Φυσική & Φιλοσοφία (201 άρθρα)

Τι ακριβώς είναι ο χρόνος για έναν φυσικό και τι για έναν φιλόσοφο;

| 0 ΣΧΟΛΙΑ

Το διαχρονικό γνωστικό έλλειμμα… χρονοσοφίας

Πώς εξηγείται η ανάγκη της φυσικής και μεταφυσικής εξάλειψης του χρόνου;
Το διαχρονικό γνωστικό έλλειμμα… χρονοσοφίας

Αν ο χρόνος είναι μόνο ό,τι μετράνε τα ρολόγια μας, τότε γιατί οι εξελίξεις των πολύπλοκων φυσικών συστημάτων είναι συνήθως απρόβλεπτες και δημιουργικές; Και γιατί η «χρονικότητα» και η «ιστορικότητα» όλων των φυσικών φαινομένων δεν μπορούν πλέον να θυσιάζονται στον βωμό της «αιωνιότητας», δηλαδή να τις παραβλέπουμε στο όνομα της «αντικειμενικής» γνώσης;

Τι ακριβώς είναι ο χρόνος για έναν φυσικό και τι για έναν φιλόσοφο; Είναι κάτι πραγματικό ή, αντίθετα, δεν είναι τίποτα περισσότερο από μια ψευδαίσθηση που «υπάρχει» μόνο στο μυαλό κάποιων πεπερασμένων και ατελώς σκεπτόμενων όντων όπως οι άνθρωποι; Πώς μπορεί ο χρόνος να παρεισφρέει και να δρα καταλυτικά μέσα σε έναν νομοτελειακό Κόσμο, όπου τα πάντα καθορίζονται από αιώνιους-άχρονους φυσικούς νόμους; Κι αν τελικά δεχτούμε ότι ο χρόνος υπάρχει όντως, είναι μόνο καταστροφικός ή, ενίοτε, μπορεί να είναι και δημιουργικός;

Πώς απαντά σε αυτά τα αποφασιστικά ερωτήματα η αρχαιότερη και η πιο ώριμη από τις θετικές επιστήμες, η Φυσική, και πώς αποτιμά γνωσιολογικά και ανθρωπολογικά αυτές τις απαντήσεις η Φιλοσοφία; Εχει περάσει ένας αιώνας απ’ όταν συναντήθηκαν στην περίφημη Φιλοσοφική Εταιρεία του Παρισιού, στις 6 Απριλίου του 1922, δύο μεγάλοι και πολύ διάσημοι στοχαστές, ο φυσικός Αλμπερτ Αϊνστάιν με τον φιλόσοφο Ανρί Μπερξόν, για να ανταλλάξουν απόψεις γύρω από το αίνιγμα του χρόνου.

Στο επίμονο ερώτημα του Μπερξόν αν ο χρόνος που περιγράφει η Θεωρία της Σχετικότητας, και συνεπώς η σύγχρονη Φυσική, έχει να κάνει με τον χρόνο όπως τον βιώνουν καθημερινά οι άνθρωποι, έλαβε από τον Αϊνστάιν την ακόλουθη απάντηση: «Το ερώτημα τίθεται ως εξής: ο χρόνος του φιλοσόφου είναι ο ίδιος με τον χρόνο του φυσικού;»

Και προς μεγάλη απογοήτευση του Μπερξόν, ο δημιουργός της Θεωρίας της Σχετικότητας θα απαντήσει απερίφραστα: «Μόνο η επιστήμη λέει την αλήθεια και κανένα υποκειμενικό βίωμα δεν μπορεί να διασώσει ό,τι αρνείται η επιστήμη».

Στην ατελέσφορη -για πολλοστή φορά- προσπάθεια διαλόγου ενός κορυφαίου φυσικού με έναν μεγάλο φιλόσοφο, αποτυπώθηκε η θεμελιώδης διαφωνία τους σχετικά με τη φύση του χρόνου και την επίδρασή του τόσο στην εξέλιξη του Σύμπαντος όσο και στην Ιστορία των ανθρώπων.

Το διαχρονικό παράδοξο του «άχρονου χρόνου»

Αν έχει δίκιο ο Αϊνστάιν, τότε ο χρόνος που περιγράφουν οι βασικοί νόμοι της Φυσικής, τόσο η κλασική δυναμική του Νεύτωνα όσο και η σχετικιστική φυσική του Αϊνστάιν, δεν συμφωνεί καθόλου με τον ανθρώπινο χρόνο, αφού ο φυσικός χρόνος είναι γραμμικός, συμμετρικός, ομοιότροπος και αντιστρεπτός ως προς το παρελθόν και το μέλλον. Επομένως, το προσωπικό αίσθημα του χρόνου που βιώνουν οι άνθρωποι καθημερινά δεν έχει κανένα απολύτως νόημα για τη Φυσική και μπορεί να «υπάρχει» μόνο ως ιδιωτική ή προσωπική ψευδαίσθηση!

Οπως το έθεσε, ήδη από τον 17ο αιώνα, ο Νεύτων στην εισαγωγή του περίφημου βιβλίου του «Philosophiae Naturalis Principia Mathematica» (Μαθηματικές Αρχές της Φυσικής Φιλοσοφίας): «Ο απόλυτος, αληθινός και μαθηματικός χρόνος, αφ’ εαυτού και από την ίδια του τη φύση, ρέει ομοιόμορφα χωρίς να εξαρτάται από τίποτα το εξωτερικό…». Με άλλα λόγια, η υποκειμενική εμπειρία του χρόνου που βιώνουν οι άνθρωποι για τον Νεύτωνα (αλλά και για την κλασική Φυσική συνολικά) είναι απλώς μια ψευδαίσθηση που δεν έχει την παραμικρή σχέση με τον απόλυτο κοσμικό χώρο και χρόνο.

Μια θεμελιώδης φυσική και, ταυτοχρόνως, μετα -φυσική δοξασία, που αιώνες μετά φαίνεται πως τη συμμερίζεται και ο Αϊνστάιν, ο βασικός υπαίτιος της «δολοφονίας» του απόλυτου χώρου και χρόνου του Νεύτωνα στη σύγχρονη Φυσική! Πάντως, και για τον δημιουργό της Θεωρίας της Σχετικότητας, ο χρόνος δεν είναι τίποτα άλλο από μία μαθηματική παράμετρος, η τέταρτη διάσταση στην τρισδιάστατη περιγραφή της φυσικής πραγματικότητας: Τίποτα περισσότερο δηλαδή από την επιπρόσθετη διάσταση για την περιγραφή του νέου τετραδιάστατου, σχετικιστικού συνεχούς που είναι ο «χωροχρόνος».

Προσβλέποντας στην αντικειμενική και διαχρονικά έγκυρη περιγραφή του ενιαίου χωροχρόνου, ο πατέρας της Θεωρίας της Σχετικότητας οδηγήθηκε τελικά στην εξάλειψη του χρόνου ως ανεξάρτητου και δημιουργικού φυσικού παράγοντα. Διότι βέβαια, σε αντίθεση με τον υποκειμενικό ανθρώπινο χρόνο, ο φυσικός χωροχρόνος δεν κυλάει ποτέ προς μία μόνο κατεύθυνση, ούτε βέβαια μπορεί να επιφέρει τίποτα νέο στη βαθύτερη δομή του Σύμπαντος. Οπως θα εκμυστηρευτεί ο Αϊνστάιν σε ένα διάσημο παρηγορητικό γράμμα για τον θάνατο ενός πολύ αγαπητού φίλου του: «Η διάκριση ανάμεσα σε παρελθόν και μέλλον αποτελεί μόνο μια (ανθρώπινη) ψευδαίσθηση, μολονότι πρόκειται για μια επίμονη ψευδαίσθηση».

Πώς εξηγείται, ωστόσο, αυτή η τόσο επίμονη ψευδαίσθηση; Γιατί τόσο για τη νευτώνεια δυναμική όσο και για τη σχετικιστική φυσική, αλλά και για την κβαντική μικροφυσική, ο χρόνος δεν θεωρείται θεμελιώδης και ανεξάλειπτη φυσική πραγματικότητα, ούτε καν ως ένας αποφασιστικός φυσικός παράγοντας, αλλά μόνο μία επιπρόσθετη μαθηματική διάσταση για την περιγραφή της κίνησης των υλικών σωμάτων, η οποία μπορεί κάλλιστα να παίρνει είτε θετικές είτε αρνητικές τιμές (από το t στο -t)! Και αυτή η χρονική αντιστροφή στις θεμελιώδεις εξισώσεις, αν δηλαδή ο χρόνος των φυσικών φαινομένων «ρέει» από το παρελθόν προς το μέλλον ή το αντίστροφο, δεν επηρεάζει καθόλου ούτε τη δυναμική ούτε τα ίδια τα φαινόμενα που περιγράφουν αυτές οι εξισώσεις.

Το παράδοξο της απαξίωσης του χρόνου από την κλασική Φυσική, δηλαδή η συστηματική προσπάθεια εξάλειψής του ως αποφασιστικού φυσικού παράγοντα στη διαμόρφωση της δομής και της εξέλιξης του Σύμπαντος, προέκυψε από τη βαθύτερη επιστημολογική και μεταφυσική ανάγκη για μια «αντικειμενική» και διαχρονικά έγκυρη γνωστική κατανόηση του Σύμπαντος, την προσπάθεια δηλαδή επιστημονικής θεώρησης και περιγραφής του από την αχρονική σκοπιά της αιωνιότητας. Ενα μάλλον προεπιστημονικό και σαφώς μετα-φυσικό πρότυπο γνώσης και έρευνας, που επέβαλε στους φυσικούς που το αποδέχονται να αναζητούν παντού άχρονες φυσικές διεργασίες και φαινόμενα που επιδεικνύουν χρονική συμμετρία και αντιστρεψιμότητα.

Πράγματι, όταν κάποτε ρώτησαν τον Αϊνστάιν «τι είναι ο χρόνος;» αυτός απάντησε χωρίς περιστροφές: «Ο,τι μετράνε τα ρολόγια μας!». Με αυτή την προκλητική δήλωση ο μεγάλος ανανεωτής των εννοιών του χώρου και του χρόνου στη Φυσική ήθελε να μας υπενθυμίσει ότι ο χρόνος δεν είναι «κάτι τι» που μπορεί να συλληφθεί ανεξάρτητα από τον τρόπο που τον μετράμε: η ύπαρξή του προκύπτει και εξαρτάται μόνο από το πώς καταγράφουμε την παρουσία του.

Εξάλλου, δεν πρόκειται καθόλου για μια καινοφανή προσέγγιση του προβλήματος του χρόνου, αφού στην προκλητική δήλωσή του ο Αϊνστάιν δεν κάνει τίποτε περισσότερο από το να επαναλάβει ό,τι ρητά είχε υποστηρίξει, πριν από χιλιετίες, ο Αριστοτέλης στο έργο του «Φυσικά» ή «Φυσική Ακρόασις»: «Γιατί αυτό ακριβώς είναι ο χρόνος: αριθμός της κίνησης σύμφωνα με το πριν και το μετά» (μτφρ. Βασίλης Κάλφας, Εκδ. Νήσος).

Απορρίπτοντας την επικρατούσα, τότε, κυκλική σύλληψη του χρόνου και τα παράδοξα της αιωνιότητας που αυτή συνεπάγεται, ο Αριστοτέλης ανοίγει πρώτος τον δρόμο για την εκκοσμίκευση, δηλαδή για τη μαθηματική γνωστική διαχείριση του φυσικού χρόνου, ο οποίος, έκτοτε, πρέπει να διαφοροποιείται επιμελώς από τον χρόνο της ψυχής.

Ο δημιουργικός ρόλος του «βέλους του χρόνου»

Πάντως, η αρχαιότατη επιθυμία να εξαλείψουμε τον χρόνο προσκρούει στη σχεδόν καθολική αναγνώριση και επιβεβαίωση από όλες τις φυσικές και ανθρωπιστικές επιστήμες της εγγενούς και δυσεξάλειπτης «χρονικότητας» όλων των φαινομένων. Γεγονός που έχει ιδιαίτερα ανατρεπτικές συνέπειες για την «κλασική» αχρονική κοσμοαντίληψη και επιβάλλει στη Φυσική όχι μόνο να αναγνωρίσει ότι ο χρόνος δεν είναι μια ανθρώπινη ψευδαίσθηση, αλλά και να εξηγήσει σε τι συνίσταται η ουσιαστική ασυμμετρία ανάμεσα στο παρελθόν, το παρόν και το μέλλον.

Κάτι που, στο πλαίσιο της Φυσικής, επιβεβαιώνεται από τη θερμοδυναμική των ανοιχτών συστημάτων, δηλαδή όσων φυσικών συστημάτων ή δομών μπορούν να ανταλλάσσουν ενέργεια-ύλη με το περιβάλλον τους και έτσι βρίσκονται μακριά από τη θανατηφόρο θερμοδυναμική ισορροπία της μέγιστης εντροπίας. Επιπλέον, σύμφωνα με τη Θερμοδυναμική, όλα τα «ανοιχτά συστήματα» τείνουν, με το πέρασμα του χρόνου, να αυτοοργανώνονται και να δημιουργούν πιο περίπλοκες δομές. Η αχίλλειος πτέρνα της πεσιμιστικής ή καταστροφικής εκδοχής του βέλους του χρόνου, δηλαδή της δήθεν μη αντιστρεπτής και αδυσώπητης ροής του χρόνου στη φύση, ήταν ότι μελετούσε αποκλειστικά «κλειστά» θερμοδυναμικά συστήματα. Ομως, τέτοια κλειστά ή ενεργειακά απομονωμένα φυσικά συστήματα, που δεν ανταλλάσσουν πια ύλη ή ενέργεια με το περιβάλλον τους, δεν είναι ο κανόνας αλλά η εξαίρεση στη Φύση.

Ιδού πώς συνοψίζει αυτή την κοσμοϊστορική μεταστροφή από την αιωνιότητα προς την καθολική αποδοχή της «Αρχής της Χρονικότητας» ο βραβευμένος με Νόμπελ Ιλια Πριγκοζίν στο πολύ ενδιαφέρον βιβλίο του «Το τέλος της βεβαιότητας» (κυκλοφορεί από τις Εκδ. Κάτοπτρο): «Δεν είμαστε εμείς οι άνθρωποι οι γεννήτορες του βέλους του χρόνου. Αντίθετα, είμαστε τα παιδιά του». Επομένως, η εγγενής χρονικότητα, δηλαδή η πανταχού παρούσα «μη αναστρεψιμότητα» (irreversibility) των βασικών φυσικών διαδικασιών, αποτελεί τον κανόνα στη Φύση, ενώ η χρονική «αναστρεψιμότητα» την εξαίρεση.

Συνεπώς, μετά τις εντυπωσιακές και εξαιρετικά ανατρεπτικές ανακαλύψεις σχετικά με τη διαρκή ανάδυση και την εξέλιξη περίπλοκων φυσικών συστημάτων στον πλανήτη Γη, καθώς και τη σταθερή δυναμική των περισσότερων κοσμολογικών φαινομένων στο γνωστό μας Σύμπαν, πρέπει να θεωρείται πλέον επαρκώς τεκμηριωμένο το ότι ο χρόνος δεν είναι απλώς μια γεωμετρική μεταβλητή, αλλά μάλλον ένας από τους αποφασιστικούς παράγοντες που διαμορφώνουν την απρόσμενη οργάνωση και την πολύπλοκη συμπεριφορά των «ανοιχτών συστημάτων»: των συστημάτων δηλαδή που εμφανίζονται, διατηρούνται και εξελίσσονται επειδή μπορούν να ανταλλάσσουν ύλη, ενέργεια και πληροφορίες με το περιβάλλον τους. Και τα αμέτρητα σμήνη γαλαξιών, η ποικιλομορφία των έμβιων οργανισμών, αλλά και των ανθρώπινων κοινωνιών αποτελούν τυπικά παραδείγματα της ευεργετικής δράσης του χρόνου στα ανοιχτά συστήματα.

Πηγή

Κατηγορίες:
Φυσική & Φιλοσοφία

Η κβαντική φυσική με εικόνες, χωρίς μαθηματικά

| 0 ΣΧΟΛΙΑ

Ο Bob Coecke εξηγεί πως αντικατέστησε τα μαθηματικά με εικόνες και γιατί πρέπει όλοι μας να κατανοήσουμε την υποατομική φυσικήΕίναι πιο εύκολο να πείσεις παιδιά παρά ενήλικες για τα κβαντομηχανικά φαινόμενα.

Ο καθηγητής Bob Coecke στο στούντιο-γραφείο του στην Οξφόρδη

Ο Βέλγος φυσικός Bob Coecke 55 ετών, πρώην καθηγητής της Οξφόρδης και μουσικός, θέλει να διδάξει κβαντική φυσική σε ένα ευρύτερο κοινό. Έτσι, επινόησε ένα πλαίσιο χωρίς μαθηματικά χρησιμοποιώντας διαγράμματα για εντελώς αρχάριους. Η μέθοδος περιγράφεται στο βιβλίο που έγραψε με τον Dr Stefano Gogioso και κυκλοφόρησε στις αρχές του 2023 με τίτλο Quantum in Pictures. Κατά τη διάρκεια του καλοκαιριού, διεξήγαγαν ένα εκπαιδευτικό πείραμα, διδάσκοντας την εικονογραφική μέθοδο σε μαθητές του Ηνωμένου Βασιλείου – οι οποίοι στη συνέχεια ξεπέρασαν τη μέση βαθμολογία των εξετάσεων των μεταπτυχιακών φοιτητών φυσικής του Πανεπιστημίου της Οξφόρδης.

Ο Coecke σε συνέντευξή του στον Guardian μίλησε για την διδασκαλία της κβαντικής φυσικής και το εκπαιδευτικό του πείραμα, λέγοντας μεταξύ άλλων τα εξής: «Σκεφτείτε την Τεχνητή Νοημοσύνη. Σκεφτείτε πόσο χάλια έγινε ο κόσμος τώρα. Εταιρείες δισεκατομμυρίων δολαρίων ηγούνται μιας επανάστασης που θα μπορούσε να ελέγξει τον κόσμο και κανείς δεν καταλαβαίνει τι κάνουν. Ήμουν καθηγητής στην Οξφόρδη για 20 χρόνια και τώρα εργάζομαι στη βιομηχανία, στην Quantinuum, κατασκευάζοντας κβαντικούς υπολογιστές [μηχανές σχεδιασμένες να χρησιμοποιούν την υποατομική φυσική για να ξεπεράσουν μια μέρα τους συμβατικούς υπολογιστές]. Θέλουμε οι άνθρωποι να καταλάβουν τι κάνουμε από την αρχή, προτού η τεχνολογία γίνει γιγαντωθεί. Θέλουμε να κάνουμε την φυσική, την τεχνολογία, την μηχανική και τα μαθηματικά πιο ανοιχτά σε όλους, να κάνουμε την κβαντική φυσική προσβάσιμη σε όλους. Είναι εντελώς παράλογο, αλλά μέσα από την βιομηχανία μπορώ τώρα να κάνω αυτό το εκπαιδευτικό πείραμα.

Το εκπαιδευτικό μας πείραμα περιελάμβανε 54 μαθητές, ηλικίας 15-17 ετών, που επιλέχθηκαν τυχαία από περίπου 1.000 αιτούντες, από 36 σχολεία του Ηνωμένου Βασιλείου – κυρίως κρατικά σχολεία. Οι έφηβοι περνούσαν δύο ώρες την εβδομάδα σε διαδικτυακά μαθήματα και μετά από οκτώ εβδομάδες έλαβαν ένα τεστ χρησιμοποιώντας ερωτήσεις από μια μεταπτυχιακή εξέταση κβαντικής φυσικής στην Οξφόρδη.
«Πάνω από το 80% των μαθητών πέρασαν και περίπου οι μισοί κέρδισαν διάκριση. Τα πήγαν πολύ καλύτερα από φοιτητές πανεπιστημιακού επιπέδου.»

Ο Coecke κατέληξε στην μέθοδο της «κβαντικής εικονογράφησης» γιατί είναι περισσότερο οπτικός τύπος: «Δεν είμαι απλώς ένας κβαντικός φυσικός, είμαι καλλιτέχνης και μουσικός. Στην πραγματικότητα, ο μόνος λόγος που κατέληξα στην κβαντική φυσική ήταν επειδή ήθελα να υποστηρίξω τη μουσική μου καριέρα – η rock μπάντα μου, Black Tish, κυκλοφόρησε δύο άλμπουμ φέτος. Εργάστηκα στο τμήμα επιστήμης υπολογιστών του Πανεπιστημίου της Οξφόρδης τη δεκαετία του 1990 και ο συνάδελφός μου Samson Abramsky μου είπε ότι χρειαζόμασταν μια γλώσσα προγραμματισμού υψηλού επιπέδου για [μελλοντικούς] κβαντικούς υπολογιστές. Για κανονικούς υπολογιστές, προγραμματίζετε με μηδενικά και ένα, αλλά οι περισσότεροι άνθρωποι δεν ξέρουν πώς να το κάνουν αυτό. Όμως όλοι ξέρουν πώς να χρησιμοποιούν ένα iPhone. Θέλαμε το ισοδύναμο της διεπαφής iPhone για τον προγραμματισμό κβαντικού υπολογιστή. Έτσι ο Abramsky και εγώ δημοσιεύσαμε ένα νέο φορμαλισμό της κβαντικής μηχανικής το 2004, βασισμένο στη «θεωρία κατηγοριών» [ένας καθιερωμένος κλάδος των μαθηματικών που χρησιμοποιεί διαγράμματα για να περιγράψει συλλογές αντικειμένων].
Με τα χρόνια το αναπτύξαμε περαιτέρω, και έγραψα ένα βιβλίο για αυτό για φυσικούς το 2017 με τον Aleks Kissinger. Αλλά οι χειρότεροι άνθρωποι για να διδάξουν είναι οι θεωρητικοί φυσικοί. Έχουν τόσα πολλά να ξεμάθουν.

Οι μισοί από τους επιστήμονες που εργάζονταν στους κβαντικούς υπολογιστές είπαν: «Κάνετε πράγματα με ανόητες εικόνες, αυτό δεν μπορεί να είναι χρήσιμο – είναι απλοϊκό!»

– Εικονίτσες, εικονίτσες…
– Κι από κάτω λογάκια, λογάκια…

Και οι άλλοι μισοί είπαν: «Η θεωρία κατηγοριών είναι τόσο δύσκολη, δεν μπορεί να είναι χρήσιμη, είναι πολύ περίπλοκη!» Χρειάστηκαν χρόνια για να απαλλαγούμε από το στίγμα ότι αυτό ήταν πολύ περίπλοκο. Έτσι γράψαμε αυτό το νέο βιβλίο με τον Stefano, ο οποίος έκανε όλες τις εικόνες, για να αποδείξουμε ότι αυτό είναι τόσο εύκολο, ότι τα παιδιά μπορούν να μάθουν και να ξεπεράσουν ακόμα και τους μεταπτυχιακούς φοιτητές της Οξφόρδης.

Στο βιβλίο όλα σχεδιάζονται ως κβαντικά κυκλώματα: κουτιά συνδεδεμένα με καλώδια [για την επίδειξη κβαντικών φαινομένων]. Η τηλεμεταφορά είναι απλώς η ολίσθηση των κουτιών κατά μήκος ενός καλωδίου. Οι μετρήσεις αντιπροσωπεύονται από κουτιά που ονομάζονται «αράχνες» που έχουν πολλά πόδια ή καλώδια να προεξέχουν. Ένα κβαντικό σωματίδιο που μπορεί να βρίσκεται σε δύο σημεία ταυτόχρονα πριν μετρηθεί, σχεδιάζεται ως δύο πόδια που μπαίνουν σε μια αράχνη – το σώμα της αράχνης αντιπροσωπεύει τη μέτρηση – και το ένα πόδι βγαίνει από την άλλη πλευρά- αυτό είναι το αποτέλεσμα.

Σε ερώτηση για το πώς βλέπει το το μέλλον της κβαντικής εικονογράφησης απάντησε ό,τι τον προσέγγισαν άτομα από τις κυβερνήσεις της Αυστραλίας και της Ελλάδας (!!) εκδηλώνοντας ενδιαφέρον για την εφαρμογή της μεθόδου στα εκπαιδευτικά τους συστήματα.
Και κατέληξε: Ξεκίνησα θέλοντας να αλλάξω τον τρόπο με τον οποίο κατανοείται η κβαντική μηχανική και διαπίστωσα ότι είναι πιο εύκολο να πείσω τα παιδιά παρά τους ενήλικες. Τα παιδιά δεν έχουν προκαταλήψεις. Ίσως λοιπόν η επόμενη γενιά να το προχωρήσει. Όπως είπε κάποτε ο Max Planck – ο φυσικός που άναψε πρώτος την σπίθα της κβαντικής φυσικής: «Η επιστήμη προχωράει με μια κηδεία τη φορά».

διαβάστε περισσότερες λεπτομέρειες: Physicist Bob Coecke: ‘It’s easier to convince kids than adults about quantum mechanics’

Πηγή

Κατηγορίες:
Φυσική & Φιλοσοφία

Καταγράφηκαν για πρώτη φορά ενδείξεις περιστροφής μιας μαύρης τρύπας

| 0 ΣΧΟΛΙΑ

Πρόκειται για την μαύρη τρύπα στο κέντρο του γαλαξία Messier 87 – την πρώτη μαύρη τρύπα στην ιστορία της αστρονομίας που φωτογραφήθηκε

Ο γαλαξίας Messier 87 (Μ87) βρίσκεται 55 εκατομμύρια έτη φωτός μακριά από τη Γη και φιλοξενεί στο κέντρο του μια μαύρη τρύπα με μάζα 6,5 δισεκατομμύρια φορές μεγαλύτερη από την μάζα του ήλιου μας. Μετά την επιτυχία της απεικόνισης του περιβάλλοντας αυτής της μαύρης τρύπας από το παγκόσμιο δίκτυο ραδιοτηλεσκοπίων Event Horizon, τέθηκε το ζήτημα για το αν η εν λόγω η μαύρη τρύπα περιστρέφεται ή όχι;

Σύμφωνα με την πρόσφατη δημοσίευση στο περιοδικό Nature, η ανάλυση των παρατηρήσεων του Event Horizon, από το 2000 έως το 2022 έδειξε ότι η μαύρη τρύπα πράγματι περιστρέφεται. Γύρω από την μαύρη τρύπα σχηματίζεται ένας δίσκος συσσώρευσης αερίων και σκόνης. Μέρος του υλικού αυτού προορίζεται να καταλήξει στη μαύρη τρύπα και να εξαφανιστεί για πάντα. Όμως, ένα άλλο τμήμα του εκτοξεύεται από τους πόλους της μαύρης τρύπας με ταχύτητα μεγαλύτερη από το 99,99% της ταχύτητας του φωτός. Τα έως τώρα θεωρητικά μοντέλα υποδείκνυαν πως η περιστροφή αυτή της μαύρης τρύπας ευθύνεται γι αυτό το φαινόμενο. Οι επιστήμονες πιστεύουν πως φορτισμένα σωματίδια στον δίσκο παράγουν πανίσχυρο μαγνητικό πεδίο και ότι, καθώς η μαύρη τρύπα περιστρέφεται, παρασύρει το πεδίο μαζί της. 

Όπως τονίζει ο δρ Ziri Younsi, αστροφυσικός στο UCL, η περιστροφή μιας μαύρης τρύπας θα μπορούσε, στο μέλλον, να δώσει πληροφορίες για τα κατακλυσμικά γεγονότα που οδήγησαν στον σχηματισμό της υπερμεγέθους μαύρης τρύπας. Το γεγονός ότι περιστρέφεται υποδεικνύει πως κάτι πολύ τρελό συνέβη στο παρελθόν. Πως κάποια στιγμή στην ιστορία του, συνέβη κάτι πολύ βίαιο.

Πηγή

 

Κατηγορίες:
Φυσική & Φιλοσοφία

Το James Webb θα εξερευνήσει τώρα την καταγωγή του ηλιακού μας συστήματος

| 0 ΣΧΟΛΙΑ

Συμπληρώθηκε ένας χρόνος λειτουργίας του ισχυρότερου διαστημικού τηλεσκοπίου που κατασκεύασε η ανθρωπότητα, του James Webb.
Στις 12 Ιουλίου του 2022 ξεκίνησε η δημοσίευση των εκπληκτικών εικόνων που καταγράφει το τηλεσκόπιο από κάθε σημείο του Διαστήματος αποκαλύπτοντας με λεπτομέρεια άγνωστες περιοχές και φωτίζοντας τα πιο απομακρυσμένα και σκοτεινά του σημεία προσφέροντας νέες πολύτιμες γνώσεις για την εξέλιξη του Σύμπαντος, την ύπαρξη των γαλαξιών, των άστρων ακόμη και της ζωής.

Του Θοδωρή Λαΐνα • naftemporiki.gr

Το James Webb αποτελεί προϊόν συνεργασίας της NASA, του Ευρωπαϊκού Οργανισμού Διαστήματος και της Καναδικής Υπηρεσίας Διαστήματος. Η λειτουργία του James Webb ελέγχεται από το Space Telescope Science Institute (STScI) στο Μέριλαντ των ΗΠΑ ένα επιστημονικό κέντρο που ελέγχει επίσης την λειτουργία του διαστημικού τηλεσκοπίου Hubble και θα ελέγχει και το διαστημικό τηλεσκόπιο Nancy Grace Roman που είναι προγραμματισμένο να εκτοξευθεί το 2027. Το STScI λειτουργεί για λογαριασμό της NASA υπό την αιγίδα της Πανεπιστημιακής Ένωσης Έρευνας στην Αστρονομία των ΗΠΑ.

Ο Δρ. Κρίστοφερ Τ. Μπριτ, Επιστήμονας Εκπαίδευσης και Επικοινωνίας στο Γραφείο Δημόσιας Ενημέρωσης του STScI και στέλεχος του προγράμματος Universe of Learning της NASA που έχει αντικείμενο την μεταφορά επιστημονικής γνώσης ειδικά για τους τομείς που συνδέονται με το Διάστημα στο ευρύ κοινό μίλησε στο Naftemporiki.gr για την αποστολή του James Webb, την συμπλήρωση ενός έτους λειτουργίας του διαστημικού τηλεσκοπίου αλλά και τι να περιμένουμε από αυτό τους προσεχείς μήνες.

Ποιους νέους δρόμους άνοιξε στην αστρονομία και την επιστήμη γενικότερα το James Webb;

Το James Webb είναι το πιο ευαίσθητο υπέρυθρο τηλεσκόπιο που είχαμε ποτέ, το οποίο μας δίνει εικόνα από περιοχές του Σύμπαντος που δεν μπορούσαμε να παρατηρήσουμε μέχρι σήμερα. Για παράδειγμα, μπορούμε τώρα να εξερευνήσουμε το πολύ μακρινό και πρώιμο Σύμπαν όπως ποτέ άλλοτε. Αν η ιστορία του Σύμπαντος ήταν μυθιστόρημα τότε μέχρι τη στιγμή που ξεκίνησε την λειτουργία του το James Webb είχαμε απλώς τη σελίδα τίτλου και μετά ένα άλμα στο κεφάλαιο 10. Tώρα για πρώτη φορά μπορούμε να διαβάσουμε τα προηγούμενα κεφάλαια της ιστορίας του Σύμπαντος. Μπορούμε να δούμε πώς αναπτύσσονται οι πρώτοι γαλαξίες εν μέσω εκρήξεων σχηματισμού άστρων και τα πρώιμα στάδια ανάπτυξης μαύρων τρυπών που αποκτούν στην πορεία τεράστιες διαστάσεις.

Μπορούμε επίσης να κατανοήσουμε τον τρόπο με τον οποίο φτιάχνονται οι πλανήτες, το πώς σε κολοσσιαία νέφη σκόνης έκτασης πολλών ετών φωτός γεννιούνται νέα άστρα και να παρατηρήσουμε παλιούς πλανήτες που περιστρέφονται γύρω από το μητρικό του άστρο  δισεκατομμύρια χρόνια. Πολλά από τα χημικά συστατικά που συνδέονται με την ύπαρξη της ζωής ξεκινούν από αυτά τα νέφη επιβιώνουν και αναπτύσσονται στην επιφάνεια των πάγων στους δίσκους ύλης που δημιουργούνται γύρω από νεογέννητα άστρα ύλη από την οποία σχηματίζονται στη συνέχεια οι πλανήτες. Όμως τα νεαρά άστρα μπορεί να είναι «έντονα», «βίαια» και η ακτινοβολία που εκπέμπουν διαμορφώνει τους πλανήτες και τις συνθήκες στην επιφάνεια τους με τρόπους που μόλις αρχίζουμε να κατανοούμε.

Τι μπορούμε να περιμένουμε τον δεύτερο χρόνο λειτουργίας του James Webb;

Τον δεύτερο χρόνο λειτουργίας του James Webb θα μάθουμε πολλά σχετικά με μικρού μεγέθους διαστημικά σώματα στο δικό μας ηλιακό σύστημα. Είναι κάτι που μοιάζει σαν να κάνουμε αρχαιολογία για να εξερευνήσουμε την καταγωγή του ηλιακού μας συστήματος. Θα συνεχίσουμε να μελετάμε τα παγωμένα φεγγάρια της Ευρώπης και του Εγκέλαδου, χρησιμοποιώντας ευρήματα από τις πλανητικές αποστολές όπως το New Horizons και το Juno για να διατυπώσουμε τις καλύτερες ερωτήσεις που μπορούμε να κάνουμε στο James Webb για να βρεις τις απαντήσεις. Μπορείτε να περιμένετε να δείτε πολλά για το πώς σχηματίζονται οι πλανήτες και να εξερευνήσετε ορισμένα είδη πλανητών που δεν έχουμε στο δικό μας ηλιακό σύστημα, πιθανούς υδάτινους κόσμους υπο-Ποσειδώνων και υπερ-Γαιών. Θα υπάρξουν επίσης πολλές ακόμα εκπληκτικές εικόνες από κοντινούς γαλαξίες, καθώς και προγράμματα που μελετούν το πρώιμο Σύμπαν για να απαντήσουν σε μερικές από τις ερωτήσεις που έχουν τεθεί αυτό το πρώτο έτος λειτουργίας του τηλεσκοπίου.

Πηγή

Κατηγορίες:
Φυσική & Φιλοσοφία

Η μάζα του σωματιδίου ταυ και η μυστηριώδης εξίσωση του Koide

| 0 ΣΧΟΛΙΑ

Η μάζα του λεπτονίου ταυ μετρήθηκε πρόσφατα από το πείραμα Belle II με εξαιρετική ακρίβεια. Άραγε, η νέα μέτρηση ενισχύει την πίστη στην περιβόητη εξίσωση του Koide;

Το πείραμα Belle II πραγματοποίησε την ακριβέστερη μέχρι σήμερα μέτρηση της μάζας του λεπτονίου τ. Στην δημοσίευση με τίτλο «Measurement of the τ-lepton mass with the Belle~II experiment» παρουσιάζεται μια μέτρηση της μάζας λεπτονίου τ που βασίστηκε σε ένα σύνολο περίπου 175 εκατομμυρίων γεγονότων της αντίδρασης e+e→τ+τ που συλλέχθηκαν με τον ανιχνευτή Belle II στον επιταχυντή SuperKEKB όπου πραγματοποιήθηκαν οι συγκρούσεις e+e σε ενέργεια κέντρου μάζας 10,579 GeV. Η μάζα του λεπτονίου τ που μετρήθηκε είναι: mτ = 1777,09 ± 0,08 ± 0,11 MeV/c2 όπου το πρώτο σφάλμα είναι το στατιστικό και το δεύτερο το συστηματικό. Επομένως, mτ =1777,09 ± 0,14 MeV/c2.

Το Καθιερωμένο Πρότυπο των στοιχειωδών σωματιδίων, μια μάλλον άσχημη θεωρία, περιγράφει με καλή προσέγγιση μέσα σε ορισμένα όρια, τις ιδιότητες και τις αλληλεπιδράσεις των θεμελιωδών σωματιδίων διαμέσου των ηλεκτρομαγνητικών, ασθενών πυρηνικών και ισχυρών πυρηνικών δυνάμεων.

Σύμφωνα με το Καθιερωμένο Πρότυπο, υπάρχουν δώδεκα διαφορετικοί τύποι στοιχειωδών σωματιδίων: έξι κουάρκ και έξι λεπτόνια. Παρά τις επιτυχίες του, το Καθιερωμένο Πρότυπο δεν είναι πλήρες, καθώς δεν εξηγεί την βαρυτική αλληλεπίδραση, ούτε την σκοτεινή ύλη ή την σκοτεινή ενέργεια, που πιστεύεται ότι αποτελούν το μεγαλύτερο μέρος της ύλης και της ενέργειας στο σύμπαν.
Οι έξι γνωστοί τύποι λεπτονίων διατάσσονται σε τρεις γενιές ή «γεύσεις»: το ηλεκτρόνιο και το νετρίνο του ηλεκτρονίoυ, το μιόνιο και το νετρίνο του μιονίου και το ταυ με το νετρίνο του ταυ:

Το ηλεκτρόνιο, το μιόνιο και το ταυ φέρουν ηλεκτρικό φορτίο, ενώ τα αντίστοιχα νετρίνα, όπως υποδηλώνει το όνομά τους, είναι ηλεκτρικά ουδέτερα. Το λεπτόνιο ταυ ανακαλύφθηκε από μια σειρά πειραμάτων μεταξύ 1974 και 1977 στο ερευνητικό κέντρο SLAC στις Ηνωμένες Πολιτείες. Οι φυσικοί μελετούν τις ιδιότητές του εδώ και δεκαετίες ώστε να κατανοήσουν καλύτερα τη συμπεριφορά του. Το λεπτόνιο τ είναι παρόμοιο με τα άλλα δύο φορτισμένα λεπτόνια, αλλά είναι πολύ βαρύτερο – περίπου 3.477 βαρύτερο από το ηλεκτρόνιο και περίπου 17 φορές βαρύτερο από το μιόνιο. Ωστόσο, σε αντίθεση με τα ελαφρύτερα ξαδέρφια του (ηλεκτρόνιο και μιόνιο), κάποιες ιδιότητες του λεπτονίου τ, όπως η μάζα του, δεν έχουν ακόμη μετρηθεί με μεγάλη ακρίβεια.

Οι ιδιότητες του ταυ είναι πολύ πιο δύσκολο να μελετηθούν από εκείνες του ηλεκτρονίου και του μιονίου, επειδή το σωματίδιο τ έχει μικρό χρόνο ζωής. Ενώ τα ηλεκτρόνια είναι σταθερά σωματίδια, η διάρκεια ζωής του μιονίου είναι περίπου 2 εκατομμυριοστά του δευτερολέπτου και η διάρκεια ζωής του ταυ είναι μικρότερη κατά 10 εκατομμύρια φορές! Σε περίπου 2,9×10-13 δευτερόλεπτα, το λεπτόνιο ταυ διασπάται σε ένα μποζόνιο W και ένα νετρίνο του ταυ.

Το μποζόνιο W, με τη σειρά του, μεταπίπτει είτε προς σε ένα ζεύγος κουάρκ – το οποίο δεν μπορεί να υπάρξει μεμονωμένα, αλλά πρέπει πάντα να συζευχθεί με άλλα κουάρκ για να σχηματίσει σύνθετα σωματίδια όπως τα μεσόνια – είτε προς ένα ζεύγος λεπτονίων – ένα ηλεκτρόνιο και ένα νετρίνο του ηλεκτρονίου ή ένα μιόνιο και ένα νετρίνο μιονίου. Υπάρχουν πάντα νετρίνα που εμπλέκονται στις διασπάσεις του σωματιδίου τ που όμως είναι αδύνατον να ανιχνευθούν με την τρέχουσα τεχνολογία. Για τους φυσικούς αυτό σημαίνει ότι μπορούν να πάρουν πληροφορίες για το σωματιδιο τ μόνο από ένα υποσύνολο των προϊόντων της διάσπασης. Έτσι, η μελέτη των ιδιοτήτων του λεπτονίου ταυ αποτελεί μια πρόκληση για τους φυσικούς των σωματιδίων. Ωστόσο, είναι σημαντικό να γνωρίζουμε τις ιδιότητες του σωματιδίου τ, όπως η μάζα, με όσο το δυνατόν μεγαλύτερη ακρίβεια για τον έλεγχο του Καθιερωμένου Προτύπου αλλά και την αναζήτηση ενδείξεων νέας φυσικής πέρα από αυτό.

Για παράδειγμα, υπάρχει μια προβλεπόμενη σχέση μεταξύ του ρυθμού διάσπασης του σωματιδίου τ προς ένα ελαφρύτερο λεπτόνιο και του χρόνου ζωής του για μια δεδομένη μετρούμενη μάζα ταυ. Αυτή η σχέση είναι πολύ ευαίσθητη στην τιμή της μάζας του. Χρησιμοποιώντας την μέση τιμή των μετρήσεων της μάζας του ταυ, 1776,86 ± 0,12 MeV/c2, από τα παλαιότερα πειράματα έως το 2022, οι φυσικοί βρίσκουν μια μικρή διαφορά σε σχέση με τη νέα μετρηθείσα τιμή. Αν αυτή η τάση αυξηθεί με πιο ακριβείς μετρήσεις, αυτό θα μπορούσε να σηματοδοτήσει την εμφάνιση νέας φυσικής πέραν του Καθιερωμένου Προτύπου.

Για την νέα μέτρηση της μάζας του σωματιδίου τ, οι φυσικοί μελέτησαν τις διασπάσεις του προς τρία πιόνια και ένα νετρίνο του ταυ. Έτσι προέκυψε η τιμή mτ = 1777,09 ± 0,08 ± 0,11 MeV/c2. Αυτή η μέτρηση εμφανίζει το μικρότερο σφάλμα από όλες τις προηγούμενες μετρήσεις.

Η μυστηριώδης εξίσωση του Koide

Το 1981 ο Yoshio Koide ανακάλυψε μια ανεξήγητη εμπειρική εξίσωση που συνδέει τις μάζες των τριών λεπτονίων, του ηλεκτρονίου, του μιονίου και του ταυ, ως εξής:

Q=\frac{m_{e} + m_{\mu} + m_{\tau}}{(\sqrt{m_{e}} + \sqrt{m_{\mu}} +\sqrt{m_{\tau}})^{2}} =0,666661(7) \cong \frac{2}{3}

όπου me = 0.510998946(3) MeV/c2, mμ = 105.6583745(24) MeV/c2, και mτ = 1776.86(12) MeV/c2 (η αποδεκτή τιμή της μάζας του τ μέχρι το 2022).

Ας σημειωθεί ότι αν α, b και c τρεις τυχαίοι θετικοί αριθμοί, τότε η ποσότητα  Q= \frac{a + b + c}{(\sqrt{a} + \sqrt{b} +\sqrt{c})^{2}}   παίρνει τιμές στο εύρος : \frac{1}{3} \leq Q \leq 1 .

Παρατηρείστε ότι όταν χρησιμοποιούμε τις μάζες των τριών λεπτονίων προκύπτει η τιμή τιμή 2/3 που είναι ο μέσος όρος των ακραίων τιμών της ποσότητας Q.

Τελικά η νέα μέτρηση ενισχύει την πίστη στην περιβόητη εξίσωση του Koide;

Xρησιμοποιώντας στην σχέση Koide την νέα μέτρηση μάζας mτ = 1777,09 (μαζί με τις me = 0.510998946 και mμ = 105.6583745) παίρνουμε: Q=0,666673. Αυτή η τιμή είναι μεγαλύτερη από την προηγούμενη, και απομακρύνεται από την αναμενόμενη κατά Koide τιμή Q = 2/3.

Προς το παρόν λοιπόν η νέα μέτρηση της μάζας του σωματιδίου ταυ κλονίζει την ισχύ της εξίσωσης Koide, χωρίς όμως να την αποκλείει εντελώς, εξαιτίας του μικρότερου μεν αλλά αρκετά μεγάλου σφάλματος. Έτσι, δεδομένου ότι mτ =1777,09 ± 0,14, το κάτω όριο της μάζας mτ=1777,09-0,14=1776,95, δίνει την τιμή Q=0,666666 !!

Πάντως, το πιο πιθανό είναι η σχέση Koide να είναι μια σύμπτωση, όπως για παράδειγμα το γεγονός ότι ο λόγος των μαζών πρωτονίου–ηλεκτρονίου ισούται με 6π5. Υπενθυμίζεται ότι το 2018 Yoshio Koide στην δημοσίευσή του «What Physics Does The Charged Lepton Mass Relation Tell Us?» , παραθέτει κάποιες νεότερες σκέψεις για την εξίσωσή του. 

Πηγή

Κατηγορίες:
Φυσική & Φιλοσοφία

Οι διαλέξεις του Feynman για τους … υπολογιστές

| 0 ΣΧΟΛΙΑ

Οι τελευταίες διάλεξεις που έδωσε ο βραβευμένος με Νόμπελ Ρίτσαρντ Φάινμαν στους φοιτητές του στο Caltech δεν ήταν για την φυσική αλλά για την επιστήμη των υπολογιστών. Η πρώτη έκδοση του «The Feynman Lectures on Computation» δημοσιεύτηκε το 1996 και ήταν μια επισκόπηση των καθιερωμένων και μη καθιερωμένων θεμάτων της επιστήμης των υπολογιστών, δοσμένη με το αμίμητο στυλ του Feynman:

Αν και έχουν περάσει πάνω από 20 χρόνια, το μεγαλύτερο μέρος του υλικού εξακολουθεί να έχει μεγαλο ενδιαφέρον. Ενόψει της 25ης επετείου από την έκδοσή τους, προστέθηκαν συμπληρωματικά κεφάλαια: «Quantum Computing 40 Years Later» του John Preskill, «The Future of Computing Beyond Moore’s Law» του Dr John Shalf, και ‘Feynman on Artificial Intelligence and Machine Learning’ του Dr Eric Mjolsness.

Στο βίντεο που ακολουθεί, αρχικά ο Tony Hey δίνει μια επισκόπηση του μακροχρόνιου ενδιαφέροντος του Feynman για τους υπολογιστές ξεκινώντας από τον εποχή της κατασκευής της ατομικής βόμβας στο Los Alamos, μέχρι την πρότασή του σε συνέδριο το 1981 περί της προσομοίωσης της φυσικής σε έναν κβαντικό υπολογιστή. Στη συνέχεια ο John Preskill μιλάει για τις προόδους όσον αφορά την κατασκευή ενός κβαντικού υπολογιστή, 40 χρόνια μετά την πρόταση του Feynman:

Κατηγορίες:
Φυσική & Φιλοσοφία

Από την αβεβαιότητα γεννιέται η βεβαιότητα

| 0 ΣΧΟΛΙΑ

(Ας) διανύσουμε για μια ακόμα φορά την συλλογιστική αλυσίδα που οδηγεί από το «μυστήριο της ατομικής σταθερότητας» στη θεμελιώδη πιθανοκρατία της κβαντομηχανικής και την συνακόλουθη αρχή της κατάρρευσης σε μια μέτρηση:

1. Σταθερότητα \rightarrow Kβάντωση
2. Κβάντωση \rightarrow Κυματική συμπεριφορά
3. Κύμα + Σωματίδιο \rightarrow Κύμα πιθανότητας
4. Κύμα πιθανότητας \rightarrow Κατάρρευση της κυματοσυνάρτησης

Το κρίσιμο βήμα είναι το πρώτο: να καταλάβουμε την ενοιολογική εξίσωση:
Κβάντωση=Σταθερότητα
ότι δηλαδή η κβάντωση της ενέργειας στα άτομα – ακριβώς επειδή δεν επιτρέπει τις μικρές βαθμιαίες αλλαγές στην κατάστασή τους, παρά μόνο τα προβλεπόμενα κβαντικά άλματα – είναι ο κατ’ εξοχήν φυσιολογικός μηχανισμός που μπορεί να εξηγήσει το μυστήριο της ατομικής σταθερότητας.
Παρά τη σφοδρότητα των συγκρούσεών τους, τα άτομα αναδύονται από αυτές τελείως αμετάβλητα, διότι οι θερμικές ενέργειες που ανταλλάσσουν – της τάξης του 1/40 του eV σε θερμοκρασία δωματίου – είναι κατά πολύ μικρότερες από την ενεργειακή διαφορά μεταξύ της θεμελιώδους και της πρώτης διεγερμένης κατάστασης του ατόμου, που είναι της τάξης των μερικών eV.

Κι απ’ ό,τι φαίνεται, ο μηχανισμός της κβάντωσης είναι ο μόνος που έχει επινοηθεί μέχρι τώρα για να εξηγήσει το μυστήριο της ατομικής σταθερότητας έναντι κρούσεων. Αν όμως σκεφτεί κανείς ότι η κβάντωση της συχνότητας είναι σύμφυτη με τα κλασικά στάσιμα κύματα – σκεφτόμαστε πάντα το παράδειγμα της χορδής, όπου οι παραγόμενες συχνότητες είναι μόνο ακέραια πολλαπλάσια της θεμελιώδους -, τότε η ιδέα του κυματοσωματιδιακού δυϊσμού αναδύεται εξίσου φυσιολογικά. Αφού είναι Ε=hf και η συχνότητα κβαντώνεται σ’ ένα κλασικό στάσιμο κύμα, το ίδιο θα συμβαίνει και με την ενέργεια των σωματιδίων – ας πούμε των ατομικών ηλεκτρονίων – που βρίσκονται κάπου παγιδευμένα κι επομένως το αντίστοιχο υλικό κύμα είναι κι αυτό στάσιμο. Νά, λοιπόν, και το δεύτερο βήμα στην παραπάνω συλλογιστική αλυσίδα.
Η κβάντωση οδηγεί αβίαστα στον κυματοσωματιδιακό δυϊσμό της ύλης. Ο κυματοσωματιδιακός δυϊσμός είναι η μόνη φυσιολογική εξήγηση της κβάντωσης, και η κβάντωση με τη σειρά της εξηγεί με τον πιο αβίαστο τρόπο το μυστήριο της ατομικής σταθερότητας. Όμως το κρίσιμο βήμα είναι το τρίτο.
Αφού τα σωματίδια – ας πούμε, τα ηλεκτρόνια- ανιχνεύονται πάντα σαν ακέραιες και αδιαίρετες μονάδες, δηλαδή σαν συμπαγείς και αδιαίρετοι κόκκοι ύλης , πως είναι δυνατόν να είναι ταυτόχρονα και κύματα; Πως γίνεται να συνυπάρχουν αυτές οι λογικά αντιφατικές ιδιότητες στην ίδια φυσική οντότητα;

Δεν γίνεται, είναι η απάντηση, παρά μόνο αν εγκαταλείψουμε την ιδέα ότι τα υλικά κύματα είναι φυσικά κύματα και τα αναγνωρίσουμε ως κύματα πιθανότητας. Νά, λοιπόν, και το κρίσιμο τρίτο βήμα στη συλλογιστική μας αλυσίδα: Κύμα + Σωμάτιο \rightarrow Κύμα πιθανότητας
Το τέταρτο βήμα (Κύμα πιθανότητας \rightarrow Κατάρρευση της κυματοσυνάρτησης) – είναι τώρα πια αυτονόητο: Ένα κύμα πιθανότητας είναι ένα κύμα πληροφορίας (πιθανοκρατικού χαρακτήρα) και ως τέτοιο θα «συμμορφώνεται» υποχρεωτικά με τα νέα δεδομένα που προέκυψαν από μια μέτρηση. Αν βρήκαμε το σωματίδιο σε μια θέση x0, η κυματοσυνάρτησή του μετά τη μέτρηση δεν μπορεί παρά να είναι ισχυρά εντοπισμένη γύρω από αυτό το σημείο.(…)

Το δίλημμα μπροστά μπροστά στο οποίο μας έβαλε το μυστήριο της ατομικής σταθερότητας ήταν τούτο: Πιθανοκρατική φυσική ή καθόλου φυσική!

(… Βλέπουμε λοιπόν ότι) μια θεωρία που έχει εγκατεστημένη την τυχαιότητα στα ίδια της τα θεμέλια, να κάνει τόσο ακριβείς προβλέψεις ώστε όχι μόνο να εξηγεί τον κόσμο γύρω μας, αλλά και να μας επιτρέπει εκείνον τον υπέρλεπτο έλεγχο πάνω στην ύλη, χάρη στον οποίο μια ολόκληρη τεχνολογία απίστευτης ακρίβειας να έχει οικοδομηθεί; Σκέψου μόνο τις φυσικές και χημικές ιδιότητες των ατόμων, των μορίων και των στερεών. Έργα ιοντισμού, φάσματα, γεωμετρικά σχήματα, σθένη, ενέργειες διάσπασης, μαγνητικές ιδιότητες, οπτικές ιδιότητες, αγωγιμότητες, ηχητικές ταχύτητες κ.λπ. κ.λπ. Όλα αυτά και αναρίθμητα άλλα εμπειρικά δεδομένα προβλέπονται από την πιθανοκρατούμενη κβαντομηχανική χωρίς καμιά απροσδιοριστία! Με απόλυτη βεβαιότητα! Δεν είναι τρελό αυτό; Από την αβεβαιότητα να γεννιέται η βεβαιότητα!

αποσπάσματα από το βιβλίο του Στέφανου Τραχανά: «Οι ερμηνείες της κβαντομηχανικής», Πανεπιστημιακές Εκδόσεις Κρήτης

Πηγή

Κατηγορίες:
Φυσική & Φιλοσοφία

Αστρονόμοι εντόπισαν μια σπάνιου μεγέθους μαύρη τρύπα

| 0 ΣΧΟΛΙΑ
Φωτογραφία από το διαστημικό τηλεσκόπιο Hubble του σφαιρωτού αστρικού σμήνους Messier 4. Το σμήνος συνίσταται από αρκετές εκατοντάδες χιλιάδες άστρα. Οι αστρονόμοι υποψιάζονται ότι μια μαύρη τρύπα ενδιάμεσης μάζας, 800 ηλικακές μάζες, κρύβεται στον πυρήνα του σμήνους.

Μια αθέατη μαύρη τρύπα μεσαίας μάζας, που κρύβεται στην καρδιά του κοντινότερου σφαιρωτού σμήνους αστέρων στη Γη, το οποίο βρίσκεται 6.000 έτη φωτός μακριά, εντόπισαν αστρονόμοι.

Οι μαύρες τρύπες μεσαίας μάζας, που ζυγίζουν περίπου 100 ως 100.000 φορές τη μάζα του Ήλιου, φαίνεται ότι είναι σπάνιες και αστρονόμοι έχουν εντοπίσει κάποιες πιθανές τέτοιες μαύρες τρύπες στην περιφέρεια άλλων γαλαξιών, αλλά και σε πυκνά σφαιρωτά σμήνη αστεριών που βρίσκονται σε τροχιά γύρω από τον γαλαξία μας.

Χρησιμοποιώντας τις μοναδικές δυνατότητες του διαστημικού τηλεσκοπίου Hubble της NASA/ESA, οι αστρονόμοι εστίασαν στον πυρήνα του σφαιρωτού αστρικού σμήνους Messier 4 (M4) για να διερευνήσουν μαύρες τρύπες με μεγαλύτερη ακρίβεια από ό,τι σε προηγούμενες έρευνες. Η μελέτη τους δημοσιεύεται στο περιοδικό της Βασιλικής Αστρονομικής Εταιρείας «Monthly Notices».

Η ομάδα, με επικεφαλής τον Εντουάρντο Βιτράλ από το Επιστημονικό Ινστιτούτο του Διαστημικού Τηλεσκοπίου στη Βαλτιμόρη, εντόπισε μια πιθανή μαύρη τρύπα ενδιάμεσης μάζας, που ζυγίζει περίπου 800 φορές τη μάζα του Ήλιου. Η τρύπα αυτή δεν είναι ορατή, αλλά η μάζα της υπολογίστηκε μελετώντας την κίνηση των αστεριών που βρίσκονται στο βαρυτικό πεδίο της. Συγκεκριμένα, οι αστρονόμοι εξέτασαν παρατηρήσεις δώδεκα ετών του Μ4 από το Hubble. Το διαστημικό σκάφος Gaia του Ευρωπαϊκού Οργανισμού Διαστήματος (ESA) συνέβαλε επίσης με σαρώσεις πάνω από 6.000 αστέρων που περιόρισαν το συνολικό σχήμα του σμήνους και τη μάζα του.

Πάντως, επειδή οι μαύρες τρύπες μεσαίας μάζας στα σφαιρωτά σμήνη είναι τόσο αόριστες, ο Βιτράλ προειδοποιεί ότι «εναλλακτικά, μπορεί να υπάρχει ένας αστρικός μηχανισμός που απλώς δεν γνωρίζουμε, τουλάχιστον στο πλαίσιο της τρέχουσας φυσικής».

Πηγή

Κατηγορίες:
Φυσική & Φιλοσοφία

Κβαντομηχανική ελεύθερη πτώση

| 0 ΣΧΟΛΙΑ

Ένα από τα απλούστερα και σημαντικότερα προβλήματα της κλασικής φυσικής, είναι η μελέτη της κίνησης μιας μπάλας μάζας m που αφήνεται να πέσει ελεύθερα από ύψος H και ανακλάται ελαστικά από το οριζόντιο επίπεδο έδαφος.
Aν είναι η σταθερή επιτάχυνση της βαρύτητας (ή η ένταση του ομογενούς βαρυτικού πεδίου) και δεν υπάρχει αντίσταση του αέρα, τότε η συνολική της μηχανική ενέργεια παραμένει συνεχώς σταθερή: E=K+U=\dfrac{1}{2}mv^{2} + mgx=mgH. Όταν η μπάλα απέχει απόσταση x από το έδαφος, έχει ταχύτητα: v=\sqrt{2g(H-x)}. Η συνολική ενέργεια της μπορεί να πάρει οποιαδήποτε τιμή στο συνεχές διάστημα τιμών 0 \leq E=mgH< \infty για 0 \leq H < \infty και προφανώς, η ελάχιστη τιμή της σ’ αυτό το συνεχές εύρος είναι Ε=0, όταν H=0.

Όμως, αν αντί για ένα μακροσκοπικό αντικείμενο όπως η μπάλα, πέφτει ελεύθερα και αναπηδά ελαστικά ένα μικροσκοπικό σωματίδιο, τότε η συμπεριφορά του θα είναι κβαντομηχανική. Η ενέργεια του σωματιδίου θα παίρνει διακριτές τιμές και η ελάχιστη τιμή της θα είναι διάφορη του μηδενός.

Στη συνέχεια θα εξετάσουμε την ελεύθερη πτώση ενός σωματιδίου στο πλαίσιο της κβαντικής φυσικής.

Ένας γρήγορος τρόπος να εκτιμήσουμε την τάξη μεγέθους της ελάχιστης ενέργειας (της ενέργειας στην θεμελιώδη κατάσταση) είναι να εφαρμόσουμε την αρχή της αβεβαιότητας \Delta p \Delta x \sim \hbarΗ αβεβαιότητα στη θέση θα είναι της τάξης \Delta x \sim H=E/mg, ενώ η αβεβαιότητα στην ορμή \Delta p \sim p=\sqrt{2mE}, οπότε \Delta p \Delta x \cong \sqrt{2mE} \cdot E/mg \cong \hbarΛύνοντας ως προς την ενέργεια παίρνουμε: E \cong \sqrt[3]{\hbar^{2}mg^{2}/2}

Η πλήρης κβαντομηχανική περιγραφή θα προκύψει από την μονοδιάστατη εξίσωση Schrödinger για ένα σωματίδιο με δυναμική ενέργεια U(x)=mgx :

-\dfrac{\hbar^{2}}{2m} \dfrac{d^{2}y}{dx^{2}}+(mgx-E) y=0 ή y''+\left(\dfrac{2mE}{\hbar^{2}}-\dfrac{2m^{2}gx}{\hbar^{2}} \right)y=0

Αναζητούμε λύση της εξίσωσης για x>0 και οριακές συνθήκες y(0)=0 και y(\infty) \rightarrow 0.
For old times’ sake, ακολουθούμε τον τρόπο επίλυσης που περιγράφεται στο βιβλίο του Siegfried Flügge, «Practical Quantum Mechanics»: Θέτoντας \dfrac{1}{\ell^{3}}=\dfrac{2m^{2}g}{\hbar} \, , \, \,\, \dfrac{\lambda}{\ell^{2}}=\dfrac{2mE}{\hbar^2} και \xi = \dfrac{x}{\ell}-\lambda, η εξίσωση Schrödinger απλοποιείται στην απλούστερη μορφή της διαφορικής εξίσωσης Airy: \dfrac{d^{2}y}{d \xi^{2}} - \xi y=0, με οριακές συνθήκες: y(- \lambda)=0 και y(\infty) \rightarrow 0. Παρατηρείστε ότι η τιμή ξ=0 αντιστοιχεί στην x =\lambda \ell= E/mg=H και ότι η κίνηση του σωματιδίου, όταν εξετάζεται κλασικά, περιορίζεται στο εύρος 0 \leq x \leq H ή -\lambda \leq \xi \leq 0.

H γενική λύση της εξίσωσης είναι ένας γραμμικός συνδυασμός των συναρτήσεων Airyy(\xi)=c_{1}Ai(\xi)+c_{2}Bi(\xi) (1)

Η γραφική παράσταση των συναρτήσεων Ai(ξ) (με κόκκινο) και Βi(ξ) (με μπλε).

Δεδομένου ότι y(\infty) \rightarrow 0, προκύπτει ότι c2=0 και η εξ. (1) γίνεται y(\xi)=c_{1}Ai(\xi). Από την οριακή συνθήκη (για x=0 ή \xi=-\lambda) θα έχουμε: Ai(-\lambda)=0, η οποία επαληθεύεται για τις διακριτές τιμές \lambda_{n} : \lambda_{1} \cong 2,338, \, \lambda_{2} \cong 4,088, \, \lambda_{3} \cong 5,521 \cdots, κ.ο.κ.
Από τις σχέσεις \dfrac{1}{\ell^{3}}=\dfrac{2m^{2}g}{\hbar} \, , \, \,\, \dfrac{\lambda}{\ell^{2}}=\dfrac{2mE}{\hbar^2}, προκύπτει ότι η ενέργεια παίρνει τις τιμές: E_{n}=\lambda_{n} \sqrt[3]{\dfrac{\hbar^{2}mg^{2}}{2}}, με την ενέργεια της θεμελιώδους κατάστασης να είναι: E_{1}=2,338 \sqrt[3]{\dfrac{\hbar^{2}mg^{2}}{2}}.

Η γραφική παράσταση της λύσης ψ(ξ)=C Αi(ξ), που αντιστοιχεί στην ενεργειακή κατάσταση ΕnΠαρατηρούμε ότι η ιδιοσυνάρτηση εκτείνεται στην κλασικά απαγορευμένη περιοχή x>H, οπότε η πιθανότητα το σωματίδιο να βρεθεί εκεί είναι πεπερασμένη.

Μπορεί όλα τα παραπάνω να φαίνονται πολύ θεωρητικά, όμως η κβαντομηχανική ελεύθερη πτώση σωματιδίου που ανακλάται ελαστικά σε ακλόνητο οριζόντιο επίπεδο, έχει πραγματοποιηθεί πειραματικά με υπερ-ψυχρά νετρόνια, με ταχύτητες περίπου 8 m/s. Οι πέντε πρώτες ιδιοκαταστάσεις, με τις αντίστοιχες ιδιο-ενέργειες του υπερ-ψυχρού νετρονίου που πέφτει ελεύθερα και αναπηδά ελαστικά, φαίνονται στο παρακάτω διάγραμμα, από την εργασία των Cronenberg et al, ‘A Gravity of Earth Measurement with a qBOUNCE Experiment‘:

Κατηγορίες:
Φυσική & Φιλοσοφία

Αντιστροφή της ροής θερμότητας λόγω περιστροφής

| 0 ΣΧΟΛΙΑ
Όταν περιστρέφεται αρκετά γρήγορα, ένα ψυχρό σώμα μπορεί να μεταφέρει θερμότητα σε ένα κοντινό θερμό σώμα [Control of the Radiative Heat Transfer in a Pair of Rotating Nanostructures].

Η θερμότητα ρέει αυθόρμητα από τα θερμότερα προς τα ψυχρότερα σώματα. Αυτό μας λέει ο πιο ισχυρός νόμος της φυσικής – ο 2ος θερμοδυναμικός νόμος. Όμως μια γρήγορη περιστροφή θα μπορούσε να παραβιάσει αυτόν τον κανόνα.

Οι 4 ισοδύναμες διατυπώσεις του 2ου νόμου της θερμοδυναμικής:
«Αρχή Kelvin: δεν είναι δυνατή κυκλική διεργασία συστήματος, με μοναδικό αποτέλεσμα την αφαίρεση θερμότητας από κάποιο σώμα και την μετατροπή της σε ισοδύναμο έργο».
«Αρχή Clausius: δεν είναι δυνατή κυκλική διεργασία με μοναδικό αποτέλεσμα τη μεταφορά θερμότητας από το ψυχρότερο στο θερμότερο σώμα».
«Θεώρημα Carnot: με κάθε σύστημα είναι συνυφασμένες δυο συναρτήσεις συντεταγμένων του, η S και η Τ, από τις οποίες η Τ είναι συνάρτηση της εμπειρικής θερμοκρασίας θ μόνο. Οι συναρτήσεις είναι τέτοιες, ώστε σε οποιαδήποτε απειροστή αντιστρεπτή διεργασία του συστήματος να ισχύει dq=TdS».
«Αρχή Καραθεοδωρή: Εις εκάστην γειτονίαν δεδομένης καταστάσεως συστήματος υπάρχουν καταστάσεις μη προσιταί εκ ταύτης δι’ αδιαβατικής διεργασίας αντιστρεπτής ή μη»


Οι Juan Deop-Ruano και ο Alejandro Manjavacas από το Ινστιτούτο Οπτικής (IO-CSIC) στην Ισπανία ανακάλυψαν ότι, αν δύο δίσκοι με διαστάσεις νανομέτρων τοποθετηθούν κοντά ο ένας στον άλλο και περιστραφούν με υψηλές συχνότητες, τότε η θερμότητα θα μπορούσε να ρέει από τον ψυχρό προς τον θερμό δίσκο. Οι ερευνητές αναγνωρίζουν ότι η ανακάλυψή τους θα είναι δύσκολο να αναπαραχθεί στο εργαστήριο —τουλάχιστον στο άμεσο μέλλον—αλλά ελπίζουν ότι το φαινόμενο αυτό θα εμπνεύσει νέες ιδέες όσον αφορά τον έλεγχο της θερμοκρασίας των αντικειμένων νανοκλίμακας.

Πολλές ερευνητικές ομάδες έχουν μελετήσει την μεταφορά ακτινοβολούμενης θερμότητας μεταξύ των νανοδομών. Όπως και πολλοί έχουν διερευνήσει τη λεγόμενη ροπή Casimir που δρα σε κοντινές νανοδομές που περιστρέφονται η μία ως προς την άλλη. Οι Deop-Ruano και Manjavacas είναι οι πρώτοι που ανέλυσαν και τα δύο αυτά αποτελέσματα.

Θεώρησαν δύο δίσκους – έναν θερμό και έναν ψυχρό – των οποίων τα μεγέθη και η μεταξύ τους απόσταση είναι πολύ μικρότερα από το μέσο μήκος κύματος της θερμικής τους ακτινοβολίας. Σε αυτή την περίπτωση, οι δίσκοι προσεγγίζονται ως απλά ηλεκτρικά δίπολα και η αλληλεπίδρασή τους είναι ένας συνδυασμός θερμικής ακτινοβολίας και επιδράσεων ροπής Casimir. Οι ερευνητές υπολόγισαν τη μεταφορά ενέργειας μεταξύ των δίσκων και διαπίστωσαν ότι ένας ψυχρός δίσκος που περιστρέφεται γρήγορα μπορεί να δώσει περισσότερη ενέργεια σε έναν θερμό δίσκο σε σχέση με αυτή που λαμβάνει. Σύμφωναν με τον Manjavacas, «η περιστροφή τροποποιεί την κατανομή ενέργειας της θερμικής ακτινοβολίας των δίσκων, κάνοντάς τους να συμπεριφέρονται σαν να έχουν διαφορετική θερμοκρασία».

Για να είναι παρατηρήσιμη αυτή η αντίστροφη ροή θερμότητας σε θερμοκρασίες περίπου 1 Κ, τα αντικείμενα πρέπει να περιστρέφονται με συχνότητα 100 GHz. Δεδομένου ότι πρόσφατα, οι πειραματιστές κατάφεραν να περιστρέψουν νανοδομές με συχνότητα λίγων GHz, οι Deop-Ruano και Manjavacas ελπίζουν ότι η τεχνολογική εξέλιξη θα μπορούσε να επιτρέψει τον μελλοντικό έλεγχο των προβλέψεών τους.

Πηγή

Κατηγορίες:
Φυσική & Φιλοσοφία
web design by