powyżej zera absolutnego (w celu zapewnienia większej stabilności; atomy poruszają się intensywniej im wyższa temperatura) miały przeciwne spiny. Przeciwne, aby stwierdzić, że jeden z nich zachował się inaczej niż drugi.

Eksperyment pokazał, że grawitacja nic nie zrobiła sobie z przeciwnych spinów i potraktowała atomy rubidu jak zwykłe obiekty klasyczne. Czyli, dosłownie, jak małe kamyczki :)

Zasada równoważności została zachowana, atomy spadły w niemal identycznym czasie, z dokładnością jednej części na 10 milionów.

Grawitacja nie wykazała cech kwantowych, nawet w bardzo małych skalach.

Klasyczne prawa grawitacji stosowały się nadal do obiektów kwantowych. Przyspieszenie grawitacyjne jest takie samo dla obiektów kwantowych i klasycznych. Po raz pierwszy spróbowano, podczas swobodnego spadku atomów, zbadać proces pod kątem spinu kwantowego, jednak efekty doświadczenia z torbą puściły kilka egzotycznych teorii kwantowej grawitacji.

6. Wnioski z tej myślowej podróży ;)

Doświadczenie zdaje się pokazywać, że grawitacja jest oddziaływaniem zupełnie innym niż trzy pozostałe, wydaje się po prostu... nie być kwantowa. Nie podlegać skwantowaniu, digitalizacji, podzieleniu na najmniejsze możliwe cząstki, jak reszta oddziaływań. Czy to możliwe, że trzy siły fundamentalne są 'cyfrowe', a jedna 'analogowa'? Że istnieje taka asymetria?

Fizycy zawsze szukają symetrii, bo lubią elegancję i prostotę w teoriach. Tak działają nasze umysły, szukają analogii, systematyzują i klasyfikują według klucza, który stwarzają na podstawie wcześniejszych doświadczeń. Uczą się na wzorcach i potem je powielają. Po prostu, szukamy w tym Wszechświecie jakiejś logiki, która, niestety, prowadzi nas do tego, że Wszechświat w końcu musi odpowiadać naszym wyobrażeniom o nim...

Ale nasze logiczne wyobrażenie o Kosmosie zderza się często z rzeczywistością i raz po raz każe weryfikować poglądy. Tak jak w przypadku mechaniki kwantowej, która zdaje się przeczyć zwykłej logice. Aby ją zrozumieć, trzeba było stworzyć logikę nową.

Ja jednak uważam, że jest bardzo możliwe, że grawitacja może sprawić niespodziankę. Jest to możliwe, bo przecież można tak mniemać z powodu braku niezbitych danych doświadczalnych. Może inaczej. Nie jest to niemożliwe.

Może wymyka się ona się prostemu zaklasyfikowaniu, usymetrowieniu, potraktowaniu jak inne siły? Skwantowaniu? Może jest hipsterem wśród sił? ;) Dopóki nie przekona mnie niepodważalne doświadczenie, mogę myśleć, jak przedstawiłem. Być może mamy trzy siły jednego rodzaju, a jedną innego. Dlaczego nie?

Na razie jest, w dużym uproszczeniu, 1:0 dla analogowej grawitacji, za sprawą eksperymentu Chińczyków z rubidem. Bo nie ma na przykład doświadczeń, które sugerowały istnienie kwantu - grawitonu. Są teorie, ale one są zawsze weryfikowane przez rzeczywistość. Ale czy sprawa jest zamknięta? :)

Na pewno nie. Być może, gdy będziemy dysponować lepszą i dokładniejszą technologią, wnioski okażą się zupełnie inne. Już nieraz historia pokazała, jak bardzo na przestrzeni wieków, właśnie z postępem techniki, zmieniało się nasze wyobrażenie o miejscu, w którym żyjemy. Od Słońca, które było bogiem, po Ziemię jako centrum Wszechświata, aż po mechanikę kwantową.

Dlatego pozostaje mieć otwarty umysł i czekać. Niech niebieskie kuleczki dalej się kręcą, a ziemniaki... ;)

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