Avainsana-arkisto: fysiikka

Tiede

Nollapistekenttä: Kuinka ajatukset muuttuvat materiaksi

Kommentoi

Kirjoittanut Peter Baksa

Koska olen maininnut nollapistekentän (ZPF) niin paljon aiemmissa HuffPost-artikkeleissani, ja koska se on elintärkeä osa sitä, mitä on meneillään, on järkevää esittää yksityiskohtaisempi analyysi kaikille niille kvanttiharrastajille, jotka kamppailevat teoriani kanssa, jonka mukaan ajatukset ovat yhtä kuin materia. Aloitetaan siis perusasioista ja näytetään, mitä ZPF:stä tiedetään ja miten sen löytäminen tapahtui.

ZPF:n perusteet

Kvanttikenttäteoriassa tyhjiötila on kvanttitila, jolla on pienin mahdollinen energia; se ei sisällä fyysisiä hiukkasia, ja se on perustilan energia. Tätä kutsutaan myös nollapiste-energiaksi; systeemin energia nollalämpötilassa. Kvanttimekaniikan mukaan kaikki järjestelmät ovat kuitenkin myös perustilassaan vaihtelevia ja niillä on aaltomaisen luonteensa vuoksi siihen liittyvä nollapiste-energia. Näin ollen jopa absoluuttiseen nollapisteeseen jäähdytetyssä hiukkasessa on edelleen jonkin verran värähtelyä.

Nestemäinen helium-4 on hyvä esimerkki: Ilmakehän paineessa, jopa absoluuttisessa nollapisteessä, se ei jäädy kiinteäksi ja pysyy nesteenä. Tämä johtuu siitä, että sen nollapiste-energia on riittävän suuri, jotta se pysyy nesteenä, vaikka se olisikin hyvin kylmä. Kaikella kaikkialla on nollapiste-energiaa, hiukkasista sähkömagneettisiin kenttiin ja minkä tahansa muun tyyppisiin kenttiin. Kun ne kaikki yhdistetään, saadaan tyhjiöenergia eli kaikkien avaruuden kenttien energia.

Tämä näyttäisi merkitsevän sitä, että tyhjiötila — tai yksinkertaisesti tyhjiö — ei ole lainkaan tyhjä, vaan kaikkien avaruuden kenttien perustilan energia, ja sitä voidaan kutsua kollektiivisesti nollapistekentäksi. Kvanttimekaniikan mukaan tyhjiötila sisältää ohikiitäviä sähkömagneettisia aaltoja ja virtuaalihiukkasia, jotka ilmestyvät ja katoavat olemassaolostaan hetken mielijohteesta. Meidän on siis kysyttävä, voidaanko tätä energiaa mitata? Tai edes laskea?

Fysiikassa on olemassa niin sanottu Casimirin vaikutus. Tässä kokeessa kaksi johtavaa levyä viedään rinnakkain, ja niiden välissä pidetään sähkömagneettista kenttää. Levyjen välissä oleva ontelo ei kestä kaikkia sähkömagneettisen kentän taajuusmuotoja, varsinkaan levyjen väliseen etäisyyteen verrattavia aallonpituuksia. Tämä luo levyjen ulkopuolelle nollapistepainetta, joka yrittää työntää levyt yhteen, aivan kuten auringon säteilypaine työntää komeetan pyrstöä pois sen ytimestä. Tuloksena syntyvää vaikutusta kutsutaan Casimirin voimaksi, ja se voimistuu, mitä lähemmäksi levyt tulevat, mutta häviää, kun levyt ovat fyysisesti kosketuksissa toisiinsa — tai kun levyt ovat niin lähellä toisiaan, että nollapisteen aallonpituus ei enää näe täydellisesti johtavaa pintaa.

Tätä Casimir-ilmiötä pidetään usein todisteena nollapiste-energiameren olemassaolosta koko maailmankaikkeudessa. Toinen mahdollinen ZPF:n ilmenemismuoto voisi olla kosmologinen vakio, jota käytetään niin paljon kosmologiassa; jotkut sanovat, että se voisi olla tämän nollapiste-energian mitta. Erään laskelman mukaan tyhjän avaruuden kuutiosenttimetrin energia on jopa noin erg:n triljoonasosa; se ei ole paljon, mutta jos tämä lasketaan koko avaruuteen, saadaan silti ääretön. Vuonna 1913 Albert Einstein ja Otto Stern tekivät analyysin vedyn ominaislämmöstä alhaisissa lämpötiloissa ja havaitsivat, että käytettävissä olevat tiedot sopivat parhaiten, jos värähtelyenergiaa esitettiin yhtälöllä:

Jopa lämpötilan T ollessa absoluuttinen nollapiste voit nähdä, kuinka ensimmäinen termi putoaa myös nollaan, mutta jäljelle jää toinen termi, joka on pienin säilytettävä energia. Tämä on vedyn nollapiste-energia — ja avaruus on täynnä vetyä — joka yksinään täyttäisi tyhjiön nollapisteen sähkömagneettisella säteilyllä.

Toinen ZPF:n johdannainen tulee, kuten edellä mainittiin, epätarkkuusperiaatteesta. Tietylle hiukkaselle ei voida tietää sekä sen sijaintia että sen impulssia samanaikaisesti — pienin mahdollinen epävarmuus on verrannollinen Planckin vakioon. Tämä epävarmuus liittyy energian ja aineen luontaiseen kvanttitarkkuuteen, joka johtuu niiden aaltomaisesta luonteesta. Näin ollen hiukkanen ei voi olla liikkumatta potentiaalikaivonsa pohjalla, sillä silloin tiedettäisiin sekä hiukkasen sijainti että energia täydellä varmuudella.

Tietyn systeemin pienimmän mahdollisen energian on siis oltava suurempi kuin kaivon minimipotentiaali — sen nollapiste-energia. Tämä johtaa meidät postuloimaan kaikkien hiukkasten kollektiivisen potentiaalin kaikkialla, jolloin niiden yksittäiset nollapiste-energiat sulautuvat yhdeksi universaaliksi nollapistekentäksi. Tämän erityisen kvanttifysiikan alueen teoriat ja tieteellinen tutkimus luovat pohjan sille, että voidaan yrittää selittää, miten mieli/aivot/aivoaallot käynnistävät tapahtumia luonnossa; miten ajatuksemme sekoittuvat kaikkeen muuhun ja saavat aikaan sen, että materia ilmenee elämässämme. Mitä enemmän tarkastelemme tätä aluetta, sitä selvemmäksi Jumalan ja tieteen yhteys tulee. Jos ajatukset ovat yhtä kuin energia ja energia on yhtä kuin aine, niin ajatuksista tulee ainetta. Tarkkaile ajatuksiasi, sillä ne ilmenevät elämässäsi luonnollisesti ZPF:n kautta.

 

Artikkelin julkaissut Huffington Post

Tiede

Nollapiste-energian hyödyntäminen

Kommentoi

Chas Blakemore
10. joulukuuta 2017

Kurssityö kurssille PH240, Stanfordin yliopisto, syksy 2017

 

Johdanto

Stargate Atlantiksen ja Marvel-sarjakuvien Realm of Kingsin fiktiivisestä maailmasta NASAn Eagleworks Propulsiolaboratorioon, nollapiste-energiaa, jota kutsutaan myös vakuumienergiaksi, pidetään potentiaalisesti rajattomana ja kaikkialla läsnäolevana energianlähteenä, jos löydetään vain keino ottaa se käyttöön. [1] Nollapiste-energia voidaan kuvata eri tavoin, mutta sen perusmuodossaan se on minimaalinen, mutta nollasta poikkeava kvanttimekaanisen systeemin energia. Kvanttikenttäteoriassa nollapiste-energia voidaan laskea nollafotonimoodin odotusarvoisena energiana. [2] Systeemissä, jossa ei ole fyysisiä rajoja, odotusarvoinen nollafotonimoodin energia eroaa nollasta! Ja kuitenkin, jos tämä energia on kaikkialla avaruus-ajassa läsnä, sitä ei pystytä suoraan havaitsemaan.

Kuva 1: Voima, joka syntyy vakuumitilojen välisistä eroista, ja näin reunoille vaikuttaa paine. (Lähde: Wikimedia Commons)

 

Konseptuaalinen viitekehys

Pedagogisista syistä tarkastelemme nollapiste-energian populaaria muotoilua. Kaikkein kiinnostavin ja relevantein viitekehys nollapiste-energialle voidaan ymmärtää kvanttielektrodynamiikan, fotonien ja elektronien kvanttikenttäteorian, avulla. Kaunistelemalla poikkeuksellista matemaattista ja konseptuaalista taustaa, kvanttikenttäteoriassa tilaenergia lasketaan Hamiltonin operaattorin. <H>, odotusarvona, joka kuvaa energiatilaa operaattorien avulla, joita sovelletaan aaltofunktioon. Lopullinen lasku yleensä vaatii tilassa olevien partikkelien liikemäärämomenttien yli integrointia.

Schwartzia mukaillen, me voimme laskea nollafotonivakuumitilan energian, jolla on äärettömät rajat, systeemi joka ei ole millään tavalla fysikaalinen, realisoitavissa tai kuvaukseltaan täydellinen, mutta yhtä kaikki pedagoginen. [2] Jälleen kaunistelemalla paljon matemaattista taustatietoa (jota myös rohkaisemme kiinnostuneen lukijan tutkimaan viitteestä [2]), huomaamme, että

Evac = <H> ∝ ∫ k3 dk → ∞.

Ja näin me voimme nähdä, että vakuumitilan odotusarvoinen energia divergoi! Tottakai tämä ei ole oikea fysikaalinen systeemi, sillä mitään hiukkasia ei ole läsnä, eikä ole myöskään rajoja, mutta se kuvaa ideaa tyhjässä avaruudessa läsnä olevasta energiasta.

Hollantilainen fyysikko Hendrik Casimir vei tämän formalismin pidemmälle ja tutki hieman fysikaalisempaa systeemiä vakuumissa, joka koostuu ontosta ja johtavasta kuutiosta, jonka sivun pituus on L. [3]  Kuution vieressä on neliön muotoinen johtava sivulevy, jonka pituus on L, yhdensuuntaisesti ja asetettu lähelle yhtä kuution sivua. Sitten hän laski kaksi energiaa: nollafotonitilan energian, eli sähkömagneettisen vakuumitilan energian, alueella joka on rajoitettu kahden toisiaan lähellä olevan tason väliin; sekä vakuumitilan energian muualla kuutiossa. Kaksi suuretta eroavat toisistaan, sillä rajoitusehdot sallivat ainoastaan tietyt moodit, eli seisovat aallot, kummassakaan alueessa.

Muodollisesti molemmat energiat divergoivat, mutta ero näiden kahden lausekkeen välillä on hyvin määritelty, ja sitä voidaan manipuloida voimien laskemiseksi. Casimir tulkitsi tämän interaktiona kahde toisiaan lähellä olevan levyn välillä, ja sai selville, että siinä esiintyy vetovoima, joka pienenee nopeasti levyjen välimatkan kasvaessa. Kahden levyn poikkileikkausgeometria ja siitä seuraava voima kuvataan kuvassa 1, jossa voima on ilmaistu varsin yksinkertaisella kaavalla F = (π2ℏc/240a4) L2 jollekin etäisyydelle a. Vaikka vaikutus on poikkeuksellisen pieni, hän ennusti, että ”kokeellinen vahvistus ei vaikuta mahdottomalta, ja se saattaisi olla jossain määrin kiinnostavaa”. [3]

Tässä laskennassa ei ole otettu mukaan useita merkittäviä muita asioita, kuten Casimirin laatikon metallien fyysisiä ominaisuuksia. Kuitenkin eri materiaalit, joko metallit tai epämetallit, yksinkertaisesti muuttavat lasketun voiman suuruutta, kun taas riippuvuus etäisyydestä ja pinta-alasta säilyy samana.

Kokeellinen vahvistaminen

Olemme nähneet, että on olemassa järkevä teoreettinen viitekehys energialle, joka liittyy sähkömagneettisiin vakuumitiloihin, ja että elektrodien tietyillä geometrioilla voidaan saada epäsuorasti keino havaita näitä vakuumienergioita. Voitaisiin kysyä, onko sellaista vahvistettu kokeellisesti. Vaikka vuonna 1958 M. J. Sparnaay teki mittauksen, hän sai ainoastaan selville, että hänen mittauksensa eivät olleet Casimirin ennusteen kanssa ristiriidassa, ja että ne olivat todella kaukana tarkoista lukemista. [4]

Tuoreemmalti vuonna 1997, Washingtonin yliopiston fyysikko käytti torsioheiluria mittaamaan kahden johtimen välistä voimaa: yksi levymäinen ja toinen puolipallon muotoinen. [5] Hän sai selville, että alle 1 mikronin etäisyyksillä, kahden levyn välillä oli verrattain merkittävä voima, jota ei voitu selittää Casimirin ennustamalla interaktiolla. Hän otti huomioon muutokset voimaan geometrian eroista, oikeiden metallien rajallisen johtavuuden sekä lämpö- ja sähköstaattiset taustavaikutukset. Tämä oli ensimmäinen suora havainto ja tilastollisesti eheä analyysi, jolla vahvistettiin voima, jonka Casimir oli postuloinut melkein 50 vuotta sitä ennen.

Vuodesta 1997 eteenpäin on ollut useita kokeita, jotka ovat tarkastelleet hienovaraisempia Casimirin ilmiön yksityiskohtia, sekä tutkimuksia, joissa on havainnoitu muita vakuumienergiaan liittyviä ilmiöitä, joita usein kutsutaan alkuperäisen Casimir-ilmiön korollaareiksi. Aiheesta kiinnostunut lukija voi tutkia plasmamallia vs. Drude-mallia eli dynaamista Casimir-ilmiötä.

Lopullinen tavoite: työntövoima ilman polttoainetta

Kahden metallilevyn välillä olevan voiman mittaaminen on ihan ookoo (itse asiassa poikkeuksellista), mutta pragmaatikot ihmettelevät mitä käyttöä tällä mittauksella on, mihin sitä edes voitaisiin soveltaa. Tällaisessa ajattelussa me palaamme ensimmäiseen viitteeseemme: väitettyyn ”Casimirin raketin” työntövoimaan, jota tutkittiin NASAn Eagleworks-laboratoriossa. [1] Tutkimalla suhteellisen uutta kvanttivakuumifluktuaatioiden havaittavaa maailmaa, ja käyttämällä avaruusinsinöörejä, NASA toivoo rakentavansa työntövoimajärjestelmän, joka ei vaadi polttoainetta, ainoastaan sähkövoiman muodossa olevaa energiaa.

Kuva. 2: Valokuva työntömoottorin ontelosta (kuparinen, vasemmalla), sen tukirakenteesta ja vakuumikammiosta, joka sitä ympäröi (taustalla). (Kuva: Wikimedia Commons)

 

Rakettien työntövoimaksi käytettäessä, nykyiset avaruusteknologiat riippuvat melkein täysin kemikaalien käytöstä polttoaineina, mm. nestemäinen happi, hydratsiini, kiinteät komposiittipolttoaineet ja paljon muuta. Kaikkein merkittävin haittapuoli sellaiselle polttoaineelle on kiinteä työntövoima suhteessa painoon. Jos haluaa enemmän työntövoimaa, tai pidempiä aikoja, silloin pitää tuoda enemmän polttoainetta. Olisi paljon kivempaa, jos voisi tuoda aurinkovoimakäyttöisen avaruusmoottorin, kiinteäpainoisen, ja antaa sen työntää avaruusalusta. Mutta mikä voisi tarjota työntövoimaa?

NASAn vastaus: kvanttivakuumifluktuaatiot. Ja näin Eagleworks sai alkunsa. Heidän tarkoituksensa on käyttää monimutkaisia ja erittäin erityislaatuisia johtavia onteloita generoimaan työntövoimaa, joka ”puskee” avaruuden vakuumia vastaan ohjaamalla virtuaalista elektronien ja positronien virtaa, jota syntyy seisovista radiotaajuuksisista aalloista, jotka ovat suljetussa ontelossa. Jos tämä on mahdollista, ainoa mitä tarvittaisiin on hieman sähköä ja silloin ainoa ihmiskunnan este päästä tähtiin olisi sinne matkaamiseen kuluva aika.

Eagleworks on julkaissut paperin, jossa kuvataan oletettu ja ylenpalttisen kiistanalainen mitattu työntövoima, jota syntyy sähkömagneettimoottorin (EM) prototyypistä kuvassa 2. [1] Heidän alkuvaiheen koetta vuonna 2014 ei tehty vakuumissa, mikä sai useat vastaväittäjät esittämään, että työntövoima johtui todennäköisesti lämpösiirtymästä, joka indusoitui sähkömagneettikentästä. Tuoreessa julkaisussa on tarkempi mittaus, joka on suoritettu vakuumissa, joka voi olla paljon ratkaisevampi. Suuren vuoden 2011 Superluminaalisen Kuumotuksen jälkeen, NASAn tulokset vaativat äärimmäisen tarkkaa syynäystä, ja jos mahdollista, kokeen toistamista.

Vastalauseet

Kuten aiemmin mainittua, tällä työntövoiman mittauksella, joka syntyy avaruusajan vakuumia vasten puskemisesta, on paljon vihamiehiä fyysikoiden yhteisössä, ja ihan aiheesta. Kaikkein ilmiselvin ongelma on liikemäärän säilymislain rikkominen. NASA on väittänyt rakentaneensa ”työntömoottorin”, joka ainakin teoriassa voi työntää itsensä lepotilasta ilman, että se sylkee ulos ainetta tai fotoneja. Triviaalisti ploppu ≠ palku joka on ongelma! On mahdollista, vaikkakin epätodennäköistä, että moottori tuottaa työntövoimaa sylkemällä jotain toisen tyyppisiä heikosti vaikuttavia hiukkasia, ehkä jopa mekanismilla, jota nykyhetken standardimalli ei edes tunnista.

Kaikki fysiikan argumentit sikseen, mittaus väitti oletettavasti havainneen kymmenien mikronewtoneiden työntövoiman ja hitaan  (1/f) ajelehtimisen kertaluokkaa satoja mikronewtoneita. [1] Puhtaan mittateknisestä katsantokannasta tämän tyyppinen mittaaminen on täynnä virhettä, vaikka käytettäisiin tekniikoita, joilla signaali identifioitaisiin spektrin ominaisuuksista. Ajan mittaan on mahdollista mitata paremmin.

Johtopäätökset

Energian ja työntövoiman kerääminen avaruuden tyhjiöstä voi olla kiistämättä hämmästyttävää, ja se on NASAn Eagleworks-laboratorion päätavoite. Sellaisen idean tulee noudattaa fysiikan lakeja kuten yksinkertainen liikemäärän säilyminen, ja olisi hyvä, jos se on tarkasti kuvattu mekanismi, vaikka se olisi pelkkä kuvaus.

Vuonna 2017, vakuumifluktuaatioiden on väitetysti osoitettu tarjoavan EM-prototyyppimoottorille työntövoimaa. Tämä posketon mittaus on tyypillisesti mahdoton, sekä fundamentaalisten argumenttien että mittateoreettisen katsantokannan näkökulmasta, niinkuin yllä esitetty lyhyt käsittely osoitti.

© Chas Blakemore. The author warrants that the work is the author’s own and that Stanford University provided no input other than typesetting and referencing guidelines. The author grants permission to copy, distribute and display this work in unaltered form, with attribution to the author, for noncommercial purposes only. All other rights, including commercial rights, are reserved to the author.

Lähdeviitteet

[1] H. White et al., ”Measurement of Impulsive Thrust from a Closed Radio-Frequency Cavity in Vacuum,” J. Propul. Power 33, 830 (2017).

[2] M. D. Schwartz, Quantum Field Theory and The Standard Model (Cambridge University Press, 2013).

[3] H. B. G. Casimir, ”On the Attraction Between Two Perfectly Conducting Plates,” Kon. Ned. Akad. Wetensch. Proc. 51, 793 (1948).

[4] M. J. Sparnaay, ”Measurements of the Attractive Forces Between Flat Plates,” Physica 24, 751 (1958).

[5] S. K. Lamoreaux, ”Demonstration of the Casimir Force in the 0.6 to 6 μm Range,” Phys. Rev. Lett. 78, 5 (1997).

 

Artikkelin julkaissut stanford.edu

Tiede

Kuinka resonanssimuodot muokkaavat todellisuutta

Kommentoi

Melkein aina kun fyysikot ilmoittavat uuden partikkelin löydöstä, oli se sitten Higgsin bosoni tai jokin aika sitten löydetty tetrakvarkki tcc+, sen mitä he oikeasti ovat havainneet on pieni kupru, joka nousee muuten sileästä mitattujen suureiden käyrästä. Sellainen kupru on erehtymättömästi merkki “resonanssista”, eräästä luonnon kaikkein yleisimmistä ilmiöistä.

Resonanssia esiintyy moninaisissa luonnon ilmiöissä kuten musiikki, kuolevien tähtien ydinfuusio, sekä jopa aliatomisten hiukkasten olemassaolo. Sama vaikutus ilmenee niin moninaisissa ympäristöissä, arkipäivän elämästä aina pienimpiin asteikoihin.

Illustration of a subatomic particle inside a wineglass.

Yksinkertaisimmassa muodossaan resonanssi esiintyy, kun kappale kokee värähtelyliikkeen voiman, joka on lähinnä sen “luonnollista” taajuutta, jolla se helpoimmin oskilloi. Se, että kappaleilla on ominaistaajuuksia, “on yksi sekä matematiikan että universumin perusominaisuuksista”, sanoo Matt Strassler, Harvardin yliopiston hiukkasfyysikko, joka kirjoittaa kirjaa Higgsin bosonista. Leikkikentän keinu on tunnettu esimerkki: “Kun sellaisen laittaa liikkeelle, se aina automaattisesti löytää resonanssitaajuuden”, Strassler sanoo. Tai iske viinilasia, ja reuna värähtelee muutaman sadan hertsin taajuudella, mikä tuottaa karakteristisen äänen värähtelyjen kulkiessa ympärillä olevan ilman läpi.

Systeemin ominaistaajuus riippuu sen sisäisistä ominaisuuksista: huilulla esimerkiksi ääniaaltojen taajuudet sopivat sen sylinterigeometrian sisälle.

Sveitsiläinen matemaatikko Leonhard Euler vuonna 1739 ratkaisi yhtälön, joka kuvaa systeemiä, joka jatkuvasti on lähellä sen resonanssitaajuutta. Hän sai selville, että systeemi ilmaisi “monenlaisia ja ihania liikkeitä”, niinkuin hän asian ilmaisi kollegalleen Johann Bernouillille, ja että kun systeemi toimii tarkalleen sen resonanssitaajuudella, liikkeen amplitudi “kasvaa jatkuvasti ja lopulta äärettömyyteen.”

Systeemin käyttäminen liian kovaa tietyllä taajuudella voi vaikuttaa dramaattisesti: koulutettu laulaja voi rikkoa lasin laulamalla pitkitetysti resonanssitaajuudella. Silta, joka resonoi marssivien sotilaiden askelien taajuudella, voi romahtaa. Mutta useimmiten energian hukka, jonka Eulerin analyysi jätti huomiotta, estää fysikaalisen systeemin liikettä kasvamasta liian suureksi. Jos laulaja laulaa nuottia hiljaa, lasin värähtely kasvaa aluksi, mutta suuremmat värähtely aiheuttavat energian säteilyä ulospäin ääniaaltoina, ja lopulta saavutetaan tasapaino, jossa värähtelyillä on vakioamplitudi.

Oletetaan nyt, että laulaja aloittaa matalasta nuotista ja jatkuvasti nostaa äänensä taajuutta ylöspäin. Laulajan nostaessa taajuutta siihen missä lasi resonoi, ääni hetkellisesti muuttuu kovemmaksi. Tämä vahvistus syntyy siitä, kun lasiin saapuvat ääniaallot synkronoituvat jo olemassaolevien aaltojen kanssa, samalla tavalla kun heilurin työntäminen oikeaan aikaan voi vahvistaa alkuliikettä. Kun piirretään kuvaaja äänen amplitudista taajuuden funktiona, esiintyy käyrä jossa on selvä kupru resonanssitaajuuden kohdalla, sellainen joka muistuttaa huomattavasti partikkelilöytöjen kupruja. Molemmissa tapauksissa kuprun leveys kertoo siitä miten paljon systeemi heittää energiaa hukkaan, eli miten pitkään lasi soi sen jälkeen kun sitä on isketty kerran, tai miten pitkään partikkeli on olemassa ennen sen hajoamista.

Mutta miksi partikkelit käyttäytyvät kuin humisevat viinilasit? 1900-luvun taitteessa resonanssin ymmärrettiin olevan värähtelevien ja oskilloivien systeemien ominaisuus. Partikkelit, jotka matkaavat suoraa viivaa ja hajoavat kuin biljardipallot, vaikuttivat olevan varsin kaukana tästä fysiikan alasta.

Kvanttimekaniikan kehitys on osoittanut asiat toisin. Kokeista näkyi, että valo, jonka oltiin ajateltu olevan sähkömagneettista aaltoliikettä, joskus käyttäytyy kuin hiukkanen: “fotoni”, jolla on tietty energiamäärä, joka on suhteessa siihen liitetyn aaltoliikkeen taajuuteen. Samaan aikaan aineen hiukkaset, esim. elektronit, joskus käyttäytyivät aaltoliikkeen kaltaisesti samanlaisella taajuuden ja energian suhteella.

Vuonna 1925, tästä kirjeenvaihdosta inspiroituneena, itävaltalainen fyysikko Erwin Schrödinger johti yhtälön vetyatomille, jonka ratkaisut ovat aaltoja, jotka oskilloivat tietyillä ominaistaajuuksilla, paljon samaan tapaan kuin akustisten ääniaaltoyhtälöiden ratkaisut ilmapuhallettaville soittimille.

Jokainen ratkaisu Schrödingerin yhtälöön esittää atomia kiertävän elektronin mahdollista tilaa. Elektroni voi hypätä korkeampienergiselle tilalle absorboimalla fotonin, jonka taajuus paikkaa kahden ominaistaajuuden välisen energiaeron.

Sellaiset tilasiirtymät ovat itsessään resonansseja: aivan kuten viinilasi, atomi ainoastaan absorboi energiaa aalloista tietyillä taajuuksilla, ja se voi myös luovuttaa energiaa emittoimalla aaltoja näillä samoilla taajuuksilla. (Kun tiettyjä atomeja viritetään tarkalleen tietyllä taajuudella, tietyt atomit värähtelevät yli 10 kvadriljoonan oskillaation verran ennen kuin ne luovuttavat energiansa fotoneina — äärimmäisen tarkka atomiresonanssi, joka on maailman tarkimpien atomikellojen toiminnan perustana.)

Kvanttiteoria paljasti, että atomien rakenne, joka on verrattavissa sinfonioihin, liittyy läheisesti resonanssiin. Elektronit kiinnittyvät atomeihin hieman samalla tavalla kuin ääniaallot jäävät huilujen sisään. Atomiytimien kanssa 1930-luvun edistysaskeleet näyttivät sen, että atomiytimiä on olemassa niin monenlaisia resonanssin ansiosta. Resonanssisiirtymät ovat tärkeitä ydinfuusioreaktoreille, jotka muuttavat yhden tyyppisiä atomiytimiä toisiksi. Kaikkein tunnetuin näistä ydinresonansseista mahdollistaa kolmen heliumatomin fuusioitumisen yhdeksi hiiliytimeksi. Ilman tätä tähdet eivät kykenisi tuottamaan hiiltä tai raskaampia alkuaineita, ja elämä sellaisena kuin me sen tunnemme ei olisi mahdollista.

Mutta resonanssin juuret fysiikassa ovat syvemmällä. 1920-luvulla fyysikot alkoivat kehittää vahvaa matemaattista viitekehystä, joka tunnetaan nimellä kvanttikenttäteoria, joka on hiukkasfysiikan kieli edelleen tänäkin päivänä. Kvanttikenttäteoriassa universumin perusosaset ovat kenttiä, jotka täyttävät kaikki avaruudet. Hiukkaset ovat näiden kenttien paikallisia, resonanssivirittymiä, jotka värähtelevät kuin jouset äärettömässä patjassa. Taajuudet joilla kvanttikentät preferoivat värähdellä ovat perua universumin perusvakioista, joiden alkuperä on hämärä; nämä taajuudet taas vuorostaan määräävät niihin liittyvien hiukkasten massat. Kun tyhjiötä ammutaan tarpeeksi oikealla taajuudella, sieltä tulee ulos hiukkasia.

Tässä mielessä resonanssi on vastuussa hiukkasten koko olemassaolosta. Se on myös yhä enemmän muuttumassa kokeellisen hiukkasfysiikan työjuhdaksi. Kun mitataan sitä miten usein tiettyjen hiukkasten kombinaatiot syntyvät korkeaenergisissä törmäyksissä, fyysikot näkevät piikkejä havaintotaajuuksissa, kun he varioivat törmäysenergiaa: uusia manifestaatioita universaalista resonanssikäyrästä. “Kuten viinilasin tapauksessa, tässä pyyhitään systeemin läpi joka haluaa resonoida”, Strassler sanoo. “Kaikki mikä vain pystyy värähtelemään, sen värähtelyn saa aikaan.”

1950- ja 1960-luvuilla fyysikot näkivät useampia piikkejä kuin he olivat odottaneet, ja aluksi kukaan ei oikein tiennyt miten tulkita tätä. Monet kuprut olivat varsin leveitä, ja se viittasi hiukkasiin, jotka olivat olemassa triljoonasosan triljoonasosan sekuntia ajan. Toisin kuin tunnetut hiukkaset, jotka voidaan havaita suoraan, nämä uudet tulokkaat voitiin havaita vain resonanssin prosessin avulla.

Fyysikot myöhemmin sanoivat, että nämä hiukkaset eivät eronneet peruslaadultaan fotoneista tai neutroneista juurikaan, paitsi niiden lyhyessä elinajassa. Silloinkin, lyhytikäisia hiukkasia usein nimitetään yksinkertaisesti “resonansseiksi” — kunnianosoitus ilmiölle, joka on ollut yllättävän keskeisessä roolissa laajentamassa ymmärrystämme maailmasta.

 

Artikkelin julkaissut Quanta Magazine

Tiede

Teoria ehdottaa: Mennyt ja tuleva ovat olemassa samanaikaisesti

Kommentoi

“Jos menet illanistujaisiin ja sanot ‘En usko, että aika kuluu’, sinua pidettäisiin hulluna”, sanoo Brad Skow, MIT:n filosofian professori.

Skow itse ei usko, että aika kuluu, ei ainakaan sillä tavalla kuin me sitä kuvaamme, metaforisina kuvauksina joissa me sanomme, että “aika virtaa kuin joki, tai että me kuljemme ajassa kuin alukset seilaavat merellä.”

Skow ei usko, että aika etenee näin. Hänen mukaansa ensinnäkään aikaa ei tulisi pitää aika-avaruuden ulottuvuutena, niinkuin suhteellisuusteoria sitä pitää — se ei kulje meidän lävitsemme, koska aika-avaruutta ei ole olemassa. Sen sijaan, aika on osa universumin suurempaa yhtenäistä kudelmaa, se ei ole jotain mikä kulkee universumin sisällä.

Kirjassaan “Objective Becoming”, joka on julkaistu Oxford University Pressin kautta, Skow kuvaa tätä näkemystä, jota filosofit kutsuvat “blokkiuniversumin” aikateoriaksi.

Tietyssä mielessä blokkiuniversumin teoria näyttää omalle intuitiollemme myötämieliseltä: kun Skow sanoo ettei aika kulu, hän ei usko, että mitään ei tapahtuisi. Asioita tapahtuu, ihmiset ikääntyvät ja niin edelleen. “Asiat muuttuvat”, hän sanoo.

Sen sijaan, Skow uskoo, että tapahtumat eivät seilaa ohitsemme ja katoa ikuisesti, ne ovat olemassa eri puolilla aika-avaruutta. Jotkut fysiikan opiskelijat, jotka opettelevat piirtämään avaruusajan diagrammeja pitävät tätä näkemystä intuitiivisena. Skow’n näkemys ajasta johtaa hänet tarjoamaan hieman epätavallisemmalta kuulostavia päätelmiä.

Esimerkiksi: Me olemme olemassa “ajallisesti sirottuneessa” tilassa, hän kirjoittaa kirjassaan.

“Blokkuniversumin teoria sanoo, että olet levittäytynyt ajassa, samalla tavoin kuin kaiken sanotaan levittäytyneet tilassa”, Skow sanoo. “Me emme sijaitse tietyssä yhdessä ajankohdassa.”

Parrasvalojen tarkastelua

Kirjassa “Objective Becoming” Skow pyrkii vakuuttelemaan lukijaa siitä, että asiat eivät voisi olla toisella tavalla. Hän käyttää paljon vaivaa kilpailevien ajan teorioiden tarkasteluun — jotka olettavat, että aika kuluu, tai jollain tavalla virtaa. “Minua kiinnosti tarkastella minkälaisia näkemyksiä universumista ihmisillä olisi, jos he ottaisivat nämä metaforat ajan kulumisesta erittäin, erittäin vakavasti”, Skow sanoo.

Lopussa Skow pitää näitä vaihtoehtoja puutteellisina, mm. erästä suosittua näkemystä ajasta, joka tunnetaan nimellä “presentismi”, jonka mukaan ainoastaan tapahtumat ja asiat nykyhetkessä voidaan tulkita olevan olemassa — ja että Skow’n itsensä mielestä sellainen uhmaa avaruusajan fysiikkaa.

Skow on enemmän mieltynyt vaihtoehtoiseen ideaan nimeltä “liikkuvien parrasvalojen teoria” (moving spotlight theory), joka mahdollistaa menneisyyden ja tulevaisuuden olemassaolon samanaikaisesti nykyisyyden kanssa. Teorian mukaan ainoastaan yksi ainoa hetki kunakin aikana on absoluuttisesti läsnä, ja että tuo hetki muuttuu jatkuvasti, aivan kuin parrasvaloja liikuteltaisiin sen päällä. Skow’n mukaan tämä on yhdenmukaista suhteellisuuden kanssa — mutta se edelleen pitää nykyhetkeä liian erilaisena, aivan kuin nykyisyys leikattaisiin eri materiaalista verrattuna muuhun universumin kudelmaan.

“Mielestäni teoria on fantastinen”, Skow kirjoittaa liikkuvien parrasvalojen ideasta. “Eli siis, pidän sitä fantasiana. Mutta minulla on myös paljon sympatiaa sitä kohtaan.” Liikkuvien parrasvalojen idea vastaa omiin tuntemuksiimme siitä, että nykyhetki on jollain tavalla erityinen.

“Paras argumentti liikkuvien parrasvalojen teorialle keskittyy siihen, mistä blokkiuniversumin teoria sanoo oman ajan kokemuksemme luonteen olevan uskomatonta”, Skow lisää.

Hän kuitenkin sanoo, että argumentti “perustuu suureen hämmennykseen siitä mitä blokkiuniversumin teoria sanoo. Vaikka blokkiuniversumin teoria onkin samaa mieltä… että ainoat kokemukset joita minulla on ovat ne mitkä minulla on juuri tässä huoneessa.” Kymmenen vuotta sitten koetut kokemukset ovat aivan yhtä todellisia, Skow esittää; ne ovat aivan yhtä “saavuttamattomia” koska nyt sijaitsemme eri kohdassa avaruusaikaa.

Tuo voi olla iso pala nieltäväksi. Mutta menneisyyden, nykyisyyden ja tulevaisuuden pitäminen materiaalisesti identtisinä tarkoittaa, että teoria on yhdenmukainen fysiikan lakien kanssa siten kuin me ne ymmärrämme. Ja MIT:llä sellainen ei kuulosta mitenkään hullulta.

 

Artikkelin julkaissut mit.edu

Tiede

Venäläiset fyysikot rakentavat Teslan tornia tuottamaan sähköä kaikille

Video Kommentoi

Kaksi venäläistä fyysikkoa yrittävät replikoida legendaarista Wardenclyffen tornia, jonka Nikola Tesla loi 1900-luvun alussa tuottamaan puhdasta sähköä koko planeetalle.

Saatuaan viedyksi loppuun suurimman osan hänen projekteistaan, kaikkein tärkein ei koskaan valmistunut.

Testa-torni on rakennettu Manhattanille 1900-luvun alussa, mutta tuntemattomista syistä sitä ei koskaan saatu valmiiksi.

Joidenkin lähteiden mukaan kyse oli rahoitusongelmista. Testa väitti, että tämä projekti voisi olla kaikkein tehokkain järjestelmä maailmassa sähkön tuotantoon ja välitykseen.

Teslan Wardenclyffe-laitos Long Islandilla 1902

Venäläiset fyysikot Leonid ja Sergei Plekhanov ovat päättäneet toteuttaa tämän projektin modernilla teknologialla.

Aiemmin 1980-luvulla Neuvostoliitto rakensi tornin kanavoimaan myrskyssä syntyviä sähkösäteitä ja analysoimaan niiden vaikutusta. Kuitenkin Wardenclyffen moderni versio tulee siirtämään kaiken sähkön planeetan ympärille, ja se tulee ratkaisemaan monia teknisiä ongelmia.

Seuraavalla videolla lisää projektista.

 

Artikkelin julkaissut Alien Star.

Tiede

Uutta fysiikkaa: mahdollisuus lentää erittäin pienellä energiakulutuksella

Ääni Kommentoi

Tämä video kertoo uusista fysiikan löydöksistä, siitä miten UFOt kuten ”Tic Tac” kykenevät lentämään käyttäen erittäin pieniä määriä energiaa. Keskustellaan myös poliittisista ja sotilaallisista seuraamuksista, joita tällainen disruptiivinen teknologia aiheuttaa,  kun Trump on korvaamassa kenraali Mattisin Patrick Shanahanilla, entisellä hänen setänsä MIT:n professori John Trumpin vanhalla oppilaalla. Shanahanin on väitetty vuotaneen tietoja, ja hän on ollut mukana rakentamassa USA:n avaruuslaivastoa.

Tiede

Uusi teoria: mennyt ja tuleva ovat kaikki olemassa yhtä aikaa

Kommentoi

Uuden ristiriitaisen teorian mukaan kaikki meidän ympärillämme on tarkoituksellisesti suunniteltu, ja jokaisen kohtalo on jo päätetty. Uusi teoria sanoo, että aika ei KULU ja että kaikki on aina ja ikuisesti läsnä.

Itse asiassa, aika ei ole lineaarista siten kuin me sitä olemme pitäneet, ja kaikki meidän ympärillämme on aina läsnä.

Tutkijat sanovat, että aika tulisi nähdä aika-avaruuden yhtenä ulottuvuutena, niin kuin suhteellisuusteoria sitä pitää — joten se ei kulu meillä jollain tavalla, koska aika-avaruus ei kulu. Sen sijaan aika on osa universumin suurempaa yhtenäistä rakennetta, ei jotain joka liikkuu sen sisällä tai ympärillä. Erään tiedemiehen mukaan kaikki mikä on tapahtunut, ja kaikki joka tulee tapahtumaan on tapahtumassa samaan aikaan juuri tällä hetkellä aikana, jolla on paikka avaruudessa.

Tohtori Bradford Skow’n, MIT:n filosofian professorin, ehdottama uusi teoria sanoo, että jos me katsoisimme universumia, me kykenisimme näkemään ajan ja tapahtumat, jotka levittäytyvät kaikkiin suuntiin.

Joten mitä tämä kaikki tarkoittaa? No, se tarkoitaa, että aika siten kuin me sen tunnemme on väärin, toisin sanoen, se ei ole lineaarinen niin kuin me olemme ajatelleet. Itse asiassa kaikki meidän ympärillämme on aina läsnä.

Uusi teoria käydään läpi Skow’n kirjassa Objective Becoming jossa hän kirjoittaa: ”Kun kysyt ihmisiltä ’Kerro minulle ajan kulumisesta’, he usein kertovat tämän metaforan.

”He sanovat ajan virtaavan kuin joki, tai että me liikumme ajan läpi kuin alus joka seilaa merellä.”

Tutkijan mielestä hän ”ei haluaisi meidän uskovan siihen ellei sen puolesta olisi hyviä argumentteja.”

Kirjassa Objective Becoming Skow pyrkii vakuuttamaan lukijat siitä, että asiat eivät voisi olla oikein muullakaan tavalla. Näin tehdäkseen hän käyttää ison osan kirjasta tarkastelemaan kilpailevia aikakäsityksiä — sellaisia jotka olettavat ajan kuluvan tai liikkuvan meissä jollain tavalla. ”Olin kiinnostunut sellaisista tavoista nähdä universumi joissa ajan kulumisen metafora otetaan todella, todella vakavasti” Skow sanoo. ”He sanovat, että aika virtaa kuin joki, tai että me liikumme ajan läpi kuin merellä seilaava alus.”

Skow uskoo niinkutsuttuun ”palikkauniversumi-teoriaan” joka sanoo, että mennyt, nykyisyys ja tuleva ovat kaikki olemassa yhtä aikaa.

Toisin sanoen, tämä tarkoittaa sitä, että kun asia on tapahtunut, se jatkaa olemassaoloaan jossain päin aika-avaruutta.

Uusi ristiriitainen teoria saa tukea Albert Einsteinin suhteellisuusteoriasta, joka sanoo että avaruus ja aika ovat itse asiassa neliulotteinen monimutkainen rakenne, jossa kaikki asiat jotka ovat tapahtuneet ovat omissa koordinaateissaan aika-avaruudessa.

Skow jatkaa:

”Palikkauniversumiteoria sanoo, että sinä olet levittäytynyt ajassa, samalla tavoin kuin sinä olet avaruudessa. Me emme sijaitse missään yksittäisessä ajassa.”

Skow myöntää, että vaikka muut asiat muuttuisivat ja me näkisimme ajan niin että se kuluu, Skow uskoo, että me olemme ”hajallaan olevissa olosuhteissa” ja että ajan eri osat saattavat olla täplitetty ympäri ääretöntä universumia.

Viite:

Does time pass? Philosopher Brad Skow’s new book says it does — but not in the way youmay think.

 

Artikkelin julkaissut Physics Astronomy Blog

Tiede

Tunnettu tiedemies: Tietoisuus on avain kaiken selittävään teoriaan

Yksi kommentti

Kantasolututkimuksesta tunnettu Robert Lanza uskoo biologian olevan tärkeämpi kuin fysiikka kun halutaan ymmärtää universumia.

Tri. Robert Lanza, joka valittiin Time-lehden yhdeksi maailman sadasta vaikutusvaltaisimmasta ihmisestä vuonna 2014, uskoo tieteen kykenevän tunnistamaan ihmistietoisuuden tärkeyden.

Kvanttifysiikka on osoittautunut ristiriitaiseksi klassiseen, newtonilaiseen fysiikkaan verrattuna, ja se saa tieteentekijät etsimään ”Kaiken Teoriaa” kuilun umpeenkuromiseksi joka uhkaa niellä kaiken luottamuksen joka meillä on tieteelliseen ymmärrykseen maailmassa.

Lanzalle, jonka läpimurto-kantasolututkimus on ansainnut hänelle paljon nimeä, biologia osoittautuu fysiikkaa tärkeämmäksi tässä tehtävässä. Hän antaa enemmän tunnustusta ihmisolentojen ymmärtämiselle kuin abstraktien säikeiden ymmärtämiselle näkymättömissä ulottuvuuksissa.

Onko se sitten kvanttifysiikkaa vaiko newtonilaista fysiikkaa, se on järjestelmä jonka tietoisuutemme on luonut organisoimaan ympärillä olevan maailmamme lementtejä. Me luomme tarinoita, me annamme asioille nimiä.

Tapa jolla universumi on säädetty elämän olemassaololle signaloi myös siitä tärkeydestä joka meillä on kaiken keskellä, sanoo Lanza.

Tri. Lanza ja Barbara Walters

“Pitkään etsitty Kaiken Teoria on puutteellinen ainoastaan yhden tärkeän komponentin suhteen, joka oli liian lähellä meitä jotta olisimme havainneet sen”, hän sanoi nauhoitetussa puheessa Science and Nonduality Conferencessa vuonna 2010. “Tiede ei ole kohdannut sitä yhteä asiaa joka on kaikkein tunnetuin ja kaikkein mystisin — ja se on tietoisuus.”

Onko se olemassa jos et näe sitä?

Tunnetut kaksoisrakokokeet kvanttifysiikassa ovat todisteita Lanszalle siitä että tietoisuus on vastuussa siitä miten näemme ympäröivän maailmamme. Kyse ei ole siitä miten havaitsemme kiinteitä ominaisuuksia itsessään, vaan pikemminkin siitä miten me näemme tiettyjä ominaisuuksia. Kyse on perspektiivistä.

Hän summaa kaksoisrakokokeen vuoden 2010 kirjassaan “Biocentrism: How Life and Consciousness Are the Keys to Understanding the True Nature of the Universe”: “On ratkaisevasti osoitettu, että jos ’tarkkaillaan’ atomia pienempää hiukkasta tai valoa kaksoisraon läpi liikkuessaan, se käyttäytyy kuin hiukkanen ja luo kiinteän näköisiä osumakohtia rakojen taakse esteeseen joka mittaa sen impaktin. Kuin pieni ammus, se loogisesti läpäisee jomman kumman raon. Mutta jos tiedemiehet eivät havainnoi hiukkasen liikerataa, silloin se käyttäytyy kuin aallot jotka sallivat sen mennä molemmista raoista yhtä aikaa.”

Hän laajentaa tätä periaatetta jokapäiväiseen elämään. Onko keittiö olemasas jos et ole siinä? Hän kirjoittaa: ”Illalla laitat valot pois ja poistut makuuhuoneeseen. Tottakai keittiö on siellä, näkymättömänä, koko yön. Eikö? Mutta, itse asiassa, jääkaappi, liesi, ja kikki muu koostuu hohtavasta parvesta materiaa/energiaa. Kvanttifysiikan lopputulemat, kuten kaksoisrakokeessa, kertovat meille että yksikään noista atomia pienemmistä hiukkasista ei oikeasti sijaitse missään tietyssä paikassa. Sen sijaan ne ovat olemassa mahdollisuuksien vaihteluvälinä — todennäköisyysaaltoina.”

Hänen puheessaan Nonduality Conferencessa hän tiivistää, “Yksikään hiukkanen tuolla jossain ei ole olemassa ominaisuuksiensa kanssa ennen kuin se havaitaan.” Tiedemiesten parametrit ovat vain heijastuksia mielemme spatiaalis-temporaalisesta logiikasta, Lanza sanoo.

Eikö ole omituista että elämää on?

Yli 200 parametria on tasan tarkkaan sopivassa arvossaan elämän olemassaololle, huomauttaa Lanza. ”Jos [Big Bang] olisi ollut miljoonasosankaan voimakkaampi, se olisi puskenut liian nopeasti galaksien ja maailmojen syntymiseksi,” hän sanoi. “Jos vahva hiukkasvoima pienenisi 2 prosenttia, atomien ytimet eivät pysyisi kasassa…. vety olisi ainoa alkuaine universumissa. Jos gravitaatiovakiota pienennettäisiin vain [hieman]… tähdet, mukaanlukien oma aurinkomme, eivät syttyisi loistamaan.”

Lanza tunnustaa muita mahdollisuuksia selityksille siihen miksi nämä paramterit ovat juuri oikeita — mm. sen että Jumala on luonut universumin, tai että on niin monia universumeita joissa paramterit ovat oikein, ja me olemme vain yhdessä niistä — hänen mielestään iso osa selitystä on, että ihmistietoisuus on luonut parametrit.

Teoriat herättävät keskustelua

Vaikka monet tiedemiehet puhuvatkin tietoisuuden tärkeydestä tulevaisuuden tieteen kehityksessä, he eivät ota kaikki samaa tulokulmaa kuin Lanza. Ja monet tieteentekijät pitävät sellaisia puheita tietoisuudesta mauttomina — tai ainakin äärimmäisellä varovaisuudella nieltävinä, peläten “pseudo-tieteen” leimaa jonka jotkut ovat lyöneet Lanzan teorioille.

Fyysikko Rober Penrose

Lanza puhui NBC:n tiedetoimittaja Alan Boylen kanssa hänen kirjansa saamista arvioista, erityisesti joidenkin fyysikoiden. ”Heidän vasteensa on ollut paljon sitä mitä odottaisi papeilta jotka kommentoivat kantasolututkimusta.”

Toisaalta Boyle lainaa Richard Conn Henryn arvostelua, fysiikan ja astronomian professorin John Hopkins Universityssa: ”Mitä Lanza sanoo kirjassaan ei ole uutta. Miksi Robertin pitää sanoa se kaikki? Koska me, fyysikot, emme sano sitä — tai jos me sanomme, me vain kuiskaamme yksityisesti — raivokkaasti punastuen kun sanat tulevat ulos suusta. Totta, kyllä; poliittisesti korrektia… ei!”

 

Artikkelin julkaissut Educating Humanity