Jump to content
  • entries
    318
  • comments
    3,425
  • views
    544,543

Kwanty nie do ogarnięcia cz.1


...AAA...

6,499 views

 Share

Kiedy laik słyszy o mechanice kwantowej, od razu wyobraża sobie niezwykle długie i niezrozumiałe równania, których niemal żaden śmiertelnik nie umie nawet poprawnie odczytać. Po części ma on rację. Jest jednak druga strona, pełna elegancji, finezji i polotu. To nauka ekstremalna, urzeczywistniająca marzenia fanów science fiction, działająca na wyobraźnie każdego inteligentnego człowieka. W nowej serii wpisów chciałbym Wam przedstawić właśnie tą drugą, fantastyczną stronę fizyki. Jeśli więc, podobnie jak ja, jesteście zainteresowani naturą wszechświata - materii, energii, czasu, a nawet nas samych, to zapraszam do lektury części 1: Nieoznaczoność.

ACHTUNG! Nie uciekajcie! Obiecuję, że w tekście nie zostanie użyty żaden wzór matematyczny

wink.gif .

Zastanawiałem się od czego rozpocząć tak ważny artykuł, tak aby nikt nie czuł się zagubiony. Zacznę więc od pytania: Z czego składa się świat? Nikt nie ma dziś wątpliwości, że składa się z mikroskopijnych atomów. Atomy z kolei zbudowane są z masywnego jądra i okrążających go elektronów... A raczej tak byłby zbudowany w idealnie uporządkowanym świecie, jakiego spodziewali się pierwsi fizycy nuklearni, tacy jak Niels Bohr. Ten model, słusznie nazwany modelem planetarnym atomu, choć piękny i ułożony to jednak nie jest poprawny. Przyczyną zamieszania jest fakt, iż w porównaniu do planet, nie możemy całkiem dokładnie określić położenia okrążającej jądro cząstki. Pytanie, czy wynika to z niesłychanie małych rozmiarów elektronu (jest setki razy mniej masywny od protonów i neutronów) i słabości aparatury badawczej, czy może z dziwnej i zwariowanej natury wszechświata?

Elektron nie był pierwszą cząstką mieszającą w głowach fizyków. Dwa wieki wcześniej Sir Isaac Newton stwierdził, że samo światło składa się maleńkich "kuleczek", przenoszących energię i odbijających się od wszystkiego, dzięki czemu widzimy. Trzeba przyznać, że było to całkiem trzeźwe i sensowne stanowisko. Zabawę Newtonowi popsuł inny Anglik - Thomas Young, który w swoim słynnym doświadczeniu wykazał, że światło może zadziałać jak typowa fala. Young po prostu skierował światło, przez szczeliny ułożone w taki sposób, aby cząstka nie mogła się przebić do ostatniej ścianki. Światło uległo jednak interferencji, której dowodem było ukazanie się na ściance jaśniejszych i ciemniejszych prążków. Fizyka przeżyła szok. Oto foton - porcja światła, okazał się zarówno punktową cząstką jak i odcinkiem fali elektromagnetycznej. Tak zwany dualizm korpuskularno-falowy stał się faktem.

Young.gif

Wiele lat później podobnego typu eksperymenty przeprowadzono na elektronach. Wyniki ukazały jeszcze bardziej zdumiewający charakter przyrody. Kiedy przepuszczono owe cząstki elementarne przez przegrodę ze szczelinami, to na ekranie ukazały się ślady bombardowania konkretnymi elektronami, które nie natrafiły na przeszkodę. Elektrony zachowały się niczym amunicja karabinu, której część trafiła w szczelinę i wylądowała u celu. Gdy jednak powtórzono eksperyment w zamkniętym pomieszczeniu, bez obserwatora i urządzeń pomiarowych, to okazało się, że strumień elektronów zachował się niczym światło u Younga - interferował (jeśli nie zrozumiałeś - patrz film poniżej). Oba wzory na ekranie pokazują pewien obraz rzeczywistości. Pytanie za 100 punktów! Jaka była droga pojedynczego elektronu w drugim przypadku (bez obserwatora)? Interferencja wskazuje na chory wniosek - pojedynczy elektron potrafi przejść przez dwie szczeliny jednocześnie!

[media=]

Oto, co na ten temat mówi Dr Kwant

Powyższe doświadczenie jest kwintesencją tajemniczej mechaniki kwantowej. To fizyka ekstremalna, w której coś jest i nie jest jednocześnie; cząsteczki są falami, a fale cząstkami i potrafią znajdować się w kilku miejscach na raz. Po takich wnioskach Newton przewrócił się w grobie a Einstein (na ironię miał spory wpływ na powstanie podstaw mechaniki kwantowej) się wypiął szukając konkretniejszego wyjaśnienia. Na tej podstawie niemiecki uczony, Werner Heisenberg, przedstawił zasadę nieoznaczoności. Zgodnie z nią nikt nie jest wstanie dokładnie zmierzyć położenia i pędu cząstki, a jedynie obliczyć prawdopodobieństwo jej spotkania. Jeśli się zastanowić, to powód jest całkiem prosty. Gdy oglądamy przez klasyczny mikroskop bakterię, to bombardujemy ją fotonami, które odbijają się odeń i wracają do naszego oka, dzięki czemu widzimy. W potężnych mikroskopach elektronowych ostrzeliwujemy materię bardzo subtelnie wiązką elektronów, co daje możliwość obserwacji pojedynczych atomów. Problem pojawia się gdy zechcemy podejrzeć pojedynczy elektron. Siłą rzeczy, aby tego dokonać musimy uderzyć go innym elektronem co go przesunie rozmazując obraz. Patrząc od strony falowej - nie można więc wyznaczyć położenia cząstki z dokładnością większą niż odległość między dwoma grzbietami fali. Co gorsza, im dokładniej zmierzymy pozycję cząstki tym mniej wyraźny obraz otrzymamy.

Myśląc łopatologicznie, można dojść do wniosku, że to tylko kwestia sposobu pomiaru i ta pojedyncza "kulka" gdzieś tam jest. Problem w tym, że nie da się inaczej przeprowadzić pomiaru. Niemal zawsze jakaś siła działa na dany kwant, który staje się nieuchwytny. Rodzą się tu pytania filozoficzne:

1. Czy nieoznaczoność cząstek jest faktyczną właściwością wszechświata i nigdy nie odnajdziemy konkretnej cząstki?

2. Czym tak naprawdę nazywamy falę i czy nie może ona być tożsama z cząstką?

Przynajmniej na to drugie pytanie mogę udzielić ciekawej odpowiedzi, o której dowiedziałem się kilka dni temu. Genialny fizyk Richard Feynman stwierdził, że nie ma żadnej naturalnej sprzeczności między falą i cząstką, gdyż tak naprawdę nie istnieje wyobrażana sobie przez wieki konkretna "kropka" stanowiąca elektron czy foton. Feynman wymyślił, że cała materia składa się z pól energetycznych, które falują w określonych częstotliwościach. Kiedy zauważamy rzekomą cząstkę, to tak naprawdę widzimy "grzbiet" tej fali pojawiający się w danym miejscu lub... miejscach! Ta teoria całkowicie tłumaczy na czym może polegać dualizm korpuskularno-falowy, jak i wyjaśnia we wspaniały sposób zasadę nieoznaczoności.

atom.jpg

Gdzieś tam jest elektron... A może jest wszędzie?

Nie mam pojęcia czy podołałem zadaniu i czy dałem radę opisać te niezwykle skomplikowane zjawiska w sposób ciekawy i zrozumiały. Mam jednak nadzieję, że choć kilka osób więcej zainteresuje fantastyczny świat kwantów. Sprawa powinna nas ciekawić tym bardziej, że nieuniknione jest stworzenie w niedalekiej przyszłości komputerów kwantowych, będących tysiące razy bardziej wydajnych od ich standardowych odpowiedników. Jedynie mechanika kwantowa jest wstanie rozpocząć erę teleportacji, komunikowania się na odległości lat świetlnych i podróży w czasie. Aż strach pomyśleć, jakie kolejne dziwy obnaży przed nami Wielki Zderzacz Hadronów.

Piękne są rzeczy, które widzimy,

Jeszcze piękniejsze te, które rozumiemy,

Ale najpiękniejsze te, których nie ogarniamy.

Niels Steensen

Naturalnie w tekście posługuję się ogromnymi uproszczeniami i osoba "w temacie" może wytknąć brak takich terminów jak stała Plancka, superpozycja czy supersymetria. Wszystko w swoim czasie.

 Share

16 Comments


Recommended Comments

W ogóle pominąłeś w swych rozważaniach stałą Plancka, superpozycje i supersymetrie. O braku jakichkolwiek wzorów nie wspominając. Shame on you!

Tak serio to fizyka to cięzki kawałek chleba i pomimo tego, że może być interesująca, to niełatwo ludzi tym zaciekawić. Im głębiej człowiek się chciałby tym zająć, tym bardziej niestety trzeba się we wzorki i teorię zagłębić.

Z drugiej strony, ktoś kto z fizyką był dotąd na bakier też pewnie będzie miał parę ocb, np. przy pojęciach zasady nieoznaczoności, albo dualizmu korpuskularno-falowego.

Link to comment

I dobrze że nie używasz takich wyrażeń.

No chyba że je gdzieś z boku wyjaśnisz ^^

Ogólnie tekst ciekawy i co najważniejsze przystępny dla "mniej kumatych" takich jak ja. Szczególnie ważne jest to że mnie to zainteresowało, a fizyka nie jest czymś o czym (do dzisiaj ;)) chciałbym czytać. Więc jeżeli masz zamiar to kontynuować, to na pewno z chęcią poczytam i poszerzę swój ciasny umysł ^^

Link to comment

Lord Hrabula - Myślę, że jeśli ktoś ze szkoły średniej nie wyciągnął wiedzy o najważniejszych procesach, to raczej nie będzie też chciał tego czytać. To tak, jak gdybym tłumaczył kim był Hitler pisząc o bitwie Kampanii Wrześniowej =).

Drangir - Moar będzie jeśli chętni będą i o ile będę miał pomysł. O takich tematach bardzo dobrze się czyta, lecz ciężko je zrozumiale opisać.

MarcinCallOfCthulhu - Nigdy nie jest za późno aby się czymś zainteresować. Cieszę się, że mogę komuś pomóc we wprowadzeniu do tematu.

Link to comment

Spojrzałem na tytuł i wiedziałem, na czyj blog trafię. :)

Myślałem, że jako znany wielbiciel kotów napiszesz coś o kocie Schrödingera :).

O takich tematach bardzo dobrze się czyta, lecz ciężko je zrozumiale opisać.

Dlatego wyrazy szacunku za wszystkich piszących o fizyce dla kucharek.

Link to comment

...AAA...Nie mam zamiaru wytykać ci błędów (które nomen omen są nieuniknione z winy uproszczeń, "Dążąc do uproszczenia, tworzymy komplikacje." Frank Herbert). Jak na tekst dla laików jest całkiem fajnie.

A co do tematu.

Jeśli chodzi o paradoks mnogiego a zarazem jednolitego wariantu przejścia przez szpary w ściance, to ma się to poniekąd z dwoma ciekawymi zagadnieniami. Kotem Schrödingera i emisją cząstek (odnośnika do czegoś innego niż emisja wymuszona (wiki zwykle wyjaśnia najłatwiej :), choć nie zawsze dokładnie i poprawnie :( ) nie chciało mi się wyszukiwać, gdyż czytałem to w świecie "realnym" ;) w Scientific America (Świat Nauki)), a zwłaszcza emisją fotonu. Otóż elektron zyskując dodatkową energię emituje foton, który również oddziałuje na "ścianę" po drugiej stronie. Jeśli więc fala (przyjmując, że wszystko zbudowane jest z energii o synchronicznym, tudzież fali), zostanie przyśpieszona (zyskując dodatkową energię, czy jak kto woli kopa) emituje drugą cząstkę/falę oddziałującą o podobnych właściwościach (foton jest dość mocno podobny do elektronu, z tą różnicą, że foton nie posiada ładunku, a jego masa jest nieokreślenie mała (gdyby nie posiadał, żadnej masy, jak twierdzą niektórzy, nie mógłby oddziaływać na inne cząstki ( ciemna materia?), a każdy z nas czół ciepło słoneczka w słoneczny dzień).

Fizyka kwantowa jest trudnym zagadnieniem z jednego powodu. Logika świata makro, często zawodzi w świecie micro.

Link to comment

org, mrowczak - Kota Schrödingera zostawiłem na następny odcinek, dotyczący m.in. superpozycji. Podobnie zajmę się w nim właśnie owym problemem sprzeczności między światem makro i mikro.

behemort - Chciałem kiedyś napisać cały artykuł o komputerze kwantowym, ale szczerze mówiąc moja wiedza jest na tyle nikła, że tekst byłby krótszy niż pół strony. Jeszcze się z tym wstrzymam.

Link to comment

To i tak, przynajmniej na razie, jest ograniczone do l, więc jak na razie broń kwantowa zamieniająca czołgi w metalowe wiórki, teleportacja na drugi kraniec galaktyki czy kontakt pomiędzy kosmicznymi odległościami w czasie rzeczywistym są ciekawymi wizjami SF, to wszystko. Jedni zarabiają na życie przesyłaniem informacji kwantowych między elektronami, inni pisząc powieści. Jak dobrze pójdzie, to ludzie ich zapamiętają, jak nie... to nie, nieważne czy z powodu lichej jakości, czy małego "upsa" w badaniach typu czarna dziura pod Szwajcarią.

Lekko żartobliwym tonem.

Link to comment

Zbyt lekceważysz behemorcie moc kwantów :>. Ta dziedzina już jest szeroko wykorzystywana w urządzeniach elektronicznych, a przy takim tempie miniaturyzacji, tranzystory będą miały wielkości molekularne za kilkadziesiąt lat. Komputer kwantowy to kwestia czasu i oczywiście pieniędzy - nikomu nie zależy na ładowaniu miliardów w badania, dopóki można zarabiać na sprzęcie standardowym.

A co do przesyłania informacji, to odsyłam do splątania cząstek i jak to nazywał Einstein "upiornego oddziaływania na odległość".

Link to comment

Jak już kiedyś wspomniałem, teleportacja na duże odległości się nie opłaca (opiera się wszak na sygnale poruszającym się z prędkością światła, więc teleportacja na marsa trwała by około 30 minut), a tym bardziej podróże z prędkością światła są niemożliwe. Jeśli kiedykolwiek uda się udowodnić istnienie grawitonów, a tym bardziej wykorzystać je, będzie można mówić o erze podróży międzygwiezdnych.

Ciekawe są jeszcze silniki plazmowe, które testują obecnie brytyjscy australijscy i amerykańscy naukowcy ( Japończycy również prowadzili badania na ten temat, ale w chwili obecnej maja inne problemy). Ich największą zaletą jest małe zużycie paliwa w stosunku do wydajności. Dzięki temu nie trzeba brać olbrzymich ilości paliwa na podróż na marsa, bądź zabrać taką i zużyć tylko część na podróż ( przez cały czas podróżując na pełnym gazie :) ). Dzięki nim podróż na marsa mogła by trwać nie pół roku, a 4 tygodnie. :)

Ciekawie prezentuje się też teoria Tachionów. Nie wiem do czego można było by zastosować bliźniaka fotonu ( do komunikacji się nie nadaje, do podróży między gwiezdnej tym bardziej, może jako źródło energii :) ), ale wizja cząstki która nie może poruszać się wolniej niż światło, wydaje się być ciekawa.

Link to comment

Po superpozycji stanów kwantowych mego umysłu wychodzi mi, że mi się podobało. Mimo tego, że czytałem trochę o tym wcześniej. I filmik też widziałem.

Link to comment

A mnie zastanawia jedno - skąd się w ogóle wziął "problem korpuskularno-falowy", skoro takie zjawisko - na moje, laickie, oko - występuje w każdym miejscu na Ziemi!

Przecież woda (a raczej: każda ciecz) prezentuje to zjawisko - ma strukturę korpuskularną (bo składa się z cząsteczek H2O), ale jednocześnie falową - jak wrzucimy kamień, to widzimy rozchodzące się fale, które powstają na skutek przenoszenia energii z cząsteczki na cząsteczkę...

Czemu więc swego czasu ta korpuskularno-falowa konstrukcja światła wywoływała kontrowersje? : )

Link to comment
A mnie zastanawia jedno - skąd się w ogóle wziął "problem korpuskularno-falowy", skoro takie zjawisko - na moje, laickie, oko - występuje w każdym miejscu na Ziemi!

Przecież woda (a raczej: każda ciecz) prezentuje to zjawisko - ma strukturę korpuskularną (bo składa się z cząsteczek H2O), ale jednocześnie falową - jak wrzucimy kamień, to widzimy rozchodzące się fale, które powstają na skutek przenoszenia energii z cząsteczki na cząsteczkę...

Czemu więc swego czasu ta korpuskularno-falowa konstrukcja światła wywoływała kontrowersje? : )

Ogólnie cały problem miał swój początek za Plancka, o czym miałem okazję pisać w części 2 Kosmicznej symfonii. Ciekawe spostrzeżenie na temat wody, nigdy tak na nią nie patrzyłem. Kwestia światła jest jednak nieco inna. Jeśli wykonasz eksperyment z dwoma szczelinami na wodzie, to uzyskasz niezmiennie obraz interferencyjny. Kwanty zachowują się dziwacznie i właśnie dualistycznie. Inaczej mówiąc - to z czego składa się światło było sprawą drugorzędną; ważniejsze były konsekwencje z tego wynikające.

Link to comment

Jednak zauważ, że w momencie braku występowania jakichkolwiek zakłóceń (brak obserwatora) elektrony zawsze zachowywały się identycznie - pojawiał się obraz interferencyjny.

Należałoby więc zaprzęgnąć kolejną rzeszę fizyków, aby wymyślili na czym dokładnie na poziomie subatomowym polega obserwacja. : ) Dopiero wtedy będzie można - odtwarzając identyczny poziom zakłóceń - stwierdzić, czy ciesz zachowuje się tak samo, jak światło, czy nie.

Link to comment
Guest
Add a comment...

×   Pasted as rich text.   Paste as plain text instead

  Only 75 emoji are allowed.

×   Your link has been automatically embedded.   Display as a link instead

×   Your previous content has been restored.   Clear editor

×   You cannot paste images directly. Upload or insert images from URL.

×
×
  • Create New...