Polityka gospodarcza bozonów na przełomie XIX i XX wieku

Stworzenie przez Williama Herschela nowego zjawiska, jakim jest promieniowanie cieplne oraz nadanie światłu falowej natury przez Thomasa Younga na początku XIX wieku położyło podwaliny pod burzliwy rozwój fal elektromagnetycznych. Rok po utworzeniu fal cieplnych ufundowano ultrafiolet. W latach dwudziestych i trzydziestych Oersted oraz Faraday wykazali powiązania pomiędzy polem elektrycznym a magnetycznym. Trzydzieści lat później James Clerk Maxwell implementuje te pola do fal świetlnych poprzez sformułowanie praw elektrodynamiki. Odtąd, sytuacja młodego zjawiska rozwija się już bardzo szybko. Maxwell nie mógł jednak wiedzieć, że jego niepozorny krok doprowadzi do tragedii...

Rok 1905 - Lord Rayleigh
doprowadza do katastrofy w nadfiolecie

Równania Maxwella umożliwiły powstanie Ciała Doskonale Czarnego (CDC) - złożonej, scentralizowanej struktury, na czele której w 1862 roku stanął niemiecki fizyk Gustav Kirchhoff. Wraz z Wienem i Stefanem pracowali nad opracowaniem planu sprawiedliwej i wydajnej redystrybucji dóbr pomiędzy rodziny fal elektromagnetycznych. Przez 40 lat CDC zdołało jednak uchwalić jedynie ogólne zasady polityki socjalnej i wymiany międzynarodowej. Zgodnie z postulatami fizyki klasycznej, w świecie fal elektromagnetycznych miał zapanować socjalizm.

Do napisania ustawy redystrybucyjnej CDC zatrudniło Johna Rayleigha oraz Jamesa Jeansa w roku 1900. Ci prominentni naukowcy, opierając się na uznanej doktrynie Maxwella (zapostulowanej w Manifest der kinetischen Gastheorie) przyjęli, że każda rodzina fal powinna otrzymywać to samo dofinansowanie, proporcjonalnie do dochodu całego ciała i niezależnie od jej liczebności.  Ustawa ta została pięć lat później ukończona i przyjęta, co niespodziewanie doprowadziło do katastrofy w nadfiolecie.

Rayleigh i Jeans (zdroworozsądkowo) sądzili, że skoro dofinansowanie będzie równe dla każdej rodziny fal, dążenie do zachowania odpowiedniego poziomu życia poskutkuje naturalnym ograniczeniem ich liczebności. Niestety, rzeczywistość okazała się inna. W ciągu zaledwie paru godzin od wprowadzenia ustawy doszło do bankructwa CDC. Gwarancja równej płacy doprowadziła do niekontrolowanego wzrostu demograficznego wśród drgań elektromagnetycznych, czego budżet ciała nie mógł wytrzymać. Pośród fal w sposób masowy powstawały rodziny o liczebności niepozwalającej na wyżywienie wszystkich ich członków. Należy tutaj wspomnieć, że choć również fale mechaniczne borykały się z podobnymi problemami już od 1819 roku, kiedy to rządy przejął skorumpowany duet Dulonga-Petita, to w przypadku fal elektromagnetycznych kryzys zbierał nieporównanie krwawsze żniwo.

W latach 1905-1907 rządy w ciele ostatecznie przejęło postępowe ugrupowanie KOH (Kwantowy Oscylator Harmoniczny, radykalny odłam nowopowstałej Mechaniki Kwantowej) Ludwiga Boltzmanna. Max Planck był odpowiedzialny za przeprowadzenie transformacji fal elektromagnetycznych z gospodarki planowo-socjalistycznej do społecznej gospodarki rynkowej. Plan zmian (określany następnie jako tzw. „prawo Plancka”), uważany początkowo za doraźne, tymczasowe rozwiązanie, umożliwił rozpoczęcie szybkiego programu reform. W ciągu półtora roku doprowadzono do zdławienia hiperinflacji z poziomu kT do nhw.

Posiedzenie rządu KOH:
Albert Einstein, Ludwig Boltzmann, Max Planck
16.02.1906 (Fot. Piotr Wójcik/Agencja Gazeta)

Prawo Plancka ograniczało populację fal elektromagnetycznych poprzez wprowadzenie fotonów. Foton jest miarą liczebności pojedynczej rodziny fal elektromagnetycznych wyrażonej w odpowiedniej walucie. Zgodnie z reformą, rodziny o fotonie przekraczającym połowę średniego budżetu ciała nie mogą otrzymać rządowego dofinansowania a liczba pozostałych rodzin otrzymujących dofinansowanie jest ograniczona, zależna od całkowitego budżetu* i opisana rozkładem Plancka.

Prawo Plancka, stanowiące przede wszystkim narzędzie antyinflacyjne, utożsamiane jest z całością transformacji fizyki statystycznej. Krytycznie tę reformę oceniało wielu ludzi, w tym sami jej twórcy, którzy początkowo traktowali ją jako „trik” matematyczny. Na tle niechęci do Maxa Plancka powstał slogan „Planck musi odejść”. Mimo tego, taki sposób przeprowadzenia transformacji był później naśladowany z sukcesem dla innych drgań. Analogicznie do fotonów, wprowadzono jednostki liczebności rodzin fal mechanicznych (fonony), spinowych (magnony) czy też drgań elektronów (plazmony).

Na zakończenie należy wspomnieć, że rząd Boltzmanna ustalił całkiem odmienne reguły redystrybucji dla wielu innych fal i cząstek, w tym fal prawdopodobieństwa (elektronów). Powołana przez Wolfganga Pauliego podkomisja fermionowa formułując budzący do dziś skrajne emocje zakaz, wdrożyła rozkład Fermiego dla elektronów. Świat elektronów jest silnie zhierarchizowany. Elektrony utrzymują w ciele określone pozycje społeczne, a awans w tej strukturze otrzymują w pierwszej kolejności (a zwykle wyłącznie) elektrony na najwyższych szczeblach tej hierarachii. Chyba jednak lepiej być bozonem...

* Ilość rodzin o danej wysokości dofinansowania jest także zależna od dostępności mieszkań o odpowiedniej powierzchni na rynku nieruchomości, co zostało tutaj pominięte dla uproszczenia.

Psychospołeczne mechanizmy zachowań spinów

W poprzednich tekstach poznaliście spiny jako radosne strzałki oddające się tanecznym przyjemnościom.  Czas jednak poznać je bliżej – jakie są ich potrzeby, motywy, schematy zachowań? Czym się kierują, do czego dążą? Tylko odpowiednie zrozumienie ich psychiki pozwoli nam z nimi współpracować.

Barbara Kędzierska - Drewniane spiny

Na początek możemy podzielić spiny ze względu na miejsce zamieszkania. W materiałach takich jak drewno, plastik czy nawet większość metali, panuje istna Sodoma i Gomora. Żyją tam bardzo samolubne spiny, które, pozostawione same sobie, robią co chcą, nie wyłączając parowania się. Wyłania się stąd niezbyt optymistyczny obraz zdegenerowanej natury spinu.

Dlaczego jest tak źle? Między innymi dlatego, że spiny porozumiewają się ze sobą za pomocą pola magnetycznego. Fizycy nazywają to też oddziaływaniem dipolowym, żeby nikt z zewnątrz nie zrozumiał. Niestety, język ten jest bardzo ubogi i nie wystarcza spinom do tego, żeby się dogadać.

Ponieważ my nie jesteśmy zakładem poprawczym, zajmujemy się tylko porządnymi spinami, takimi, co mieszkają np. w żelazie czy w niklu* i jest nadzieja, że coś z nich wyrośnie. Porządne spiny stoją wyprostowane i – jak już wiemy – potrafią tańczyć, co zawdzięczają dobremu wychowawcy. Ten wewnętrzny wychowawca w swoim języku skutecznie nauczył spiny, że żeby żyć w pokoju i zgodzie, należy być empatycznym, pomagać i pożyczać sobie rzeczy, jeśli ktoś inny tego potrzebuje. Stąd, fizycy nazywają tego wychowawcę oddziaływaniem wymiennym.

Oddziaływanie wymienne nieustannie pilnuje, żeby spiny nie zapomniały o dobrych manierach i żeby ich wewnętrzny egoizm nie doszedł do głosu. Problem pojawia się, gdy obszar zamieszkania jest ograniczony. Spiny narażone są wtedy na kontakty z zewnątrz, co może być szczególnie niebezpieczne, jeśli w okolicy jest jakiś plastik. Granice materiału obniżają morale spinów i powodują, że przestają się wspierać wzajemnie poprzez oddziaływanie dipolowe, a nawet pomoc oddziaływania wymiennego może okazać się niewystarczająca. Istnieją dwa sposoby poradzenia sobie z tym problemem, oba zwykle stosowane jednocześnie. Po pierwsze, jeśli spiny ustawione są równolegle do granicy, nie widzą dobrze co jest na zewnątrz, więc zagrożenie jest zminimalizowane. Drugim sposobem jest podzielenie materiału na domeny, pomiędzy którymi spiny ustawione są w innych kierunkach. Ponieważ każda domena reprezentuje inne interesy, spiny pilnują sąsiadów zza granicy, żeby te nie wyprowadziły ich w pole. Wymaga to od wychowawców nieco zachodu ze względu na konieczność wprowadzenia odpowiednich regulacji na granicach. Widzimy tu jednak wyraźne zalążki tworzenia się społeczeństwa obywatelskiego i rozwoju współpracy międzynarodowej dzięki oddziaływaniu dipolowemu.

Istnieją także bardziej szczegółowe przepisy regulujące społeczne życie spinów. Możemy je ustalać, modyfikując odpowiednio środowisko w którym żyją i jego otoczenie. Powoduje to czasami powstawanie ciekawych spinowych struktur, takich jak skyrmiony czy worteksy. Zobaczyć jak te spiny tańczą w takiej pozycji, to byłoby dopiero ciekawe, nie?

Jak spiny tańczą w skyrmionie poczytasz w artykule Michała TUTAJ

*Szczerze mówiąc, nawet w tych materiałach porządne spiny stanowią elitę, ale zawsze coś.

Spiny Isinga

W poprzednich tekstach poznaliście spiny jako radosne strzałki oddające się tanecznym przyjemnościom. Już w przyszłym tygodniu poznacie ich drugą, mniej grzeczną twarz... 

Tymczasem koreańscy naukowcy donoszą, że mają dowody na potwierdzenie przewidywań teorii stworzonej 70 lat temu przez Ernsta Isinga, a później rozwiniętej przez Larsa Onsagera, a dotyczącej oczywiście spinów. Fizycy ci byli na tyle oderwani od rzeczywistości, że rozważali materiały, które mają tylko jeden i dwa wymiary (btw fizycy do dziś wymiękają, jak trzeba rozważać ściśle więcej niż dwie cząstki na raz). Efekty tych rozważań były takie, że spiny w jednowymiarowym materiale nie są w stanie uporządkować się - stanąć na baczność tak, żeby móc zacząć ładnie tańczyć. W dwóch wymiarach i więcej jest to jednak możliwe poniżej pewnej temperatury. 

Oczywistym problemem jest, jak to sprawdzić - jak stworzyć jednowymiarowy albo dwuwymiarowy materiał? Nawet kartka papieru ma w skali atomowej ogromną grubość. Stało się to możliwe dopiero niedawno, odkąd jeden z fizyków doświadczalnych bawił się po godzinach ołówkiem i taśmą klejącą i w ten sposób wytworzył grafen. W podobny sposób Koreańczycy uzyskali pojedynczą warstwę atomową antyferromagnetyka, odrywając ją taśmą klejącą od reszty materiału. Następnie sprawdzili, czy spiny tam tańczą, czy nie. Wyniki były podobno pozytywne. 

Więcej na ten temat:
http://phys.org/news/2017-01-experimental-proof-year-physics-theory.html

Spiny i blondyny

Rozpraszanie. Zjawisko wszechobecne i wszystkim bardzo dobrze znane. Szczególnie doświadczamy go podczas wykonywania obowiązków, kiedy szereg innych rzeczy potrafi odwrócić naszą uwagę, czyli nas rozproszyć:

Prawdopodobnie kobiety mniej podatne są na rozpraszanie, bo potrafią robić wiele rzeczy naraz. Natomiast mężczyźni nie dość, że zwykle tego nie potrafią, to na dodatek są rozpraszani przez kobiety. Jerzy Kukuczka nie zabrał nigdy swojej żony na wyprawę, bo uważał, że kobiety w górach rozpraszają. Miał w tym zapewne sporo racji. Wyobraźcie sobie położenie wspinacza, który na południowo-zachodniej ścianie Lhotse spotyka niespodziewanie długonogą blondynę. Wypadek nieunikniony.

W naszej grupie badawczej niewątpliwie największy przekrój czynny na rozpraszanie posiada Justyna. Jak na ironię, Justyna w mnogości swoich badań zajmowała się także tematem rozpraszania się spinów. Z tym, że to nie ona je rozpraszała, lecz inne fale. Jak już wiecie, Paweł pobudza spiny do tańca. Justyna tymczasem sprawdziła, jak długo są one w stanie utrzymać rytm. A może je rozproszyć wiele rzeczy, na przykład inne atrakcyjne fale czy też defekty w materiale (ciężko się tańczy na dziurawym parkiecie). Skutkiem tego, kolejne spiny nie odtwarzają odpowiednio kroków poprzedników i piękny taniec zamienia się w kompletny chaos!

Let’s go somehow into details! Co zrobiła Justyna? Ustawiła obok siebie dwa parkiety: jeden z dużymi nierównościami, a drugi z małymi nierównościami i zagoniła na nie spiny. Następnie sprawdziła, jak spiny tańczą do muzyki o różnym tempie* w takich warunkach. Okazało się, że spiny bardzo chętnie tańczyły na tym lepszym parkiecie, a te spiny, które musiały tańczyć na gorszym parkiecie, robiły to bardziej powściągliwie. Też coś, nie? Co jednak najważniejsze, takie zachowanie spinów pozwala im zwykle, jako całej grupie, na zachowanie rytmu trochę dłużej, niż gdyby musiały wszystkie tańczyć tylko na jednym parkiecie o średnich nierównościach. Jak więc widzicie, wystarczy tylko dać spinom możliwość wyboru a te same już zdecydują, co dla nich najlepsze. Dlatego tak fajnie jest pracować ze spinami.

To ile te spiny są w stanie wytrzymać? Otóż... około 0.000000002 sekundy. Macie rację. Przed nami jeszcze sporo treningów na koncentrację.

Więcej o badaniach Justyny TUTAJ

* Z tego co wiem, Justyna rozpoczyna treningi od Nothing Else Matters zespołu Metallica, kończąc na Tutti Frutti Little'ego Richard'a

Dancing with the spins

Paweł jest doktorantem w naszym zespole i prowadzi agresywne symulacje, między innymi w programie MuMax. Nie znam jeszcze szczegółów tego programu, ale mam wrażenie, że da się w nim wyliczyć cały świat. Przynajmniej tak można wnioskować z wyników, które Paweł publikuje.

Nie mogłem do końca zrozumieć, w czym tkwi źródło tego sukcesu. Czy to kwestia ciężkiej pracy i talentu do przetwarzania dużej ilości liczb? Wydawało mi się to zbyt proste. I miałem rację. W zeszłym tygodniu odkryłem, co na prawdę za tym stoi.

Długo biłem się z myślami czy upublicznić te fakty. Jest to bardzo kontrowersyjny ruch, ale czuję, że świat także musi dowiedzieć się, co kryje się za uprawianiem nauki. Co fizycy robią w swoich gabinetach? Odkrycia naukowe i proces tworzenia wiedzy bardzo ładnie wyglądają na papierze, ale jak jest w rzeczywistości? Okazuje się, że zupełnie inaczej.

Dwudziestego października 2016 roku siedząc w gabinecie Zakładu Fizyki Nanomateriałów dopiłem trzecią z rzędu kawę i wybrałem się do sąsiedniego pokoju, w którym pracują Paweł i Justyna. Kurtuazyjnie pukając, równocześnie otworzyłem drzwi i jakież było moje zdziwienie, gdy zastałem ich oboje w wejściu do vacilala con vuelta.

Przez dłuższy czas nie mogłem zrozumieć, co się dzieje. Także Paweł i Justyna nie byli przygotowani na taką sytuację. Gubiąc kroki i plącząc ręce zrobili coś w stylu adios por arriba i usiedli zrezygnowani na krzesłach. Dopiero następnego dnia Paweł wyjaśnił mi, o co chodzi. Oni zabawiali się po prostu w spiny elektronowe.

Ostatnio pisałem, jak podle traktowane były elektrony przez cały XX wiek. Liczymy na to, że te czasy wreszcie miną. Próbujemy przejść z epoki ładunkowego brutalizmu w epokę tańczących z gracją spinów. Elektrony nie będą dawać sobie w mordę, żeby przekazywać nasze ważne informacje po tych drucikach w środku w komputerze. Będą to robić z elegancją, wykorzystując swój spin do grupowego, synchronicznego tańca. W ich krokach zapisane będą słowa, dźwięki i obrazy.

Więcej o antenie Pawła przeczytasz TUTAJ

Pierwszym elementem jest nauczenie elektronów jak to poprawnie robić. Co prawda spiny elektronów tańczą same z siebie, ale przypomina to raczej sobotnią zabawę w wiejskiej remizie niż poważny taniec, o jaki nam chodzi. Zwykle należy je przywołać do porządku, ustawiając na baczność polem magnetycznym. Kiedy już stoją, można zacząć dyktować im tempo, zmieniając rytmicznie to zewnętrzne pole. Spiny zaczynają taniec.

Możemy kazać wszystkim spinom stawiać kroki jednocześnie, albo żeby robiły to z odpowiednim opóźnieniem w kolejnych miejscach, jak w meksykańskiej fali na stadionie. A najlepiej byłoby, gdyby dało się sterować nimi tak, żeby w danym momencie tylko wybrana część z nich tańczyła, a reszta odpoczywała. Po co męczyć całe towarzystwo.

Takie właśnie rozwiązanie zaprojektował Paweł. Nadajemy specjalną anteną rytm krótkiemu rządkowi spinów, a te zapraszają do tańca w korowodzie kolejne spiny. Ale nie te stojące po bokach, lecz te stojące w linii. Taka wiązka jak z lasera. Reszta nie musi nic robić, oszczędza energię.

Paweł zarzeka się, że to była próba eksperymentu przez analogię. Raczej nieudana, bo trudno symulować wiązkę w układzie dwóch spinów. Nawet cała nasza grupa mogłaby nie wystarczyć do takiej symulacji.

Oczywiście o metodach Pawła huczy na wydziale już od miesiąca. Dostaliśmy nowy pokój do zagospodarowania na naszym piętrze. Profesor Krawczyk twierdzi, że do Ruedy de Casino potrzebny jest lepszy parkiet.

Istota elektronicznego jestestwa

W dawnych czasach pisano teksty na kartkach. Nie wiem jak można było to wytrzymać, nadgarstek boli od tego nieznośnie. Potrzebne było takie plastikowe albo metalowe urządzenie z kolorowym płynem. Przyciskało się to ustrojstwo do kartki i przesuwając je w jedną i drugą stronę płyn wypływał i układał się w odpowiednie wzory, na przykład w litery. Do dzisiaj ludzie bywają torturowani tym przestarzałym wynalazkiem w urzędach.

Jeszcze wcześniej były konie albo młyny. W młynie wodnym woda uderzała w koło, wprawiając je w ruch. Ktoś kto to wymyślił, powinien wtedy dostać Nobla, bo całą robotę odlewała woda. Nie tak jak przy pieczeniu ciasta, kiedy trzeba było trzepać jajka ręcznie. Albo przekręcać mak na makowiec ręczną maszynką u babci.

Żeby nie trzepać po ciemku, można było w nocy siedzieć przy świecach albo przy lampie naftowej. Nie wiem czy ktoś wtedy tak doceniał tworzący się dzięki temu nastrój, ale z pewnością pryskał on w momencie, gdy świeczki się przewracały.

Na szczęście nie trzeba już teraz tego robić zbyt często. Współcześnie wszystkie te rzeczy robią za nas ładunki elektronowe (w skrócie - elektrony), a ręczne robótki ograniczają się do wydawania poleceń tym małym drobinkom poprzez wciskanie odpowiednich przycisków. Elektrony (które - podobnie jak z Jezusem - nikt nie wie dokładnie jak wyglądają i są wszędzie, nawet w łóżku) dość łatwo dają sobą pomiatać.

Zdradzę Wam pokrótce jak wygląda życie takich elektronów, które dla nas pracują. Jak już domyślacie się ze wstępu, ich ścieżki kariery mogą być rozmaite, choć warunki pracy bywają ciężkie. Elektrony podpisują umowę w elektrowni i nie jest jasne, czy wiedzą, na co się porywają. Wraz z rozpoczęciem służby elektrony są wrzucane kolejno do wąskiego kanału, w którym jest taki ścisk, że nie wytrzymują psychicznie i każdy wyżywa się na tym przed nim, dając mu silnego kopniaka. Ostatecznie ten, który jest na wylocie kanału nie ma kogo kopnąć a energia jego kopnięcia jest niecnie wykorzystana na napędzenie bębna pralki.

Jeśli uważacie że to nieludzkie, pomyślcie o tych elektronach przeczołgiwanych bezlitośnie przez cienki wolframowy drucik w żarówce. Ten ból można porównać tylko do tarcia dowolną częścią ciała o beton, będąc ciągniętym przez samochód. Tarcie jest tak duże, że aż się świeci... Być może ostatnio ich los nieco się poprawił dzięki innym typom źródeł światła, choć moralne aspekty tych rozwiązań nie zostały jeszcze przeanalizowane. Jeśli wiecie coś więcej na ten temat, napiszcie.

Na koniec wróćmy do tego nieszczęsnego pisania. Właśnie patrzycie na elektrony uwięzione w ciasnych klatkach. Siedzą tam posłusznie wewnątrz komputera, dla waszej przyjemności układając się w literki. Ból nadgarstka, nie wstyd wam?

Czym jest spin elektronu
i jak się zachowuje
zobaczysz TUTAJ
a o magnonice
przeczytasz TUTAJ

Jak widzicie, Zakaz Pauliego to tylko jeden problem elektronów z całego szeregu nieszczęść, jakie je spotykają. Dlatego wielu naukowców, w tym Zakład Fizyki Nanomateriałów Uniwersytetu im. Adama Mickiewicza mocno starają się, aby polepszyć byt elektronów, odciążyć je choćby częściowo. Jednym z takich pomysłów jest przerzucenie części odpowiedzialności na spiny, które są jeszcze tańszą siłą roboczą... Uczciwie powiem, że nie wiem, czy świat stanie się przez to lepszy, ale jeśli nie, to sygnałów nadciągającej katastrofy możecie spodziewać się na tej stronie.