Bucle cuantice - atomi de spaţiu din teoria gravitaţiei cuantice cu bucle (reprezentare grafică)

Sfântul graal al fizicii este de a conecta ştiinţa la scară atomică şi subatomică cu cea la scara planetelor, galaxiilor și întregului univers, de a conecta fizica cuantică cu teoria generală a relativității a lui Einstein. Căutarea unei teorii a gravitației cuantice este veche de un secol. Teoria stringurilor este un candidat pentru această teorie unificatoare, dar nu este singura teorie - sau cel puţin așa cred unii fizicieni. Un alt candidat este teoria gravitaţiei cuantice cu bucle.

Comentarii -

 

Să ne imaginăm că Pământul nu ar avea atmosferă (eliminăm, așadar, forța de frecare) și ați păși în gol de pe un turn înalt de 10 km. Ce s-ar întâmpla? Probabil răspunsul cel mai prezent la întrebare ar fi: „cad către sol cu o accelerație de 9,8 ms2”. Accelerația pare a fi o chestiune indiscutabilă, dar, în fapt, așa cum a arătat Einstein, această accelerație nu este reală. Nu, corpul tău nu experimentează nicio accelerație. Iată de ce.

Comentarii -


Curbarea spaţiu-timpului de către Terra. Credit: Mark Garlick / Science Source

Mulți oameni de-a lungul istoriei au crezut că Pământul trebuie să fie plat. Unii încă mai cred asta! Cei mai mulți dintre noi acceptăm că Pământul este o sferă uriașă (cu aproximaţie). Totuși, ideea Pământului plat a funcționat destul de bine, deoarece este aproape plat la scară umană. Privit de aproape, un spațiu curbat va părea plat, așa că știm încă ce este o linie dreaptă. Putem să ne mișcăm puțin pe o linie dreaptă, apoi să ne oprim. Uită-te din nou și avem o altă linie dreaptă pe care să o urmăm în aceeași direcție. Făcând în repetat acești mici pași, vom ajunge să avem o linie lungă. Acest tip de linie se numește linie geodezică și este cel mai apropiat lucru de o linie dreaptă pe care îl putem găsi într-un spațiu curb.

Comentarii -


Credit: Vienna University of Technology 

Unii oameni de știință cred că universul nostru este o proiecție tridimensională a unui spațiu bidimensional. Ei numesc această teorie „principiul holografic”. Iată la ce se referă aceasta.

De obicei, numărul de lucruri diferite pe care ți le poți imagina întâmplându-se într-o parte a spațiului crește odată cu volumul. Gândiți-vă la o geantă cu particule. Cu cât geanta este mai mare, cu atât sunt mai multe particule și cu atât mai multe detalii sunt necesare pentru a descrie ce fac particulele. Aceste detalii de care aveţi nevoie pentru a explica ce se întâmplă sunt numite de fizicieni „grade de libertate”, iar numărul acestor grade de libertate este proporțional cu numărul de particule, care este proporțional cu volumul.

Comentarii -

 

Ce reprezintă interpretarea "universurilor multiple"? În mecanica cuantică, fiecare sistem este descris de o funcție de undă, pe baza căreia se calculează probabilitatea obținerii unui anume rezultat al măsurării. Fizicienii folosesc de obicei litera greacă Psi (Ψ) pentru a referi la funcția de undă.

Cu ajutorul funcției de undă, puteți calcula, de exemplu, că o particulă care intră într-un divizor de fascicule prezintă o probabilitate de 50% de a merge la stânga și de 50% de a merge la dreapta. Dar - și acesta este punctul important - după ce ați măsurat particulele, știți cu o probabilitate de 100% unde se află. Aceasta înseamnă că acum trebuie să actualizați probabilitatea și, odată cu aceasta, funcția de undă. Această actualizare se mai numește colapsul funcției de undă.

Comentarii -

De ce avem senzaţia de căldură atunci când suntem sub incidenţa directă a razelor de Soare? Pentru că fotonii emişi de Soare sunt absorbiţi de piele, iar energia acestora este transformată în căldură. La fel se întâmplă cu lumina artificială, aşa că unul dintre efectele lăsării luminii aprinse într-o cameră este încălzirea acelei camere. Nu contează dacă sursa luminii este fierbinte, ca Soarele, o flacără, un bec cu incandescență ori un bec fluorescent.

Comentarii -

Newton a explicat foarte bine mişcarea obiectelor, dar a avut mult mai puţin succes în studierea luminii. Ulterior, a fost o reuşită extraordinară descoperirea faptului că lumina este o undă electromagnetică. Dar ştiind acest lucru nu este totuna cu a şti totul despre cum funcţionează ochiul ori telescopul. În fapt, descrierea completă a luminii ca undă se dovedeşte destul de problematică. În acest articol vom folosi un model simplu al luminii, modelul razei de lumină, care este util în cele mai multe situaţii practice. Pe de altă parte, vom începe discuţia cu prezentarea ideilor de bază despre lumină şi vedere care existau încă dinainte de descoperirea că lumina este undă electromagnetică.

Comentarii -


Prima imagine a unei găuri negre. Imaginea nu este o fotografie, ci a fost creată cu ajutorul a multiple telescoape în cadrul proiectului EHT

La începutul anilor ’70 Stephen Hawking a descoperit că găurile negre pot emite radiații. Această radiație permite găurilor negre să piardă masă și, în cele din urmă, să se evapore complet. Acest proces pare să distrugă toate informațiile conținute în gaura neagră și, prin urmare, contrazice ceea ce știm despre legile naturii. Această contradicție este ceea ce numim "paradoxul pierderii informaţiei într-o gaură neagră".

După ce a descoperit această problemă în urmă cu 40 de ani, Hawking și-a petrecut tot restul vieții încercând să o rezolve. A murit în 2018, dar problema încă există și nu există nicio rezolvare la orizont.

Comentarii -


Gaură neagră devorând o stea-partener

Pentru a înțelege problema pierderii informaţiei în găurile negre, mai întâi trebuie să cunoașteți matematica utilizată în abordarea acestui subiect de către teoriile fizicii. Vom continua însă fără matematică, explicând problema conceptual.

Aceste teorii au toate două ingrediente. În primul rând, există ceva numit "starea sistemului", care este o descriere completă sistemului pentru care doriți să puteţi face predicţii. Într-o teorie clasică, care nu este cuantificată, starea ar fi, de exemplu, pozițiile și viteza particulelor. Pentru a descrie starea sistemului într-o teorie cuantică, ați lua în calcul funcțiile de undă.

Comentarii -

Există patru stări de agregare naturale ale materiei: starea solidă, fluidă, de gaz şi plasma (particule cu energie cinetică extremă, prezente, de exemplu, în stele). O a cincea stare de agregare a materiei, care apare la temperaturi foarte scăzute, apropiate de temperatura limită, zero absolut, şi care s-ar putea să existe doar în laborator (nu şi în stare naturală) este condensatul Bose-Einstein.

Comentarii -


Reprezentare grafică a modului de transmitere în spaţiu a undelor electromagnetice

James Clerk Maxwell a fost primul care a elaborat principiul inducției (inclusiv relațiile numerice și geometrice detaliate, pe care nu le vom prezenta aici). Legenda spune că, într-o noapte înstelată, el și-a dat seama pentru prima dată de cea mai importantă implicație a ecuațiilor sale: lumina este o undă electromagnetică, o ondulaţie care se răspândește în spaţiu, pornind de la o perturbare în câmpurile electric și magnetic. Apoi Maxwell a ieşit la plimbare cu soția sa, căreia i-a spus că este singura persoană din lume, cu excepţia lui, care știa cu adevărat ce este lumina stelelor.

Comentarii -


Materia curbează spaţiu-timpul, iar spaţiu-timpul curbat dictează mişcarea materiei în univers. credit: LIGO/T. Pyle

Ideea lui Einstein a fost că gravitația nu este o forță, ci este, în fapt, un efect generat de curbura spaţiu-timpului. Materia curbează spațiu-timpul în vecinătatea sa, iar această distorsiune afectează, la rându-i, modul în care materia se mișcă în univers. Aceasta înseamnă că, potrivit lui Einstein, spațiul și timpul sunt reactive. Ele se deformează în prezența materiei și a tuturor tipurilor de energie.

Einstein a numit teoria sa „relativitatea generală”, deoarece este o generalizare a teoriei relativității speciale. Ambele se bazează pe „independența observatorului”, adică ideea că legile naturii nu ar trebui să depindă de mișcarea unui observator. Diferența dintre relativitatea generală și relativitatea specială este că în relativitatea specială spațiu-timpul este plat, ca o foaie de hârtie, în timp ce în relativitatea generală poate fi curbat.

Comentarii -


Prima imagine a unei găuri negre. Imaginea nu este o fotografie, ci a fost creată cu ajutorul a multiple telescoape în cadrul proiectului EHT

Găurile negre exercită o mare fascinație deopotrivă asupra specialiștilor, simplilor iubitori de știință ori curioșilor din toată lumea. Ideea existenței unei regiuni din spațiu cu caracteristici atât de neobișnuite, cum ar fi existența unei linii (orizontul evenimentelor) care, odată trecute, nici lumina nu mai poate scăpa, ori care ar în centru o singularitate (un punct unidimensional care conţine o masă enormă într-un punct infinit de mic din spaţiu-timp) este spectaculoasă. Dar subiectul găurilor negre este însoțit de nenumărate mituri. Iată patru mituri privind găurile negre.

Comentarii -


Orbitalii atomici ai electronului în atomul de hidrogen, la energii diferite. Probabilitatea de a găsi electronul este dată de culoare (cu cât mai strălucitoare, cu atât mai mare probabilitatea). Credit: wikipedia.org

Iată o problemă reală: nu știm cum se efectuează o măsurare în mecanica cuantică. Subiectul este astăzi discutat mai degrabă de filozofi, fiind aproape ignorat de fizicieni. Mecanica cuantică predată astăzi este cunoscută sub numele de „Interpretarea Copenhaga”. Iată esența. Particulele sunt descrise de un obiect matematic numit „funcție de undă”, de obicei notat cu Ψ („Psi”). Funcția de undă este uneori ascuțită cu vârf și arată mai mult ca o particulă, alteori este întinsă și arată mai degrabă ca o undă. Ψ este, practic, întruchiparea dualității undă-particulă.

Comentarii -

Hidrogenul este elementul chimic în tabelul periodic al elementelor cu simbolul H și numărul atomic 1. Este un gaz ușor inflamabil, incolor, insipid, inodor, iar în natură se întâlnește mai ales sub formă de moleculă diatomică, H2. Hidrogenul este cel mai ușor element chimic.

Hidrogenul elementar are o pondere de 75% din masa universului. În starea de plasmă, se găsește ca element majoritar în alcătuirea stelelor. Hidrogenul elementar este foarte puțin răspândit pe Pământ.

Pentru necesități industriale există diferite procedee de fabricație. De exemplu, hidrogenul poate fi obținut prin electroliza apei (separarea atomilor de oxigen și hidrogen).

Cel mai răspândit izotop al hidrogenului este protiul, care este alcătuit dintr-un proton în nucleu și un electron în învelișul electronic. În compușii ionici poate avea sarcină negativă (anion cunoscut sub numele de hidrură, H-) sau sarcină pozitivă H+ (hidron).

Comentarii -

 
Mergi la minutul 1:50 pentru a vedea cum vibrează paharul

Rezonanţa este un fenomen care apare atunci când frecvenţa cu care este aplicată o forţă în mod periodic este egală ori aproape egală cu frecvenţa naturală a sistemului asupra căruia se acţionează. Două mari probleme apar în momentul în care se încearcă să se distrugă un obiect utilizând sunetul sau orice altă metodă. Prima problemă este că nimic în natură nu rezonează perfect, iar a doua este că aproape orice exemplu de mișcare armonică este de fapt o mișcare armonică atenuată.

Comentarii -

 

Am văzut deja cum câmpurile electrice și magnetice sunt strâns legate, căci ceea ce un observator vede ca fiind un tip de câmp, un alt observator, într-un sistem de referință diferit, vede ca fiind un amestec al ambelor câmpuri.

Dar relația merge chiar mai profund decât atât. Figura 1, de mai jos, arată un exemplu care nu implică nici măcar două sisteme de referinţă diferite. Acest fenomen al câmpurilor electrice induse, câmpuri care nu apar ca urmare a sarcinilor, a fost o realizare pur experimentală a lui Michael Faraday (1791-1867), fiul unui fierar care a trebuit să lupte împotriva structurii rigide a claselor sociale din Anglia secolului al XIX-lea.

Faraday, în 1831, nu avea decât o idee vagă că electricitatea și magnetismul erau legate între ele, pe baza demonstrației lui Oersted efectuate cu un deceniu înainte, conform căreia câmpurile magnetice sunt generate de curenții electrici.

Comentarii -

 
Orbitalii atomici ai electronului în atomul de hidrogen, la energii diferite. Probabilitatea de a găsi electronul este dată de culoare (cu cât mai strălucitoare, cu atât mai mare probabilitatea). Credit: wikipedia.org

Să luăm atomul cel mai simplu, atomul de hidrogen, alcătuit dintr-un proton (sarcină pozitivă) şi dintr-un electron (sarcină negativă), ultimul aflându-se în mişcare în jurul nucleului atomic. Atracţia electrică dintre cele două particule (sarcinile de semne opuse, "+" şi "-", se atrag) face ca electronul să se mişte circular în jurul nucleului, asemănător modului în care Pământul se mişcă în jurul Soarelui. Dar această descriere a deplasării electronului are o problemă gravă...

Comentarii -

Un electron are un câmp electric în jurul său (reprezentat în imaginea de mai sus prin cercul gălbui). Atunci când electronul este excitat (atomul primeşte energie externă), se creează şi un câmp magnetic. Cele două câmpuri, electric şi magnetic, formează câmpul electromagnetic, care are ca particulă purtătoare fotonul, particulă fără masă.


Imaginează-ţi o particulă elementară, precum fotonul ori electronul. Ce-ţi vine în minte? Dacă nu eşti fizician ori pasionat de fizică, atunci e posibil să-ţi imaginezi un fel de minge mică ori poate un punct. Această imagine nu e chiar corectă. Iată o metodă de a-ţi testa intuiţia: cum îţi imaginezi o particulă fără masă?

Comentarii -

Să ne imaginăm că săpăm un tunel prin centrul Pământului, unind două părţi diametral opuse ale planetei. Lungimea acestui tunel, dacă ne imaginăm că unim cei doi poli, unde raza este un pic mai mică decât la ecuator, va fi de circa 12.700 km. Pentru a simplifica lucrurile, trebuie să ne imaginăm că eliminăm inclusiv aerul din tunel, pentru ca un corp care va călători în tunelul nostru (cum ar fi un tren gravitaţional al viitorului) să nu întâmpine frecarea cu aerul.

Comentarii -

Cum ar trebui să definim câmpul magnetic? Atunci când două obiecte se atrag reciproc (prin intermediul forţei gravitaţionale), energia lor gravitaţională depinde doar de distanţa dintre ele; pare că are sens să utilizăm săgeţi prin care să spunem: "în această direcţie forţa gravitaţională devine din ce în ce mai slabă". Această idee se poate aplica şi în cazul câmpului electric.

Dar ce se întâmplă atunci când două particule se atrag magnetic? Interacţiunea dintre ele nu depinde doar de distanţă, ci şi de mişcarea lor.

Comentarii -

Aparent problema este simplă, dar cu certitudine mulţi dintre noi avem probleme în a şti să explicăm care e diferenţa fundamentală dintre mişcare şi repaus. Iată un exemplu: să ne imaginăm că aţi fi în spaţiul interstelar într-un vehicul spaţial. V-aţi trezit după o somn odihnitor şi nu ştiţi dacă nava spaţială în care vă aflaţi se află în mişcare către punctul final al călătorie ori este oprită. Vă uitaţi pe geam şi vedeţi în faţa voastră un asteroid care stă nemişcat în faţa geamului. Este asteroidul în mişcare ori este în stare de repaus? Cum puteţi răspunde la această întrebare?

Pentru a complica lucrurile putem întreba: cum puteţi şti dacă nava în care vă aflaţi este în mişcare ori în stare de repaus? Puteţi face diferenţa între starea de repaus şi o deplasare rectilinie uniformă (adică în linie dreaptă şi fără modificări ale vitezei)? Este imposibil. În spaţiul interstelar nu există nimic în jur la care la care să vă raportaţi pentru a detecta starea: doar spaţiu gol, iar acest spaţiu nu reprezintă un sistem de referinţă la care să vă raportaţi. Dar şi dacă ar fi, să spunem, o planetă, pe lângă care treceţi, cum puteţi spune cine se mişcă, voi sau planeta?

Şi atunci? Care e diferenţa dintre mişcare şi repaus? Pentru a stabili starea de repaus sau de mişcare a unui corp - trebuie să precizăm un reper, un sistem de referinţă la care ne raportăm.

 

 

Comentarii -

Magnetismul este o interacțiune între sarcini în mișcare. Dar cum poate fi astfel? Teoria relativității ne spune că mișcarea este o chestiune de opinie. Privește imaginile de mai jos (figura 1). Culoarea diferită a particulelor indică existența unor sarcini diferite. Observatorul din imaginea 1/2 vede două particule care se deplasează prin spațiu una lângă alta, așadar care vor interacționa din punct de vedere electric (pentru că sunt încărcate electric) și din punct de vedere magnetic (pentru că sunt sarcini în mișcare).



Un observator vede un câmp electric, pe când alt observator vede atât un câmp electric, cât și un câmp magnetic.

Comentarii -

 

Iată câteva exemple de mărimi fizice: lungimea (unui corp), viteza (de deplasare a unui corp), greutatea (unui corp), volumul ori densitatea. O mărime fizică este o proprietare măsurabilă a unui corp. Acest concept este foarte important în lumea reală. Iată un exemplu. Poţi măsura temperatura unui corp (cum ar fi atunci când eşti bolnav), dar nu poţi măsura "dezechilibrul energetic" (concept din pseudo-medicină cu care operează anumite domenii din medicina alternativă). Când ţi se va spune, de exemplu, că un mic magnet care se vinde la tarabă are proprietăţi tămăduitoare, poţi întreba: ce anume se măsoară pentru a observa aceste proprietăţi? Ceea nu este măsurabil nu poate fi evaluat!

Comentarii -

În cele două videoclipuri de mai jos vă puteţi familiariza cu Legea lui Ohm, explicată pe înţelesul tuturor.

 

Comentarii -