#67 Kwanty w Doniczce, czyli Lepsze-bo-z-Kwiatków Ogniwa Słoneczne

W procesie fotosyntezy światło słoneczne jest przechwytywane i transportowane przez ściśle wyspecjalizowane białka będące częścią układu zbierające energię słoneczną. Co zaskakujące, te białka zachowują się jak maszyny kwantowe, ponieważ używają tzw. kwantowo-mechanicznego mechanizmu transportu w celu jak najbardziej efektywnego przekierowania światła. Na ostatnim etapie białka te przechowują energię słoneczną w centrach reakcji fotosyntetycznej. Badacze z ICFO - Instytutu Nauk Fotonicznych w Barcelonie po raz pierwszy namierzyli ten przepływ energii w pojedynczych białkach. Odkryli, że kwantowa koherencja, pozwala światłu przepływać w białkach zbierające energię, które są niewrażliwe na wszechobecne, zewnętrzne procesy naturalnego rozproszenia.

Efektywne przetwarzanie światła na użyteczną energię jest jednym z wyzwań, które stoją przed dzisiejszym światem. Potrzeba nam coraz większych zasobów energii, ale czystej, nie powodującej zanieczyszczeń; co więcej, paliwa kopalne nie są brane w obecnej koncepcji pod uwagę.

Organizmy przeprowadzające proces fotosyntezy (każdy w szkole na bioli słyszał i uczył się o fotosyntezie. Jestem fizykiem-bloggerem-i-tłumaczem, nie biologiem, nie będę naruszał waszej zmurszałej wiedzy o fotosyntezie, co więcej, nie chcę wejść w paradę waszej nauczycielce, biolożce. Jeszcze spotkam ją na ulicy, a ta ruszy na mnie z Tłukiem: 'pan jest Laikiem, a nie fizykiem! ;))... to m.in rośliny i niektóre bakterie. Są one mistrzami w przeprowadzaniu powyżej opisanego procesu (ofc nie tego z gonieniem z Tłukiem), procesu fotosyntezy. W jedną bilionową sekundy 95% światła, które absorbują, jest przerzucana dalej w celu napędzenia reakcji metabolicznych, dających energię organizmom żywym. Efektywność ogniw fotowoltaicznych dostępnych na rynku to... ~20%. No comment.

Jakiego ukrytego mechanizmu używa natura, aby transportować energię w sposób tak efektywny? Wiele grup badaczy na całym świecie udowodniło, że sekret wydajnego transportu energii tkwi w zjawisku kwantowo-mechanicznym. Jednakże, do tej pory, nikt nie zaobserwował bezpośrednio możliwych wpływów na taki proces warunków pokojowych dla kwantowego mechanizmu transportującego.

Naukowcy ze wspomnianego wcześniej ICFO, we współpracy z biochemikami z Uniwersytetu w Glasgow po raz pierwszy zaobserwowali, że kwantowe mechanizmy transportu pomagają fotosyntezie w byciu bardziej stabilnej, jeśli chodzi o wpływ otoczenia. Mechanizm kwantowy, który jest odpowiedzialny za efektywność fotosyntezy jest znany jako kwantowa koherencja (zdolność obiektów kwantowych do utrwalenia stanów splątania i superpozycji nawet w przypadku ingerencji warunków otoczenia zewnętrznego na stan kwantowy). Objawia się ona w tzw. fotosyntetycznych białkach zbierających energię świetlną, odpowiedzialnych za absorpcję światła słonecznego i transport energii do centrów fotochemicznych całego procesu fotosyntezy.

Aby zaobserwować efekty kwantowe w fotosyntezie, badacze prowadzeni przez Nieka van Hulsta opracowali nowatorski sposób badań. Energia transportowana podczas procesu fotosyntezy jest niesamowicie szybko przenoszona, a dzieje się to wszystko w skali molekularnej. Aby zaobserwować owe ulotne procesy w akcji użyto superszybkich technik spektroskopijnych, działających na obszarze pojedynczej molekuły. To femtosekundowe błyski światła pozwoliły na wykonanie i wychwycenie serii 'obrazków', coś jak klatki filmu, stanów pojedynczych białek transportujących po absorpcji światła. Należy dodać, aby uchwycić skalę, że przez femtosekundę światło przebywa dystans średnicy włosa ludzkiego, zaś przez sekundę podróżuje z Ziemi na Księżyc! :)

Dzięki 'klatkom' naukowcy zrozumieli, jak energia ze Słońca jest transportowana przy pomocy pojedynczych białek. ' Zaobserwowaliśmy, jak energia przepływa przez świetlne absorpcyjne systemy fotosyntetyczne z niespotykanie wysoką przestrzenną i czasową rozdzielczością.'

Van Hulst i jego zespół wychwycili drogi przenoszenia energii słonecznej przez pojedyncze białka transportujące i wykazali, że każde białko używa w tym celu odrębnych dróg. Zaskakującym jest fakt, że drogi przenoszenia w pojedynczej cząstce białka zmieniały się wraz z upływem czasu z powodu zmian w otoczeniu, jakby wybierano najbardziej optymalne drogi. 'Wyniki pokazują, że koherencja, prawdziwy efekt kwantowo-mechaniczny dotyczący superpozycji, jest odpowiedzialny za utrzymywanie wysokich poziomów wydajności transportu w systemach biologicznych, nawet podczas dostrajania dróg przesyłu energii spowodowanym chwiejnymi warunkami zewnętrznymi.' - tłumaczy van Hulst. (jeśli van Hulst tłumaczy, to , olaboga, może być lepszy ode mnie, zawodowca ;))

Wyniki prowadzą do zrodzenia się fantastycznych pytań. Czy transport kwantowy jest ewolucyjnie lepszy niż inne metody i czy je po prostu wyparł? Czy istnieją inne procesy biologiczne, w których efekty kwantowe odgrywają istotną rolę? W przypadku białek zbierających światło transport kwantowy pozwala na niespotykaną wydajność i stabilność.

Odkrycia mogą prowadzić do stworzenia nowej generacji ogniw słonecznych, które naśladują kwantową koherencję.

I koniec.

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

#66 Kwantowe Gołębie, czyli coś dla Kwantowych G(o)łąbów, Laików, 'Opornych'...

Fotony są materiałem do powstania dziwnego, jak wszystko, co kwantowe, zjawiska. Oprócz Kota Schroedingera (zwierzak jest rozpisany a wszelkie możliwe sposoby w ilości przekraczającej rozumienie nawet dla kwantowego świata dziwacznych zjawisk. Ciekawe czy są myszy Schroedingera? Albo pchły Heisenberga? :) ) Wracając do tematu, nazywa się ów efekt 'paradoksem kwantowego szufladkowania'.

Trzy 'kwantowe ptaki' mogą zmieścić się na dwóch 'grzędach' wyłączając przypadek, kiedy dwa gołębie znajdują się na jednej grzędzie. Jak to możliwe? W świecie standardowej matematyki i liczenia trzy gołębie siadają na dwóch grzędach, ale jedna z grzęd jest zajęta przez dwa ptaki. Kwantowa rzeczywistość jest inna. Dzięki temu, że przejawia nie klasyczne, a kwantowe zależności, trzy gołębie mogą usiąść na dwóch grzędach bez podwójnie zajętego siedziska. Zdumiewające, że nawet tak proste liczenie odróżnia nasz klasyczny świat od kwantowego. To tak, jakby powiedzieć, że normalnie dwa plus jeden to trzy, ale 'kwantowo' -  dwa plus jeden to dwa. I kropka.

Kwantowe gołębie nie lubią się dzielić.

Zgodnie z matematyczną ideą nazywaną zasadą szufladkową Dirichleta, siadające na grzędach gołębie muszą zmieścić się we dwa na jednym miejscu. Jeśli istnieje więcej gołębi niż dostępnych miejsc, niektóre ptaki muszą podzielić szufladki między siebie. Ale fotony, inaczej kwanty światła, mogą pogwałcić tę zasadę, według eksperymentu przeprowadzonego 29 stycznia 2019 roku. Stare doświadczenie, ale niszczy podstawy liczenia w matematyce.

Pomimo iż zjawisko pozornie kwalifikuje się na wykład o matematyce, ale w przedszkolu, pomysł o matematyce i gołębiach pomaga zdefiniować fundamentalne zasady czym są liczby (ja wiem, pse Pani! ;)) i co oznacza 'zliczać rzeczy' (mówiłem, ze wiem. O, cekolada!).

Naukowcy przewidują, że w kwantowym świecie trzy 'gołębie' - oczywiście chodzi o cząstki kwantowe, elementarne (lub nie) - mogłyby zmieścić się na dwóch grzędach wykluczając jednocześnie przypadek zajęcia jednego miejsca przez dwa podmioty. Owo zjawisko nazywa się efektem kwantowego szufladkowania. 'Zjawisko to zmienia nasze rozumienie, na poziomie zupełnie podstawowym (cóż jest bardziej podstawowego niż liczenie do trzech i kwanty, najmniejsze, niepodzielne elementy materii i energii). Potrzebne jest zweryfikowanie zagadnienia na poziomie eksperymentalnym' - twierdzą naukowcy z Politechniki Chińskiej w Heifei. 'Efekt kwantowego szufladkowania może mieć wpływ na badania dotyczące znajdowaniu fundamentalnych i złożonych efektów kwantowych'. Brzmi miałko, ale jeśli odkryjemy dzięki powyższemu eksperymentowi inne, bardzo podstawowe zjawiska kwantowe, równe w ważności splątaniu bądź superpozycji? Albo otworzy się świat, w którym efekty kwantowe sumują się, tworząc cos na kształt ZOO kwantowych zjawisk? Warto przemyśleć sens słów badaczy z Chin.

W eksperymencie z 2019 roku opisano przypadek, kiedy trzy fotony zajmują miejsce gołębi. Zamiast wtłaczać fotony na grzędy, naukowcy badali polaryzację cząstek, lub orientację kołyszących się fal elektromagnetycznych samych fotonów. Orientacja może być pozioma lub pionowa. Trzy fotony i dwa rodzaje polaryzacji dają efekt, który standardowa matematyka opisałaby jako fakt, że musiałyby istnieć co najmniej dwie cząstki o takich samych polaryzacjach. Kiedy eksperyment zaprzeczył prostej, intuicyjnej i podstawowej matematyce, zaczęły się schodki. Kwantowe, oczywiście.

Okazało się (przy porównaniu polaryzacji fotonów), że żadna z polaryzacji się nie dublowała! A efekt kwantowego szufladkowania jest prawdziwy.

Zachowanie cząstek przeczy zdrowemu rozsądkowi, 

jako że jest kombinacją istniejących już dziwnych efektów kwantowych. Fotony rozpoczynały test w swoistym 'limbusie' nazywanym superpozycją - oznacza to, iż były spolaryzowane poziomo i pionowo jednocześnie. Kiedy porównywano polaryzacje dwóch fotonów, pomiar wzbudził eteryczne połączenie między cząstkami, zwane splątaniem kwantowym. Właściwości sprzeczne z intuicją pozwalają cząstkom na dokonywanie czynów, o których się Arystotelesowi, Platonowi i Sokratesowi nie śniło. 

Nie jest to pierwszy raz, gdy cząstki poddane eksperymentowi zachowują się w opisany powyżej sposób. Jednak nowe doświadczenie potwierdza i wzmacnia wcześniejsze badania. ' Jest to najlepszy eksperyment z dotychczasowych - mówi Jeff Tollaksen z Uniwersytetu Chapmana w Orange w Kalifornii. Był on członkiem zespołu fizyków teoretycznych, którzy zaproponowali badanie efektu w roku 2014.

Po raz pierwszy dowiedzione eksperymentalnie, że 'Kwantowe Gołębie' zachowują się niematematycznie jedynie w odpowiednich warunkach. Tollaksen i jego koledzy przewidywali, że aby efekt nastąpił, pomiar polaryzacji musi być jak najdelikatniejszy, aby nie naruszyć ulotnego stanu cząstek kwantowych. Nowe badania stwierdzają, iż pomiar musi być 'słaby', aby efekt wystąpił i mógł być mierzalny.

Mechanika kwantowa znana jest ze swoich dziwnych paradoksów określaną w zwierzęcym stylu - królują oczywiście koty. Kot Schroedingera jest gwiazdą pierwszej wielkości w zagadce, czy kot zszedł czy jeszcze zipie. A kwantowe 'Koty z Cheshire' pojawiają się, kiedy cząstki są oddzielone... od swoich właściwości! Podobnie jak kocur, który w bajce 'Alicja w Krainie Czarów' oddzielał się od swojego uśmiechu. Zupełnie jak reszta kwantowego zwierzyńca, 'efekt kwantowego szufladkowania pokazuje coś zupełnie zaskakującego, jeśli nawet nie niemożliwego na pierwszy rzut oka' - twierdzi Tollaksen.

I koniec.

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

#65 Ciemny Foton, czyli To On - Subtelny i Strukturalny

0. Wstęp do meritum.

Wstępnie, chciałem tylko ogłosić meritum. Jest nim poszukiwanie ciemnego fotonu, cząstki, która oddziałuje z ciemną materią jak i ze zwykłą, powodując, iż mamy kandydata pozwalającego 'zobaczyć' ciemną materię. Tak w skrócie, więcej będzie w meritum, bo meritum ma to do siebie, że praktycznie unieważnia cały bełkot poza nim. Dlatego mój wstępniak ma numer zero, terefere, meritum nic mu nie zrobi, bo jak zrobić coś czemuś, czego nie ma? Dlatego lubię tu wypisywać bzdury, harmider i chaos to moje drugie imię, ale tylko we wstępniaku. 

Ładna pogoda dzisiaj! :)

1. Początki poszukiwań ciemnego fotonu.

W 2016 roku rozpoczęły się poszukiwania w CERN pewnej cząstki, nazywanej ciemnym fotonem. Szukano dowodu na jego istnienie. Są one niejako pomostem pomiędzy materią widzialną - która stanowi wszystko dookoła nas - oraz ciemną materią, tajemniczą, niewidoczną gołym okiem, wyzierającą z otchłani Kosmosu. Gdyby został znaleziony, ten ciemny foton, zmieniłby rozumienie fizyki na zawsze, wchodząc bardzo głęboko we wszystkie zależności między cząstkami z Modelu Standardowego.

Myśląc o grawitacji, można dostrzec pewną zależność. Wyliczono, że jest za mało widzialnej materii, generującej grawitację trzymającą Kosmos w całości, tak, by Wszechświat nie rozpadł się na kawałki. Otrzymano absurdalny wynik: 85% materii w Kosmosie musi być 'ciemną', by nasz Kosmos był taki, jaki jest; po prostu brakuje zwykłej materii, a grawitacja i obserwacje jej działania wskazują na konieczność istnienia dodatkowych wielkości.

Mówi się, że ciemna materia jest ukryta ponieważ nie reaguje ze spektrum elektromagnetycznym, czyniąc ją niewidoczną dla naszych urządzeń pomiarowych.

Ale żeby hipoteza ciemnej materii nie rozpadła się w pierony, musi istnieć jakaś inna siła w Kosmosie (poza grawitacją), dzięki której ciemna materia mogłaby wchodzić w interakcję z materią widzialną.

Ciemne fotony? Stworzono hipotezę istnienia dodatkowych cząstek, takich, które są odpowiedzialne za kontakt między materią ciemną i widzialną. Ciemne fotony mogłyby być nośnikiem nowej siły tak samo, jak foton światła przenosi siłę elektromagnetyczną.

2. Ciemny foton - czym jest, a właściwie - czym mógłby być.

Ciemny foton to coś jakby mediator. Wyobraźcie sobie dwóch ludzi, którzy mówią innymi językami (widzialna materia i ciemna). Nie mogą się ze sobą porozumieć, poza językiem na migi (-piłka! - aaa, piłka 'o'! - do metalu!). Taki jakby tłumacz dla ubogich, mediator rozumiejący jeden język i mówiący w drugim.

Istnieje tylko jeden, malutki problem. Nie wykryto ciemnego fotonu =) Dopóki go nie zobaczymy, naprawdę nie ma o czym mówić, i cała machina stoi w miejscu.

3. Poszukiwań ciemnego fotonu ciąg dalszy.

CERN rozpoczął poszukiwania w roku 2016. Ta sama ekipa, która poszukiwała bozonu Higgsa (znaleźli go! We landed on the Moon!) przygotowuje eksperymenty, które mogłyby odnaleźć ciemny foton.

Projekt NA64 poszukiwał śladów interakcji widzialne - ciemne na podstawie dobrze znanego prawa zachowania energii. Mówi ono, że w zamkniętym układzie  energia jest zachowana (stała) w przeciągu pewnego interwału czasowego.

Fakt, że tworząc system zamknięty, można dokładnie zmierzyć ilość energii wewnątrz układu, jest dobrze znany. Ustawiając promienie elektronów, które emitowałyby fotony, można stwierdzić, czy ilość energii uległa zmianie, wskazując, że coś niedostrzegalnego dzieje się wewnątrz systemu, być może to ciemny foton? Strumienie elektronów miały dobrze znaną energię i zostały skierowane w detektor. Interakcje między przybywającymi elektronami a jądrami atomów 'produkowały' widzialne fotony.

Mierzono energię tych fotonów - powinna się zgadzać z energią elektronów. Jednakże, gdyby istniał ciemny foton, uchodziłby on sprzed detektora, unosząc ze sobą znaczny ułamek energii początkowej elektronów. W ten sposób można by dostrzec dostrzegalny znak istnienia fotonów poszukiwanych z językiem na brodzie. To byłaby tylko wskazówka, ale za to bardzo wiele mówiąca w kwestii prawdopodobieństwa istnienia fotonów w wersji dark.

4. Wnioski z fizycznej wioski.

Dopóki bezpośrednio nie zaobserwujemy, w jakikolwiek sposób, istnienia ciemnego fotonu, podobnie, jak było w przypadku bozonu Higgsa, praca naukowców ukazuje jedynie hipotezy. Nie można zbytnio opierać i wyciągać logicznych wniosków z hipotezy o oddziaływaniu ciemnych fotonów, dopóki się ich nie wykryje. Fotonów. Ciemnych.

Być może wykrycie ciemnego fotonu byłoby pierwszym krokiem do stwierdzenia, że ciemna materia istnieje naprawdę; co więcej, moglibyśmy powiedzieć więcej o tym, jak działa Wszechświat. Jeśli jednak nasz sposób myślenia o ciemnej materii się rozpadnie, takoż i uderzyłoby to w nasze rozumienie grawitacji i wielu innych siłach rządzących Kosmosem.

5. Ciąg dalszy, bo wkraczają nowe pomiary.

Ciągiem dalszym poszukiwań ciemnego fotonu okazał się fakt, że one najprawdopodobniej nie istnieją. Na to wskazują badania Stałej Struktury Subtelnej. Jest to podstawowa stała fizyczna, która opowiada nam bardzo dużo o sile oddziaływań elektromagnetycznych. Stała ta nie ma jednostki, jest kombinacją stałej Plancka, prędkości światła i ładunku elektronu - piękne coś nam z tego wychodzi, ale dalej jest jeszcze weselej. Dodanie do zupy stałych przenikalności elektromagnetycznej próżni daje w rezultacie niezły bigos - (alpha) = e^2/h x c x 4 (pi) e.0. To danie to jedna z najpiękniejszych stałych fizyki - wyraża pewne zależności istniejące między tymi 3 wielkościami. Dodaje smaczku fakt, że związek ten to: (zasady mechaniki kwantowej), (teoria względności) i (elektrodynamika). Czy może być coś piękniejszego dla fizyka, że skonstruowanie (alpha) w wyżej podany sposób daje liczbę ~1/137?

Pomiary tej wielkości potrafią nieźle namieszać, ale i pozwalają na pójście prosto w gąszcz podwalin fizyki. Stała Struktury Subtelnej jest na dodatek bezwymiarowa... Ale dość tego piękna bo oczy puchną ;) 

Ultra precyzyjne pomiary tejże wielkości pomagają w lepszym rozumieniu także Modelu Standardowego i cząstek elementarnych. Badania wskazują na coś dla nas bardzo ważnego: ciemne fotony mogą nie istnieć. Liczba 1/137 rządzi interakcjami elektromagnetycznymi, np. tymi, które trzymają elektron w atomie. Poprzednie badania nie były pomiarami bezpośrednimi. Polegały na zmierzeniu właściwości magnetycznych elektronu i przeprowadzeniu złożonych obliczeń teoretycznych.

6. Dziś, niedawno, całkiem blisko w czasie - nowe pomiary, nowe wnioski.

Dokonano wystrzelenia w kierunku atomów cezu z lasera, aby uzyskać superpozycję kwantową - dziwny stan w którym atom jest w dwóch miejscach jednocześnie. Podglądano przez świetne mikroskopy jak cez wchodzi między sobą w interakcję, kiedy powracał do normalnego stanu. Te oddziaływania pokazują, jak szybko atom się poruszał, gdy został postrzelony laserem (nine bójcie się, nie zafunduję Star Treka czy innego sci-fi - tu mamy sci bez fi!). I tak uzyskano nowe wyniki pomiaru Stałej Struktury Subtelnej.

Jeśli rezultat byłby niezgodny z poprzednim pomiarem, mogłoby to wskazywać na możliwość istnienia nowych cząstek

Jednak rezultaty badań zgadzały się z poprzednimi. Wskazuje ów fakt na inny fakt - elektron, najprawdopodobniej, nie jest złożony z mniejszych cząstek. To właściwie wyklucza istnienie ciemnych fotonów. Ciemne fotony miałyby masę i wchodziłyby w interakcję ze znanymi cząstkami. Szkoda...

7. Zapachniało, zajaśniało - wnioski z wioski, ach to Wy!

Na końcu nie ma suspensu. Jest jak jest, nie mamy do czynienia z ciemnym fotonem, chociaż gdzieś tam nadzieja się tli. Żeby było strasznie, dziwnie i koniecznie odlotowo, jak w dobrym sci-fi. Ziemia nas wzywa, nowe obowiązki, stare obowiązki, ale mam nadzieję w tym całym gulaszu na jedno - że będziemy się czytać strukturalnie, stale i subtelnie.

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

#64 Ciemna Grawitacja, czyli dla Materii i Opadania Dedykacja

 

0. Wstępnie napisano.

Dzień dobry! Spotykamy się jak zwykle po eonach, ech, ja i moje zacięcie do fizyki. Bardziej czytam niż piszę, oby to się zmieniło (albo nie - i tu część Czytelników westchnęłoby z ulgą. Po co czytać ciągle jakieś trudne rzeczy, skoro można wyjść na dwór i pobawić się w chowanego.), liczę, że mnie jeszcze lubicie. Nie? Może trochę? Takie małe tyci? ;)

Co dziś kuchnia pełna zapodajek zapodaje? Co dziś na tapecie, zakrzykną Ci, którym nieobce jest jeszcze młodzieżowe słownictwo. Młodzieżowe? Pewnie śmiechu warte to moje młodzieżowstwo, dziś nastolatcy i dwudziestaki używają o wiele fikuśniejszych sformułowań. Się znalazł, pajac drewniany. Dobra, starczy.

Dziś zaprezentuję Państwu, jak grawitacja powinna się zmienić, aby wyprzeć z fizyki teoretycznej koncepcję ciemnej materii. Otóż tak, aby wszystko pasowało, obliczenia się zgadzały, a wiadomo nie od dziś, że naukowców korci, aby ową ciemną materię z równań usunąć. Po co trzymać w schowku i straszyć ludzi czymś, na co nie ma dowodów? Dlaczego galaktyka trzyma się w samoistnym złożeniu? Ciemna materia. Dlaczego masa galaktyki nie zgadza się z obliczeniami i wyskakują anomalie w rotacji galaktyk? Ciemna materia. I powtarzam, gdzie jest, kurczę, 27% masy-energii naszego Wszechświata? Ciemna materia. Czyżby? 

1. Czym jest, z grubsza, ciemna materia? Jak ją wykluczyć?

Aby osiągnąć stan zgodny z obserwacjami oraz nie tłumaczyć niczego za pomocą ciemnej materii, odbiłby się ów wyczyn na biednej, Bogu ducha winnej grawitacji. Musiałaby być ona niezwykle dziwna w swoim zachowaniu, jeśli ma nie być ciemnej materii.

Ciemna materia to koncepcyjna, niewidzialna masa, której grawitacja trzyma (podobno) galaktyki w skupieniu. Jednak obecny stan rzeczy, czyli taki, iż niewidzialna i nie wykryta dotąd masa stanowi meritum pewnych wyobrażeń (o galaktyce, jej masie i przyciąganiu grawitacyjnym wewnątrz każdej z galaktyk) nie podoba się i nie jest satysfakcjonującym wytłumaczeniem.

Co najdziwniejsze, doszło do tego, że tak zakorzeniona ciemna materia stanowi nie lada kłopot: jak się pozbyć czegoś, co jest koncepcją, a zbudowanych zostało na niej wiele hipotez? Aby tak się stało, teorie muszą ponieść konsekwencje. Chodzi głównie o zgodność z obserwacjami.

Kto i co mógłby ponieść koszt wykluczenia ciemnej materii? Niestety, grawitacja! Do tego musiałaby być ona przyciągająca dla pewnych odległości, lecz dla innych już odpychająca! Mówi się, że tak dziwna grawitacja nie zda egzaminu, że nie da się jej sprowadzić do poziomu siły odpychająco-przyciągającej.

Wracając do ciemnej materii; mówi się, że wypełnia ona większość galaktyk i dostarcza tej brakującej grawitacji, która sprawia, że gwiazdy nie fruwają samodzielnie po całym Kosmosie, wprowadzając zamęt i siejąc ferment. A, jeszcze kwestia anomalii rotacyjnych. Istnienie ciemnej materii wykluczałoby większość z nich, powodując, że obserwacje nie byłyby sprzeczne z teorią np. rotacji galaktyk albo bilansu masa-energia dla galaktyk.

Te wszystkie nici i grudki, które są obserwowane dla Kosmosu w skali bardzo dużej tworzą rusztowanie, na którym opiera się i rozwinął Wszechświat - to także miałby być udział ciemnej materii. Jednak po dziesięcioleciach starań, nie odkryto cząsteczki ciemnej materii! Wyobrażacie sobie? Lata pracy w uczelniach i akademiach, wszystko na bazie jednej koncepcji, obliczenia zgadzają się z obserwacjami tylko w przypadku istnienia tej całej ciemnej materii, a tu może się okazać, że jej nie ma?

A może ciemnej masy! Uwaga, nie nazywam tak ani Tłuków czy Laików, to są nazwy funkcjonujące podobnie jak tytuły naukowe, ale w moim prywatnym rankingu, no i oczywiście, uwzględniając w równaniach humor i dystans :)

Naukowcy bardzo chętnie pozbyliby się ciemnej materii, niestety dla nich, funkcjonuje ona dobrze.

2. Próby usunięcia ciemnej materii, w przeszłości.

W roku 1983, fizyk o nazwie Mordehai Milgrom odkrył, iż można skompensować prędkości galaktyk wirujących naokoło za pomocą modyfikacji newtonowskiego drugiego prawa dynamiki: masa x siła = przyspieszenie. Okazało się, że taka próba wiązałaby się z koniecznością modyfikacji również prawa grawitacji, przynajmniej w skali pojedynczych galaktyk.

Co najciekawsze - udało się, jednak naukowcy wiele lat pracowali nad spójną, taką jaką wyprodukował A.Einstein (ogólną teorią względności), teorią grawitacji bez ciemnej materii. Trzeba było jednak... dodać inne pola - dalekich krewnych zwykłego pola grawitacyjnego.

3. Skala kosmologiczna a usunięcie ciemnej materii.

Okazało się, że usunięcie ciemnej materii pociąga za sobą daleko idące problemy, jeśli chodzi o skalę kosmologiczną, nie tylko na poziomie galaktyk. Wiąże się to z porównaniem rozkładu zwykłej materii we wczesnym Wszechświecie poprzez pomiary mikrofalowego promieniowania tła - takiej poświaty po Wielkim Wybuchu - z rozkładem galaktyk dzisiaj.

Ewolucja Kosmosu to kwestia porównania dwóch rodzajów materii: ciemnej, która nie reaguje na światło (to znaczy, że jej nie widać, fotony się od niej nie odbijają i nie wracają do ludzkich przyrządów pomiarowych), oraz zwykłej, która wchodzi w interakcję ze światłem.

Wielki Wybuch pozostawił zmarszczki na ciemnej materii, która przy reagowaniu na własną grawitację zaczęła łączyć w gęstsze obszary. Zwykła materia (wtedy, czyli u początków Wszechświata) - zupa gorących wolno poruszających się protonów i elektronów - także zaczęła wpadać w obszary, gdzie znajdowała się ciemna materia. Jednakże, cząstki naładowane zaczęły sam z siebie generować promieniowanie, które je odpychały, tworząc fale dźwiękowe znane jako akustyczne oscylacje barionowe (wdź[w]ięczna nazwa, prawda? ;)). Szach-mat, za nazewnictwo i wpisywaniu bardzo dziwnych nazw! :) Fale te rozchodziły się do momentu, gdy Wszechświat schłodził się wystarczająco, by mogły się uformować neutralne atomy, 380 000 lat po Wielkim Wybuchu, kiedy pojawiło się mikrofalowe promieniowanie tła. Fala dźwiękowa pozostawiła swój 'odcisk' na mikrofalowym promieniowaniu tła, oraz, w bardzo delikatny sposób, na rozkładzie galaktyk.

4. Próba wprowadzenia 'nowej grawitacji'.

Jednakże czy nie dałoby się wyjaśnić tej ewolucji za pomocą zwykłej materii działającej poprzez zmodyfikowaną grawitację? Aha!

Aby wyjaśnić tę możliwość, zastosowano funkcję matematyczną, która opisuje  jak grawitacja musiałaby działać, byśmy mogli otrzymać taki rozkład materii, jaki ukazuje mikrofalowe promieniowanie tła prowadząc ku dzisiejszemu rozkładowi galaktyk.

Tu pojawiła się zagwozdka, szokująca, niespodziewana i bardzo dziwna. Otóż funkcja ta musiałaby rozciągać się między wartościami dodatnimi i ujemnymi, tzn. - że... grawitacja musiałaby być zarówno przyciągająca, jak i odpychająca, dla określonych wartości.

Dziwaczne zachowanie musi mieć miejsce, ponieważ inaczej nie udałoby się wytłumaczyć większej akustycznej oscylacji barionowej, rozciągającej się, kiedy kształtowały się mniejsze galaktyki. Podobnie uczynił Milgrom, ale tylko dla jednej galaktyki. Aby wyjaśnić makrostrukturę Kosmosu, grawitacja musiałaby być inna, niż dotychczas sądzono.

5. Co dziś wiadomo, co udało się osiągnąć w kwestii powyższej.

Aby zgadzać się z danymi z mikrofalowego promieniowania tła, należało skonstruować teorię, która nie uwzględnia ciemnej materii, jednak nie kłóci się z obserwacjami rozkładu dzisiejszych galaktyk.

Aby to osiągnąć, należało dodać do teorii grawitacji, takiej jak ogólna teoria względności dodatkowe, przestrajalne pole nazywane polem skalarnym. Pole skalarne to to takie pole, w którym do  każdego punktu na osi Y przyporządkowany jest punkt na osi X, w odróżnieniu od pola wektorowego, w którym dla każdego punktu na jednej z osi przyporządkowany jest wektor, czyli uporządkowana para punktów. Szczypta matmy, kojarzy mi się z fizyką i ciemną salą, w której odbywały się lekcje, i na każdego typu słowo, podobnego do skalar lub wektor jeżył się włos na głowie. To oczywiście na początku, potem były już oceny 'dobry' ;)

Przykładem pól skalarnych są np. pola temperatury, pole natężenia światła, ciśnienia powietrza. Za to polami wektorowymi są np. pole siły grawitacyjnej.

Co z tego? 

Pole skalarne dla naszej nowej grawitacji posiada energię, która za pomocą tożsamości z masą (wg słynnego E=mc^2) może zachowywać się jak forma masy. W skalach kosmologicznych to duże pole może działać jak ciemna materia, ba, nawet lepiej, bo także oddziałuje samo ze sobą.

Ów zabieg miał za zadanie dowieść, że nie potrzebujemy ciemnej materii, która jednak jest prostszym wyjaśnieniem. Bo przecież zastępujemy jedno tajemnicze pojęcie drugim, jeszcze bardziej tajemniczym. Pole skalarne z nowej teorii grawitacyjne miało za zadanie tylko odwzorowywać ciemną materię...

6. Koniec.

Koniec to koniec, szkoda słów, mózg mi paruje, a Wam? Nie jest to tak, że po prostu siadam i sobie piszę. Trzeba się trochę napocić, ale myślę że warto, tak samo jak warto zanurzyć się w każdym kolejnym poście @diesphys!

Pozdrawiam serdecznie! =)

Patronite!

#63 Dziw Nad Dziwy, czyli Nowy Obiekt Kwantowy i Prawdziwy

0. Wstęp.

Co my tu dzisiaj mamy... Śniadanie już było, obiad też, na kolację za wcześnie, hmmm. Może zmienię nawyki żywieniowe albo zacznę przesypiać dzień, żebym mógł napisać, że: na śniadanie - oto mamy nowy temat.

Niestety, nie na śniadanie. Coś mi się wydaje, że to nadprogramowa przekąska, wyjęta spod prawa tłusta gąska, ale nie na kolację, ani na obiad. 

Chcę przez powyższą paralelę zakomunikować Wam, żebyście nie traktowali @diesphys jako wyrocznię ostateczną w czasach ostatecznych, w ostatecznej prawdziwej dziedzinie nauki jaką jest fizyka. Może trochę przedrwiłem z tą ostatnią prawdziwą nauką, bo - hej - dziś wszystko jest kwantowe, a pojęcie kwantów ma korzenie w fizyce ;) Na dodatek, już poważniej - na marginesie pseudonauki z kwantową świadomością na czele, w korpusie 'kwantowego uzdrawiania wody' i na nogach z siłowni 'quantum fitness' - fizyka stosuje metodę doświadczenia i teorii. Nie ma doświadczenia - nie ma teorii, eksperyment weryfikuje teorię. Dlatego nie wierzę w teorię strun, ale to już na dygresja. W obecnych czasach święto-tomaszowe 'nie uwierzę, póki nie dotknę' może mieć wydźwięk nawet w fizyce.

O, widzicie. Popuszczam wodze fantazji pisarskiej, i od razu lecę po bandzie - nie chcę i nie będę mieszał religii, żadnej, po równo dla każdej - aby resztkami sił zachować obiektywizm. To co się dzieje na świecie i w mediach - to proces odwrotny. Dość.

Polityka była, religia była - nie czepiajcie się, że jestem takim oderwanym od świata szaleńcem :) Lecim!

Może lepiej, żeby @diesphys została przekąską po obiedzie? ;)

1. Mechanika kwantowa. Jak zawsze zaskakująca.

I tym razem odwołuję się do aspektu dziwności mechaniki kwantowej. Jako ktoś, kto już trochę poczytał o tej dziedzinie, mogę przestać mydlić oczy, że to dziwne, brrrr. Ale i magiczne. Jak matematyka dla jednorożców.

Powinienem napisać, że ją doskonale rozumiem i wyjaśnić Wam wszystko po kolei. Ale uwierzcie mi - osiągnąłbym jedynie efekt TL;DR (Too Long;Didn't Read - za długie, nie czytałem). Poza tym, nie trzeba wielkiego geniuszu, żeby stwierdzić, że trzeba się ku odbiorcy pochylić i mówić jego językiem, a nie unosić się ponad Czytelników. Takiego fruwającego balona pychy łatwo zestrzelić.

W warunkach laboratoryjnych udało się stworzyć nowy obiekt kwantowy - ściankę domenową. Choć pojęcie znane już od czasów romansu fizyków z magnetyzmem, był to obiekt, jeśli traktujemy świat - ten w najmniejszej skali - o pochodzeniu naturalnym. Myślę że warto choć rzucić okiem na wyjaśnienie. Uwaga, leci monolog, wykładam fizykę na uni.dies.phys.małpa! :)

1.a) Ścianka domenowa. 

W rozumieniu magnetyzmu jest to kilkaset atomów rozdzielająca tzw. magnetyczne domeny - ma to miejsce w materiałach aktywnych magnetycznie, czyli np. w ferromagnetykach. Ferromagnetyków jest pełno w Ziemi, wszelkie skały z domieszkami dobrze znanych pierwiastków chemicznych, dalej -  w związkach chemicznych (i dalej - małżeństwie ;)). Domena magnetyczna to ukierunkowane porządkowo atomy, uporządkowane tak, że mogą wyjść do ludzi jako ściśle ukierunkowany biegun dipolu. Zaś ścianka domenowa to przestrzeń między domenami - miejsce, gdzie momenty magnetyczne atomów przestawiają się, aby utworzyć odpowiedni biegun. Verte.

1. b) Wracam, gdzie skończyłem...

...ten w najmniejszej skali. Po raz pierwszy mogły zostać stworzone w laboratorium na zasadzie VOD - włączyć telewizor, a tam kominek - taki firewall właśnie. Kto uwierzył, ten trąba ;)

Ale prawdą jest, że wytworzono na zawołanie ściankę domenową po raz pierwszy, w warunkach laboratoryjnych. Musiało się to wydarzyć w ekstremalnie niskiej temperaturze, takiej jak przy tzw. Kondensacie Bosego-Einsteina.

Kondensat Bosego Einsteina - w skrócie - jest to kolejny ze znanych stanów skupienia materii. Poniżej temperatury krytycznej bozony (spin całkowity) zostają uwięzione. Większość atomów osiąga wtedy najniższy możliwy stan energetyczny - podstawowy.

Mechanika kwantowa to przede wszystkim dualizm korpuskularno falowy, istnieją w nim tzw. fale materii - jest to jeden z możliwych opisów stanów cząstki. Zależnie od temperatury - fale materii atomów mogą być dużo mniejsze niż fizyczne rozmiary cząstek albo równe - wtedy cząstki osiągają ten sam stan kwantowy, co ich fale materii. To oznacza, że temperatura wymusiła zerowy stan pędowy bozonów. Cząstki mają wtedy identyczny pęd, a to oznacza, że stan podstawowy jest 'okupowany' przez większą liczbę cząstek, niż pozwala na to zasada Pauliego. Efekt - cząstki w materiale zachowują się jak jedna, wielka, pojedyncza cząstka. Nasyceni? :)

Ściany stają się wtedy węzłami pomiędzy domenami. Tzn., że cząstki tworzą domenę, a ściany to ich węzły.

Kreując ściany domenowe, można zyskać  rzut nowego światła na takie obszary, jak: elektronika kwantowa, pamięć kwantowa oraz zachowanie się egzotycznych cząstek kwantowych.

To taka wydma na pustyni. Jest z piasku, jednak jako całość działa na innych zasadach fizyki, niż jedno ziarenko piasku. Ziarenko leci w lewo, drugie w prawo, trzecie na oazowe drzewo - a wydma stoi pewnie na gruncie, chociaż tworzą ją te trzy ziarenka ;)

Co do ścian domen - dawno temu udawało się je badać, jednak teraz można je wytwarzać w kółko i, bazując na możliwości częstego powtarzania eksperymentu, odkryć nowe prawa nimi rządzące. Podobno zachowują się jak osobny obiekt kwantowy, wyobrażacie to sobie? Np. 100 cząstek, zachowujących się jak jedna wielka. Jednak, prawa rządzące kwantowymi dużymi cząstkami nie musi oznaczać, że będziemy te praw rozumieć. Innymi słowy - prawa te mogą być całkowicie nieintuicyjne.

2. Zjawiska Emergentne.

Niespotykane dotąd zachowanie ścian domenowych prowadzi do tego, że klasyfikujemy je jako zjawiska emergentne. Cząstki, które łączą się w jedno, zachowują się i i działają według innych zasad fizycznych, niż pojedyncze.

Dotychczas udało się jedynie powielać i tworzyć nowe ścianki domenowe, jednak zauważono, że reagują one na pole elektryczne. Fantastyczne w ich odkryciu jest to, że wydają się dobrym kandydatem na pomocnika w dziedzinie tłumaczenia zachowywania się cząstek w pierwszych okresach historii Wszechświata. Przecież fakt, że z pojedynczych klastrów cząsteczek powstały gwiazdy i planety, nie jest tak prosty w wyjaśnieniu. Za to biorą się badacze, a zachowanie ścianek domenowych, ich traktowanie jako jedną cząsteczkę gdy jest ich wiele, oraz podążanie w nieintuicyjnym kierunku jeśli chodzi o przestrzeganie drogowskazów Przyrody (innym niż cząstki w temperaturze pokojowej) - pomagają w rozumieniu praw, którymi rządził się młody Wszechświat.

Owoż odkrycie pomoże w rozgryzieniu 'cechowania' (dynamika związków między cząstkami fundamentalnymi), z możliwością testowania i obliczania dynamiki zjawisk kwantowych w laboratorium!

Dodatkowo, zjawiska emergentne - czyli wszystko ponad fundamentalnymi zjawiskami, coś w rodzaju uogólnienia zjawisk zamiast wyszczególnienia - mogą zostać opisane z niespotykaną dotąd precyzją. Tyczy się to wszystkich typów zjawisk emergentnych  - od zachowań w materiałach po pierwsze chwile młodego uniwersum.

3. Koniec. Buuu.

Jako że fizyka lubi patrzeć w przyszłość, w przyłożeniu tej zasady do naszych ścianek domenowych - mamy następująco: możliwość kontrolowania samych ścianek,; co za tym idzie, rozwoju nowych technologii kwantowych. Takich jak programowalny materiał kwantowy, procesor informacji kwantowych.

Zapomniałem o najlepszym. Jeśli tak dalej pójdzie, badacze rozwiną także proces uzdrawiania w kwantowym procesie uzdrawiania wody oraz uzyskają więcej fitnessu w 'quantum fitnessie'... :)

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

#62 Fizyka Kwantowa, Liczby Urojone, czyli Kwantowy Świat i Numery Wymyślone

0. Wstęp.

Witajcie!

Dawnośmy się nie czytali, liczę (w sposób urojony, bo przecież o liczbach urojonych myśli się o urojeniach ;)), że odkurzycie dzielnego smerfa Ważniaka, Ananiasza, tudzież innego nerda z waszej internetowej półki linków i znajdziecie mnie i moje blożysko; a przynajmniej na chwilę wcielicie się w ich role, bo ja inaczej niż te 3 postacie siebie nie widzę.

No to już się czytamy, czyli widzimy, a widzimy, że są widoki na szałowy post. Przynajmniej ja, przeszukując przepastne zasoby Internetu w poszukiwaniu wiarygodnych źródeł :))

Odłożyło się parę tematów na czarną godzinę, nie obawiajcie się, że krynica moich kwantowych mądrości się wyczerpie. Trochę jeszcze tego mam. Np., któregoś wieczora, w 20 minut przygotowałem liczbę tematów zapasowych, alarm w środku nocy, te oczy wbite w sufit, no i wpadłem na ów genialny pomysł. Dzięki temu mam co najmniej 34 tematy do przodu. Nie obawiajcie się. Nie napisałem 34 tematów w 20 minut. Tylko tematy tematów, czyli postów.

Co my tu dziś mamy...

1. Małe odkrycie dla nas, Wielkie dla Ludzkości.

Fizyka kwantowa wymaga liczb urojonych!

To takie małe stwierdzenie, a właściwie wniosek płynący z doświadczeń z użyciem splątania kwantowego. Być może kiedyś się pokuszę o osobny temat, trudno by mi było zatrzymywać się na każdej stacji niewiedzy i tłumaczyć od dechy do dechy. Wiecie ludziska, na takich postojach naukowcy piszą doktoraty o tych 'niewiedzach' od góra setki lat! Co ja, mały pingwin idący samotnie w kierunku Bieguna Południowego, mogę powiedzieć innego. 

I tu mały trick. Nie powiem Wam, czym jest splątanie kwantowe, do tego dojdźcie sami, internet jest pełny tekstów o tym zjawisku. Co do małego pingwina... Wiecie, że pingwiny z Antarktydy czasem wybierają się na samotną podróż, nikt nie jest w stanie wyjaśnić dlaczego to robią! A podróż ta niesie ich... w kierunku bieguna magnetycznego południowego, który pokrywa się z biegunem geograficznym. Idą te pingwiny, na samobójczą śmierć, udaje im się przejść 30-60 km i umierają. Tak dziwna jest nauka o pingwinach.

Wracamy na wybrzeża, a byliśmy już na rubieżach - to był ten trick ;)

Aby wyjaśnić świat rzeczywisty, mechanika kwantowa potrzebuje liczb zespolonych, a właściwie - ich urojonych części. Pamiętacie - algebra, 1 rok studiów, jesteście pewni, że odkryjecie nowe zjawiska, będzie o Was głośno w gazetach. A tu - wzór na jedynkę urojoną, egzamin, liczby zespolone, egzamin, algebra liniowa, egzamin... Udupienie. Chociaż nie tak bardzo...

Bo, swoją drogą, przypomniało mi się powiedzenie o mechanice kwantowej, motto samego Richarda Feynmana, laureata Nagrody Nobla z fizyki (za diagramy Feynmana). 'Zamknij się i licz' - a propos faktu, że nad mechaniką kwantową studentom lat 50 ubiegłego wieku nie kazano rozmyślać tylko rozwiązywać równania! Feynman wprowadził je ironicznie, ale fakt faktem, to było jego motto.

I co, tacy też dobrze mają.... :)

Aby wyjaśnić prawdziwy świat, liczby urojone są konieczne, według pewnego eksperymentu z mechaniką kwantową na czele.

Liczby urojone są jak gobliny albo białe nietoperze, jeżowce albo jednorożce. Interesujące, ale mało przydatne i nieważne dla ogółu rzeczywistości.

Ale by wyjaśnić pochodzenie, kształt i typologię materii w jej najgłębszych korzeniach, okazuje się, że liczby urojone są niezbędne. Są jakby wetkane w samą kanwę mechaniki kwantowej, matematykę opisującą realia molekuł, atomów i cząstek subatomowych. Teoria posiadająca znamiona zgodności z fizyka kwantową potrzebuje liczb urojonych aby w pełni opisać świat rzeczywisty...

Czy rozumiecie z tego choć coś trochę? W jaki sposób liczby, które są urojone i wprowadza się je do wygody obliczeń w uczelniach, akademiach, przy długich stołach, oraz w różnych tego typu akcjach jak naukowe obliczenia, mogą stanowić o naszej rzeczywistości? Ba, nie można się bez nich obejść w tak fundamentalnym opisie rzeczywistości jakim jest mechanika kwantowa! To tak jakby powiedzieć: pierwiastek kwadratowy z liczby (-1) nie istnieje, jest liczbą urojoną, ale musimy go mieć by w pełni zrozumieć nasz świat. To prawie jakby mówić, że bez marzeń nie da się żyć :)

Liczby urojone to właśnie pierwiastki kwadratowe liczb ujemnych. Czasem 'wyskakują' w równaniach jako matematyczne narzędzie do ułatwień w dziedzinie obliczeń. Ale wszystko, co możemy zmierzyć w naszym świecie jest opisywane przez liczby rzeczywiste, normalne liczby, nieurojone obiekty.

2. Dwa plus Dwa i suma tychże.

Rozumiecie, co akapit 1 uznał za prawdę?

Nasz świat opisany jest przez liczby rzeczywiste. Wszystko w nim takie jest, realne, wszystko możemy opisać za pomocą liczb rzeczywistych. Mechanika kwantowa opisuje rzeczywistość na poziomie mikroskopowym. Zaglądamy przez mikroskop i... Panie doktorze, pan spojrzy - bez liczb urojonych nie da się opisać realnego świata... - Widocznie musiały się wmieszać do realnego świata, te urojone fundamenty. Albo my, ludzie, musimy uznać coś za urojone, by rozumieć to, co mamy przed oczami, gotowe do opisania jako realne. Realny kotlet z urojonymi skwarkami. Pycha!

3. Eksperymenty co nieco kluczowe.

Liczby zespolone - sumy liczb urojonych i rzeczywistych to spektakl fizyki kwantowej - na każdym kroku opierała się ona na nich, co było uznawane jako niewygodne dla jej twórców - m.in. Erwina Schroedingera. Liczby zespolone były określane jako pewnego rodzaju ułatwienie, skrót w obliczeniach i ich łatwiejsze przeprowadzanie, niż cegiełka fundamentalna dla całego przedsięwzięcia.

Niektórzy fizycy próbowali opracować cos w rodzaju 'Rzeczywistej Mechaniki Kwantowej', wykluczając istnienie świata liczb urojonych. Ale bez doświadczeń nie dało się stwierdzić, czy liczby urojone to cegiełka i budulec, czy tylko wygodne ułatwienie.

Pewne doświadczenie znane jako test Bella pomogło rozwikłać inny dziwny aspekt świata kwantów. Dowodził ów test, że mechanika kwantowa rzeczywiście potrzebuje dziwactw w rodzaju splątania kwantowego, na które nie chciał zgodzić się sam Einstein.

Do podobnego pomysłu doprowadziło stworzenie pojęcia 'Rzeczywista Mechanika Kwantowa' - tu także potrzebowano eksperymentu. W celu obalenia realistów, oczywiście. Realistom wszakże zawdzięczamy reality shows, które w naszych kręgach są wysoce niepożądane ;)))

Wysłano cząstki splątane z dwóch źródeł w kierunku trzech odbiorców, oczywiście byli nimi Alice, Bob i uwaga, wielka niespodzianka - Charlie. Dobrze, że nie Alpha, Bravo (i to pewnie Johnny B. ;)), Charlie. Macie rację. Czasem fizyka kwantowa bywa nudna.

Alice otrzymała jedną cząstkę i mogła dokonać na niej pomiaru z użyciem różnych ustawień, dowolnie. Charlie - to samo. Bob otrzymuje dwie cząstki i wykonuje specjalistyczny pomiar w celu splątania cząstek, które otrzymali Alice i Charlie. Rzeczywista Mechanika Kwantowa, bez liczb urojonych, daje inne rezultaty w tym doświadczeniu niż standardowa mechanika kwantowa. Dzięki temu można stwierdzić, która wersja teorii kwantów jest prawdziwa.

Okazało się, że rację ma standardowa mechanika kwantowa, z liczbami urojonymi!

4. I ostatnie doświadczonko...

Inny zespól badaczy, wykonał kolejny test, na podobnej podstawie co poprzedni eksperyment. Tym razem dokonały się owe badania z komputerem kwantowym utworzonym na bazie nadprzewodników, materiałów przewodzących prąd bez jakiejkolwiek rezystancji. Podwójne bingo! Drugi test także wskazał, że liczby urojone są nie tylko narzędziem ułatwiającym liczenie, ale może być także swego rodzaju cegiełką, budulcem fundamentów gmachu o nazwie Mechanika Kwantowa.

To nie koniec. Bynajmniej.

Doświadczenia opisane powyżej nie wykluczają wszakże całkowicie teorii stawiających na full-real. Pewne z nich zostały wykluczone, ale tylko te, które stosują się do klasycznych zasad mechaniki kwantowej. Nadal pozostaje pewna szansa na wyjaśnienie rzeczywistości za pomocą liczb rzeczywistych, ale musiałyby zostać złamane 'przykazania' mechaniki kwantowej. Jednakże te teorie bazują na innych pojęciach, które są nieeleganckie, a, uwierzcie mi, fizycy są zakochani w hipotezach, które są składne, piękne, eleganckie. Tylko w przypadku przystanięcia na swego rodzaju nieporadność, brzydotę, można liczyć na Rzeczywistą Mechanikę Kwantową.

5. Tym razem nie będę przeciągał - do widzenia, widzimy się na fanpage'u:

https://www.facebook.com/diesphys

LinkedIn:

https://www.linkedin.com/in/diesphys/?originalSubdomain=pl

Oraz, tam da ra dam dam dam (tu Wy coś dajcie ;)) - Patronite.pl:

https://patronite.pl/DiesPhys.

I serwus! :)

#61 Gdy powiedziało się B, Trzeba Rzec A, czyli Nowe Dziwactwa Kwantowe

0. Wstępnie, słowo na niepogodę.

Jeśli się nie dziwicie kwantom, jesteście z innej planety. Sprawię, że po raz kolejny kolejny część z Was nie zdziwi się  mechaniką kwantową, a to będzie oznaczać, że jej nie rozumie. Po korepetycje zapraszam do poprzednich tematów, trochę tego jest, dla każdego coś miłego, od fizyki cząstek, przez astrofizykę, do 'aż tutaj' :) Pewnie znajdziecie coś, co Was zszokuje (tu ją rozumiecie), albo przejdzie bez echa (w tym miejscu nie rozumiecie), a może to i to jednocześnie? Rozumienie w superpozycji, tylko tego mi brakowało :)

1. Kwantowy przełącznik, polaryzacja i inne trudności.

Nowe urządzenie kwantowe zaprzecza pojęciom 'przed' i 'po'. To taka zaprzeczajka naszej codziennej intuicji, ten cały świat kwantowy. Ten sprzęt umieszcza cząstki światła poprzez serię dwóch operacji. 

Naukowcy poddali sekwencję wydarzeń działaniu kwantowego świata. Dwa wydarzenia, A i B, dzieją się jednocześnie - A przed B, oraz B przed A.

Na razie nie ma nic w tym dziwnego, że jedno wydarzenie ma miejsce przed drugim, albo zamieniamy ich kolejność. Ani mnie, ani Was do tej pory nic nie zdziwiło, możemy spokojnie wylegiwać się w słońcu popijając drinki z palmami i jeść banany. W końcu blisko nam do małp. Czy małpy piją drinki z palmami? Nie wiem, trzeba by którejś zapytać ;))) 

Jedna sprawa prowadzi do drugiej. Brzmi to naturalnie, ale w świecie kwantów wypowiedzieć owo zdanie nie zawsze prowadzi do prawdy, czasem może się z nią nieźle minąć. Nowe urządzenie kwantowe może mieszać sekwencje dwóch wydarzeń tak, aby mogły się dziać jednocześnie, i to w dwóch różnych kolejnościach.

W codziennym życiu myślimy o wydarzeniach, które mają miejsce w określonej kolejności. Na przykład, rano możesz umyć zęby przed umyciem włosów, albo odwrotnie. Ale w kwantowym światku oba wydarzenia mogą dziać się jednocześnie.

Kwantowy przełącznik. To urządzenie działa na zasadzie umieszczania cząstek światła przez serię operacji - oznaczone A i B - zmienia ono sam kształt światła. Fotony mogą podróżować wzdłuż dwóch oddzielnych ścieżek, A i B. Wzdłuż jednej ścieżki A dzieje się przed B, na drugiej ścieżce kolejność oznaczona jest B przed A. 

2. Superpozycja, polaryzacja, co to dla Nas :)

Którą ścieżkę obierze foton - to zagadnienie jest określone przez polaryzację fotonu. Kierunki są dwa -fala elektromagnetyczna porusza się horyzontalnie czyli w prawo i lewo, albo pionowo - w górę i w dół. Fotony, które mają polaryzację horyzontalną przeprowadzają działanie A pierwsze, a fotony z polaryzacją góra-dół - tu B bierze górę przed A. Proste? Na razie, mam nadzieję - tak :)

Ale - dzięki nieintuicyjnej właściwości świata kwantów zwanej superpozycją foton może być spolaryzowany pionowo i poziomo jednocześnie! To fajne, bo pozwala na niezłą sztuczkę, która ma kolosalnie zadziwiające właściwości w naszym świecie, jeśliby tak przełożyć kwantowy świat i zastosować jego zasady w urządzeniach i dołożyć je do określonej sytuacji w codzienności nam bliższej...

Dzięki superpozycji światło doświadcza obu kierunków polaryzacji - A przed B i B przed A.

3. Rezultaty i nowy porządek.

Inna grupa badaczy zbudowała wcześniej coś podobnego do kwantowego przełącznika z naszej wersji. Nowe urządzenie wykłada precyzyjnie fakty, które w poprzedniej z maszyn mogły być intepretowane dwuznacznie. W pierwszej wersji urządzenia jeśli A występowało przed B, światło przechodziło przez odrobinę inną ścieżkę niż gdy B występowało przed A. Ta różnica powodowała, że objęcie dwóch ścieżek jednocześnie, czyli przeprowadzenie w urządzeniu dwóch identycznych operacji w dwóch odwrotnych kierunkach było mniej wyraźne.

Kwantowy przełącznik mógłby być przydatny w kwantowej komunikacji i komputerach kwantowych. Jedną z niesamowicie potężnych właściwości kwantowego przełącznika to zdolność komunikowania przez kanały, w których jakakolwiek informacja przechodzi jako zaszyfrowana przez niedogodności.

Wyobraźcie sobie wykonanie telefonu na linii, która zupełnie zniekształca twój głos. Jeśli przesyłasz tę wiadomość, która jest nieczytelna, przez inną linię, która również zniekształca informację, twój przekaz również wydałby się tylko niezrozumiałym hałasem. 

Co innego w przypadku naszego kwantowego przełącznika...

Naukowcy wykazali, że jeśli fotony przeszłyby przez dwie zniekształcające linie w superpozycji - przejście przez A przed B i B przed A jednocześnie, można by wydobyć jakąś informację!

Wniosek - nieczytelna informacja, dwa kanały przesyłu, w jednym A przed B, w drugim B przed A. Przesyłamy dwie zniekształcone wiadomości jednocześnie, o polaryzacją pionowej i poziomej, na dwóch ścieżkach przełącznika, i gotowe - dwie nieczytelne informacje magicznie się reperują, mamy część bądź cały przekaz zdatny do odczytania...

Czytajmy bloga, ale nie kwantowo, choć blog wydaje się kwantowy. Gdybyśmy czytali, jednocześnie myśląc o kwantach, moglibyście dojść do wniosku, że jakaś nieczytelna informacja stałaby się czytelna. To nie magia cyfr, to nie magia kwantów, to nie spisek międzynarodowych agencji. W nauce wszystko jest proste, brakuje drugiego dna. Na tym właśnie polega zabawa z nauką - powinna być dla Wszystkich taka sama. W odbiorze. Bez podtekstów i tajemniczych organizacji.

Tymczasem... Przełączam kanał na odbiór, czekam na Wasze komentarze :) 

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