Περί Κβαντικής Φυσικής

Τις τελευταίες μέρες έχει γίνει αρκετή συζήτηση γύρω από την απόφαση της Ένωσης Ελλήνων Φυσικών να εκδώσει ένα βιβλίο μίας ηθοποιού η οποία προσπαθεί να συνδέσει το θέατρο και τις τέχνες με την κβαντική φυσική. Δεν έχω σκοπό να αναπαράγω αυτούσια μέρη του βιβλίου αλλά όπου χρειαστεί θα παρουσιάσω το κύριο νόημα.

Στο συγκεκριμένο βιβλίο σε κάποια αποσπάσματα, τα οποία έχουν δημοσιευθεί, ουσιαστικά η συγγραφέας αναφέρει ότι μέσω του διαλογισμού μπορείς να επικοινωνήσεις με τον εσωτερικό σου κόσμο, κυριολεκτικά, και να νοιώσεις τα άτομα από τα οποία αποτελείσαι, ακόμα και τα στοιχειώδη σωματίδια τα οποία δομούν τα άτομα σου. Έτσι καταφέρνεις να συνδεθείς  με τον κβαντικό σου κόσμο.

Εδώ λοιπόν θα βάλω μία τελεία και θα προσπαθήσω να κάνω ξεκάθαρα κάποια πράγματα. Τι είναι η κβαντική φυσική και τι δεν είναι.

Η κβαντική φυσική είναι η τελευταία μεγάλη επανάσταση που υπήρξε στην επιστήμη. Ήταν η κατάρρευση ενός κόσμου και η δημιουργία ενός νέου, ο οποίος βέβαια περιλαμβάνει τον παλιό.

Μέχρι τον ερχομό του Γαλιλαίου και την εισαγωγή της πειραματικής διαδικασίας η φυσική ήταν άρρηκτα συνδεδεμένη με την φιλοσοφία. Φιλοσοφία, Φυσική και Μαθηματικά είναι έννοιες ταυτόσημες στην Ευρώπη από τα αρχαία χρόνια. Ο Αριστοτέλης, ο Πυθαγόρας, ο Δημόκριτος και άλλοι είναι ταυτόχρονα φιλόσοφοι και φυσικοί και μαθηματικοί. Μέχρι την στιγμή που θα εισάγει ο Γαλιλαίος το πείραμα στην καθημερινότητα του φυσικού και η επιστήμη με την φιλοσοφία επιτέλους παίρνουν ξεχωριστούς δρόμους. Η Φυσική στηρίζεται στην αιτιοκρατία. Τα πάντα συμβαίνουν για ένα λόγο. Ένα αντικείμενο κινείται ή παραμορφώνεται επειδή του ασκείται κάποια δύναμη. Μέχρι την γέννηση της κβαντικής φυσικής κάτι τέτοιο φαντάζει απόλυτα λογικό και το να ισχυριστεί κάποιος το αντίθετο μάλλον είναι αδύνατο.

Κι ερχόμαστε στο περίφημο πείραμα της διπλής σχισμής. Στο πείραμα αυτό μελετούσαν μία δέσμη ηλεκτρονίων, η οποία περνά μέσα από μία διάταξη δύο παράλληλων σχισμών. Στη συνέχεια τα ηλεκτρόνια που περνούσαν από τις σχισμές έπεφταν σε μία οθόνη. Το παράδοξο του πειράματος ήταν πως ανάλογα με το μέρος που «κοιτάμε», σχισμή ή οθόνη, αλλάζουν τα αποτελέσματα του πειράματος! Η αιτιοκρατία λοιπόν χάνει την κούρσα και ξεκινάει η εποχή της πιθανοκρατίας και η κβαντομηχανική επανάσταση.

Η διαφορά της κβαντικής μηχανικής με την κλασική εν συντομία είναι στις μετρήσεις. Στην κλασική μηχανική όταν μελετάω την κίνηση ενός οχήματος ξέρω ακριβώς την θέση του, την ταχύτητά του, την μάζα του, όλες τις πληροφορίες που διέπουν την κίνηση του.

Αντίθετα στην κβαντική μηχανική δεν μπορώ να μετρήσω ταυτόχρονα και με απόλυτη βεβαιότητα όλα τα μεγέθη που καθορίζουν την κίνηση του σώματος. Μπορώ να υπολογίσω ένα εύρος τιμών αλλά όχι ακριβή τιμή. Όπως αναφέρει και η Αρχή της Απροσδιοριστίας του Heisenberg θα ξέρω ή την θέση του σώματος ή την ορμή του όχι και τα δύο ταυτόχρονα.

screenshot_2

Μία ακόμη διαφορά της κβαντικής φυσικής με την κλασική είναι το μηδέν ως μέτρηση. Στην κβαντική φυσική δεχόμαστε πως η δυνατή τιμή που μπορεί να λάβει ένα μέγεθος είναι πολλαπλάσιο μίας ελάχιστης ποσότητας. Το μηδέν λοιπόν δεν μπορεί να εκφράσει ως τιμή το μέγεθος αυτό, δηλώνει μόνο την απουσία του μεγέθους αυτού.

Για παράδειγμα όταν μελετάμε το ηλεκτρόνιο στο άτομο του Υδρογόνου, όπως στη Φυσική Γενικής Παιδείας Β’ Λυκείου (παλιά Γ’ Λυκείου), η ελάχιστη ακτίνα του ηλεκτρόνιου από τον πυρήνα, η ακτίνα του Bohr, έχει μία συγκεκριμένη τιμή και κάθε άλλη τιμή που θα πάρει η ακτίνα είναι ακέραια πολλαπλάσια της. Αντίστοιχα η ταχύτητα του έχει πάλι κάποια ελάχιστη τιμή και οι υπόλοιπες είναι ακέραια πολλαπλάσια της.

Συνοψίζοντας η κβαντική φυσική ισχύει όταν μελετάμε τον μικρόκοσμο και αντίστοιχα η κλασική στον μακρόκοσμο.

Ας δούμε τώρα λίγο τι δεν είναι η κβαντική φυσική και γενικά η φυσική ως επιστήμη.

Τα συναισθήματα δεν είναι ένα φυσικό μέγεθος το οποίο μπορεί να μετρηθεί. Δεν μπορώ να μετρήσω με κάποιο τρόπο την χαρά ή τη λύπη. Δεν μπορώ να κατατάξω ως διανυσματικό ή μονόμετρο μέγεθος τον φόβο. Κανένα συναίσθημα λοιπόν δεν μπορεί να μελετηθεί από την φυσική ή κάποια άλλη θετική επιστήμη. Δεν επηρεάζεται ποτέ κανένα πείραμα αν την στιγμή που το κάνουμε είμαστε χαρούμενοι ή λυπημένοι, όσο και αν διάφορα βίντεο στο youtube προσπαθούν να πείσουν για το αντίθετο. Δεν μπορούμε να φτάσουμε μέσω του διαλογισμού στο κβαντικό επίπεδο, όσο και αν το θέλουμε. Φανταστείτε ότι για να καταφέρουμε κάτι τέτοιο σε πειραματικό επίπεδο, χρειάζεται ένα τεράστιο εργαστήριο όπως αυτό στην Γενεύη το CERN, με 2.500 επιστήμονες προσωπικό. Η κβαντική φυσική δεν μπορεί να σας βοηθήσει να οργανώσετε την ζωή σας ούτε να βρείτε τον εαυτό σας όσο και αν το λένε κάποια “quantum life coaches”.

Σίγουρα όταν κάποιος άνθρωπος, ο οποίος έχει μηδαμινή σχέση με την επιστήμη της φυσικής, ακούσει πως ο τάδε έχει τον δείνα τίτλο και δει στον τίτλο τον όρο «κβαντικός» σίγουρα θα «τσιμπήσει».

Η φυσική λοιπόν έχει ως στόχο να καταγράψει την αλήθεια, να δώσει απαντήσεις για τον κόσμο μας, σε ερωτήματα που υπάρχουν εδώ και χιλιάδες ή εκατοντάδες χρόνια. Οι απαντήσεις αυτές πρέπει να είναι συγκεκριμένες και επιστημονικά τεκμηριωμένες. Για κάθε θεωρία που διατυπώνεται υπάρχει και το πείραμα το οποίο θα πρέπει να την επιβεβαιώσει. Δεν μπορεί να απαντήσει «φιλοσοφικά» ερωτήματα ούτε να σε βοηθήσει στον διαλογισμό σου.

Υ.Γ. 1 Από τη σελίδά ενός quantum life coacher: «Quantum Life Coaching is a powerful way for anyone to see themselves in a new light, a way of motivating the best in a person»

Υ.Γ. 2 Το παρακάτω βίντεο αναφέρεται στο πείραμα που έκανε ο «Δρ» Μασάρου Εμότο. Το μόνο πρόβλημα είναι πως ο «δρ» ουδέποτε κατείχε κάποιο διδακτορικό τίτλο για να τον κάνει δρ και όταν του έταξαν 1.000.000 δολάρια για να αναπαράγει το πείραμα του με παρουσία άλλων επιστημόνων δεν το αποδέχθηκε. Βίντεο

Advertisements

Σφαιρική Γη vs Επίπεδης Γης

Τις τελευταίες μέρες αρκετός ντόρος έχει γινεί σχετικά με το σχήμα που έχει η Γη, επιστρέφοντας τον τρόπο σκέψης και την γνώση της ανθρωπότητας αιώνες πίσω. Η Γη είναι σφαιρική ή επίπεδη; Αυτό το ερώτημα λοιπόν ταλανίζει ξανά τον άνθρωπο, επιστήμονες ή μη, και ο καθένας προσπαθεί να δώσει τις απαντήσεις του.

 

Στο σημείο αυτό πρέπει να θέσουμε τις βάσεις για να συνεχίσουμε την συζήτησή μας. Δεν μπορούμε και δεν έχουμε το δικαίωμα να συγχέουμε έννοιες και να ερμηνεύουμε τα φαινόμενα κατά το δοκούν. Δηλαδή, θυμάμαι ένα βίντεο στο youtube, στο οποίο ο δημιουργός του προσπαθώντας να αποδομήσει τη θεωρία της βαρύτητας και κατ’ επέκταση στο μυαλό του και την σφαιρικότητα της Γης, βουτάει σε ένα ενυδρείο μπάλες, μπαλόνια και άλλα αντικείμενα, αγνοώντας μία δύναμη που είναι γνωστή 2.500 χρόνια τώρα χάρις τον Αρχιμήδη, την άνωση. Και επειδή η πλειοψηφία των θιασωτών της «νέας» αυτής θεωρίας δεν το έχουν και πολύ με τα μαθηματικά θα προσπαθήσω να μην αναφερθώ καθόλου σ’ αυτά.

 

Για αρχή δεν μπορώ να καταλάβω ποιο είναι το πρόβλημα ακριβώς. Άντε και η Γη είναι επίπεδη και οι φυσικοί σας λέμε ψέμματα. Για ποιο λόγο να συμβαίνει όμως αυτό; Το σχήμα της Γης θα επηρεάσει κάποιον στην καθημερινότητά του; Σαφώς και όχι. Το σχήμα της Γης θα επηρεάσει τις κινήσεις τον αεροπλάνων και τους δορυφόρους, τίποτα περισσότερο.

 

Τα αεροπλάνα κινούνται σε μέγιστους κύκλους, δηλαδή σε κύκλους που έχουν διάμετρο ίση με την διάμετρο της Γης. Αυτές είναι και οι συντομότερες διαδρομές σε μία σφαίρα, οι λεγόμενες γεωδαισιακές. Όπως έχω μάθει οι υποστηρικτές της επίπεδης Γης θεωρούν πως κάτι τέτοιο συμφέρει οικονομικά τις αεροπορικές εταιρίες για να δηλώνουν μεγαλύτερη κατανάλωση καυσίμων, άρα και πιο ακριβά εισιτήρια.  Βέβαια από μαθηματικής άποψης η καμπύλη μετατρέπεται σε ευθεία γραμμή αν ο χώρος είναι επίπεδος οπότε η ρότα του αεροπλάνου παραμένει η ίδια.

 

Ένα ζήτημα που δεν μπορεί να απαντήσει η θεωρία της επίπεδης Γης είναι οι ζώνες ώρας. Σε όλο τον πλανήτη υπάρχουν 39 ζώνες ώρας δηλαδή 39 διαφορετικά σημεία του πλανήτη δείχνουν διαφορετική ώρα. Πως θα ήταν κάτι τέτοιο δυνατό με την Γη επίπεδη και τον Ήλιο απλά ένα ουράνιο σώμα από πάνω της; Πως θα μπορούσαν επίσης να εξηγήσουν ηλιακές και σεληνιακές εκλείψεις ή ακόμα και τις φάσεις της Σελήνης, τα οποία τα εξηγούμε εύκολα με την Γη σφαιρική; Πόσο εύκολα; Τόσο ώστε να τα διδάσκουμε στην Γ’ Γυμνασίου, δηλαδή σε παιδιά 14, 15 χρονών, χωρίς μαθηματικά.

 

Επιπλέον μιας και αναφερθήκαμε στον Ήλιο. Είναι γνωστό πως όσο απομακρυνόμαστε από τον ισημερινό αλλάζει και η θέση του Ήλιου στον ουρανό. Όσο πιο βόρεια ή νότια ταξιδεύουμε τόσο πιο χαμηλά θα βρίσκεται και ο Ήλιος. Επιπλέον σε μία επίπεδη Γη χωρίς πόλους πως είναι δυνατόν να παραχθεί το Σέλας; Πως είναι δυνατόν να υπάρχει αναστροφή αστερισμών ή ακόμη και διαφορετικοί αστερισμοί σε διαφορετικές περιοχές χωρίς ημισφαίρια;

 

Και πάμε λίγο πιο μακρυά στα βάθη της ιστορίας. Οι αρχαίοι Έλληνες είχαν σοβαρές υπόνοιες, και από κάποια στιγμή και μετά θεώρησαν πως έτσι είναι, ότι η Γη είναι σφαιρική. Απλή απόδειξη τα πλοία που τα έβλεπαν να χάνονται από το οπτικό τους πεδίο καθώς ταξίδευαν. Τελευταίο κομμάτι του πλοίου που έβλεπαν ήταν το κατάρτι επομένως μπορούσαν να καταλάβουν, άνθρωποι πριν από 2.500 χρόνια τα οποία δεν είχαν εισάγει το πείραμα στην διαδικασία της σκέψης τους, πως για να βλέπουμε το υψηλότερο σημείο του πλοίου τελευταίο πως η Γη δεν είναι επίπεδη. Το ίδιο έκανε και ο Μαγγελάνος, ο οποίος άρχισε να ταξιδεύει δυτικά και κατέληξε εκεί από πού ξεκίνησε. Επίσης πως είναι δυνατόν να μπορούμε να δούμε την Σαντορίνη από την κορυφή του Ψηλορείτη με καθαρή ατμόσφαιρα και όχι από κάποιο κρητικό λιμάνι ή παραθαλάσσιο μέρος;

 

Ο Ερατοσθένης κατάφερε και υπολόγισε την περιφέρεια της Γης το 300 π.Χ. περίπου κάνοντας χρήση συνθηκών που δεν θα ίσχυαν σε επίπεδη Γη. Και την βρήκε με αρκετά μεγάλη ακρίβεια.

 

Ένας τελευταίος λόγος που μπορούμε να είμαστε σίγουροι ότι η Γη είναι σφαιρική είναι οι σεισμοί. Ένα σεισμικό κύμα περιλαμβάνει ένα εγκάρσιο κι ένα διαμήκες κύμα. Τα εγκάρσια κύματα μπορούν να διαδοθούν μόνο μέσα σε στερεά υλικά μέσα ενώ τα διαμήκη και σε υγρά και σε αέρια.  Όταν ένας σεισμός καταγραφεί σε κάποια περιοχή της Γης τότε αυτόματα στον χώρο γύρω από το επίκεντρο οι πλησιέστεροι σεισμογράφοι καταγράφουν τα δύο αυτά κύματα. Αντιδιαμετρικά του επίκεντρου ένας σεισμογράφος θα καταγράψει μόνο το διαμήκες κύμα. Ο λόγος; Ο πυρήνας της Γης είναι ρευστός και «κόβει» το εγκάρσιο.

 

Θα μπορούσα να αρχίσω να παραθέτω και μαθηματικές αποδείξεις αλλά κάτι τέτοιο είναι εκτός της λογικής της εκλαΐκευσης της επιστήμης. Η Γη είναι σφαιρική, το γνωρίζουμε χιλιάδες χρόνια τώρα, έχουμε αποδείξεις για αυτό, ακόμη και φωτογραφίες από διαστημικές αποστολές και το κυριότερο δεν υπάρχει λόγος να μας πούνε ψέμματα για κάτι τέτοιο.

Το ταξίδι του Άγιου Βασίλη

Κάθε χρόνο ο αγαπημένος Άγιος των παιδιών καλείται να παραδώσει τα δώρα τους σε μία μόλις μέρα. Πόσο γρήγορα λοιπόν πρέπει να ταξιδεύει για να φέρει εις πέρας την αποστολή του; Η απάντηση στη παρακάτω εικόνα…!

the-physics-of-santa-infographic_50d48e9152c12_w1500

 

 

Η αποστολή Juno στον πλανήτη Δία

Το 2016 αναμφισβήτητα είναι η χρονιά της Φυσικής. Μετά την ανακάλυψη των βαρυτικών κυμάτων, μία ακόμη επιτυχία ήρθε για τον κόσμο της Φυσικής. Η αποστολή Juno της NASA κατάφερε να φθάσει στον προορισμό της μετά από ένα ταξίδι πέντε χρόνων. Έτσι από 4 Ιουλίου το διαστημόπλοιο Juno είναι σε τροχιά γύρω από τον Δία, προκειμένου να μελετήσει το μαγνητικό και βαρυτικό του πέδιο, την ατμόσφαιρά του (μία καταιγίδα μπορεί να διαρκέσει και αιώνες ακόμα) και το κυριότερο τις συνθήκες δημιουργίας του πλανήτη γίγαντα.

Juno 1

Ο Δίας είναι ο πέμπτος στη σειρά από τον Ήλιο πλανήτης, ο μεγαλύτερος του ηλιακού συστήματος. Στην εικόνα φαίνεται το διαστημόπλοιο Juno μπροστά από τον πλανήτη Δία.

Το ενδιαφέρον μας πρέπει να στραφεί και στο διαστημόπλοιο αυτό καθέ αυτό αφού η κίνηση και γενικότερα η λειτουργία του γίνεται με την χρήση αποκλειστικά ηλιακής ενέργειας.

 

Παρακάτω υπάρχει ένα βίντεο της Europlanet, με τίτλο: «Jupiter and its Icy Moons», το οποίο συνοψίζει το θέμα της αποστολής καθώς και της μελλοντικές αποστολές που στόχο έχουν τρία από τα φεγγάρια, δορυφόρους πιο σωστά, του Δία (Ευρώπη, Γανυμίδη και Καλλιστώ).

 

 

 

Κβαντικοί Υπολογιστές

Οι περισσότεροι από μικροί ηλικία αναφερόμασταν στους κβαντικούς υπολογίστες χωρίς να ξέρουμε τι ακριβώς είναι και πως λειτουργούν. Στο παρακάτω βίντεο μπορούμε να δούμε αναλυτικά τι είναι ο κβαντικός υπολογιστής.

Οι Η/Υ λειτουργούν βάσει του δυαδικού συστήματος του διαδικού συστήματος 0 και 1. Σε όποια γλώσσα προγραμματισμού και αν γράψουμε εμείς ο υπολογιστής θα την μετατρέψει στο δυαδικό σύστημα. Τα ψηφία αυτά αποτελούν τα bit του υπολογιστή.

Ο κβαντικός Η/Υ χρησιμοποιεί τα qubit (quantum bit) τα οποία μπορεί να είναι ταυτόχρονα 0 και 1. Συνήθως για πηγή ενός qubit χρησιμοποιούμε ένα ηλεκτρόνιο. Χρησιμοποιώντας το spin των ηλεκτρονίων μπορούμε να παράγουμε τα qubit.

Για όσους δεν είναι εξοικιωμένοι με την κβαντική μηχανική, ας τους πληροφορήσουμε, πως δεν μπορούμε ποτέ να ξέρουμε ακριβώς το spin του ηλεκτρονίου. Θα υπάρχει μία πιθανότητα να είναι 1 ή να είναι 0 αλλά ποτέ δεν θα είμαστε σίγουροι πόσο είναι. Αυτή είναι και η «μαγεία» της κβαντομηχανικής.

Παρακάτω ακολουθούν δύο βίντεο τα οποία αναφέρονται στους κβαντικούς Η/Υ. Το πρώτο είναι ένα μικρό βίντεο διάρκειας 6 λεπτών με ελληνικούς υπότιτλους ενώ το δεύτερο είναι πιο αναλυτικό και είναι το ντοκιμαντέρ Quantum Computer in a Nutshell

Η ζωή στο σύμπαν

Στο παρακάτω βίντεο μπορείτε να δείτε μία διάλεξη του Brian Greene  η οποία δόθηκε στα πλαίσια του Ted-Talk με θέμα την καταλληλότητα του σύμπαντος μας για την ύπαρξη της ζωής.

LHC: τα νέα σύνορα της φυσικής

Εγκαινιάζουμε μία νέα στήλη του blog αφιερωμένη στην εκλαΐκευση της φυσικής ως επιστήμη, πέρα δηλαδή από ένα μάθημα που ζορίζει και ταλαιπωρεί τη πλειοψηφία των μαθητών.

Η αρχή γίνεται με ένα βίντεο από το κανάλι του CERN στο youtube σχετικά με το Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονιών, δηλαδή τον LHC και για τα νέα δεδομένα που έχουν σκοπό να ανακαλύψουν εκεί.

Welcome to LHC season 2: new frontiers in physics at #13TeV