Το ταξίδι ενός φωτονίου...

Η ιστορία της εξέλιξης της ζωής στη Γη κατά τη διάρκεια του ταξιδιού ενός φωτονίου στο σύμπαν. Από τον Saul Perlmutter, που μοιράστηκε με τους Adam Riess και Brian Schmidt, το βραβείο Νόμπελ Φυσικής 2011 για την ανακάλυψη της επιταχυνόμενης διαστολής του σύμπαντος. 
Πηγή:

Το μποζόνιο Χιγκς στη ζωή μας...

Η βασική έρευνα, το μποζόνιο Χιγκς και γιατί πρέπει να εκπαιδεύει και το ελληνικό πανεπιστήμιο...Μια ομιλία του Μιχάλη Μπαχτή στο TEDx Academy στην Αθήνα.

Η μικρότερη δύναμη που έχει μετρηθεί ποτέ!

Χρησιμοποιώντας μια πειραματική διάταξη με δέσμες λέιζερ και μετέωρα άτομα παγωμένα κοντά στο απόλυτο μηδέν, αμερικανοί ερευνητές ανίχνευσαν τη μικρότερη δύναμη που έχει μετρηθεί ποτέ. Όπως αναφέρουν στο περιοδικό Science, η μέτρηση πλησιάζει το απόλυτο όριο που θέτουν οι αρχές της κβαντικής φυσικής.Η δύναμη που μέτρησαν οι ερευνητές του Εθνικού Εργαστηρίου «Λόρενς Μπέρκλεϊ» και του Πανεπιστημίου της Καλιφόρνια στo Μπέρκλεϊ είχε μέγεθος 24 yoctonewtons ή 24 x 10-24 Newton. Συγκριτικά, μια πεταλούδα βάρους ενός γραμμαρίου που κάθεται σε ένα φύλλο ασκεί δύναμη 9.806.650.000.000.000.458.752 yoctonewton. Όπως εξηγούν οι ερευνητές, στην καρδιά όλων των σύγχρονων ανιχνευτών δύναμης βρίσκονται οι λεγόμενοι μηχανικοί ταλαντωτές, διατάξεις που μετατρέπουν την ασκούμενη δύναμη σε μετρήσιμη μηχανική κίνηση. Η μέτρηση της κίνησης αυτής επιτρέπει τον υπολογισμό της δύναμης. Όταν όμως οι μετρήσεις της κίνησης φτάνουν σε μικρά, κβαντικά μεγέθη, η μέτρηση προσκρούει στα εμπόδια που θέτει η λεγόμενη αρχή της απροσδιοριστίας του Χάιζενμπεργκ: η κίνηση του ταλαντωτή διαταράσσεται από την ίδια την πράξη της μέτρησης και παύει να είναι αξιόπιστη. Το όριο αυτό ονομάζεται «Στάνταρτ Κβαντικό Όριο» ή SQL, και είναι η ακριβέστερη μέτρηση που μπορεί ποτέ να πραγματοποιηθεί. «Μια επιστημονική δημοσίευση του 1980 προέβλεπε ότι θα μπορούσαμε να φτάσουμε το SQL σε διάστημα πέντε ετών» σχολιάζει ο Σταν Ντάμπερ-Κερν, επικεφαλής της τελευταίας μελέτης.«Χρειάστηκε 30 χρόνια περισσότερο από ό,τι είχε προβλεφθεί, τώρα όμως διαθέτουμε μια πειρατική διάταξη που μπορεί να φτάσει πολύ κοντά στο SQL» λέει.Η νέα διάταξη ακολουθεί την αρχή λειτουργίας των μηχανικών ταλαντωτών: «Όταν ασκούμε μια εξωτερική δύναμη στον ταλαντωτή είναι σαν να χτυπάμε ένα εκκρεμές με το ρόπαλο και να μετράμε την αντίδρασή του» εξηγεί ο Σίντνεϊ Σρέπλερ, πρώτος συγγραφέας της δημοσίευσης.Ο λόγος που η διάταξη έφτασε αυτά τα επίπεδα ευαισθησίας ήταν ότι ο μηχανικός ταλαντωτής αποτελούνταν από μόλις 1.200 άτομα. Αποτελούνταν από άτομα ρουβιδίου που διατηρούνταν παγωμένα κοντά στο απόλυτο μηδέν και κρατούνταν μετέωρα σε μια «οπτική παγίδα» με τη βοήθεια ακτίνων λέιζερ που ασκούν στα άτομα αντίρροπες δυνάμεις. Αλλάζοντας ανεπαίσθητα τις ρυθμίσεις στο πεδίο των ακτίνων λέιζερ, οι ερευνητές ανάγκασαν το κέντρο μάζας του μετέωρου αερίου να κινηθεί. Η κίνηση αυτή, η οποία εξαρτάται από τη δύναμη που ασκήθηκε στο κέντρο μάζας του αερίου, μετρήθηκε τελικά με τη βοήθεια μιας άλλης δέσμης λέιζερ.Σε τι όμως θα μπορούσε να χρησιμεύσει μια τόσο ακριβής μέτρηση; Υπάρχουν αρκετές εφαρμογές στη σύγχρονη έρευνα -για παράδειγμα, οι φυσικοί θα μπορούσαν να μετρήσουν αν ο νόμος της βαρύτητας που διατύπωσε ο Νεύτωνας ισχύει και σε μικροσκοπικές κλίμακες. Δες κι εδώ, εδώ

Η πρώτη "φωτογράφηση" του ατόμου του υδρογόνου!

Την πρώτη απ΄ ευθείας παρατήρηση της τροχιάς του ατόμου του υδρογόνου πέτυχε διεθνής ομάδα ερευνητών στο  Ινστιτούτο για την Ατομική και Μοριακή Φυσική  (AMOLF), Άμστερσταμ, Ολλανδία, υπό την Aneta Stodolna (δες εδώ).

Κατάφεραν να απεικονίσουν την κβαντική υπόσταση των ηλεκτρονίων που περιφέρονται γύρω από τον πυρήνα ενός ατόμου υδρογόνου, με άλλα λόγια κατάφεραν να απαθανατίσουν τις κυματοσυναρτήσεις των ηλεκτρονίων σε άτομα υδρογόνου μια και οι κβαντικές ιδιότητες των ηλεκτρονίων καθιστούν ουσιαστικά αδύνατο τον προσδιορισμό της ακριβής τους θέσης (δες κι εδώ).Η χαρτογραφηση της δομής επιτεύχθηκε χάρη σε ένα νέο κβαντικό μικροσκόπιο φωτοϊοντικής μικροσκοπίας (δες κι εδώ), το οποίο απεικονίζει τη δομή άμεσα.Περισσότερα εδώ, εδώ, εδώ, εδώ.

Κλίμακα «μακροσκοπικότητας»;

Το μέγεθος ενός αντικειμένου μπορεί να μετρηθεί με πολλούς τρόπους, όπως κατά μάζα, όγκο, ή ακόμη και σύμφωνα με τον αριθμό των ατόμων που περιέχει. Στην κβαντική φυσική, τα «μακροσκοπικά» αντικείμενα θεωρούνται μεγαλύτερα από ότι τα «κβαντικά», δεδομένου ότι τα πρώτα συνήθως περιγράφονται από τους κλασσικούς φυσικούς νόμους ενώ τα δεύτερα από κβαντικούς νόμους. Ωστόσο, αρκετοί φυσικοί έχουν αμφισβητήσει τα όρια μεταξύ αυτών των δύο κατηγοριών, πραγματοποιώντας πειράματα που υποδεικνύουν ότι πολυσωματιδιακά αντικείμενα μπορούν να υπάρξουν σε κατάσταση κβαντικής υπέρθεσης (δες κι εδώ). Όμως έως τώρα δεν υπήρχε κάποιο εφαρμόσιμο πρότυπο μέτρησης της μακροσκοπικότητας. Σε πρόσφατη δημοσίευσή τους (δες εδώ), οι φυσικοί Στέφαν Νίμριχτερ (Stefan Nimmrichter) του Πανεπιστημίου της Βιέννης και Κλάους Χόρνμπεργκερ (Klaus Hornberger) του Πανεπιστημίου του Ντούισμπουργκ-Έσσεν προτείνουν ότι η μακροσκοπικότητα ενός αντικειμένου μπορεί να μετρηθεί σε σχέση με ορισμένες παραμέτρους του πειράματος που χρησιμοποιήθηκαν για να εξεταστεί η κβαντική του υπέρθεση, και όχι ως μία ξεχωριστή ιδιότητα του ίδιου του αντικειμένου.Στο παρελθόν, οι ερευνητές έχουν μετρήσει συχνά το βαθμό μακροσκοπικότητας ενός αντικειμένου με βάση τον αριθμό των ατόμων στο αντικείμενο. Όμως διαφορετικά άτομα σημαίνουν διαφορετικά μεγέθη, καθώς περιέχουν διαφορετικούς αριθμούς υποατομικών σωματιδίων, γεγονός που θέτει το ερώτημα του αν η μακροσκοπικότητα πρέπει να μετράται από το συνολικό αριθμό πρωτονίων, νετρονίων ή ηλεκτρονίων ενός αντικειμένου. Καθώς οι φυσικοί εξακολουθούν να παρατηρούν κβαντικά φαινόμενα όπως η υπέρθεση σε μεγαλύτερα αντικείμενα, ένα πρότυπο μέτρησης της μακροσκοπικότητας είναι απαραίτητο για τη σύγκριση αυτών των αποτελεσμάτων.Ο ορισμός των Νίμριχτερ και Χόρνμπεργκερ βασίζεται στην ιδέα ότι οι κβαντικές εξισώσεις μπορούν να τροποποιηθούν ώστε να καταστεί πιο «κλασική» η κατάσταση ενός αντικειμένου. Εάν ένα πείραμα μπορεί να αποκλείσει κάποιες από αυτές τις τροποποιήσεις, τότε περιγράφει μία μεγαλύτερη κβαντική υπέρθεση και ένα πιο μακροσκοπικό αντικείμενο. Όσο περισσότερες τροποποιήσεις αποκλείει ένα πείραμα, τόσο πιο μακροσκοπικό είναι το αντικείμενο.Για παράδειγμα, τόσο μια υπέρθεση με ένα μεγάλο χρονικό διάστημα συνοχής όσο και ένα αντικείμενο με μεγάλη μάζα αποκλείουν τέτοιες τροποποιήσεις. Υπολογίζοντας όλες αυτές τις παραμέτρους μαζί, αποδίδεται ένας αριθμός μ, σε μία λογαριθμική κλίμακα μέτρησης του βαθμού μακροσκοπικότητας. Στην κλίμακα αυτή, η κατάσταση υπέρθεσης ενός αντικειμένου έχει την ίδια μακροσκοπικότητα με εκείνη ενός ηλεκτρονίου που βρίσκεται σε υπέρθεση για 10^μ δευτερόλεπτα.Με βάση αυτά τα κριτήρια, οι φυσικοί βαθμολόγησαν ορισμένα πρόσφατα πειράματα υπέρθεσης. Το καλύτερο σκορ μέχρι στιγμής είναι 12, το ​​οποίο επιτεύχθηκε από τους Νίμριχτερ και Χόρνμπεργκερ το 2010 με ένα μόριο που περιείχε 356 άτομα.

Οι φυσικοί υπολόγισαν ότι μία γάτα τεσσάρων κιλών, σε κβαντική υπέρθεση όπου βρίσκεται σε δύο θέσεις απόστασης δέκα εκατοστών και για χρόνο ενός δευτερολέπτου, θα είχε σκορ 57 στη νέα κλίμακα (δες και Schrödinger's cat). Η γνώση του αριθμού αυτού δεν κάνει το ενδεχόμενο δημιουργίας μίας πραγματικής τέτοιας γάτας καθόλου ευκολότερο όμως. Σύμφωνα με τους ερευνητές, η κατάσταση αυτή είναι ισοδύναμη με ένα ηλεκτρόνιο που βρίσκεται σε υπέρθεση για 10⁵⁷ δευτερόλεπτα, δηλαδή περίπου 10³⁹ φορές μεγαλύτερο χρονικό διάστημα από την ηλικία του σύμπαντος.

Πηγή: http://www.naftemporiki.gr/story/647448

Ανοιχτό γράμμα στον Πρόεδρο Ομπάμα για τη διδασκαλία της Φυσικής

Γράμμα στον Πρόεδρο Ομπάμα από τον Greg Schwanbeck (δες εδώ, εδώ), καθηγητή φυσικής στο Westwood High School, Μασσαχουσέτη, ΗΠΑ,ο οποίος μεταξύ των άλλων διερωτάται γιατί στα Λύκεια μιας τόσο τεχνολογικά προηγμένης χώρας όπως οι ΗΠΑ δε διδάσκονται θέματα από τη Θεωρία της Σχετικότητας, την Κβαντομηχανική ή περί αντιύλης, μαύρων οπών κι ακόμα τεχνολογικές εφαρμογές όπως συστήματα GPS, λέιζερς, κτλ. Δεν γνωρίζω αν απάντησε ο Πρόεδρος των ΗΠΑ, όμως, αυτό που ξέρω είναι ότι κι εμείς έχουμε αφαιρέσει από την ύλη τα περί Σχετικότητας και Κβαντομηχανικής - επειδή δεν έχουν …τις «πρέπουσες» ασκήσεις φαντάζομαι - και έχουμε από καιρό απαλείψει την Ηλεκτρονική, παρόλο που τα νέα εργαστήρια Φυσικής (…ελέω ΕΠΕΑΕΚ) έχουν τον αντίστοιχο εξοπλισμό! 
Πηγή και σχετικά σχόλια εδώ.

Το πείραμα της διπλής σχισμής

Το παραπάνω βίντεο πιθανόν δεν είναι το καλύτερο, αλλά μας δίνει μια ιδέα για το πείραμα της διπλής σχισμής της κβαντομηχανικής. Το πείραμα πραγματοποίησε για πρώτη φορά ο Άγγλος Thomas Young σε μια προσπάθεια να ανακαλύψει αν το φως είναι τελικά κύμα ή σωματίδιο. Ο Young χρησιμοποίησε μια ακτίνα φωτός, η οποία διέρχονταν από ένα φράγμα με μια σχισμή και στη συνέχεια περνούσε από ένα φράγμα με δυο σχισμές, για να καταλήξει στοι τέλος σε ένα πέτασμα (οθόνη). Ο Young παρατηρώντας το φως που έφτανε στο πέτασμα, διαπίστωσε πως όταν οι σχισμές του δεύτερου φράγματος ήταν μεγάλες, σε μεγάλη μεταξύ τους απόσταση και κοντά στο πέτασμα, εμφανίζονταν δυο ξεκάθαρες φωτεινές γραμμές. Αντίθετα, όταν η απόσταση των σχισμών ήταν μικρότερη και το εύρος τους μικρότερο, το φως σχημάτιζε στο πέτασμα φωτεινούς και σκοτεινούς κροσσούς. Το σχήμα με τους εναλλασσόμενους φωτεινούς και σκοτεινούς κροσσούς ονομάζεται και εικόνα συμβολής (δες και μια διαδραστική προσομοίωση του πειράματος εδώ, εδώ). Τέτοιου είδους εικόνες μπορούν να παραχθούν μόνο αν το φως συμπεριφέρεται σαν κύμα (περισσότερο αναλυτικά εδώ κι εδώ). Το 1905, ο Albert Einstein έδειξε ότι το φως αποτελείται από ένα σύνολο διακριτών σωματιδίων τα οποία ονόμασε φωτόνια. Κατά την εκτέλεση του πειράματος της διπλής σχισμής αυτή τη φορά με τα φωτόνια να φτάνουν στο πέτασμα αφού περνάνε ένα-ένα από το φράγμα, η εικόνα της συμβολής παράγεται και πάλι ανεξάρτητα με το γεγονός ότι ένα και μόνο σωματίδιο δεν είναι δυνατόν να συμβάλει με τον εαυτό του. Το φαινόμενο κατά το οποίο το φως συμπεριφέρεται άλλοτε σαν κύμα και άλλοτε σαν σωματίδιο είναι γνωστό ως κυματοσωματιδιακός δυϊσμός (wave–particle duality). Υποατομικά σωματίδια όπως τα ηλεκτρόνια επιδεικνύουν και αυτά την ίδια συμπεριφορά με το φως. Η προσπάθεια να εξηγηθεί αυτή η συμπεριφορά υπήρξε γόνος πολλών θεωριών. Από την ερμηνεία της Κοπεγχάγης (εδώ) μέχρι την ερμηνεία του Hugh Everett περί "πολλών συμπάντων" (δες κι εδώ).Επίσης: "Το πείραμα της διπλής σχισμής, ο κυματοσωματιδιακός δυϊσμός", εδώ, " Μια νέα ματιά σε ένα κλασικό πείραμα", εδώ, "Τα φωτόνια δε γνωρίζουν αν κάποιος τα παρατηρεί ή όχι", εδώ.

30-11-2012 R. Feynman on the Double Slit Paradox: Particle or Wave?