Kłopotliwy nadmiar cząstek

[KopalniaWiedzy.pl 358]

Wyniki uzyskane w eksperymencie BaBar, który prowadzony jest w Stanford Linear Accelerator Center, nie zgadzają się ani z Modelem Standardowym, ani z teorią supersymetrii. Co prawda są one obarczone dużym stopniem niepewności, jednak podobne dane uzyskali wcześniej uczeni pracujący przy Belle Collaboration w Japonii.

Eksperyment BaBar został zaprojektowany do badania fizyki kwarków b.

Naukowcy skupili się na rozpadzie, w wyniku którego powstaje mezon D lub D’, lepton i neutrino. Do grupy leptonów należą elektron, neutrino elektronowe, mion, neutrino mionowe, taon i neutrino taonowe.

Model Standardowy przewiduje, że gdy w czasie rozpadu kwarka b pojawi się mezon D to w 20% przypadków leptonem będzie taon. Gdy zaś pojawi się mezon D’, to w 23% przypadków leptonem będzie taon.

Najnowsze dane z eksperymentu BaBar wskazują jednak, że dla mezonu D taon pojawia się w 31% przypadków, a dla D’ - w 25% przypadków.

Jednym z możliwych wyjaśnień tego nadmiaru jest wprowadzenie do Modelu Standardowego dodatkowego bozonu Higgsa. Co jednak nie znaczy, że w ten sposób potwierdzenie znajduje teoria supersymetrii. Postuluje ona co prawa istnienie czterech bozonów Higgsa, jednak dane z BaBar nie są zgodne z supersymetrią.

Pewność nowo uzyskanych danych wynosi 3 sigma. To oznacza, że odkrycie jest istotne, ale nie ostateczne.

Musimy zatem poczekać na kolejne eksperymenty, by przekonać się, czy i jak należy uzupełnić istniejące teorie.

[Jarek Duda 140]

Jestem pewien że jak zwykle wymyślą kolejne poprawki żeby znowu dało się dofitować do oczekiwań ...

No właśnie - zaleta/problem QFT używanego w "Modelu Standardowym" jest to że posiada on olbrzymią swobodę - to jest wyrafinowane narzędzie matematyczne do pracy na zupełnie abstrakcyjnych bytach, dla których po prostu zakładamy pewne dofitowane parametry opisujące ich zachowanie ... zupełnie nie wchodząc w pytanie czym są te abstrakty na których operuje (cząstki).

Wnioskowanie z tego że rozumiemy czym są te abstrakty, jest jak wnioskowanie z tego że działa arytmetyka "kilo jabłek + 2 kilo jabłek = 3 kilo jabłek" że rozumiemy czym są jabłka.

 

Myślę że oprócz takiego dalszego budowania "Modelu Standardowego" jako zgadywanie i dofitowywanie kolejnych poprawek, powinniśmy w końcu zacząć próbować szukać zrozumienia czym są te abstrakty - jako konkretne byty, konfiguracje pola.

Czyli nie zadowalać się np. że foton jest to coś wyprodukowane przez operator kreacji, tylko próbować szukać zrozumienia dynamiki ukrytej za tym abstraktem, konkretnej konfiguracji pola EM za tą falą elektromagnetyczną ...

Np. rozbieżność w ultrafiolecie bezpośrednio mówi że musimy dla cząstek przyjąć pewne minimalna skale odległości ("cutoff") - że wbrew temu jak widzi je QFT, cząstki tak naprawdę nie są punktowe.

 

No więc jak szukać takich modeli poniżej QFT, z których efektywnie dostawalibyśmy parametry używane w QFT?

Może dobrze zacząć od zadawania ignorowanych zwykle podstawowych pytań - np. jak pole elektryczne skleja się w centrum elektronu? - że nie ma tam osobliwości i że ładunek jest skwantowany?

I okazuje się że łatwo można przeformułować elektromagnetyzm tak żeby dodatkowo miał głęboko zapisane kwantowanie ładunku - tak że prawo Gaussa zwraca całkowitą liczbę: ładunek topologiczny. Mianowicie wystarczy np. użyć pola wektorów jednostkowych (strzałka w każdym punkcie przestrzeni): najprostszy ładunek to konfiguracja typu jeż (v(x)=x/|x|) - krzywizna takiej konfiguracji pola maleje z odległością - definiując pole elektryczne bezbpośrednio z tej krzywizny, prof. Faber pokazuje że dostajemy normalne oddziaływanie elektromagnetyczne dla tych kwantów ładunku - stają się one cząstkami (protoplastami elektronów), przy okazji dostając masę ( http://iopscience.iop.org/1742-6596/361/1/012022/pdf/1742-6596_361_1_012022.pdf ).

Pozostaje "tylko" jakoś rozszerzyć ten model żeby rodzina solitonów zwiększyła się do całej menażerii cząstek i ich oddziaływań (np. http://fqxi.org/community/forum/topic/1416 ) ...

 

Jeśli chcemy zamienić budowanie modelu standardowego przez zgadywanie i dofitowywanie na po prostu wyprowadzanie ze zrozumieniem, musimy chociaż zacząć próbować wchodzić pod jego abstrakty ...

[radar 104]

O ile za dużo z tego nie zrozumiałem to mam jedno pytanie, czy "dofitować" znaczy dopasować?

 

radar

[Jarek Duda 140]

Owszem - tak dopasować parametry żeby się zgadzało z eksperymentem.

Zwykle się rozważa tzw. perturbacyjne (przybliżenie) QFT, czyli rysujesz wszystkie możliwe scenariusze co tam po drodze się mogło dziać: tzw. grafy Feynmana (tak naprawdę to za dużo ich nie wolno narysować bo się posypie - znowu silnie sugerując że cząstki to nie są byty punktowe) - do wierzchołków przyporządkowujesz parametry, całkujesz po możliwych pędach pojawiających się tam cząstek i dostajesz np. prawdopodobieństwa różnych rezultatów...

 

Skuteczna uniwersalna metodologia operowania na zmiennej ilości w przybliżeniu punktowych bytów, ale zupełnie nie wchodząca w kwestię czym te byty są - to nie jest kandydat na teorię wszystkiego, tylko taka nakładka na nią ...

 

ps. A nie próbuje się nawet schodzić głębiej przez głęboko zakorzenioną wiarę w niemożliowść zrozumienia mechaniki kwantowej - jak to wyraził Feynman: "I think I can safely say that nobody understands quantum mechanics". Jest to niezwykle szkodliwe przekonanie i przestające być aktualne. Na przykład inny jego cytat mówi o interferencji jako "phenomenon which is impossible, absolutely impossible, to explain in any classical way and which is at the heart of quantum mechanics. In reality it contains the only mystery" ... podczas gdy od niedawna są świetne eksperymenty prof. Coudera w których na klasycznych obiektach z dualizmem korpuskularno-falowym pokazuje interferencję, tunelowanie, kwantyzację orbit, analog efektu Zeemana ... tu są linki do jego prac i filmik z tych eksperymentów: http://www.thescienceforum.com/physics/27827-how-quantum-wave-particle-duality-couders-walking-droplets.html

Czas znaleźć analogiczne konstrukty dla cząstek ...

[Przemek Kobel 65]

Jeśli ktoś uważnie oglądał, to korpuskularno-falowe eksperymenty w makroskali pokazywano w serii "Through the wormhole" z Freemanem - niestety nie pamiętam numeru odcinka.

 

Natomiast, choć mało ogarniam szczegóły fizyki cząstek, moje rozumienie Modelu Standardowego jest takie, że to po prostu zbiór parametrów (macierz/macierze) oraz sterowane tymi parametrami wzory stworzone na okazję różnych badanych zjawisk. Inaczej mówiąc, jest to bardziej system próbujący coś opisać niż wyjaśnić. Jeśli trafimy na nowe zjawisko, to po prostu dopychamy do Modelu nowe parametry (bo można to zrobić tak, żeby nie kolidowało z istniejącym już układem). Jeśli w macierzy są jakieś dziury (brakuje parametrów), to mówimy, że Model Standardowy coś tam przewiduje i zaczynają się eksperymenty, żeby te parametry zmierzyć.

 

Dlatego też tak atrakcyjne z punktu widzenia zwykłych ludzi tylko zainteresowanych tematem są prace "strunowców", czy choćby kapitalne książki Michała Hellera. Oni chcą znaleźć jakiś jeden głębszy mechanizm, który się ujawnia w róznych formach obecnie opisywanych Modelem.

[Jarek Duda 140]

Owszem teoria strun miała być próbą wejścia głębiej niż Model Standardowy, który będąc metodologią działania na abstrakcyjnych obiektach z parametrami dobranymi tak żeby się zgadzało z eksperymentem, daje niewiele fundamentalnego zrozumienia natury i np. mechanizmu produkcji cząstek. Niestety strunowe podejście zamiast szukać konkretnych odpowiedzi, próbuje przenieść wszystko w jeszcze większy poziom abstrakcji - i mimo niesłychanie kontrowersyjnych założeń jak wiele dodatkowych wymiarów, po wielu dekadach pracy tysięcy ludzi prowadzi tylko do jakichś luźnych ogólnych analogii - jest to atrakcyjny temat dla zachwycania ludu "kosmiczną filharmonią", dla matematyków którzy chcą z czegoś żyć i zajmować się ciekawymi problemami ... ale nie znam nikogo kto jeszcze szczerze wierzy że rzeczywiście ma to coś wspólnego z prawdziwą fizyką ...

 

Jak najbardziej należy szukać teorii poniżej, ale nie w stronę filozoficznie i matematycznie pasjonujących abstraktów i założeń, ale wrócić na ziemię i poukładać to co wiemy - w stronę konkretów.

Broniła przed tym wiara w jakieś nieosiągalne misterium ukryte w mechanice kwantowej, ale czas z tym skończyć: jak na filmiku (rzeczywiście z Through the Wormhole) cząstka jest równocześnie korpuskułą i sprzężoną z nią falą - koniec tajemnicy, nie ma tam żadnej magii.

Wystarczy tylko zrozumieć jak zbudowana jest ta korpuskuła i dlaczego produkuje fale - czyli że ma wewnątrz ukryty jakiś proces periodyczny: tzw. zegar de Broglie'a.

Nie jest to abstrakcyjny punkcik, tylko skomplikowana maszyneria: ewoluująca konfiguracja pola m.in. elektromagnetycznego - którą musimy znaleźć.

 

I tu wchodzi kwantyzacja ładunku elektrycznego - jeśli poprawimy/przeformujemy elektromagnetyzm żeby miał ją wbudowaną (Faber), ładunki będę mogły powstawać tylko jako całkowita wielokrotność ładunku elementarnego - staną się cząstkami typu elektron/pozyton ... przy okazji dostając masę i zegar ... wystarczy odrobinę rozszerzyć tak żeby rodzina cząstek wzrosła do znanej menażerii cząstek z ich dynamiką - rozszerzenie o jeden stopień swobody odpowiadający za fazę kwantową (którą obraca zegar de Broglie'a) wydaje się dokładnie to robić ...

I koniec - żadnych dodatkowych wymiarów, geometrii niekomutatywnych ks. Hellera, a tylko minimalne rozszerzenie Maxwellowskiego elektromagnetyzmu - żeby miał wbudowane kwantowanie ładunku, "fazę kwantową" i żeby dobrze się zachowywał w środku ładunku (bez nieskończoności).

A do praktycznego opisu takiego systemu o zmiennej ilości cząstek i tak trzeba będzie użyć QFT - trzeba wybrać tak żeby dostać efektywne parametry jak w Modelu Standardowym - ze zrozumienia a nie zgadywania ...

[Przemek Kobel 65]

Po tym wszystkim co czytałem o strunach, a potem o LHC, odniosłem wrażenie, że cała ta gałąź traci rację bytu (w końcu struny miały np. łączyć grawitację ze światem kwantowym, a tu bach - jednak mamy bozon Higgsa). Ale dzięki nim było więcej materiałów popularnonaukowych do czytania/oglądania na temat samej fizyki cząstek. Przy okazji powstały książki takie jak te Hellera, które warto przeczytać, mimo że niekoniecznie zgadzają się z najnowszymi wnioskami z eksperymentów. Po prostu trudno o bardziej przystępne teksty z tej dziedziny (podobna sytuacja jest z wykładami Feynmana, gdzie przy okazji można nauczyć się podchodzenia do każdej teorii z dystansem, bo tak właśnie robił sam autor wykładów).

[Jarek Duda 140]

Rzeczywiście jest problem z włączeniem Ogólnej Teorii Względności do QFT - OTW ma taką mnogość stopni swobody że ogrom nieskończoności przerasta nawet możliwości procedury renormalizacji (dla której dosłownie standardem jest dzielenie dwóch nieskończoności) ... i "znalezienie Higgsa" nic tutaj nie zmienia ... nie słyszałem też żeby teorie strun jakkolwiek mogły poprawić sytuację z nierenormalizowalnością OTW (?) ... raczej jakieś np. "dynamiczne triangulacje" ale to też straszne abstrakty ...

Dla mnie ten problem z którym walczą od kilku dekad sugeruje tylko że OTW już może być trochę przeabstraholowaną teorią - opartą na niezwykle kontrowersyjnych założeniach: że nasza czasoprzestrzeń jest zanurzona w czymś wyżej wymiarowym ... jest tam nieskończenie płaska i kompletnie nie oddziałuje z tym otoczeniem (co byłoby wyraźnie widać np. w termodynamice) ... pozwala na konstrukcje typu wormhole ...

Czy istnieje prostsza alternatywa? Owszem - np. przybliżenie OTW które wystarcza do wszystkich przeprowadzanych dotychczas eksperymentów (łącznie z Gravity Probe B ): grawitomagnetyzm ( http://en.wikipedia....lectromagnetism ) - potraktowane jako ta właściwa teoria już nie potrzebuje wewnętrznej krzywizny czasoprzestrzeni i naturalnie unifikuje się z elektromagnetyzmem.

 

A co książek i teorii "fizycznych" które są "wartościowe bo ciekawe", to oprócz wzbudzania okrzyków zachwytu mają też silną negatywną stronę - odwracają uwagę, mieszają się z tym co z rzeczywistością ma większy związek ... zamiast na tym co ciekawe, chociaż w fizyce skupmy się może lepiej na tym co prawdziwe ...

[Piotr_ 6]

Panie Jarku, że też jeszcze nie wydał Pan tego drukiem... Nobel murowany!

A tak naprawdę, to fizyki uczył się pan hobbystycznie czy na studiach? Wiedzę ma pan imponującą - przynajmniej wnioskując z powyższych wypowiedzi. Niezbyt podoba mi się jednak arbitralne odrzucenie wielu założeń współczesnej fizyki - nie przedstawił pan, niestety, argumentów za obaleniem pół bez mała wieku pracy całej armii fizyków-teoretyków. To zbyt poważny zarzut, by ni stąd, ni zowąd opierać na nim znaczną cześć swego wywodu. Trzeba się pogodzić z tym, że możemy nigdy nie odkryć tajemnicy Wielkiej Teorii Wszechświata posadowionej na tym, co człowiek może zrozumieć i zaakceptować - ludzkość wypracowała taką a nie inną matematykę, która w czymś się sprawdza, a do czego innego może się nie nadawać. Nasze pojmowanie świata zaś i wszystkie modele matematyczne skrzywione są przez obecną postać matematyki - na inną albo po prostu nie wpadliśmy, albo nie jesteśmy w stanie jej pojąć, albo zwyczajnie nie istnieje.

Ostatecznym zaś argumentem za lub przeciw teorii fizycznej jest doświadczenie, czego i Państwu życząc

P_.

[Jarek Duda 140]

"arbitralne odrzucenie wielu założeń współczesnej fizyki"?

Może chodziło Ci o arbitralne założenia współczesnej fizyki których jest pełno? Proszę wytłumacz mi w którym miejscu uważasz że coś odrzucam??

(W powyższych postach) Nie kwestionuję czy model standardowy działa, tylko czy nie możemy zejść jeszcze głębiej: np. widzieć foton nie tylko jako rezultat działania operatora kreacji o znanych właściwościach, tylko szukać pod tym abstraktem też konkretną konfigurację pola (głównie EM), dynamikę ... tej cząstki posiadającej prawdziwy moment pędu - którym można obracać makroskopowe obiekty ( http://prola.aps.org...R/v50/i2/p115_1 ) - coś tam się musiało fizycznie kręcić podczas kreacji - gdzie to widać w QFT?

Jeszcze nawiązywałem do znanych problemów rozbieżności w ultrafiolecie i tego że szeregi w perturbacyjnym QFT nie są zbieżne - nie mamy jeszcze mocy obliczeniowej żeby je za bardzo rozwijać, ale wiadome jest że w pewnym momencie ta procedura się musi zacząć sypać. Obie te sprawy: minimalna skala odległości i maksymalna ilość procesów które się mogą zmieścić, silnie sugerują że cząstki mają niezerowe rozmiary: objętość w której coś jest i coś się dzieje ... pytanie: co dokładnie?

Co do OTW, to w żadnym razie nie odrzucam tylko co najwyżej śmiem mieć wątpliwości co do konieczność tak filozoficznie kontrowersyjnych założeń wymagających dodatkowych wymiarów i opierających się połączeniu z resztą fizyki (renormalizacji) ... szczególnie gdy wystarczające do wszystkich dotychczasowych eksperymentów przybliżenie nie ma takich problemów.

Czy może chodzi Ci o to że nie wychwalam wspaniałości teorii strun?

[Piotr_ 6]

Teoria strun to na obecnym poziomie li tylko bajka dla grzecznych fizyków. Chodziło mi o coś innego - postuluje pan jedną z największych rewolucji w historii fizyki nic w zamian konkretnego nie oferując. Wyrzućmy XX wiek do kosza i zbudujmy od podstaw coś nowego. Na taki krok jest jeszcze za wcześnie, choćby dlatego, że prawie wszystkie obliczenia bardzo dobrze (czasem wręcz zaskakująco dobrze) odzwierciedlają rzeczywistość.

Proponuję inna kolejność: Najpierw stworzyć nowy model, a dopiero potem skonfrontować go z rzeczywistością i poprzednikami, wybierając najlepszy.

 

Kontestacja dla kontestacji nie jest w żaden sposób konstruktywna, czasem jest wręcz dekonstruktywna - zniechęca do dalszych badań nad teorią, która mogłaby być przełomowym odkryciem, bo ktoś powiedział, że w Model Standardowy bawią się tylko dzieci.

 

Oczywiście, nie bronię MS jak niepodległości, ale uważam, że jego odrzucenie byłoby dużym błędem - czy nie lepiej poszukać sposobu na jego ulepszenie, uproszczenie, dopracowanie? Jedno z największych dokonań fizyki - równania Maxwella - polegało na zdefiniowaniu równań opisujących znane już zjawiska. Maxwell spojrzał jedynie na problem z nieco innej strony.

 

Niemniej, czekam z niecierpliwością na kolejne pana argumenty.

Mając nadzieję na konstruktywną dyskusję

P_.

[Jarek Duda 140]

Dalej nie rozumiem o co chodzi? Piszesz jakbyś nawet nie zaglądnął do moich postów ...

W żadnym razie nie chcę odrzucać MS, tylko mówię że należy "poszukać sposobu na jego ulepszenie, uproszczenie, dopracowanie" - precyzyjnie poprzez szukanie konkretnych konstruktów za abstraktami tej standardowej metodologii obliczeń - żeby z jakiejś bardziej fundamentalnej teorii wyprowadzić parametry używane w MS.

Obrazowo: do poprawnej arytmetyki "jabłko + jabłko = 2 jabłka" dodać obraz typu: "konfiguracja komórek/atomów typu jabłko + druga = konfiguracja z dwoma obiektami typu jabłko" - szukać konkretnej struktury, dynamiki ... natury abstraktów na których operujemy.

 

I nie chcę budować nowych podstaw, tylko poprawić istniejące - przeformułować równania Maxwella ("Jedno z największych dokonań fizyki" jak je nazywasz) tak żeby miały już w sobie wbudowane jedno z najbardziej podstawowych własności natury: kwantowanie ładunku (dzięki topologii).

I to nie ja to zrobiłem, tylko prof. Faber kilkanaście lat temu. Ta naturalna poprawa powoduje że ładunki już są w porcjach: cząstkach, dostają masę ...

[Piotr_ 6]

Problem przy badaniu obiektów tak małych jak cząstki elementarne polega na tym, że ich istnienie i zachowanie można obserwować i badać tylko pośrednio. Nasz MS stwierdza istnienie czegoś, czego nikt jeszcze nie widział, ale efekty tego istnienia zadziwiająco dobrze zgadzają się z obliczeniami fizyków. Na razie tyle (aż? tylko?) można stwierdzić. Tego, czym jest elektron - nie wiemy, nie mamy możliwości zbadać, a wszelkie teorie mogą się jedynie zgadzać lub nie zgadzać - na kartce papieru i kalkulatorze. Wszelkie nowe teorie więc będą tylko kolejnymi alternatywami dla teorii strun - mniej lub bardziej udanymi.

 

Oczywiście, opracowanie w pełni poprawnego modelu - zgodnego z mierzalną rzeczywistością - byłoby sporym osiągnięciem, ale dopiero model przewidujący coś nowego i poparty wynikami doświadczeń potwierdzających jego przewidywania wniósłby do fizyki nową jakość. Problem polega na tym, że nawet jeśli model stwierdzi istnienie, powiedzmy, elektronu o skwantowanym ładunku, konkretnych, niezerowych rozmiarach i osobliwości w środku (taka moja luźna propozycja) - to rzeczywistość potwierdzi jedynie zgodność obliczeń, a nie samo istnienie tak wymodelowanego elektronu. Dowody za teorią będą jedynie pośrednie.

 

Proszę nie odczytywać moich słów jako krytyki wszelkich prób postępu. Warto jedynie spojrzeć życzliwym okiem na MS - teorię wciąż budowaną i poprawianą. Według mnie, to właśnie jest jej największym atutem - otwartość, możliwość wprowadzenia poprawek i dostosowania do nowych wyników eksperymentów.

Równocześnie serdecznie proszę o podanie kilku szczegółów dotyczących wzmiankowanych przez pana teorii.

Oczekując

P_.

[Jarek Duda 140]

Ależ dobrze wiemy czym jest elektron - przede wszystkim jest elementarnym ładunkiem elektrycznym i dipolowym momentem magnetycznym (malutkim magnesem) - samo to już bardzo wiele mówi o konfiguracji pola elektromagnetycznego dookoła ... (i czy naprawdę bycie tak nietrywialną konfiguracją pola jest niewystarczające? Czym niby jeszcze jest? Jakimś abstrakcyjnym punktowym bytem poza polem???)

Wystarczy zrozumieć:

- co się dzieje w samym środku? - w którym niby pole elektryczne osiąga nieskończoność we wszystkich kierunkach - bezsens ...

- dlaczego ładunek jest skwantowany?

Drugą własność możemy łatwo wbudować w równania Maxwella - wtedy ładunki będą występować tylko w porcjach - kwantach: cząstkach.

Takie podejścia też naprawia sytuację w centrum ładunku - tam gdzie pole elektromagnetyczne traci sens (bezmasowe bozony Goldstona), z powodu więzów topologicznych aktywowane są inne stopnie swobody: oddziaływania słabego i silnego - masywne stopnie swobody "pod górkę" w potencjale Higgsa - pozwalając gładko skleić pole w środku, nadając cząstce masę ( http://iopscience.io...61_1_012022.pdf ).

 

Dalej czym jest np. foton optyczny? Jest konkretną falą elektromagnetyczną wyprodukowaną przez pojedynczy atom i później często zaabsorbowaną przez pojedynczy atom - jest "nierozpływającą" się konfiguracją pola (co technicznie nazywa się solitonem), która niesie energię, pęd i (prawdziwy fizyczny) moment pędu. Trzeba znaleźć i zrozumieć tą konfigurację pola i jej dynamikę.

 

Żadnych strun, dodatkowych wymiarów czy innych koncepcji ze stratreka, tylko poukładać, dopracować to czego jesteśmy pewni: np. równania Maxwella pozwalają na dowolne ładunki, a wiemy że tak naprawdę występują one tylko w wielokrotnościach ładunku elementarnego (są skwantowane) - trzeba to spójnie zgrać (np. Faber).

Trzeba znaleźć konkretne modele za abstraktami MS, tak żeby móc wyliczać efektywnie obserwowane parametry: metodologii/modelu standardowego.

[Piotr_ 6]

Brawo, w końcu konkrety! Nadal jednak nie rozumiem buntu przeciwko niezrozumiałym zjawiskom w centrum elektronu - jak już wspomniałem, może to być efekt ułomności naszej matematyki (matematyko - wybacz!).

Pan postuluje fizykę wynikającą z matematyki. Kolejność jest jednak odwrotna - to faktyczny stan fizyki wpływa na to, w jakim zakresie i w jaki sposób można dane zjawisko zmatematyzować. Prawa fizyki oparte na naszej matematyce mają święte prawo załamać się w punktach "ekstremalnych" - centrum elektronu, wnętrze czarnej dziury etc.

I jeszcze jedno - ładunek może być skwantowany, "bo tak", bo tyle właśnie w naszej rzeczywistości wynosi kwant ładunku. To tak, jakby próbować zrozumieć, dlaczego prędkość światła w próżni jest taka a nie inna. Powtórzę się: tak po prostu przewiduje matematyczny model Einsteina.

 

Obawiam się, że niektórych rzeczy ludzkość po prostu nie będzie w stanie nigdy zrozumieć. Całkiem możliwe, że niektóre gałęzie nauki mogą zbliżać się do granicy ludzkiego poznania.

I każdy naukowiec powinien mieć tego świadomość.

P_.

[thikim 119]

Dalej czym jest np. foton optyczny? Jest konkretną falą elektromagnetyczną wyprodukowaną przez pojedynczy atom i później często zaabsorbowaną przez pojedynczy atom - jest "nierozpływającą" się konfiguracją pola (co technicznie nazywa się solitonem), która niesie energię, pęd i (prawdziwy fizyczny) moment pędu. Trzeba znaleźć i zrozumieć tą konfigurację pola i jej dynamikę.

Jak najbardziej jestem za tym zwłaszcza że mnie to nurtuje od dawna. I to jako technika.

Ale może przy okazji przejdziemy od Wielkiej Fizyki do trochę mniejszej. Jak to jest że jest fala o długości załóżmy 1 m, zdaje sie f=300 MHz ale to nieistotne jest. Więc jest taka fala. Ale gdzie jest foton? Jest jeden czy wiele? Mieszczą się w okresie (czasie) czy czysto przypadkowo są rozrzucone? itd. A może poprostu foton jest rozproszony przez Heisenberga. Nie ma miejsca, tylko prawdopodobieństwo? Byłbym rad za wskazówki.

[Jarek Duda 140]

Pytanie o foton optyczny jest rzeczywiście podstawowe - ortodoksi zwykle zadowalają się stwierdzeniem że jest to fala płaska, jednak dobrze wiemy że sytuacja jest trochę bardziej skomplikowana ...

Jak ta fala jest rozrzucona podpowiadają lasery o bardzo krótkich impulsach - minimalna długość impulsu to jest około jeden okres, czyli pojedynczy foton ma długość rzędu jednej długości fali - można go sobie wyobrazić jako taka pojedyncza falka góra-dół.

Natomiast bardzo silną podpowiedzią czym jest dokładnie, jest ta jego najbardziej nietrywialna własność: moment pędu - prawdziwy fizyczny, którym można obracać makroskopowe obiekty jak na tym filmiku (ok. 20s zmienia polaryzację na odwrotną): http://www.youtube.com/watch?v=vB35YaBuebI

Czyli z twierdzenia Noether, coś też musiało się obracać podczas jego kreacji ... to że mówimy że ma spin 1 oznacza że zwykle powstaje przy zmianie spinu elektronu o 1: np. z -1/2 na +1/2 ... czyli po prostu że elektron obraca się o 180 stopni - mamy szukaną rotację.

Wkładając wiosło do wody i obracając o 180 stopni, czy np. za śrubą okrętową powstają "fale wirowe" - niosące moment pędu. W wodzie mamy lepkość więc szybko dysypują.

Natomiast w elektromagnetyzmie nie ma lepkości - fala typu twist powstała z obrotu elektronu o 180 stopni może pędzić nieuszkodzona - mamy nasz foton optyczny.

Taki obrót to jest najpierw przyspieszenie kątowe, potem zwolnienie do zera - jest "pojedynczą falką góra-dół".

[thikim 119]

Nie no, ale fala może mieć dowolną długość w stosunku do okresu. Może być nawet fala EM o czasie trwania równym 1/10000 0000 okresu, hmm chociaż jakiegokolwiek czasu byśmy nie dobrali to utworzy nowy okres. To też musi być przecież foton.Więc jaki to foton jednomilionowy?

A dokładniej pisząc:

Generujemy falę o częstotliwości 0,5 Hz - chociażby bawiąc się magnesem.W górę i w dół i z powrotem mamy pełen zakres, 1 okres fali, 2 sekundy czasu. Gdzie te fotony?

I drugi przypadek zamiast poruszać w górę i w dół ruszyliśmy tylko w górę i w dół. W porównaniu do poprzedniej to jest pół fali. Ale przecież fotonu nie będzie pół.

Każdy ma jakąś energię, my też włożyliśmy jakąś energię. Jako że f dajemy stałe, a energii mamy dwukrotnie mniej to możemy mieć tylko 2 razy mniej fotonów.

Tak się bawiąc możemy zmniejszać liczbę fotonów dowolnie aż do jednego. Ale gdzie te fotony.

Ja nie pytam o powstanie, ja pytam o ruch fotonu dla fali o długości np. 1 km. Gdzie on jest i ile ich jest. Pole EM zmienia się na olbrzymich obszarach, więc którędy te fotony się przemieszczają.

Łatwo sobie wyobrazić strumień fotonów w laserze ale gdzie one są w fali o dużo mniejszej f? Np. w fali o długości 1 km.

Rozumiem że powinienem przyjąć że "widzę" po prostu falę bo takie właściwości kwant EM przejawia silniej w tym zakresie. Ale nie ma tak łatwo. Zawsze powinny być widoczne zarówno cechy falowe jak i cząstkowe. Oba łączy wybraźnia.

Ale jakoś dla 1 km moja wyobraźnia nie działa za dobrze. Widzę falę, ale cząstki moja wyobraźnia nie dostrzega.

[Jarek Duda 140]

Napisałem wyraźnie o bardzo specyficznych falach: fotonach optycznych - pojedynczy atom często produkuje pojedynczy foton, a później inny atom go absorbuje - które są wyraźnie skwantowane: w zlokalizowanych porcjach.

Zwolennicy przybliżenia perturbacyjnego rzeczywiście chcą wszędzie widzieć cząstki, np. oddziaływanie dwóch naładowanych obiektów jako wymiana wirtualnych fotonów ... podczas gdy bez przybliżeń pole dookoła ładunku jest sferycznie symetryczne - nie ma tam miejsca na zlokalizowane porcje.

Ogólnie w polu (np. na powierzchni wody) mogą występować przeróżne rodzaje fal. Te zlokalizowane (tzw. solitony) są specjalnymi możliwościami (jak tsunami), nie zawsze dostępnymi (wymagają odpowiedniej nieliniowości i warunków powstania) ... też nie zawsze posiadają charakterystyczną cechę fotonów optycznych: moment pędu (posiadają ją wiry).

[Przemek Kobel 65]

@thikim: Mały błąd w rozumowaniu. Tym magnesem nie wytworzysz połowy fali. Przecież magnes wcześniej gdzieś leżał, miał swoje ustawienie - machając nim tylko kontynuujesz jego dotychczasową "emisję". On się nagle nie wziął znikąd we Wszechświecie, żebyś mógł nim powytwarzać kawałki fali.

[thikim 119]

Hmm, rozwiń jak możesz. Jeśli była długa przerwa w emisji to dalej uważasz to za kontynuację emisji?

Pole zmieniało się, potem przez pewien czas było stałe-rozumiem zero fotonów, potem znowu zaczęło się zmieniać. Jeśli przez pewien czas pole było stałe to o jakiej emisji piszesz? Zero fotonów - zero emisji.

Do Jarka:

Ja rozumiem że piszesz o fotonach "optycznych", poza energią to czy jest jakaś różnica pomiędzy nimi a innymi fotonami? Ja zaś piszę o całym zakresie fal jakie można wygenerować.

Są tam fotony czy nie są?

Czy dobrze Cię rozumiem że foton to tylko szczególny rodzaj fali - soliton?

Dla mnie foton to każde zaburzenie pola EM. Ale może się mylę.Nie uważam żeby mogła istnieć albo cząstka albo fala. Każda fala niesie energię w postaci zaburzenia pola. W związku z tym jest to też cząstką.

My możemy ją zobaczyć jako cząstkę albo/lub jako falę. Ale zawsze to jest jedno i drugie.

Czasami przyrządy pozwolą nam zobaczyć ją tylko w jednej postaci, ale to nie zmienia faktu że istnieją dwie. Ograniczenia przyrządów można obejść eksperymentami myślowymi (wyobraźnią).

I to jest moje zasadnicze pytanie:

Jak zobaczyć (pytam o wyobraźnię) foton np. w fali o f=0,5 Hz która ma długość rzędu tysięcy km. Gdzie on jest, ile ich jest, jak są rozmieszczone?. Według Jarka jeśli rozumiem nie ma tam miejsca na foton.

[Przemek Kobel 65]

I znowu błąd - nie było żadnej przerwy w emisji, tylko dłuższe zmniejszenie częstotliwości wynikowej. Nie wiem czy pamiętasz, ale pan Fourier potrafił tak połączyć przebiegi sinusoidalne, żeby np. wyszedł pojedynczy schodek (linia prosta przed schodkiem, potem skok o jakąś wartość, a potem znowu linia prosta na poziomie wyższym o tę wartość).

 

Zresztą, co ja się będę popisywał szkołą średnią, lepsze są ruchome obrazki:

 

http://pl.wikipedia.org/wiki/Szereg_Fouriera

 

(wspomniany schodek to po prostu połączenie wszystkich freq. tzn, od 0 do +nieskończoności)

[thikim 119]

Ok pamiętam, ale Ty pamiętaj że Fourier to jedynie narzędzie matematyczne. To że opisuje jakieś zjawisko nie oznacza że odbywa się ono w taki sposób.

Jeśli nie ma ruchu, nie ma emisji, nie ma fotonów. To że możemy to matematycznie aproksymować nie oznacza że fizyka zjawiska na tym polega.

To że aproksymujesz schodki Fourierem jest związane jedynie z łatwo obliczalnym aparatem matematycznym dla fal sinusoidalnych a nie z tym że generujemy wiele sinusoid. Nie wiem jak prościej napisać.

Przerwa to przerwa a jej aproksymowanie sinusoidami służy jedynie ułatwieniu obliczeń.

Zauważ co wynika z tego jeśli to bezmyślnie zastosować:

z tego wynika że mimo iż magnes stoi, fotony są generowane ciągle bo jest nieskończenie wiele sinusoid. Zaprzecza to zasadzie zachowania energii.

Magnes stoi = nie ma sinusoid = nie ma fotonów.

Przy okazji po studiach wiedziałbyś że w tym przypadku musimy już zastosować transformatę Laplace'a

Co i tak nie zmienia faktu że jest to aparat matematyczny umożliwiający obliczenia a nie zrozumienie procesu.

Ponawiam pytanie:

Jak zobaczyć (pytam o wyobraźnię) foton np. w fali o f=0,5 Hz która ma długość rzędu tysięcy km. Gdzie on jest, ile ich jest, jak są rozmieszczone?. Według Jarka jeśli rozumiem nie ma tam miejsca na foton.

[Przemek Kobel 65]

Jeśli nie ma ruchu.

 

Kolejny błąd, jeśli wierzyć panu Einsteinowi.

 

To że aproksymujesz schodki Fourierem jest związane jedynie z łatwo obliczalnym aparatem matematycznym dla fal sinusoidalnych a nie z tym że generujemy wiele sinusoid. Nie wiem jak prościej napisać.

 

Ja bym głowy nie dał. W sensie - nie położyłbym jej na pieńku i nie powiedział panu małodobremu, żeby rąbał, jeśli tylko dozna objawienia i przez chwilę będzie w stanie ocenić, że w absolutnej rzeczywistości ich nie generujemy.

[Jarek Duda 140]

thikim, owszem - foton optyczny to bardzo specjalna fala - mógł być wyprodukowany np. przez pojedynczy atom lata świetlne stąd, a teraz zaaobsorbowany przez inny pojedynczy atom - jest poruszającą się praktycznie po prostej pojedynczą porcją energii (hbar*omega).

Natomiast taka antena czy wrzucenie kamienia do wody produkuje np. sferycznie symetryczne fale - w których w przeciwieństwie do fotonów optycznych, gęstość energii rozrzedza się z odległością (dysypują).

To jest standardowe zachowanie pola - praktycznie każde pole ma takie zwykłe dysypujące fale. Co jest nietypowe to istnienie niedysypujących, zachowujących kształt lokalnych konfiguracji pola (solitony: http://pl.wikipedia.org/wiki/Soliton ) - jak fluxon w nadprzewodniku czy foton optyczny.

Na przykład dla zwykłych fal mamy zasadę Huygensa, natomiast jak pojedynczy foton optyczny przejdzie przez wąską szczelinę, dalej pozostanie pojedynczym fotonem, który kiedyś pewnie wzbudzi pojedynczy atom.

 

Inną sprawą jest że zwykłe fale możemy kwantować przy odbiorze: reznatory jak atomy zbierają energię dookoła specyficznej częstotliwości - czyli jakby przeprowadzają transformatę Fouriera tej fali jako ciągłej konfiguracji pola i wygryzają tylko dookoła jednej częstotliwości.