Przestrzeń jest jak szachownica?
Przestrzeń jest zwykle postrzegana jako nieskończenie podzielna. Jeśli wybierzemy dwa dowolne punkty w przestrzeni, to możemy wyznaczyć pomiędzy nimi połowę odległości. Tymczasem dwóch naukowców z UCLA (Uniwersytet Kalifornijski w Los Angeles) zauważyło, że podzielenie przestrzeni na nieciągłe fragmenty, podobne do szachownicy, wyjaśnia pewne właściwości elektronów.
Profesor Chris Regan i student Matthew Mecklenburg pracowali nad tranzystorami z grafenu gdy stwierdzili, że potraktowanie przestrzeni jak szachownicy wyjaśnia, w jaki sposób elektrony mogą otrzymywać spin.
Naukowcy stwierdzili, że elektrony zyskują spin dzięki temu, że przebywają w określonej pozycji, na "czarnych" bądź "białych" polach "szachownicy". Moment własny pędu - czyli właśnie spin - pojawia się, gdy te "pola" są na tyle blisko siebie, że nie można znaleźć dzielącej ich granicy.
"Spin elektronów może pojawiać się dlatego, że przestrzeń w bardzo małych wymiarach nie jest gładka, ale pofragmentowana, jak szachownica" - stwierdził Regan.
Spin, dzięki temu, że może przyjmować tylko dwie wartości, pozwala wyjaśnić stabilność materii, naturę wiązań chemicznych i wiele innych zjawisk. Nie wiadomo jednak, w jaki sposób elektrony "zarządzają" spinem i związanym z nim ruchem obrotowym. Jeśli elektron ma średnicę, to jego powierzchnia musiałaby poruszać się szybciej od prędkości światła, co narusza teorię względności. Eksperymenty wykazały, że elektron nie ma średnicy, jest punktem bez powierzchni i mniejszych struktur.
Już w pierwszej połowie XX wieku Paul Dirac dowiódł, że spin elektronu jest związany ze strukturą czasoprzestrzeni, łącząc mechanikę kwantową z teorią Einsteina. Jednak równanie Diraca nie wyjaśnia, w jaki sposób elektron, który jest punktem, uzyskuje moment pędu, ani dlaczego spin przyjmuje tylko dwie wartości.
Teraz Regan i Mecklneburg wpadli na proste wyjaśnienie zagadki. "Chcieliśmy obliczyć wzmocnienie sygnału w grafenowym tranzystorze" - stwierdził. Do przeprowadzenia wyliczeń konieczne było zbadanie, w jaki sposób światło wpływa na elektrony w grafenie.
Elektrony te przeskakują pomiędzy atomami grafenu tak, jak figury po szachownicy, z tą jednak różnicą, że grafenowa "szachownica" jest trójkątna. Pola "ciemne" wskazują na "góra", pola "jasne" na "dół". Gdy elektron w grafenie zaabsorbuje foton, przeskakuje z pola jasnego na ciemne. To prowadzi do zmiany kierunku spinu. Innymi słowy, przesunięcie elektronu na inną pozycję zmienia jego spin. Spin jest zaś określany przez układ geometryczny siatki krystalicznej grafenu i jest różny od dotychczasowego spinu elektronu.
"Mój promotor doktoryzował się ze struktury elektronu. Byliśmy niezwykle podekscytowani stwierdzając, że spin zależy od siatki krystalicznej. To z kolei każe nam się zastanowić, czy zwykły spin elektronu nie powstaje w ten sam sposób" - mówi Mecklenburg.
Profesor Regan dodaje, że byłoby dziwne, gdyby tylko grafen posiadał sieć krystaliczną zdolną do generowania spinu.
Komentarze (11)
pio, 22 marca 2011, 22:32
'Spin, dzięki temu, że może przyjmować tylko dwie wartości (...)'
dobrze jest mimo wszystko precyzowac o czym sie pisze. spin w ogolnosci moze przyjmowac wiecej wartosci niz dwie. 'spin' bez slowa 'elektronu', to troche jakby napisac, ze stworzenie stanelo na prawej nodze. teraz jest zagwozdka czy chodzi o czlowieka, czy o konia, a moze o stonoge ?
'Teraz Regan i Mecklneburg wpadli na proste wyjaśnienie zagadki'
no.. nie sadze, zeby wyjasnili zagadke
panowie zbudowali jedynie model, ktory wg nich dobrze opisuje zjawisko. w kwestii samego modelu dobrze byloby przeczytac oryginal lub co lepsze zapytac fachowca.
swoja droga jesli ten model dobrze opisuje rzeczywistosc, to powinien zostac potwierdzony eksperymentem. juz gdzies bylo pokazane, ze mozna badac spin na poszczegolnych atomach. nie wiem jak to sie ma do graphenu (chodzi o separacje przestrzenna). moze w ten sposob, odpowiednio obcinajac taki grafenowy arkusz, mozna byloby uzyskac spinowo spolaryzowane elektrony na jednym z jego koncow ?
ps. 'siatka' (krystaliczna), to po prostu (i po polsku) siec
tauri, 25 marca 2011, 02:52
Ciężko może na to wpaść tak po prostu, ale po przeczytaniu tego artykułu staje się to swoistą oczywistością: znając kwantową naturę świata, trudno oczekiwać, że cząstki elementarne będą się przemieszczały w dowolne miejsca - przemieszczają się tylko tam, gdzie pozwala im na to różnica kwantowa. Oczywiście dawałoby to dużą swobodę, a skoro wygląda na to, że miejsca pobytu cząstek są ograniczone, to i czasoprzestrzeń też ma (musi mieć) naturę kwantową, która pozwala tylko na konkretne położenia cząstek.
Ostatnio słyszałem o teorii, która głosi, że tego typu ograniczenia wyglądają niczym "piksele" w świecie komputerów i mogą wskazywać na to, że żyjemy naprawdę w jakimś matriksie stworzonym przez kogoś o wyższym poziomie inteligencji. Oczywiście to tylko spekulacja, której nie sposób poprzeć żadnym dowodem, ale sam pomysł jest bardzo ciekawy. Mimo wszystko, ciężko poprzeć sam argument, że kwantyzacja wszystkiego wskazuje na nierealność naszego świata. W końcu natura działa według pewnych oczywistych zasad i najwidoczniej nasze zero-jedynkowe postrzeganie wzięło się właśnie z natury, która tak urządziła ten świat. Zresztą, kto wie - może żyjemy w rozbudowanej rzeczywistości wirtualnej...
pio, 25 marca 2011, 05:57
@ tauri
polecam np. http://wyborcza.pl/1,75476,8850689,Czas_sie_rodzi_w_petli_kwantowej.html
mikroos, 25 marca 2011, 09:17
Stanowczo przesadzasz. Nawet w tym artykule słowo "elektron" pojawia się przed pierwszym użyciem słowa "spin" i potrzeba naprawdę dużo złej woli, żeby domyślić się, że chodzi konkretnie o spin elektronu.
Pewnie jak kupowałeś ostatnio zamek do drzwi do domu to po powrocie oburzałeś się, że nie napisali nigdzie, że królewny nie ma w zestawie?
pio, 26 marca 2011, 10:47
celowo podalem analogie do 'stworzenia'. tutaj 'spin' ma znaczenie nadrzedne, a 'zamek', ktory przytaczasz jest pojeciem wieloznacznym. swoja droga nie kupujesz zamku (tego od krolewny) w sklepie.
faktycznie czepiam sie. niestety dosc czesto zdarza sie, ze tutejsze tlumaczenia sa czesto nieadekwatne do oryginalu. pomijanie pewnych (chocby drobnych) fragmetow w tego typu tekstach powoduje, ze mozna kolosalnie zmienic znaczenie lub wrecz sens tekstu.
ubolewam nieco, ze M. Blonski tak niechetnie koryguje teksty. wlascie chyba w ogole ich nie koryguje. przejrzyj moje posty (niektore, ale zapewne wieksza czesc). problem w tym, ze czytaja to ludzie, ktorzy moga czerpac z tego jakas wiedze i utrwalaja ja w blednej postaci.
finalnie dla uzasadnienia mojej uwagi odsylam do zrodla http://www.newsroom.ucla.edu/portal/ucla/is-space-like-a-chessboard-199015.aspx
jest tam napisane wprost 'That the electron's spin can have only two values — not one, three or an infinite number — helps explain the stability of matter, the nature of the chemical bond and many other fundamental phenomena.' jak widac panowie nie odpuszczaja sobie 'elektronu'. rozumiem, ze tekst trzeba formatowac (m.in. dlugosc), ale nie nalezy przy okazji brutalnie okrajac go ze znaczenia. zeby uzmyslowic sobie 'zagrozenia' jakie moze to niesc ze soba polecam http://wyborcza.pl/1,75476,7019933,Dziennikarz_naukowy___apostol__laskawca_czy_balwan_.html
mikroos, 26 marca 2011, 11:02
I w zasadzie tyle mi wystarcza. Trzeba naprawdę dużo złej woli, żeby zacząć szukać innego znaczenia słowa spin, skoro przez całą notkę wyraźnie chodzi elektronach.
waldi888231200, 26 marca 2011, 11:06
http://wyborcza.pl/1,75476,7019933,Dziennikarz_naukowy___apostol__laskawca_czy_balwan_.html
Wyjątkowo udany tekst.
pio, 26 marca 2011, 13:23
@ mikroos
to nie zla wola lecz praktyka. jako dodatek podam tylko ciekawy przyklad z http://tnij.org/k3eh :
Jacek: A ja z termometru umieszczonego za oknem odczytam temperaturę w dniu dzisiejszym.
Prof. Fizycki: Temperaturę czego?
Jacek: Temperaturę powietrza
kazdy powinien domyslec sie, ze nie chodzilo o np. ptaka w locie, prawda ?
jednakze sama jakosc tlumaczen nie jest tutaj meritum i chyba szkoda czasu na dygresje nt slusznosci lub nieslusznosci uwagi.
robertcb, 26 marca 2011, 21:12
Świadomość to nie mózg.
Mózg jest kwantowym odbiornikiem duchowej świadomości.
Teoria dualizmu interakcyjnego John Carew Eccles'a,
oraz kwantowa teoria świadomości Orch-OR
Rogera Penrose i Stuarta Hameroffa - są prawdziwe.
Neuronalna transmisja synaptyczna w mózgu
- nie tworzy świadomości ani naszych myśli.
Przeczytajcie ten artykuł i poznajcie prawdę:
http://radioamator.elektroda.eu/swiadomosc.html
lub wpiszcie w wyszukiwarkę: świadomość to nie mózg
Webby, 9 maja 2011, 17:05
Sadze że tu autorzy posunęli się zbyt daleko w upraszczaniu świata (przynajmniej tytuł to sugeruje). Zakaz Pauliego (który w zasadzie powinien nazywać się zezwoleniem - pozwala na przebywanie w tym samym miejscu jednocześnie dwóch fermionów o różnym spinie, pozostała materia nie jest do tego zdolna przy temp. > 0). Szachownicą o której mówią autorzy jest tu sam grafen posiadający skwantowane poziomy dostępne dla elektronów. Nie ma to nic wspólnego ze strukturą czasoprzestrzeni.
ps. swoja droga ciekawe jak teoria superstrun wyjaśnia istnienie spinu? chodzi o geometrię strun które tworzą elektron? czytał ktoś z Was o tym?
Jajcenty, 10 maja 2011, 10:18
Wiele kosztowało mnie pozbycie się myślenia o spinie jako rezultacie obrotu własnego. A tu znowu, proszę... W "Krótkiej historii czasu" można znaleźć fantastyczne wyjasnienie związku spinu z grupą obrotów i nieszczęsnym skojarzeniem jakoby spin wynikał z obrotów.
kwadrat - spin 4 - wystarczy obrócić o kąt 2pi/4 (90) by uzyskać tę samą figurę.
prostokąt - spin 2 -> 2pi/2 (180)
^ (strzłka) - spin 1 -> 2pi/1 (360)
i teraz najlepsze:
elektron - spin 1/2 czyli 2pi/(1/2) = 4 pi = 720 stopni - trzeba go obrócić dwa razy o 360 żeby wyglądał tak samo (moment pędu ponownie w swoim miejscu). Widać, że elektron ma więcej niż trzy wymiary a to co widzimy to tylko rzut elektronu na nasze trzy wymiary. Tako rzecze Stephen Hawking a ja mu wierzę