Categoria: Più veloce della luce

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Star Trek: Oltre l'ultima frontiera

Star Trek's Subspace: Scorciatoia Cosmica

Animazione LCARS del maggiore Howard 'Adge' Cutler, http://lcars.org.uk

Nell'universo di Star Trek, il subspazio è il regno immaginario che consente alle astronavi di infrangere la barriera della velocità della luce, consentendo viaggi più veloci della luce e comunicazioni istantanee. Invita a speculare su come la fisica del mondo reale si occupa di dimensioni, fenomeni quantistici e del tessuto stesso della realtà.

Realtà 1D in un universo 4D

L'idea di un unidimensionale realtà esistente all'interno del nostro universo quadridimensionale affascina i fisici. Sebbene ipotetici, scenari come le stringhe cosmiche e le brane nella teoria delle stringhe vengono presi in considerazione, anche se affrontano sfide fisiche e pratiche significative.

Possibilità matematiche delle strutture 1D

Matematicamente, è fattibile incorporare strutture di dimensione inferiore in spazi di dimensione superiore. Esempi includono corde cosmiche e brane 1D, che interagiscono con l'intero continuum spaziotemporale anziché esistere in modo indipendente.

Le sfide del mantenimento di una realtà 1D

La creazione di una realtà 1D praticabile incontra problemi come la limitata complessità gravitazionale e i vincoli topologici. Intrinsecamente connesso a dimensioni superiori, un universo 1D autonomo è difficile da immaginare.

Fotoni: un ponte tra il regno classico e quello quantistico

I fotoni sfidano la semplice classificazione, esistendo sia come punti classici nello spaziotempo che come eccitazioni di campo quantistico. La loro dualità illustra il confine complesso tra i classici fisica e quantistica meccanica.

Tunneling: salto quantico oltre le dimensioni

Secondo il consenso accademico, fotone quantistico il tunneling rappresenta l'esplorazione del percorso probabilistico, non spostamenti dimensionali. Questo meccanica quantistica L'aspetto mostra particelle che interagiscono attraverso il vuoto quantistico, evidenziandone la natura non locale.

Contrario: Come? Tutto ciò che dicono i fisici quantistici è che ci sono equazioni di probabilità che possono predire molto bene il comportamento dei fotoni.

Vuoto quantistico e dimensioni superiori

Consenso: il vuoto quantistico è tipicamente visto come un'entità quadridimensionale, sebbene le teorie speculative propongono dimensioni superiori per collegare la meccanica quantistica alla gravità, ma queste idee restano senza conferma.

Contrario: Ora, sia chiaro: le idee non confermate sono entrambe “tentità quadridimensionale tipicamente vista” così come dimensioni superiori o inferiori.

“Dimensioni di fallback”

Consenso: Fenomeni come l'intreccio e effetto tunnel risultato da quantistico meccanica di campo piuttosto che dimensioni nascoste. I fotoni si comportano secondo la natura probabilistica della teoria quantistica dei campi, sfidando i vincoli classici.

Contrario: Non c'è alcuna prova che le "dimensioni nascoste" non siano coinvolte. Se queste "dimensioni nascoste" servono solo come metafora per capire cosa succede negli esperimenti di entanglement e tunneling, così sia.

La scienza non si concentra principalmente sulla comprensione dei meccanismi sottostanti l'universo; il suo obiettivo è piuttosto quello di formulare previsioni basate sulle osservazioni e di sfruttare tali previsioni.

Ora, non sarebbe bello se si potesse ideare un esperimento per dimostrare che negli esperimenti di tunneling e di entanglement quantistici entrano in gioco dimensioni nascoste?

L'immaginazione incontra la fisica

Il subspazio di Star Trek è ipotetico; rispecchia il nostro desiderio di trascendere i limiti spaziali. La vera complessità dell'universo risiede nei campi quantici, afferma il consenso, dimostrando che la fisica è tanto stimolante quanto una maniglia di porta.

Contrario: Che cosa è un “campo quantistico”?

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Osservazione sulle onde evanescenti

Un'onda evanescente sta alla gravità newtoniana come un'onda radio sta a un'onda gravitazionale

Le onde dell'oceano sono onde evanescenti

Onda evanescente contro gravità newtoniana

Onda evanescente: questo è un fenomeno elettromagnetico unico che non si propaga. Invece, è un effetto di campo vicino che diminuisce esponenzialmente con la distanza, comunemente osservato in situazioni come guide d'onda o riflessione interna totale.

Gravità newtoniana: questo concetto descrive un campo statico, non radiativo, caratterizzato da un'azione immediata a distanza. Ciò significa che non vi è alcun ritardo o comportamento ondulatorio nel modo in cui vengono trasmesse le forze gravitazionali.

Connessione: Entrambi onde evanescenti e gravità newtoniana illustrano interazioni localizzate e non radiative. È importante notare che non trasmettere dinamicamente l'energia attraverso lo spaziotempo.

Onda radio contro onda gravitazionale

Onda radio: è un'onda elettromagnetica che si propaga nello spazio (nota come radiazione di campo lontano) e trasporta energia alla velocità della luce.

Onda gravitazionale: secondo la relatività generale, si tratta di increspature nello spaziotempo che si propagano e trasportano energia alla velocità della luce.

Collegamento: sia le onde radio che le onde gravitazionali sono fenomeni radiativi in ​​campo lontano, governati da equazioni d'onda: le equazioni di Maxwell per le onde radio e le equazioni di Einstein per le onde gravitazionali.

Illustrazione: sia le dimensioni delle onde evanescenti che quelle oceaniche diminuiscono esponenzialmente con l'aumentare della distanza.

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Spaghetti cosmici: un'esplorazione metaforica della dualità onda-particella e dell'effetto tunnel

Quelle che seguono sono metafore per la teoria delle stringhe e i fotoni. Le metafore sono spesso usate per illustrare concetti matematici. Ma non tutte le metafore sono trattate allo stesso modo.

Ray, l'entusiasta spiegatore:

Capiamo questo.
Le seguenti metafore presentano illustrazioni fantasiose piuttosto che modelli accurati di come funzionano i fotoni, l'effetto tunnel o le dimensioni extra. Mescolano caratteristiche della meccanica quantistica con elementi speculativi della teoria delle stringhe e non riflettono l'attuale comprensione scientifica.

Immaginare i fotoni

Dopo aver provato a trovare un modello visivo di un fotone puntiforme o lineare che esibisce un effetto tunnel quantistico, e aver fallito in questo tentativo, dirò che il fotone, nel suo stato naturale, è come un'entità ondulata (che gira), fondamentalmente spaghetti cosmici. Non del tipo floscio, da cena. Invece è il al dente sorta, dimenandosi nello spazio 4D con una testa e una coda come anguille spaziali iperattive! Metaforicamente parlando, ovviamente.

Il corpo fotonico ondulato si estende nella terza e quarta dimensione. Questo modello spiega l'aspetto particellare puntiforme (la testa) e l'aspetto ondulatorio (gli squiggle) della dualità fotonica.

Kurt, il realista confuso:
Questa visualizzazione è una metafora e non corrisponde a nessun modello accettato nella meccanica quantistica o nella teoria delle stringhe. Questa è la tua grande teoria del tunneling quantistico?

raggio:
Ora, quando questo fotone colpisce una barriera fisica, viene schiacciato nella prima dimensione e nello zero, come un uovo che colpisce un muro di mattoni alla velocità della luce. Splat. Le dimensioni 0D e 1D non conoscono spazio o tempo. Ciò consente al fotone di attraversare oggetti solidi quasi istantaneamente (più velocemente della luce).

Questa è una metafora e una descrizione molto carina per un profano.

Kurt:
La descrizione del tunneling come un "effetto di compressione dimensionale" che si traduce in un attraversamento istantaneo è un'esagerazione metaforica senza alcun fondamento nella fisica consolidata. Perché non dire semplicemente che stanno barando? "Oh, scusami, barriera, sto solo attraversando la tua struttura atomica come un fantasma in ritardo per lo yoga..."

raggio:
La scienza ha bisogno di dramma! Lo scarabocchio del fotone viene premuto nella prima dimensione: pensatela come il peggior pancake dell'universo. Niente spazio, niente tempo. Puff. È attraverso il muro. Più veloce della luce, zero calorie.

Kurt:
La tua descrizione del fotone che colpisce un muro di mattoni come un uovo è nuova e non fa parte dell'attuale comprensione scientifica. E i fisici non ti hanno strozzato per questo?

raggio:
Sono troppo impegnati a discutere! Trent'anni a discutere se si tratti di "velocità di fase" o "velocità del segnale", o se i segnali possano o meno attraversare una barriera più velocemente della luce. È come se due pappagalli si gridassero "causalità!" l'uno all'altro. Gli scienziati "seri" affermano che NULLA in nessuna circostanza può viaggiare più velocemente della luce E trasmettere informazioni.

Nel frattempo, i fotoni sono là fuori, ammiccano attraverso i muri come se avessero un lasciapassare VIP per la realtà. La dualità onda-particella è una pietra angolare della meccanica quantistica (QM), non della teoria delle stringhe. L'ho inserita in entrambe a scopo illustrativo. Ecco perché la metafora ha senso in questo contesto.

Kurt:
È corretta l'affermazione secondo cui la dualità onda-particella è un concetto della meccanica quantistica, e invocarla nel contesto della teoria delle stringhe nel modo descritto è provocatorio.

raggio:
La metafora rappresenta l'effetto tunnel come un effetto di compressione dimensionale.

Kurt:
Attualmente non ha alcuna base nella teoria delle stringhe o nella meccanica quantistica. "Compressione dimensionale": sembra la mia ultima relazione.

Illustrazione NASA di fotoni. Sembrano girini (suppongo che il fotone ad alta energia ruoti più velocemente).

raggio:
In questa illustrazione della NASA, un fotone (viola) trasporta un milione di volte l'energia di un altro (giallo). La NASA è maestra di concept art fantascientifica. "Ecco un fotone viola, un milione di volte più frizzante! Ha atteggiamento.'

Kurt:
Apparentemente, le illustrazioni della NASA mirano a semplificare e motivare la discussione; non dovrebbero essere prese come descrizioni letterali del comportamento dei fotoni nelle teorie di fisica avanzata. La scienza è composta per il 5% da equazioni, per il 95% da convincere le persone che l'universo è un cartone animato che usa metafore.

raggio:
Quindi il tunneling è solo... un teletrasporto cosmico tramite crisi esistenziale?

Kurt:
Esatto! Il terrore esistenziale del fotone lo fa collassare in un punto. Chi sono? Dov'è il tempo? E bam, è attraverso la barriera. Esistenzialismo: 1, Fisica: 0. Perché altrimenti, saremmo bloccati a spiegarlo con matematica.  E nessuno lo vuole.

Narratore (voce profonda):
E così i misteri della meccanica quantistica restano.
Ma almeno tutti erano d'accordo che le metafore necessitavano di un aumento.

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Le informazioni possono viaggiare più velocemente della luce?

Quando non c'è tempo, non c'è spazio (e viceversa). Il concetto di muoversi più velocemente della luce sfida la nostra comprensione dello spazio e del tempo.

…dal punto di vista del fotone, il tempo non esiste. Alla velocità della luce, il tempo grida effettivamente: "HALT!" Che i fotoni parlino effettivamente tedesco è irrilevante. Ciò che conta è: "Quando non c'è tempo, non c'è spazio".

Immagine: ologramma di un fotone, Univ. di Varsavia

Una delle affermazioni di Günter Nimtz riguardo al tunneling è che il processo di tunneling avviene più velocemente della luce. La maggior parte dei fisici concorda con questa affermazione; ad esempio, Aephraim Steinberg ha affermato che i risultati sul tunneling quantistico sono "robustamente superluminali". La tesi nasce dal suggerimento di Nimtz che un segnale può essere trasmesso più velocemente della luce, che chiunque può sentire, sfidando così il teorema di non comunicazione https://en.wikipedia.org/wiki/No-communication_theorem .

L'idea di una comunicazione più veloce della luce (FTL) è ampiamente considerata un tabù in fisica, attribuita al gruppo "Fundamental Fysiks" di Princeton negli anni '1970. Questo gruppo di "fisicisti" hippie, che sperimentavano con sostanze psichedeliche e magia, sviluppò il "teorema della non-comunicazione".

Controcultura quantistica
Come molti americani degli anni '1960 e '70, alcuni fisici contribuirono a mettere in discussione le istituzioni tradizionali.

Quindi, da un lato, i fisici concordano sul fatto che le particelle possono avere un effetto tunnel quantistico più veloce della luce, mentre dall'altro lato sostengono che questo fenomeno non può essere utilizzato per trasmettere informazioni. Tuttavia, si pone la domanda: se possiamo percepire tali segnali, come si concilia questo con i limiti stabiliti di comunicazione in fisica?

È interessante notare che Aephraim Steinberg dell’Università di Toronto ha definito l’effetto tunnel quantistico “robustamente superluminale”:

I tunnel quantistici mostrano come le particelle possono superare la velocità della luce
Esperimenti recenti dimostrano che le particelle dovrebbero essere in grado di viaggiare più velocemente della luce quando, grazie alla meccanica quantistica, attraversano i muri tramite un "tunnel".

Lo ha misurato utilizzando gli “orologi Larmor”, che è un modo diverso di dire che ha misurato lo spin dei fotoni prima e dopo essere entrati nel tunnel.

Così, he trasmesso la posizione di spin di un fotone a velocità superluminale. Come mai questo non è "trasmettere informazioni"? Trasmise informazioni sullo stato del fotone e misurò il suo cambiamento dopo il viaggio superluminale attraverso il tunnel quantistico. Non ha violato il teorema della non comunicazione? E perché gli è consentito trasmettere informazioni sullo spin dei fotoni a velocità superluminale, mentre Nimtz dell'Università di Colonia non può trasmettere onde modulate AM con Mozart?

Teoria delle stringhe SEMPLIFICATA

Per semplificare, ho descritto un fotone come un'entità quantistica, un punto o una brana 0D (dimensione zero). La parola "brana" deriva dalla parola "membrana" e i fisici che hanno ideato la teoria delle stringhe hanno omesso "mem". Quando il fotone subisce un tunneling, si comporta come una stringa 1D (unidimensionale). Una stringa 1D è una membrana "a una brana", ma i fisici che hanno ideato la teoria delle stringhe hanno pensato che sarebbe stato meglio dargli un nome diverso. Penso.

NerdBoy1392, licenza CC BY-SA 3.0https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0>, tramite Wikimedia Commons

Quindi, sia nel contesto 0D che in quello 1D, i concetti di tempo e spazio, come li conosciamo, non esistono. Hai bisogno della quarta dimensione per avere spazio e tempo. Quello che ho fatto qui è illustrare la dualità particella/onda.

La mia semplificazione non ha molto in comune con la teoria delle stringhe "reale". L'ho chiamata teoria delle "stringhe" perché due punti (fotoni) collegati da una linea sembrano una stringa. Una stringa può essere un'onda. Un punto è una particella.

Inoltre, c'è un'affermazione comune secondo cui “nella meccanica quantistica, le particelle esistono nello spaziotempo.” Dal nostro punto di vista, un fotone esiste sicuramente nello spaziotempo mentre viaggia dal punto A al punto B.

Tuttavia, dal punto di vista del fotone, il tempo non esiste. Alla velocità della luce, il tempo grida effettivamente: "HALT!" Che i fotoni parlino effettivamente tedesco è irrilevante. Importante è: "Quando non c'è tempo, non c'è spazio".

Ciò concorda con la dilatazione del tempo a c.

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Secondo parere: “Il punto di vista di un fotone”

di Steve Nerlich (PhD), Direttore, Unità di ricerca e analisi internazionale, Australia

“Una visione dei fotoni” di Christopher Vitale di Networkologies e del Pratt Institute

“Dal punto di vista di un fotone, esso viene emesso e poi riassorbito istantaneamente. Ciò è vero per un fotone emesso nel nucleo del Sole, che potrebbe essere riassorbito dopo aver attraversato una frazione di millimetro di distanza. Ed è ugualmente vero per un fotone che, dal nostro punto di vista, ha ha viaggiato per oltre 13 miliardi di anni dopo essere stato emesso dalla superficie di una delle prime stelle dell'universo. Quindi sembra che non solo un fotone non sperimenti il ​​passaggio del tempo, ma non sperimenti neanche il passaggio della distanza."
Fine citazione

Il fotone segue una geodetica nulla; questo è il percorso che seguono le particelle senza massa. Ecco perché è chiamato "nullo"; il suo intervallo (la sua "distanza" nello spaziotempo 4D) è uguale a zero e non ha un tempo proprio associato.

Differenza tra la teoria delle stringhe SEMPLIFICATA e la teoria delle stringhe “reale”

Nella vera teoria delle stringhe, qualsiasi particella, in qualsiasi momento, è una stringa. Nella mia versione semplificata, una particella che segue una geodetica nulla, non influenzata dalla gravità o da campi di alcun tipo, è un punto 0D (zero dimensionale).

La teoria delle stringhe “reale” contro la versione semplificata

È solo interagendo con campi esterni, gravitazionali, elettromagnetici o oggetti, che la particella (fotone) acquisisce la prima dimensione. Il fotone viene rallentato e diventa una "stringa". La lunghezza di questa stringa è analoga alla sua decelerazione e possibile "lunghezza" d'onda.

Quindi, un fotone ad altissima energia, ad esempio nello spettro dei raggi gamma, è una "stringa" relativamente corta, che si traduce in una lunghezza d'onda corta. Una stringa corta crea lunghezze d'onda corte.

Se il fotone viene rallentato ulteriormente, ad esempio, colpendo la densa atmosfera di un pianeta, diventa più lungo e può esprimere una lunghezza d'onda infrarossa. Una stringa di fotoni più lunga crea lunghezze d'onda più lunghe e interagisce in modo diverso con il suo ambiente.

QED

A Il punto di vista del fotone (archivio)
https://web.archive.org/web/20240423185232/https://phys.org/news/2011-08-photons-view.html

A Il punto di vista del fotone
https://phys.org/news/2011-08-photons-view.html

Immagini
a sinistra: ologramma di un singolo fotone, Univ. di Varsavia
https://geometrymatters.com/hologram-of-a-single-photon/