#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

#10 Warp Drive, czyli Kosmiczny Diesel

Cześć!

Sezon ogórkowy nie zawsze oznacza same ogórki, jak widzicie. Polecam wziąć jakiegoś małosolniaka do ręki i czytać, bo dziś jest o czym. Zawsze jest, ale dziś będzie wakacyjnie i mniej naukowo. Możemy się rozmarzyć o... podróżach szybszych od prędkości światła! Tak, tak, Star Trek i te sprawy.

Gwoli ścisłości, miało być o pianie kwantowej, ale się rozmyśliłem. Dam waszym szarym komórkom trochę luzu i zaczerpnę temat rodem z science-fiction. Jak się jednak okazuje, nie tak daleko mu do prawdziwej nauki... Ale po kolei.

1. Kto to wymyślił, skąd to Warp Drive i z czym to się je (akurat to ostatnie wiadomo - z małosolniakiem ;))

'Warp' znaczy po angielsku 'odkształcać'. Od razu ciśnie się na usta: 'przecież to ze Star Treka. Zakrzywiali czasoprzestrzeń i poruszali się szybciej od światła'. Po co czytać posta? Czy nie lepiej włączyć sobie kapitana Picarda, Spocka i spółkę zobaczyć silnik warp na własne oczy?

W serialu Star Trek napęd warp przedstawia się trochę inaczej niż ten, nad którym pracuje NASA. Co proszę?! A, tak. NASA wzięła sobie do serca obliczenia niejakiego Miguela Alcubierra i bada przestrzenie warp. Wspomniany Meksykanin z kolei, inspirował się literaturą science fiction i postanowił zobaczyć, czy da się, chociaż na papierze, w obliczeniach, skonstruować napęd zakrzywiający czasoprzestrzeń. I udało się, ale o tym trochę później.

Tymczasem, w odległej galaktyce... :) - czyli na szklanym ekranie, napęd warp wygląda bardzo efektownie: sercem napędu jest rdzeń warp, w nim antymateria i materia w sposób kontrolowany anihiluje się i dostarcza energii, która służy do produkcji wysokoenergetycznej plazmy. Potem plazma, przez cewki warp, jest pompowana do gondoli, gdzie mieści się mechanizm generujący pole. Nie pole sąsiada, tylko pole warp.

Powiem tylko tyle: abstrakcja. Podstawy naukowe tego napędu są na tyle prawdziwe, jak długo autorzy serialu posługują się naukowymi nazwami. Bo tylko one są w tym silniku naukowe, takie coś nigdy by nie zadziałało.

Co innego Modus Operandi takiego napędu: zakrzywianie czasoprzestrzeni w taki sposób, że przed statkiem jest ona 'zgniatana', a za nim rozszerzana. I właśnie tym (zgniataniem i rozszerzaniem ;)) zajmują się teraz panowie z NASA.

2. NASA Klasa bawi się w Star Trek.

Napęd warp pozwala podróżować szybciej od światła. Zarówno w serialu Star Trek, jak i w rzeczywistości. W serialach i filmach science-fiction akcja rozgrywałaby się bardzo długo, gdyby np. z Ziemi do najbliższej gwiazdy podróżowałoby się 3 lata, z prędkością światła. Nudy! Dlatego zaisntniała potrzeba stworzenia czegoś wykraczającego poza ramy standardowych ograniczeń prędkości. Zarówno pisarze jak i inżynierowie marzyli o złamaniu zakazu przekraczania prędkości światła, stąd wspomniany Star Trek (i nie tylko, oczywiście), oraz...

Meksykański fizyk Miguel Alcubierre, zainspirowany literaturą, chciał, aby napęd warp stał się rzeczywistością. I teraz uwaga: w tym momencie następuje rozbieżność między literaturą saj-faj a nauką. Pozostaje tylko nazwa. Alcubierre opracował pole warp posługując się matematycznym językiem ogólnej teorii względności. Czyli - przedstawił prawdziwe rozwiązania teorii Einsteina, które pozwalają na podróż szybciej niż 'c'.

NASA uważa, że ta teoria nie jest taką bujda, na jaką mogłaby wyglądać. Eagleworks Laboratories próbują stworzyć i testować pola warp! A jeśli NASA się tym zajmuje - cóż, musi to być prawdziwe. Przecież, nawet gdyby NASA stwierdziła, że muchomory nie są trujące, cóż - musielibyśmy je jeść ;)

3. Czy pola warp można zaorać? ;)

Pola warp to specyficzne obszary w czasoprzestrzeni, które są w pewien szczególny sposób 'zagięte', tak samo, jak masa zagina czasoprzestrzeń. Pola warp nie naruszają ograniczenia co do prędkości światła, ponieważ 'c' odnosi się do obiektów (masy, energii, informacji) podróżujących przez przestrzeń. Lecz nie do samej przestrzeni! Według OTW nie ma ograniczenia co do prędkości względnej dla dwóch odrębnych wycinków czasoprzestrzeni. Tak samo, jak rozszerzające się brzegi Wszechświata mogą poruszać się szybciej od światła (bo porusza się sama przestrzeń; dlatego też światło z brzegów nigdy do nas nie dotrze i nie zobaczymy ich z Ziemi)... Albo w wypadku, gdy odległe galaktyki oddalają się od siebie szybciej od światła, nawet jeśli są nieruchome względem swojego bliskiego otoczenia - podobnie wycinek czterowymiarowej czasoprzestrzeni może złamać ogólnokosmiczne ograniczenie prędkości.

To ciężka praca, oranie tego pola warp! ;) Ale staram się, jak mogę :)

Innym przykładem złamania prędkości światła jest wnętrze czarnej dziury. Centralny punkt - osobliwość grawitacyjna (obiekt punktowy o ekstremalnej gęstości) zagina czasoprzestrzeń i powoduje, że porusza się ona szybciej od światła, unosząc materię i wszystko inne ze sobą. Czasoprzestrzeń wokół czarnej dziury jest opisana za pomocą równań pola Einsteina dla otoczenia punktu o ekstremalnie wysokiej dodatniej energii; masa i energia mówią nam, jak powinna zaginać się owa czasoprzestrzeń (czasoprzestrzeń to, czasoprzestrzeń tamto, trudno mi znaleźć zamiennik tego słowa; czterowymiarowa tkanka rzeczywistości? słowo na 'cz', które tak lubił Einstein? coś, co mierzą razem zegarek i linijka? ogłaszam konkurs na synonim słowa 'czasoprzestrzeń' :)). A co zrobił Alcubierre? Zastosował niezły trick.

4. Czasoprzestrzenna sztuczka Alcubierre'a.

Wracając trochę do poprzedniego akapitu: meksykański fizyk w niesamowity sposób wymyśla z kapelusza rozwiązanie równania dla zagiętej czasoprzestrzeni wokół czarnej dziury bez wpływu masy i energii! Alcubierre - Einstein 1-0. Do ładnej, gładkiej czasoprzestrzeni wstawił 'bąbel' tkanki rzeczywistości o niezwykle zakrzywionej geometrii, bez otaczającej go czarnodziurowej masy i energii. Tak jakby wyciągnął go z jej środka i umieścił gdzieś na spokojnych rubieżach Galaktyki, dawno, dawno temu ;) Mało tego. Umieścił w środku bąbla statek kosmiczny. Bąbel zaginał czasoprzestrzeń tak, że rozszerzał ją za nim a ściskał przed nim. Nasz kochany bąbel ;)

W rezultacie - bąbel jest pchany i ciągnięty przez samą czasoprzestrzeń! Limitem prędkości jest tylko stopień zakrzywienia, intensywność pola warp. Bo, jak już wiemy, limit prędkości światła odnosi się do obiektów, a nie samej czasoprzestrzeni. Taka sztuczka. Statek kosmiczny w środku nie odczuwa żadnego przyspieszenia! Można porównać to do deski surfingowej, która generuje własną falę. Fala porusza się względem oceanu z prędkością większą od c, ale my nie poruszamy się względem fali.

5. Przepraszam bardzo, czy tak można? A także problemy techniczne odnośnie napędu warp.

Czy można wymyślić sobie rozwiązanie opisu czasoprzestrzeni i rozwiązać równania Einsteina od tyłu tak, aby zobaczyć, jaki będzie potrzebny rozkład masy i energii na początku? I który da nasze rozwiązanie? Czy można odpowiadać, zanim usłyszy się pytanie? :) Można. Nie wiadomo tylko, czy rozkład masy i energii będzie fizycznie poprawny. Czyli - nie wiadomo, czy pytanie będzie logiczne.

Okazuje się, że do napędu warp konieczny jest pierścień negatywnej energii, który będzie otaczał statek i stworzy ów bąbel. Niestety, prawdopodobnie nigdy nie będziemy w stanie wytworzyć negatywnej energii w odpowiednich skalach. Możemy stworzyć negatywne ciśnienie - efekt Casimira (w skrócie: między dwoma płytkami obojętnymi elektrycznie i uzyskanej tam próżni występuje negatywne ciśnienie związane z tworzeniem się i znikaniem (anihilacją) cząstek wirtualnych - efekt fluktuacji kwantowych; ciśnienie takiej 'próżni' - okazuje się, że próżnia jest wypełniona cząstkami wirtualnymi - jest większe na zewnątrz płytek niż wewnątrz, ponieważ jest ich tam więcej), ale jest to bardzo mała skala. W skalach makroskopowych, czyli naszego napędu, prawdopodobnie konieczna będzie... negatywna masa. Czy masa może być ujemna?! To temat na inną historię. Jest to bardzo hipotetyczna koncepcja, być może negatywna masa nie istnieje.

Inaczej mówiąc: do stworzenia napędu Alcubierre'a konieczne jest użycie tzw. materii egzotycznej, mającej ujemną masę, albo skorzystanie z innego źródła zakrzywienia czasoprzestrzeni, przeciwnego do tego wywoływanego przez zwykłą materię.

6. Problem czasu i przypuszczenia ochrony chronologii Hawkinga.

Każda maszyna poruszająca się szybciej od światła będzie maszyną... do podróży w czasie. Jednak zasada przypuszczenia ochrony chronologii S.Hawkinga stwierdza, że mechanika kwantowa zawsze będzie zapobiegać wydarzeniom, które mogą naruszyć zasadę przyczynowo-skutkową. Zabijanie własnych dziadków gdy są młodzi, itp. Innymi słowy, prawdopodobnie istnieje coś w głębszym związku teorii względności i mechaniki kwantowej - teorii wszystkiego - co zapobiega powstaniu napędu warp. Tak jakby prawa fizyki zabraniały skonstruowaniu takiego silnika... Inną katastrofą napędu warp mogłoby okazać się olbrzymie promieniowanie Hawkinga (to samo, którym emanują czarne dziury) wewnątrz naszego szkraba... to znaczy bąbla ;) 

7. Energia ujemna i inne problemy.

Tej energii musiałoby być cholernie dużo. Tak trudno ją uzyskać, i jeszcze dużo?! Wolę swojego diesla. Dieslom mówimy tak! (no przecież ;)) Ale pobawmy się jeszcze w Star Trek.

Energii ujemnej potrzebowalibyśmy więcej, niż zwykłej energii w obserwowalnym Wszechświecie... Badania geometrii bąbla i kolejne obliczenia zmniejszyły masę ujemną do wielkości Jowisza (nadal mało praktyczne), potem Księżyca, a nawet asteroidy - przy pogrubieniu ścian pola warp.

To nie wszystko! Chłopaki naukowcy wykombinowały, że przy oscylacji pola warp udaje się wręcz 'zmiękczyć' (cokolwiek to znaczy) tkaninę czasoprzestrzeni, i, co za tym idzie, zmniejszyć niezbędną masę ujemną do paru kilogramów. Jednak wtedy, prawdopodobnie, dałyby o sobie znać efekty wyżej-wymiarowe - być może odkrylibyśmy wymiary wyższe niż nasze cztery. Dosłownie - hiperprzestrzenny napęd! :)

Nadal udzielamy odpowiedzi zanim zadano pytanie - czyli wymyślamy rozwiązania teorii względności i dopasowujemy warunki początkowe. Dlatego możemy ścieśnić bąbel warp i jednocześnie rozszerzyć jego wewnętrzną objętość - coś jak TARDIS z Dr Who, czyli technologia podróży w czasie i przestrzeni oraz zagiętych, właśnie większych wewnątrz niż na zewnątrz obiektów. Wtedy negatywna masa/energia liczy się w miligramach. Blisko? Można bliżej!

Jeśli bąbel jest odpowiednio mały, być może nie potrzebujemy materii egzotycznej. Manipulacja w skali kwantowej energii próżni (wspomniany efekt Casimira) może być wystarczająca.

8. Rozwiązaliśmy te problemy - i co dalej?

Optymistyczne informacje z punktu 7. zainspirowały Eagleworks Laboratory z NASA do poszukiwania pola warp. Co udało się osiągnąć?

Stworzono pole warp, jednakże przy pomocy energii dodatniej, nie ujemnej. Użyto interferometru Miechelsona, mniejszej wersji takiego, jakim wykryto fale grawitacyjne (więcej o nich tutaj). Chciano zmierzyć małe zmiany długości przestrzeni stworzone przez ich pole warp. Uzyskano bardzo obiecujące rezultaty. Okazało się jednak, że interpretacja wyników jest bardzo wieloznaczna i wcale nie wskazuje na sukces. Jednym słowem, nie możemy jeszcze przenieść olbrzymiego statku kosmicznego szybciej od światła. Ba, nawet ameba nie wchodzi jeszcze w rachubę. Czyli - kiedy będziemy warpować się po całej Galaktyce?!

9. Przyszłość napędu warp.

Skonstruowanie w pełni funkcjonalnego napędu warp zajęłoby nam prawdopodobnie kilka stuleci, minimalnie. Pewnikiem szybciej osiągniemy gwiazdy podróżując prędkościami podświetlnymi niż za pomocą wymarzonego napędu warp. Nawet silnik Kugelblitz na bazie czarnej dziury jest mniej problematyczny niż warp drive. Być może będziemy już cywilizacją międzygwiezdną, a na pewno międzyplanetarną, kiedy będzie możliwe dokonanie tak wielkich przełomów, jak te potrzebne do konstrukcji napędu warp. Jednak warto zauważyć, że wtedy motywacja będzie inna - być może będziemy chcieli (albo musieli) odwiedzać inne galaktyki, i prędkości podświetlne już nie wystarczą? Rozmarzyłem się. Spojrzeć w nocne niebo i powiedzieć 'o, tam gdzieś też żyją ludzie' - to zadanie dla naszych pra-pra-pra-pra(...)-wnuków. A my tymczasem - orajmy pole i jedzmy małosolniaki ;)

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

#9 Kwantowa Natura Czasoprzestrzeni, czyli pokaż Schroedingera Kotku, co masz w środku

Witajcie ponownie!

Skoro powiedziało się już tyle słów na tematy kwantopodobne, należy powiedzieć także B. Nie jestem dobry z przysłów, ale chyba rozumiecie, o co chodzi. Nie mogę zostawić Czytelników w tak wielkim głodzie wiedzy, jaki sam wywołałem. Dlatego reaktywuję się, mam nadzieję, że na dłużej. Do dzieła!

1. - Diesel, to jaki w końcu jest ten Wszechświat? Ma strukturę ciągłą czy dyskretną? - Yyy... Jest duży.

To pytanie spędza sen z powiek fizykom od wielu lat. W najmniejszej możliwej skali, Wszechświat musi okazać się 'jakiś': złożony z małych, niepodzielnych cząstek (dyskretny), albo analogowy - nie ma czegoś takiego jak najmniejszy możliwy element i możemy pomniejszać nasz zoom w nieskończoność. Chętnych do zapoznania się z podobnym tematem zapraszam do posta o Długości Plancka. My idźmy dalej: nie mamy obecnie, nawet przy stworzeniu Wielkiego Zderzacza Hadronów w Genewie, rozpędzającego cząstki do prędkości bliskiej świetlnej, zderzającego je, odkrywającego bozony Higgsa, technologii zdolnej dostrzec czegoś w skali subatomowej. Jeden z najsilniejszych mikroskopów to STEHM (Scanning Transmission Electron Holography Microscope) znajdujący się na University of Victoria w Kanadzie. Ten kosztujący 27 milionów dolarów, ważący 7 ton i mierzący 4,5 metra sprzęt pozwala oglądać rzeczywistość w pikoskali. Pikometr to jedna bilionowa metra. STEHM pozwala przyjrzeć się z bliska atomom, których rozmiary wahają się między 62 a 520 pikometrów. 

2. Kwantowy Samolub, czyli Niepodzielny Elektron ;)

To jednak za mało, aby poznać strukturę czasoprzestrzeni. Już elektron jest sporą i nierozwiązaną dotąd zagadką, która pojawia się w podróży do coraz mniejszych skal. W zderzeniach cząstek traktowanych klasycznie, elektron zachowuje się jak kulka o średnicy ~2,8 x 10^-15m (klasyczny promień elektronu, podawany w tablicach fizycznych).

Niestety, jest to tylko teoretyczne założenie, a nie fakt. Przy doświadczeniach z elektronami 'usidlonymi' w silnym polu magnetycznym fizycy doszli do wniosku, że promień elektronu jest mniejszy niż 10^-22m. Dlatego klasyczne pojęcie rozmiaru liniowego elektronu nie ma sensu, ponieważ rozbieżność między teorią a doświadczeniem jest zbyt duża. Gdzieś tkwi haczyk. Gdzie? Eksperymenty rozpraszania elektronów zdają się sugerować, że elektron nie ma struktury wewnętrznej! To oznacza także, że nie ma rozmiarów liniowych... A to z kolei wskazuje na fakt, jaki od pewnego jest forsowany w środowisku naukowym: elektron to cząstka punktowa, zerowymiarowa, niepodzielna (o wymiarach, szczególnie tych wyższych, możecie poczytać tutej: 4D). Do bólu elementarna, można powiedzieć. A jednocześnie bardzo enigmatyczna, ponieważ, jak napisałem wcześniej, nie możemy podglądać czasoprzestrzeni i materii w tej skali w wersji 'live'.

3. Czarna dziura na Ziemi?

Wiemy obecnie, że aby dostrzec obraz w skali Plancka (10^-35 metra), musielibyśmy okiełznać energię, która byłaby tak olbrzymia, że spowodowałaby kolaps danego fragmentu czasoprzestrzeni do czarnej dziury. Mikroskopijnej czarnej dziury oczywiście, czyli takiej, która nie wessałaby Ziemi, Ziemian, ich psów i koni, orangutanów i nietoperzy. Ale owa czarna dziura posiadałaby horyzont zdarzeń, czyli, krótko mówiąc, nie moglibyśmy zajrzeć do środka tego Kwantowego Kotka. Ten i inne paradoksy implikują stwierdzenie, że podstawa istnienia czasu i przestrzeni wynika z jakiegoś głębszego kwantowego zjawiska.

Dlatego nadal struktura czasoprzestrzeni pozostaje zagadką. W jaki sposób dyskretne, niepodzielne elementy są podstawą istnienia ciągłej, możliwej do opisania przez teorię względności, czasoprzestrzeni? Istnieje kilka hipotez, które mają ambicję tłumaczyć wspomniane zagadnienie. Przyjmuję oczywiście zyskujące coraz więcej zwolenników założenie, że czas i przestrzeń mogą mieć naturę dyskretną.

4. Holografia, czyli 'Mamo, proszę, powiedz, że istnieję naprawdę, a w blogach i Internetach kłamią...'

Pewnie już kombinujecie, a ja nawet chyba wiem, jak :) Hologram, czyli coś, co w istocie jest dwuwymiarowe, a udaje trójwymiarowe. Na dodatek dobrze mu to wychodzi, bo efekt wizualny hologramu jest czasami niesamowity. I podobnie jest w koncepcji holograficznej natury czasoprzestrzeni. Zasada zakłada, że Wszechświat to czterowymiarowa projekcja trójwymiarowej struktury, leżącej u jej podstaw.

Można też, tak jak Renate Loll, profesor fizyki teoretycznej z Radboud University of Nijmegen, pójść krok dalej. Pani naukowiec zajmuje się grawitacją kwantową (oddziaływaniem grawitacyjnym w mikroskali, teorią do tej pory jeszcze niekompletną i nie w pełni sformułowaną) i bada wymiarowość przestrzeni. Jej dociekliwe eksperymenty dotyczą symulacji komputerowych, które zakładają istnienie pewnych punktów w przestrzeni i 'sklejanie' ich za pomocą grawitacji. Jako wynik otrzymuje ona mikroskopijne przestrzenie, albo nawet, będąc śmiałym adeptem nauk tajemnych, ośmielę się stwierdzić - wszechświaty. Pani profesor postawiła sobie w momencie uzyskania już kompletnych przestrzeni pytanie na temat wymiarowości tychże. Posłużyła się tutaj przykładem z atramentem. Można wstrzyknąć jego kroplę do szklanki z wodą i zaobserwować, że rozprzestrzeni się on w trzech wymiarach. Gdy atrament dostanie się na kartkę papieru, rozprowadzi się w wymiarach dwóch, po powierzchni. I teraz wisienka na torcie, ale to już po bloku reklamowym.

Jedz jedzenie! Pij picie!

Wracamy po reklamach. Gdy Renate Loll w swojej symulacji komputerowej Wszechświata 'wstrzyknęła' ów cyfrowy atrament, okazało się, że w bardzo małej skali wypełnia on znacznie mniejszą objętość niż oczekiwano. To prowadzi do szokujących wniosków: wymiarowość przestrzeni jest mniejsza niż 3! Przestrzeń w nanoskali ma postać jednowymiarowych linii!

Powyższy przykład bardzo ładnie łączy się z holografią: struktura o niższych wymiarach 'wyprodukowała' wyżej-wymiarową przestrzeń.

5. Amplituhedron (kto zapamięta, ba, wymówi poprawnie nazwę, może zgłosić się do autora bloga po nagrodę ;))

Tak, wiem, używam słów, których znaczenia nie rozumiem. Ale tak jest mądrzej ;)

Co to takiego?

Jest to skomplikowany, wielopostaciowy obiekt geometryczny, który bardzo upraszcza obliczenia oddziaływania, a w szczególności zderzenia cząstek. Kalkulacje kolizji cząstek, które kiedyś zajmowały setki linijek, dziś upraszczają się do obliczenia objętości amplituhedronu czyli do równowartości jednego wyrażenia. To, czym kiedyś zajmowały się komputery, dziś można policzyć na papierze!

Odkrycie tego obiektu geometrycznego wskazuje na fakt, że zwykły obraz cząstek zderzających się w czasie i przestrzeni (oraz wzory probabilistyczne do przewidywań wyniku zderzeń) jest tylko swoistą konstrukcją. Konstrukcją, która wyłania się jako konsekwencja prostszej, bardziej podstawowej geometrii, w której nie ma sensu pojęcie czasu albo przestrzeni. Od czasu jego odkrycia, amplituhedron jest jaskółką, która czyni wiosnę jeśli chodzi o poszukiwanie kwantowej teorii grawitacji.

Badania amplituhedronu doprowadziły do zaskakujących wniosków. Cechy takie jak czas i przestrzeń nie budują rzeczywistości, one są niejako konsekwencją istnienia i właściwości geometrii tego misternego obiektu. Analiza jego atrybutów uczyniły jasnym, dlaczego cząsteczki zdają się poruszać w trzech wymiarach przestrzeni i zmieniać się w czasie. Szokującym może wydawać się fakt, że to, co oglądamy na co dzień, materię, energię, cały Wszechświat, jest tylko konsekwencją geometrii... :)

6. Epilog.

Temat kwantowej natury czasoprzestrzeni jest bardzo szeroki, mi, w tym tutaj oto poście, udało się zaledwie liznąć wierzchołek góry lodowej, i to przez szybkę. Na pewno można by wspomnieć choćby o pianie kwantowej... Hej, hej! Chwileczkę! Czyżbym miał temat na część dalszą maltretowania Waszych biednych mózgów? Hej, hej! Chwileczkę! Czyżbym niechcący zdradził temat kolejnego posta? ;)

Do zobaczenia wkrótce!

7. Epilog epilogu.

Nagrodą za prawidłowe wymówienie nazwy 'amplituhedron' jest tygodniowy pobyt na mojej działce, jako że mamy lato i wakacje. Skoszenie trawy mile widziane ;)

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

#8 Fale Grawitacyjne, czyli Einstein znowu górą

Ale czekaliśmy 100 lat, żeby móc zwrócić honor genialnemu fizykowi. Albert Einstein przewidział fale grawitacyjne w ogólnej teorii względności, jednak aż do tej pory ludzkość była zbyt technologicznie zacofana, aby móc potwierdzić przewidywania Austriaka. W marcu 2016 roku naukowcy z obserwatorium LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory), obiektu stworzonego specjalnie po to, aby wykryć fale grawitacyjne, udało się wykryć zmarszczki w czasoprzestrzeni. Brrrr, to czasoprzestrzeń ma zmarszczki? Poleciłbym jakiś krem, ale właśnie w tym jej całe piękno; w tym także piękno teorii grawitacji Alberta Einsteina, że jest tak stara ;) Choć do tej pory nie wiemy tak naprawdę, czym jest czasoprzestrzeń, to potrafiliśmy wykryć jej zniekształcenia. To wspaniałe choć przewrotne, tak jak cała fizyka. Ale po kolei.

1. Kule, trampolina i grawitacja.

Doktoryzowanie się w kwestii czym jest grawitacja w ujęciu Einsteina zostawię panom z poważnych pism i uczelni. Dla naszego skromnego pojęcia wystarczy wyobrazić sobie uproszczony model.
Wyobraźmy sobie, że rozpinamy bardzo cienki materiał, trochę sprężynujący, na dość sporej trampolinie ogrodowej. Na pewno dopiero co wróciliście z ogrodu, zlani potem i szczęśliwi do bólu, więc wiecie, o czym mówię ;) Teraz połóżmy na naszym okrągłym i lekko naciągniętym materiale dwie kule. Mogą być do kręgli, ale takie mniejsze. Skoro skaczecie na trampolinie, na pewno gracie też w kręgle ;) Od razu zauważymy, że materiał ugina się pod kulami, tworząc w miejscu ich przebywania wgłębienia. Na pewno też można będzie zaobserwować, jak kule zbliżają się do siebie poprzez ugięcie materiału. Jesteście sobie to w stanie wyobrazić? Brawo, właśnie, oczywiście w dużym skrócie, zrozumieliście teorię grawitacji Einsteina, ogólną teorię względności. A przynajmniej główną ideę jej działania.

2. Ogólnie to ogólna teoria względności jest prosta.

Dla bardzo ogólnego pojęcia, jak działa siła grawitacji w skali astronomicznej wystarczy przykład z kulami. Wyjaśnię to trochę bardziej szczegółowo.
Isaac Newton twierdził, że dwie masy działają na siebie siłą odwrotnie proporcjonalną do kwadratu odległości między nimi. Oraz proporcjonalnie do iloczynu ich mas. Czyli - im cięższy obiekt, tym silniej działa SIŁĄ grawitacji (w jego teorii ważne jest pojęcie siły, stąd wołami podkreśliłem owo pojęcie, drodzy Tłukowie. Spokojnie. Ja też się do nich zaliczam, po prostu bardziej się obczytałem ;)) na obiekt drugi. Oraz, im dalej obiekty znajdują się od siebie w przestrzeni, tym siła jest słabsza.

To tak w skrócie. Jednak istotne jest, że Newton zakładał istnienie siły.
U Einsteina jest inaczej. Jego rewolucyjne podejście do grawitacji w skali astrofizycznej (W skali nano nie mamy teorii grawitacji; w obliczeniach przy bardzo małych odległościach jest ona pomijana jako bardzo słaba i nie mająca wpływu na prawidłowe wyliczenia, ale naukowcy pracują nad kwantową teorią grawitacji. Gdy powstanie, będzie olbrzymim przełomem) polega na tym, że wprowadził pojęcie czasoprzestrzeni. Czym ona jest? To trzy wymiary przestrzenne i jeden czasowy - całkowicie odmienny od wymiarów wskazujących na położenie, ale także składający się na czasoprzestrzeń. Definicji jest wiele, ale gdyby spróbować wytłumaczyć to Tłu... Laikowi, najprościej byłoby użyć sformułowania, jakie wyczytałem w książce Lee Smolina 'Three Roads To Quantum Gravity': jeśli cząstki elementarne i obiekty w czasoprzestrzeni to słowa, czasoprzestrzeń będzie zdaniem. Nie ma czasoprzestrzeni bez obiektów, ale obiektu muszą mieć jakiś kontekst, same litery także nie tworzą zdania.

Dlatego w czasoprzestrzeni muszą istnieć obiekty. Te obiekty mają masę, która... zagina czasoprzestrzeń. Tak jak kule na trampolinie ogrodowej. I właśnie owo zakrzywienie powoduje, że obiekty się do siebie zbliżają, po prostu tak wynika z naturalnej konsekwencji trajektorii ruchu, jaką implikuje ośrodek, w którym istnieją. Wpadają w swoiste leje, które same wytwarzają i stąd mamy np. piękny taniec planet w Układzie Słonecznym. Po prostu inaczej nie mogą się poruszać, bo swoją masą powodują zagięcie ośrodka, w którym się znajdują, i wykonują ruch, który jest jedynym możliwym. Nie działają żadne siły jak u Newtona. Ośrodek, czyli tajemnicza czasoprzestrzeń. Nie dość, że nie można jej dotknąć, to jeszcze ma wpleciony w siebie wymiar czasowy, który całkowicie burzy intuicyjne pojęcie o ośrodku, w którym coś może się poruszać. No, może nie wczasowym, bo tam, jak wiadomo, czas płynie inaczej. Jednakże na rozumienie, czym jest czasoprzestrzeń oraz o jej zakrzywieniu, bardzo mocno wpłynęło odkrycie z LIGO w 2016 roku.

3. A co na to LIGO?

Naukowcy z LIGO skonstruowali bardzo mocno zaawansowane technologicznie urządzenie, które wykryło zmarszczki w czasoprzestrzeni, przewidziane przez Einsteina 100 lat temu. Czym są i skąd się wzięły? Jeszcze szczypta teorii i wszystko będzie jasne. Wiemy już, że masywny obiekt zakrzywia czasoprzestrzeń. Logicznym wydaje się, że im masywniejszy, tym większe powoduje jej zagięcie. A co w wypadku, gdyby dwa ultra masywne obiekty... zderzyły się? I to tak około 1.3 miliarda lat temu? Brzmi niesamowicie? A siła tego uderzenia byłaby 50 razy silniejsza niż światło pochodzące z całego obserwowalnego Wszechświata! Wyobraźcie sobie, że wrzucacie olbrzymi kamień do wody. Tak, tak, fale rozchodzące się po wodzie mogą być analogią do fal grawitacyjnych (oczywiście niedoskonałą, bo dwuwymiarową), a kamień może być dwoma czarnymi dziurami, które zderzyły się z prędkością połowy prędkości światła. Fale mogą być także drganiami membrany na trampolinie ogrodowej, gdy z dużą siłą uderzy w nią kula do kręgli - zderzenie czarnych dziur. Fale grawitacyjne zarejestrowane 14.08.2015 (wyniki z detektora musiały być przetwarzane i analizowane, stąd data obwieszczenia odkrycia - dopiero 11.01.2016) w LIGO dotarły do Ziemi po 1.3 miliarda lat. A wykryło je urządzenie, które kosztowało miliard dolarów i pracowało przy nim 1000 naukowców.

4. Ale co to jest LIGO?

Jak wygląda LIGO? Są to dwa detektory, jeden znajdujący się stanie Waszyngton, drugi w Luizjanie. Każdy z nich wygląda jak olbrzymia litera L, z ramionami o długości 4 kilometrów. Wiązka lasera podróżuje w tę i z powrotem wzdłuż ramion, odbijana za pomocą specjalnych luster. Zegary atomowe mierzą czas, jak długo trwa podróż. W normalnych warunkach, światło lasera wraca w takim samym czasie dla każdego z dwóch ramion. Jednak gdy przez ramię przechodzi fala grawitacyjna, detektor i ziemia pod nim rozszerza się i kurczy w bardzo niewielkim stopniu. Zauważcie: detektor kurczy się. Czasoprzestrzeń, razem z fizycznym obiektem, ulega bardzo małej zmianie rozmiaru. To nie są zwykłe drgania powietrza! Cała czasoprzestrzeń i to, co się z niej znajduje, ulega skurczeniu bądź rozciągnięciu! Jedna z wiązek lasera dociera później i - voila. Mamy dowód. Ale te zmiany do dużych nie należą. Skrócenie bądź wydłużenie ramienia ma długość około jednej tysięcznej średnicy protonu. Eksperyment jest tak czuły, że wpływa na niego lot pobliskiego samolotu, ba, jeden z naukowców stwierdził, że gdy klaśnie pokoju kontrolnym, detektor to wykrywa. Jak odsiewają takie wydarzenia? Dzięki dwóm detektorom. Jeśli coś nie wydarzy się jednocześnie, to znak, że pochodzi z Ziemi.
W 1974 roku inni naukowcy odkryli pulsar krążący wokół gwiazdy neutronowej - również bardzo masywnych obiektów. Później okazało się, że orbita pulsara się kurczy, co stanowiło pośredni dowód, że traci on energię na fale grawitacyjne. W 1993 roku Akademia nawet przyznała za to odkrycie Nobla. 20 lat myślenia, nagroda Nobla, ale dowodów brak... Od tej pory wykrycie fal spędzało sen z powiek każdemu fizykowi, od nauczyciela podstawówki do mądrych głów w CERNie i innych MIT. No dobrze, nauczyciele mieli na głowach jeszcze sprawdzenie kartkówek, dlatego musieli obejść się smakiem :)

LIGO nadstawiało uszy od 2002 do 2010 roku bezowocnie. Zamknięto projekt w celu dokonania ulepszeń i wystartowano ponownie w roku 2015. Ulepszone LIGO jest 3 razy bardziej czułe niż wersja poprzednia, w ciągu następnych kilku lat planuje się zwiększenie czułości aż dziesięciokrotnie. Można by dla zmyłki umówić się z kolegą zza oceanu, żeby kichnąć bądź klasnąć jednocześnie, panowie z LIGO będą mieli pełne ręce roboty ;)

5. Eksperyment za miliard dolarów, a ludzie głodują.

Czyli - po co nam to wszystko?

Potwierdzenie istnienia czarnych dziur.

Czarnych dziur nie da się wykryć bezpośrednio, ponieważ nie emitują one światła, są kompletnie 'czarne'. Za to wytwarzają fale grawitacyjne, jak przy omawianym powyżej zderzeniu. To pozwala w sposób pośredni potwierdzić ich istnienie, które, wbrew pozorom, nie jest takie oczywiste.

Astronomia oparta na falach grawitacyjnych.

To tak jakby nie oglądać Wszechświata, tylko go nasłuchiwać. Można stwierdzić, czy dwie czarne dziury, zderzając się, produkują nową. Można obserwować wybuchy supernowych, a właściwie 'słuchać', okrążające się pulsary, wiedzieć, czy to kichnął sąsiad, czy zderzyły się kosmiczne monstra ;) Kiedy Galileusz wycelował pierwszy teleskop w niebo, zobaczył Księżyc i planety. Gdy wynaleźliśmy teleskopy radiowe, UV i rentgenowskie, za każdym razem otwierało się nowe okno na Wszechświat. Podobnie jest w przypadku fal grawitacyjnych, jeszcze nawet do końca nie wiadomo, co możemy odkryć.

6. Czy Einstein strzelił samobója?

Mówi się, że LIGO i podobne eksperymenty z falami grawitacyjnymi (jak np. LISA Pathfinder - satelita, który ma również wykrywać fale) otworzą drzwi do podważenia ogólnej torii względności Einsteina. 100 letnia teoria opisująca skale astronomiczne na razie wytrzymuje próbę czasu, jednak nadal zciera się z mechaniką kwantową, która rządzi światem subatomowym. Wiadomo, że któraś z nich jest błędna, jednak wszystkie te potyczki doprowadzą do opracowania nowej teorii, która będzie bardziej kompletna. Fale grawitacyjne to fizyka doświadczalna, która wyrosła na teorii z ubiegłego wieku. Nic innego jak doświadczenie nie zweryfikuje lepiej ogólnej teorii względności, która, jak się spodziewa, może mieć pewne luki. Czyżby Einstein przewidział coś, co doprowadzi do upadku jego myśli po 100 latach? Czas pokaże.

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

#7 Monopol Magnetyczny, czyli 'Dawno, dawno temu, w odległej Galaktyce...'

O monopolu magnetycznym mówi się, że to Święty Graal fizyki.

Kolejny Święty Graal fizyki teoretycznej? Tylko nie to! Długi czas był nim bozon Higgsa, ale znaleźli go. Dobrze się chował, ale po kilkudziesięciu latach dorwali biedaka. Następnym Graalem, czyli ulotnym, aczkolwiek bardzo pożądanym odkryciem, jest kwantowa teoria grawitacji. Z nią już nie poszło tak łatwo, dalej skrywa się gdzieś, pewnie w jakiejś zakurzonej szufladzie szalonego fizyka z lat sześciesiątych, który przypadkowo ją odkrył. Zobaczycie, tak z nią będzie ;) Ale monopol? Czy nie dość już Największych Odkryć Fizyki? Niedługo się okaże, że w fizyce teoretycznej istnieją same Święte Graale.

Pomińmy aspekt kielicha z Ostatniej Wieczerzy. Monopol magnetyczny jest sam w sobie ciekawą koncepcją, słusznie uznawaną za jedną z najbardziej interesujących w dziedzinie fizycznych odkryć. Na czym polega jego ulotność i wyjątkowość, przekonacie się dzięki niniejszemu artykułowi. I wybiegniecie z pokoju krzycząc:

- Mamo! chcę być fizykiem teoretycznym i szukać monopoli!

- A 18 lat skończone? Coś mi się nie podoba ta nazwa.

1. Ładunek.

Wszyscy znacie monopole elektryczne. Znacie! Skąd? Są to po prostu ładunki elektryczne, dodatnie bądź ujemne. Mogą istnieć osobno, tu mamy plus, tam minus i w rezultacie następuje przyciągnie; tudzież ładunki jednoimienne - odpychają się. Na przykład - dodatnie protony i ujemne elektrony - zbliżanie. Pole elektryczne ma kierunek od ładunku dodatniego do ujemnego. W przypadku magnetyzmu, sprawa nie jest tak prosta. Chociaż magnetyzm również posiada ukierunkowane pole (biegun północny i południowy, ujemny i dodatni), nigdy nie zaobserwowano pojedynczego ładunku magnetycznego - cząsteczki, jak ma to miejsce w przypadku pola elektrycznego. Magnesy istnieją tylko jako dipole, mają bieguny - północny i przeciwny, jeśli chodzi o ładunek - południowy. Wielu już było spryciarzy, którzy myśleli, że zdobędą Nobla na pniu, i piłowali te biedne ferrmagnetyczne sztabki na pół. Zapewniam Was, że żaden z nich nie zdobył jeszcze tej nagrody. Małym sprytnym oczkom zawsze ukazywał się widok dwóch mniejszych, choć identycznych magnesów, również z biegunami północnym i południowym.

2. Równania równiachy Jamesa Clerka Maxwella, czyli magnetyzm, jaki znamy dziś.

Nie wiem, czy Maxwell był równym gościem, ale ładnie mi przypasowało.

Tymczasem, monopole magnetyczne... Od początku. Sama teoria elektromagnetyzmu powstała w latach 60 XIX wieku i opisuje ujednolicenie sił magnetyzmu i elektryzmu, he, he; sił magnetycznych i elektrycznych, w jedno oddziaływanie elektromagnetyczne :) Korzysta się z nich do dziś w branżach inżynierii, telekomunikacji, medycyzmie... medyczności, naturalnie. Jedno z równań, równanie Gaussa, które opisuje magnetyzm, stwierdza jednak, że nie ma monopoli magnetycznych.

Gdy ładunek elektryczny, taki jak elektron, porusza się w danym kierunku, na przykład wzdłuż przewodu elektrycznego, mówimy o prądzie elektrycznym. Ten ruch wytwarza pole magnetyczne wokół rzeczonego przewodu.

Innym sposobem, w jaki natura tworzy pole magnetyczne, łączy się z pojęciem z mechaniki kwantowej - spinem. Wtedy ładunek elektryczny obraca się wokół własnej osi - nie porusza się wzdłuż linii jak w przewodzie elektrycznym, ale również wytwarzane jest pole magnetyczne. Ruchu elektronu wokół osi sprawia, że wytwarzany jest moment pędu cząstki i staje się on magnetycznym dipolem, z biegunami, tak jak malutki magnes sztabkowy. I tu pan Maxwell pięknie zawija rzeczywistość - nie musimy znać teorii magnetycznych monopoli, by opisać zjawiska magnetyczne. Jego równania doskonale opisują magnetyzm, używa się ich dziś w branżach... Grząski grunt ;)

Jednakże fakt, iż nasza klasyczne teorie elektromagnetyzmu są spójne z obserwacjami nie oznacza, że nie istnieją monopole magnetyczne. Po prostu jeszcze ich nie zaobserwowaliśmy.

3. Argumenty na istnienie monopoli magnetycznych, czyli - kopiemy głębiej.

Poczyniono już spory postęp w poszukiwaniu ulotnego monopolu. W 1931 roku Paul Dirac stwierdził, że jeśli by rozszerzyć równania Maxwella o monopole magnetyczne, ładunek elektryczny może występować jedynie w skwantowanych wielkościach (to znaczy, że istnieje pewna jednostka ładunku i całościowe ładunki mogą być jedynie wielokrotnościami jednostki). I jego teoria okazała się prawdziwa co do kwantyzacji elekryczności, choć monopolu i tak nie odkryto.

Inna sprawa to symetria i analogia. Wielu naukowców poszukuje symetrii w prawach fizyki, ba, w całym otaczającym Wszechświecie. Gdyby istniał monopol magnetyczny, dwie teorie - magnetyzmu i elektryczności, które przecież i tak są zunifikowane przez Maxwella w teorię elektromagnetyzmu, byłyby symetryczne. Bo dziś wiemy, że istnieje monopol elektryczny, brakuje tylko magnetycznego. Zaistniałby swoisty dualizm, zamienność teorii elektryzowania się włosów po porannej przygodzie z suszarką w łazience oraz odpadaniu bądź nie magnesików z lodówki ;) Jeśli te teorie byłyby analogiczne, wtedy zapaliłoby się światełkow tunelu dla innych analogii, między innymi teoriami. Być może ów fakt wskazałby możliwość wystąpienia analogii między siłąmi jądrowymi (słabymi i silnymi), a stąd już krok do wielkiej unifikacji sił przyrody. Wielu naukowców snuje pomysły, że gdy Wszechświat był bardzo mały, bardzo młody i bardzo gorący, istniała tylko jedna, zunifikowana siła - zamiast czterech - grawitacji, elektromagnetyzmu, jądrowych słabej i silnej.

Ale zejdźmy na ziemię. To, że teoria wydaje się piękna, nie oznacza, że jest prawdziwa.

4. Nakopaliśmy się, czyli co znaleźliśmy.

Stworzono monopolopodobne struktury w bardzo złożonych konfiguracjach pola magnetycznego, w tak egzotycznych stanach skupienia materii jak kondensacie Bosego-Einsteina (piątym stanie skupienia materii, w którym wszystkie cząstki zachowują się tak jakby były jedną cząstką - mają one identyczny pęd; w tym stanie zachodzi też zjawisko nadciekłości - całkowicie zanika lepkość materii). Jednak to nie to samo, co zaobserwowanie ich w naturze. Istnieje nawet detektor monopoli magnetycznych przy LHC w Genewie (MoEDAL - że też oni zawsze muszą bawić się w słówka przy tych swoich urządzeniach), jednak efekty są mierne, bo zerowe. Dlaczego? Być może wykrycie monopoli wiązałoby się ze znacznie większą energią zderzeń w akceleratorze - taką, jakiej nie jesteśmy jeszcze w stanie wytworzyć.

5. Nic nie znaleźliśmy i co pan nam zrobi...

Teoretycznie, największa możliwa masa monopolu to gargantuiczna wielkość 10^14 TeV. LHC wytwarza energię zderzeń proton-proton rzędu 13 TeV. Nie od dziś wiadomo, że teoretycy fizycy to marzyciele, ale żeby aż tak? Ciekawe, czy ktoś podał te liczby panom od funduszy.

Pewnie nie, skoro nadal pozwalają szukać monopoli.

Tak masywny obiekt jak monopol magnetyczny mógłby utworzyć się jedynie we wczesnych stadiach rozwoju Wszechświata. Choćby przed kosmiczną inflacją (poszły w górę ceny protonów, i to kosmicznie; żartuję, był to okres bardzo szybkiej, wręcz wykładniczej ekspansji rozmiaru Wszechświata). Jeśli kiedykolwiek tempreatura Kosmosu była odpowiednio wysoka, monopole mogły się utworzyć. Kiedy Wszechświat stygł, nie tworzyły się już nowe, tylko ich gęstość zmniejszałą się poprzez anihilację par cząstek (dodatnie i ujemne -> bum, jak w przypadku antymaterii). Jednakże w pewnym momencie ich gęstość była tak mała, że nie dokonywała się już anihilacja. Dawno, dawno temu, w odległej Galaktyce, istniały magnetyczne monopole... :)

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

#6 Kosmiczne Rafaello, czyli Biała Dziura

Witajcie!

Zapewne zdziwił Was tytuł. Miał zadziałać na zasadzie odruchu Pawłowa - rafaello - wywołać cieknącą ślinkę, ale zamiast niego schrupiemy dziś białą dziurę. Czym jest, czy w ogóle jest, i przede wszystkim - z czym się to je (dziurę, bo do tego, jak jeść rafaello, nie trzeba znać fizyki ;))? Wyjaśnię poniżej, gdy tylko wrócę ze sklepu. Sam sobie narobiłem apetytu ;)

1. Biała dziura - chwila, a gdzie czarna?!

Czym jest czarna dziura, nie muszę chyba nikomu tłumaczyć. Wie o niej wszystko każdy przedszkolak, ba, nawet dzieci w żłobku robią już do mamy oczka, które przypominają dwa czarne guziczki wtedy, gdy chcą pokemona ze sklepu ;) O czarnych dziurach pisałem trochę w poście #2 - tym o gwiazdach neutronowych: #2 Gwiazdy Neutronowe czyli młodsze siostry czarnych dziur.

Informacje zawarte w powyższym poście zupełnie nam wystarczą, bo o czarnych dziurach można przeczytać prawie wszystko na przepastnych cyberautostradach Internetu.

2. Narodziny białych dziur... na białym papierze.

Teoria względności Einsteina z początku XX wieku przewidziała istnienie czarnych dziur, po czym, jak na zawołanie, bo tylko kilkadziesiąt lat później, wykryto je za pomocą teleskopów. Jednak fizycy są z natury sprytni i często szukają dziury (tym razem białej) w całym. W 1964 astrofizyk zza Buga - Igor Novikov - zaproponował dość niecodzienny pomysł rozwiązania równań wielkiego A.Einsteina. Wykorzystał fakt, że równania teorii są odwracalne w czasie - posiadają tzw. odbicie T. Jej równania można rozwiązać i uzyskać wymierne wyniki nawet wtedy, gdy... odwrócimy bieg czasu. A to przecież takie proste... na szczęście tylko dla matematyków ;) Jakby wyglądały ulice? Ministerstwo Głupich Kroków byłoby przy tym kaszką z mlekiem. Ale do rzeczy.

Abrakadabra, strzałka czasu odwrócona! Biała dziura to po prostu jej czekoladowa siostra z czasem puszczonym wstecz. Dodatkowo, naukowcy zajmujący się na co dzień, tak jak niektórzy z nas mieszają herbatę, matematyką czarnych dziur, bawią się w różne symulacje. A to wyłączą prąd, a to pomalują ją na różowo, a to dorysują wąsy... A poważnie - zabierają im ładunki bądź wyłączają rotację, lub, i to jest nasz przypadek, obniżają masę osobliwości grawitacyjnej do zera. Wtedy powstaje biała dziura. Jest ona koncepcją, czysto teoretycznym mirażem (prawie, ale o tym w dalszej części programu), ale - bardzo nęcącym dla matematycznych zboczeńców ;) Trzeba jednak podkreślić, że rozwiązania równań dla białych dziur są hipotetyczne, ponieważ opisują Wszechświat składający się jedynie z czarnych dziur, białych dziur oraz tuneli czasoprzestrzennych - bez materii, promieniowania i energii.

Ale co wiemy o tych wyimaginowanych dziwadłach?

3. Biała dziura w praniu, czyli 'Kurde, dlaczego nie wyjąłem rafaello z kieszeni spodni...'

Czarna dziura jest odwrotnością białej dziury. Biała damulka wypycha materię na zewnątrz, zamiast ją wciągać! Nie działa jak kosmiczny odkurzacz, tylko jak kosmiczna plujka. Trochę materii tu, trochę tam... Jest jakby złośliwą siostrą dziury czarnej, bo gdy tamta wsysa, białaska puszcza kosmicznego pawia ;) Ale nie od dziś wiadomo, że tak jest zawsze między rodzeństwem ;) Do białej dziury nie da się wejść, można z niej tylko wyjść. Istnieje tak długo, dopóki poza horyzont zdarzeń nie dostanie się materia. Wystarczy jeden atom wodoru, jedna kuleczka i bum! Nastąpiłby kolaps do czarnej dziury. Białe dziury, gdyby istniały, byłyby bardzo niestabilne. Egzystowałyby tylko przez niewielką liczbę sekund po czym przeistoczyłyby się w swoją czarną odpowiedniczkę.

Dlaczego prawa fizyki tak bardzo nie lubią białych dziur? Dlaczego?! O, bezlitosne, cóżem ja wam uczyniła? Czyżby kosmiczny rasizm? ;) Białe dziury, gdyby istniały, musiałyby stać w sprzeczności z drugą zasadą termodynamiki. To nie takie trudne, jak Wam się wydaje, już objaśniam.

4. Dlaczego fizyka nie lubi Białych Dziur?

Pojęcie entropii jest Wam na pewno znane z lekcji muzyki i techniki. Nie? Udowodnię, że tak ;) Wyobraźmy sobie pianino. Każdy je widział na muzyce... 1-0 dla mnie. A teraz... Bierzemy młotek i rozwalamy to pianino na drzazgi. Każdy widział młotek na technice. I już po Was ;)

A teraz entropia. Mamy dwie sytuacje - pianino w całości i po ataku ucznia, który dostał pałę za śpiewanie Bogurodzicy. Wszedł w nocy do szkoły, ukradł młotek z pracowni techniki... Nieważne. Pianino i sterta wiórów. Entropia to stopień nieuporządkowania układu. A raczej - w jak wielu różnych stanach mogą znajdować się cząstki w układzie w danym momencie. Siekamy pianino na plasterki i entropia rośnie, bo trociny mogą znajdować się w o wiele większej liczbie konfiguracji niż samo pianino. De facto, entropia zawsze rośnie, albo pozostaje stała. To właśnie druga zasada termodynamiki. I tak jest w całym Wszechświecie, przynajmniej takim, jakim go znamy obecnie. A biała dziura plwa na te wszystkie entropie i termodynamiki. W teorii - kosmiczne rafaello zmniejszałoby ją. A tego zabraniają nam obecne prawa fizyki. Olaboga, i co teraz? Co wyście stworzyli, matematycy?! Czarne dziury robią wszystko, jak należy - rąbią na kawałki, w zasadzie na atomy całe gwiazdy, wciągając je, powiększają entropię jak fiza nakazuje. A biała? Szkoda słów. Kosmiczna czarna owca wcale nie jest czarna.

5. Biała dziura i pętlowa grawitacja kwantowa.

Wróćmy do równań teorii grawitacji, bo tam kryje się zagadka pochodzenia białych dziur. Teorie Einsteina niestety załamują się, gdy przychodzi do obliczeń nieskończenie gęstej osobliwości grawitacyjnej we wnętrzu czarnej dziury. Lecz dwójka fizyków - H.Haggard i Crovelli z Aix-Marseille University, którzy pracują nad tzw. pętlową grawitacją kwantową dowodzą, że czarne dziury mogą transformować się do białych poprzez procesy kwantowe. Transformować, entropia, kwantowe... Tyle mądrych słów, tyle mądrych słów... To może jakiś obrazek ;)

Czym jest pętlowa grawitacja kwantowa? Jest to jedna z wersji teorii grawitacji kwantowej - Świętego Graala współczesnej fizyki teoretycznej - unifikacji teorii kwantów (opisującej cząstki) oraz teorii Einsteina (grawitacja w astrofizyce, oddziaływania grawitacyjne na dużą skalę). Pętlowa grawitacja kwantowa zakłada, że czasoprzestrzeń składa się z fundamentalnych bloków ukształtowanych jak pętle. O co tyle hałasu? Weź pan tę pętlę i powieś się zamiast przynudzać! Otóż nie.

Gdy gwiazda umiera, zapada się pod własnym ciężarem. Jednak zamiast zapadać się do osobliwości o nieskończonej gęstości (założenie teorii względności), odbija się i tworzy białą dziurę! Po prostu, osobliwość nie może mieć nieskończenie małego rozmiaru, jako że 'piksel' czasoprzestrzeni - pętla, najmniejszy możliwy rozmiar obiektu w naszej rzeczywistości, ma rozmiar skończony. Czarna dziura przechodzi w naturalny sposób w dziurę białą. W jednej chwili ferrero rocher, zaraz potem - rafaello ;)

Powyższy proces trwałby bardzo krótko, dosłownie tysięczne części sekundy, jednak tylko dla obiektów znajdujących się bardzo blisko osobliwości. Ze względu na dylatację czasu, czyli relatywizm i fakt, że przy czarnej dziurze, ze względu na grawitację, czas płynie wolniej - całe zdarzenie wyglądałoby dla obserwatorów zewnętrznych jako trwające miliardy lat! Dlatego mówi się, że mikroskopijne czarne dziury powstałe tuż po Wielkim Wybuchu mogłyby zostać widziane jako wybuchy białodziurowe dopiero teraz. No, świetny refleks!

6. Drzwi do innych Wszechświatów? Ej, rafaello, naprawdę?

Inną ciekawą właściwością białych dziur i obliczeń teorii względności dla odwróconego czasu jest fakt, że mogą one być, po połączeniu z czarną dziurą tunelem czasoprzestrzennym, miejscem wylotowym do innego czasu, przestrzeni, ba, może Wszechświata? To oczywiście hipoteza na temat hipotetycznego obiektu bo, jak napisałem wcześniej, taki Wszechświat serwowałby nam jedynie białe i czarne dziury oraz tunele. Coś za coś. Swoją drogą, drogie to rafaello... =]

7. Czy to była biała dziura, tam, na nocnym niebie?! A nie, to NASA.

14 czerwca 2006 roku satelita SWIFT należąca do NASA zaobserwowała eksplozję materii w głębokim Kosmosie, której astronomowie do dziś nie potrafią wyjaśnić. Mówiło się o rozbłysku gamma - najbardziej energetycznym wybuchu we Wszechświecie - milion trylionów silniejszym niż światło, jakie zapodaje nam Słońce. 102 sekundy bardzo silnego promieniowania. Rozbłyski gamma trwają tyle tylko podczas wybuchu supernowej. Jednak przy GRB 060614 nie zaobserwowano supernowej. Białe, gorące światło pojawiło się znikąd, po czym zniknęło. Próbowano też podpiąć pod to wydarzenie zderzenie dwóch czarnych dziur, albo czarnej dziury i gwiazdy neutronowej... Ale takie wybuchy trwają 2-3 sekund.

Ostatecznie stwierdzono, że gdyby kiedykolwiek zaobserwowano białą dziurę, wydarzenie to wyglądałoby dokładnie tak, jak GRB 060614 14 czerwca 2006 roku :)

8. Bajka na dobranoc... Wciagnięci i wypluci, przez dziurę czarną i białą :)

Film pokazuje widok, jaki ujrzelibyśmy wpadając do czarnej dziury, osiągając punkt osobliwości i wylatując wystrzeleni przez białą dziurę :) Czysto hipotetyczna sytuacja, interpretacja raczej artystyczna. Ale jest na co popatrzeć. Do zobaczenia po drugiej stronie! ;)

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

#5 Co jeść i jak ćwiczyć, czyli Max Planck i jego słynna Długość

Witajcie!

Kolejna już odsłona mojego bijącego popularność w całej galaktyce bloga! Kosmici już pukają do okien i podsuwają nowe pomysły, zaraz, a może pukają się w głowę? To byłoby bardziej prawdopodobne... Właściwie to materiał na nowego posta podsłuchałem na przystanku od pani Wiesi i Barbary, miałem szczęście, że akurat wracały z kościoła... No dobra. Jestem takim trochę fizykiem, ale też i fizolem, bo lubię biegać. I to i to na fi, więc jesteśmy w domu.

Dziś chciałem pomęczyć przysłowiową bułę tzw. Długością Plancka. Placka, planka? Nie, nie! Tego się nie je i nie służy też do wzmacniania mięśni brzucha. Ta długość to najmniejsza odległość mająca sens fizyczny. Co to oznacza? Właśnie to, co napisałem. Dobranoc.

1. A co to takie malutkie, ło, tam?

Ok, teraz już poważniej. Max Planck był to niemiecki fizyk, który zapoczątkował, wraz z paroma innymi, nie do końca normalnymi - na tle górnictwa, zbierania rupieci w piwnicy i przybijania młotkiem gwoździa - facetami, fizykę kwantową na początku XX wieku. Naszej ery oczywiście ;) Czym jest kwantówka - każdy słyszał, nie każdy wie, co się z tym wiąże, dla nas wystarczy wiedzieć, że to głównie zachowanie materii i energii na poziomie podstawowym oraz że bez niej nie byłoby komputerów. Nie tylko kwantowych. Ale ja nie o tym tutaj.

Czym jest długość Plancka? Bardzo ładnie się składa, że to tak zwana wielkość naturalna. Dlaczego naturalna? Bo nie ma owoców i bakalii, sama naturalna przyjemność. A już mądrzej to dlatego, że została obliczona jako kombinacja trzech stałych, fundamentalnych dla przyrody. Na piękne równanie dające jako wynik długość pana Maxia składają się: newtońska stała grawitacji (G), prędkość światła (c) - podstawa dla elektromagnetyzmu oraz kwantowomechaniczna stała Plancka (h). Równanie wygląda tak:

Lp = √(h*G/c^3)

Czasami fizycy nazywają jednostki naturalne 'boskimi jednostkami'. Dlaczego? Ponieważ są one uniwersalne w całym znanym nam Wszechświecie, jako że są kombinacją stałych fizycznych. O ile prędkość światła i inne konstansje są takie same w całym Kosmosie, byle kosmita mógłby zrozumieć równanie zapisane na bazie jednostek naturalnych. Usunięta została antropocentryczność, czyli ludzka zależność od naszego systemu liczbowego.

2. Skala, czyli ile placków można zjeść, żeby poprawnie wykonać plank.

A teraz sama długość, chociaż trudno nazwać takie maciupeństwo długością... hmmmm. Ok, mamy te 1.6^-35 metra, zero, kropka, 33 zera, jedynka i szóstka. Można powiedzieć, że długo długo nic, a na końcu szesnastka, ale nie czas tu na numerologię. Chciałbym unaocznić czytelnikowi, jak mała jest to liczba.

Załóżmy, że mamy deskę o wysokości 1.6 metra, czyli mniej więcej wielkości nastolatka albo sporego wzrostu karła ;) podzielmy tę deskę na 10 części. Otrzymujemy 0.1 długości deski, czyli 16cm. Następnie, podzielmy 16 centymetrowy odcinek na 10 kolejnych kawałków. Otrzymujemy 1,6 cm, czyli dystans, jaki ślimak mógłby uznać za solidny spacer z zadyszką ;). To już drugie miejsce po przecinku, czyli 0.01 deski - 1.6^-2 metra. Powtórzmy tę czynność... 33 razy. Nadążacie?

Może inaczej. 1.6^-35 to wielkość NIEWYOBRAŻALNIE mała.

Każdy widział na rysunku atom, te kuleczki i orbitki, zupełnie jak mały Układ Słoneczny. Nie tak to wygląda w rzeczywistości, ale mniejsza z tym. Większa o... rozmiary. Te małe kuleczki w środku, protony i neutrony, mają rozmiar około 10^-15 metra. To znaczy - 0.000000000000001 metra. Cały atom wodoru, z elektronami okrążającymi go w orbitalach osiąga niebotyczne rozmiary 10^-10 metra. Na pewno te zera i jedynki nie mówią nic nikomu, poza informatykami i komputerami (których rzesza na pewno też czyta ten post ;)), dlatego posłużę się skalami. Gdyby jądro (atomu...) miało rozmiar łebka od szpilki, elektrony znajdowałyby się na koronie dużego stadionu piłkarskiego. Jak sami widzicie, podręczniki z pedałówy kłamią. Nasza materia składa się przede wszystkim z ... pustki :)

To tylko początek ukazania skali długości Placka. Planka. Plancka. Ufff. Przy takiej manipulacji liczbami można pogubić się w literach ;) Wyobraźcie sobie, że ten mały atom wodoru (10^-15 metra) chcielibyśmy skonfrontować z długością Plancka, czyli skalą 10^-35 metra. Wydaje się, że to niewiele mniej, prawda? Owszem, wydaje się, ponieważ ludzki mózg ma problem z wizualizacją postępu geometrycznego i innych, podobnych ciągów. W końcu na papierze to tylko parę zer, trochę miejsc po przecinku... Nic bardziej mylnego. Aby móc wyobrazić sobie różnicę między atomem wodoru a długością Plancka, należałoby atom powiększyć. Jak bardzo? Załóżmy, że 10^-35 ma wysokość drzewa, przy odpowiednim skalowaniu. Wobec tego, jak duży powinien być atom wodoru? Wielkości lasu! Puszczy! Nie. Nie. Ziemi? Układu Słonecznego?! Galaktyki?! Bredzę? Też nie. Atom wodoru, aby zachować skalę, musiałby mieć rozmiar... widzialnego Wszechświata. To znaczy 92... miliardów lat świetlnych. Rok świetlny to 9.46^15 metra czyli około 9 bilionów kilometrów. Teraz można się już położyć i spokojnie odłożyć na stolik nocny wyrwane włosy z głowy. O ile coś z niej jeszcze zostało ;)

3. Deserek, wisienka na torcie, to znaczy na Pla(n)cku.

Dobrze. Ci z Państwa, którzy lubią liczby, na pewno czują się usatysfakcjonowani. Ale najlepsze danie zostawiłem na koniec. Na początku napisałem, że długość Plancka to najmniejsza długość mająca sens fizyczny. Tak, sens fizyczny, ale jaki sens ma w ogóle ostatnie zdanie? Co to znaczy sens fizyczny?

Załóżmy, że dysponujemy magiczną lupą, która wprowadza nas w przedziwny, w zasadzie im mniejszy, tym dziwniejszy, nano-świat. Pomijamy grzyby, ryby, bakterie (do których wszakże nie trzeba lupy, chyba że do potomstwa sardynek lub tych małych, najsmaczniejszych grzybków ze słoika ;), komórki, DNA, bla, bla bla. Nasza lupa robi co może i pokazuje na atom wodoru, protony i neutrony w jądrze ~10^-15 metra. Dalej znajduje się już tylko średnica elektronu - 10^-20 metra. Taka jest granica technologiczna, aby spoglądać głębiej i powiększać dalej, musielibyśmy dysponować nieosiągalnym dziś sprzętem. Już sam elektron jest enigmatyczny, bo jego średnica jest jedynie szacowana, a sam, jako niepodzielna cząstka elementarna, określana jest jako punktowa, czyli nie posiadająca wymiarów! Takie założenie stosuje się przy obliczeniach i, jak dotąd, przy dość małym błędzie pomiarowym, sprawdza się ono. Ale przecież elektron jest obiektem fizycznym, nie matematycznym, bezwymiarowym punktem! Istnieje, na Peruna! Perun tu nie pomoże. Ani nawet nasza obecna technologia.

I oto, nasza hipotetyczna lupa, pozwala nam zajrzeć dalej! To, co dzieje się w skali 10^-35 metra jest na razie czystą spekulacją. Najtęższe umysły świata próbują przewidzieć, co też tam zachodzi. I są to spekulacje naprawdę elektryzujące.

3.a. Hipoteza #1.

Istnieje pomysł, że przy skali Plancka zwykła, czterowymiarowa czasoprzestrzeń przestaje istnieć. Nikt nie wie, jakie procesy tam zachodzą, ani co zajmuje miejsce czasoprzestrzeni. Być może inna liczba wymiarów? O większej ilości wymiarów mówiłem w poście #1 (http://diesphys.blogspot.com/2016/04/1-4d-czyli-wyzszy-wymiar-przestrzenny.html). Jeśli to nie jest wystarczająco interesujące, to spadajcie. Ja się tak nie bawię, następnym razem napiszę relację z Halloween party na fermie drobiu w Oborze koło Lubina, gdzie kurczaki przebrane za wampiry... ;) Ale, co tam. Dobrnęliśmy już z lupą tak daleko... Niech będzie ;)

Oprócz innej liczby wymiarów, w skali Plancka czasoprzestrzeń może wyglądać jeszcze inaczej. I nie, to nie są opowiadania science-fiction, ani filmy pokroju Atak Krwiożerczych Pomidorów z Kosmosu. Hipotezy, które przedstawiam, mają swoje pochodzenie w najlepszych ośrodkach naukowych świata.

Być może przy odległości Plancka istnieje całkowicie nowy koncept rzeczywistości, wyglądem przypominającym boisko do futbolu amerykańskiego. To nie znaczy, że jest tam trawa i biegają po nim małe ludziki w kaskach. Chodzi o linie poprzeczne boiska, rozmieszczone co pewną, określoną odległość. Te linie tworzą strukturę, z której składa się Wszechświat, a co najgorsze, pomiędzy nimi nie ma... nic. Nic?! A nic. Po prostu i dosłownie nic. Te linie to budulec i swoista tkanina całej rzeczywistości. Przy poruszaniu się w tej skali, istnieją tylko cyfrowe przeskoki, nie ma ciągłego ruchu! To tak jakby futbolista biegł, ale pojawiałby się tylko na kolejnych liniach, bez pokonywania odległości między nimi, bo między nimi nie istnieje nic. Nie ma żadnych stanów pośrednich, nie ma żadnego przebywania drogi, między liniami nie istnieje przestrzeń... Oczywiście, przy odpowiednim powiększeniu i pojawia się wrażenie poruszania się, bo już z w skali niewiele większej niż 10^-35 metra pojawia się wrażenie ruchu ciągłego. Ale na najbardziej podstawowym poziomie, istnieją tylko cyfrowe przeskoki, zero albo jeden, linia albo nicość. Rzeczywistość miałaby charakter zdigitalizowany.

3.b. Hipoteza #2

Inna hipoteza mówi, że zmniejszanie poniżej tej długości jest pojęciem, które nie ma sensu, a czas i przestrzeń mogą być właściwościami emergentnymi Wszechświata. To znaczy, że składowe tworzą złożoną strukturę - czas i przestrzeń może być opisana jedynie jako funkcja składowych współgrających razem, a nie tylko jako suma elementów. Co to oznacza w języku Laika i Tłu... Początkującego Ekslporatora Zagadnień Fizycznych? ;)

Wyobraźmy sobie mózg. Najlepiej nie ślimaka, ponieważ posiada on tylko zwoje mózgowe, między niewieloma innymi takie do wybrania kierunku i lokalizacji pożywienia. Mózg przez duże Mó. Mamy tam neuronów masę (~100 mld, jedni więcej, drudzy mniej), a między nimi zachodzą przeróżne reakcje neurochemiczne. Neurony mają też różne funkcje komórkowe. Ten cały bajzel jakoś hula, bo budzimy się rano (jeszcze pięć minutek ;)), jemy, chodzimy, mówimy, coś robimy, i tak dalej. Ale najpiękniejsza i jednocześnie najbardziej tajemnicza właściwość mózgu to świadomość. I właśnie ona jest właściwością emergentną mózgu. Reakcje i funkcje na poziomie neuronalnym składają się na mózg, jednak opisane składowe nie tłumaczą świadomości. Świadomość swoją złożonością przekracza w dużym stopniu funkcje neuronów, jest rezultatem współgrania ich działania.

Podobnie z czasem i przestrzenią: same składowe - czy to opisana powyżej tkanina rzeczywistości, czy inna struktura - sama w sobie nie tłumaczy istnienia czasoprzestrzeni. Jeśli zejdziemy do poziomu neuronów, pojęcie świadomości traci sens i przestaje właściwie istnieć - tak samo, gdy zejdzie się poniżej skali Plancka, pojęcie czasu i przestrzeni przestaje funkcjonować, załamuje się. Spójrzmy choćby na telewizor. Z pewnej odległości widzimy obraz, przy solidnym walnięciu ręką w bok nawet film, ale gdy przyjrzeć się bliżej - na poziomie piksela - nie widzimy już pożądanego "M jak Miłość" - jedynie składową w postaci bardzo małej cząstki wyświetlanej zawartości, tworzącą jednak wraz z innymi spójną całość.

- Stachu! Zabierz mnie tę lupę sprzed oka bo jakąś kreskę ino widzę! A tu Hanka jedzie i, no, zaraz coś chyba będzie!
- Cicho tam, babo. Badam strukturę czasoprzestrzeni.

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