Autor: Lucas Bergowsky

Jak stać się niewidzialnym?

Lucas Bergowsky2 komentarze

Marzenie o tym, aby ukryć się przed wzrokiem innych przedstawicieli naszego gatunku lub pozostałych istot zamieszkujących tę planetę, towarzyszyło nam od zarania ludzkości. Wystarczy zapoznać się z odkryciami archeologów i pracami historyków, aby natknąć się na ślady magicznych rytuałów czy też bardziej racjonalnych praktyk takich jak np. używanie farb czy błota lub rzeczy o intensywnym zapachu.

fot. CC- BY 3.0

Myślę, że nasz gatunek nauczył się sztuki maskowania lub kamuflażu obserwując inne. Pomyślcie o tym, co robią różne zwierzęta, aby nie zostać zauważonymi np. przez drapieżniki lub skuteczniej polować. Prawda, że ciężko dostrzec żabę pośród trawy lub leniwca zwisającego pośród liści? Dzieje się tak dlatego, że ich barwa zlewa się z otoczeniem. Ciężko zauważyć różnicę, jeśli jest ona niewielka. Niektóre gatunki stosują bardziej aktywne techniki “zlewania się z otoczeniem”, np. kałamarnice uwalniające “atrament” czy ryby, które “mącą” dno, aby umknąć. Są też takie gatunki, które wprost upodobniły się do elementów środowiska, w jakim żyją; kojarzycie zapewne patyczaki?

fot. domena publiczna

Nasz gatunek robi rzeczy podobne na szeroką skalę mniej więcej od momentu pojawienia się celnych karabinów. Wcześniejsze kolorowe mundury zastąpiły te w barwach szarości i zieleni. Jednakże należy pamiętać, że kamuflaż nie czyni niewidzialnym, a jedynie utrudnia dostrzeżenie danego obiektu. Dokładnie tak samo jest w przypadku tzw. samolotów niewidzialnych dla radaru. Nie są one niewidzialne, a jedynie trudno lub późno wykrywalne. Dokładną zasadę działania radaru z chęcią wyjaśnię szerzej w kolejnych tekstach. Teraz skupmy się na tym, że jeśli jakikolwiek obiekt posiada ładunek elektryczny i porusza się w czasie i przestrzeni, to na mocy praw Maxwella wytwarza pole elektromagnetyczne, które oddziałuje z innymi. Jeśli cokolwiek oddziałuje za pośrednictwem tego pola, to może zostać również w ten sposób wykryte.

Techniki zmierzające do obniżenia naszej wykrywalności radarem lub np. za pomocą gogli termowizyjnych czy sonaru nazywa się zwyczajowo “stealth”, co oznacza “skradanie się”. Efekty te można uzyskać na różne sposoby. W przypadku samolotów stosuje się substancje pochłaniające promieniowanie elektromagnetyczne o określonych zakresach lub powierzchnie odbijające je w kierunkach innych niż ten, z którego zostało wysłane. Ukrywać się przed radarem można również, lecąc na odpowiednich wysokościach względem powierzchni ziemi, aby nasze odbicie skutecznie zlało się z odbiciem z otoczenia. Dokładnie ten sam efekt (tyle że w zakresie światła widzialnego) uzyskujemy, zakładając strój w barwie zlewającej nas z otoczeniem i stojąc odpowiednio daleko. Aby uchronić się przed wykryciem za pośrednictwem promieniowania z zakresu podczerwieni, możemy zastosować technikę znaną nam z filmu “Predator” (z pewnymi zastrzeżeniami – to jednak był film) lub odpowiednio manipulować temperaturą otoczenia, aby jak najbardziej zbliżyć ją do temperatury naszego ciała. Z tym, że znów rozmawiamy o technikach pozwalających nam jedynie obniżyć możliwość naszego wykrycia i to przy założeniu, że jesteśmy samolotem, okrętem lub mamy do dyspozycji pomieszczenie z możliwością regulacji temperatury; w dalszym ciągu jest to mowa o zmniejszeniu szansy na nasze wykrycie w tym zakresie fal elektromagnetycznych, z którego nie korzystamy na co dzień “nieuzbrojonym okiem”. Jak jednak stać się “niewidzialnym”, tj. uniemożliwić innym dostrzeżenie nas w zakresie światła widzialnego w sensie, który można określić swojsko jako “peleryna-niewidka”? Czy to właściwie możliwe, biorąc pod uwagę prawa fizyki? Absolutna niewidzialność jest niemożliwa, gdyż oznacza ona po prostu brak obecności we Wszechświecie. Zwróćcie uwagę, że potrafimy wykrywać nawet obiekty które “pochłaniają wszystko”, czyli czarne dziury. Jeśli w szumie nagle pojawia się cisza, to ona aż krzyczy.

fot. CC BY-SA 3.0

Fale elektromagnetyczne w swoich zakresach różnią się jedynie energią, więc jeśli można się uczynić trudno wykrywalnym w zakresie fal radiowych, mikrofalowych, promieniowania podczerwonego, to z pewnością da się w jakiś sposób osiągnąć podobne efekty w zakresie światła widzialnego. I tu znów wracamy do tzw. “mundurów moro”, ale czy da się osiągnąć coś bardziej spektakularnego? Coś w skali znanej nam np. z jednej z licznych ekranizacji powieści “Niewidzialny człowiek” H. G. Wellsa? Jeśli się temu przyjrzeć, to wygląda to tak, jakby fale światła widzialnego “opływały” obiekt bez odbijania bądź załamywania się na jego powierzchni (granicy fazy dla purystów). Czy taki efekt to jedynie wymysł autorów sci-fi?

fot. domena publiczna

Fale to fale, niezależnie o jakim rodzaju mowa, i wszystkie podlegają tym samym zjawiskom. Skoro da się przy pomocy odpowiednich materiałów kierować strumieniem fal dźwiękowych, to da się to zrobić również z falami elektromagnetycznymi. Pytanie tylko, czy istnieją materiały, które pozwolą nam kierować falą światła w zadanym kierunku – materiały, z których da się uszyć pelerynę, a nie żadne tam anteny czy wielkie struktury.

Światło widzialne – to fale elektromagnetyczne o określonej energii, a więc również długości; potrzeba nam wobec tego materiału zawierającego struktury odpowiedniej długości, aby skutecznie wpływać na wszystkie zakresy światła widzialnego, które mieszczą się w zakresie mniej więcej od 400 do 700 nanometrów. Odpowiednie ułożenie takich struktur w materiale sprawia, że fala opływa go i wraca na dotychczasowy tor. Problemem pozostaje wyprodukowanie takiego materiału, który zawierałbym struktury dla każdego z zakresów częstotliwości. W 2009 zaprezentowano materiał obejmujący swoimi możliwościami całkiem spory zakres, aczkolwiek dalej widziano każdy ruch.

Cóż, takie są prawa rządzące naszym Wszechświatem: jeśli w nim jesteś, to Twoją obecność da się w jakiś sposób zauważyć w ten czy inny sposób. Może ma to jakiś związek z wymiarem czasoprzestrzeni, o którym zapominamy, mierząc go zegarkami? O tym kolejnym razem.

(c) by Lucas Bergowsky
Jeśli chcesz wykorzystać ten tekst lub jego fragmenty, skontaktuj się z autorem.

Jak “zajrzeć w przyszłość”?

Lucas Bergowsky2 komentarze

Z pewnością każdy z was natknął się na osoby, które twierdziły, że posiadają wiedzę o przyszłych zdarzeniach. Kiedyś traktowano to poważnie, obecnie niestety nadal. Gdyby chodziło o osoby posługujące się statystyką, można by spokojnie przejść nad tym do porządku dziennego – tu mówimy o racjonalnej metodzie, która pozwala nam na podstawie danych określić pewne prawdopodobieństwo. Tymczasem na każdym kroku można spotkać ludzi twierdzących, iż są w stanie posiąść wiedzę tego rodzaju z ruchu ciał niebieskich, kart tego czy innego rodzaju, bliżej niesprecyzowanej aury itp.

Gdy spytać ich o szczegóły, lub – o zgrozo – zacząć dociekać zgodności ze znanymi prawami fizyki, najczęściej słyszymy jakiś technobełkot lub coś zahaczającego o ezoterykę, względnie można spotkać się z opinią o naszym braku otwartości na tajemnice Wszechświata. Oczywiście standardem jest, iż większość z nich domaga się czegoś absurdalnego, tj. “Udowodnij mi, że to nieprawda”. W takich przypadkach jedyną właściwą odpowiedzią wydaje mi się: “Udowodnij mi, że nie opętał cię właśnie Niewidzialny Różowy Jednorożec!”

No, ale oddajmy im przysługę i zastanówmy się nad tym, czy to możliwe – czy da się w jakiś sposób posiąść wiedzę o wydarzeniach, która mają dopiero zajść. Czy ktoś, kto jest obok was, może szybciej niż wy posiąść taką wiedzę? Zastanówmy się, a właściwie coś sobie wyobraźmy!

W poprzednim tekście pt. Co widzi foton na zegarku? posłużyliśmy się zegarkiem, w którym sekunda wybijała zawsze, gdy foton pokonywał dystans wynikający z jego stałej prędkości. Jak pamiętamy, sam fakt ruchu takiego zegara względem obserwatora powodował zauważalne zmiany w “upływie czasu”. To działa też w drugą stronę: jeśli to my zaczniemy się poruszać względem zegara, to też zauważymy różnice w jego wskazaniach. Spójrzmy na ilustrację:

Na pierwszej ilustracji obserwujemy sytuację, w której zegary stoją przed nami grzecznie na biurku, na kolejnej obserwujemy to samo z perspektywy kogoś, kto się porusza ze stała prędkością. Czy w obydwu przypadkach droga, którą mają do pokonania fotony, aby wybiła sekunda, jest ta sama, gdyby spytać każdego z obserwatorów? Na pierwszy rzut oka widać, że nie: nie ma znaczenia, w którą stronę skierować wyimaginowane strzałki mające wyznaczać kierunek ruchu zegarów (czy też nas względem nich, bo to wg Einsteina to samo). I efekt ten jest widoczny już dla prędkości, które odpowiadają spokojnej przebieżce po parku. Gdybyście postawili ciąg takich zegarów stąd do Andromedy, to im dalej, tym bardziej byłoby to widoczne. I nie ma znaczenia, czy mówimy to o wskazaniach zegara, czy o dowolnym innym wydarzeniu. Chcę, aby to dobrze wybrzmiało: jeśli ja siedzę na ławce, a wy biegniecie tak, że zbliżacie się w stronę tej galaktyki, to nasze obserwacje nie będą zgodne do tego stopnia, że mając odpowiednio silne teleskopy, ja będę widział to, co na jednej z planet stało się w poniedziałek, a wy będziecie mogli zaobserwować, co dzieje się tam w środę.

Tak, właśnie z pełną powagą zapewniam was, że przy pomocy odpowiednio silnego teleskopu i ruchu we właściwą stronę da się obserwować wybuch gwiazdy, którą nadal obserwują inni astronomowie. Oni nie wiedzą, a my już wiemy. Ale czy wobec tego oznacza to, że przyszłość już istnieje? Nie, to nic nie oznacza.

Właściwie oznacza to, że Einstein miał rację, postulując stałą prędkość światła względem każdego obserwatora. To, że możemy teoretycznie dokonać takich zaskakujących obserwacji, nie oznacza “zaglądania w przyszłość”, tylko w przeszłość. Prędkość światła to jednocześnie prędkość, z jaką po naszym Wszechświecie rozchodzą się informacje. Obserwując czy to poniedziałek, czy środę w Andromedzie, nie obserwujemy żadnego “teraz”, lecz zdobywamy wiedzę o tym, co zaszło tam 2,5 miliona lat temu w dany poniedziałek lub środę z naszej perspektywy. I na odwrót: jeśli ktokolwiek w Andromedzie patrzy w naszą stronę, to nie ma żadnego sposobu, aby przeczytać tekst, który opublikuję po tym. Głównie dlatego, że jeszcze go nie napisałem – a jeśli nie napisałem go w swoim układzie odniesienia, to nie powstał on w żadnym innym. Nieważne. kto patrzy, z jakiej odległości i z jaką prędkością się porusza. Nie istnieje żaden sposób, aby przeczytać taki tekst, tak więc nikt nie jest w stanie powiedzieć, o czym on będzie, dopóki sam się tego nie dowiem; nikt nie “zobaczy”, czy skręciłeś w prawo, czy w lewo szybciej niż Ty sam, bo do Ciebie światło ma najkrótszą drogę.

Czas nie jest czymś, co płynie, ale wymiarem, w którym się poruszamy z tą czy inną prędkością; ale nic nie jest w stanie przekroczyć prędkości światła, tak więc gdyby dało się “dowiedzieć, co będzie w przyszłości”, to oznaczałoby ni mniej, ni więcej, tylko że cegła upadnie na waszą głowę, a fotony informujące o tym wydarzeniu ruszą w swą podróż, z tym że przed nimi są jakieś inne fotony, które pojawiły się w związku z tym wcześniej i niosą dokładnie tę samą informację możliwą do odbioru za pośrednictwem horoskopu względnie kryształowej kuli. Prawda, że to głupie? Pozostańmy więc przy teorii względności czy mechanice kwantowej, które są po prostu dziwne…

P.S Gdyby ktoś się jednak upierał, że to możliwe, bo gdzieś widział, że ktoś coś przepowiedział i się sprawdziło, to o tym, jak to działa, możecie pooglądać i poczytać u Jamesa Randi’ego, który spędził życie na demaskowaniu takich oszustów. Był tak pewny swego, że do końca życia oferował milion dolarów każdemu, kto w prostym teście dowiedzie swoich nadnaturalnych zdolności. Oczywiście nikt tej nagrody nie wygrał. Podobnych nagród od kilku do kilkuset tysięcy dolarów na całym świecie jest do odbioru nadal kilkanaście.

(c) by Lucas Bergowsky
Jeśli chcesz wykorzystać ten tekst lub jego fragmenty, skontaktuj się z autorem.

Co widzi foton na zegarku?

Lucas BergowskyLeave a comment

Zgodnie z obietnicą w tym wpisie pojawi się odpowiedź na pytanie zadane w sondzie. Otóż nie brzmi ona ani “prawda”, ani “fałsz”, bo samo pytanie jest trochę źle postawione.

Co to właściwie oznacza, iż “czas stoi w miejscu”? Chyba to, że z perspektywy obserwatora nie zachodzą żadne zdarzenia, tj. nic wokół niego się nie zmienia. Kot strącił wazon, ale ten nie doleciał do podłogi, gdyż czas nagle się zatrzymał. Wygląda to tak, jakby cały Wszechświat stanął w miejscu albo też (co na jedno wychodzi) absolutnie wszystkie obiekty we Wszechświecie zaczęły się poruszać w taki sposób, iż względem siebie znajdują się w stanie spoczynku.

Jest to oczywiście niemożliwe, gdyż taka sytuacja oznacza, że znamy położenie i pęd absolutnie wszystkich obiektów, a tego zrobić się w naszym Wszechświecie nie da: zasada nieoznaczoności stanowczo tego zabrania. Czasu nie można traktować jak czegoś, co płynie, a my to mierzymy; sekunda to nie ładunek elektryczny elektronu, choć jedno i drugie ma ściśle określoną wartość. Sekunda nie jest “ładunkiem czasu”, choć intuicyjnie tak ją traktujemy z uwagi na to, że to, co nazywamy “upływem czasu”, mierzymy za pomocą urządzeń zliczających przejścia pomiędzy stanami izotopu cezu. Gdy taka skomplikowana maszyna naliczy 9 192 631 770 okresów promieniowania, które odpowiadają przejściu pomiędzy wspomnianymi stanami tego pierwiastka, to mówimy że “minęła jedna sekunda”. I możemy tak mówić, choć coś nas wewnętrznie gryzie, bo przecież wiemy, że trzeba korygować wskazania tych niesamowicie dokładnych zegarów względem siebie; inaczej system GPS byłby totalnie bezużyteczny. Tym, co nas wewnętrznie gryzło zdanie wcześniej, jest przewidziana przez Einsteina dylatacja czasu.

Na czym polega dylatacja szyn kolejowych – myślę, że wszyscy wiemy: ulegają rozszerzeniu lub skurczeniu względem siebie pod wpływem warunków atmosferycznych. Jak się okazuje, z sekundą jest tak samo, choć właściwie to nie z sekundą, ale z czasem. Skoro zegar musi naliczyć dokładną liczbę okresów promieniowania, aby wskazówka się poruszyła o sekundę, to z tym się nic zrobić nie da i nie tu należy szukać przyczyny tego zjawiska. Zapomnijmy o definicji z układu SI: to wszystko jest o wiele prostsze, niż mogłoby się zdawać, tylko trzeba uświadomić sobie, co kryje się w pojęciu “czasoprzestrzeń”. No właśnie: jeśli pomyśleliście o wymiarach przestrzeni, to macie rację; pomyślcie dalej o tym, że w wymiarach da się poruszać w ten lub inny sposób. No to zastanówmy się, co z tego wynika. A jako że bardzo lubię sci-fi…

… to zbudujemy sobie w ramach eksperymentu myślowego zegar pingpongowy z wahadełkiem fotonowym! Foton idealnie się do tego celu nadaje: masy może i nie ma, ale za to zawsze porusza się ze stałą prędkością – z prędkością światła. Nasz zegar działa w ten sposób, iż foton podróżuje sobie w rurce od doskonałego zwierciadła na jednym końcu do takiego samego na drugim.

Myślę, że zasada działania tego zegara jest dość czytelna: ponieważ foton zawsze porusza się ze stałą prędkością, to po upływie sekundy musi koniecznie przebyć ściśle określony dystans. Skoro dystans jest zawsze taki sam, to wystarczy doliczyć (w tym przypadku) do 299 792 458 odbić fotonu od zwierciadeł, aby mieć pewność, że foton przebył dystans, który pokonuje w ciągu sekundy. Taki zegar jest równie dobry, jak ten oparty na cezie, tylko ze względów technicznych mało praktyczny.

Przyjmijmy jednak, że jakimś sposobem te zegary są w powszechnym użyciu i że to właśnie one są na pokładach satelitów budujących system GPS. Czy nadal trzeba będzie nanosić poprawki związane z dylatacją czasu? Odpowiedź brzmi: tak. Tylko tak naprawdę – dlaczego “tak”? Fotony są bezmasowe i zawsze poruszają się ze stałą prędkością, a dystans między zwierciadłami mają do pokonania ten sam.

fot. domena publiczna

Nie bez powodu pojawia się tu fotografia Einsteina rozmawiającego z Oppenheimerem. Bo obaj w tym momencie uśmiechnęliby się na moje stwierdzenie, iż “dystans do pokonania mają ten sam”. Einstein z pewnością zapytałby z uśmiechem: – Lucas, na pewno? Zastanów się nad tym co widzisz. – No to spójrzmy raz jeszcze, jak to wygląda w przypadku zegara, który mamy na biurku:

Zegar grzecznie stoi przed nami na biurku, a foton grzecznie podróżuje pomiędzy zwierciadłami (ilustracja ma oczywiście charakter poglądowy). No to teraz spójrzmy, jak to wygląda w przypadku zegara, który względem nas się porusza z dowolną prędkością, np. 0.99 c

Rurkę można oczywiście ustawić pod dowolnym kątem, a kierunek poruszania się względem nas nie musi być koniecznie “w górę”. Czy ścieżka, którą muszą pokonać obydwa fotony, aby wykonać wskazaną liczbę odbić od zwierciadeł, jest nadal taka sama, jak wydawało się na pierwszy rzut oka?

Przypominam że ilustracje mają charakter poglądowy, jednakże samo zjawisko ma charakter jak najbardziej rzeczywisty. Z samą sekundą czy metrem absolutnie nic się nie stało: w obydwu zegarach nadal musi nastąpić określona ilość zjawisk, aby “minęła sekunda”. Co więc się dzieje? Przypatrzcie się dokładnie, bo to banalne. Z samą prędkością światła nic się nie stało, to informacja o tym, co dzieje się na zegarze, który względem nas się porusza, ma dłuższy dystans do pokonania. Czasoprzestrzeń nie jest przecież sztywna, ale ugina się na różne sposoby. Jak jednak wygląda ta sytuacja z punktu widzenia fotonu?

I w tym momencie Einstein ma się prawo obrazić, bo pamiętamy o jednym z jego postulatów, a zapominamy o drugim, choć użyliśmy go do budowy tego zegara: prędkość światła w próżni jest równa c dla wszystkich obserwatorów! Co to oznacza?

Oznacza to, że nie ma takiego układu odniesienia, w którym prędkość samego fotonu względem innego obserwatora. byłaby równa 0 m/s! Prędkość światła jest stała, jest stała zawsze dla wszystkich obserwatorów i nigdy nie wynosi 0 m/s, a zawsze wynosi 299 792 458 m/s. Obojętnie, o jakim rodzaju obserwatora mowa. Prędkość dowolnego innego obiektu względem nas może w określonych warunkach wynosić wspomniane 0 i wówczas ów obiekt pozostaje względem nas w stanie spoczynku, ale nie istnieją takie warunki, aby prędkość światła wynosiła 0.

Gdyby wobec tego ktoś zapytał was o to, co widzi foton na zegarku, możecie albo puścić wodze fantazji, albo uszanować Einsteina i stwierdzić krótko: to pytanie nie ma sensu, bo nie ma zegarka, którego foton mógłby używać w ten sposób, jak my używamy swoich. Zjawisko dylatacji czasu obserwujemy nie dlatego, że “upływ czasu” da się w ten czy inny sposób przyśpieszyć, ale dlatego że prędkość światła jest stała dla wszystkich obserwatorów i dla żadnego nie wynosi zero. Gdy tylko przestajemy traktować czas jak coś, co płynie, a dostrzegamy, że to my w nim płyniemy, wszystko staje się o wiele prostsze. To nie foton zwolnił, ale dystans, jaki ma do przebycia, się zmienił. To nie “czas płynie”, ale to my poruszamy się w nim w ten lub inny sposób, który zależy od ugięcia całej czasoprzestrzeni. Z tego “poruszania się” w czasie można wyciągnąć ciekawe konsekwencje: bo czy uwierzylibyście, że ja mogę widzieć wydarzenia, które były “gdzieś”, w poniedziałek, a wy będziecie w stanie powiedzieć, co stało się tam w kolejny wtorek? Czy fizyka pozwala zajrzeć w przyszłość? O tym opowiemy sobie już kolejnym razem!

(c) by Lucas Bergowsky
Jeśli chcesz wykorzystać ten tekst lub jego fragmenty, skontaktuj się z autorem.