#37 'Dlaczego nie pięć', czyli Dlaczego Przestrzeń jest 3-wymiarowa?

0. Wstęp, bo jakoś trzeba zacząć.

Dzień dobry!

Panie i panowie, Fizyka dla Laika i dalej wiecie co, przedstawia temat z pogranicza matematyki i fizyki.

Szarpnąłem się trochę na matmę, żeby Wam urozmaicić odbiór. I nie jest tak, że od matemy zacząłem i na niej skończę, a pewnie wielu z Was dojdzie do takiego wniosku. Zajmujemy się głównie fizyką i głównie kwantową, ale czasem autor dochodzi do wniosku, żeby trochę odpocząć.
Kwant tu, kwant tam, i spuchnięty łeb gotowy. Mój, Wasz, wszystko jedno, zawsze są jakieś łby do spuchnięcia ;)

Dlatego dziś zajmę się tym nie 'jak to możliwe', albo 'jak to jest zrobione', jak poczyniłem w pierwszym poście. Dziś zajmiemy się pytaniem 'dlaczego'.

Dlatego pytam 'dlaczego' ;)

1. Dlaczego nie?

Bo tak ;)

Pytaniem 'Dlaczego przestrzeń jest trójwymiarowa, a nie piętnasto?' zajmowali się naukowcy i filozofowie od lat niepamiętnych. Od starożytnej Greki, po Rzym i Germanię... No, z tym ostatnim to przesadziłem, bo tam głównie liczono drzazgi na wyrębie, ale w Grecji to na pewno. Ogólnie przyjętym skrótem myślowym się posłużę (chociaż w ostatnim poście pisałem inaczej, ale dla dobra naszych łepetyn i na potrzeby tego tematu poczynię założenie zgodne z teorią względności Einsteina) : czasoprzestrzeń jest czterowymiarowa. Albo - jest trójwymiarowa, jeśli chodzi o przestrzeń, a czas jest wymiarem dodatkowym, innym w swojej naturze. Co fajne, Wymiar czasowy jest bezpośrednio powiązany z drugą zasadą termodynamiki Newtona.

Co za tym idzie? Czas ma jeden kierunek (strzałka czasu jest skierowana w przyszłość), ponieważ entropia (miara nieuporządkowania układu) nigdy nie malej w zamkniętym układzie, takim jak Wszechświat. Może maleć w systemach otwartych, ale do układu musi być dostarczona energia cieplna. Wyjaśnienie pojęcia entropia znajdziecie w punkcie 2. tego oto posta:{entropia, go to point tu maj friends}. Tam jest fajnie to opisane, nie będę się powielał. Jeszcze będę się musiał zamknąć za łamanie praw autorskich ;)

3. Helmholtz! Raz, dwa, trzy.

W najnowszych opracowaniach, badacze opracowali sprytny myk, jak to możliwe, aby wykorzystać tę biedną drugą zasadę termodynamiki do wytłumaczenia 'Dlaczego przestrzeń jest trójwymiarowa?'

To już wiedza z pogranicza filozofii i nauk ścisłych: być może dzieje się tak dlatego, aby czasoprzestrzeń była idealna, by stworzyć warunki możliwe do zaistnienia życia, albo by zapewnić stabilność i różnorodność... Bazując na dedukcji, wysnuto wniosek z obserwacji modelu wymiarowości Wszechświata,z odpowiednim 'tłem' w postaci czasoprzestrzeni. Warto dodać, że liczba trzy wydaje się optymalna, biorąc pod uwagę ilość.

Naukowcy proponują takie buty: przestrzeń jest trójwymiarowa z powodu własności termodynamicznej znanej jako 'gęstość wolnej energii Helmholtza'. We Wszechświecie wypełnionym promieniowaniem, ta gęstość może być uznawana za rodzaj ciśnienia wywieranego na całość przestrzeni, a zależy ona od temperatury i ilości wymiarów przestrzennych.

Badacze, wskazali na fakt, że kiedy Wszechświat zaczął się ochładzać od momentu Wielkiego Wybuchu (bam! i mamy Wszechświat), gęstość Helmholtza osiągnęła pierwszy raz maksymalną wartość przy bardzo wysokiej temperaturze. Jakby tego było mało, nasze uniwersum było tylko w powijakach, a miało na liczniku jedynie ułamek sekundy; liczba wymiarów przestrzennych wynosiła około trzech. Dziwne, prawda? Około trzech, czyli ile? Dwa, pięć, 6,5?

Takie cuda są wyjaśnione m.in. {4d tutej}… tutej :)

4. Temperatura krytyczna, i proszę nie krytykować ;)

Kluczowym pojęciem jest fakt, że kiedy przestrzeń 3D była zamrożona w tym momencie, kiedy gęstość Helmholtza osiągnęła pierwszy raz maksimum, nie mogła się przeistoczyć w przestrzeń o wyższej ilości wymiarów. A chętnie by to zrobiła, przestrzeń ta nasza kochana ;)

To wszystko dlatego, że drugie prawo termodynamiki pozwala na takie przejścia w wyższe wymiary tylko wtedy, gdy temperatura rośnie powyżej owej krytycznej wartości, nie gdy znajduje się 'pod kreską'. Ponieważ Wszechświat ciągle się ochładza, obecna temperatura wynosi o wiele mniej, niż potrzeba do tego, żeby 3D przeistoczyło się w 4D, albo pięć, dziesięć, osiemdziesiąt...

Analizując dalej: wymiary przestrzenne są ściśle podobne do przemian fazowych materii - kiedy zmienia się temperatura, zmienia się stan skupienia. To fantastyczne - wyobraźcie sobie, że robimy ciasto, otwieramy piekarnik, a tam tesarakt… Może nie aż tak, ale coś w ten deseń. Co dopiero lodówka, strach pomyśleć, zamrożone banany w 4D ;) Lepiej je trzymać w szafce.

Ale poważnie - chodzi o ciało stałe, ciecz i gaz. Tudzież kondensat Bosego-Einsteina i plazmę.

Badacze wyjaśniają dalej: 'W procesach chłodzenia wczesnego Wszechświata i po okresie pierwszej krytycznej temperatury, zasada przyrostu dla systemów zamkniętych zamkniętych mogła zabronić pewnych zmian w wymiarowości'.

Nadal pozostaje miejsce dla wyższych wymiarów, które mogły wypełznąć podczas pierwszych ułamków sekund istnienia Wszechświata, kiedy był on gorętszy niż podczas momentu o krytycznej temperaturze. Przecież mamy o nich napisane w wielu publikacjach, są obecne w wielu modelach naszego Uniwersum - dlaczego miałyby nie istnieć w tak zagadkowym okresie pierwszych chwil po Wielkim Wybuchu? Mogłyby, to lepsze słowo. No i ta teoria strun, ta śmiała teoria spędzających sen z powiek wielu fizyków teoria strun.

Nowe badania mogą wyjaśnić dlaczego, w wielu tych modelach, te wspaniałe dodatkowe wymiary zwinęły się, niejako zapadły (albo pozostały takie, jak były na samym początku, bardzo małe), podczas gdy przestrzeń trójwymiarowa rozrosła się do rozmiarów obserwowanego Uniwersum.

W przyszłości, naukowcy planują ulepszyć swój model, włączając dodatkowe efekty kwantowe (wow, dyskoteka, czy co? ;)), które mogłyby wystąpić podczas pierwszych sekund po Wielkim wybuchu, w tak zwanym okresie Plancka, aby coś tam nie było takie proste jak się wydaje.

Dodatkowo, wyniki z bardziej kompletnego modelu mogłyby dać naukowcom wskazówki do pracy nad innymi modelami kosmologicznymi, takimi jak grawitacja kwantowa...

5. I to tyle moi mili, mam nadzieję, żeśmy razem do portu razem dobili.

Fajnie. Dodatkowe wymiary, i to nie jak, a dlaczego. Można osiwieć, oczadzieć, i nabawić się rozstroju wątroby, bądź innych narządów. Oby nie tego na szyi, i nie mówię o oczach, które też są przecież trochę na szyi.

I na ten znak, że już bredzę, trzeba kończyć :)

Dlaczego trzy, zapytacie.

A dlaczego nie? ;)  

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

#36 Czasem jest czas, czyli czas na fizykę Czasu

0. Wstęp.

Z tym czasem nikt do końca nie wie, jak jest.

To bardzo trudny temat, wielu, a właściwie większość fizyków ma ograniczone pojęcie, stosuje się bardzo oszczędne definicje.

Może zabrzmi to jak żart, ale podaje się określenia typu 'czas jest to wielkość, którą mierzą zegary', albo 'czas płynie w tempie 1 sekundy na sekundę'. I tym razem nie żartuję, podane wyżej definicje funkcjonują jako obowiązujące w fizyce. Mamy jeszcze 'jest to czwarty wymiar czasoprzestrzeni, poza trzema wymiarami przestrzennymi'.

I ostatnią definicją zajmiemy się dziś. Proszę mi wybaczyć rozwlekłość, ale przymierzałem się do wzięcia za barki z Czasem od... dłuższego już czasu ;)

1. Punkt po wstępie ;)

Czas to przede wszystkim pojęcie służące do mierzenia długości trwania wydarzeń. Jest głęboko zakorzeniona w naszej intuicji, ta koncepcja czasu, która wydaje się słuszna ;) Bo ona jest słuszna, ta koncepcja, prawda? ;) żarty na bok. Tymczasowo ;)

Pojęcie czasu służy także opisowi układów fizycznych w języku matematyki. W jaki sposób?

Prędkość to nic innego, jak przemieszczenie obiektu w danym czasie.

Niestety, dalej sprawa czasu się komplikuje. Bo w ujęciu Newtońskim jest on 'absolutny', czyli niezależny od innych zmiennych i parametrów fizycznych opisujących naszą Rzeczywistość, tak jakby istniał sobie zegar, który odmierza cały ten czas tak samo dla całego Wszechświata.

Z kolei Einstein uważał, że czas to tylko czwarty wymiar czasoprzestrzeni.

Dziś wielu teoretyków stawia znak negacji pod dwoma opisanymi wyżej koncepcjami czasu, i drąży głębiej. Uważa się, że czas jest bardziej realny, bardziej zakorzeniony w naszym świecie fizycznym, nie jest tylko suchym, stricte matematycznym, jakby nieuchwytnym pojęciem. Jak realnie spojrzeć na czas?

A może jako na miarę numeryczną kolejności zdarzeń? Czyli - czas służy do ustalenia kolejności wydarzeń, określa skutek i przyczynę.

I tym ostatnim podejściem się dziś zajmiemy.

2. Brak wymiaru czasowego.

Zwykliśmy uważać, że czas to absolutna wielkość fizyczna, która jest całkowicie niezależna, taką po prostu odgrywa rolę, jak 'wolny elektron na boisku piłki nożnej', taka 'dycha', rozgrywający. Zmienna 't', często opisywana jako 'x' na wykresach, które pokazują rozwój sytuacji w układzie fizycznym.

Ale czas bardzo często traktowany jest po macoszemu. Wyliczamy sobie za jego pomocą prędkość, częstotliwość pewnych obiektów. A wygląda to mniej więcej tak: w doświadczeniu istnieje ruch obiektu badań i 'tyknięcia' zegara, potem porównujemy jedno do drugiego i mamy pożądane zmienne.

A to malutkie 't' to tylko matematyczna wartość, bez odpowiednika w fizycznym świecie. Bo czy widzimy czas? Czy go czujemy? Widzimy ruch, widzimy drgania z pewną częstotliwością, ale czasu ni ma.

Krótko mówiąc: czas ma więcej wspólnego z przestrzenią, niż z wymyśloną kiedyś ideą 'absolutnego' czasu pewnego nadrzędnego nad wszystkim zegara.

Dlatego w tym momencie nasi badacze, którzy porywają się na zrozumienie w inny, niż dotychczas, sposób pojęcia czasu mówią, że nie ma czegoś takiego jak 3 wymiary przestrzenne w czasoprzestrzeni i jeden czasowy. Istnieją cztery wymiary przestrzenne. Mówi się, że Wszechświat jest 'bezczasowy'.

3. Czas jako wymiar przestrzenny.

Śmiałe teorie. Idziemy dalej!

Czas, być może, nie jest fizyczną wielkością, w której zachodzą zmiany w materialnych obiektach i na nich. Można uprościć sprawę - czas to po prostu liczbowe ustalenie pewnej kolejności zmian. Przy takim podejściu, twierdzą badacze, łatwiej wytłumaczyć zjawiska, takie jak grawitacja, elektrostatyka. Dlaczego? Bo są to zjawiska fizyczne, które mają związek ze zmianą w przestrzeni, w której zachodzą (owe zjawiska).

Einstein rzekł: 'Czas nie jest niezależny od zjawisk, a szczególnie od kolejności ich zachodzenia.'

Jest kolejnością zachodzenia wydarzeń.

4. Parę słów związanych z Planckiem.

Kolejna teoria na tapecie: Wszechświat jest 3-wymiarowy, od skali mikro, czyli objętości Plancka, do wielkich Dróg Mlecznych i olbrzymich Gromad. Nie ma w tej przestrzeni ani zagięcia, ani skrócenia odległości (inaczej 'skrócenia Lorentza'), a ni 'dylatacji czasu'. Jedyne, co istnieje, to fakt, że prędkość zmiany dla obiektów jest 'względna'.

5. Kolejność porządkowa w przestrzeni.

Weźmy taki foton w przestrzeni, poruszający się od punktu A do punktu B. Odległość składa z długości Plancka, dodanych do siebie. Odległość Plancka to najmniejsza możliwa odległość, jaką może pokonać foton. I pokonuje go, niestety, w czasie Plancka. Niestety, bo to znowu najkrótszy z możliwych czasów. I drugie niestety: mózg się gotuje... :)

Kiedy foton porusza się po danej prostej, i pokonuje jedną odległość Plancka, porusza się wyłącznie w przestrzeni, a nie w 'absolutnym' czasie Newtona. Porządek numeryczny jest taki: 1. punkt A., 2. punkt A + odległość Plancka, 3. punkt A + 2 odległości Plancka, itd. Pozycja 1 jest umiejscowiona w przestrzeni przed pozycją 2, pozycja 2 przed pozycją 3, itp. Jednak ta kolejność to nie kolejność w czasie... Pozycja 1 nie znajduje się przed pozycją 2 w czasie, tylko w przestrzeni.

Jak tłumaczą badacze, bez używania czasu jako czwartego wymiaru czasoprzestrzeni, można opisać świat dokładniej. Sugeruje się, że matematyczny model czasoprzestrzeni nie odpowiada fizycznej rzeczywistości oraz że bezczasowa przestrzeń dostarcza dokładniejszej struktury opisu.

6.  Newtońskie pojęcie czasu.

Newtońska teoria czasu absolutnego jest bardzo sprytna, tak sprytna, że nie da się jej ani obalić, ani udowodnić, że jest prawdziwa. Próbowano, próbowano.

Z kolei teoria czasu jako kolejności porządkowej występowania zdarzeń jest możliwa do obalenia, na szczęście obalili ją ci sami naukowcy, którzy ją postawili. Zaorali się sami ;)

Do tego dochodzi bardzo fajne, niejako przy okazji odkryte, 'znalezisko'. Czas jako kolejność porządkowa występowania zdarzeń w przestrzeni może wyjaśnić paradoks Zenona - ten o Achillesie i żółwiu.

Paradoks Zenka można opisać mniej więcej tak: Achilles startuje do biegu z żółwiem. Daje mu fory, ale mimo, iż porusza się10x szybciej niż żółw, nigdy nie może go dogonić, ponieważ... Dziwne, co?

Na każdą jednostkę odległości, którą pokonuje Achilles, żółw przebiega 1/10 dalszego dystansu. Achilles biegnie, dobiega do miejsca, w którym stał żółw, ale gadzinka jest już 1/10 odległości achillesowej dalej. I tak w kółko! Do zakichanego końca.

Ale, wierzycie w to? że Achilles nie doścignie żółwia? Oczywiście, nie. Ale spróbujcie udowodnić!

To już trudniejsze.

Istnieje wiele wytłumaczeń, dlaczego samo doświadczenie myślowe jest podstępne i niełatwe do rozwiązania. Potrzebny jest trochę lepszy, niż intuicyjny, aparat matematyczny.

Dzięki naszemu pojęciu czasu jako kolejności zachodzenia zdarzeń w przestrzeni, można go wyjaśnić, paradoks ten.

Przedefiniowano prędkość - szybkość ruchu dwóch zawodników ocenia się według ich położenia w liczbowej kolejności punktów w przestrzeni, a nie według czasu. I według tej perspektywy, Achilles i żółw poruszają się tylko w przestrzeni; Achilles może prześcignąć żółwia w odniesieniu do przestrzeni, jednakże nigdy w 'absolutnym' (nie relatywnym, nie takim od Einsteina) czasie...

7. Przeszłość, przyszłość, teraźniejszość (zastanawiająca kolejność, nieprawdaż?).

Krótka objaśnianka, jak my, ludzie, intuicyjnie postrzegamy czas.

To proste, myślimy o przeszłości, teraźniejszości, przyszłości. Stąd już szybka droga do myślenia o mózgu jako o naszym zegarku, podręcznym, naszyjnym, naszej głowicy jądrowej tykającej niczym... Nie zdziwiłbym się, gdyby teraz Wasze i nasze mózgi w ten sposób tykały, grożąc wybuchem... :)

Jednak to nie wszystko. Idąc za tokiem rozumowania zawartym w powyższym poście, wielu naukowców (radzieckich, chińskich, amerykańskich, ki grzyb - mądrych głów!) wysnuło tezę, że mózg może 'myśleć' o czasie w sposób 'przestrzenny'. Dlaczego?

Ponieważ przy myśleniu o czasie aktywują się neurony, a właściwie ich skupiska, rozsiane po całym mózgu, a, jak wiadomo, są rozmieszczone w mózgu w sposób przestrzenny! To bardzo proste, prawda? Nikt się nie spodziewał takiego rozwiązania, ale to prawda.

I być może myślimy o czasie w kategoriach przeszłości, przyszłości i teraźniejszości, ale - te pojęcia mogą być tylko psychologiczną ramą, podstawą której jest doświadczanie zmian w materii na bazie przestrzeni.

Jednym słowem, myślimy o czasie, ale tak naprawdę rozumujemy w kategoriach przestrzeni.

Pomyślcie nad zdaniem: 'Dwie godziny drogi do Warszawy'. Droga to droga, czas to czas, a jednak - tak myślą nasze mózgi! Czas jako przestrzeń! To nasze myślenie intuicyjne...

A nasze biedne mózgi chciałyby już sobie dać spokój, prawda? Nie wiem, jak Wasze, ale mój ma dość czasu. Dość czasu, by pójść na spacer i nabrać dystansu, czyli... Przestrzeni! =>

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

#35 'Masz Piątaka?', czyli Piąta Siła Fundamentalna

0. Czy bobry?

Witam,

Dziś mamy na kolację cwaniaka, który być może da nam piątaka ;)

Ten głupawy żart to tylko preludium fizyki, którą dziś chciałbym Was trochę uraczyć. Będziemy rozmawiać - ja pisać, Wy - czytać, o ile starczy Wam zapału, o prawdopodobnie nieprawdopodobnym odkryciu - piątej sile fundamentalnej.

Pięć sił fundamentalnych to o jedną za dużo, bo na razie mamy cztery, w pełni potwierdzone i realnie istniejące, piątej szukają wszyscy w półświatku fizycznym, na razie bezskutecznie, ale są oznaki.

A raczej - wskazówki, że istnieje, istnieją :)

Informacje pochodzą z roku 2016, dlatego są lekko nieaktualne, może już odkryli szóstą, a ja piszę o piątej? ;)

To też żart, zajmiemy się piątą.

1. Wstępniaczysko.

Niedawne odkrycia sugerują, że, być może, odkryto piątą siłę fundamentalną w przyrodzie. Wszystko dzięki znalezisku na gruzach kolidujących w akceleratorach cząstek protonów, neutronów i innych bizonów.

W dużym skrócie o siłach fundamentalnych, co to jest, z czym to się je, i czy warto wogóle sięgać po widelec ;)

2. Siły fundamentalne w przyrodzie nieożywionej. Inaczej - tzw. Oddziaływania.

a. Elektromagnetyczne.

Siły elektromagnetyczne to cała znana nam gama zjawisk przyciągania magnetycznego, wyładowań elektrycznych, oraz światło. Pole elektromagnetyczne oscyluje, tworząc fale - radiowe, mikrofale, podczerwone, widzialne, nadfioletowe, Roentgena... Nośnikiem, kwantem, jest foton. Dzięki sile elektromagnetycznej widzimy, umyte włosy stają dęba przy czesaniu, a magnes trzyma się na lodówce.

b. Grawitacyjne.

Najbardziej zagadkowe, bo najsłabsze z wszystkich czterech.

W uproszczeniu grawitacja to siła - jednak według OTW Einsteina to ugięcie czasoprzestrzeni. Efekt jest ten sam - jabłko spada komuś na głowę, planety kręcą się wokół Słońca. Masa - to klucz do oddziaływania grawitacyjnego.

Są trzy ujęcia grawitacji - Kwantowa (prawie czysta matematyka, niemal tylko w teorii, jeszcze nie odkryta, brrrr, nie bierzemy się za to), Newtonowska (grawitacja to siła; piłka odbija się od murawy, bo przyciąga je Ziemia, która posiada pewną masę, a wielkość siły przyciągania zależy od ilości tej masy), oraz ta zaproponowana przez Einsteina - grawitacja to tylko efekt wizualny, a jego przyczyną jest ugięcie czasoprzestrzeni; kwantówkę stosujemy do oddziaływania na poziomie, hmmm, no... kwantów :), jednak w tej nanoskali jest tak słaba, że w obliczeniach może być pomijana... Poza tym, nikt jeszcze nie opracował spójnej i w pełni działającej teorii kwantowej grawitacji. Newtońskiej używamy do obliczeń zachowań ciał na Ziemi i na kartkówkach z fizyki przy obliczaniu prędkości ciała zsuwającego się po równi pochyłej :) Einsteinowkiej używa się do obliczeń ruchu ciał niebieskich oraz, np., w takich urządzeniach jak GPS :) To ostatnie to ciekawy fakt, bo gdyby nie uwzględnić poprawek Einsteina do mechaniki klasycznej, GPSy myliłyby się o kilometry!

Kwantem, niestety teoretycznym, bo nieodkrytym, jest grawiton.

Starczy o tej grawitacji, bo zapędzę się w kozi róg. A Wy zaraz za mną, lepiej w to nie brnijmy.

c. Jądrowe Silne.

Odpowiedzialne jest za wiązania barionów i mezonów. W skrócie - gdyby nie ono, składniki jądra atomowego (proton i neutron) nie mogłyby tworzyć całości, czyli jądra właśnie. Nie byłoby atomów, cząstek, materii w-o-g-ó-l-e. Ma bardzo słaby zasięg, dlatego dotyczy tylko barionów (którymi są właśnie, m.in., proton i neutron), oraz mezonów (np. piony i kaony). Czyli, po prostu, pewne cząstki elementarne.

d. Jądrowe Słabe.

Bardzo tajemnicze. Przenoszone są przez masywne cząstki, które mają krótki czas istnienia i zachowują się jak duchy - pojawiają się to tu, to tam ;) Odpowiedzialne jest m.in. za przemiany promieniotwórcze pierwiastków, ale nie tylko... Mogą zrobić niezłego psikusa i sprawić, że cząstka elementarna pewnego typu zamieni się w cząstkę elementarną innego typu. Mówiłem, że tajemnicze!

Uffff.

Przebrnęliśmy przez etap szkolnictwa na poziomie liceum.

Teraz zapraszam Was na podróż do fizyki niemal z piekła rodem ;)

3. Parę słów wstępu jeszcze.

Jonathan Feng, profesor fizyki i astronomii: 'Przez dziesięciolecia próbowaliśmy dojrzeć poza cztery podstawowe siły fundamentalne, poza tzw. Model Standardowy. Jeśli nasze odkrycia są prawdziwe, całkowicie zmieni się postrzeganie Wszechświata, a, być może, zakończy się to całe zamieszznie nawet unifikacją sił'.

Słów kilka o teorii unifikacji: przewiduje się, że podczas pierwszych sekund istnienia Wszechświata, zaraz po Wielkim Wybuchy, nasze Uniwersum było tak gęste i gorące (bo skompresowane do mikroskopijnych rozmiarów, zanim zaczęło się rozszerzać), że nie istniał podział na siły fundamentalne, była jedna, wielka siła! :) Więcej znajdziecie pod hasłem 'GUT - Grand Unification Theory', ja się tu nie wgłębiam, bo się tak wgłębię, że się nie wygłębię, i zostanę nie Laikiem, nawet nie Tłukiem, tylko Głąbem ;)


4. Do Rze, czy do Rzeczy?

Badacze z UCI (University of Caroline, Irvine) natknęli się na pracę fizyka jądrowego z Hungarian Academy of Sciences, który szukał 'ciemnych fotonów'. To też bardzo ciekawe, tu wszystko jest ciekawe! Dlatego się nie... wgłębiam, bo... ;) Ciemne fotony to możliwy trop do istnienia ciemnej materii (Moje Laiki. Tyle jest blogów i informacji o ciemnej materii, że wiecie, co robić). Prace węgierskiego fizyka odsłoniły anomalię rozpadu radioaktywnego, która wskazuje na istnienie cząstki światła około 30% cięższej niż elektron...

To świetna informacja, ale idźmy dalej.

Badacze nie mogli jednak stwierdzić, czy to nośnik nowej siły fundamentalnej. Po prostu, na ówczesnym poziomie wiedzy nie udało się stwierdzić, czy to nowa cząstka elementarna, czy cząstka-nośnik nowej siły fundamentalnej.

Panie i Panowie z UCI poszli jednak krok dalej i orzekli z ostateczną pewnością, że to na pewno żadne tam 'ciemne fotony' ani inne cząstki materii. Zaproponowali całkowicie nową teorię, która bierze w garść całą informację Węgrów, scala je w jedną, kompletną hipotezę: możemy mieć dowody na nową siłę fundamentalną!

5. Precz z Ciemnym Fotonem, niech żyje Bozon X.

To może być przełom. Prace, żmudne i katorżnicze, doprowadziły ich do punktu wrzenia, i z wściekłości napisali na arXiv (takie forum profesjonalnych fizyków, gdzie zamieszczają swoje artykuły, ogólnodostępne w necie, istne kompendium wiedzy, rzetelnej i sprawdzonej, choć nieraz zdarzą się, tu i tam, jakieś 'dzikie teorie'), że może być to 'Bozon X'. Już was widzę: mutanty, X-meny, dalej boję się pisać... ;)

Co to takiego, ten Bozon X? Otóż.

Podczas gdy zwykła siła elektrostatyczna oddziałuje na protony i neutrony (odpycha je od siebie), ten nowy bozon oddziałuje tylko z elektronami i neutronami, do tego na bardzo ograniczonym poletku, odległości, zwał, jak zwał. Zawał, i to mózgu :) Timothy Tait, profesor fizyki i astronomii orzekł, iż nie ma innego bozonu, który miałby podobne cechy. Stąd X, jak nieznany. To ci dopiero Profesor X! :)

6. Całościowo Rzecz ujmując...

Feng: 'Dalsze badania będą kluczowe. Cząstka nie jest ciężka, a w laboratoriach już dawno osiągano energie potrzebne do wykonania wymaganych badań.'

Leniuchy! Energie mamy od lat 50 i 60 ubiegłego wieku, a tym się nie chce, no co za opieszalcy. Fizycy i Laicy zrobiliby to szybciej, lepiej i taniej ;)

Jednak powody opóźnienia są inne, żarty na bok. Reakcje między cząstkami są bardzo nieuchwytne, słabe. Jednak dzięki faktowi, że cząstka X jest tak lekka, istnieje możliwość, że małe laboratoria, rozsiane po całym świecie, będą mogły zająć się dalszymi badaniami. To coś jak projekt SETI - komputery globu połączyły się i szybciej znajdą UFO :)

7. Elektryzujący koniec.

Ciekawostka: jest możliwość, że ta piąta siła fundamentalna mogłaby być, podobnie jak siła elektromagnetyczna, jądrowa silna i słaba, swego rodzaju 'obwieszczeniem Natury', że istnieje jakieś inne, bardziej podstawowe oddziaływanie...

Matko jedyna, wszędzie Siły, a ja już nie mam siły pisać. Poważnie. Neurony mi wysiadają, dlatego rąbnę jeszcze na koniec.

Prawdopodobnie, według Fenga, może istnieć jakiś 'ciemny' sektor Modelu Standardowego, jeszcze nieodkryty, ze swoimi siłami i cząstkami elementarnymi. Może, powtarzam, może - te dwa sektory 'komunikują' się jakoś ze sobą i oddziałują za pomocą zawoalowanej, zakrytej formy oddziaływań fundamentalnych, bardzo 'podstawowych', by nie rzec - 'pierwotnych'...

Albo - w ten sposób: ten ciemny sektor manifestuje swoją obecność poprzez siłę fundamentalną, odkrytą przez Węgra, nośnikiem jej jest bozon X, a my widzimy tylko 'warkocz'  tej siły, bez zwieńczenia i podmiotu, którego dotyczy. Każdy kij ma dwa końce, ale ten ma tylko jeden - Model Standardowy, oddziaływanie przenoszone bozonem X jest warkoczem, jednak drugiego końca nie ma, a przynajmniej go nie widzimy, bo prowadzi do 'ciemnego sektora', który jest zakryty. Obserwujemy tylko oddziaływanie, Siły Modelu Standardowego, bez drugiego obiektu oddziaływania - sektora X, ciemnego, ciemna masa, ciemna Siła, cholera jasna, jestem już śpiący.

Ciemna materia, proszę Państwa. To jedyny kandydat na brakujący koniec naszego Kija.

O tym może kiedyś, może nigdy, kogo to obchodzi, skoro mamy...

Wuja Google! Ciocię Wiki! Do roboty, ciekawskie Tłuki i Laiki!

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

#34 Na Pograniczu, czyli Mechanika Klasyczna vs. Kwantowa

0. Dobrydzień.

Dzień jest dobry. Ale noc bywa ciekawsza.

Fizyka klasyczna jest dobra, bo pomaga nam zrozumieć otaczający świat, daje chleb i solidne podstawy istnienia.

Fizyka kwantowa jest w codziennym życiu niemal bezużyteczna, nie włączając może tylko komputerów kwantowych, które i tak jeszcze nie istnieją. Jestem trochę w błędzie, bo przecież tranzystory i cała sfera szeroko pojętych zagadnień związanych z komputerami oparta jest na mechanice kwantowej (ale tylko tzw. hardware), jednakże tak na chłopski rozum, rozumiecie przesłanie - ogólnie rzecz ujmując.

Ale za to jest ciekawsza. Ta kwantowa. Mechanika.

Natomiast jeszcze bardziej interesujące jest zagadnienie: gdzie znajduje się granica tych dwóch jakże odmiennych światów? Kto i co decyduje, odkąd mamy do przewidywań np. trajektorii ruchu obiektów używać mechaniki klasycznej, a kiedy już kwantowej?

To pytanie jest bardzo nurtujące, i dziś chciałem o tym Was poinstruować. W końcu jestem Diesphys, czyli - ordnung i baczność ;)

1. Na pograniczu normalności, czyli piękne angielskie słowo 'blurred'.

'Blurred' oznacza 'rozmyte'.

Natura jest skomplikowana, może to generalizowanie, ale jakże istotne.

Naukowcy z Instytutu Nielsa Bohra przeprowadzili proste doświadczenie, które dowodzi, że natura zaprzecza zdrowemu rozsądkowi. Eksperyment dotyczy istoty zachowania się światła - okazuje się, że nie zachowuje się ono zgodnie z zasadami mechaniki klasycznej, a kwantowej.

Użyto nowej metody, która pozwoli w przyszłości określić, czy układ zachowuje się kwantowomechanicznie, czy poddaje się regułom klasycznej mechaniki newtońskiej.

W dalszej części zaprezentuję Wam, jak naukowcy starają się wyznaczyć linię prostą, konkretną granicę światów: kwantowego i klasycznego, bo 'rozmytą' granicą nikt się nie zadowala.

A teraz - od ogółu do sedna.

2. Klasyka i Kwanty.

W fizyce klasycznej obiekty, takie jak samochód czy piłka, bądź też ogryzek jabłka, albo mrówka czy słoń, mają konkretne umiejscowienie i prędkość. Tak postrzegamy świat: słoń stoi na mrówce wypluwając ogryzek, który trafia w piłkę, piłka toczy się pod samochód i mamy kabałę gotową ;)

Chciałem tylko powiedzieć, że wszystkie obiekty, jakie obserwujemy w naszej małej tragedii mają prędkość i położenie.

Ale kiedy zejdziemy schodami w dół w stronę świata mechaniki kwantowej, tragedia zmienia się w… komedię!

W świecie kwantów obiekty także mają pewne określone położenie i swoją prędkość ruchu, jednak tam, na dole strony, przy gwiazdce i drobnym maczkiem stoi napisane: 'ale nie jednocześnie...' :)

Już tłumaczę.

Na poziomie atomowym, mechanika kwantowa decyduje, że natura rzeczy jest inna, niż dyktuje nam to nasza codzienna, oparta na doświadczeniu, intuicja.

To nie tak, że nie znamy prędkości cząstki bądź jej położenia. Znamy. Ale nie możemy znać tych dwóch wartości w tym samym czasie z dowolną dokładnością, jak dzieje się to w realiach mechaniki klasycznej.

Te dwie wartości: prędkość i położenie, w świecie mechaniki kwantowej jednocześnie... nie istnieją.

Szokujące?

Nie dlatego, że nie posiadamy precyzyjnych instrumentów pomiarowych i coś nam umyka. Taka jest natura rzeczywistości w świecie kwantów. Gdy istnieje prędkość, nie istnieje położenie, i odwrotnie.

Skąd znamy powyższą zależność? I gdzie jest granica świata dziwnych zachowań obiektów i zwyczajnych zachowań obiektów?

3. Doświadczenie naukowców z Instytuty Nielsa Bohra na świetle widzialnym.

Eran Kot (miau miau ;)), doktorant z grupy badawczej, pisze:

'Naszym celem jest spojrzenie na mechanikę kwantową w innym... świetle (ha, ha, ha). To ważny, aby być stuprocentowo pewnym, że układ zachowuje się w ten sposób, że nie ma ;klasycznej' metody na wyjaśneinie jego 'modus operandi'. Uniwersytet Kopenhaski, wydział Optyki Kwantowej ma wspaniałego naukowca w swoich szeregach, to doktorant, ciekawe, co mogliby powiedzieć profesorzy... aż bałbym się zapytać =]

Badano zachowanie się światła, w dużym skrócie. W fizyce klasycznej, światło ma właściwości zarówno elektryczne jak i magnetyczne.

Eran Pies... yyy, Kot (poranny suchar! dla głodnych kawalarstwa, psotnictwa i figlarstwa ;)):

'Nasze badania wskazują na fakt, że światło posiada cechy związane zarówno z polem magnetycznym i elektrycznym, ale nie obie jednocześnie. W powyższy sposób udowadniamy, że nasze doświadczenie łamie zasady mechaniki klasycznej. I oto wniosek: światło ma własności kwantowe, dlatego wykonujemy krok naprzód i próbujemy zastosować opisane w eksperymencie metody do innych układów'.

4. Klasyka i Kwanty vol.2.

Celem doświadczenia jest w pierwszej kolejności zrozumienie natury rzeczywistości, ale przede wszystkim - jak wykorzystać mechanikę kwantową do praktycznych rozwiązań. To nie żadne novum, że światło ma naturę kwantową, ale za pomocą metod z opisywanego przeze mnie eksperymentu można badać inne systemy.

Profesor fizyki kwantowej Anders S. Sorensen (a, co mi tam! ;)):

'Potrzebowaliśmy znaleźć sposoby na rozwój informatyki kwantowej. Dlatego bardzo ważne jest, aby w końcu znaleźć rozwiązanie zagadki: gdzie przebiega granica między światem kwantów i klasycznym.'

Ta wypowiedź pozornie nie wnosi nic nowego do tematu, ale - chwilunia.

Oznacza ona, że do skonstruowania komputerów kwantowych, tak wyczekiwanych przez żądny nowinek technicznych świat, musimy koniecznie rozwinąć technologię budowania układów rządzących się prawami mechaniki kwantowej.

W jednym zdaniu: układ zawierający w sobie elementy mechaniki kwantowej ma tworzyć komputer kwantowy.

W drugim zdaniu: musimy nauczyć się konstruować systemy nieklasyczne, czyli kwantowomechaniczne, aby móc skonstruować pierwszy działający na skalę komercyjną komputer kwantowy.

Opisane powyżej przeze mnie doświadczenie to sposób na badanie natury światła, ale może zostać zastosowany do badania, bądź też tworzenia, innych układów.

Pierwszy taki w Kosmosie. W roku 2012. Jestem opóźniony, bo się tylko dogrzebałem starocia, prawda? ;) Stare, ale jare, bo dziś mamy już zalążki informatyki kwantowej i to całkiem pokaźne, jednak w 2012 to był istny Piorun z Nieba.

Interesujące, nieprawdaż?

5. Konie(c), które(y) mów(i)ą, że...

Dziwne zakończenie. Nadal nie znamy dokładnej granicy kwantowo-klasycznej, tak jak nie znamy dokładnego okresu i sposobu, jak z materii nieożywionej powstało życie na Ziemi. Te dwie granice spędzają sen z oczu fizyków i biologów (badaczy skwarków, bi(o)zonów - a jednak mamy płynną, wyraźną granicę, bez przeskoków kwantowych, tunelowania, itp. ;)) - i to nas z nimi łączy! Granice! Granice łączą, także ten, teges... ;)

Jeden wniosek jest bardzo ważny. Jednoczesność zachodzenia pewnych zjawisk.

Nie można być jednocześnie tu i tam, to wiemy. I dlatego, czasami, pewne własności nie mogą zachodzić, pojawiać się symultanicznie - i tego uczy fizyka kwantowa nas, żyjących w świecie klasycznym.

Pozdrawiam i posyłam strumień fotonów wiedzy! =]

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

#33 Dwa Wymiary i Nowy Stan Skupienia Materii, czyli 'Amerykańscy Naukowcy...'

0. Wstępniak.

No, hej, dziewczęta i chłopcy, żądni wiedzy i nowinek ze świata kwantów.

To, co dziś zaprezentuję, nie jest jakimś mega kosmosem, który otworzy Wam oczy i zmieni światopogląd.

Nie będę wypisywał o czarnych jak czarne dziury dziurach, mysich norach, w których myszy potajemnie przeprowadzają doświadczenia fizyczne, tudzież rozszczepiają atomy młotkiem.

Wiem, że to, co napisałem, to trochę brednie, ale takie mamy Internety i ja też muszę trochę pobredzić, zanim przejdę do rzeczy.

Chciałem Wam tylko zakrzywić mózgi, bo za chwilę będę je Wam prostował.

A żeby coś naprostować, trzeba najpierw to wykrzywić. Mózgi macie proste i chłonne jak gąbka, więc-dlatego-jednakowoż trochę gnoju na podkładkę, coby lepiej rosło.

Pieczarki też tak mają ;)

1. Odkryto nowy stan skupienia materii...

… dzięki dwuwymiarowemu materiałowi. Co to takiego?

To bardzo cienki materiał, o grubości około jednego atomu. Płaszczyzna, taka bardzo cienka kartka papieru, która w praktyce... nie ma grubości. Zachowuje się, jakby miała dwa wymiary, a nie trzy, jak cała inna materia w naszym Wszechświecie. Wszystko ma szerokość, wysokość i grubość, a taki grafen, który też jest materiałem dwuwymiarowym, ma tylko szerokość i długość. W praktyce, bo teoretycznie wszystko ma trzy wymiary, oprócz niektórych cząstek elementarnych. Zima w głowie, prawda?

Teraz będzie już z górki.

Międzynarodowy zespół badaczy dostarczył dowodu na niecodzienny nowy stan skupienia materii.

Jego istnienie przewidziano w teorii 40 lat temu, a dziś mamy go naprawdę. Stan ten nosi nazwę 'kwantowej cieczy spinowej'.

Fajna nazwa, już mam w połowie zryty beret :)

A jeszcze fajniejsza jest jej właściwość: powoduje, że elektrony, które z założenia są cząstkami elementarnymi i nie podlegają dalszej kwantyzacji, czyli rozłożenia na dalsze czynniki pierwsze, rozpadają się... Do roku 2016 wydawało się całemu naukowemu światu, że elektrony są niepodzielnymi budulcami materii, jednak eksperyment dowiódł, że tak nie jest.

Zespół naukowców, włączając fizyków z Uniwersytetu w Cambridge (no i gdzie ci amerykańscy naukowcy? No gdzie, pytam?) dokonał pomiarów i wykrył pierwsze oznaki podzielonych elektronów, nazywane od teraz 'fermionami Majorany' na dwuwymiarowym materiale, o strukturze podobnym do grafenu.

Wyniki eksperymentu doskonale wpasowały się w dość już leciwą teorię kwantowej cieczy spinowej, nazywaną także modelem Kitaeva. Kwantowa ciecz spinowa to niezbadany dotąd stan skupienia materii, które rzekomo są ukryte w pewnych materiałach posiadających własności magnetyczne, ale...

… nie zostały dotąd odkryte w naturze.

2. Rozdzieranie elektronów.

Przełomem jest odkrycie rozbicia elektronów. To tak zwana frakcjonalizacja. Zaobserwowanie jej w prawdziwym, realnym  materiale to nie lada przełom w nauce. To gigantyczna niespodzianka i krok milowy w fizyce cząstek. Dlaczego?

Ponieważ fermiony Majorany, produkt rozbicia elektronów, mogą być użyte jako budulec, a właściwie podstawowe części składowe komputerów kwantowych. Komputery kwantowe to melodia niedalekiej przyszłości, będą one szybsze niż tradycyjne komputery i będą mogły rozwiązywać zadania poza zasięgiem naszych obecnych blaszaków. Pecetów. Ok, i tak wiem, że wolicie konsole ;)

'To nowy stan skupienia materii, który został przewidziany ale dotąd niezaobserwowany', rzecze dr Johannes Knolle z Laboratorium Cavendisha w Cambridge, jeden ze współautorów publikacji.

W zwykłym materiale o własnościach magnetycznych elektrony zachowują się jak małe magnesy sztabkowe. Kiedy schłodzi się materiał do odpowiednio niskiej temperatury, 'magnesiki' zachowują porządek, na przykład - wszystkie bieguny magnetyczne północne zwracają się w jednym kierunku.

Jednakże w materiale zawierającym  kwantową ciecz spinową, nawet jeśliby schłodzić ją do zera absolutnego, sztabki magnesowe nie ułożyłyby się w symetryczny wzór, tylko stworzyłyby splątaną kwantową zupę, rządzącą się prawami fluktuacji kwantowych: losowych 'eksplozji' energii, rządzących się zasadą nieoznaczoności Heisenberga.

Moi biedni Laicy, jak mi Was szkoda, że to czytacie. Broń Boże ze zrozumieniem jeszcze ;)

3. Eksperymenty na kwantowej cieczy spinowej.

Do tej pory nie wiadomo było, jak wyglądałyby eksperymenty na kwantowej cieczy spinowej.

Jakie pozostawiłaby 'odciski palców' (coś w rodzaju śladu na ekranie testowym, kiedy podda się ją bombardowaniem neutronami).

Fizycy o nazwach, to znaczy imionach, czy tam nazwiskach, kto ich tam wie - Knolle i Kovrizhin (a widzicie? brzmią jak nazwy czegoś) z Laboratorium Oak Ridge użyli technik zw. rozproszenia neutronowego, aby otrzymać dowód na frakcjonalizację elektronów w kryształach chlorku rutenu (RuCl3)
.
Oświetlano ten rutenek, chlorek, czy coś tam (jesteśmy fizykami a nie chemikami więc możemy z nich drwić) za pomocą neutronów i obserwowano wzór zmarszczek na ekranie, jaki powstał w efekcie ostrzeliwania biednego chlorku.

Zwykły magnes dałby efekt w postaci ostrych kropek, ale nikt nie wiedział, jaki wzór ukazałby się na ekranie, jeśli w grę wchodziłyby fermiony Majorany z kwantowej cieczy spinowej. To te rozdarte elektrony. A jednak...

4. Wnioski końcowe i dobranoc!

Przewidywania teorii sprzed 40 lat sprawdziły się, dostarczając dowodu na istnienie, po raz pierwszy, kwantowej cieczy spinowej i frakcjonalizacji elektronów w dwuwymiarowym materiale. To nowy kwantowy stan skupienia materii i milowy krok w dziedzinie zrozumienia tych stanów. Nigdy wcześniej nie zaobserwowany.

Pozostaje tylko pytanie. Jaki wzór pokazał się na ekranie?

To proste. Skwarki i bizony ;)

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

#32 Nagim Okiem na Mechanikę Kwantową Spoglądając

0. Słowo wstępne.

Dziś opiszę eksperyment, w którym naukowcy osiągnęli niespotykany dotąd efekt.

Okazało się, że można dostrzec efekty kwantowe gołym okiem, bez potrzeby sięgania po mikroskop elektronowy, a nawet taki z lekcji biologii, gdzie ogląda się rozjechaną żabę, ślimaka bez skorupki czy inne paskudztwa.

Dobra, koniec tej ściemy, zabieramy się do rzeczy.

1. Kto, kiedy, potem będzie - ‘jak’.

Zespół naukowców z Cambridge (na szczęście nie są to słynni amerykańscy naukowcy, którzy przecież wiedzą już wszystko) zbudował chip półprzewodnikowy, który przetwarza elektrony w stan kwantowy. Stan ten ma to do siebie, że emituje światło, jednakże cały ten układ nie jest jak dotychczas dostępny jedynie na poziomie mikroskopu, i to elektronowego, czyli w niedostępnej dla pani czy pana z biologii skali; światło można dostrzec gołym, nieuzbrojonym okiem (nieuzbrojone oko to oko bez przyrządów pomiarowych, niestety nie oznacza to oka rodem bohaterów z X-Men, takiego Cyclopsa czy innego Supermana. Wiem, szkoda.)

Kieruje się promień lasera na urządzenie zawierające nadciekły płyn w stanie kwantowym. Odkrycie owo może kierować w stronę wynalezienia bardzo czułych detektorów.

Sytuacja miała miejcie we wspomnianym Cambridge w roku 2012 więc jest to świeża sprawa (oczywiście, biorąc pod uwagę dinozaury czy epokę lodowcową ;)).

Dlaczego płyn nadciekły? Ponieważ mechanika kwantowa działa szczególnie dobrze wtedy, gdy temperatura jest ekstremalnie niska, a cząstki bardzo małe. Nadciekły płyn w stanie kwantowym to już skala bliska zera bezwzględnego (~ -272 st. C).

Zespół badaczy dokonał swoistego zmieszania elektronów z fotonami, aby uzyskać cząstki kwantowe o wielkościach, jak na skalę cząstek elementarnych, olbrzymich. Grubości ludzkiego włosa. Na domiar złego, cząstki te zachowywały się jak nadprzewodniki, czyli przewodziły prąd (możemy powiedzieć, w dużym przybliżeniu, bo tak naprawdę definicji, czym jest prąd elektryczny, jest wiele – strumień wolnych elektronów) bez oporu…

Wiem, że to dużo, jak na jeden akapit, ale pomyślcie w ten sposób.

Elektrony i fotony grubości ludzkiego włosa? Cząstki ze świata nano, gdzie logika jest zupełnie inna niż w naszej codzienności, a intuicja wykształcona na bazie doświadczeń z naszego świata zupełnie zawodzi?

Tak.

2. Opis doświadczenia.

Zbudowano mikroskopijne jamy, w których, w obrębie mikrochipu, sąsiadowały elektrony i fotony.

Efekt był dość dziwny.

Powstały nowe cząstki – tzw. ‘polaritony’, bardzo lekkie, aczkolwiek mogące się poruszać bardzo swobodnie w obrębie paszczy. Jaskini. No, tej jamy.

Dr Gab Christmann, prof. Jeremy Baumberg i dr Natalia Berloff z Uniwersytetu w Cambridge, wraz z ekipą badaczy z Krety (Kretyni?) wyprodukowali nowe próbki, które pozwoliły polaritonom poruszać się swobodnie w obrębie jam bez blokowania się nawzajem. Swobodny przepływ cząstek, bo to przecież nadciekłość.

Wstrzeliwano je w taki sposób, że tworzyły dwie tzw. ‘plamki laserowe’. Efektem był nadciekły płyn o właściwościach kwantowych.

Co najciekawsze, płyn zaczął spontanicznie oscylować (czyli, po prostu, płynąć naprzemiennie w dwóch przeciwnych kierunkach) do przodu i do tyłu. Ruch ten spowodował, że całość zaczęła przejawiać najbardziej znane cechy świata kwantów: superpozycję, splątanie kwantowe, i wiele innych, o których możecie przeczytać u Wujostwa Gu.

Jednakże wielkość, skala tych kwantowych zjawisk daleko wykroczyła poza zwykłą sobie normę: ze świata tak małego, jak 10^-15 metra, do grubości ludzkiego włosa.

Wyobrażacie sobie, że patrzycie na włos, a on jest rozdwojony? Nie! Nie mówię o rozdwajających się końcówkach. Jedynie o tym, że włos naprawdę jest podwójny, pomimo tego, że to jeden włos…

I też nie dlatego, że mamy jakieś dioptrie na minusie…

Trudno powyższe zdanie zrozumieć, ale w świecie kwantów takie zachowania to norma. Cząstka jest w dwóch miejscach jednocześnie ale realnie, naprawdę. To sprzeczne z naszą logiką, ale zapewne niejeden elektron zdziwiłby się, że krzesło ma cztery nogi a nie osiem i że stoi w jednym miejscu a nie w dwóch.

Albo – trochę łatwiej – wyobraźcie sobie członka jakiegoś plemienia z dżungli amazońskiej, którego złapano, zawiązano oczy i wywieziono do igloo w na Grenlandii. Śnieg byłby dla Indianina czymś bardzo dziwnym, wręcz sprzecznym z czymkolwiek, co kiedykolwiek widział, nienormalnym.

To dobre słowo. Dla nas elektrony są nienormalne, dla elektronów – my.

3. Doświadczenie w opisie rozleglejszym.

Polaritony z nadciekłego płynu, te duże cząstki kwantowe, objawiały nam całą dziwną własność mechaniki kwantowej. Dokonywały splątania, ale -nie tylko.

Jeszce dziwniejszym był fakt, że płyn próbował się odpychać… od samego siebie. Mógł także wirować jedynie w określonych ilościach… wiem, brzmi to absurdalnie, ale rezultatem były wiry o liniach regularnych, nie owalnych czy okrągłych. To tak jakby odległości były skwantowane, a my to widzieli gołym okiem. Czy wyobrażacie sobie wiry złożone z kresek, takie trochę… kanciaste? Kwadratowe wiry? Odległości uległy skwantowaniu, na naszych oczach!

Poprzez rozdzielenie promieni laserowych dr Christmann i jego współpracownicy bezpośrednio kontrolowali rozchlapywanie się płynu kwantowego, formując wahadło gibające się milion razy szybciej od bicia ludzkiego serca.

Dr Christmann dodaje: ‘To nie są zjawiska, która można oglądać na co dzień. A drugim cudem jest perfekcyjnie dobranie parametrów doświadczenia, musieliśmy być bardzo precyzyjni. Mogliśmy sterować naszym polaritonowym płynem kwantowym poprzez przemieszczanie wiązek laserowych, które go wytwarzały.’

4. Wnioski z naukowej wioski.

Zwiększenie liczby wiązek laserowych jedynie dodawało kolejnych niespodzianek, a raczej komplikowało stany kwantowe. Mnożyło je.

Długofalowym celem doświadczeń było stworzenie podobnych stanów kwantowych za pomocą baterii elektrycznej w temperaturze pokojowej. Jakby im było mało.

Jednakże, gdyby ów cel został osiągnięty, stałoby się możliwe zbudowanie nowej generacji hiperczułych żyroskopów (to takie urządzenia stosowane w awionice, pomagające utrzymać pion. Przydałyby się po Sylwestrze, prawda, Laicy? ;)) do pomiarów grawitacji, pola magnetycznego oraz do tworzenia obwodów kwantowych… Zupełnie nowa technika, człowiek się gubi.

Ale zanim człowiek się zgubi, chciałby tylko dodać, że eksperyment był sponsorowany przez Radę Badań Nauk Fizycznych i Inżynieryjnych oraz Unię Europejską.

To tak jakbym zakończył w stylu Ulicy Sezamkowej:

‘Dzisiejszy program sponsorowany był przez literki ‘G’, ‘K’ oraz cyfrę…

=].

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

#31 Kwanty do Przedszkola, czyli Jak Uproszczono Fizykę

0. Wstępniak także uproszczony.

Fizyka kwantowa.

Na sam dźwięk tego pojęcia siwieją włosy dwudziestolatkom, wypadają zęby trzydziestolatkom, a czterdziestolatkowie w popłochu wspinają się na drzewa, banany się prostują.

Dlaczego?

Dualizm korpuskularno-falowy, zasada nieoznaczoności Heisenberga, Wielki Zderzacz Hadronów, doświadczenie z dwiema szczelinami (czyli Doświadczenie Younga. A, zapomniałem. Młodzi starzeją się o co najmniej sto lat), superpozycja...

Można wymieniać i wymieniać, a siwych włosów przybywa, ubywa zębów, rosną brody i przybywa lasek. Tych kijkowych.

Jak to ogarnąć? Jak to zrozumieć nie wpędzając się do grobu? Chciałbym powiedzieć: czytajcie Fizykę dla Laika... Ale, niestety, nie mogę, bo na pewno część z moich początkowych odbiorców już nie żyje...

Dobra, żarty na bok. Oto sposób.

1. Requiem, czyli miłe złego początki. Chciałbym napisać 'dobrego', ale muszę uhonorować moich pierwszych czytelników.

Niespodzianka. Fizyka kwantowa okazuje się mniej skomplikowana, niż można sądzić. Międzynarodowe grono badaczy wykazało, że dwa z pojęć, które są flagowymi okrętami flotylli o nazwie 'Fizyka Kwantowa' to tak naprawdę manifestacja jednej cechy, ujęta w dwojaki sposób.

Ha! Czyli mamy superpozycję! Jedna rzecz jako dwie! Niestety! =]

To był ostatni żart, obiecuję ;)

Wyniki zostały ogłoszone 19.12.2014 roku czasopiśmie 'Nature Communications'. Grupa badaczy: Patrick Coles, Jędrzej Kaniewski (Polak w Singapurze, brawo nasi) oraz Stephanie Wehner dokonali epokowego odkrycia, które zapisało się na konto 'Ośrodka Technologii Kwantowych' Uniwersytetu Narodowego w Singapurze (brawo Jędrek, przede wszystkim).

Wykazano, że dualizm korpuskularno-falowy i zasada nieoznaczoności Heisenberga są manifestacją tej samej cechy świata kwantów. Oto, jak tłumaczy owo odkrycie Stephanie Wehner:

'Związek między zasadą nieoznaczoności Heisenberga a dualizmem falowo-korpuskularnym [kojarzy się z muskularnym, wiem, ale zmilczę] jest zupełnie naturalny, kiedy potraktuję się oba zagadnienia jako pytania dotyczące informacji, jakie możemy zebrać o układzie. Naszym sukcesem jest spojrzenie na fizykę jako na dziedzinę, która zajmuje się właśnie informacją. To jej najsilniejszy aspekt.' Wehner to holenderka z QuTech, ma stopień profesora nadzwyczajnego na Politechnice Delft w Holandii. Możemy jej wierzyć.

 2. Ale co tak naprawdę jest grane i dlaczego mamy wierzyć?

Zanim rozpieję się na temat, jakie to wspaniałe odkrycie, bo tak jest w istocie - może ono rzucić światło na mroki fizyki kwantowej o której wiemy, że działa, wiemy też jak, ale już nie bardzo - dlaczego działa... Parę słów objaśniających. Na razie wiedzmy tyle, iż dzięki wesołemu gronu badaczy z Uniwersytetu w Singapurze dualizm korpuskularno-falowy może zyskać nowe zastosowania.

Okej, rzucam tymi nazwami: muskularny, nieoznaczony, Hajzerberg, ale co to toto?

2a. Dualizm korpuskularno-falowy. Dla Laików.

To pojęcie oznacza, w sporym uproszczeniu, że obiekt kwantowy, taki jak np. atom, cząsteczka węgla lub pojedynczy elektron (oraz wiele innych) może zachować się jak fala (wyobraźcie sobie siebie samych, wpisujących w Google słowo 'sinusoida' - to właśnie jest fala w ujęciu kwantowym. Nie wy, tylko ta 'sinusoida';)), ale nagle ta cząstka przestaje być falą, kiedy próbujecie określić jej dokładne położenie! To czysta magia, ale taka prawdziwa, bo właśnie tak, jak opisałem, zachowują się cząstki podlegające prawom fizyki kwantowej :)

Nieźle obrazuje ów aspekt tzw. Doświadczenie Younga (link), kiedy pojedyncze cząstki są wystrzeliwane jedna po drugiej w kierunku ekranu zawierającego dwie wąskie szczeliny. Następnie, cząstki wpadają na coś, co możemy nazwać 'detektorem'. Najlepsze w tym wszystkim jest to, że kiedy próbujemy podejrzeć, przez którą szczelinę przeszła cząstka, na detektorze otrzymujemy obraz w postaci dość losowo rozstrzelonych kulek. Czyli - kiedy chcemy wykryć cząstkę, elektron 'mówi nam' - "tak, przeszedłem przez szczelinę nr 1 i zachowałem się jak cząstka". Jednakże kiedy nie próbujemy zobaczyć, którą drogę obrał obiekt kwantowy, na detektorze pokazuje się tzw. obraz interferencyjny, a taki powstaje, kiedy fale [te sinusoidy] się na siebie nakładają. A to oznacza, że elektron przeszedł przez szczelinę jako... fala. A teraz - jeszcze jeden rzut oka na ekran, bo jakże to tak, raz jak cząstka, raz jak fala, w zależności od tego, czy patrzymy? A skąd, do ciężkiej cholery, elektron 'wie', że patrzyliśmy? Zaczynamy obserwować ekran z dwiema szczelinami - obraz interferencyjny na detektorze... znika. Znowu jak cząstka.

Wiemy, że działa. Wiemy jak działa. Nie wiemy dlaczego działa. Fizyka kwantowa.

2b. Zasada nieoznaczoności Heisenberga.

Ta zasada mówi, że niemożliwe jest, aby poznać dwie specyficzne ze sobą skorelowane cechy obiektu kwantowego jednocześnie, z dowolną dokładnością.

Chociażby - im bardziej precyzyjnie znamy położenie atomu, tym mniej dokładnie możemy określić jego prędkość, gdy się porusza (link).

To ograniczenie jest nałożone nie przez dokładność naszych przyrządów pomiarowych, tylko, niejako, na poziomie fundamentalnych aspektów natury...

To dziwne, prawda? Fizyka kwantowa mówi nam po prostu, że najbardziej podstawowe prawa przyrody są ulotne i z zasady... niepoznawalne.

3. Upragnione uproszczenie. Dzięki, Jędrek i s-ka! =]

Nowe opracowania dwóch przedstawionych przeze mnie aspektów fizyki kwantowej wprowadzają nowe pojęcie:

'Wiedza, jaką możemy uzyskać o tym, czy obiekt kwantowy jest cząstką czy falą, jest tak samo skorelowana, jak w klasycznej zasadzie nieoznaczoności Heisenberga'.

Czyli - im lepiej poznajemy aspekt korpuskularny cząstki, tym mniej informacji mamy o jego falowej naturze.

Kolejne czyli - no, w dużym skrócie, bardzo prosto - im bardziej obiekt kwantowy jest falą, tym mniej cząstką. I na odwrót!

Coles: 'Byliśmy wiedzieni od początku XX wieku pewnym przeczuciem, że coś podobnego może być prawdą' [mowa oczywiście o pracy zespołu Coles/Kaniewski/Wehner]. Coles pochodzi z kraju Klonowego Liścia i zajmuje się Informatyką Kwantową.

Można stworzyć równania, które bardzo dokładnie opisują, jaka ilość informacji jest dostępna o konkretnej cesze, gdy mowa o zasadzie nieoznaczoności Heisenberga. Zespół Coles/Kaniewski/Wehner odkryli także, że cały aparat matematyczny stosowany do opisu dualizmu korpuskularno-falowego może być użyty w kontekście obliczeń wielkości skorelowanych w zasadzie nieoznaczoności!

Fajnie, fajnie. Ale co to oznacza dla nas, Laików i Tłuków?

Całe doświadczenie mówi, że dokonano niejako syntezy zasady nieoznaczoności i dualizmu falowo-korpuskularnego, że to dwa aspekty tego samego zjawiska przyrody i że można użyć matematyki z zasady Heisenberga do dualizmu.

4. Konieczny koniec.

Bo już późno, otwiera się noc, a sen podchodzi pod drzwi ;)

Zespół badaczy twierdzi, że ich odkrycie może zdziałać wiele w zastosowaniu  tworzenia nowych protokołów kryptograficznych, czyli po prostu zostać użyte w technologii informatyki kwantowej, jeśli chodzi o kodowanie i zabezpieczanie danych komputerowych.

Co ciekawe, we wcześniejszych pracach Wehner i s-ka przedstawili dowody na związek między zasadą nieoznaczoności i innymi działami fizyki - tzw. zjawiskiem nielokalności drugą zasadą termodynamiki...

Łojoj! Toż niedługo okaże się, że wszystkie podręczniki do fizy w kosz bo mamy jedno prawo fizyki!

To żart, oby się nie sprawdził, ale ja jestem zszokowany. No, bo... jak sobie poradzą z tym nasi wydawcy elementarzy szkolnych, których wersje zmieniają się co rok! Będzie jedna książka. I będzie miała jedną stronę. I będzie na niej jedno Równanie.

Teoria, Kurde, Wszystkiego.

Dobrej! Bo nadchodzi czas ucieczki na out.

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