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

Kwanty nie do ogarnięcia cz.2


...AAA...

1,990 views

 Share

W dzisiejszym tekście drugi raz zanurzę się w fantastycznym świecie o rozmiarach subatomowych. Tym razem jednak chciałbym wykorzystać kwanty aby dotknąć istoty pewnego problemu, istotnego nie tylko z punktu widzenia samej mechaniki kwantowej, ale przede wszystkim ważnego dla próby zrozumienia teorii Wielkiego Wybuchu, a więc również działania otaczającej nas rzeczywistości. Osoby chcące się dowiedzieć jak mało ludzkość jeszcze wie o świecie, zapraszam do artykułu Kwanty nie do ogarnięcia cz.2: Wielki problem.

Zainteresowani tematem (oraz ci, którzy pokusili się o zapoznanie z wcześniejszym tekstem) wiedzą, że namacalny i dobrze nam znany świat dużych ciał rządzi się zupełnie innymi prawami niż rzeczywistość obiektów małych. Oczywiście, przymiotnik "mały" opisuje tu struktury tak nieprawdopodobnie drobne, że ciężko je dostrzec nawet przy pomocy wyspecjalizowanej aparatury; struktury mniejsze od atomu. Ostatnio skupiłem się na przedstawieniu nieoznaczoności - fundamentalnej zasady, która świetnie obrazuje nieprzewidywalność cząstek subatomowych. Nie jest to jednak jedyny dziw matki natury. Aby zaprezentować następny, posłużę się słynnym eksperymentem myślowym, o którym non stop przypominano mi w komentarzach =).

Wyobraźcie sobie, że istnieje możliwość zmniejszenia kota do rozmiarów pojedynczego elektronu, tak aby funkcjonował on według praw mechaniki kwantowej. Następnie kot zostaje zamknięty w szczelnym, ołowianym pojemniku. Wraz ze zwierzakiem w pudle znajduje się urządzenie napędzane pierwiastkiem promieniotwórczym emitującym jedną cząstkę na godzinę oraz licznikiem Geigera. Jeżeli detektor wykryje obecność cząstki, na co ma 50% szansę co godzinę, to urządzenie wyzwala trujący gaz, który uśmierca kota (Swoją drogą co za bestialstwo. Nie można było wziąć szczura?!). Problem w tym, że póki nie otworzymy pojemnika nie ma mamy żadnej możliwości sprawdzić czy kot zdechł czy żyje. Dla fizyki, ten kot zdechł i żyje jednocześnie! Pod spodem umieszczam wersję multimedialną tego eksperymentu.

[media=]

To szalone doświadczenie wymyślił i opisał w latach 30 XX wieku austriacki fizyk Erwin Schrödinger, w celu wyjaśnienia badanej wówczas kwestii tzw. superpozycji. Mówiąc najprościej, to właściwość cząstki, według której, znajduje się ona jednocześnie w wielu możliwych stanach. Tak, to kolejna obok nieoznaczoności zasada, wyglądająca jak istne science fiction. Bardziej dociekliwi zauważyli już, że haczyk w eksperymencie Schrödingera tkwi w samym atomie. Znajduje się on w stanie superpozycji, a więc rozpada się i nie rozpada jednocześnie, co przekłada się na równoczesną superpozycję nieszczęsnego kota.

Drążąc dalej superpozycję; jeśli weźmiemy przykładowy elektron, to w danym polu będzie znajdował się on w kilku stanach równocześnie. Podobnie jak przy nieoznaczoności, dopiero gdy dokonamy pomiaru, to znajdziemy cząstkę w danym stanie. Można to świetnie zrozumieć dzięki innemu, prostszemu eksperymentowi. Załóżmy, że mamy ołówek, który próbujemy postawić na dobrze zaostrzonym końcu. Naturalnie, zadziała na niego grawitacja i spadnie on w pewnym okręgu. Jeśli jednak wyobrazimy sobie ołówek kwantowy to zaczną się rzeczy przedziwne. Dzięki superpozycji będzie on spadał we wszystkie strony jednocześnie tworząc okrągłe i symetryczne pole! Ołówek normalnego rozmiaru spada tylko w jednym miejscu - dokonuje się tak zwane złamanie symetrii, wszechobecnej na poziomie kwantowym.

HAtomOrbitals.png

Powłoki elektronowe - warto zauważyć, że są zawsze symetryczne

Teraz pora na odjazd umysłowy i tytułowy wielki problem - Jak mały musi być obiekt, żeby podlegać superpozycji i dlaczego akurat tak mały? Kiedy następuje złamanie symetrii? Przecież przykładowy elektron i my należymy do tego samego świata. Ba! Elektrony i inne cząstki są w nas, a jednak my nie podlegamy superpozycji ani nieoznaczoności. Fakty są takie, że przewidywania fizyki dla pojedynczej cząstki są inne niż dla wielu. O ile rzeczywiście pojedynczy atom może ulec rozpadowi i nie rozpadowi jednocześnie, o tyle kot, czy jakikolwiek duży obiekt, może pozostać tylko w jednym stanie.

Problem jest wyjątkowo bolesny dla nauki, zmagającej się z dodatkowym pytaniem. Czy pierwotna osobliwość, od której rozpoczął się Big Bum, rządziła się przewidywalnymi prawami fizyki klasycznej, czy jednak zwariowaną naturą fizyki kwantowej? A może wyjście pośrednie? Tak czy inaczej obecnie zmuszeni jesteśmy do posługiwania się dwoma odmiennymi modelami. Kiedy wykształcił się ten drugi? Kiedy nastąpiło wielkie złamanie supersymetrii? A jak wyglądałby makroskopowy świat bez złamania supersymetrii? Być może supersymetria działa, lecz w sposób dla nas niezrozumiały? Myślę, że dzięki takim pytaniom nauka jest tak intrygująca. Na koniec jeszcze taka teoria:

W 1957 amerykański fizyk, Hugh Everett III, obronił pracę doktorską, w której zaproponował zupełnie nowe podejście do problemu interpretacji mechaniki kwantowej. Zaproponował, by wszystkie możliwe stany kwantowe (możliwe wyniki pomiarów) funkcji falowej potraktować jako prawdziwe i rzeczywiste. Założył, że w chwili obserwacji (pomiaru) zdarzenia kwantowego, będącego wcześniej w superpozycji - wszechświat rozczepia się na tyle kopii, ile jest możliwych rozwiązań funkcji falowej.

Jeśli sądzisz, że rozumiesz mechanikę kwantową,

to nie rozumiesz mechaniki kwantowej.

Richard Feynman

PS. Jak komentarze będę przychylne (albo jeśli w ogóle będą) to część trzecia już za tydzień.

PS 2. Przepraszam, że nie piszę o rocznicy katastrofy. Jestem złym Polakiem.

Edit: PS 3. Promowany? Myślałem, że wybiorą wpis o ketchupie! tongue_prosty.gif

 Share

21 Comments


Recommended Comments

Drążąc dalej superpozycję; jeśli weźmiemy przykładowy elektron, to w danym polu będzie znajdował się on we wszystkich pozycjach równocześnie.

Nie zgodzę się z tym. Można raczej powiedzieć, że na powierzchni zajmowanego przez niego orbitalu prawdopodobieństwo znalezienia go w dowolnym miejscu tej powierzchni jest takie same. Ten elektron znajduje się w ciągłym ruchu i nie jest w każdej części orbitala jednocześnie.

Tak samo nie nazywałbym superpozycją sytuacji, w której coś jest we wszystkich możliwych stanach. Moim zdaniem należy zacząć z drugiej strony: stan tego czegoś jest superpozycją kilku stanów, w jakich znajduje się to coś. Czyli taneczny bieg jest superpozycją sytuacji, w której tańczę i biegnę jednocześnie. Mógłbym jednak także cofać się do tyłu, ale ponieważ wymagałoby to więcej energii niż samo tańczenie i bieg jednocześnie, nie robię tego. Zatem mój stan jest superpozycją dwóch stanów, ale nie wszystkich możliwych. Mam nadzieję, że nie zamotałem się we własnych słowach.

O ile rzeczywiście pojedynczy atom może ulec rozpadowi i nie rozpadowi jednocześnie, o tyle kot, czy jakikolwiek duży obiekt, może pozostać tylko w jednym stanie.

Tutaj też bym się nie odważył na takie stwierdzenie. Liczba możliwych stanów na pojedynczy atom - zależy od pierwiastka. Liczba atomów w jednym molu substancji - 6,022*10^23. Liczba moli substancji w człowieku - duuuużo. Liczba możliwych stanów dla człowieka - silnia z tej liczby. Niewyobrażalnie duża liczba :)

Wpis ciekawy, mechanika kwantowa jest trudna i możliwe że to ja się mylę w swoim rozumowaniu. Zastanawia mnie tylko: masz to gdzieś na studiach czy dokształcasz się w ramach własnych zainteresowań?

Link to comment

Lord Nargogh - Trochę namotałeś ^^ , ale obawiam się, że też pomotałem nieco superpozycję z nieoznaczonością. Czasem tak jest, że czym dłużej się nad czymś zastanawiasz, tym więcej znajduje się niejasności. Myślę jednak, że to jest największa frajda. Z tym czy elektron jest rzeczywiście w każdej części orbitala, czy tylko nie możemy go konkretnie uchwycić to sprawa dość kłótliwa dla fizyków. Niektórzy przyjmują postawę morda i licz, ponieważ i tak nie da się tego sprawdzić. Natomiast superpozycja bardziej dotyczy stanu cząstki i pola, choć tu muszę przyznać profesjonalnego języka mi brakuje. Zresztą dodam zaraz do artykułu cytat o którym zapomniałem.

Tutaj też bym się nie odważył na takie stwierdzenie. Liczba możliwych stanów na pojedynczy atom - zależy od pierwiastka. Liczba atomów w jednym molu substancji - 6,022*10^23. Liczba moli substancji w człowieku - duuuużo. Liczba możliwych stanów dla człowieka - silnia z tej liczby. Niewyobrażalnie duża liczba :)

Oczywiście użyłem uproszczenia, ale masz rację =).

Wpis ciekawy, mechanika kwantowa jest trudna i możliwe że to ja się mylę w swoim rozumowaniu. Zastanawia mnie tylko: masz to gdzieś na studiach czy dokształcasz się w ramach własnych zainteresowań?

Na prawie rzadko się mówi o fizyce ^^ . Tylko i wyłącznie zainteresowanie, choć jeden z obecnych profesorów podziela moją manię... A Ty Lordzie?

Link to comment

No ja studiuję fizykę techniczną i tam siłą rzeczy mamy conieco mechaniki kwantowej... z tym zastrzeżeniem, że pierwszy wykładowca, z jakim miałem ten przedmiot był beznadziejny (przez łącznie 75 godzin wykładów praktycznie w ogóle nie mówił na temat, a jeśli już - to cały czas o tym samym. I w ten sposób przez dwa semestry 'mówiliśmy' o doświadczeniu Sterna-Gerlacha i barierach potencjału. I bynajmniej nie wyglądało to w taki sposób, że te tematy opracowywaliśmy bardzo szczegółowo i perfekcyjnie - wprost przeciwnie, były zrobione dość pobieżnie, ale kilka razy mieliśmy powtórzone dokładnie to samo) i w zasadzie mamy rok w plecy pod tym względem. Drugi próbował rozpaczliwie nadrobić, ale wiadomo jak łatwo jest przerobić materiał z trzech semestrów w jeden semestr... ;]

Link to comment

Cytat dodany przez A. opisuje mniej więcej mój obecny stan. Jak przeczytałem wpis powiedziałem ok mniej więcej połowę rozumiem. Jak przeczytałem komentarz Lorda to mi się wszystko poplątało i teraz już nic nie wiem.

Ale wpis fajny, niestety nie wiem czemu ale filmik mi się nie odtwarza (ale to może tylko mi, bo czasem mam takie problemy dziwne z netem) ale już bezpośrednio z yt zadziałało. Więc jest ok. Naprawdę nie myślałem że fizyka może być ciekawa. Teraz patrzę na to trochę inaczej. Czekam na part 3. Na serio. I mam nadzieję że nie ja jedyny.

Link to comment

Lord Nargogh - A no, jest to plaga polskich uczelni. Zabiera się radość z nauki, pomijając rzeczy fascynujące, jako mniej potrzebne, albo wykładając je po macoszemu. Nie tędy droga.

MarcinCallOfCthulhu - Trzecia część będzie nieco mniej naukowa, a bardziej kontrowersyjna. Jeśli będzie. Co do operacji Crossroads, to ciągle się dziwie, że wcześniej o niej nie słyszałem. Bardzo ciemna karta w historii USA. ZSRR potrafił robić w miarę bezpieczne testy za kołem podbiegunowym, a Amerykanie nie? Muszę obejrzeć film Radio Bikini.

Link to comment

Ach, te pomiary. Specjalnie tak robią, żeby się wszystkie ustawiły w jednym, konkretnym stanie! To spisek! Gdzie jest krzyż elektron?!

Swoją drogą, to dla mnie, bądź co bądź, powtórka... Z jednym wyjątkiem...

... Hugh Everett III... Nie znałem jego pracy, a sam jako mały bąbel (no, nie taki mały) snułem takie przypuszczenia... Miło.

Kiedy następny? Pewno po kolokwiach?

Link to comment

...AAA... Polecam, bo widziałem. Dobrze zrealizowany, ciekawy komentarz i zdjęcia. Ale jednak krótki, więc niedosyt pozostaje...

A czemu o tym nie słyszałeś? Nie można wiedzieć wszystkiego. ^^

Z tego co się orientuje (ale głowy uciąć sobie nie dam, najwyżej mackę) to teraz już Atol Bikini jest oczyszczony. I chyba nawet mieszkają tam ludzie.

Poza tym to tylko i wyłącznie ich głupota zrzucać bombę o silę 15 tysięcy megaton. (1000 razy więcej niż na Hiroszimę, o ile się nie mylę)

Link to comment

Na poważnie:

Zgrabnie, ciekawie i płynnie ujęty temat. Zagadnienie ścisłe, opowiedziane z humanistyczną finezją. Wypada tylko pochwalić i czekać na więcej.

Już niekoniecznie serio:

Brakowało mi zdjęć "gorących niegrzecznych doktorantek" wydziału fizyki w przyciasnych i niedopiętych chałatach - na koniec.

Link to comment

Cóż, żałuję że wcześniej nie natrafiłem na te poprzednie artykuły o fizyce :)

Mam nadzieję że jednak coś jeszcze o tym wyskrobiesz ;)

A tak przy okazji, pokaże sie coś jeszcze z serii "Wszechświat nie do ogarnięcia"? :)

Link to comment

behemort - Wpis miał być za tydzień, ale pierwotny projekt trochę mi się pogmatwał i zastanawiam się czy nie napisać o czymś innym. Jakieś zamówienia (oczywiście nadal w tematyce kwantów)?

MarcinCallOfCthulhu - Pewnie, że nie można wiedzieć wszystkiego. Ale co szkodzi próbować? =)

plusq - Coś takiego? Dziękuję za dobre słowo.

JamesVoo - Było subskrybować lub dodać blog do ulubionych ;)? Jeśli wchodzi o "kosmiczne wpisy", to koniecznie!

Link to comment

@...AAA... - Chyba tak uczynię, choć na Google Reader i tak mam dziennie około 200 wiadomości i mogłoby zaginąć gdzieś w tłumie ;)

Chyba będę po prostu wchodził częściej :)

A tak, chodziło mi o "kosmiczne" wpisy :)

Link to comment
A co ci się nie podobało we wpisie o ketchupie???

Gdzie napisałem, że coś mi się nie podobało? Wyraziłem swoje zdziwienie, że tamten wpis nie został promowany. Ot co.

Link to comment

Powiem tak - czasem jest takie bezrybie, że nawet wpis o Bin Ladenie jest promowany, a innym razem trafi się 5 dobrych wpisów i zawsze ktoś będzie poszkodowany. Przykładowo, nad Kwantami nie do ogarnięcia cz.3 trochę się narobiłem, ale akurat Face napisał o serialach i niestety mój wpis lada chwila pójdzie w zapomnienie.

Link to comment

Też to zauważyłem, moim zdaniem twój wpis jest nieporównywalnie lepszy. Widac, że ogarniasz temat i w ogóle piszesz bardzo ciekawie o bardzo ciekawych rzeczach. Będę czekał na kolejne wpisy.

Link to comment
Kiedy nastąpiło wielkie złamanie supersymetrii? A jak wyglądałby makroskopowy świat bez złamania supersymetrii? Być może supersymetria działa, lecz w sposób dla nas niezrozumiały?

To mnie właśnie irytuje w naukowcach - z jednej strony potrafią, przy okazji M-Teorii, rozprawiać o 11. wymiarach, których istnienia są wręcz pewni, jednocześnie twierdząc, że najprawdopodobniej nigdy nie będziemy, jako istoty czwórwymiarowe, potrafili ich zrozumieć, a z drugiej strony zakładają, że supersymetria jest złamana w świecie makroskopowym...

Obserwowany elektron również znajduje się jedynie w jednym miejscu w danym czasie, prawda? Kot jest jednocześnie martwy i żywy tylko do momentu otwarcia pudełka.

Czemu by więc to, co obserwujemy sami gołym okiem miało zachowywać się inaczej? : )

Link to comment
To mnie właśnie irytuje w naukowcach - z jednej strony potrafią, przy okazji M-Teorii, rozprawiać o 11. wymiarach, których istnienia są wręcz pewni,

Akurat do pewności istnienia wymiarów nadprzestrzennych, przeciętnemu fizykowi daleko.

Czemu by więc to, co obserwujemy sami gołym okiem miało zachowywać się inaczej? : )

Właśnie to jest tą słodką tajemnicą. ;)

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...