kvantfluktuation
Det som kanske är svårast att acceptera i kvantfältteorier är idén om vakuumpolarisation och virtuella partiklar. Det tycks alltså som om osäkerhetsrelationen ska ses som en fundamental naturlag, som innehåller mer än bara att vi aldrig samtidigt kan mäta vissa storheter exakt. Det första tillfället vi tydligt ser detta är när vi studerar sambandet mellan energi och livslängd hos kortlivade kvanttillstånd. Enklaste exemplet är exciterade elektroner i atomer. När vi löser Schrödingerekvationen för väteatomen verkar det som alla energinivåer för elektronen är lika stabila. I verkligheten kommer elektroner som ligger i högre energinivåer alltid att falla ner till grundtillståndet förr eller senare. Detta beror på att de växelverkar med virtuella partiklar som finns även i vakuum runt elektronen. Elektronen stannar i genomsnitt tiden Dt i den högre nivån. Man kan då mäta en breddning av nivåns energi DE, med storlek enligt osäkerhetsrelationen. Denna energibreddning kan verkligen observeras. Man kan se att spektrallinjerna har en viss bredd när man mäter mycket noggrant. Samma sak ser man i elementarpartikelfysiken när man mäter energin hos mycket kortlivade partiklar. Man får inget bestämt värde utan ser energier inom ett brett band DE, och ju kortare medellivslängd, desto större DE.
Ett annat sätt att experimentellt påvisa existensen av virtuella partiklar är genom Casimireffekten. Vakuumfluktuationer (virtuella partiklar som dyker upp och försvinner) ger upphov till små krafter mellan oladdade plattor av ledande material. Mer om detta kommer i extramaterialet.
Ju längre ner i storlek vi kommer desto större blir avståndet mellan oss och våra modeller. För att göra ett experiment i elementarpartikelfysik krävs en enorm experimentanläggning, och resultatet av de moderna experimenten registreras och analyseras elektroniskt innan någon människa får se dem. Därför beror det man får ut väldigt mycket på vilken modell av verkligheten den använt som skrivit datorprogrammen. Kanske missar vi något på grund av detta....
I kvantmekanik är en kvantfluktuation den tillfälliga energiförändringen i en punkt i rummet, uppkommen ur Heisenbergs osäkerhetsprincip.
Enligt en formulering av principen, kan förhållandet mellan energi och tid beskrivas genom Det betyder att regeln om att bevara energi kan brytas, men blott för korta ögonblick. Detta möjliggör skapandet av partikel-antipartikelpar av virtuella partiklar. Effekterna av dessa partiklar är mätbara, exempelvis i elektronens elektriska laddning, olik dess "nakna" laddning.Kvantfluktuationer kan ha varit mycket betydelsefulla i begynnelsen av universums struktur: enligt modellen om kosmisk inflation var fluktuationerna när inflationen startade amplifierade och sådde fröet till all nuvarande observerbar struktur.
Ett intressant begrepp när man studerar svarta håls avdunstningsfenomen är accelerationsstrålning. Denna strålning är en följd av relativitetsteorins konsekvenser. Sett från en fritt fallande observatör så bildas virtuella partiklar ideligen p g a kvantmekanikens lagar. Att man kan inse att det rör sig om virtuella partiklar beror på att en fritt fallande observatör kan se både utanför och innanför horisonten.
Virtuella partiklar, som tillfälligt lånar energi ur tomma intet, skapas i en region innanför och utanför horisonten. I fallet med en accelererad observatör som alltid håller sig utanför det svarta hålets horisont så ser denne ett hektiskt moln av verkliga partiklar (eftersom observatören inte ser partiklarna innanför horisonten) som rör sig utanför horisonten men som för det mesta faller tillbaka in innanför horisonten. Denna atmosfär av verkliga partiklar kallas för accelerationsstrålning. Bara i enstaka fall så lyckas en av partiklarna i partikel-antipartikel paret att ta sig ut från det svarta hålets gravitationsfält och då är partikeln extremt rödförskjuten. Detta tillåter membranet att vara väldigt hett trots att det svarta hålet på långt avstånd har en mycket låg temperatur.
-----------------
Robert Kirchner och hans grupp har försökt beräkna avstånd och de har kommit fram till att det är ganska tomt där ute. Kanske lite väl tomt, tycker partikelfysikerna som vill fylla rymden med exotiska partiklar för att rädda teorin om att universum skapats ur ingenting. Universum har expanderat sedan Big bang och genom att se hastigheten kan man nämligen gå vidare och ”väga” universum.
Teorin om hur universum kunde uppstå ur ingenting kräver att det finns hundra gånger mer massa i rymden än vad vi idag kan observera. Det måste finnas någon form av mörk materia i galaxerna, astronomerna spekulerar i mörka kroppar och kalla vätgasmoln som vi inte kan fånga upp i våra teleskop.Partikelfysiker nöjer sig dock inte med en sådan förklaring. Om det fanns hundra gånger mer massa än det gör, så skulle vi få ett universum som ur energisynpunkt inte har kostat någonting därför att expansionen är lika stor som gravitationen, och då tar de båda krafterna ut varandra. Det är ett lån som inte behöver betalas tillbaka förrän om en evighet.
Stephen Hawking är en av vår tids främsta fysiker. Han har bidragit till stora kunskaper om svarta hål. Nu försöker han förklara universums skapelse. Han säger att man måste gå ner till materians minsta beståndsdelar för att förstå sig på det stora hela. Längre ner än atomnivå gäller inte längre våra deterministiska lagar. Här är det slumpen som avgör, fast vissa händelser är mer troliga än andra. Hawkins beräkningar visar att det var högst troligt att en Big Bang skulle inträffa. Det finns ingenting i kvantmekaniken som säger emot att någonting kan skapas i ingenting eller på grund av ingenting. Han säger också att universum kan skapas hela tiden, fast vi inte känner till det. Sådana universum behöver inte alls se ut som vårt. De kan implodera för snabbt, innan galaxer hinner bli till… eller så utvidgar sig de för snabbt och blir nästan helt tomma. Vårt universum är därför ändå rätt speciellt.
Fysikerna försöker idag bygga upp en teori för hur universum såg ut den allra första tiden efter Big bang. Med dagens teorier har man lyckats förklara tiden efter 10^-43 s efter Big bang. Tiden före kallas Plancktiden och här bryter dagens teorier samman. För att beskriva vad som skedde under Plancktiden måste man ha en teori för kvantgravitation och en sådan saknas idag. Den teori man idag har för hur en sådan teori för kvantgravitation kan se ut säger att rymden under Planckeran var så hoprört att universum inte längre var en 3-dimensionell värld utan snarare en blandning av alla möjliga flerdimensionella världar. Detta helt obegripliga påstående gör att det är helt omöjligt att med någon form av säkerhet säga något om hur universum såg ut före 10-43 s efter Big bang. Man kan alltså inte veta något om hur det såg ut, men det påverkar inte förståelsen av det som skett senare i universums historia för det som hände då påverkar inte något som kom att hända senare.
Med dagens teknik har man gjort noggranna mätningar och datorsimuleringar för att förstå hur det hela gick till. Man kan dock inte se hur långt tillbaka i tiden som helst. Där slutar våra fysiska lagar att gälla. Man forskar mycket inom detta i dag. Man måste titta in i det lilla för att förstå det stora. Då materian anses uppstå spontat säger man att det är en naturlig process i naturlagarna. Men det ger ingen ingående förklaringsmodell på varför materian byggs upp i ingenting. Vad som skapar energi ur ingenting.
tis okt 16, 2007 7:34 pm