Avainsana-arkisto: kvanttifysiikka

Tiede

Luoko havaitsija oman todellisuutensa?

Kommentoi

kirjoittanut Chris Ferrie

Luoko havaitsija oman todellisuutensa? Kvanttifysiikan mukaan kyllä.

Yritän toisintaa John Wheelerin esityästä osallistavasta universumista.

Wheeler kutsui sitä Osallistavaksi Antrooppiseksi Periaatteeksi. Se menee jotenkin näin. Luonnolle esittämämme kysymykset saavat vastauksen riippuen todella paljon siitä millaisia kysymyksiä kysymme. Ilman kysymyksiä mihinkään ei voida vastata — ja näin me olemme itse osallistujia, jotka saavat aikaan tapahtumia. Hänen kaikkein lainatuin lentävä lauseensa oli seuraava:

“Mikään ilmiö ei ole todellinen ilmiö ennen kuin se on havaittu ilmiö.”
John Wheelerin tekstistä (1983) Law Without Law. Kirjassa: Quantum theory and measurement.

John Wheeler oli yksi 1900-luvun mielenkiintoisimmista hahmoista. Jos tunnet ajatuksen avaruudesta virtuaalihiukkasten kiehuvana kiehumana, joka ponnahtaa sisään ja ulos olemassaolosta, tai jos olet kuullut sanat madonreikä tai musta aukko, Wheeler on vaikuttanut sinuun jollakin tavalla. Hänen tarinansa on täynnä perintöä, minkä vuoksi se löytyy monista muista paikoista ja minkä vuoksi en myöskään kerro sitä uudelleen tässä. Sitä paitsi en tekisi sille oikeutta, ja halusin oikeastaan puhua vain yhdestä hänen monista ideoistaan.

Aloitetaan lopusta

Osallistuvan maailmankaikkeuden siemenet kylvettiin ajatuskokeessa, jota kutsutaan viivästetyn valinnan kokeeksi.

Klassisessa kaksoissaljakokeessa yksittäinen valofotoni joko ”valitsee” kulkemansa reitin tai interferoi itsensä kanssa kulkien näennäisesti molempia reittejä riippuen siitä, millä koejärjestelyllä se vangitaan. Tämä on kvanttifysiikan kuuluisa aalto-hiukkasdualismi: fotoni toimii hiukkasena, jos kuulustelemme sen kulkemaa reittiä, ja aaltona, jos emme kuulustele sitä.

Joskus sanotaan, että fotonit käyttäytyvät aaltoina, kun emme katso niitä, ja ne käyttäytyvät hiukkasina, kun katsomme niitä. Voit lukea lisää kaksoisristikokeen nykyaikaisesta versiosta ja sen vaikutuksista täältä:

Jos jätetään huomiotta se tosiasia, että fotoni — koska se kulkee valon nopeudella — ei koe aikaa eikä sillä siten ole toimijuutta, on silti hyödyllinen metafora puhua ikään kuin se tekisi valintoja. Joka tapauksessa fotoni näkee laitteiston ja kytkee päälle sopivan käyttäytymisen, kun se saapuu laitteistoon. Toisin sanoen, jos fotoni saapuu laitteeseen, joka tarkistaa, mitä reittiä se aikoo kulkea, se kytkee päälle hiukkaskäyttäytymisen. Muussa tapauksessa se säilyttää aaltokäyttäytymisen. Oletettavasti jos fotoni valitsee polun, se tekee sen sillä hetkellä (ainakin meidän viitekehyksessämme), kun mahdolliset polut jakautuvat.

Oletetaan nyt, että valitset, havaitsetko fotonin reitin sen jälkeen, kun se on tullut kokeeseen. Kaksoissäleikössä tähän tarkoitukseen riittää, että asetat ylimääräisen lasinpalasen suoraan ilmaisimen eteen. Oletetaan, että teet tämän viimeisellä mahdollisella hetkellä.

Jommankumman kahdesta asiasta on oltava totta. Joko valintasi lähettää viestin ajassa taaksepäin kertoakseen fotonille, miten sen pitäisi käyttäytyä, tai sitten fotoni ei oikeastaan ole olemassa lopullisena kokonaisuutena ennen kuin se havaitaan. Pienessä laboratoriokokeessa tämä kaikki vaikuttaa akateemiselta. Mutta Wheeler ajatteli kosmisen mittakaavan kautta.

Einsteinin renkaat

Jos suuntaat kaukoputken oikeaan suuntaan, voit luoda maailmankaikkeuden kokoisen kaksoisrakokokeen! Alla olevassa kuvassa ”rengas” on itse asiassa yksittäinen tähti, joka on lähes yhtä vanha kuin maailmankaikkeus. Tuon tähden ja Maan välisen linjan sulkee toinen galaksi jossain monien miljardien valovuosien päässä tähden ja meidän välissä. Einsteinin suhteellisuusteorian ansiosta tähden valo kuitenkin taipuu massiivisen galaksin ympäri saavuttaakseen meidät. (Tällainen gravitaatiolinssi oli muuten ensimmäinen kokeellinen todiste Einsteinin teoriasta.)

Hubble Sees Cosmic Quintuple. Image credit: ESA/Hubble & NASA

Jokainen tuosta tähdestä peräisin oleva fotoni olisi voinut kulkea yhtä monista reiteistä saavuttaakseen meidät täällä maapallolla. Valokuvassa käytetty kaukoputki havaitsee reitin, ja monet fotonit heijastavat kuvan renkaasta linssi-galaksin ympärillä. Jos sen sijaan kaikista suunnista tuleva valo yhdistettäisiin ennen havaitsemista, havaittaisiin aaltomainen kuvio, joka viittaisi siihen, että fotoni kulki kaikkia reittejä.

Jos valo valitsee yhden tai toisen polun, se teki sen varmasti monta miljardia vuotta sitten, kun se kohtasi väliin jäävän galaksin. Kuitenkin se, miten fotoni ilmenee maailmassa, päätetään vasta tässä ja nyt, sen kautta, miten me päätämme järjestää kaukoputkemme. Teidän näkökulmastanne katsottuna tuo fotoni on odottanut miljardeja vuosia, että te tulisitte ja valitsisitte, miten sen pitäisi ilmetä maailmassa.

Kysymyksesi luovat todellisuuden

Muista, miten peli 20 kysymystä toimii. Ajattelen jotakin, ja sinä kysyt kyllä- tai ei-kysymyksiä toivoen, että vastaukseni kaventaisivat vastaukseni ja paljastaisivat sen yhden asian, jota ajattelin. Oletetaan, että ajattelin kengurua. Kysyt: ”Onko se isompi kuin leipälaatikko?”.

Kyllä.

“Onko se paikka?”

Ei.

“Onko se eläin?”

Kyllä.

“Onko se nisäkäs?”

Ei.

“Elääkö se Australiassa?”

Kyllä.

“Onko se emu?”

Ei.

“Onko se kenguru?”

Kyllä! Olet hyvä tässä pelissä. Mutta muutetaan sitä hieman. Oletetaan, että meitä “vastaajia” on 20 ja kysyisit jokaiselta kysymyksen peräkkäin. Jos aloitat ensimmäisestä henkilöstä: “Onko se suurempi kuin leipälaatikko?”

Ei.

Kysyt seuraavalta “onko se eläin?”

Ei.

Kolmannen mielestä on hiukan vaikeampaa vastata kun kysyt “onko se sähköinen?”

Kyllä.

Ja näin käytäisiin läpi jokainen henkilö, ja heistä aina myöhemmin tulevalla on vaikeampaa vastata. Lopulta viimeinen henkilö saa kysymyksen “onko se transistoriradio?”

Kyllä!

Sinun näkökulmastasi peli ei ole erilainen. Oletat, että kaikki 20 ihmistä olivat ennen pelin alkua yhtä mieltä vastauksesta transistoriradio. Mutta tässä on juju. Tässä 20 kysymystä -leikissä jokainen 20 osallistujaa sopi etukäteen, ettei keksi mitään. Ainoa asia, josta he sopivat, oli vastata kyllä tai ei tavalla, joka ei ollut ristiriidassa minkään aikaisemman vastauksen kanssa. Vasta kun viimeinen kysymys esitettiin, vastaukseksi tuli ”transistoriradio”.

Asia on hienovarainen, mutta jälkikäteen ajateltuna ilmeinen. Ennen kuin aloit kysyä kysymyksiä, ”vastausta” ei ollut olemassa. Vasta kysymyksenvalintasi ansiosta mahdollinen vastaus materialisoitui maailmaan. Wheeler kutsui tätä ”it from bit”: fyysinen maailma (”it”) syntyy kysymällä sille kyllä- tai ei-kysymyksiä (”bittejä”). Miksi maailmankaikkeus on sellainen kuin se on? Kävi ilmi, että se riippuu kirjaimellisesti siitä, kuka kysyy.

Artikkelin julkaissut medium.com

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

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

Tämä 26-vuotias suunnittelee UFOja

Kommentoi

Tässä on Deep Prasad. Deep on 26-vuotias itseoppinut lapsinero, joka työskentelee kvanttilaskennan parissa ja jonka kiinnostukseiden kohteena ovat myös UFOt.

Tällä videolla puhutaan siitä miten hän yhdistelee kiinnostuksiaan ja yrittää ratkaista Schrödingerin monen kappaleen yhtälöä kvanttilaskennalla; me myös puhumme kvanttibiologiasta, kvanttiaisteista ja jopa siitä mitä avaruusolennoilla on suunnitelmissaan meidän varalle.

 

Artikkelin julkaissut Latest UFO Sightings

Tiede

Eulerin 36 upseerin pulmalla on kvanttiratkaisu

Kommentoi

kirjoittanut Inés Urdaneta

Mikä on tämä 240 vuotta vanha pulma?

Leonhard Euler (1707 – 1783), sveitsiläinen matemaatikko ja fyysikko, tunnetaan ehkä eniten hänen kompleksilukuja kuvaavasta Eulerin yhtälöstään: eiφ + 1 = 0.

Geometric interpretation of Euler's identity, where i represents the imaginary axis of the complex plane and φ is the angle.
Eulerin yhtälön geometrinen kuvaus, jossa i on imaginääriakseli kompleksitasolla ja φ on vaihekulma.

Eulerin panos matematiikkaan on kiistämätön fysiikassa, erityisesti kvanttimekaniikassa. Nyt Eulerin pulmalle on löytynyt ratkaisu, joka todennäköisesti vaikuttaa asioihin kvanttilaskennassa ja informaatioteoriassa.

Eulerin 36 upseerin pulma on seuraavanlainen:

Valitaan kuudesta eri rykmentistä kuusi upseeria kuudella eri sotilasarvolla. Halutaan järjestää nämä yhteensä 36 upseeria paraatiin 6x6 -neliömuodostelmaan siten, että jokaisessa rivissä ja jokaisessa jonossa on edustettuna kaikki kuusi rykmenttiä ja sotilasarvoa. Siis siten, että jokaisessa rivissä ja jokaisessa jonossa olisi yksi upseeri kutakin sotilasarvoa kustakin rykmentistä. Onko tämä mahdollista?

Euler yritti vuonna 1779 järjestää upseereita pyydetyllä tavalla, mutta ei onnistunut siinä, ja arvasi lopulta tehtävän olevan mahdoton. Itseasiassa Euler otaksui vastaavanlaisen neliön muodostamisen olevan mahdotonta kaikilla muotoa 2 + 4k (k = 1, 2, 3, …), olevilla määrillä rykmenttejä ja sotilasarvoja. Hän muotoilikin siitä nk. Eulerin konjektuurin, jota ei kuitenkaan kyennyt todistamaan [6].

 

Esimerkiksi hypoteettisessa neljän ulottuvuuden tilanteessa (d=4, neljä kategoriaa ja 4 alakategoriaa), jossa kategoriat ovat esineen muoto (neliö, ympyrä, kolmio ja tähti), ja alakategoriat ovat värejä (sininen, vihreä, punainen ja keltainen), ratkaisu jossa mikään väri tai muoto ei toistu missään rivissä tai sarakkeessa, ja jossa lisäksi jokainen muoto on eri värinen, on esitetty alla:

Tämä ehto ei täyty diagonaaleilla, ja kiinnostavaa kyllä kaksi päädiagonaalia 6×6 neliöstä toistavat molemmat muodon (kaikki 4 paikkaa on neliöiden täyttämiä yhdellä päädiagonaalilla ja tähtien leikkaavalla diagonaalilla). Ja koska molemmat päädiagonaalit sisältävät samoja muotoja, värit eivät toistu diagonaalilla. Sanomme, että tämä ratkaisu johtaa ”diagonalisaatioon”.

Euler havaitsi, että sellainen järjestely oli mahdoton, kun d=6. Vasta paljon myöhemmin, vuonna 1960, tietokoneiden avulla, matemaatikot osoittivat että ratkaisu on olemassa mille tahansa kahta suuremmalle määrälle sotilasarvoja ja rykmenttejä, paitsi kuudelle.

Kuietnkin kvanttifyysikoiden ryhmä Intiasta ja Puolasta on osoittanut, että ratkaisemattoman pulman vastaavalla kvanttimaailman analogilla on analyyttinen ratkaisu. Heidän tutkimuksensa nimi on ”Thirty-six entangled officers of Euler: Quantum solution to a classically impossible problem”, joka on annettu vertaisarvioitavaksi Physical Review Lettersiin, fysiikan huippujulkaisuun.

Tämä löydös vaatii algoritmien käyttämistä, joilla on kvanttiominaisuuksia, erityisesti kvanttitilojen superpositio. Tilojen superpositio esimerkiksi tarkoittaisi tässä tapauksessa tietyn sotilasarvon ja tietyn rykmentin yhdistelmää jokaiselle upseerille. Tai geometristen muotojen ja värien tapauksessa kvanttiupseeri olisi tila, joka koostuu esimerkiksi sinisestä neliöstä ja keltaisesta tähdestä, joille on molemmille annettu painokertoimet, jotka ilmaisevat suhteellisen esiintyvyyden kullekin kategorialle. Sellaisia painokertoimia kutsutaan amplitudeiksi.

Algoritmi muodostaa mahdolliset kombinaatiot ja laskee amplitudit, kunnes algoritmi on konvergoitunut, jolloin se on näyttänyt kaikki mahdolliset yhdistelmät. Tulokset olivat hämmentäviä kahdesta syystä. Ensinnäkin, koska löydetty ratkaisu käytti tiloja, jotka olivat kvanttikietoutuneet toisiinsa (eli että niitä ei voida hajottaa eri kategorioiksi), ja kvanttikietoutumisen määrä oli maksimissaan, ominaisuus joka on erittäin vaikeaa saavuttaa kvanttitiloilla. Toisin sanoen, työkalu teki mahdolliseksi löytää maksimaalisen kietoutuneita kvanttitiloja erittäin systemaattisella tavalla. Kvanttikietoutuminen on olennainen piirre kvanttilaskennassa, sillä se suojaa kvanttitiloja korruptoitumiselta. Näin maksimaalisen kvanttikietoutuneet tilat ovat paras suoja mikä kvanttitiloilla voi olla.

Toiseksi, tutkijat saivat selville, että kultainen leikkaus määrittää kaikki amplitudit, joita maksimaalisen kietoutuneessa ratkaisussa esiintyy, minkä takia tila sai nimen kultaisen maksimaalisen kietoutuneisuuden amplituditila.

”Kiinnostavaa kyllä, algoritmin tuottamien kertoimien välinen suhde oli Φ, eli 1.618…, kuuluisa kultainen leikkaus.” Daniel Garisto, Quanta Magazine

Ratkaisun/kietoutuneisuuden visualisoimiseksi Eulerin kvanttiupseereilla, me voimme tarkastella allaolevaa kuviota. Jokaisen upseerin sijainti, i:nnes rivi ja j:nnes sarake, on esitetty vastaavalla rivillä ja sarakkeella matriisissa. Upseerien sotilasarvot ja rykmentit on esitetty korttien muodossa vastaavina numeroarvoina ja maina. Jokaisen upseerin sotilasarvo on superpositiossa kahden sotilasarvon ja kahden rykmentin kanssa. Jokaisen kortin arvon kirjain vastaa siihen liittyvän elementin amplitudin suuruutta. Klassinen Eulerin pulman ratkaisu vastaisi matriisia, jossa jokaisessa matriisin alkion paikassa on vain yksi kortti.

Ratkaisun/kvanttikietoutumisen visualisointi Eulerin kvanttiupseereilla. Kuva otettu tutkielmasta.

Me havaitsemme, että matriisiin syntyy struktuureja, esimerkiksi, ässät ovat kietoutuneet kuninkaiden kanssa, koska ne esiintyvät ainoastaan kuninkaiden seurassa, kuningattaret jätkien kanssa, kympit pelkästään 9ien kanssa. Eli, ne ovat ainoastaan ja aina kietoutuneet niiden välittömään naapuriin. Lisäksi, korttien värit eivät ole kietoutuneet toisiinsa. Näin upseerit ryhmitellään yhdeksään nelielementtiseen joukkoon, joista jokaisessa on samat värit ja lukuparit.

Tämä tulos on merkittävä, sillä se tarkoittaa että ratkaisussa esiintyy maksimaalinen kietoutuminen.

Ratkaisulla on myös muita hienoja ominaisuuksia, kuten kultaisen leikkauksen esiintyminen (1,618….). Nassim Harameinin tulevassa tutkielmassa otsikolla ”Skaalainvariantti kenttien, voimien ja hiukkasten yhtenäistäminen kvanttivakuumiplasmassa” näytetään miten kultainen leikkaus syntyy myös Harameinin yleistetyssä holografisessa mallissa. Tämä työ tulee käyttöön moduulissa 8, ”Universaali skaalautuvuuden laki”, ja kun se on julkaistu, me kykenemme syventymään enemmän tämän amplitudien kultaisen leikkauksen ratkaisuun ja puhumaan lisää sen vaikutuksista.

 

Artikkelin julkaissut Resonance Science

Tietoisuus

Kvanttikoe osoittaa että aikaa ei ole olemassa

Kommentoi

“Teemme valinnan tarkastella ilmiötä joka on mahdotonta, absoluuttisen mahdotonta, selittää millään klassisella tavalla, ja jonka ytimessä on kvanttimekaniikka. Todellisuudessa se pitää sisällään ainoan mysteerin.” — Richard Feynman, nobel-palkittu fyysikko (Radin, Dean. Entangled Minds: Extrasensory Experiences in a Quantum RealityNew York, Paraview Pocket Books, 2006)

”Ajan” käsite on omituinen, ja kvanttifysiikan maailma on vielä omituisempi. Havaituista ilmiöistä, jotka uhmaavat logiikan ymmärrystämme, ei ole puutetta, nämä tuovat mukanaan ajatuksia ja tunteita — itse tietoisuuden, ja  post-materialistisen maailmankuvan universumista. Tämä ei ole sen paremmin esitetty klassisen kaksoisrakokokeen avulla, jota fyysikot ovat (toistuvasti) käyttäneet tutkimaan tietoisuuden roolia fyysisen todellisuuden muokkaamisessa ja siihen vaikuttamisessa. (lähde) Fyysisen materiaalisen universumin dominantti rooli jätettiin taakse heti kun kvanttimekaniikka astui mukaan kuvioon. Se järisytti koko tieteen perustuksia, ja se jatkaa sen tekemistä tänäänkin.

“Pidän tietoisuutta perustavanlaatuisena. Pidän materiaa tietoisuudesta johdettuna. Me emme pääse tietoisuuden taakse. Kaikki mistä me puhumme, kaikki mitä me pidämme olemassaolevana, olettaa tietoisuuden olemassaolon.” — Max Planck, kvanttiteorian alkuunpanija, nobelin fysiikanpalkinnon voittaja vuonna 1918

On olemassa myös toinen uraauurtava, omituinen koe joka on syvästi vaikuttanut ymmärrykseemme todellisuuden luonteesta, erityisesti, sen luonteeseen mitä kutsumme ”ajaksi”.

Koe tunnetaan nimellä ”viivästetyn valinnan” koe, tai ”kvanttipartaveitsi”, ja sitä voidaan pitää kaksoisrakokokeen muokattuna versiona.

Ymmärtääksemme viivästetyn valinnan koetta, täytyy ymmärtää kaksoisrakokokeen kvanttiluonnetta.

Tässä kokeessa pieniä materian hiukkasia (fotoneja, elektroneja tai mitä tahansa atomin kokoisia kappaleita) ammutaan kohti sermiä jossa on kaksi rakoa. Toisella puolella sermiä videokamera tallentaa sen minne mikäkin fotoni osuu. Kun tiedemiehet sulkevat yhden raon, kamera näyttää meille odotetun kuvion, kuten allaolevassa videossa. Mutta kun molemmat raot avataan, syntyy interferenssikuvio — ne alkavat käyttäytyä kuin aallot. Tämä ei tarkoita että atomikappaleet havaitaan aaltona (vaikka viimeaikoina on tällainen havainto onkin tehty), ne vain käyttäytyvät tuolla tavalla. Se tarkoittaa, että jokainen fotoni yksilöllisesti käy läpi molemmat raot samaan aikaan ja interferoi itsensä kanssa, mutta se käy myös läpi yhden raon, sekä toisen erikseen. Lisäksi se välttää käymästä kummankaan raon läpi. Yksittäinen materian hiukkanen muuttuu potentiaalien ”aalloksi”, joka ilmaisee itsensä useana todennäköisyytenä. Tämän takia näemme interferenssikuvion.

Kuinka yksittäinen materiahiukkanen voi olla olemassa ja ilmaista itseään useassa tilassa, ilman minkäänlaisia fysikaalisia ominaisuuksia, kunnes se ”mitataan” tai ”havaitaan”? Lisäksi, miten se valitsee polkunsa, kaikista mahdollisista poluista?

Kun ”havaitsija” päättää mitata ja katsoa minkä raon läpi materiahiukkanen menee, potentiaali”aallon” polut romahtavat yhdeksi ainoaksi poluksi. Hiukkanen muuttuu potentiaali”aallosta” jälleen hiukkaseksi ja saa näin yhden ainoan polun. Se on aivan kuin hiukkanen tietäisi että sitä seurataan. Havaitsijalla on tietynlainen efekti hiukkasen käyttäytymiseen.

Voit katsoa visuaalisen esityksen kaksoisrakokokeesta täältä.

Kvanttiepävarmuus määritellään kykynä, “subatomaaristen kvanttimekaanisten lakien mukaan hiukkanen kuten elektroni on olemassa hämäräperäisessä mahdollisuuksien tilassa — ollakseen missä tahansa, kaikkialla tai ei missään — kunnes se napautetaan todelliseksi laboratorion havainnointilaitteella tai silmällä.” (New York Times)

Fyysikko Andrew Truscottin, Australian kansallisyliopiston julkaiseman tutkimuksen johtavan tutkijan mukaan, koe tarkoittaa, että  “todellisuutta ei ole olemassa ennekuin me sen havaitsemme.” Se viittaa siihen, että elämme holografisen tyyppisessä universumissa. (lähde)

Viivästetty valinta, kvanttipartaveitsi, aika

Joten miten kaikki tämä informaatio liittyy ajan käsitteeseen? Aivan kuten kaksoisrakokoe esittää meille miten tietoisuuteen liittyvät tekijät romauttavat kvanttiaaltofunktion (materiahiukkanen joka on olemassa useassa potentiaalisessa tilassa) yksittäiseksi hiukkaseksi jolla on määritellyt fyysiset ominaisuudet (ei enää aalto, kaikki nuo potentiaaliset tilat ovat nyt yksi), viivästetty valintakoe esittää kuinka nykyhetkessä tapahtuvat asiat voivat muuttaa menneisyyttä. Se näyttää myös kuinka aika voi mennä taaksepäin, kuinka syy ja seuraus voidaan kääntää, ja kuinka tulevaisuus saa aikaan menneisyyden.

Kuten kvanttikaksoisrakokoe, viivästetty valinta on osoitettu ja toistettu useita kertoja. Esimerkiksi fyysikot Australian kansallisesta yliopistosta (The Australian National University, ANU) ovat suorittaneet John Wheelerin viivästetyn valinnan ajatuskokeen,  jonka löydökset on julkaistu hetki sitten Nature Physics -journalissa. (lähde)

Vuonna 2007 (Science 315, 966, 2007), tiedemiehet Ranskassa ampuivat fotoneja laitteeseen ja näyttivät, että heidän toimensa voisivat retroaktiivisesti muuttaa jotain joka oli jo tapahtunut.

“Jos me yritämme antaa objektiivista merkitystä yksittäisen systeemin kvanttitilalle, syntyy mielenkiintoinen paradoksi: kvanttiefektit sekä mukailevat välitöntä toimintaa-tietyllä-etäisyydellä, että, kuten tässä nähdään, vaikuttavat tuleviin menneisyyden tapahtumiin, jopa senkin jälkeen kun nämä tapahtumat ovat peruuttamattomasti kirjattu ylös.” – Asher Peres, kvantti-informaatioteorian pioneeri (lähde)(lähde)(lähde)

Lista jatkuu ja jatkuu, ja sen ensimmäisenä julkisti John Wheeler vuonna 1978, minkä takia tätä artikkelia ei päätetä hänen slityksellään viivästetyn valinnan kokeesta. Hän uskoi, että koe selittyi parhaiten kosmisessa mittakaavassa.

Kosmisen mittakaavan selitys

Hän pyytää meitä kuvittelemaan tähden, joka emittoi fotonin miljardi vuotta sitten, joka on matkalla kohti maapalloa. Siinä välissä on galaksi. Niinkutsutun gravitaatiolinssi-ilmiön johdosta valon tulee taipua galaksin ympäri päästäkseen maapallolle, joten sen täytyy valita kahdesta polusta, mennä vasemmalle tai oikealle. Miljardeja vuosia myöhemmin, mikäli joku päättää laittaa pystyyn laitteen jolla ”kaapata” fotoni, tämän seurauksena syntyvä kuvio olisi (kuten selitetty yllä kaksoisrakokokeesta) interferenssikuvio. Tämä kertoo sen, että fotoni meni yhtä polkua, ja sitten se meni toista polkua.

Voitaisiin myös ”kurkkia” tulevaa fotonia, pystyttää teleskooppi kummallekin puolelle galaksia määrittämään kumman suunnan fotoni otti päästäkseen maapallolle. Pelkkä mittaamisen teko itsessään tarkoittaa jo, että se voi tulla vain yhdeltä puolelta. Kuvio ei enää ole interferenssikuvio joka esittää useita mahdollisuuksia, vaan yksittäinen kasaumakuvio jossa näkyy ”yksi” polku.

Mitä tämä tarkoittaa? Se tarkoittaa, että valintamme miten mitata ”nykyisyyttä” vaikuttaa siihen, minkä suunnan fotoni otti miljardia vuosia sitten. Valintamme nykyhetkessä vaikuttivat siihen mitä menneisyydessä oli jo tapahtunut….

Tässä ei ole mitään järkeä, joka on yleinen ilmiö silloin kun puhutaan kvanttifysiikasta. Huolimatta kyvystämme tehdä siitä selkoa, se on totta.

Tämä koe myös viittaa siihen, että kvanttilomittuminen (joka on myös todistettu, lue aiheesta lisää täältä) on olemassa huolimatta ajasta. Mikä tarkoittaa, että kaksi materiabittiä voivat itse asiassa olla lomittuneita, ajassa.

Aika siten kun me sitä mittaamme ja sellaisena kuin me sen tunnemme, ei ole olemassa.

 

Artikkelin julkaissut Collective Evolution