This is a list of articles about physics. If you want to see my real blogs please go to: http://www.0nothing1.blogspot.com/ it's in Russian, and: http://www.0dirtypurple1.blogspot.com/ it's in English -- some of my posts on Facebook. Это список текущих статей о физике. Если вы хотите увидеть мои настоящие блоги, перейдите к ссылкам выше.
воскресенье, 28 октября 2012 г.
CONSTRUCTOR THEORY
"There's a notorious problem with defining information within physics, namely that on the one hand information is purely abstract, and the original theory of computation as developed by Alan Turing and others regarded computers and the information they manipulate purely abstractly as mathematical objects. Many mathematicians to this day don't realize that information is physical and that there is no such thing as an abstract computer. Only a physical object can compute thing"
DAVID DEUTSCH is a Physicist at the University of Oxford. His research in quantum physics has been influential and highly acclaimed. His papers on quantum computation laid the foundations for that field, breaking new ground in the theory of computation as well as physics, and have triggered an explosion of research efforts worldwide. He is the recipient of the $100,000 Edge of Computation Prize, and he is the author of THE BEGINNING OF INFINITY and THE FABRIC OF REALITY.
CONSTRUCTOR THEORY
Some considerable time ago we were discussing my idea, new at the time, for constructor theory, which was and is an idea I had for generalizing the quantum theory of computation to cover not just computation but all physical processes. I guessed and still guess that this is going to provide a new mode of description of physical systems and laws of physics. It will also have new laws of its own which will be deeper than the deepest existing theories, such as quantum theory and relativity. At the time, I was very enthusiastic about this, and what intervened between then and now is that writing a book took much longer than I expected. But now I'm back to it, and we're working on constructor theory and, if anything, I would say it's fulfilling its promise more than I expected and sooner than I expected.
One of the first rather unexpected yields of this theory has been a new foundation for information theory. There's a notorious problem with defining information within physics, namely that on the one hand information is purely abstract, and the original theory of computation as developed by Alan Turing and others regarded computers and the information they manipulate purely abstractly as mathematical objects. Many mathematicians to this day don't realize that information is physical and that there is no such thing as an abstract computer. Only a physical object can compute things.
On the other hand, physicists have always known that in order to do the work that the theory of information does within physics, such as informing the theory of statistical mechanics, and thereby, thermodynamics (the second law of thermodynamics), information has to be a physical quantity. And yet, information is independent of the physical object that it resides in.
I'm speaking to you now: Information starts as some kind of electrochemical signals in my brain, and then it gets converted into other signals in my nerves and then into sound waves and then into the vibrations of a microphone, mechanical vibrations, then into electricity and so on, and presumably will eventually go on the Internet. This something has been instantiated in radically different physical objects that obey different laws of physics. Yet in order to describe this process you have to refer to the thing that has remained unchanged throughout the process, which is only the information rather than any obviously physical thing like energy or momentum.
The way to get this substrate independence of information is to refer it to a level of physics that is below and more fundamental than things like laws of motion, that we have been used thinking of as near the lowest, most fundamental level of physics. Constructor theory is that deeper level of physics, physical laws and physical systems, more fundamental than the existing prevailing conception of what physics is (namely particles and waves and space and time and an initial state and laws of motion that describe the evolution of that initial state). … MORE: http://www.edge.org/conversation/constructor-theory
суббота, 13 октября 2012 г.
Bringing Schrödinger's Cat to Life
Recent experiments have begun to demonstrate how the weird world of quantum mechanics gives way to the familiarity of everyday experience
FRAMEWORK OF PHYSICS must somehow connect the exotica of quantum mechanics
Editor’s note (10/9/2012): We are making the text of this article freely available for 30 days because the article was cited by the Nobel Committee as a further reading in the announcement of the 2012 Nobel Prize in Physics. The full article with images, which originally appeared in the June 1997 issue, is available for purchase here.
“I am sorry that I ever had anything to do with quantum theory,” Erwin Schrödinger reportedly complained to a colleague. The Austrian physicist was not lamenting the fate of his now famous cat, which he figuratively placed in a box with a vial of poison in 1935. Rather he was commenting on the strange implications of quantum mechanics, the science behind electrons, atoms, photons and other things submicroscopic. With his feline, Schrödinger attempted to illustrate the problem: according to quantum mechanics, particles jump from point to point, occupy several places at once and seem to communicate faster than the speed of light. So why don’t cats—or baseballs or planets or people, for that matter—do the same things? After all, they are made of atoms. Instead they obey the predictable, classical laws quantified by Isaac Newton. When does the quantum world give way to the physics of everyday life? “That’s one of the $64,000 questions,” chuckles David Pritchard of the Massachusetts Institute of Technology.
Pritchard and other experimentalists have begun to peek at the boundary between quantum and classical realms. By cooling particles with laser beams or by moving them through special cavities, physicists have in the past year created small-scale Schrödinger’s cats. These “cats” were individual electrons and atoms made to reside in two places simultaneously, and electromagnetic fields excited to vibrate in two different ways at once. Not only do they show how readily the weird gives way to the familiar, but in dramatic fashion they illustrate a barrier to quantum computing—a technology, still largely speculative, that some researchers hope could solve problems that are now impossibly difficult.
The mystery about the quantum-classical transition stems from a crucial quality of quantum particles—they can undulate and travel like waves (and vice versa: light can bounce around as a particle called a photon). As such, they can be described by a wave function, which Schrödinger devised in 1926. A sort of quantum Social Security number, the wave function incorporates everything there is to know about a particle, summing up its range of all possible positions and movements.
Taken at face value, a wave function indicates that a particle resides in all those possibilities at once. Invariably, however, an observation reveals only one of those states. How or even why a particular result emerges after a measurement is the point of Schrödinger’s thought experiment: in addition to the cat and the poison, a radioactive atom goes into the box. Within an hour, the atom has an even chance of decaying; the decay would trigger a hammer that smashes open the vial of antifeline serum.
The Measurement Problem
According to quantum mechanics, the unobserved radioactive atom remains in a funny state of being decayed and not decayed. This state, called a superposition, is something quantum objects enter quite readily. Electrons can occupy several energy levels, or orbitals, simultaneously; a single photon, after passing through a beam splitter, appears to traverse two paths at the same time. Particles in a well-defined superposition are said to be coherent.
But what happens when quantum objects are coupled to a macroscopic one, like a cat? Extending quantum logic, the cat should also remain in a coherent superposition of states and be dead and alive simultaneously. Obviously, this is patently absurd: our senses tell us that cats are either dead or alive, not both or neither. In prosaic terms, the cat is really a measuring device, like a Geiger counter or a voltmeter. The question is, then, Shouldn’t measuring devices enter the same indefinite state that the quantum particles they are designed to detect do?
Richard Dawkins Foundation for Reason and Science
___________________________________________________________________
Мой скромный комментарий. Мне понравилась сея четкая формлировка:
"Yet the team showed that the coherence could be “recovered”— that is, the interference pattern restored—by changing the separation between the paths to some quarter multiple of the laser photon’s wavelength. At those fractions, it was not possible to tell from which path the photon scattered. “Coherence is not really lost,” Pritchard elucidates. “The atom became entangled with a larger system.” That is, the quantum state of the atom became coupled with the measuring device, which in this case was the photon."
По-моему, это и есть универсальный паттерн всех иерархий - и отсюда они все и проистекают - свободный, независимый элемент, становясь частью некой более общей метасистемы, теряет возможность выбора...
четверг, 28 июня 2012 г.
Привет из Зазеркалья
Физики обнаружили утечку нейтронов в параллельный мир
Алиса в Зазеркалье. Иллюстрация John Tenniel, с сайта johntenniel.com
Два итальянских физика - Зураб Бережиани и Фабрицио Нести - заявили, что им удалось обнаружить ощутимую утечку нейтронов в магнитной ловушке неизвестно куда. Сами авторы говорят, что, скорее всего, частицы утекают в зеркальный мир. Их выводам еще предстоит пройти дополнительную экспериментальную проверку, однако, сама новость - прекрасный повод вспомнить некогда популярную физическую гипотезу о существовании зеркальной материи.
Симметричное мироздание
В основе большинства физических теорий лежит понятие симметрии. Ученые, впрочем, понимают его несколько шире, чем геометрическое представление, с которым мы сталкиваемся в обычной жизни (осевая, центральная, поворотные симметрии). Они же под симметрией понимают некоторое нетривиальное преобразование, сохраняющее в некотором смысле законы, описывающие тот или иной процесс. Например, правила, управляющие движением самолета, не зависят от того, летит он с юга на север или с запада на восток. Если говорить более общо, то это иллюстрация понятия изотропности нашего трехмерного пространства - отсутствия в нем особых направлений, вдоль которых законы природы имели бы другую формулировку, нежели в остальных направлениях (на самом деле, конечно, есть финслерова геометрия, в которой этот принцип не выполняется, однако не будем забегать в такие научные дали).
Это понятие, понятие симметрии, играет фундаментальную роль не только потому, что гарантирует красоту получаемых уравнений. Оказывается, фундаментальные законы сохранения энергии, импульса и других физических величин являются прямым следствием наличия симметрий (непрерывных групп симметрий, если быть точным). Этот основополагающий для всей физической науки факт был установлен в начале XX века Эмми Нетер.
Бабочка - пример зеркальной симметрии. Фото с сайта samogo.net |
Второй тип симметрии - это так называемая T-симметрия. Суть ее заключается в том, что при изменении направления течения времени на противоположное закон, описывающий движение частицы, не меняется. Примером такого правила может служить второй закон Ньютона, связывающий силу и ускорение. Чтобы понять, почему это так, представим фильм, который проигрывают задом наперед - это и будет изменение направления течения времени на противоположное. По экрану задом едут машины, пятятся люди. Вместе с тем, делают они это на той же скорости, что и при правильном просмотре фильма, - изменилось только направление. С точки зрения физики это означает, что скорость изменила знак. Ускорение, то есть скорость изменения скорости, остается тем же - по сути ровно потому, что минус на минус дает плюс. Этот факт и влечет инвариантность второго закона Ньютона. Впрочем, этот тип симметрии нам дальше почти не понадобится.
Наконец, третий тип фундаментальной симметрии в мире элементарных частиц - это P-симметрия. Чтобы понять, что это за тип симметрии, достаточно взглянуть на собственные руки. Их две - правая и левая. При этом, как бы мы ни старались, ни крутили правой рукой, мы не сможем сделать так, что она станет выглядеть как левая. Это связано с тем, что с точки зрения математики левая и правая руки по-разному ориентированы. Вместе с тем, поглядев на левую руку в зеркало, мы увидим, что она не отличается от правой. Так вот, P-симметрия это как раз симметрия относительно зеркального отображения пространства, как говорят математики, отображения, меняющего ориентацию. В макромире симметрия такого рода, конечно, есть - например, праворульная машина ездит так же, как и леворульная. В микромире, однако, все гораздо сложнее.
Отсутствие симметрии рождает чудовищ
Теперь перенесемся в 50-е годы прошлого века. Почти все физики уверены в незыблемости C- и P-симметрии применительно к слабому взаимодействию (одно из четырех фундаментальных взаимодействий, связанное, например, с некоторыми типами ядерного распада). В 1956 году молодые китайские физики Чжэндао Ли и Чжэньнин Янг, анализируя накопившееся на тот момент экспериментальные данные, высказывают довольно крамольную на тот момент мысль: при слабом взаимодействии нарушаются оба типа симметрии. Свои выводы они основывают на накопившихся на тот момент данных о разного рода несимметричных процессах, к которым относится, например, распад нейтронов. При таком распаде нейтрино и электроны разлетаются несимметрично (уже в геометрическом смысле). Для проверки собственных предположений ученые предлагают несколько типов экспериментов.
Ловушка для нейтронов. Изображение с сайта science.compulenta.ru. (Нажмите, чтобы увеличить) |
Именно тогда появился термин "зеркальная материя". Именно так сами Янг и Ли назвали загадочные гипотетические частицы, для которых законы слабого взаимодействия должны быть зеркально симметричны обычным. Тогда идея не прижилась - достаточно быстро возникла теория великого советского физика Льва Ландау о том, что при слабом взаимодействии сохраняется так называемая CP-симметрия (это просто одновременное изменение зарядов, направлений электрического и магнитных полей на противоположные и зеркальное отображение координат). В его теории на роль зеркальных частиц прекрасно подходили античастицы. На тот момент в реальности этого физического объекта никто не сомневался - позитроны (античастицы, соответствующие электронам) были открыты еще в 1932 году. Нет ничего удивительного, что физики предпочли уже существующий объект некой абстракции.
В 1964 году, однако, CP-симметрия испытала сокрушительный удар - американские физики Джеймс Кронин и Вэл Фитч обнаружили в распаде нейтральных каонов (это такие частицы) нарушение этой самой симметрии. За эту работу оба получили Нобелевскую премию по физике в 1980 году (а за объяснение этого феномена, приведшее к появлению третьего семейства кварков, ту же нобелевку дали Йоитиру Намбу, Макото Кобаяси и Тосихидэ Масакава уже в 2008 году).
В это же время зеркальная материя снова оказалась в поле внимания физиков, теперь уже советских. В 1966 году в журнале "Ядерная физика" выходит статья "О возможности экспериментального обнаружения зеркальных частиц", написанная Игорем Кобзаревым, Львом Окунем и Исааком Померанчуком. В этой работе ученые впервые всерьез рассмотрели свойства такой гипотетической материи. В следующих работах, они установили, что она взаимодействует сама с собой. Это означает, что если такая материя существует, то существуют и зеркальные атомы и даже, возможно, зеркальные небесные тела (1983 год). При этом оказалось, что такая зеркальная материя будет взаимодействовать с нашим миром только посредством гравитации. При этом в окрестности Земли этой зеркальной материи почти нет (1979 год). Если бы она была, то она вносила бы существенные возмущения в движение небесных тел, которое астрофизикам, разумеется, давно бы удалось обнаружить.
Как это часто бывает, о существовании зеркальной материи весь остальной мир (не СССР) узнал совсем от других людей - в 1991 году появилась соответствующая статья Роберта Фута из Университета Мельбурна. В настоящее время именно он является самым известным адептом зеркальной теории.
Темная против зеркальной
Интерес к зеркальной материи в последние годы возник благодаря так называемой проблеме скрытой массы, известной также как темная материя. Подробно "Лента.ру" про темную материю уже писала, и не раз. Если коротко, то, наблюдая за вращениями звезд вокруг центров различных галактик, ученые обнаружили, что светила на окраинах движутся слишком быстро. Традиционные модели предсказывают, что скорость должна быть обратно пропорциональна квадратному корню из расстояния до оси вращения. В свою очередь, в действительности скорость остается почти постоянной. Чтобы объяснить этот эффект, было введено понятие скрытой массы, или темной материи.
График убегания нейтронов. Изображение с сайта springerlink.com. (Нажмите, чтобы увеличить) |
Результаты двух итальянских физиков, Зураба Бережиани и Фабрицио Нести, возможно, могут в корне переломить эту ситуацию. Что же такого сделали эти двое? Они опубликовали в European Physical Journal статью (pdf), в которой изложили собственный анализ данных эксперимента физика Анатолия Сереброва из Петербургского института ядерной физики Константинова. Серебров во французском Институте Лауэ-Ланжевена экспериментально изучал процесс содержания нейтронов в ультра-холодной нейтронной ловушке. Ему удалось установить, что потери составляют около 1 процента нейтронов. Статистический анализ, проведенный Бережиани и Нести, позволил выявить с достаточной степенью уверенности, что потеря нейтронов не связана с их утеканием через стенки ловушки.
Сам по себе этот факт довольно интересен, особенно если его удастся подтвердить в других экспериментах. Однако в рамках работы сами ученые предлагают неожиданное объяснение. Раз этот процесс вроде бы необъясним с точки зрения стандартной физики, то его можно объяснить так: нейтроны осциллируют, колеблясь между своим привычным состоянием и зеркальным. По сути частицы утекают в параллельный мир.
Главный недостаток новой работы в том, что исследователи оставили коллегам проверку последствий наличия таких осцилляций - довольно часто оказывается, что экзотические теории вступают в противоречие с экспериментальными данными. Лишь единицы выживают в этой теоретической битве и доходят до непосредственной экспериментальной проверки.
С другой стороны, если факт наличия вроде как необъяснимого явления - утечки нейтронов - подтвердится, это будет здорово. Потому что это интересно.
Сайты по теме
WWW.LENTA.RU