#45 Bydło w Kosmosie, czyli Gwiazdy Bozonowe

0. Dzień dobry, wieczór, poranek.

Hej!

Dawnośmy się nie widzieli. Nie czytali, nie słyszeli, nie pisali. Popisać to się mogę ja, tam i ówdzie sadzając byka. A raczej Bizona. Aha, bozona. Niby jedna litera różnicy, a jednak. Bizon i bozon? Łatwiej powiedzieć czym się różnią, niż co ze sobą mają wspólnego. Bizon ma rogi, tyle wiem, nie widziałem, dlatego nie będę robił wykładu z biologii stepów amerykańskich. Za to bi... tzn. bozon - ooo, to już bardziej. Bizon, natenczas, ma także to do siebie, że jest trochę większy niż bozon. O całe Niebo większy. O cały step. O całego... ok, nie kontynuuję, bo zbliża się byk, a my tu o bozonach, w porywach bizonach. Nie mogę się powstrzymać, żeby nie wtrącać bizona. Bizon. To też kombajn, musicie wiedzieć.

A skoro już wiecie - Dzisiejsze spotkanie z Fizyką sponsorują literki 'Bi', pierwiastek Bizmut, zwierzę Bizon oraz cząstka elementarna, a właściwie jej typ - bozon. Kurde, powinno być inaczej. To bozon powinien być kapitalną literą, generalną, czyli Wieeeelką, a reszta zwierzyńca z małej. No, ale skoro bizon, ups, bozon jest mały, to niech mu będzie, żeby wzrokowcy nie mieli problemu z odróżnieniem. Tylko podkreślam, Fizyka jest także dla Tłuków, a oni tłuczkiem rozbijają atomy i czasami tłuką się w głowę. Stąd problemy z oczami. A, dobra, niech idą do Lekarza. Od oczu.

1. Czym jest ten bozon, zanim zrobię z niego Gwiazdę Przedstawienia?

Bozony. Są to rodzaje cząstek elementarnych, które, w odróżnieniu od fermionów, jakimi są: kwarki i inne cegiełki, budulce z Modelu Standardowego tworzące materię - te pierwsze są nośnikami oddziaływań. Przecież my tu o Gwiazdach, fizykę cząsteczkową opowiem, dlategoż, w wielkim skrócie. 

Fermiony - materia. Bozony - oddziaływania. Ciekawostka - rozróżnienie i granica w fizyce cząstek elementarnych między energią a masą nie są tak oczywiste, jak mogłoby się wydawać na przykładzie stołu i lampy. Łatwo odróżnić rodzaj tych obiektów - stół to stół, masa, i w zasadzie historia się kończy. Lampa rzuca nam światło - to energia, składa się z fotonów. Za to już w fizyce kwantowej nie jest to takie proste, jak choćby stołowo-lampowy pokój. Tam, jak pisałem w ostatnim poście, materia często dynamicznie przechodzi w energię, a nawet, jeśli chodzi o wiązania wewnątrz jądrowe, energia i związana z nią dynamika, jest w dosłownym znaczeniu odpowiedzialna za masę - gluony wiążą kwarki, które swoją energią i ruchem oddziałują na cząsteczkę, wprawiają ją w swoisty taniec energetyczny;  powoduje on, że wywierane jest ciśnienie, które w większej skali odbieramy jako masę. Albo - często masę cząstek elementarnych mierzy się w elektronowoltach jednostkach typowo energetycznych, albo, idąc dalej, w zasadzie - E=m x c^2. Prawda, że proste? =]

Fermiony to z kolei masa, ogólnie rzecz ujmując. Odnosi się do nich pewna zasada - Zakaz Pauliego. To znaczy, że cząstki nie mogą zajmować tego samego stanu kwantowego. 

Stan kwantowy to pojęcie dość skomplikowane. Charakteryzuje go np. kwantowy moment pędu cząstki, magnetyczna liczba kwantowa, albo spinowa liczba kwantowa. Krótko rzecz ujmując, dwie cząstki nie mogą 'zajmować' jednego stanu kwantowego. Gdyby tak było, elektrony spadałyby na jądro atomowe, zamiast siedzieć sobie na miejscach, na orbitalach. Tam układają się w powłoki, a wszystko za sprawą oddziaływania z masą. Czyli - protonów i neutronów. Choćby nie wiem jak się ścisnęły, nie mogą zajmować tego samego miejsca. 

Albo posiadać takiego samego kwantowego stanu, jak sąsiad. Zasada, a w zasadzie Zakaz Pauliego powoduje, że cząstki materialne są od siebie albo oddalone, albo różnią się pewnymi wartościami kwantowymi. Ciekawa sytuacja zachodzi w gwieździe neutronowej. Tam Zakaz Pauliego nadal obowiązuje neutrony, ale są tak gęsto upakowane, że wytwarza się olbrzymie naprężenie, tak jakby ładunki jednoimienne miałyby się zetknąć, albo scalić. To niemożliwe, prawda? Dwa ładunki dodatnie (w przypadku protonów oczywiście), bardzo blisko siebie, a miałyby zajmować to samo miejsce? Dlatego wyobraźnia podaje nam już rozwiązanie: im bliżej są siebie, tym większe niezadowolenie cząsteczkowe panuje. Tłok, tłum ścisk, ludzie wariują, podobnie jak cząstki. Bo ładunki, liczby kwantowe, czy innego rodzaju stany dotyczące cząstek, muszą się albo odpychać, albo przyciągać. Przecież opisujemy przykład materii! Poziom niezadowolenia wzrasta wprost proporcjonalnie do wzrostu podobieństw. 

Co innego bozony. To energia. Jej nie dotyczy Zakaz Pauliego, mogą się ciasno upakować, w przenośni - zajmować to samo miejsce. Nałożyć się na siebie, jednocześnie zachowując integralność i indywidualizm. Szara masa, tłum podobnych do siebie ludzi jest nudny i smutny. Nie może się na siebie nałożyć, choć wygląda tak samo. Za to energia zachowuje się jak różnokolorowe światło - może złożyć się w jedną wiązkę, nie robiąc sobie szkody, a jedynie wzmocnić, zmienić barwę, albo zwyczajnie sobie poświecić. W oczy. Latarką. Pobudka! Kurde, jak się zapędziłem. Od Gwiazd do kwantów. Czeka nas długa droga z powrotem, do Gwiazd =]

 Bozony to po prostu nośniki oddziaływań.

2. W związku z powyższym, jak zrobić gwiazdę z Bizonów?

Gwiazda niematerialna. Trochę poetycko, ale w istocie tak może być. Proszę pamiętać, że Gwiazd Bozonowych jeszcze nie odkryto, a jedynie przewidziano ich istnienie. Bozony tworzące Gwiazdę? Bizony tak, ale bozony?

Bozony to cząstki przenoszące oddziaływania. Są nimi np. fotony, tymi oddziały-wo-wującymi. Ale także elektrony. Dziwna rzecz, te gwiazdy bozonowe. Można o nich powiedzieć np. to, że podobnie jak gwiazdy neutronowe albo czarne dziury, zakrzywiają geometrię czasoprzestrzeni. To znaczy, że mogą zakrzywiać czasoprzestrzeń wokół siebie, a także być źródłem soczewkowania grawitacyjnego. Co za tym idzie, jeśli, np., skierowalibyśmy przyrząd pomiarowy na gwiazdę bozonową - ujrzelibyśmy to, co znajduje się za nią. Czarne dziury i gwiazdy neutronowe robią to samo. Można im zajrzeć za plecy bez obchodzenia wkoło, żeby im nie było za wesoło. Zróbmy coś jeszcze, dodajmy fakt, że gwiazdy bozonowe są transparentne, ponieważ tworzą je bozony, czyli energia, a nie nie materia. Sprawia to, że soczewkowanie grawitacyjne ulega dalszej komplikacji; to tak trudna matematyka, że lepiej się w nią nie zagłębiać, bo mi się atrament skończy.

A klawisze się popłaczą, czytelnicy sobie pójdą gdzie indziej, a ja będę pisał smutny, sam. Do szuflady, o Gwiazdach Bizonowych. Tu Was mam! Chcielibyście zobaczyć gwiazdę złożoną z Bizona? Albo paru? Luneta, peryskop, cokolwiek, byle nie soczewka czy inne szkło. Może zobaczymy bizona w Kosmosie, w skafandrze astronauty, kto wie. Bo na nie mamy parcie, na szkło i bizony! =]

Transparentne, czyli prześwitujące. Widać na wylot, co jest za nimi, dodajemy soczewkowanie i mamy taki bigos, kosmiczne Bydło w najlepszym wydaniu. Co za tym idzie? Ano to, że jest kłopot. Z jednej strony chcielibyśmy je zobaczyć, a z drugiej - nie wiadomo, co byśmy ujrzeli. Czy wogóle rozpoznalibyśmy, że to, na co patrzymy, to gwiazda bozonowa. A moglibyśmy się, przecież, inaczej nauczyć spoglądać w Kosmos. A, już umiemy. Otóż w tym momencie na pomoc wkraczają... fale grawitacyjne. LIGO, VIRGO, itp.!

3. Fale grawitacyjne a gwiazdy bozonowe.

Przytoczę fakt z niedawnych obserwacji astronomicznych. Otóż do tej pory zarejestrowano około 60 rodzajów źródeł fal grawitacyjnych, przy pomocy obserwatoriów z interferometrami, takimi jak słynne już LIGO, czy VIRGO.

25.02.2021 zarejestrowano bardzo dziwne zderzenie dwóch gwiazd relatywistycznych, czyli wymarłych, zapadniętych w sobie, do jakich zaliczamy czarne dziury i gwiazdy neutronowe. Jednak rezultatem była gwiazda, a właściwie źródło fal grawitacyjnych, jakie zupełnie nie pasowało do wyliczonych i oczekiwanych efektów tego zderzenia, czyli np. czarnej dziury o określonej masie. Wyskoczyło poza widełki. to wyliczenie =]

Jednak, jako że Fizycy to pomysłowi ludzie, przypisali wynik obserwacji innemu zjawisku. Skoro nie pasuje nam jedno, ale wynik jest dowodem, że zaszło zderzenie, czyli połączenie dwóch obiektów relatywistycznych, nie można wyniku obserwacji pozostawić bez interpretacji, nawet jeśli nie pasuje do modeli. Jedynym pasującym rozwiązaniem równania o nazwie obserwacja zderzenia obiektów o masach podobnych do czarnych dziur powyższego lutego roku bieżącego to gwiazda, której źródłem mogłyby być tylko gwiazdy bozonowe. Gwiazdy hipotetyczne.

4. Co jeszcze o tych bizoniakach można powiedzieć? Bo zobaczyć wiele się nie da.

Światło przechodzi przez nie jak przez maselniczkę, nawet nie jak w masło. Nie posiadają skupionego jądra, jak inne gwiazdy [czarne dziury mają swoje osobliwości, gwiazdy neutronowe materię dziwną] relatywistyczne. To bardzo dziwne, bo potrafią zagiąć światło w horrendalnie trudny do wyliczenia sposób, dając oczekiwany obraz o niewyobrażalnie dziwnym kształcie. ale nie mają horyzontu zdarzeń. Czyli tego punktu bez powrotu. Wydaje się, że mogły odgrywać bardzo istotną rolę we wczesnych etapach po narodzinach Wszechświata, Kiedy Wszechświat się formował, istniały najprawdopodobniej tzw. pola skalarne. Pola skalarne to zagadnienie, które się mieści w ramach naszych krótkich spotkań z Gwiazdami Ciemnymi {#44}; chodzi o fakt, że cząstki skalarne mogą wchodzić w skład ciemnej materii, która stanowi 27% masy całego Wszechświata. Cząstki skalarne, cząstki skalarne. Chcecie? Nie? Dlaczego? Dziwnie brzmi?

Cząstki skalarne - to cząstki, które posiadają wielkości liczbowe, nie wektorowe, czyli takie, które oprócz wartości posiadają jeszcze inną cechę - np. kierunek. To tak, jakby powiedzieć, że skalarna wielkość to liczba, a wartość wektorowa to liczba z pewną dodatkową cechą.

Zatem - cząstki skalarne to takie, które posiadają tylko jedną wartość. Wygląda na to, że są składnikiem ciemnej materii, albo wchodzą w skład dzisiejszych gwiazd, nie jest materią barionową, czyli taką, jaką znamy obecnie. Do tego są ultra lekkie. Bardzo dziwne. Gwiazda złożona z ciemnej materii, prześwitująca, zaginająca światło na nią padające, bez jądra, właściwie oddziałująca z materią tylko przez grawitację.

Szał. 

W zderzeniu obiektów z 25.02 roku bieżącego mamy najprawdopodobniej do czynienia z wykryciem cząstki o masie różnej od zera, jednak bardzo lekkiej. Jak lekkiej? 

W zasadzie nie oddziałuje ona z materią barionową. Jest potencjalnym kandydatem na materię ciemną, masę, ciemną masę, te bizony, proszę Państwa. One pędzą prosto na nas. Co robimy? Ano, nic. Ponieważ to my jesteśmy materią barionową, a gwiazdy bozonowe nie. Ciemna materia oddziałuje bardzo słabo, za pośrednictwem grawitacji, z materią barionową. To fizyka spoza obecnie stworzonego Modelu Standardowego, jednak coś o niej wiemy. Dowiemy się wkrótce zapewne więcej, kiedy pojawią się kolejne wyniki pomiarów lupami w Kosmos. Oczami ze szklanymi soczewkami, szeroko otwartymi ze zdziwienia. Np. oglądając soczewkowanie grawitacyjne przez gwiazdę bozonową. Co zobaczymy? 

Trudno powiedzieć, bo obliczenia zakrzywienia światła przez w/w gwiazdy są skomplikowane, a obraz otrzymany, zapewne, tym bardziej.

Pewnie bizona. Bizmuta. I Bar. Na dziko, oczywiście. Wykoszone Kombajnem Bizon =]

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

#44 Gwiazdy Ciemne, czyli Czarno to Widzę

 

0. Wstępnie - coś powiem.

Na wstępie wprowadzę w arkana mojej działalności. Obecnie pracuje pełną parą, niczym pneumatyczny pociąg, MagLev, mknę w kierunku Gwiazd Ciemnych. Ciemno, choć oko wykol, a ja wiszę nad przepaścią i zbieram dane. Co tam widać? Niewiele. Ale jeśli skorzystać z Tego, co się Ma Między Uszami (poznaliście już magię Wzroku? ;)), można wyciągnąć pewne informacje, coś tam dojrzeć, może jeszcze zapisać.

Internet to taka Czarna Dziura. Można się czegoś dowiedzieć, ale płaci się czasem. Energią, a tę trzeba zachować. Oczywiście na napisanie kolejnej odsłony 'Fizyki Dla Laika Czyli Nauki Dla Tłuka'. A co innego robić? Zupełnie jak poza domem, też są wirusy.

Dlaczego Gwiazdy Czarne, a teraz Ciemne? Bo nikt ich nie lubi, są smutne, że wszyscy interesują się tylko czarnymi dziurami. Warto się im przyjrzeć z bliska, bo często bywa tak, że teorie zapomniane i odrzucone, po latach okazują się właściwe. Nie mówię, że tak jest w przypadkach opisywanych niedawno przeze mnie, ale... Zasada Noża, Widelca, i Brzytwy Ockhama. Odcinamy zbędny medialny szum od czarnych dziur i szukamy alternatyw! Do dzieła =]

1. Hipotetycznie to prawie jak czarna dziura... Tylko większa. Szkoda, że na razie tylko hipotetyczna.

Gwiazdy Ciemne przysłaniają nam rzeczywistość. Nie dlatego, że są Ciemne, jak ich nazwa mogłaby mylnie wskazywać. Jeśli gwiazdę neutronową można by nazwać supergwiazdą, a czarną dziurę rozgwiazdą, to Gwiazda Ciemna byłaby Hipergwiazdą. Wielu astrofizyków dałoby się pochlastać, żeby tylko je zobaczyć, a na pewno zapłaciliby wiele bitcoinów, żeby w ogóle istniały. Przewiduje się, że we wczesnych wiekach istnienia Wszechświata wszystko wyglądało trochę inaczej. Mówi się o tzw. pierwotnych czarnych dziurach, które istnieją do dziś, ale są jeszcze mniej sympatyczne od swoich zwykłych, czarnych sióstr.

Co do Gwiazd Ciemnych... też są pierwotne. Też mogłyby dotrwać do dziś, w niezmienionej formie, i być odmiennym typem gwiazdy, zupełnie różniącej się od zwykłych nadolbrzymów, białych karłów i reszty gwiezdnej menażerii.

2. Historyczny i strukturalny rys.

Gwiazdy Ciemne są bardzo jasne. Do tej pory nie zostały wykryte jako obiekty podobne do innych ciał niebieskich, są po prostu przewidywaniem pewnych teorii, głównie związanych z początkami istnienia Wszechświata oraz obecności tzw. materii ciemnej.

Jak powszechnie wiadomo (u nas nie, my jesteśmy świeżaki, każdy Laik pewnie czeka na temat o ciemnej materii, ale nie od razu Kraków czy Naukę dla Tłuka zbudowano), ciemna materia to około 26% całej masy we Wszechświecie. Inna sprawa to ciemna energia - 69% naszej Całości, masy energetycznej. 

Jak energia może stanowić o ilości materii? Otóż musicie wiedzieć, że materia, czyli obecność masy, to nic innego jak oddziałująca, wręcz buzująca energia. Nawet na poziomie cząsteczkowym, jeśliby zajrzeć w strukturę hadronów, okazałoby się, że kwarki poruszają się nieustannie, odbijając się od siebie i wywierając ciśnienie na strukturze cząsteczki, którą tworzą. Stąd obserwujemy istnienie czegoś takiego jak masa. Jest to nic innego, jak siła, jaką wywiera energetycznie naładowana cząstka na strukturę hadronu.

Inna sprawa, że nigdy nie zaobserwowano swobodnych kwarków, najmniejszej cegiełki, jaka tworzy materialne cząstki. Zawsze występują w towarzystwie innych, siła jądrowa silna powstrzymuje je przed ucieczką od towarzystwa. Kwarki spajane są gluonami, nośnikami siły jądrowej silnej. Zaś gluon i kwark (w swoich pięknie nazywanych odmianach) po drugiej stronie równania generuje cząstkę, taką jak proton czy neutron [to te hadrony; niekoniecznie muszą być to akurat protony i neutrony, jedyne składniki jądra atomowego. Jest ich wiele więcej rodzajów].

Ciemna energia to sprytna rzecz. Mówi się, że generuje siłę odpychającą, przeciwdziała grawitacji i powoduje, że nawet galaktyki nie zapadają się same w sobie, pod własnym ciężarem. Niestety, ona także jest hipotetyczna. Dlaczego?

Ponieważ nie oddziałuje z materią barionową, czyli tą, która tworzy 5% pozostałej masy Wszechświata, widzialnej materii. Powyższy proces zachodzi jedynie za pośrednictwem grawitacji, enigmatycznej i niepoznanej jak żadna inna siła. Dlatego mamy: hipotetyczną energię, oddziaływującą z jedynie 5% masy Wszechświata, za pośrednictwem najgorzej poznanej siły.

Jakby tego było mało, rzucam Wam na głowy Gwiazdy Ciemne. Sweet enough? =]

Historycznie sprawa ma się następująco: Gwiazdy Ciemne to prastare twory, jeszcze z epoki formowania się gwiazd, ale zasilane materią ciemną. Nie barionową, ale tą 26% ilościowo masą energetyczną, niewidzialną masą Wszechświata. Są tak masywne, że mogą zaginać światło, powodując efekt tzw. soczewkowania grawitacyjnego. Ale z powodów wymienionych powyżej, nie da się ich wykryć bezpośrednio, jedynie za pomocą specjalnych modeli.

Jednym z najlepszych obecnie kandydatów na cząstki ciemnej materii to tzw. WIMPy (nie wampy ;) z wampirami jednak mają to wspólnego siebie, że są słabo wykrywalne, szczególnie, kiedy jest tak ciemno jak w bezkresnych przestrzeniach międzygwiezdnych). Weakly Interacting Massive Particles - Słabo Oddziałujące Masywne Cząstki.

3. Co z nimi tak, a co nie, czyli dlaczego jeszcze nie zobaczyliśmy Gwiazd Ciemnych?

Jeśli Gwiazda Ciemna składałaby się z cząstek WIMP, stanowiłoby to dla astrofizyków nie lada wyzwanie. WIMPy oddziaływałyby bardzo słabo z barionową materią, na dodatek pojawia się problem ładunku.

W tzw. teorii supersymetrii każda cząstka ma swoją antyczastkę, czyli bizona o przeciwnym ładunku. I dlatego taki WIMP musiałby mieć również swojego rywala - kogoś o znaku plus, wtedy, kiedy on jest na minus. Ale...

WIMPy nie posiadają ładunku elektrycznego. Dlatego są same swoją antycząstką. Patrzą w lustro, lewa ręka taka sama jak prawa, czyli lewa to lewa, ale w lustrze powinna być odwrotna, a nie jest... odbicie w lustrze zgadza się z obiektem realnym w 100%. Czyli po prostu - jakby tego odbicia nie było. Po prostu Wampir!

Gwiazdy Ciemne są prawdopodobnie pierwszymi gwiazdami, jakie w ogóle powstały. Zwykłe gwiazdy zasila fuzja jądrowa. To coś w rodzaju reakcji termojądrowej - wodór łączy się z helem, przy okazji powodują wydzielanie olbrzymich ilości energii. Cząstki są ściskane grawitacyjnie, energia wydziela się w postaci ciepła, jednak nadal kluczową rolę odgrywa grawitacja - ściska cząstki, zaś energia powoduje swego rodzaju rozdmuchiwanie gwiazdy. Dlatego uważa się, że znajdują się one cały czas na granicy kolapsu... w czarną dziurę. To tak jakby nasze gwiazdeczki miały lufę przy skroni i wtedy, działając pod presją, produkują niesłychane ilości energii.

A Gwiazdy Ciemne? Oprócz paliwa zwykłych gwiazd, zawierają także WIMPy. Potencjalny kandydat na ciemną energię jest swoją antycząstką, a co robią antycząstki? Anihilują ze sobą! Wydzielają przy tym kolosalne ilości energii, tak wielkie, że kolaps grawitacyjny jest powstrzymywany bez udziału fuzji termojądrowej. To jedna z najbardziej wydajnych form wytwarzania energii, taki reaktor, nawet nie termojądrowy, tylko antymateryjny - ciemna materia to niewyobrażalne źródło energii, przewyższające wydajnością nawet fuzję termojądrową!

4. Jak to działa i po co, a jeśli już, to czy w ogóle =]

Gwiazdy Ciemne mogłyby być zasilane przez energię ciemną i anihilację przez miliardy lat. Mogłyby istnieć o wiele dłużej niż zwykłe gwiazdy, i mieć się dobrze, ba, trwoniąc energię w sposób bardzo wydajny. WIMP to tylko 0.1% materii Wszechświata, ale i tak biją na głowę wydajnością fuzję jądrową.

Gwiazdy Ciemne to giganty, jeśli chodzi o wielkość - miałyby około 10 Jednostek Astronomicznych - coś w granicach 1,5 miliarda kilometra, jak odległość od Słońca do Saturna! Jasność? Totalny gigant, proszę bardzo - 10 miliardów razy jaśniejsze niż słońce. Masa - 10 milionów mas Słońca. I weź tu nie zastąp Słońca Gwiazdą Ciemną. Tylko, hmmm, mały problem, trzeba przesunąć Ziemię poza Saturna, żebyśmy jakoś przetrwali giganta energii.

Właściwie, to jeśli chodzi o wymienione powyżej wielkości, nie byłoby dla nich górnego limitu...

Żeby zobaczyć Gwiazdy Ciemne, potrzebny byłby nie lada teleskop, pozwalający zobaczyć odległości, na których ujawniałaby się wczesna historia Wszechświata. Czy trzeba wytłumaczyć, jak sprawa się ma z zaglądaniem w gwiazdy? Widzi się zawsze przeszłość, ponieważ światło potrzebuje czasu, żeby dotrzeć do nas z odległości w skali kosmicznej. Czyli - na przykładzie Słońca odległego o około 150 milionów kilometrów od Ziemi - prędkość światła to ~300 kilometrów na sekundę. Światło potrzebuje około 8 minut, by dotrzeć od Słoneczka do Ziemi, dlatego zawsze, kiedy patrzymy na Słońce, widzimy takie, jakie było 8 minut temu =] Podobnie ma się sprawa z innymi obiektami niebieskimi.

Gwiazdy Ciemne wyglądają jak Słońce, tylko trochę za duże. Podejrzane, prawda? Udające Słońce Gwieździsko Ciemne mogłoby nam narobić niezłego kuku. Przysmażałoby nieźle, filtr na plaży podchodzący pod 150, opalenizna z Majorki nad Bałtykiem w 5 minut.

Ale - wszystkiego nie można mieć. Gwiazdy Ciemne byłyby... zimne.  Ich temperatura to około 9700 st. Celsjusza. To mało, Słońce ma temperaturę w w obszarze swojej korony, około 3 milionów stopni Celsjusza.

5. Końcówka, czapki z głów dla Gwiazd Ciemnych jeśli chodzi o egzotykę.

Ciemne Gwiazdy to nie lada zagwózdka. Jak coś tak energetycznego mogłoby być tak zimne? Widocznie antymateria, albo wcześniej - ciemna materia - to zupełnie inne źródło energii niż to, jakie obserwujemy obecnie w znanych sobie formach. Właściwie uważa się, że coś takiego jak Gwiazda Ciemna nie powinno istnieć. A jednak - mogłoby i wyczekuje się ich zaobserwowania. Fantastycznie brzmi fakt, że byłyby to gwiazdy uformowane około 200 milionów lat po Wielkim Wybuchu, czyli już po początku Ery Jonizacji (380 000 lat po Wielkim Wybuchu). To jedne z pierwszych, jeśli nie pierwsze gwiazdy, jakie kiedykolwiek powstały. Czy nie jest dziwne, że mogłyby być zasilane aż do dziś? Tak mogłaby działać materia niebarionowa. Są to wybitnie pierwsze w kolejce kandydatki na powstanie Supermasywnych Czarnych Dziur, tych potworów, które zamieszkują każdą z galaktyk, podobno. Ale to tylko po zderzeniu z inną Ciemną Gwiazdą. Paliwo jest, masa także, nic tylko wzmacniać rzeźbę =] 

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

#43 Czarno i Grawitacyjnie, czyli Alternatywy dla Czarnych Dziur

 

0. Wstępne słowa cztery.

Raz, dwa, raz dwa trzy! Pięć sześć siedeeem, osiem.

Do czterech nie wolno Ci zliczyć.

I gdy liczba cztery została osiągnięta w liczeniu jako czwarta w kolei, możemy zaczynać.

A, przypomniał mi się głupi żart, a propos liczenia, z ostatniej relacji ze skoków narciarskich: 'Trzech Czechów na trzech pierwszych miejscach' =]

Dziś Gwiazdy Czarne. Grawastary i Gwiazdy Ciemne to trochę obszerniejsze tematy, dlatego, postanowiłem odłożyć je na inną okazję. A na okazję wielkich podniet innych serwisów, gdzie na każdym kroku widnieje czarna dziura (hmmm, może samolot kosmiczny na napęd z czarnej dziury? albo zbudujmy czarną dziurę na Ziemi? albo 'a jeśli rzeczywistość jest zbudowana z mikroskopijnych czarnych dziur?' Moi mili. Takie rzeczy zamieszczałem w swojej książce sci-fi, my zajmujemy się nauką przez duże Na-U) - sami chyba przyznacie, że jest to trochę już nudne? Nie twierdzę, że nie istnieją. Te dziury, czarne. Istnieją. Dowiodły tego badania za pomocą zaawansowanych teleskopów, równania teorii względności z wielka precyzją określiły wręcz konieczność ich istnienia. Niestety, nie wszyscy są zgodni co do pewnych właściwości czarnych dziur. I tu chciałem wbić swoja igiełkę, uciąć coś brzytwą Ockhama, mianowicie niepewne informacje dotyczące czarnych dziur. Czy osobliwość jest nieskończona? Czy teoria kwantowej grawitacji skrywa się za horyzontem zdarzeń?

Te i inne pytania pozwoliły mi sformułować wstęp na fanpage'u, który mógłby mylnie zostać odebrany jako próbę falsyfikacji całej teorii o czarnych dziurach. Jak to powiedzieliby koledzy w pierdlu, 'za krótki na to jestem'. Żartuję - nie siedziałem, nie kiblowałem, straszę przy okazji strrrrasznego tematu o czarnych dziurach, a właściwie o ich pochodnych.

Dziś zajmiemy się pytaniem, a właściwie założeniem: 'Co by było, gdyby czarne dziury jednak nie istniały?' Albo: 'Jakie są alternatywy dla miejsc w przestrzeni (czarne dziury to nawet nie obiekty, to obszary czasoprzestrzeni o zwiniętej geometrii, to specyficzne rozwiązania ogólnej teorii względności dla czasoprzestrzeni z kolapsującymi gwiazdami o określonym promieniu, a właściwie efekt końcowy tego procesu) nazywanych czarnymi dziurami?

Po prostu, 'A gdyby tak czarnych dziur nie było... To co by było?'

1. Byłoby smutno. Żal. Żarty na bok. Gwiazdy Czarne.

Czarna dziura to taki trup gwiazdy świecącej nam na Nieboskłonie. Zapadnięta pod własnym ciężarem, z wypalonym paliwem wodorowym, reakcje termojądrowe nie mogą zachodzić, taki produkt uboczny całego życia - czytaj: wydzielania energii - gwiazd. Nic szczególnego dla nas, Czytelników parających się Nauką, albo chociaż mających uszy i oczy szeroko otwarte. Są fascynujące. Nie uszy, czarne dziury. Ale spowszedniały trochę, przynajmniej mi.

Albo po prostu za głupi jestem na pisanie o czarnych dziurach? To nie takie proste, jak Wam się wydaje. Wystarczy, że przywołam jeden mały aspekt. Prawie wszędzie czytam, że czarne dziury to obiekty. A one nawet obiektami nie są. Są obszarami czasoprzestrzeni. Uwierzcie mi, trochę poślęczałem nad tym, co dzieje i może dziać się 'w środku czarnych dziur'. Żeby wyczerpać temat, trzeba by co najmniej trzech ujęć. A nam się spieszy, bo my - jesteśmy zawsze pierwsi. Najlepsi. Czasem z tego naj wychodzi także najgłupsi ;)

Co chciałem... Gwiazdy Czarne są bardzo podobne do czarnych dziur. Z małą różnicą. Proces zapadania się gwiazdy pod własnym ciężarem przebiega zgodnie z równaniami ogólnej teorii względności - powstaje czarna dziura. Ale... to w teorii! Czyli tak wyliczono z równań.

Naukowcy badają inną opcję. Co, jeśli realny proces zapadania się nie jest w pełni relatywistyczny, tylko półklasyczny?

Półklasyczny opis grawitacji stawia na kwantową teorię pola. Materia brana jest jako część dyskretna, zaś grawitacja jako ciągła. Taki podejście pozwala na przewidywania kolapsu gwiazdy nie do obszaru, jakim jest czarna dziura, oraz nie do punktu o nieskończonej gęstości i nieskończenie małego, otoczonego horyzontem zdarzeń. Jednym słowem, poprawki kwantowe do teorii względności pozwalają na stworzenie bardziej realistycznego obrazu kolapsu gwiazdy. Stosuje się nie płaską czasoprzestrzeń, ze znormalizowaną energią próżni i wykasowaną nieskończonością. Uwzględnia się grawitację jako ugiętą geometrię, która na dodatek oddziałuje z materią w sprzężeniu zwrotnym, generując tzw. próżnię spolaryzowaną, siłę odpychającą, przeciwną grawitacji.

2. Półklasyczna teoria grawitacji.

Cały wic polega na zastosowaniu, w, dążącym do rezultatu - Gwiazdy Czarnej, wyliczeniu przebiegu kolapsu grawitacyjnego, energii próżni. Energia próżni w ujęciu półklasycznym to nic innego jak spolaryzowana energia cząstek wirtualnych, zniwelowana przez polaryzację wynikłą z oddziaływania grawitacyjnego, jednak o wynikowej polaryzacji odpychającej. 

Różnica między klasyczną a półklasyczną teorią polega na tym, że kwantowa teoria pola jest stosowana do stworzenia coś na kształt kwantowej teorii relatywistycznej, czyli jest to połączenie teorii względności i teorii kwantów. Niestety, niekompletne, ponieważ sama grawitacja nie wchodzi w grę. Liczą się tylko inne pola, np. elektromagnetyczne, ale to wystarcza. Przestrzeń i grawitacja są ciągłe, ale współistnieją z polami kwantowymi, wzajemnie na siebie oddziałując. Rezultatem jest energia próżni, która po procesie renormalizacji, czyli 'kasowaniu nieskończoności', powinna być pomijalnie mała. To ujęcie klasyczne - i one produkuje czarne dziury. Niestety, tylko w nieugiętej, płaskiej czasoprzestrzeni.

Z teorią półklasyczną mamy schodek wyżej.

Jeśli przestrzeń jest ugięta przez masę, zastosowana kwantowa teoria pola generuje energię próżni z cząstkami spolaryzowanymi. Cząstki te, z polami (elektrycznym, magnetycznym itp.) są naładowane, ponieważ tylko dla płaskiej czasoprzestrzeni normalizacja różnicuje sumę energii do zera. Ugięta czasoprzestrzeń (przez masę - forma klasyczna i ciągła), oraz kwantowe fluktuacje materii, oddziałują na siebie wspólnie; stosuje się też kwantową teorię pola, jednak w wypadku uwzględnienia grawitacji uzyskujemy wynikową energię inną niż w przypadku klasycznej teorii relatywistycznej. Bo jako rezultat otrzymujemy siłę odpychającą, przeciwnej grawitacji i kolapsowi gwiazdy pod własnym ciężarem. Trochę to skomplikowane, wiem, sam nie bardzo to kapuję (i nie do końca kupuję, chociaż już Wam sprzedaję, za lajki oczywiście, za sławę, za Troję, itp. =] ), ale tak to właśnie wygląda. Skwantowana materia zawsze będzie dążyć do opóźnienia zapadania się do czarnej dziury. Dzięki zastosowaniu teorii kwantów znamy półklasyczną teorię grawitacji. Oraz tzw. Czarne Dziury po Poprawce Kwantowej - Gwiazdy Czarne. Quasi-Czarne Dziury.

3.{Dygresja: moje smutne rozważania, filozoficzno-naukowe ple-ple =)}

I kto wie, może w naszym fizycznym świecie nie ma miejsca na coś takiego jak nieskończoność? Pomyślcie sami: wszędzie w fizyce mamy do czynienia ze skończonością, nawet jeśli coś jest niewyobrażalnie małe, to jednak ma rozmiar. Coś jest bardzo gorące, ale istnieje limit temperatury (jest to jakieś 15^32 (~decylion) Kelwinów, temperatura Plancka). A tu nagle przychodzi facet z fajką, wywalonym jęzorem i głową nieuczesaną i mówi Ci, że istnieje nieskończenie mały i gęsty punkt w miejscach we Wszechświecie, tam gdzie kończy się czas, punkt, którego nie można zobaczyć, bo jest ciałem doskonale czarnym, zagina czasoprzestrzeń w porywach w sposób nieskończony, na dodatek prędkość światła przewidziana przez tegoż jegomościa nie pozwala na przezwyciężenie tego obszaru, w środku istnieje rozwiązanie świętego Graala fizyki (kwantowa grawitacja), oraz że istnieje granica bez powrotu i na dodatek nic z zewnątrz nie widać.

Nadążacie? '-Mam krokodyla w pokoju. -No to chodź, pokaż! -Jest w szafie, poza tym jest niewidzialny. Ale mam. I udowodnij, że nie mam' =].

{koniec dygresji i kwantowego ple-ple}

Chciałem tylko zwrócić uwagę, jak bardzo teoria o czarnych dziurach zasłoniła nam rozsądek, jak zawładnęła kulturą masową oraz stała się swoistą dewizą i wizytówką 'Fizyka'. Fizyk - to od razu musi być czarna dziura. Trzeba umieć się odwrócić i spojrzeć na coś z innej perspektywy. Poddać pod krytykę własnego rozumu coś, co jest niemal dogmatem. A potem może wrócić do teorii o czarnych dziurach, bo pewnie jest słuszna, ale ze świeższym spojrzeniem i innym zapatrywaniem się w czarną otchłań horyzontu zdarzeń. Bo uważam, że już niedługo będziemy je obserwować z całkiem bliskiego bliska. Ale wtedy bezkrytyczne spojrzenie nie pozwalałoby dojrzeć nic poza tym, co widzi reszta obserwatorów. Ciemność. Za to Fizycy i Laicy oraz Tłukowie będą gładzić brodę z enigmatycznym uśmieszkiem mówiąc: a gdyby tak czarne dziury były inne? 

Niby jakie? Może różowe? 

W czasach, gdy wszyscy są Supermenami, jeden mechanik rowerowy robi wielką różnicę =]

4. Słów kilka o hiper niezwykłych własnościach Gwiazd Czarnych. 

Gwiazdy czarne na dodatek nie powinny posiadać horyzontu zdarzeń. To znaczy - można by im zajrzeć w gardziel i zobaczyć produkt końcowy kolapsu całej gwiazdy. Gwiazda czarna to rozwiązanie półklasycznej teorii relatywistycznej, która na dodatek pozwala ominąć paradoks informacyjny.

Polega tenże paradoks na niszczeniu informacji w czarnej dziurze, kiedy światło nie może uciec, dostawszy się raz poza horyzont. Tym samym, jakby cała informacja pozostaje zniszczona, bo nie wróci już do świata zewnętrznego, na dodatek uważa się, że osobliwość grawitacyjna działa na zasadzie niszczarki. To duży problem. Bo, o ile wiemy - co wynika z zasad mechaniki kwantowej - informacja nie może ulec całkowitemu zniszczeniu. 

To tzw. unitarność.

Gdyby na przykład posiadać ultra-niemal-doskonałe narzędzie do integracji cząstek, można by coś rozbitego na atomy złożyć z powrotem do punktu wyjścia. Albo - po spaleniu kartki papieru z numerami totolotka, można by poskładać, metodą sklejania pojedynczych atomów Kropelką kartkę z powrotem. Da się! (ale nie próbujcie tego w domu, szczególnie, jeśli macie prawidłowe numery totolotka. Na pewno nie macie. Jeśli byście mieli, nie czytalibyście tego tekstu, tylko siedzieli już w salonie, a właściwie wyjeżdżali z niego Złotym BMW). To są znane nam prawa fizyki, z którymi czarne dziury nie współgrają. [Chciałbym także, żeby prawa fizyki mówiły, że od jutra mam Złote BMW ;)]

A z Gwiazdą Czarną jest trochę inaczej. Ona także zagina tor światła, jej masa (czarna dziura jest pusta 'w środku'; Gwiazda Czarna posiada masę generowaną przez materię, taka różnica) jest rozłożona równomiernie na obszarze, jaki zajmuje, ale nie niszczy informacji. Paradoksalnie, model Gwiazdy Czarnej lepiej pasuje do znanych nam praw fizyki niż czarna dziura. Co więcej, GC jest także gęsto upakowanym ciałem, jednak ma masę, składa się z materii, ale nie posiada horyzontu zdarzeń. Wokół niej panują także warunki relatywistyczne, co powoduje np. bardzo silne ugięcie geometrii czasoprzestrzeni, soczewkowanie grawitacyjne, osłania się toto wszystko dyskiem akrecyjnym. Co tam jeszcze, acha, promieniowanie Hawkinga - wszystko mamy! Full service, czarna dziura out, niech żyje Gwiazda Czarna, realistyczna pozostałość po gwieździe, o jakiej marzą fizycy - bez nieskończoności. Słowem - wszystko, co ma czarna dziura... Ale jest o tyle lepsza, że można jej zajrzeć do środka. Mówię o astronomach, tudzież astrofizykach. 

To niesamowite, bo obserwacje GC dostarczyłyby wszystkich informacji, łącznie z tą, jak grawitacja łączy się z teorią kwantów, oraz takich, jakich spodziewalibyśmy się uzyskać z czarnej dziury, ale nie za bardzo, ponieważ do dziury się nie da zajrzeć, a do Gwiazdy już owszem.

Inna sprawa: niektórzy twierdzą, że model (Gwiazda Czarna to hipotetyczny model gwiazdy) proponowany powyżej może odpowiadać obserwacjom tego, co nazywamy czarnymi dziurami.

5. Na koniec fajna ciekawostka.

Ugięcie czasoprzestrzeni generuje polaryzację energii próżni, a efekty kwantowe materii zawartej w cząstkach oddziałują na krzywiznę, powiększając ją. Proces ten powoduje wyżej wspomniane opóźnienie kolapsu... właściwie w nieskończoność, bo dwa efekty wzajemnie 'rezonują' ze sobą. Grawitacja - odpychanie próżni - i tak bez końca. Ciekawe, prawda? Prawda, prawda? Kurde, mam nadzieję, że nie zawiodłem Czytelników. Tak się starałem, a tu nic nie widać, w końcu to Gwiazda Czarna jak Noc =]

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

#42 Kosmiczny Streap-tease, czyli Naga Osobliwość

0. Wstęp.

Pierwsza linijka przepraszająca - za rok nieobecności.

Druga linijka - obiecująca - będę zaszczycony Waszym dalszym Czytelniczym udziałem w naszej wspólnej podróży w głąb świata Fizyki.

Trzecia linijka - No to lecimy. Ignition... and lift-off. Houston - I hope there's not a problem at all ;)))

1. Dzień dobry, pani taka nieubrana, poznamy się bliżej?

Trzeba powiedzieć coś ogólnego, coś, co sprawi, że zapomnimy o roku rozczarowań, totalnej porażki, nicości, próżni. Podobno w fizyce nie ma próżni, Natura jej nie znosi, wypełnia ją wirtualnymi cząstkami, które co femtosekundę anihilują się, powstają, anihilują w niekończącym się tańcu tzw. energii próżni. Mówi się, że to właśnie jest ciemna energia, gross masy tworzącej Wszechświat (masa może być utożsamiana z energią, znamy przecież nie od dziś E=mxc^2). Owszem, mówi się. Dla mnie to był rok innej energii, widocznie minimum świata wirtualnego wpłynęła na mnie pozytywnie bo znowu się czytamy i piszemy. Ale jak próżnia, którą chciałem uzyskać, i która przez rok była udziałem moich działań na @diesphys, jak coś co chciałem mieć, mogło zepchnąć mnie na sam początek przygody z blogową fizyką? Bo tak naprawdę, od początku musimy zacząć. Zakiełbasiliśmy się w fizyce kwantowej, a tu pierwszy temat już astrofizyczny. Paradoks? Przyczynowo skutkowy? Jak go wyjaśnić? Blogowanie zaowocowało dla mnie skutkiem kwantowej strony fizyki, a zaczynałem od ogólnych tematów teoretyczno-fizycznych. Tymczasem skutek spowodował przyczynę, bo jesteśmy przy osobliwości, która ma się do fizyki kwantowej jak żółty grzebień do niebieskich włosów, i pomalowania sobie grzywki na zielono. Kurde, zdania mi się nie układają. Zupełnie jak ta grzywka. Nawet ona ;) Paradoks dotyczy tematu jak i mojej pisemnej aktywności (to jakbym za bardzo namotał, potraktujmy tę informację jak didaskalia)

Kto by się nie zaplątał w paradoksie przyczynowo-skutkowym? A, zapomniałem, to on jest osią, wokół której będzie się obracał obecny temat dot. nagiej osobliwości czasoprzestrzennej. To ta pani nieubrana, a ja mam czelność kręcić się wokół niej. Tak samo, jak mam czelność prosić Was o... atąsją! Wbijamy się prosto w hipotetyczny Kosmos z nagą osobliwością! Raz, dwa, raz dwa trzy, pięć sześć siedem, osiem! Bo to taka moja żona, państwo pozwolą, że przedstawię ;)))

2. Od początku. Tu inaczej się nie da.

Albert Einstein przewidział istnienie czarnych dziur. Rozwiązania jego ogólnej teorii względności przedstawiły światu Osobliwości. Osobliwość to koszmar fizyków i matematyków. Na bazie wiedzy z lat 30 ubiegłego wieku możemy teoretycznie wywnioskować istnienie tych Hegemonów czasoprzestrzeni we wnętrzu czarnych dziur. Osłonięte horyzontem zdarzeń, nieskończenie gęste i o wielkości matematycznego punktu, czyli wymiaru 0 (tak, 0, punkt to wymiar zerowy, linia prosta wymiar jednostkowy, itd.), nigdy nie pozwalają na siebie popatrzeć. Zakładamy, że istnieją, choć dowodów poza wyliczeniami na kartce papieru nie ma. Jednak coś w tym jest, skoro czarna dziura tak zagina czasoprzestrzeń wokół siebie, że zmienia trajektorię fotonów poruszających się w jej pobliżu. Opisany powyżej fakt sprawia zachodzenie tzw. efektu soczewkowania grawitacyjnego, czyli zaginaniu biegu światła. Dzięki owemu efektowi może dosłownie widzieć to, co znajduje się bezpośrednio za czarną dziurą. To tak jakby widzieć pień drzewa stojącego za domem stojąc u jego frontowych drzwi, otwartych, przypominam, ziejących w nas bezbrzeżną otchłanią czarnej niewiadomej. Ale drzewo widać.

3. Co z tą osobliwością nie tak?

Czarna dziura prawdopodobnie chowa w swoim wnętrzu zagadkę teorii kwantowej grawitacji. W pobliżu osobliwości klasyczne równania dla czasoprzestrzeni przewidują tak mocne jej zagięcie, że ciągłość czasoprzestrzeni staje się niemal niewidoczna. Wtedy okazuje się, że pomijalna przy opisie ciągłych struktur czasoprzestrzeni grawitacja ujawnia swoją kwantową naturę. Promień ugięcia czasoprzestrzeni przy samej osobliwości jest tak mały, że sięga skali Plancka, czyli około 10^-34m. Można także powiedzieć, że klasyczne prawa fizyki i einsteinowski opis, który sam z siebie przewiduje istnienie osobliwości, przestaje wystarczać do opisu właściwości materii i energii w we wnętrzu czarnej dziury. A szczególnie przy samej osobliwości. Co ciekawe, pewne teorie głoszą, skorzystam z ciekawej koncepcji Rogera Penrose'a o cyklicznym Wszechświecie, osobliwość we wnętrzu czarnej dziury to punkt, który oznacza koniec czasu, gdzie osobliwość Wielkiego Wybuchu jest jego początkiem. To tak jakby powiedzieć, że dwie osobliwości, czasoprzestrzenna i wielkowybuchowa wyznaczały strzałkę czasu. Ale to temat rzeka, dlatego tylko przytoczyłem go jako ciekawostkę.

Wystarczy, że potraktujemy osobliwość grawitacyjną jako punkt o nieskończonej gęstości, zasłonięty horyzontem zdarzeń i stanowiący naturalny efekt rozwiązań ogólnej teorii względności.

A teraz kolejna ciekawostka. Przyjęło się mówić o osobliwości jako o punkcie. Dlatego, by łatwiej było ja sobie wyobrazić. Tak naprawdę, co można powiedzieć o punkcie, matematycznym? Czy istnieje fizycznie? Czy jest to obiekt posiadający masę? Czy jest to taka bardzo ciężka kulka? Otóż nie!

Osobliwość to dziura w czasoprzestrzeni. Coś w stylu dziura w materiale, miejsce, w którym nie ma nic, a wokoło istnieje czasoprzestrzeń. Miejsce o nieskończonym ugięciu trajektorii możliwych do poruszania się. Zaraz, czyli takie jakby jedyna współrzędna, w której nie ma nic, nawet czasoprzestrzeni. Luka w Rzeczywistości.

Dlatego mówimy: matematyczny punkt, z naciskiem na matematyczny, ale, zaraz - czy może istnieć w fizycznym świecie Coś, co istnieje jedynie w formie matematycznej, bez materialnej struktury? Bardzo dziwne, prawda? To właśnie przewidział Einstein, a właściwie pewne specyficzne rozwiązanie jego równań. Naprawdę, o wiele łatwiej mówić i myśleć o osobliwości jako o Punkcie o nieskończonej gęstości, a nie jako o jedynej współrzędnej w czasoprzestrzeni, w której ona sama nie istnieje...

4. Postulat Penrose'a i spór o nagą osobliwość.

A gdyby tak wydziubać tę osobliwość z wnętrza czarnej dziury i poznać zagadkę kwantowej grawitacji? Łatwo powiedzieć. W 1969 roku sir Roger Penrose zapostulował, że istnieje zasada kosmicznej cenzury zabraniająca istnienia nagiej osobliwości. Stephen Hawking oraz John Preskill wzięli się za bary z postulatem R.Penrose'a. Hawking wywnioskował, że jest on prawdziwy, natomiast Preskill uważał wprost przeciwnie! No ale jak uderzyć człowieka na wózku, pomyślał Preskill i długo obaj panowie siedzieli cicho ;)

Penrose twierdził, że naga osobliwość nie może być widoczna. Było to równoważne ze stwierdzeniem, że zagadka kwantowej grawitacji na zawsze pozostanie ukryta we wnętrzu czarnej dziury. Że nigdy jej nie poznamy. Nie od dziś wiadomo, że foton, który ma swoją trajektorię ruchu skierowaną do wnętrza czarnej dziury nie wydostanie się już niej raz wleciawszy, a to oznacza, że światło się nie odbije i nie wróci do naszych oczu, czyli nie zobaczymy osobliwości. Dlatego sprytnie byłoby wyłuskać osobliwość z wnętrza, zobaczyć kwantową grawitację i rozstać się w jako takiej zgodzie. Skoro nie istnieje możliwość wejścia i wyjścia z czarnej dziury, naga osobliwość rozwiązywałaby problem. Jednak R.Penrose zapostulował kosmiczną cenzurę na kwantową grawitację i czarną dziurę! I co teraz? Aaaaaa-ha!

Dołączamy grawitację jako kluczowy element układanki. W 2006 roku powstał kolejny postulat o grawitacji jako sile, która w jakimkolwiek modelu Wszechświata jest zawsze najsłabszą z sił. Dwa elektrony przyciągają się elektrycznie o rzyliony rzędów razy silniej niż grawitacyjnie. Jeśli grawitacja jest zawsze najsłabszą z sił, wtedy kosmiczny cenzor wzmaga się na sile i mamy kolejny powód zakazu obnażania się dla osobliwości! Jednak to właśnie słabość grawitacji powoduje, że osobliwość pozostaje ukryta.

Co prowadzi nas... do kolejnej zagadki.

Ciekawostka: w 1997 roku pewien fizyk, po długofalowych obliczeniach numerycznych dokonał wizualizacji czterowymiarowego Wszechświata, w którym istnieje możliwość obejścia kosmicznej cenzury Penrose'a. Przy odpowiednich ustawieniach warunków początkowych, bardzo precyzyjnie i niesamowicie dokładnie dobranych, osobliwość grawitacyjna ujawnia się; jednak jakakolwiek zmiana, bardzo małe odchyłki od niemal idealnych ustawień początkowych powoduje 'zwinięcie się' osobliwości, niczym ślimaka do skorupy, w horyzont zdarzeń i czarną dziurę! To oczywiście model, ale jednak, pewien sukces został odniesiony.

4.a. Postulat Penrose'a w skrócie.

Z klasycznych równań dotyczących czasoprzestrzeni, tzn. ciągłych, kreuje się osobliwość (np. przy wymieraniu gwiazdy i zapadaniu się jej pod własnym ciężarem), jednak nie może ona być widoczna z powodu założenia równań ogólnej teorii względności o nieskończonej czasoprzestrzeni. Czyli - z perspektywy wieczności osobliwość jest zawsze zakryta =] Horyzontem zdarzeń. Kurtyna! ;) Dochodzi do powyższych stwierdzeń fakt, że naga osobliwość jest początkiem czasu, a taką osobliwością jest osobliwość Wielkiego Wybuchu. Jeśliby istniała naga osobliwość niezakryta horyzontem zdarzeń, wtedy istniałyby dwa początki czasu, a jak napisałem wcześniej hipoteza Penrose'a o cyklicznym Wszechświecie zakłada, że osobliwość czarnej dziury to koniec czasu. Ale tylko w przypadku zasłoniętej osobliwości. Rozumiecie coś z tego? Ja coraz mniej, ale dopóki palce nadążają za głową... Prosty rysunek ze strzałkami i kółkami wyjaśniłby więcej niż sto zdań na minutę, no, ale...

5. Dlaczego? A dlaczego nie?

Ponieważ w teorii dotyczącej czarnych dziur poza horyzontem zdarzeń dochodzi do zamiany współrzędnych czasowych na współrzędne przestrzenne. Aby zasada przyczynowo skutkowa zachodziła prawidłowo, współrzędna czasowa w interwałach czasoprzestrzennych musi zawsze rosnąć. Czyli - czas musi płynąć do przodu! =] Alem się wysłowił, hu hu hu. Mikołaj przyniósł mi dziś objawienie, interwały, czasoprzestrzeń, zasada przyczynowo skutkowa... A tutaj wystarczyło huknąć do lustra: Panie kochany, spójrz pan na zegarek! w którą stronę kręcą się wskazówki, do ciężkiej cholery! ;))) 

Aby zachować zasadę skutku i przyczyny, interwał czasoprzestrzenny musi być równy bądź mniejszy od zera dla wszystkich obserwatorów. W skrócie: między dwoma wydarzeniami o współrzędnych x1t1 i x2t2 istnieje zerowy stożek świetlny, czyli linia łącząca te dwa wydarzenia w płaskiej i ciągłej czasoprzestrzeni, czyli tak jakby światło mogło dotrzeć do tych dwóch różnych zdarzeń i mogło przebyć tę drogę z zachowaniem zgodnego dla wszystkich obserwatorów interwału czasoprzestrzennego, gdzie /\x  => (x1;x2), /\t => (t1;t2), z zachowaniem prawidłowego przebiegu zasady przyczynowo skutkowej.

/\s^2 = /\x^2 - c^2/\t^2

Znak minus determinuje ewolucję czasową zgodną ze strzałką czasu skierowaną ku przyszłości, czyli - skutek->przyczyna, skutek->przyczyna, itd.

Aby zasada przyczynowo skutkowa zachodziła prawidłowo, współrzędna czasowa w interwałach czasoprzestrzennych musi zawsze rosnąć. Czyli - czas musi płynąć do przodu... współrzędna czasowa w /\t sobie rośnie i rośnie i cały Wszechświat jest względnie... szczęśliwy =]

A teraz. Żeby zasada przyczynowo skutkowa, tak jak chcemy, uległa odwróceniu, znak we współrzędnej czasowej interwału czasoprzestrzennego, musi zmienić znak z (-) na (+). Jak to zrobić bez czarnej dziury? Ups, wygadałem się, ale ok, kontynuujmy. Należałoby poruszać się szybciej od światła w płaskiej czasoprzestrzeni... eee, dobra, bez spoilerów.

To jak, odwracamy zasadę przyczynowo-skutkową? A coooooooo, nie wolno Nam? =]

Zbliżamy się do czarnej dziury. Acha, będzie boleć... nasze mózgi, umysły, czy co tam jeszcze kto ma pod sklepieniem, przed potylicą, za czołoczaszką. Mogę tak pisać. Jestem fizykiem, nie biologiem. Ej, skoro odwracam zasadę przyczynowo-skutkową, czy jestem jeszcze fizykiem? Biologiem już nie, fizykiem prawie wcale, pozostaje mi blogger. 

Do tej pory mamy równanie dla płaskiej przestrzeni, tzw. przestrzeni Minkowiskiego, w której równanie interwału czasoprzestrzennego przedstawia się j.w. Potem są schody, straszne komplikacje, wchodzi przestrzeń zagięta przez grawitację czarnej dziury i nie ma lekko, równanie ulega komplikacji, co tu dużo gadać, nie wdając się w fachowe opisy matematycznych zawiłości - po przekroczeniu horyzontu zdarzeń następuje ugięcie trajektorii dla ruchu w czasoprzestrzeni. Najważniejszy jest fakt, że dopóki go nie przekroczymy, współrzędna czasowa rośnie, /\t ma znak ujemny, i zasada skutku i przyczyny ma zwyczajną kolejność. Nadal - aby odwrócić kolejność wydarzeń, potrzebna jest prędkość nadświetlna. Tachiony, bleeeee, nie będę się rozpisywał, Einstein by mnie zabił, Planck uderzył w twarz, a David Bohm przełożył przez kolano i nastąpiłby klaps.

Po przekroczeniu horyzontu zdarzeń, na skutek zmiany znaków w zmodyfikowanym z powodu silnego ugięcia geometrii czasoprzestrzeni równaniu interwału czasopiiiiiiii, równanie ma postać:

/\s^2 = -/\x^2 [nowa współrzędna czasowa, różna od zera, rosnąca, czyli dążąca do zera] + c^2/\t^2 {nowa współrzędna przestrzenna}.

Ważna sprawa: gdy już jesteśmy poza horyzontem zdarzeń, stożek świetlny układa się w taki sposób, że jedynym kierunkiem, w jakim możemy się poruszać, jest ku osobliwości. Jedynym kierunkiem pozwalającym zachować zasadę przyczynowości. Oraz - /\t musi być różne od zera. Dlaczego? Przecież nadal poruszamy się w olbrzymim grawitacyjnym ciągu ku osobliwości, właściwie to przyspieszamy.

Widzicie zmianę? Wcześniej był jeden kierunek czasu i trzy w przestrzeni. Teraz - jeden kierunek w przestrzeni. A czas? Po prostu znaki uległy zmianie! Aby zachować ciąg przyczynowo skutkowy, znak (-) musi oznaczać współrzędna czasową, starą współrzędną przestrzenną, natomiast dodatnia, różna od zera jest 'stara' współrzędna czasowa.

I skoro jedynym kierunkiem jest osobliwość, a kierunek jest czasem, to znaczy, że jedyną przyszłością jest osobliwość, a poruszamy się w kierunku czasowym jak w przestrzeni. Osobliwość w czarnej dziurze jest końcem czasu. Jak widać, czas i przestrzeń są ze sobą nierozerwalnie związane, dlatego: długo jeszcze będzie? 

Jakieś pół strony ;)

6. A gdyby tu było przedszkole w przyszłości. Trzeba teraz prosto coś wyjaśnić.

Dlaczego osobliwość w formie nagiej może popełnić zmianę w zasadzie skutek-przyczyna?

Z prostego względu. Osobliwość czasoprzestrzenna to pojęcie tak niezwykłe, że najprawdopodobniej poza horyzontem zdarzeń zachwiałaby fundamentami znanej fizyki, skoro przewiduje się takie jej zachowanie w stanie zakrytym przez horyzont. W jej obecności fizyka i Wszechświat przestaje być deterministyczna, co więcej, niemożliwe jest przewidzenie jak się zachowa, skoro nie możemy zajrzeć za horyzont. Do tego faktu dochodzi stwierdzenie, że sama w sobie została przewidziana przez równania ogólnej teorii względności, które są deterministyczne. Jeśli deterministyczne podejście prognozuje niedeterministyczne zachowanie obiektu czy miejsca w Rzeczywistości, mamy niezły paradoks. Poza tym, w wypadku osobliwości nie możemy mówić o przyszłości, ponieważ sama jej idea zakłada t=>0, zgodnie z wcześniejszym stwierdzeniem, że czasowa współrzędna jest różna od zera, jednakże jest zamieniona ze współrzędna przestrzenną. Jeden kierunek w przestrzeni, czas dążący do zera - chyba wystarczy, aby powiedzieć naszej czasowoprzestrzennej Anomalii, że powodowałaby paradoksy nie do pogodzenia ze... skutkiem->przyczyną, skutkiem->przyczyną, czyli światem, jaki znamy. Kosmiczna cenzuro, ratunku!

 

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

#41 Synteza Jądrowo-Galaktyczna, czyli Pomost Między Kwantami i Teorią Względności

0. Wstępujący...

...tekst, czyli...

Witajcie!

Dawnośmy się nie czytali. Jestem z natury trochę leniem, ale dziś coś mnie tknęło i postanowiłem z nim trochę powalczyć. Ręce mi zgrabiały od niepisania, dlatego muszę trochę Wam nawtykać parę nic nieznaczących, w zasadzie, słów, aby się rozkręcić.

Popajacować, jak zwykle. Wiem, że wolicie świeże kwantowe dane o fizyce kwantowej z kwantowej czarnej dziury, niczym w kwantowym filmie Interstellar. Piszcie śmiało, czy Wam to przeszkadza, bo mogę niczym robot Tars zmniejszyć poziom poczucia humoru... o całe 99% i zrobić Wam wykład rodem z politechnik czy innych Wyższych Szkół Zarządzania Ogólnego Mózgami Małolatów, na którym poznacie wzory rodem z czarnej dziury. Eee, coś mi się poprzestawiało, to Oni mają Czarne Dziury, my co najwyżej Mysie. Albo Królicze... ;)

Poważniej - nie przepadałem za wykładami z fizyki, ale trzeba oddać honor - zasiali ziarno Wiedzy, które wykiełkowało dopiero po latach. To znaczy wtedy, gdy przestano mnie zmuszać do Edukacji. I wtedy to Fizyka okazała się bardzo ciekawa.

Cóż, pozdrawiam Wszystkich Fizyków, nauczycieli i amatorów, pasjonatów, i, oczywiście, Moich Milusińskich Czytelników, którzy niedawno odpalili mi taką przemiłą niespodziankę lajkując i czytając jak napaleni. Nie wiedziałem, że fizyka może być popularna poza Króliczymi Norami ;)

A na końcu pozdrawiam siebie, cześć jak czapka, w końcu jestem fizykiem amatorem pasjonatem.

Pozdrowić siebie. To jest wyczyn. Musiałem skorzystać z okazji, tyle ludzi na Wizji, znajomi zobaczą, będę sławny ;) Czyste zagięcie Internetoprzestrzeni.

Okej, trochę się już rozpisałem, możemy przechodzić to meritum.

2. Na prawo most, na lewo most, a co na to Fizyka Kwantowa?

Nie ma dwóch bardziej znaczących dla Fizyki XX wieku teorii niż mechanika kwantowa i teorie względności. To podwaliny współczesnej nauki, technologii, a nawet rozumienia świata. Dla coponiektórych.

Niestety, mechanika kwantowa ma się do teorii względności jak mysz do słonia. I tu wchodzimy my, ludzie, fizycy. Ludzie i myszy to my i fizyka kwantowa, ze słoniami jest większy problem. Ale raz od czasu możemy się nimi zająć, to byłaby taka teoria względności ;) Raz od czasu, bo od tych odległości i wielkości głowa mnie rozbolewa, to znaczy, jak piszę o tym. Co innego te kwanciki, małe kuleczki, zupełnie jak w mojej głowie, tylko tam jest ich więcej, ja mam tylko dwie, ale za to większe. Małe bizonki i skwarki, orbitujące orbitale, Heisenbergi i Plancki, lubię te klimaty rodem ze zmurszałych uczelni lat 20 XX wieku. Brakuje tylko Franza Kafki i Roberta Wronki.

Kurde, znowu się zapędziłem w pajacowanie. Przepraszam, Wysoki Sądzie.

Przyłóż słonia do myszy, na pewno ci nie wyjdzie. Są zupełnie inne i nie pasują do siebie. To pewnie przez tę trąbę, powiedziałby słoń, mysz tylko by z piskiem (pyskiem? ;)) potwierdziła. 

Tak samo fizyka kwantowa i teorie względności. Zjawiska fizyczne opierają się na relacji ruchu pomiędzy obserwującym a obiektem. Istnieją zasady, które są zawsze prawdziwe, jeśli chodzi o zachowanie obserwowanych obiektów. Inaczej sprawa ma się w odniesieniu do mechaniki kwantowej, tam wszystko reaguje i żyjew sposób inny niż dyktuje nam, ludziom, nasza zwykła, szara, codzienna intuicja. Od wielu lat próbuje się stworzyć coś na kształt unifikacji, teorii, która połączyłaby mechanikę kwantową i fizykę ciał makroskopowych. Coś na kształt pomostu. 

Oto kolejne podejście. Opracowano zespół zasad, coś w stylu zunifikowanej struktury dla fizyki kwantowej i klasycznej. Testów dokonano przy pomocy satelity zwanej Micius. Ufff, naprawdę się przestraszyłem, że nazywa się Myszus albo z angielska MiceUS, brzmi podobnie, a ma więcej z myszy. Niż ze słonia ;)

3. Bierzemy tego Miciusa i lecimy w górę.

To znaczy w dół. Czytajcie w dół, nie w górę. I od lewej do prawej, od prawej do lewej wyjdzie źle, sprawdzałem i możecie mi wierzyć na słowo. Trust me, I am a blogger, czy tak jakoś to brzmiało. Sensacja! ;)

Micius to część eksperymentu zwanego QUESS (Quantum Experiment at Space Scale). Stworzyli go Chińczycy, pewnie ukradli plany Amerykanom, jak znamy życie, chiński Internet aż huczy, całe 300 wyświetleń dwóch artykułów z dwóch najbardziej poczytnych chińskich portali.

A u nas? U nas na bogato. w zeszłym miesiącu dobiliśmy do 2k wyświetleń, podobnie jak w miesiącu listopadzie. Głowa boli od tych wielkości, wracamy do kwantów.

W QUESS bezczelnie i parszywie wykorzystuje się światło do badań związku między fizyką kwantową i klasyczną. Znowuż to użyto dwóch kwantowo splątanych cząstek, pomieszanie z poplątaniem. Kwantowe, a jakieżby inne? Macie co chcecie i proszę nie narzekać. Następnym razem uzdrowię kwantowo wasze myszy w terrarium. Ręce stukają w klawiaturę i leczą, monitor promieniuje blaskiem wyśmienitej wiedzy, sami wiecie jak to działa, w końcu z kwantów jesteście nieźle wyszkoleni ;)

Konkurs na znalezienie zamiennika słowa kwantowy! Dam like'a ;)

Satelita zostrzał wystrzelony na orbitę. Dymiło się tak, że widziałem z okna ;) Pierwszy raz w historii zdołano przeprowadzić znaczący eksperyment, z użyciem optyki kwantowej, a obiektem badań była teoria kwantów i grawitacji. Co dokładnie badano?

Zastanawiano się nad faktem, czy cząstki zdekorelują się czyli zerwą splątanie, jeśli będą poruszać się przez odrębne grawitacyjnie obszary Ziemi. To znaczy - z odmiennym przyciąganiem grawitacyjnym (zmienną jest oczywiście wysokość nad poziomem powierzchni Ziemi, w końcu przyciąganie za jednym poziomie byłoby identyczne). Różnica w przyciąganiu wymusiłaby interakcję na poziomie kwantowym, która wyglądałaby jak gdyby cząstki były obiektami relatywistycznymi i przestrzegały zasad teorii Einsteina. Cząstka przyciągana słabiej poruszałaby się z mniejszym ograniczeniem zakresu ruchu niż ta, na którą grawitacja działałaby silniej.

Ten formalizm wydarzeń, jak nazwał opisane zjawisko jeden z badaczy, próbuje pokazać spójny opis pól kwantowych, istniejących w tzw. egzotycznych czasoprzestrzeniach zawierających zamknięte pętle czasowe, oraz w zwykłej czasoprzestrzeni, która poddaje się zasadom fizyki klasycznej. Trudne, co? Dla mnie też, jako że obca jest mi teoria pól kwantowych, jednak można to rozumieć w taki sposób: kwantowa teoria pola to jedno z zagadnień mechaniki kwantowej, niejako jej rozwinięcie, które pozwala na zachowanie zgodności z teorią względności. Czasoprzestrzeń egzotyczna to czasoprzestrzeń o różnego rodzaju zagięciu, innym niż standardowe. Można powiedzieć, że chodzi o 'kształt' czasoprzestrzeni. Tak chyba najłatwiej sobie wyobrazić co rozumiemy przez zagięcie. Zagięcie czasoprzestrzeni jest różne dla różnych obszarów naszego Uniwersum (i nie mówię o DC czy Marvel, tylko o tym zawierającym Drogę Mleczną), na przykład w pobliżu obiektów o dużej masie, jak nasze Słońce czy jakaś tam odległa czarna dziura. Tam to się dzieje. Zagięcia na poziomie ekstremalnym, mówię Wam, lepiej nie wkładać głowy, a nawet długopisu, chociażby. Pozagina Wam połączenia neuronowe i nie będziecie mogli czytać Fizyki dla Laika. A ja nic nie napiszę, długopis przepadł, itp. Zamknięte pętle czasowe to już dłuższa i starsza historia, może kiedyś tam zawędrujemy w naszych fizycznych rozważaniach, chociaż nie obiecuję. Dlaczego dłuższa i starsza? Bo chodzi o zabijanie własnych dziadków, gdy byli jeszcze młodymi ojcami waszych ojców. A potem - Wy się nie urodzicie i nie będziecie mogli czytać Fizyki dla Laika ;)

Ten formalizm wydarzeń pokazuje i ustanawia pewien zbiór ujednoliconych zachowań obiektów dla mechaniki kwantowej i fizyki klasycznej.

4. Detale i zakończenie. No niestety.

Jeśli zaobserwowanoby odchyłkę w zachowaniu dwóch splatanych kwantowo cząstek, oznaczałoby to, że formalizm, czyli ujednolicenie zaproponowane przez badaczy, jest poprawne. Dobrze, że nie mierne lub niedopuszczające. Swoją drogą, ciekawe, jakie dziś oceny stawiają niektórym z Was, u mnie 'mierny' jeszcze był. Ale nazwa, aż się niedobrze robiło! Ale i tak jest dobrze. Cząstki mogłyby dostać przecież pałę! Z zachowania, oczywiście, gdyby się nie zgadzały. Tak zepsuć splątanie, karygodne.

Nie zaobserwowano odchyłki od przewidywanego zachowania cząstek w odmiennym polu grawitacyjnym. Tak jak przewidywała kwantowa teoria pola, jedna z niewielu dostępnych idei, które mogą posłużyć obliczeniu trajektorii ruchu cząstek elementarnych w ujęciu grawitacyjnym. Zawsze ten sam problem. Kwantowa grawitacja. Wielu już zjadło na tym zęby, skwarki i udźce bizonów ;)

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

#40 Elektron Geometrycznie, czyli Znowu 'Kwant Prądu'

0. Serwus.

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

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

I już wiecie, dlaczego nie odzywałem się aż tydzień!

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

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

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

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

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

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

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

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

Oczy-wiście. Ze zdumienia! ;)

2. Takie afery tylko sztucznych atomikach.

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

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

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

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

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

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

3. Rozmieszczenie ładunku. Bum!

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

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

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

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

Dobra, dosyć! =]

... z dokładnością do nanometra.

Wniosek? Możemy zobaczyć, jak naprawdę wygląda elektron.

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

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

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

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

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

I na koniec...

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

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

Aha, zapraszam na Patronite! To nie takie trudne założyć tam konto i wesprzeć klikanie w klawiaturę! :)

patronite/DiesPhys

Oraz na Facebook fanpage; więcej nas, jest ciaśniej ale weselej! ^_^

fanpage/DiesPhys

#39 Kwanty jak Nowe, czyli Nowe Kwanty w 2018

0. Wstępniaczysko.

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

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

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

Do roboty!

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

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

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

Do rzeczy zatem.

2. Konkrety.

a.) Postęp w dziedzinie informacji kwantowej.

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

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

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

b.) Termometr Schroedingera.

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

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

c.) Życie i fizyka kwantowa.

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

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

Poważka!

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

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



f.) Dr Jake Yll i Pan Schowaj Się.

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

g.) Einstein miał rację! 

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

h.) Splątania ciąg dalszy.

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

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

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

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

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

k.) Einstein się mylił!

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

l.) Wyjaśnienie zjawiska pioruna kulistego.

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

o.) Piąty stan skupienia materii w Kosmosie.

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

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

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

r.) Leptokwark.

Lepiący się skwarek?

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

s.) Promienie kosmiczne na Antarktydzie.

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

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

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

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

Najpierw neutrino-dziadek, teraz neutrino-dziecko.

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

v.) Czyli 'V' for Victory!

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

Potem? Jak se życzycie. Do niedługiego zobaczyska.

Aha, zapraszam na Patronite! To nie takie trudne założyć tam konto i wesprzeć klikanie w klawiaturę! :)

patronite/DiesPhys

Oraz na Facebook fanpage; więcej nas, jest ciaśniej ale weselej! ^_^

fanpage/DiesPhys