Einstein ratuje kota Schrödingera

Opublikowano: 28.06.2015 | Kategorie: Nauka i technika, Publicystyka | RSS komentarzy

Przeczytano 136 razy!

W świecie kwantowym cząstki mogą szaleć i być w więcej niż jednym miejscu naraz. Ale to, że podobnych szaleństw nie widzimy w skali makro, może być sprawką grawitacji. Ona może demaskować cząstki i zabraniać im kwantowych zabaw.

Niezwykłe związki między mechaniką kwantową i teorią względności ukazali fizycy z międzynarodowego zespołu, kierowanego przez Časlava Bruknera. Badania, których współautorką jest Polka, dr Magdalena Zych, ukazały się w czerwcu w prestiżowym czasopiśmie “Nature Physics”.

W POSZUKIWANIU TEORII WSZYSTKIEGO

Naukowcy w swoich badaniach zajęli się zjawiskami, które obejmują dwie teorie: mechanikę kwantową (opisującą świat cząstek elementarnych) i ogólną teorię względności (opisuje m.in. efekty dotyczące grawitacji i czasu). Połączenie tych dwóch wielkich teorii i pełne opisanie grawitacji kwantowej to jedno z większych wyzwań w fizyce. Wyniki zespołu są krokiem w stronę poznania zależności między mechaniką kwantową a grawitacją.

“Jeżeli chcemy przejść całą drogę od obecnego stanu fizyki eksperymentalnej, do momentu, w którym będziemy w stanie badać efekty kwantowej grawitacji, musimy najpierw zbadać reżim, w którym widoczne są i efekty mechaniki kwantowej, i ogólnej teorii względności. Taki reżim właśnie w swojej pracy opisujemy” – powiedziała w rozmowie z PAP dr Magdalena Zych, absolwentka Międzywydziałowych Studiów Matematyczno-Przyrodniczych Uniwersytetu Łódzkiego, obecnie na stażu w australijskim Uniwersytecie w Queensland.

“Niewiele jest opisanych zjawisk, które łączą obie teorie, jedno z nich to promieniowanie czarnych dziur opisane przez Stephena Hawkinga” – zaznaczyła fizyk. Podkreśliła jednak, że efekt, który wspólnie z kolegami opisali, obserwowany mógłby być znacznie łatwiej, już w ziemskich warunkach i z cząstkami o niskich energiach. Zespół opracował teorię dotyczącą tego zjawiska.

UMRZEĆ – TEGO NIE ROBI SIĘ KOTU SCHRÖDINGERA

Aby zrozumieć, na czym polegają badania zespołu, trzeba wyjaśnić efekt zachodzący w świecie cząstek elementarnych – tzw. kwantową superpozycję. Gdyby świat był całkowicie klasyczny, każda cząstka byłaby zawsze w jakimś konkretnym położeniu. „Jeśli jednak cząstka jest w stanie superpozycji położenia A i B, możemy ją znaleźć i w A i w B — z pewnym prawdopodobieństwem” – powiedziała dr Zych. Superpozycja to nie jest jednak bycie w dwóch miejscach na raz. “To bardziej jak dodawanie kolorów niż jak bilokacja: jeśli połączę żółtą farbę z niebieską, powstanie farba w nowym kolorze, będzie zielona, a nie i żółta, i niebieska jednocześnie. Superpozycja to zupełnie nowy stan cząstki” — podkreśliła. Słynny jest eksperyment myślowy dotyczący superpozycji, z udziałem kota Schrödingera: jeśli mechanika kwantowa faktycznie opisuje przyrodę w każdej skali, możliwa jest sytuacja, w której kot będzie w superpozycji bycia żywym i martwym. „To obrazuje, jak odmienny byłby nasz świat, gdybyśmy mogli na co dzień obserwować dowolne efekty kwantowe” – zaznaczyła fizyk.

“I tu rodzi się pytanie: dlaczego takich efektów nie obserwujemy na co dzień? Często przecież obserwujemy koty żywe, rzadziej – martwe, ale nigdy nie obserwujemy kotów w superpozycji. A o cząstkach, które są w superpozycji – wiemy jedynie dzięki specjalnie zaaranżowanym eksperymentom, i to z cząstkami składającymi się z co najwyżej kilku tysięcy atomów” – stwierdziła dr Zych.

Okazuje się bowiem, że jeśli informacja o stanie cząstki wycieknie do otoczenia, superpozycja znika, a układ przyjmuje stan zgodny z naszym codziennym doświadczeniem. Cząstki bowiem „nie chcą” być zaobserwowane w superpozycji. Dr Zych przyznała, że chociaż dużo już wiadomo na temat tego, jak np. oddziaływania elektromagnetyczne przyczyniają się do degradacji kwantowych superpozycji, fizycy wciąż badają, dlaczego właściwe stany superpozycji są takie delikatne, a stany z dobrze określonym położeniem – już mniej, i mogą przetrwać w skali makroskopowej, np. w obiektach wielkości kota.

PRZYZIEMNI STARZEJĄ SIĘ WOLNIEJ

“My spojrzeliśmy na problem od innej strony. Badaliśmy, jak z mechaniką kwantową łączy się tzw. dylatacja czasu uwzględniona w ogólnej teorii względności” – stwierdziła.

Wyjaśniła, że według ogólnej teorii względności Alberta Einsteina grawitacja jest efektem tego, że masy powodują zakrzywienie czasoprzestrzeni. “Tu pomoże analogia z rozpięta membraną. Jeśli położy się na niej ciężką kulę, membrana się ugnie, a inne obiekty umieszczone na membranie będą zakrzywiać swoje tory ruchu w stronę kuli. Podobnie grawitacja powoduje zakrzywienie czasoprzestrzeni, a więc i czasu” – powiedziała fizyk. Dodała, że w konsekwencji czas płynie wolniej w pobliżu dużej masy niż z dala od niej – to właśnie jest efekt zwany grawitacyjną dylatacją czasu. “Lepiej więc mieszkać na parterze niż na ostatnim piętrze wieżowca, bo gdy jesteśmy bliżej Ziemi starzejemy się wolniej” – zażartowała badaczka. Dodała jednak, że to są różnice rzędu kilkunastu nanosekund w skali roku.

CZASY SIĘ ZMIENIAJĄ, POZYCJE TEŻ

W swoich wcześniejszych badaniach (opublikowanych w czasopiśmie „Nature Communications”) dr Zych i koledzy postawili sobie pytanie: co się stanie, jeśli w superpozycji znajdzie się cząstka “z zegarkiem”, np. atom którego stan energetyczny oscyluje w czasie i jeśli taki atom będzie w superpozycji w różnych odległościach od masy – np. na różnych wysokościach nad Ziemią. W skutek grawitacyjnej dylatacji czasu „zegarek” zdradziłby położenie cząstki. A superpozycje utrzymują się tylko wtedy, kiedy nie ma żadnej możliwości, aby poznać, gdzie była cząstka. „Pokazaliśmy, że im bardziej “zegarek” może zdradzić cząstkę, tym bardziej superpozycja niknie…” – opowiedziała badaczka.

Najnowsza praca rozszerza te badania w zaskakującym kierunku: zajmuje się efektami dylatacji czasu dla cząstek, które nie mają wewnętrznych „zegarków”. “Wydawałoby się, że dylatacja czasu nie powinna tam prowadzić do żadnych nowych efektów. Ale tak nie jest” – opowiada naukowiec.

Fizycy badali, co dzieje się w całych strukturach cząstek takich jak molekuły lub jeszcze większe, makroskopowe obiekty. “Tam atomy nie siedzą spokojnie. Wibrują. A im większa jest temperatura obiektu, tym te wibracje są szybsze. Nie zmierzymy czasu za pomocą tych wibracji, czyli za pomocą temperatury, ale fakt, że te wibracje występują i że dylatacja czasu działa na nie tak, jak i na każdy inny proces w przyrodzie, sprawia, że cząstka zaczyna się zachowywać w sposób klasyczny” – przyznała i dodała: “Z im większej liczby cząstek zbudowany jest obiekt i im wyższą ma temperaturę, tym dylatacja czasu szybciej jest w stanie zdegradować superpozycję”.

Przyznała, że w temperaturze pokojowej już w przypadku obiektu ważącego jeden gram, superpozycja z różnicą wysokości 1 mm przetrwa zaledwie jedną mikrosekundę: „To było dla nas najbardziej zaskakujące – że już tak słaba grawitacja, jak ta na Ziemi, może powodować tak znaczący efekt” – dodała.

Prace zespołu rzucają nowe światło na reżim, gdzie mechanika kwantowa spotyka się z ogólną teorią względności.

“Jesteśmy w kontakcie z grupami, które są zainteresowane realizacją eksperymentów, których teorię opisaliśmy” – zaznaczyła badaczka i przyznała, że jeśli taki eksperyment uda się wykonać, będzie to krok milowy dla fizyki eksperymentalnej. Żadnej grupie nie udało się jeszcze przetestować reżimu, gdzie rolę grają zarówno mechanika kwantowa jak i teoria grawitacji Einsteina.

Autorstwo: Ludwika Tomala
Źródło: NaukawPolsce.PAP.pl

1 Star2 Stars3 Stars4 Stars5 Stars Zostań pierwszą osobą, która oceni ten wpis!
Loading...

TAGI: ,

OD ADMINISTRATORA PORTALU: Hej! Cieszę się, że odwiedziłeś naszą stronę! Naprawdę! Jeśli zależy Ci na dalszym rozpowszechnianiu niezależnych informacji, ujawnianiu tego co przemilczane, niewygodne lub ukrywane, możesz dołożyć swoją cegiełkę i wesprzeć "Wolne Media" finansowo. Darowizna jest też pewną formą „pozytywnej energii” – podziękowaniem za wiedzę, którą tutaj zdobywasz. Media obywatelskie, jak nasz portal, nie mają dochodów z prenumerat ani nie są sponsorowane przez bogate korporacje by realizowały ich ukryte cele. Musimy radzić sobie sami. Jak możesz pomóc? Dowiesz się TUTAJ. Z góry dziękuję za wsparcie i nieobojętność!

Poglądy wyrażane przez autorów i komentujących użytkowników są ich prywatnymi poglądami i nie muszą odzwierciedlać poglądów administracji "Wolnych Mediów". Jeżeli materiał narusza Twoje prawa autorskie, przeczytaj informacje dostępne tutaj, a następnie (jeśli wciąż tak uważasz) skontaktuj się z nami! Jeśli artykuł lub komentarz łamie prawo lub regulamin, powiadom nas o tym formularzem kontaktowym.

3 komentarze

  1. WacekPlacek 29.06.2015 08:40

    Tutaj trzeba pamiętać, że mamy do czynienia z umownym językiem opisowym który sam w sobie może dostarczać wielu nierozwiązywalnych problemów. Pojęcie – cząstka – pochodzi z wrażeń zmysłowych, czyli z przyzwyczajenia i ujęcie bardziej holistyczne sprawia, że nie ma żadnych cząstek, są tylko wrażenia jakie uzyskują nasze zmysły, czyli subiektywne odczucia. Fizyka musi chyba zacząć od zmian swojego języka bo to redukcjonistyczne, atomistyczne pojmowanie wszystkich rzeczy dalej już niczego ciekawego nie odkryje.

    Sama dylatacja czasu i teoria względności jest troszkę kłopotliwie opisywana, przestrzeń nie jest płaską membraną, jest wszędzie naokoło więc każde jej zagięcie przypominałoby bardziej powstanie wiru wodnego pod wodą, niż na powierzchni wody. Wiru pod powierzchnią wody nie da się w żaden sposób obserwować, wyobrazić czyli zilustrować, jedyne co można to odczuwać jego skutki kiedy znaleźlibyśmy się pod wpływem jego działania. Dlatego nowy język fizyki i sposób pojmowania musiałby znieść rozdział na podmiot obserwujący i przedmiot obserwowany. Mielibyśmy wtedy coś w stylu psycho-fizyki.

  2. Piechota 29.06.2015 19:16

    Poza tym sporo teorii, które się bierze jako punkt wyjścia, to są bardziej hipotezy. Ostatecznie liczy się dowód empiryczny. Jaką ma wartość nawet doskonała teoria, jeżeli nie jest potwierdzona empirycznie? Jedną z hipotez jest teoria Wielkiego Wybuchu, która nigdy nie będzie udowodniona doświadczalnie, chyba że uda się cofnąć do momentu WW i wcześniej. Być może to się uda w nieskończonej przyszłości:)

  3. Piechota 02.07.2015 09:34

    A może jakaś obca cywilizacja nieautodestrukcyjna jak nasza, której rozwój trwał miliony lat – już rozkminiła naturę wszechświata, jego początek, grawitację, czas itd.

Dodaj komentarz

Zaloguj się aby dodać komentarz.
Jeśli już się logowałeś - odśwież stronę.

pl Polski
X