Egyvilág - Fórum

(Az alábbi egy rövidített változat, emlékeztetőül. A teljes változatot ezen a linken találod. A megjelenő oldalon, ahogy áll, a legfelső sorban kattints a címre vagy a doc vagy a pdf linkre.)

(Hozzászólni a szöveg alatt lehet.)

1.   A kvantumvilág jelentése és különössége

Ehhez a témához érdemes előbb áttekinteni az ‘Anyag, energia, erők’ témát, ami az említett jelenségek alapjait mutatja be.

A kvantumjelenségek a nagyon kicsi dolgoknál jelennek meg.

(Ellentétben a relativitáselmélet jelenségeivel, melyek a gyorsan mozgó és nagy tömegű dolgoknál jelentősek.)

Emberi méretekben a kvantum jelenségek gyakorlatilag nem tapasztalhatóak, ezért is tartott olyan sokáig, hogy feltűnjenek. Ami pedig különösségüket illeti, az semmiben sem marad el a relativitáselmélet jelenségeitől.

A kvantum szó valaminek egy adott (legkisebb) mennyiségét jelenti.

A világ sokáig folytonosnak tűnt az ember számára, vagyis olyannak, amiben nincs a dolgoknak legkisebb egysége, ahol akármilyen kicsi is valami, azt még tovább lehet osztani.

Először az anyaggal kapcsolatban merült fel, hogy az esetleg nagyon kicsi, oszthatatlan részecskékből, atomokból áll. Az ötlet már az ókorban felbukkant, de az újkorig kellett várni, amíg azt tudományosan is meg tudták erősíteni. Kisvártatva viszont az is kiderült, hogy az atom, amiket addig a legkisebb egységnek gondoltak, még tovább osztható.

Ez idáig nem is volt meglepő, hiszen gyakran az emberi világban is hasonló egységekből építkezünk, például ahogyan egy házat is téglákból rakunk össze. A meglepőbb az volt, hogy az energia is csomagokban, részecskék által közvetítve terjed, amit a XX. század első felében fedezték fel. Az ebből kiinduló kutatások aztán alapvetően átformálták a mikrovilágról alkotott képünket.

2.   A „részecskék” valódi természete

Ebben a témában, amikor a részecske szót idézőjelbe teszem, akkor a kvantumjelenségek kapcsán újonnan felfedezett, mind anyagi, mind hullámtermészetet mutató, szétkenődésre képes dologra gondolok. Amikor idézőjel nélkül használom, akkor a hagyományos, megtestesült, anyagi darabkát értem alatta.

Az itt leírt jelenségeket szemlélteti fogja a következő pontban bemutatott kétréses kísérlet.

2.1. Szétkenődés

Mint kiderült, az elemi „részecskék” nem olyan szilárd darabkák, kis golyócskák, amilyennek az emberi világban szerzett tapasztalataink révén elképzelnénk őket. Ehelyett ugyanis, ameddig magukra vannak hagyva, szétkenődnek, azaz bizonyos értelemben egyszerre kerülnek minden megengedett állapotukba.

2.2. Összeomlás

A szétkenődöttség megszűnését, amikor a „részecske” hagyományos részecskévé válik, összeomlásnak nevezzük.

2.3. A „részecskék” hullámtermészete

Mind az erőket közvetítő, mind az anyagi „részecskék” hullámszerű jelenségeket mutatnak.

·     Hullámelhajlás (diffrakció)

·     A hullámok összeadódása (interferencia)

Az összeomlott részecskék tehát hagyományos részecskeként, a szétkenődött „részecskék” pedig hullámként viselkednek. Ez ő kettős természetük. Ez a kettős természet pedig minden „részecskére” jellemző, beleértve az anyagi „részecskéket” is, mi több, a molekulákat és a nagyobb testeket is.

3.   A kétréses kísérlet

Mely jól szemlélteti a „részecskék” szétkenődését, összeomlását és kettős, részecske-hullám természetét.

A kísérlet úgy néz ki, hogy van egy „részecske” forrásunk, egy falunk rajta két réssel, a fal túloldalán pedig egy érzékelő ernyőnk. A forrásból egymás után sokszor indítunk egyszerre mindig csak egy-egy „részecskét”, az ernyőn pedig figyeljük, hogy az egymás után beérkező részecskék milyen mintázatot rajzolnak ki összességükben.

4.   Az energia kvantumai

Az energia is oszthatatlan csomagokban, speciális részecskék segítségével terjed, valamint bizonyos természeti jelenségek csak meghatározott, elkülönült energiaszinteken képesek létezni.

5.   A határozatlansági elv

Ez azt mondja ki, hogy a hagyományos részecskék bizonyos tulajdonságpárjai nem ismerhetőek meg egyszerre tetszőleges pontossággal. A legjellemzőbb, hogy egy anyagi részecskéről, például egy atomról ß, nem lehet egyszerre tudni, hogy pontosan hol van, és pontosan merre, milyen sebességgel halad: minél pontosabban tudjuk az egyiket, a másikban szükségképpen annál bizonytalanabbak leszünk.

Ez a bizonytalanság nem a rendelkezésre álló műszerek pontatlanságából fakad, hanem egy elvi korlát, melyet akármilyen jó műszerekkel sem lehet átlépni.

Fontos leszögezni, hogy a szétkenődés és a határozatlansági elv által leírt bizonytalanság két teljesen különböző dolog. Az előbbi valami olyan, ami a „részecskékkel” valóban megtörténik, az utóbbi pedig a tudásunk határa, amit egy hagyományos részecskéről képesek lehetünk szerezni.

6.   Összefonódás

Ahogyan már fentebb utaltam rá, az összefonódás akkor jön létre, amikor (nem túl nagy számú) szétkenődött „részecske” kapcsolatba kerül egymással. Ekkor ahelyett, hogy összeomlanának, egy kombinált szétkenődött rendszert alkotnak, mely egyszerre van az egész rendszer összes lehetséges kombinált állapotában.

7.   Furcsa kapcsolatok

A kvantumvilágban mind térben, mind időben olyan kapcsolatok állnak fenn, melyek teljesen ellentmondanak mindennapi tapasztalatainknak.

8.   Egyebek

1)    A relativitáselmélet és kvantumelmélet ellentmondása

2)    Felnagyított kvantum események

3)    Kvantumszámítógépek és kvantum titkosítás

4)    Kvantum agy

9.   Alkalmazások

A kvantumelméletnek már jelenleg is számtalan gyakorlati alkalmazása van. Ilyenek a tranzisztor (és általa az elektronikus számítógépek), a különféle diódák (például a LED), a lézer, az elektronmikroszkóp, valamint az MRI és PET készülékek, melyekkel az élő szervezet belsejéről lehet képeket készíteni.

10.    Kérdések @@

Ebben a pontban összegyűjtöttem a témával kapcsolatos kérdéseimet és saját elgondolásaimat. Ha ezekkel kapcsolatban tudsz segíteni, megköszönöm.

1)    A fotonok természete

2)    Összeomlás

3)    A hullámfüggvény és a határozatlansági elv

4)    Egy ötlet az azonnali információtovábbításra $ß

(Az alábbi egy rövidített változat, emlékeztetőül. A teljes változatot ezen a linken találod. A megjelenő oldalon, ahogy áll, a legfelső sorban kattints a címre vagy a doc vagy a pdf linkre.)

(Hozzászólni a szöveg alatt lehet.)

1.   A relativitás jelentése

Ehhez a témához érdemes előbb áttekinteni az ‘Anyag, energia, erők’ témát, ami az említett jelenségek alapjait mutatja be.

Jellemző, hogy a minél messzebb kerülünk az emberi léptéktől, a természet jelenségei annál furcsábbak.

Ahogyan látni fogjuk, ez egyaránt igaz a gyorsan mozgó, a nagy tömegű és a nagyon kicsi dolgokra is.

A relativitáselmélet a gyorsan mozgó és nagy tömegű dolgok elmélete.

(Ellentétben a kvantumfizikával, mely a kicsi dolgoké.)

Emberi méretekben és a mindennapi életben tapasztalható sebességek mellett a relativisztikus jelenségek gyakorlatilag nem tapasztalhatóak. Ezért is tartott olyan sokáig, hogy feltűnjenek.

A relativitás elve azt jelenti, hogy adott fizikai törvényszerűség minden neki megfelelő vonatkoztatási rendszerben ugyanúgy fennáll.

A relativitás elve már Einstein előtt ismert volt. Például a newtoni fizikában sem lehet egy ablaktalan vasúti kocsiban eldönteni, hogy az áll vagy egyenletesen mozog – legalábbis a különféle testek mozgásán végzett kísérletekkel nem, mivel ezek törvényei egyformák az ilyen mozgásokra való tekintet nélkül.

Einstein az elvet kiterjesztette egyrészt a fény mozgására, másrészt a gyorsuló és gravitációnak kitett rendszerekre, az alábbiak szerint.

1)    A speciális relativitáselméletben mindennek, beleértve a fényt is, ugyanúgy kell viselkednie minden olyan vonatokozatási rendszerben, melyben nem tapasztalható gyorsulás.

Ide tartoznak a valamihez képest egyenletesen mozgó és álló rendszerek, de a szabadon eső rendszerek is.

2)    Az általános relativitáselméletben mindennek, beleértve a fényt is, ugyanúgy kell viselkednie az olyan vonatkozatási rendszerekben, melyekben azonos, egyenletes gyorsulás tapasztalható.

2.   Speciális relativitáselmélet

2.1. Kiindulópont

A mindennapi világban a sebességek relatívak: ha én biciklivel 20 km/h-val haladok, és egy autó elhúz mellettem 100 km/h-val, akkor én a bicikliről az autót 80 km/h-val látom távolodni.

Eredetileg ugyanezt feltételezték a fényről is, így azt, hogyha a fénnyel azonos irányban haladunk, a fényt kisebb sebességgel látjuk majd távolodni. Furcsa módon viszont azt találták, hogy ez nem így van: akárhogyan is mozogjunk, a fényt a mozgásunk irányában is mindig fénysebességgel látjuk haladni.

Ha viszont a fény sebessége abszolút, az azzal is jár, hogy az egyenletesen mozgó vonatkoztatási rendszerekben a fény sebességének megmérésével sem lehet eldönteni, hogy hogyan mozgunk – a relativitás elve a fényre is vonatkozik tehát. Einstein hajlandó volt ezt elfogadni, ebből született a speciális relativitáselmélet.

2.2. Következmények

1)    A mozgások relativitása

2)    Kívülről nézve a mozgó rendszerekben az idő lelassulni látszik.

Ha a térben mozgunk, az tehát befolyásolja az idő érzékelését. Az idő és a tér így nem független egymástól, ahogyan azt a klasszikus fizika feltételezte. Ezért szokták a kettőt újabban együtt egy összefüggő egységként kezelni, amit téridőnek neveznek.

3)    Kívülről nézve a mozgás irányába eső hosszúságok megrövidülni látszanak.

4)    Az események sorrendjének és egyidejűségének relatív volta

5)    A nyugalmi és relativisztikus tömeg kettőssége

6)    E=mc²

Ez egyenlet azt fejezi ki, hogy az energia (E) és a tömeg (m) átalakíthatók egymásba, egyúttal megadja az átváltási arányt is, ami fénysebesség (c) négyzete.

2.3. Alkalmazások

A speciális relativitáselmélet leglátványosabb gyakorlati alkalmazása a tömegből történő energia-felszabadítás, ami leginkább a nukleáris erőművekben és bombákban nyilvánul meg.

3.   Általános relativitáselmélet

3.1. Kiindulópont

A speciális relativitáselmélet értelmében tehát semmilyen hatás nem lehet gyorsabb a fénynél. A newtoni elméletben azonban a gravitáció hatása azonnali: ha a Nap felrobbanna, a Föld azonnal megszűnne az addigi pályáján keringeni. Az általános relativitáselmélet ennek az ellentmondásnak a feloldását célozta meg.

Az alapvető megfigyelés, ami segített felépíteni a gravitáció új elméletét az volt, hogy egy zárt rendszerben nem lehet megállapítani, hogy a rendszer…

·     Valamilyen erő hatására, mely nem a gravitáció, gyorsul vagy

·     Alá van támasztva és gravitáció hat rá.

Ahogyan azt fentebb, a relativitás elvénél, a rakétás példával szemléltettem. Ezt nevezik az ekvivalencia elvének. Ennek értelmében, gravitációs mezőben mindennek ugyanúgy kell viselkednie, mint a gyorsuló rendszerekben, az utóbbiakban tapasztalható jelenségek az előzőekben is megfigyelhetőek lesznek. Ezért érdemes részletesebben tanulmányozni, mi történik gyorsulás esetén, különösen a fénnyel.

3.2. A gyorsuló és a gravitációnak kitett rendszerek tulajdonságai

1)    A fény hullámhosszának és az idő ütemének megváltozása

2)    A fény és a tér meggörbülése

3)    A gravitáció új értelmezése

Az általános relativitáselmélet szerint gravitációs mezőben a testek úgy mozognak, hogy a saját rendszerükben mért idő maximális legyen, amíg eljutnak a téridő egyik pontjából a másikba.

Egyúttal itt a tömeggel rendelkező dolgok már nem is egymásra hatnak, és a gravitáció nem is erő. Ehelyett a teret (téridőt) görbítik meg, a testek pedig ebben a görbült térben sodródnak magukra hagyva, az imént leírt törvény szerint: a tömeg meghatározza a tér alakját, a tér pedig a tömeg mozogását. Az új értelmezés megoldja a gravitáció azonnaliságának problémáját is, ugyanis az elmélet szerint a görbület már korlátozott sebességgel, a fény sebességével terjed.

3.3. Alkalmazások

Az általános relativitáselméletnek a mindennapi életet talán leginkább érintő alkalmazása a GPS készülékekkel kapcsolatos. Ezek helyes működése ugyanis a Föld körül keringő műholdakon elhelyezett atomórák pontosságán alapul. Ezek az órák pedig magasan vannak, emiatt az elhangzottak értelmében a felszínről nézve gyorsabban járnak, amit megfelelően korrigálni kell.

(Az alábbi egy rövidített változat, emlékeztetőül. A teljes változatot ezen a linken találod. A megjelenő oldalon, ahogy áll, a legfelső sorban kattints a címre vagy a doc vagy a pdf linkre.)

(Hozzászólni a szöveg alatt lehet.)

1.   Tér

1.1. A tér fogalma

A tér az, amiben a részecskék, testek vannak és mozognak.

Világunk terének van néhány érdekes tulajdonsága.

1.2. A tér relativitása

Ami azt jelenti, hogy…

·     Nincsenek kitűntetett pontjai, nincs középpontja. A tér akárhonnan nézve ugyanúgy néz ki. Ennek megfelelően a térben elhelyezkedő dolgoknak abszolút pozíciója sincs, csak egymáshoz képest lehet megmondani, hogy hol vannak.

·     Nincsenek kitűntetett irányok, a tér akármerre nézve, ugyanúgy néz ki. Irányokat is csak a térben lévő dolgokhoz képest lehet meghatározni.

·     Nincsenek kitűntetett távolságok. A tér folytonosnak tűnik, azaz nincsenek legkisebb egységei, és a tér minden skálán egyforma: egy finomabb beosztású koordinátarendszer éppen úgy használható a tér leírására, mint egy durvább.  Távolságot, méreteket is csak a térben lévő dolgokhoz képest lehet meghatározni. A tér mértékegységei önkényesek. $ß

·     Nincs kitűntetett egyenletes mozgásállapot. A térben egy dologról önmagában nem lehet megmondani, hogy áll vagy mozog. Mozgásnak csak a dolgok között, egymáshoz képest van értelme. (Azt viszont, hogy valami gyorsul-e, már meg lehet állapítani.) Lásd a ‘Relativitáselmélet’ témát arról, hogy hova vezet ez.

1.3. A tér dimenziói

Világunk terének három dimenziója van. Azaz három adattal, koordinátával lehet kijelölni benne egy pozíciót, illetve a dolgoknak hosszúsága, szélessége és magassága van.

1.4. A tér változó volta

A tér maga sem létezett az ősrobbanás előtt, azóta pedig egyre tágul ß.

A tér tehát nem egy előre adott, változatlan, passzív színpad, hanem maga is aktív szereplője az univerzum történetének.

2.   Idő

2.1. Az idő fogalma

Az idő az, ami a világ különböző állapotait elválasztja egymástól $ß.

Idő tehát azért van, mert a dolgok változnak, különösen mert mozognak. Ha nem változna semmi, idő sem létezne, így akkor sem, ha nem létezne semmi. $ß

Az idő sorba rendezi az eseményeket, az idő egységének kijelölése után pedig lehetségessé válik az események tartamának, időbeli távolságának meghatározása, valamint változó dolgok esetén a változás ütemének, különösen a dolgok térbeli sebességének megállapítása is.

Az idő folytonosnak tűnik, és nincs kitűntetett egysége. (Ezek közösek benne a térrel.)

2.2. Az idő mérése

Az idő mértékegységei önkényesek, bizonyos ciklikus, szabályosan ismétlődő jelenségek időtartamából szokták származtatni őket.

2.3. Az idő iránya

Az, ahogyan az időt érzékeljük, ad egy irányt az időnek. A klasszikus fizika törvényei azonban szimmetrikusak az időre nézve, ami azt jelenti, hogy a világ egy adott időbeli állapotából nemcsak a jövőt, hanem a múltat is egyértelműen meg lehet határozni. Ez alapján nem lehetnénk benne biztosak, hogy mi az ok és mi az okozat, elképzelhető lenne, hogy azok lánca valójában ellentétes az idő általunk érzékelt irányával.

Valójában az idő ennél azért a klasszikus fizikában is jobban meghatározott, mégpedig azáltal, hogy a világ általában a valószínűtlenebb elrendezéseitől a valószínűbbek felé halad.

2.4. Az idő érzékelése

Az idő múlásának nincs abszolút üteme, gyorsasága. Azt például, hogy egy óra valójában milyen hosszú, teljes mértékben annak szubjektív érzékelése határozza meg. $

Valójában azonban a tér és az idő az itt vázoltnál furcsább és egymással összefüggő jelenség. Lásd erről a ‘Relativitáselmélet’ témát.