Kiedy kwantowe stanie się klasyczne?

Świat kwantowy od świata klasycznego dzieli ilość obserwowanych cząsteczek; jeżeli jest ich zbyt wiele, od razu mamy do czynienia z klasyczną interpretacją ich zachowania. Pytanie brzmi: gdzie leży granica pomiędzy obydwoma światami?

W klasycznym świecie zachodzi ciekawa interakcja pomiędzy światłem (falami elektromagnetycznymi) i materią. Światło oddziałuje na materię, ale odwrotny wpływ jest inny – znacznie słabszy. Kiedy mamy do czynienia z dużą ilością cząstek kwantowych – to jest to świat klasyczny, jeśli „uwięzimy” światło w pudełku – to również jest to klasyczne, ale jeśli to światło i tę materię mocno splączemy ze sobą – powstaje świat kwantowy. Okazuje się, że jeśli setki milionów elektronów płynnego helu zwiąże się z mikrofalami elektromagnetycznymi, to w zachowaniu obydwu następuje wyraźna zmiana.

Zbudowanie modelu zachowania pary: światło-materia, oznacza, iż mamy do czynienia ze światem klasycznym, z kolei możliwość wprowadzenie do tego modelu qubitów z powrotem przenosi parę światło-materia do świata kwantowego. 

Ruch w temperaturze zera Kelvina

Oryginalny i rzadki stan materii, zwany: kwantową cieczą spinową, został empirycznie zaprezentowany w monokryształach tlenku złożonego z wapnia i chromu. Według tradycyjnego rozumienia, kwantowa ciecz spinowa nie ma prawa występować w tym materiale.

Na podstawie naszego codziennego doświadczenia, w niskich temperaturach oczekujemy materii  zamrożonej, z atomami w stałym regularnym układzie. Momenty magnetyczne, wynikające z spinów elektronów w atomach w materiałach magnetycznych, również są stale zorientowane – w miarę jak temperatura spada. Jednak istnieją pewne wyjątki.

W  kwantowej cieczy spinowej orientacje spinów elektronów nie pozostają stałe nawet w temperaturach bliskich zeru bezwzględnemu. Według tradycyjnego rozumienia,  jeżeli interakcje są izotropowe (tzn. kiedy wszystkie kierunki spinu są możliwe), zjawisko to może wystąpić, gdy obroty są rozmieszczone w trójkątnej  geometrii i interakcje między nimi są antyferromagnetyczne sprzyjające przeciwrównoległemu wyrównaniu obrotów. Dla trzech atomów tworzących narożniki trójkąta: jeden atom musi być jednocześnie zorientowany antyrównolegle do  dwóch innych atomów - taki układ zapobiega przejściu atomów w stan spoczynku nawet w temperaturze bezwzględnego zera – zamiast tego atomy poruszają się jak w cieczy.

Pierwsze badane monokryształy tlenku wapnia chromu (Ca10Cr7O28) składają się z tak zwanych kratownic Kagome - przypominających wzorem trójkąty i sześciokąty znane z japońskich plecionych koszyków. W wyniku tego w materiale rozwija się złożony zestaw izotropowych oddziaływań magnetycznych, składający się z interakcji nie tylko przeciw-ferromagnetycznych, ale również znacznie silniejszych oddziaływań ferromagnetycznych, które zgodnie z konwencjonalnym zrozumieniem mają zapobiec istnieniu płynnego wirowania

Podróż z prędkością światła

W kwantowym świecie nieskończenie małych cząstek, dziwne zachowania często przeczą logice. Być może najdziwniejszym z nich jest idea superpozycji, w którym obiekty mogą istnieć jednocześnie w dwóch lub więcej stanach -  pozornie sprzecznie z intuicją. Na przykład, zgodnie z prawami mechaniki kwantowej, elektrony mogą obracać się zarówno w kierunku zgodnym lub przeciwnym do ruchu wskazówek zegara, albo być w spoczynku i pobudzone - w tym samym czasie.

Od czasów Schroedingera – autora eksperymentu z jednocześnie martwym i żywym kotem, naukowcy udowodnili, że cząstki rzeczywiście mogą być w superpozycji na kwantowych, subatomowych skalach. Ale czy takie dziwne zjawiska można zaobserwować w naszym codziennym świecie?

Odkryto, że cząstki elementarne zwane neutrino mogą znajdować się w superpozycji, podczas podróży na dystansie setek mil.

Przeanalizowano dane dotyczące oscylacji cząstek neutrino-subatomowych, które bardzo słabo oddziałują z materią, przechodzących przez nasz organizm miliardy razy na sekundę bez żadnego efektu. Neutrina mogą oscylować lub zmieniać się w aspekcie kilku – tak zwanych – „smaków”; robią to podróżując z prędkością światła. Zmiana „smaku” (flavour) możliwa jest, gdyż podczas podróży neutrina nie mają żadnych cech indywidualnych: są w stanie superpozycji, bez smaku i tożsamości. W momencie pomiaru nabierają cech „osobowościowych”.

Co jednak, jeśli te cząstki nie tyle nie miału smaku, co wcielały się w wiele smaków jednocześnie? Były nie tyle duchami, co poruszały się zgodnie z punktem widzenia opartym na realizmie Einsteina.

Stanowi to punkt wyjścia do podróży makroskopowych. 

Budowa obwodów kwantowych

Kot Schrödingera utrzymuje się przy życiu w połowie - wyczyn ten może w zaskakujący sposób pomóc w budowie obwodów kwantowych.

Na szczęście, technika ta nie będzie opierać się na kocie, ale falach elektromagnetycznych, które mogą zachowywać się analogiczne do kota ze znanego eksperymentu myślowego Erwina Schrödingera.

Cząsteczki są zdolne do istnienia w superpozycji stanów lub w dwóch trybach jednocześnie. Foton, na przykład, może być jednocześnie spolaryzowany pionowo i poziomo. Ta superpozycja utrzymuje się, aż do pomiaru, w momencie którego foton wybiera jeden stan.

Schrödinger twierdził, że reguły kwantowe stosują się do świata makroskopowego: kot utknął w zamkniętym pudełku może być jednocześnie żywy i martwy jednocześnie - przynajmniej do momentu otwarcia pudła.

Normalnie, fale elektromagnetyczne zamknięte w pudle będą oscylować na podobieństwo wahadła: tam i z powrotem, ale jest możliwe wprowadzenie odwrotnej fali do owego pudła, co spowoduje powstanie „koto-podobnego” stanu – polegającego na „robieniu” dwóch wykluczających się rzeczy w tym samym czasie.

Eksperyment idzie o krok dalej:  przygotowano dwie wnęki z aluminium, w którym fotony mikrofali mogą podskakiwać. Potem połączono wnęki z kanałem: szafirowym nadprzewodzącym chipem i obwodem aluminiowym, przez który może podróżować sygnał elektryczny.

Pomyśl o tym chipie jak o przełączniku on-off. Gdy przełącznik jest na "on", a kanał jest otwarty, mikrofale wewnątrz będą oscylować w innej częstotliwości niż gdyby był przełączony na "off". Cechą świata kwantowego jest możliwość istnienia swoistego mostku, który łączy „on” z „off” – i wtedy dwie częstotliwości istnieją naraz.

Zasadniczo można zapytać: „Czy jesteś martwy, czy żywy?”, ale to nie dostarczy odpowiedzi na sedno problemu: czy mamy do czynienia z kwantową superpozycją, czy po prostu stworzyliśmy sytuację, kiedy jest 50 % szans na przeżycie.

Zamiast tego zadano pytanie, które ujawnia stan kota bez naruszania badanego układu. Zmierzono liczbę fotonów w polu, wiedząc, że stan kota wykonanego z fal elektromagnetycznych  zawsze składa się z parzystej liczby fotonów.

Kiedy mierzono oddzielnie dwa pudełka, a następnie sumowano, liczba zawsze była parzysta.

To pokazuje, że jeśli połączyć dwa pola, można otrzymać prawdziwy stanu kota Schrödingera.

Realny postęp tego eksperymentu polega na uświadomieniu sobie, iż splątane dwa pudła mogłyby być w rzeczywistości blokami komputera wykorzystującego właściwości superpozycji kwantowych do obliczeń w prędkością błyskawicy – „koto stany” byłyby reprezentowane przez qubity. 

Hilbert Hotel

W 1924 roku matematyk David Hilbert opisał hotel z nieskończoną liczbą pokoi, z których wszystkie są zajęte, ale mimo to: hotel nadal może pomieścić dodatkowych gości. Choć oczywiście nie ma takiej cegły i zaprawy, z której można by zbudować  tego typu hotel, to w nowym artykule, opublikowanym w Physical Review Letters, fizyk Václav Potoček proponuje budowę takiego miejsca przy użyciu wiązki światła.

W eksperymencie myślowym Hilberta dodatkowe pokoje mogą być tworzone w hotelu, który już ma nieskończoną liczbę pokoi, ponieważ menedżer hotelu może po prostu przemieszczać wszystkich obecnych gości do nowego pokoju zgodnie z jakąś regułą; przykładowo: przenosić wszystkich do pokoju o jeden numer wyżej (zostawiając pierwszy pokój pusty) lub przenosić wszystkich do pokoi o numerze dwukrotnie większym niż obecnie zajmowane (tworząc w ten sposób nieskończenie wielką liczbę pokoi pustych o numerach nieparzystych).

W swoim artykule zaproponował dwa sposoby budowy takiego hotelu: teoretyczny i eksperymentalny.

Propozycja teoretyczna wykorzystuje nieskończoną liczbę poziomów energetycznych cząstki w studni potencjału, a demonstracja eksperymentalna wykorzystuje nieskończoną liczbę orbitalnych kątowych stanów pędu światła.

Naukowcy wskazują, że mimo, iż początkowo występuje nieskończona liczba stanów, czyli pomieszczeń, amplitudy numerów pokojów (stanów) można odwzorować do dwukrotności ich pierwotnej wartości, tworząc nieskończoną liczbę dodatkowych stanów. Z jednej strony, zjawisko to jest sprzeczne z intuicją: podwajając nieskończoną ilość rzeczy, mamy nieskończenie wiele więcej z nich. A jednak to nadal ma sens, ponieważ suma wartości nieskończonej liczby rzeczy, w rzeczywistości może być skończona.

Na przykład: stan koherentny lasera składa się z nieskończonego zestawu stanów liczbowych, lecz traktując go jako liczbę fotonów zauważyć można następujące zjawisko: podczas gdy ich liczebność wzrasta w każdym ze stanów,  amplituda zmniejsza się, i pod koniec całkowita suma energii jest skończona.

Wykazano również, że odwzorowania można wykonać nie tylko przez podwojenie, ale także poprzez potrojenie itd. 

Przeszłość zależna od przyszłości

Fizycy teoretyczni, badający zachowanie ultra-zimnych atomów, odkryli nowe źródło tarcia, co stanowi odejście od stuletniego paradoksu.

Tarcie to dotyczy niektórych układów atomów w Kondensacie Bosego-Einsteina (BEC) - stanie kwantowym materii, w którym dopuszczalna jest niezerowa liczba cząstek w zerowej objętości przestrzeni pędów . W tym stanie, dobrze dostrojone pola magnetyczne mogą powodować, iż atomy będą przyciągać się –  nawet po kilka razem - tworząc pojedynczy kompozyt cząstki znany jako „soliton”.

Solitony pojawiają się w wielu dziedzinach fizyki i są wyjątkowo stabilne. Mogą swobodnie podróżować, bez utraty energii lub rozproszenia, pozwalając teoretykom traktować je jako obiekty nie-kwantowe. Solitony złożone z fotonów – zamiast atomów – są wykorzystywane do komunikacji za pośrednictwem światłowodów.

Badanie właściwości solitonów może być owocną ścieżką eksploracji – łączy dwa istotne obszary badań: tarcia i mechaniki kwantowej, jako już ugruntowanej, dobrze przetestowanej teorii.

Początkowo sądzono, iż tarcie w solitonach nie jest możliwe: zakładano taką sposobność, ale z punktu widzenia matematyki było to wykluczone.

Nowa siła tarcia, ujawniona w solitonach, bierze się z mechanizmu analogicznego do  promieniowania emitowanego przez elektron; konsekwencją tego jest to, że elektrony doznają siły tarcia, ponieważ są przyspieszane – w omawianym przypadku: emisja promieniowania elektronu zostaje zastąpiona absorpcją i emisję kwantowych quasi-cząstek.

W sercu tej siły tarcia kryje się jednak problem. Układając równania opisujące ruch solitonu, okazuje się, że ten ruch zależny jest od wydarzeń w przyszłości - wynik, który odwraca standardową koncepcję przyczynowości. Jest to sytuacja, która zadziwia fizyków od dziesięcioleci.

Zespół wytropił pochodzenie tych prognoz czasowych i obalił ów paradoks. Problem wynika z faktu, iż w obliczeniach przyjmowano, że siły tarcia zależne są tylko od aktualnego stanu solitonu. Jeżeli natomiast zależeć mają również od jego przeszłych trajektorii, paradoks znika. Tak więc, z punktu widzenia mechaniki kwantowej, przechowywana jest pamięć o ścieżce ruchu solitonu - zależność od historii solitonu prowadzi do prawie tych samych równań regulujących jego ruch, a równania te wciąż zawierają nowe tarcie

Praktyczne próby wykorzystania kwantowej informatyki

Zespół naukowców z Google, Uniwersytetu Kraju Basków, University of California i Ikerbasque - Baskijskiej Fundacji Nauki, opracował sposób na połączenie dwóch wiodących pomysłów na stworzenie komputera kwantowego w jednej maszynie.

Naukowcy naprawdę chcieliby dowiedzieć się, jak zbudować prawdziwy komputer kwantowy, który pozwoli na rozwiązywanie problemów nierozwiązywalnych dla maszyn konwencjonalnych. Ale niestety, idea takiego komputera funkcjonuje głównie na gruncie teoretycznym.

Aby przenieść niektóre z pomysłów z teorii do rzeczywistości, naukowcy zbudowali rzeczywistą maszynę – jej stworzenie oparte jest na dwóch najważniejszych podejściach do budowy komputera kwantowego.

Pierwsze podejście opiera się na modelu bram, w którym qubity są połączone ze sobą w celu utworzenia prymitywnego obwodu symulującego logiczną bramkę kwantową; każda bramka logiczna jest w stanie wykonać jeden konkretny rodzaj działania. Każda z bramek logicznych musi być zaprogramowana z wyprzedzeniem do wykonywania owych zadań.

Przy drugim podejściu qubity nie oddziałują ze sobą, lecz są utrzymywane w stanie podstawowym, gdzie następnie mogą ewoluować do systemu zdolnego do rozwiązywania danego problemu. Rezultatem jest tak zwana: maszyna adiabatyczna. Niestety, w tym podejściu nie ma możliwości, iż kiedykolwiek będzie możliwe korzystanie z pełnej mocy obliczeniowej oferowanej przez informatykę kwantową.

Stosując nowe podejście: naukowcy próbowali wykorzystać pozytywne cechy obu podejść tworząc maszynę,  będącą standardowym komputerem kwantowym, a następnie użyli jej do symulacji adiabatycznej maszyny. Wykorzystując 9 qubitów i ponad 1000 bramek logicznych, uzyskali efekt pozwalający na komunikację qubitów, które mogą być włączane i wyłączane w razie potrzeby.

Mechanika kwantowa może przyczynić się do rozwiązywania złożonych problemów w fizyce i chemii, o ile jest możliwe zaprogramowanie jej w urządzeniu fizycznym. W adiabatycznej informatyce kwantowej system powoli ewoluuje od stanu prostej funkcji Hamiltona do końcowego Hamiltonianu kodującego problem. Atrakcyjność tego podejścia polega na połączeniu prostoty i ogólności; w zasadzie każdy problem może być kodowany. W praktyce wnioski są ograniczone przez ograniczoną łączność, dostępność interakcji i zakłócenia.

Bramka Fredkina

Naukowcy z Uniwersytetu Griffith i University of Queensland rozwiązali jedno z kluczowych wyzwań dotyczących komputerów kwantowych poprzez uproszczenie skomplikowanej kwantowej operacji logicznej..

Urokiem komputerów kwantowych jest niezrównana moc obliczeniowa.

Podobnie jak w naszym codziennym komputerze: mózgu, komputer kwantowy składa się z łańcuchów bramek logicznych, a bramki te wykorzystują zjawiska kwantowe.

Główną przeszkodą w rzeczywistym stworzeniu komputera kwantowego jest  minimalizacja ilości zasobów potrzebnych do skutecznego wdrożenia układów przetwarzania.

Podobnie do budowy ogromnej ściany, składającej się wielu małych cegieł, duże układy kwantowe wymagają bardzo wielu bramek logicznych, aby funkcjonować. Jednakże, jeśli są stosowane większe cegły na tej samej ścianie, to może być ona zbudowana z mniejszej ilości cegieł.

Obecnie nawet małe i średnie kwantowe układy komputerowe nie mogą być wytwarzane ze względu na wymóg integracji wielu bramek.

W eksperymencie wykorzystano tak zwaną bramkę Fredkina – jest to bramka, w której dwa qubity są zamieniane w zależności od wartości trzeciego.

Zazwyczaj bramka Fredkina wymaga wdrożenia obwodu pięciu operacji logicznych. Zespół badawczy wykorzystał kwantowe splątanie fotonów cząstek światła do wykonania  bezpośrednio kontrolowanej operacji zamiany.

Istnieją kwantowe algorytmy obliczeniowe, takie jak algorytm Shor, odpowiedzialne za znalezienie liczb pierwszych, które wymagają operacji kontrolowanej zamiany.

Bramka kwantowa Fredkina może być również stosowana do przeprowadzenia bezpośredniego porównania z dwoma zestawami qubitów (bitów kwantowych) w celu określenia, czy są one takie same czy nie. Jest to nie tylko przydatne w informatyce, ale jest istotną cechą niektórych bezpiecznych protokołów komunikacji kwantowej, gdzie celem jest sprawdzenie, czy dwa ciągi lub podpisy cyfrowe są takie same.

Profesor Geoff Pryde stwierdził:

"To, co jest ekscytujące w naszym systemie to to, że nie ogranicza się tylko do kontrolowania, czy qubity są zamienione, ale mogą być stosowany do wielu różnych operacji związanych ze sposobem kontrolowania większych obwodów. To może wyzwolić aplikacje, które do tej pory były poza zasięgiem”.

Szkło Bosego

Wykorzystując jedne z najpotężniejszych superkomputerów, naukowcy z University of Illinois dokonali symulacji, aby pomóc w wyjaśnieniu jednego z najbardziej beznadziejnych problemów fizyki.

Jedną z największych tajemnic fizyki jest problem interakcji wielu cząstek kwantowych - nie rozumiemy, co się dzieje, gdy cząstki kwantowe spotykają się i współdziałają ze sobą. Problem ten obejmuje zarówno kwestie energii jądrowej w gwiazdach neutronowych, jak i takie jak transport elektronów w fotosyntezie oraz kwarków i gluonów wewnątrz protonu.

Eksperyment polega na schłodzeniu atomów gazu do zaledwie miliardowych części stopnia powyżej zera absolutnego, w celu symulowania doświadczalnie modeli materiałów, takich jak nadprzewodniki wysokotemperaturowe.

W tych doświadczeniach, atomy odgrywają rolę elektronów w materiale, a zaburzenia są w pełni kontrolowane i znane i mogą być zmieniane w 90-sekundowym cyklu eksperymentalnym.

Szkło Bosego jest dziwnym i trudnym do zrozumienia izolatorem, który może wystąpić, gdy do nadprzewodnika dodawane jest zaburzenie.

Symulacje komputerowe są w stanie obrazować stosunkowo dużą liczbę cząstek, na przykład 30.000 cząstek węgla, i pokazać coś zaskakującego – ta sama wielkość zaburzenia przekształca powtarzalnie nadprzewodnik w szkłoBosego.

Wynik ten jest niezwykle ważne dla zrozumienia nieuporządkowanych materiałów kwantowych, które są wszechobecne, ponieważ zaburzenie jest trudne do uniknięcia.

Jak powstał wszechświat

Jak powstał Wszechświat? A co było przed Wielkim Wybuchem? Kosmolodzy zadają te pytania odkąd odkryli, że Wszechświat się rozszerza. Odpowiedzi nie są łatwe. Początek kosmosu jest zamaskowany i ukryty przed wzrokiem naszych najpotężniejszych teleskopów. Jednak pewne obserwacje mogą dać wskazówki co do pochodzenia wszechświata.

Najbardziej powszechnie akceptowany scenariusz teoretyczny jest następujący: na początku wszechświata była inflacja: w pierwszym ułamku sekundy wszechświat rozszerzał się w postępie geometrycznym. Jednak istnieje kilka alternatywnych scenariuszy; przykładowo taki, że przed Wielkim Wybuchem nastąpiło Wielkie Chrupnięcie.

Jednym z obiecujących źródeł informacji o początku wszechświata jest promieniowanie reliktowe (CMB) - resztka blasku po WielkimWybuchu, które przenika całą przestrzeń. Na początku ten blask jest gładki i jednolity, ale po bliższym przyjrzeniu się zmienia się w niewielkim stopniu. Zmiany te pochodzą z fluktuacji kwantowych obecnych przy narodzinach wszechświata, które zostały rozciągnięte, kiedy wszechświat się rozszerzał.

Konwencjonalne podejście do odróżnienia różnych scenariuszy opiera się na ewentualnych śladach fal grawitacyjnych, generowanych w pierwotnym wszechświecie, w CMB. "Tu proponujemy nowe podejście, które pozwoliłyby nam bezpośrednio ujawnić historię ewolucyjną pierwotnego wszechświata z sygnałów astrofizycznych. Ta historia jest unikalna dla każdego scenariusza", mówi  Xingang Chen z Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CFA) oraz University of Texas w Dallas.

O ile wcześniejsze badania eksperymentalne i teoretyczne dawały wskazówki co do zmian przestrzennych w pierwotnym wszechświecie, brakuje im kluczowego elementu: czasu. Bez tykającego zegara do pomiaru upływu czasu, ewolucyjna historia pierwotnego wszechświata nie może być ustalona w sposób jednoznaczny.

Nowe badania wskazują, że istnieje taki "zegar", i może być używany do pomiaru upływu czasu po narodzinach wszechświata. Zegary te przyjmują postać ciężkich cząstek, które stanowią podstawę do "teorii wszystkiego", która zjednoczy mechanikę kwantową i ogólną teorię względności. Są one nazwane "pierwotnymi standardowymi zegarami".

Subatomowe ciężkie cząstki będą zachowywać się jak wahadło, oscylujące w tę i z powrotem w standardowy sposób. Mogą nawet robić to w sposób kwantowo-mechaniczny bez popychania na początku.

"Tykania tych pierwotnych standardowych zegarów stworzyłoby odpowiedniki wahań dla mikrofalowego tła kosmicznego, którego wzór jest unikalny dla każdego scenariusza",  mówi współautor Yi Wang Hong Kong University of Science and Technology. Jednakże obecne dane nie są wystarczająco dokładne, by dostrzec takie małe wahania.

Prowadzone eksperymenty powinny znacznie poprawić sytuację. Projekty takie jak BICEP3, Keck Array CFA i wiele innych  eksperymentów na całym świecie, zbierają dokładne dane dotyczące CMB w tym samym czasie – podczas poszukiwania fal grawitacyjnych. Jeżeli wahania w pierwotnych standardowych zegarach są wystarczająco silne, eksperymenty powinny znaleźć je w następnym dziesięcioleciu.

Pierwotne standardowe zegary byłyby składnikiem "teorii wszystkiego" i dostarczyłyby dowodów na istnienie fizyki poza Modelem Standardowym i na skalę energii niedostępnych dla zderzaczy na ziemi. 

Symulowana czarna dziura

Badacze wykazali, jak specyficznie ukształtowana czarna dziura może być przyczyną załamania ogólnej teorii względności Einsteina - fundamentu współczesnej fizyki. Jednakże taki obiekt może istnieć tylko we wszechświecie z pięcioma lub więcej wymiarami.

Naukowcy z University of Cambridge i Queen Mary University of London, z powodzeniem symulowali czarną dziurę w kształcie bardzo cienkiego pierścienia, który daje początek do serii "wybrzuszeń" połączonych strunami które stają się coraz cieńsze z upływem czasu. Te struny w końcu stają się tak cienkie (rysunek "c" - czerwony), że odrywają się, tworząc szereg miniaturowych czarnych dziur, podobnie jak cienki strumień wody z kranu, rozpada się na krople.

Pierścieniowe czarne dziury zostały odkryte przez fizyków teoretycznych w 2002 roku, ale jest to pierwszy raz, kiedy ich dynamika została skutecznie symulowana za pomocą superkomputerów. Gdyby ten typ postaci czarnej dziury prowadził do pojawienia się "nagiej osobliwości", unieważniłby równania ogólnej teorii względności.

Ogólna teoria względności stanowi podstawę naszej obecnej wiedzy o grawitacji: począwszy od oszacowania wieku gwiazd we wszechświecie, do sygnałów GPS, wiedza dająca podstawy do nawigacji jest oparta na równaniach Einsteina. Teoria ta mówi nam, że materia zakrzywia czasoprzestrzeń i jej otoczenie, a to, co my nazywamy grawitacją, jest efektem tej osnowy. W ciągu 100 lat, od momentu jej publikacji, ogólna teoria względności przeszła wszystkie testy, które zostały jej narzucone – jednakże jej ograniczeniem jest istnienie „osobliwości”.

Osobliwość jest to punkt, w którym grawitacja jest tak intensywna, że przestrzeń, czas i prawa fizyki załamują się. Ogólna teoria względności przewiduje, że osobliwości występują w centrum czarnych dziur, i że są one otoczone przez horyzont zdarzeń - "punkt bez powrotu", gdzie grawitacja staje się tak silna, że ​​ucieczka jest niemożliwa, co oznacza, że ​​nie mogą być obserwowane z zewnątrz.

                                       Źródło: http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.116.071102

"Dopóki osobliwości pozostają ukryte za horyzontem zdarzeń, nie sprawiają kłopotów i ogólna teoria względności jest aktualna.

Ale co, jeśli osobliwości istnieją poza horyzontem zdarzeń?

Gdyby tak było, nie tylko byłyby widoczne z zewnątrz, ale reprezentowałyby obiekty, które posiadają nieskończoną gęstość – byłyby to tak zwane ”nagie osobliwości”.  

Jeśli istnieją nagie osobliwości, to ogólna teoria względności załamuje się - nie ma już żadnej mocy predykcyjnej i nie może być traktowana jako samodzielna teoria, wyjaśniająca wszechświat.

Myślimy o wszechświecie jako istniejącym w trzech wymiarach, ewentualnie w czwartym wymiarze czasu, które łącznie są określane jako czasoprzestrzeń. Ale w działach fizyki teoretycznej, takich jak teoria strun, wszechświat może się składać z aż 11 wymiarów. Dodatkowe wymiary mogą być duże i wyraziste, lub mogą być zwinięte, małe i trudne do wykrycia. Ponieważ ludzie mogą tylko bezpośrednio postrzegać trzy wymiary, istnienie dodatkowych wymiarów można wywnioskować jedynie poprzez eksperymenty na bardzo wysokich energiach.

Korzystając z superkomputera COSMOS, naukowcy byli w stanie przeprowadzić pełną symulację kompletnej teorii Einsteina w wyższych wymiarach, co pozwala im nie tylko potwierdzić, że owe "czarne pierścienie” są niestabilne, ale także wykryć ich ewentualny los. Przeważnie czarny pierścień zapada się z powrotem w kulę, tak że osobliwość zatrzymuje zawarty wewnątrz horyzont zdarzeń. Tylko bardzo cienki czarny pierścień staje się na tyle niestabilny, że ​​tworzy wybrzuszenie połączone coraz cieńszymi strunami, aż w końcu zerwanie i utworzenie nagiej osobliwości

                      Źródło: http://www.cam.ac.uk/research/news/five-dimensional-black-hole-could-break-general-relativity

Metal jak woda

Od momentu jego odkrycia - dekadę temu - naukowcy i tech guru okrzyknęli grafen super materiałem, który może zastąpić krzem w elektronice, zwiększać wydajności baterii, wytrzymałość i przewodność ekranów dotykowych i utorować drogę do taniej cieplnej energii elektrycznej.

Szeroki na jeden atom grafen jest mocniejszy niż stal, twardszy niż diament i jest jednym z najbardziej przewodzących materiałów na ziemi.

Jednakże istnieje kilka wyzwań, które należy pokonać, zanim produkty oparte na grafenie będą wprowadzane na rynek. Naukowcy wciąż próbują zrozumieć podstawową fizykę tego unikalnego materiału -  co jest to bardzo trudne do wykonania.

Okazuje się, iż w przypadku grafenu, po raz pierwszy odkryto elektrony w metalu zachowujące się jak ciecz.

W celu dokonania tej obserwacji ulepszono metody tworzenia ultra czystego grafenu i opracowano nowy sposób pomiaru przewodności cieplnej. Badania te mogą doprowadzić do powstania nowych urządzeń termoelektrycznych, jak również dostarczenia modelu układu do odkrywania egzotycznych zjawisk, takich jak czarne dziury i plazmy o wysokiej energii.

W zwykłych metalach trójwymiarowe elektrony trudno oddziałują ze sobą. Ale dwuwymiarowa struktura grafenu  działa jak autostrada elektronowa, na której wszystkie cząstki mają podróżować w tym samym pasie ruchu. Elektrony w grafenu zachowują się jak bezmasowe relatywistyczne obiekty, niektóre z ładunkiem dodatnim, a niektóre z ładunkiem ujemnym. Poruszają się z niesamowitą prędkością - 1/300 prędkości światła - i  przewiduje się, że zderzają się ze sobą dziesięć bilionów razy na sekundę w temperaturze pokojowej. Te intensywne oddziaływania pomiędzy cząstkami nigdy nie były wcześniej obserwowane w zwykłym metalu.

Zespół stworzył ultra-czystą próbkę przez wciśnięcie jednego atomu grafenu między dziesiątki warstw elektrycznie izolującego doskonale przeźroczystego kryształu o podobnej strukturze atomowej co grafen.

Istotne jest, aby stworzyć grafen bez ingerencji z  otoczenia – jeśli grafen otacza coś, co jest szorstkie i nieuporządkowane, to będzie przeszkadzać w ruchu elektronów.

Następnie utworzono rodzaj zupy cieplnej z naładowanych dodatnio i ujemnie cząstek na powierzchni grafenu i obserwowano jak te cząstki płynęły, traktując je jako prądy termiczne i elektryczne.

Większość naszego świata – czy to płynie jak woda (Hydrodynamika) czy to porusza się po krzywej - jest opisana przez fizykę klasyczną. Bardzo małe rzeczy, takie jak elektrony, są opisane przez mechanikę kwantową, bardzo duże i bardzo szybkie rzeczy, takie jak galaktyki, są opisane przez fizykę relatywistyczną, zapoczątkowaną przez Alberta Einsteina.

Połączenie tych praw fizyki jest bardzo trudne, ale istnieją skrajne przykłady, gdzie zachodzą na siebie systemy o wysokiej energii, takie jak supernowe i czarne dziury i które mogą być opisane poprzez połączenie klasycznej teorii hydrodynamiki z teorią względności Einsteina.

Wracając do grafenu: gdy silnie oddziałujące cząstki grafenu były napędzane przez pole elektryczne, nie zachowywały się jak pojedyncze cząstki, ale jak płyn, który może być opisany przez hydrodynamikę.

Zamiast oglądać jak jedna cząstka została dotknięta przez siłę elektryczną lub cieplną, można zobaczyć energię, ponieważ płynie ona z wielu cząstek, jak fala przez wodę.

Fizykę odkrytą dzięki analizie czarnych dziur i teorii strun, można zaobserwować w grafenie. Jest to pierwszy model relatywistycznej hydrodynamiki w metalu.

Demon

Demon Maxwella - hipotetyczna istota, która wydaje się naruszać drugą zasadę termodynamiki, została szeroko zbadana, odkąd w 1867 roku zaproponował ją James Clerk Maxwell. Większość z tych badań miała charakter teoretyczny, a tylko garstka eksperymentów miała za cel faktyczne udowodnienie istnienia demona.

Obecnie mamy do czynienia z pierwszą fotonową implementacją demona Maxwella – drogą ku temu są pomiary dwóch wiązek światła; pomiędzy tymi wiązkami zaburzana jest równowaga, a uzyskana energia może być przeznaczona do ładowania baterii.

W oryginalnym eksperymencie myślowym, demon stoi pomiędzy dwoma polami cząsteczek gazu. Początkowo średnia energia (lub prędkości) cząsteczek gazowych w każdym polu jest taka sama. Ale demon może otworzyć małe drzwi w ścianie pomiędzy polami, aby zmierzyć energię każdej cząstki gazu, która zdąża w kierunku drzwi, i pozwala jedynie cząstkom wysoko-energetycznym przejść z jednej na drugą stronę i nisko-energetycznym cząstkom w kierunku odwrotnym.


Z biegiem czasu, jedno pole zyskuje wyższą średnią energię niż drugie, co tworzy różnicę ciśnień. Powstająca siła pchania może być następnie wykorzystana do pracy.

Z biegiem lat, fizycy rozwiązali ten pozorny paradoks, wyjaśniając, że choć demon może nie działać bezpośrednio na układ, jednak musi zdobywać informacje do swoich pomiarów. Usuwanie informacji z pamięci demona wymaga pracy, dzięki czemu sumarycznie nie może być zysku netto w postaci pracy.

W wersji fotonowej, fizycy zastąpili pola cząsteczek gazu dwoma impulsami światła. Demon, przy użyciu fotodetektora, może mierzyć liczbę fotonów z każdego impulsu, a dodatkowo ma do dyspozycji urządzenie, które otwiera drzwi dla jaśniejszej wiązki – z większa ilością fotonów w jedną stronę, a w drugą stronę przepuszcza ciemniejszą wiązkę.


Poszczególne wiązki odprowadzane są do fotodiod, a imbalans energii ładuje podłączony kondensator.


Choć naukowcy nie zmierzają do osiągnięcia optymalnej ekstrakcji pracy, jest możliwe, że jakiś rodzaj demona Maxwella może kiedyś mieć praktyczne zastosowanie.

Naukowcy mają nadzieję, że nowy model będzie prowadzić do lepszego zrozumienia związku między informacjami i termodynamiką, który jest niezbędny dla zrozumienia termodynamiki w mikroskali i poniżej. Najnowsze osiągnięcia technologii układów składających się z tylko jednej lub kilku cząstek wymagają lepszego zrozumienia mikroskali termodynamiki, podobnie jak silnik parowy pomógł naukowcom lepiej zrozumieć makroskopową termodynamikę w 19 wieku.

Teoria w mikroskali termodynamiki może mieć wiele zastosowań, w tym w technologii koncentrowania zasobów energetycznych. Może również pomóc naukowcom zbadać rolę koherencji kwantowej w termodynamice, z aplikacjami w kwantowych technologiach informatycznych.

Szybkie Błyski Radiowe spoza Drogi Mlecznej

Nowa metoda jest uważana za znaczący hołd dla Einsteina w setną rocznicę pierwszego sformułowania jego zasady równoważności, która jest kluczowym elementem ogólnej teorii względności. Mówiąc bardziej ogólnie: stanowi kluczowy komponent koncepcji mówiącej, że geometria czasoprzestrzeni jest zakrzywiona od gęstości masowej poszczególnych galaktyk, gwiazd, planet i innych obiektów.

Szybkie Błyski Radiowe są super krótkimi wybuchami energii - trwającymi zaledwie kilka milisekund. Do tej pory tylko kilkanaście Szybkich Błysków Radiowych zostało wykryte na Ziemi. Wydają się one być spowodowane tajemniczymi zdarzeniami, niezależnymi od naszej Drogi Mlecznej, a nawet będącymi spoza Lokalnej Grupy Galaktyk, która obejmuje Drogę Mleczną.

Podobnie jak wszystkie inne formy promieniowania elektromagnetycznego, w tym światło widzialne, Szybkie Błyski Radiowe podróżują w kosmosie jako fale cząstek fotonów - ich "częstotliwość" jest w tym samym zakresie co w sygnałach radiowych.

                                                            Błysk

Jeśli Szybkie Błyski Radiowe okażą się pochodzić spoza Drogi Mlecznej, i jeśli ich odległości można dokładnie zmierzyć, będzie to nowym potężnym narzędziem do testowania zasady równoważności Einsteina.

Zasada równoważności Einsteina wymaga, aby każde dwa fotony o różnych częstotliwościach, emitowane w tym samym czasie z tego samego źródła i podróżujące przez te same pola grawitacyjne, powinny przybyć na Ziemię dokładnie w tym samym czasie. Jeśli zasada równoważności Einsteina jest poprawna, każde opóźnienie czasowe, które może wystąpić pomiędzy tymi dwoma fotonami, nie powinno być spowodowane  polami grawitacyjnymi doświadczanymi podczas podróży, ale powinno być powodowane innymi efektami fizycznymi.

Mierząc w jakim czasie dwa fotony - o różnych częstotliwościach – przybędą na Ziemię, możemy sprawdzić, jak blisko prawdy znajduje się zasada równoważności Einsteina.

Owe testy obejmują analizę za pomocą częstości radiowych i wykazują, iż zasada równoważności Einsteina jest prawdziwa w 99,999999%,  - ten wynik to znaczący hołd dla teorii Einsteina.

Sztuczna grawitacja

Obecnie naukowcy badają pola grawitacyjnych biernie: poprzez obserwację starają się zrozumieć istniejące pola grawitacyjne powstające dzięki dużym bezwładnościowym masom, takim jak gwiazdy czy choćby ziemia, nie będąc w stanie ich zmienić, jak to się dzieje, na przykład z polami magnetycznymi. To właśnie ta frustracja doprowadziła do prób rewolucyjnego podejścia: wytwarzania pól grawitacyjnych z dobrze kontrolowanych pól magnetycznych i obserwowania, jak te pola magnetyczne mogą zaginać czasoprzestrzeń.

                                               What is important is gravity

Urządzenie do tworzenia wykrywalnych pól grawitacyjnych opiera się na nadprzewodzących elektromagnesach, a tym samym na technologiach rutynowo stosowanych, na przykład: w CERN lub reaktorze ITER.

Choć ten eksperyment wymagałoby znacznych zasobów, to może być wykorzystywany do testowania ogólnej teorii względności Einsteina. Jeśli się powiedzie, to na pewno będzie dużym krokiem naprzód w dziedzinie fizyki: zdolność do wytwarzania, wykrywania i ostatecznie kontrolowania pola grawitacyjnego. Ludzie mogliby produkować oddziaływania grawitacyjne w taki sam sposób jak w przypadku pozostałych trzech podstawowych oddziaływań (elektromagnetycznych oraz silnych i słabych sił jądrowych). To mogłoby zapoczątkować nową erę eksperymentalnej i przemysłowej grawitacji, przykładowo: telekomunikacji bez konieczności używania satelity lub przekaźników lądowych.