Sonneneruptionen können die Erde beeinflussen, aber die Raumstation wird einfach gut sein

Dies ist der letzte Artikel in einer Reihe von vier Artikeln mit jeweils einer separaten Erklärung verschiedener Quantenphänomene. Jeder Artikel ist ein Mosaiksteinchen, also wird jeder benötigt, um die endgültige Erklärung des von uns vorgeschlagenen Quantenastronomieexperiments zu verstehen, möglicherweise unter Verwendung des Allen Telescope Array und der Schmalband-Radiowellen-Detektoren, die vom SETI-Institut und der Universität von Kalifornien, Berkeley.

In den vorangegangenen drei Aufsätzen haben wir Youngs Doppelspaltexperiment besprochen, bei dem gezeigt wurde, dass Licht sich wie eine Welle verhält. Wir diskutierten auch die Entstehung der Quantenphysik, in der sich Licht auch wie ein Teilchen verhält. Im zweiten Artikel haben wir eine grundsätzliche Einschränkung der Messung durch das Heisenberg-Unschärfeprinzip diskutiert und wie man das Wissen einer Messung für eine andere "handeln" kann. Im dritten Artikel diskutierten wir John Bells Konzept der Erkennbarkeit und Unerkennbarkeit und dann John Wheelers Gedanken (Gedanken-) Experiment, das ein Doppelspalt-Experiment im kosmischen Maßstab erstellt, das ein ungeheures (Milliarden von Meilen) langes Glasfaserkabel erfordert. Es ist die Anwendung von John Bells Konzept der Erkennbarkeit und Unerkennbarkeit, die wir nun auf das Unschärferelationsprinzip anwenden werden, um John Wheelers kosmisches Doppelspaltexperiment über kosmische Entfernungen durchzuführen, das wir in diesem Artikel diskutieren werden.

Um dieses Experiment zu realisieren, muss man jedoch einen Ersatz für dieses unbändig lange Glasfaserkabel finden, und hier können das neue Allen Telescope Array des SETI-Instituts und seine Schmalbandfunkwellendetektoren eine wichtige Rolle spielen. SETI-Radioprojekte nutzen die Tatsache, dass, soweit wir wissen, keine natürliche (d. H. Nicht-technologische) Quelle von Radiowellen einen sehr schmalbandigen Radiokanal bilden kann. Wenn Sie einen Radiosender einstellen, eine Runde und Sie sind auf einem anderen Kanal. Wenn Sie sich jedoch auf eine Radiogalaxie einstellen, können Sie das Wahlrad viele Dutzend Male drehen und Sie befinden sich immer noch auf demselben Kanal. Sie hören also die gleichen Töne. Mit anderen Worten, soweit wir wissen, kann nur Technologie einen schmalen (1 Hertz breiten) Funkkanal erzeugen. Daher sollte die Suche nach Schmalbandsignalen im Weltraum eine gute Möglichkeit sein, nach Anzeichen irgendwelcher radiotechnischer Zivilisationen um andere Sterne zu suchen. Zum Glück für die Quanten-Astronomie stellt sich aber auch heraus, dass ein extrem schmalbandiger Funkkanal auch das unrealistisch lange Glasfaserkabel ersetzen kann! Aber um zu erklären, wie das gemacht werden kann, müssen wir zuerst noch einmal auf die Unschärferelation eingehen.

Als ein Kollege, Dr. David P. Carico von der San Francisco State University, und ich begannen, Professor Wheelers Delayed-Choice-Experiment durchzuführen, stellten wir fest, dass die Unschärferelation erfüllt sein musste, um ein Interferenzmuster zu erhalten. Das heißt, man muss nicht wissen, welchen Weg das Licht zurückgelegt hat - entweder entlang des Weges A (direkt vom Quasar) oder entlang des Weges B (der Weg, der am meisten durch die Schwerkraft der dazwischen liegenden Galaxie zurück zur Erde gebogen ist), so dass es " reise beide Wege "und interferiere so mit sich selbst. (Die Begriffe "Reisen" und "Pfad", wie sie auf eine Photonenwelle angewendet werden, haben natürlich keine wirkliche Bedeutung in der Quantenphysik, wenn die Teilchennatur erst existiert, wenn sie gemessen wird. Aber jetzt werden wir solche verwenden Es ist schwierig, von Quanteneffekten zu sprechen, ohne auf unsere klassischen Begriffe von Raum und Zeit Bezug zu nehmen. Die Energie-Zeit-Unschärferelation bezog sich auf die Tatsache, dass die Kenntnis der Energie eines gegebenen Teilchens dies bedeutete Man konnte nicht genau wissen, wann das Teilchen diese Energie hatte. Und "komplementär" (der Begriff dafür, den Nehls Bohr benutzte), wenn man die Zeit mit hoher Präzision kennt, kann man dann nicht wissen, was diese Energie mit größerer Genauigkeit als der grundlegende Quantenwert war. (Dieser Quantenwert wird, wie wir noch wissen werden, "Planck'sche Konstante" genannt, oder ein Energiequant und ist eigentlich ein ziemlich kleiner Wert, so dass wir diese Unsicherheitsbeschränkung in täglichen Aktivitäten normalerweise nicht bemerken.)

Wenn wir darüber nachdenken, wie wir dieses Experiment durchführen sollen, dachten wir, dass es vielleicht möglich wäre, Energiewissen für die Kenntnis der Zeit zu "tauschen", aber in diesem Fall wäre die Zeit die Verzögerungszeit zwischen den beiden Wegen der Gravitationslinsenbilder. A und B. Die Energieunsicherheit könnte dann das sehr lange Glasfaserkabel durch einen sehr schmalbandigen Funkdetektor ersetzen. Es ist in Ordnung. Weiter lesen. Ich kann hoffentlich erklären, was ich meine. Wir haben gesehen, dass wir Wissen um Energie tauschen können, um die Zeit zu kennen (erinnern Sie sich an das Ballonbild in einem früheren Artikel mit "delta-E" auf der einen und "delta-t" auf der anderen Seite) wir können sagen, welchen Weg jedes Photon zurückgelegt hat, wir werden kein Interferenzmuster bekommen, sondern nur ein Bild eines Quasars bei A und ein anderes (Bild davon) bei B. Um diesen "Handel" zu verstehen, nehmen wir uns ein wenig näher Schau dir an, was wir unter einer Schmalbandfunkwelle verstehen.

Es ist bekannt, dass in der Physik der elektromagnetischen Wellen längere Wellen weniger Energie haben als kürzere Wellen. Das blaue Licht, das wir sehen, hat mehr Energie pro Photon als das rote Licht, das wir sehen. (Dies kann auf Infrarotphotonen mit niedrigerer Energie und Ultraviolettphotonen mit höherer Energie oder sogar auf Radiophotonen mit sehr niedriger Energie und sogar auf Röntgenphotonen mit sehr viel höherer Energie ausgedehnt werden.) In der Fotografie kann die Verwendung eines Filters auf der Kameralinse erlauben nur blaues Licht oder rotes Licht in die Kamera. Sonnenlicht ist normalerweise eine ganze Mischung aus Blau-, Grün-, Gelb-, Orange-, Rot- und so weiter und daher auch eine Mischung aus Lichtphotonen aller Arten von Energie, hoch und niedrig. Wenn man beispielsweise einen roten Filter benutzt, schneidet man die blauen Photonen mit höherer Energie aus, wenn man in die Kamera geht, und erkennt nur das rote Licht niedrigerer Energie.Je schmaler der Filter ist, desto weniger Energie wird in die Kamera gelassen.

Ähnlich verhält es sich bei Radiodetektoren: Wenn man einen Breitbanddetektor hat, lässt man Radiowellen aller Arten von Energie auf einmal durch. Wenn jedoch ein sehr schmalbandiger Funkdetektor (wie er bei der Suche nach extraterrestrischer intelligenter Technologie verwendet wird) verwendet wird, wird der Bereich der detektierten Energien stark eingeschränkt. Nur die Radiophotonen mit einer sehr engen Energieverteilung werden tatsächlich gemessen. Wenn wir uns an das Unschärferelationsprinzip für Energie und Zeit erinnern, können wir erkennen, dass Schmalband-Funkdetektoren eine Beschränkung für den Wert der gemessenen Energie darstellen. Wie sieht es aber mit der Zeit aus? Betrachten wir dazu die Kreuzung der Radiowellen (die nur langwelliges Licht sind) entlang der Pfade A und / oder B. Wir können nur dann ein Interferenzmuster erhalten, wenn wir nicht sagen können (oder möglicherweise sogar sagen können) Weg, den ein Radiophoton brauchte, um unseren Detektor zu erreichen. Wenn jedoch die Laufzeitdifferenz zwischen den Wegen A und B lang genug ist (dies wird als "Verzögerungszeit" der Gravitationslinse bezeichnet), ist genügend Zeit vorhanden, um beispielsweise zu erkennen, ob eine Fackel ausgelöst wurde der Quasar, so dass Bild A heller wurde, gefolgt von Bild B einige Zeit (die Verzögerungszeit) später. So wird die Verzögerungszeit zwischen Gravitationslinsenpfaden gemessen. Jetzt ist der nächste Satz der wichtigste. Wenn wir jedoch einen ausreichend engen Radio-Bandpass verwenden, können wir die Energie möglicherweise auf einen so genauen Wert beschränken, dass die Zeitunsicherheit so groß ist, dass sie die tatsächliche Verzögerungszeit der Gravitationslinse übersteigt. Mit anderen Worten, wir können die Energie (durch Verwendung von schmalbandigen Funkdetektoren) so stark einschränken, dass wir die Fähigkeit - sogar potentiell - überschreiten können, zu messen, welchen Weg das Photon zurücklegt, da unsere Unsicherheit in der Ankunftszeit des Photons ist jetzt größer (wegen der Unschärferelation) als die tatsächliche Laufzeit oder Laufzeitdifferenz zwischen den Wegen A und B. Wir können also nicht sagen, auf welchem ​​Weg das Photon gefahren ist, und so ein Interferenzmuster an den Detektoren erhalten. Ein sehr schmalbandiger (aber echter) Funkdetektor kann dann ein unrealistisch langes faseroptisches Kabel ersetzen, um ein Interferenzmuster an der Kreuzung der Pfade A und B zu erhalten.

Also, wie geht man dazu? Wir können die Gravitationslinse mit einem Radioteleskop mit sehr schmalbandigen Detektoren beobachten. Wir setzen die Detektoren auf das schmalste mögliche Band (sagen wir ein Hundertstel Hertz, was bedeutet, dass wir die Wellenlänge - und damit die Energie - der Funkwelle kennen, die auf ein Hundertstel einer Wellenlänge pro Sekunde kommt). . Wir fokussieren die beiden Bilder des Quasars übereinander und (wenn die Verzögerungszeit nicht zu lang ist - länger als 100 Sekunden in diesem Fall), erhalten wir ein Interferenzmuster. Das heißt, wir können nicht wissen, welchen Weg die Radiophotonen genommen haben. (Wir nehmen zur Vereinfachung auch keine nachweisbaren schnellen Fluktuationen vom Quasar an, obwohl es auch Möglichkeiten gibt, mit diesem Effekt umzugehen, indem man "Choppers" im Pfad des einfallenden Lichts verwendet.) Was passiert nun, wenn wir die erlaubten Energien erhöhen? entdeckt (dh den Bandpass der Funkmelder erhöhen)? Am Anfang können wir immer noch ein Interferenzmuster bekommen. Aber wenn wir den Bandpass weiter erhöhen, wird das Interferenzmuster irgendwann verschwinden und wir werden einfach ein (Radio-) Bild eines Quasars an der Stelle A und ein anderes des Bildes an der Stelle B erhalten. Das Interferenzmuster wird verschwunden sein genau an dem Punkt, an dem wir beginnen konnten zu sagen, welchen Weg die Photonen genommen hatten. Mit anderen Worten, indem wir uns der Energie der eintreffenden Radiowellen immer unwissender werden ließen, erlaubten wir gleichzeitig eine erhöhte Kenntnis (nach der Unschärferelation) des Zeitintervalls. Und wenn wir unsere Kenntnis der Energie auf den Punkt reduzierten, wo unsere Kenntnis des Zeitintervalls unter die tatsächliche Verzögerungszeit zwischen den Lichtwegen der Gravitationslinse fallen könnte, könnten wir (zumindest im Prinzip) sagen, welchen Weg jedes Photon genommen hat. Daher "kickt" die Unschärferelation ein und sagt, dass man nicht wissen kann, welchen Weg ein Photon einnimmt und immer noch ein Wellenphänomen (d. H. Ein Interferenzmuster) erhält. Man kann sein Photon nicht haben und es auch wellen.

Daher können wir möglicherweise sehr schmalbandige Funkdetektoren verwenden, um die verzögerte Wahl zu realisieren (vielleicht nicht mehr einfach) Gedanken) Experiment von Professor Wheeler vorgeschlagen. Was interessiert ein solches Experiment? Erstens kann es einen möglichen Weg darstellen, um Verzögerungszeiten für Gravitationslinsen, die sich nicht stark in der Helligkeit unterscheiden, direkt zu messen, und solche Verzögerungszeiten können verwendet werden, um die Expansionsrate des Universums zu messen (dieser Parameter wird "Hubble-Konstante" genannt). ) direkt. Aber interessanter ist vielleicht, dass es möglicherweise ein Maß für die Mindestzeit darstellt, die eine Welle braucht, um ein Teilchen "zu werden". Wenn der Quasar eine Milliarde Lichtjahre entfernt ist (das sind etwa sechs Billionen Billionen Meilen) und das Interferenzmuster durch eine Wahrscheinlichkeitswelle gebildet wird, die sich entlang der beiden Pfade A und B bewegt, dann wenn man den Bandpass erhöht (sagen wir über eine Stunde) Zeit) bis zu dem Punkt, an dem die Welle zu einem Teilchen (Photon) wird, dann könnte man in der Lage sein zu sprechen, dass die Welle mit einer minimalen Rate von einer Milliarde Lichtjahre pro Stunde zu einem Teilchen "wird". Diese Rate wird in den meisten quantenphysikalischen Formulierungen als augenblicklich betrachtet, aber man erinnert sich an Galileo und einen Kollegen, der auf gegenüberliegenden Hängen mit Lampen steht, die versuchen, die Lichtgeschwindigkeit zu messen. Als man den Lampenschirm öffnete, öffneten sie, sobald die anderen ihn sahen, ihren Lampenschirm, und zwar hin und her. Sie entschieden, dass die Lichtgeschwindigkeit entweder sofort oder sehr schnell war.Es stellte sich heraus, dass es sehr, sehr schnell war (186.300 Meilen pro Sekunde) - viel zu schnell, um mit schattigen Lampen auf nahe gelegenen Hügeln zu messen. Vielleicht kann die Quantenastronomie eines Tages eine solche Messung der Geschwindigkeit des Übergangs von Welle zu Teilchen erlauben, wenn sie nicht augenblicklich ist. Was wir hier skizziert haben, ist nur ein Experiment in vielen möglichen Experimenten, die in einem der interessantesten neuen Felder des 21. Jahrhunderts, der Quantenastronomie, durchgeführt werden könnten.