< > wszystkie blogi

Felieton zakrapiany Whisky

Jeśli nie jesteś w stanie czegoś prosto wytłumaczyć to znaczy, że albo tego nie rozumiesz albo jesteś przemądrzałym pajacem.

Felieton zakrapiany Whisky - część 5

22 czerwca 2019
MODEL STANDARDOWY

Wracamy do fizyki kwantowej. W części drugiej felietonu skończyliśmy na cząsteczkach (protonach, neutronach i elektronach) nieustannie drgających pod wpływem równoważenia się sił na nie oddziałujących. Jak wspomniałem w felietonie trzecim, Ogólna Teoria Względności Einsteina opisuje ruch obiektów materialnych (skupisk materii) w skali makro. Nie ma ona jednak zastosowania dla skali mikro. Stąd fizyka podzieliła się na klasyczną i kwantową. Ale wszystko po kolei. Kiedy naukowcy zaczęli badać naturę wspomnianych przed chwilą cząsteczek musieli wymyślić nowy model teoretyczny, który pozwalałby im opisywać ich zachowanie. Tak właśnie przez lata powstawał Model Standardowy.

https://upload.wikimedia.org/…/Standard_Model_of_Elementary…

Na początku nie zawierał on jednak wszystkich tych cząsteczek z tabeli. Wraz z odkryciami w Wielkim Zderzaczu Hadronów (CERNie) pojawiały się w tabeli nowe cząsteczki. Na pierwszy rzut oka przypomina on tablicę pierwiastków Mendelejewa. I dobrze, bo jest to właśnie taka tablica (tylko że nie dla atomów, a cząsteczek subatomowych). Tablica Mendelejewa zresztą też nie od razu zaistniała w swojej formie. Wraz z odkryciami nowych pierwiastków była wzbogacana o kolejne komórki tabeli.
Na wstępie należy również zaznaczyć, że cząstki elementarne nie powinny być już pojmowane jako “kulki”. Nigdy nie dowiemy się jak wyglądają (nawet poprzez mikroskopy kwantowe). Są to raczej pewne obiekty (bez sprecyzowanej geometrii) o zadanych właściwościach, które bada się na podstawie pomiarów interakcji owych cząsteczek z innymi cząsteczkami (kolizji - zderzeń) i ich oddziaływaniem z siłami fundamentalnymi, o których w poprzednim felietonie.

Jak zatem zaczęła się cała gałąź fizyki kwantowej? Zaczęło się od eksperymentu zwanego “double slit experiment”.

https://dw8stlw9qt0iz.cloudfront.net/…/ea575553-3835-48cd-f…

Postawiono źródło światła, przed nim metalową blaszkę z dwoma szczelinami, za nią zaś ekran na który padało światło. Zauważono, że na ekranie pojawia się wzór interferencyjny (wzór nakładania się na siebie fal) co udowodniło, że światło nie jest cząsteczką, a falą.
Następnie naukowcy postanowili zamienić źródło światła (wiązkę laserową) na pojedyncze fotony. Zaczęli strzelać jednostkowymi pakietami światła z laseru (pojedynczymi fotonami). Jednak na ekranie końcowym nadal pojawiały się kropki, które formowały ten sam wzór interferencyjny.

https://upload.wikimedia.org/…/500px-Two-Slit_Experiment_El…

Wniosek z tego płynący był taki, że aby otrzymać ten wzór interferencyjny, foton (postrzegany wówczas jako cząsteczka - “kulka”) musiałby przejść przez obie szczeliny jednocześnie. No nie da się - mimo starań - zrozumieć na chłopski rozum jak pocisk wystrzelony w kierunku ekranu mógłby przejść przez dwie znajdujące się obok siebie szczeliny jednocześnie. Postawiono zatem za blaszką ze szczelinami przyrząd (nazwijmy go dla uproszczenia kamerą), który miał za zadanie robić zdjęcie fotonu tuż za szczeliną, aby sprawdzić przez którą szczelinę ten przeleciał. Co się wówczas okazało? Że wzór interferencyjny zniknął. Zastąpiły go dwa równoległe paski - tak jakby foton faktycznie przechodził tylko przez jedną z dwóch z szczelin. Po wyłączeniu urządzenia pomiarowego (“kamery”) natychmiast powraca wzór interferencyjny.

https://qph.fs.quoracdn.net/main-qimg-9c1e0459e8b08e0f4875d…

Zatem fakt dokonywania pomiaru spowodował, że światło jako fala skolapsowała się do trójwymiarowego punktu (cząsteczki). Co z tego wynika? Całe światło, które wypełnia czasoprzestrzeń jest pulsującą falą, a fotony nie przyjmują tak naprawdę żadnej pozycji (albo przyjmują ich z różnym prawdopodobieństwem bardzo wiele) do momentu w którym czopki i pręciki jakie mamy w oczach dokonują pomiaru. Zjawisko to próbowano modelować za pomocą deterministycznych wzorów mechaniki klasycznej, ale się nie dało. Potrzeba było zatem odwrócić się w kierunku niedeterministycznej mechaniki kwantowej (którą opisuje się za pomocą wzorów probabilistycznych). Funkcja matematyczna opisująca ruch takiej fali w czasie to tzw.: funkcja falowa. Najprostszym przykładem funkcji falowej jest tak zwane równanie Schrödingera, które pozwala opisać ewolucję stanu układu kwantowego w czasie. Bo tak generalnie na tym polega fizyka. Na przewidywaniu stanów obiektu w przyszłości. Tutaj jednak się tak nie da. Wynikiem funkcji falowej w czasie nie jest konkretna wartość a jedynie prawdopodobieństwo. Prawdopodobieństwo, że w danym momencie rozpatrywana cząsteczka znajdzie się w określonym miejscu. Stąd właśnie obrazowa analogia Kota Schrödingera. Kot w pudełku z trucizną, do momentu pomiaru (zajrzenia do pudełka) jest wg wzorów mechaniki kwantowej zarówno żywy jak i martwy.

Na tym jednak “eksperyment dwóch szczelin” się nie zakończył. Zaczęto kombinować jak wyeliminować efekt kolapsowania się fali światła pod wpływem pomiaru. Wymyślono nową wariancję eksperymentu, którą nazwano “quantum eraser experiment” lub “delayed choice quantum eraser experiment”. Opis tego eksperymentu wymaga sporej wiedzy na temat pryzmatów, kryształów, polaryzatorów i cząsteczek splątanych dlatego nie będziemy wchodzić w detale. Dla chętnych zgłębić temat odsyłam do wielu filmów na youtubie, które w mniej lub bardziej przejrzysty sposób go wizualizują i tłumaczą.

https://www.youtube.com/watch?v=U7Z_TIw9InA

W skrócie i uproszczeniu, emitowany z lasera foton, przepuszczono przez kryształ, który rozbija foton na dwie cząsteczki splątane. Cząsteczki splątane to takie cząsteczki, które zawsze mają przeciwny spin (jedna z właściwości cząsteczek elementarnych tak jak np.: masa czy ładunek elektryczny). Dla uproszczenia przyjmijmy, że spin oznacza, że cząsteczka obraca się w prawo lub lewo względem własnej osi. Ów spin (tak jak pozycja cząsteczki) nie jest zdeterminowany do momentu jego pomiaru. Fascynujący jest fakt, że w momencie pomiaru w jakiś dziwny sposób druga cząsteczka automatycznie i natychmiast przyjmuje spin przeciwny do zmierzonego spinu pierwszej cząsteczki. Informacja ta jest przekazywana drugiej cząsteczce natychmiast, z prędkością przewyższającą prędkość światła. Naukowcy z LIGO (Ci sami którzy wykrysli fale grawitacyjne) udowodnili to wysyłając taką splątaną cząsteczkę na odległość kilkuset kilometrów i dokonując pomiaru spinu pierwszej cząsteczki na Ziemi. Informacja o przyjętym spinie została przekazana z prędkością przewyższającą najdokładniejszy zegar atomowy na świecie, a tym samym prędkością większą niż prędkość najszybszego nośnika informacji we wszechświecie - światła.
Wracając do eksperymentu - pierwsza cząsteczka splątana wędrowała przez dwie szczeliny, druga zaś kierowana była na pryzmat, który z prawdopodobieństwem 50% albo przepuszcza foton albo załamuje jego trajektorię (odbija pod kątem 90 stopni). Kierując ów fotony po odpowiednich trajektoriach do odpowiednich detektorów można opóźnić moment dokonywania pomiaru (detekcji ścieżki jaką podążał foton) do czasu, aż pierwszy foton uderzy w ekran tworząc wzór interferencyjny (oznaczający falę) albo dwa równoległe paski (oznaczające cząsteczkę). Żeby lepiej zrozumieć fenomen tego eksperymentu naprawdę polecam obejrzeć filmik z linku powyżej. Co się okazało? Jeżeli drugi splątany foton podąży trajektorią, która umożliwia świadome, logiczne zrozumienie, przez którą szczelinę przeszedł ów foton, pierwszy foton generuje dwa paski. Jeżeli jednak w świadomy i logiczny sposób takiej trajektorii nie jesteśmy w stanie wydedukować, pojawia się wzór interferencyjny. Nawet mimo tego, że pomiaru ścieżki drugiego fotonu dokonano później niż moment kolizji pierwszego fotonu z ekranem. To tak jakby drugi foton w momencie opóźnionego pomiaru zczaił się, że tego pomiaru dokonujemy, cofnął się w czasie i poinformował pierwszy foton o tym w jaki sposób ma przejść przez szczeliny. Ten eksperyment dosłownie powalił fizyków na kolana. Wszechświat od samego początku był idealnie i inteligentnie zaprojektowany, aby sam bronić się przed paradoksami podróży w czasie. Stoi za tym piękna, kreatywna i doskonała inteligencja projektowa. I nie jest to bynajmniej magia, a po prostu fizyka kwantowa.

Mogłoby to sugerować że nic co widzimy nie jest tak naprawdę materialne, a nasza świadomość (a właściwie jej komponent pozwalający na analizę/dedukcję ciągów przyczynowo-skutkowych) oddziaływuje z cząsteczkami wszechświata kreując rzeczywistość (kolapsując z zadanym prawdopodobieństwem ciągle pulsującą funkcję falową w momencie świadomej obserwacji). Nie będziemy jednak na razie nic takiego sugerować, gdyż nie da się tego w żaden sposób zmierzyć, a tym samym udowodnić.

https://physicsforme.files.wordpress.com/2015/06/wfc.gif

Podobnie jest z innymi cząsteczkami elementarnymi. Na przykład elektron do momentu pomiaru znajduje się w wielu pozycjach jednocześnie. Co więcej istnieje tak zwane zjawisko tunelowania kwantowego, które dopuszcza prawdopodobieństwo, że taki elektron przechodzi przez barierę potencjału. Obrazując to w sposób popularnonaukowy to tak jakby piłka rzucona w ścianę z zamkniętymi oczami mogła przez tą ścianę przeniknąć i znaleźć się po jej drugiej stronie. Zjawisko to jest obecnie uwzględniane przy budowie procesorów GPU (kart grafiki). Tranzystory na tych procesorach są tak małe i tak gęsto rozmieszczone, że przechodzące przez nie elektrony (prąd) mogą fizycznie przenikać przez bariery potencjału (“ściany”) tranzystorów gubiąc w ten sposób informacje. A jak wiemy komputery klasyczne są deterministyczne i nie mogą sobie na gubienie informacji pozwolić.

To by było na tyle o modelu standardowym. Nie ma potrzeby tłumaczyć czym są kwarki, leptony. Chętnych zgłębić temat, odsyłam do internetów, w których można znaleźć rzeczy inne niż zdjęcia kotów i Netflixa. W następnym felietonie będzie o modelu odnoszącym obecnie największe sukcesy w fizyce kwantowej - modelu pól kwantowych i boskiej cząsteczce (Bozonie Higgsa).

Pozdro!
 

Dobra, dobra. Chwila. Chcesz sobie skomentować lub ocenić komentujących?

Zaloguj się lub zarejestruj jako nieustraszony bojownik walczący z powagą

Napędzana humorem dzięki Joe Monsterowi