de Kosmische Tijd, Newtoniaanse tijd voldoet niet aan eigenschappen natuurlijke tijd om stil te staan bij de tijd

Transcriptie

1 een foton als klok? de Kosmische Tijd, met polarizatie-richting als de grote wijzer een analyse van het begrip 'tijd' John Heise, Universiteit Utrecht SRON-Ruimteonderzoek Nederland lineaire polarizatie circulaire polarizatie som van twee lineaire uit fase circulaire polarizatie som van twee lineaire uit fase handouts op : https//personal.sron.nl/~jheise/hovo HOVO Utrecht februari 2019 We nemen even de tijd inhoud om stil te staan HOVO Utrecht februari 2019 Newtoniaanse tijd voldoet niet aan eigenschappen natuurlijke tijd de ware en wiskundige absolute tijd stroomt uit zichzelf, constant en zonder referentie naar iets uitwendigs (Newton) universeel (globaal) uniek I Filosofie/psychologie van de tijd (eigenschappen) II Tijd in de natuurkunde (o.a. symmetrieën) III Kosmologische tijd (definitie, begin aan de tijd, einde aan de tijd (alleen keuze van begintijdstip en tijdseenheid) ("de tijd die de wet van Newton K=m a zo eenvoudig maakt ") symmetrisch: tijd is eenvoudig omkeerbaar (terug in de tijd) probleem dus! symmetrie is een probleem met Newtoniaanse tijd botsende biljardballen omkeren geeft weer een mogelijke fysische situatie, MAAR: Wat kan tijd een richting geven? S=k log W Welke natuurwetten zijn niet symmetrisch in de tijd? 1. 2e hoofdwet van de thermodynamica de entropie (mate van wanorde) neemt gemiddeld nooit af in de loop van de tijd Boltzmann 2. In de kwantummechanica: de zgn. kollaps van de golffunktie bij een interactie/waarneming gaat ook 1 richting op 3. verstrengeling in de kwant.mech. leidt tot toenemende correlatie tussen deeltjes en dat zou tijd kunnen verklaren, inclusief de richting van de tijd deeltjes met verstrengelde spin blijven dat op grote afstand 1

2 beroemd experiment: deeltje als golf We nemen even de tijd kan kwantummechanica om stil te staan de tijd een richting geven? De kollapse van de golffunktie gaat één kant op maar je ziet het weer als deeltje als je kijkt/waarneemt, bv net vóór de spleet waarnemen: "kollaps van de golffunktie" tot deeltje maar ook als je ná de spleet kijkt (Wheeler's delayed choice experiment) deeltje als golf opgebouwd uit deeltjes beroemd experiment: deeltje als golf Interferentie-patroon verdwijnt als je kijkt door welk gat het deeltje gegaan is beroemd experiment: deeltje als golf maar ook als je ná passage van het deeltje kijkt (Wheeler's delayed choice experiment) verdwijnt het golfpatroon Wheeler's "uitgestelde keuze"-experiment detail-berekening bij de dubbele spleet detectie als losse deeltjes laser fotonen/deeltjes halfdoorlatende spiegel 2

3 Wheeler's "uitgestelde keuze"-experiment laser fotonen/deeltjes halfdoorlatende spiegel detectie als losse deeltjes halfdoorlatende spiegel detectie als golf (interferentie) kollapse van de golffunktie ook als je "stiekem" kijkt (indirect), bijv. door fotonen "te verdubbelen" op het moment dat je A ziet oplichten, dan weet je "foton kwam van links" en verdwijnt het patroon! (kollapse golffunktie) laser golf kollapse van de golffunktie wis je kennis door samenvoegen van twee beams fotonen volgen zelfde paden maar je weet niet: linker spleet of rechterspleet weer interferentie! kollapse van de golffunktie verwijder de samenvoegende spiegel tussen C en D je weet weer: linker spleet of rechterspleet interferentie verdwenen! de "verdubbelde" fotonen zijn verstrengelde fotonen alsof het foton besluit met terugwerkende kracht zich vanaf de spleet als golf te gedragen nodig, iets tijdloos: spooky action at a distance! de "eraser" C en D kan op grote afstand staan alsof het foton besluit met terugwerkende kracht zich vanaf de spleet als deeltje te gedragen nodig: iets tijdloos! spooky action at a distance! verstrengelde deeltjes 2 deeltjes zijn normaal onafhankelijk als hun golffunkties niet overlappen als hun golffunkties (kans om ze aan te treffen) wel overlappen, noemen we ze verstrengeld, meting van de één geeft informatie over de ander bijv. er ontstaat een deeltje-anti-deeltje paar: een elektron + positron, die dan noodzakelijk tegengestelde lading en tegengestelde spin hebben (100% verstrengeld zijn) meet de één: blijkt 'up' ander onmiddellijk : 'down' ook op grote afstand "spooky action at a distance" verstrengelde deeltjes als lepeltje-lepeltje liggen in een te krap bed Van de vier mogelijkheden kunnen er maar 2 gerealiseerd worden Alie Ben Ben Alie je kan alleen maar tegelijk omdraaien 2 niet-lepeltje-lepeltje Maar het gekke is: als Alie op reis is en draait zich in hotelbed om dan draait op hetzelfde moment Ben zich thuis ook om 3

4 Bohr, één van de grondleggers van de kwantummechanica: We nemen even de tijd de om twee stil essenties te staan van de kwantummechanica 1. pure toestanden en gemengde toestanden 2. kollapse golffunktie na meting bizarre uitgangspunten die steevast leiden tot verbijsterende en tegenintuïtieve resultaten pure en gemengde toestanden Je hebt discrete, pure toestanden, baan 1>, 2>, 3>, niets daar tussen in, maar in plaats daarvan wel superpositie (gemengde toestand) bv alle banen met beetje maal 1> + beetje maal 2>, bijv na een waarneming, zie je dan alleen een pure toestand 1> of 2> waarin samenhangt met de kans om 1> waar te nemen samenhangt met de kans om 2> waar te nemen na de waarneming/interactie is het elektron in een pure toestand (of 1> of 2>. ) dit heet de kollapse van de golffunktie: richting aan de tijd? twee uitgangspunten kwantummechanica twee belangrijke en bizarre uitgangspunten die steevast leiden tot verbijsterende tegenintuïtieve resultaten 1. superpositie-beginsel (geeft gemengde toestanden) de som van twee toestanden is weer een mogelijke toestand ook al sluiten die twee elkaar uit bv twee toestanden van elektronen spin up ; spin down spin dwars = spin up + spin down 2. na meting/interactie: reductie tot pure toestand hier dus óf "up" of "down" (kollaps van de golffunktie) nog een keer meten: zelfde pure toestand bv 100% spin up 1-deeltjes-pure spintoestanden:er zijn er 2 bijv up plus alle superposities (gemengde toestanden) bijvoorbeeld (1 toestand), de som + en down stel elektron geprepareerd m.b.v. magnetisch veld in 'up' Ik meet (met zelfde magnetische veld) de vertikale component dan vind ik 100% van de gevallen ''up' stel e deze som en ik meet de vertikale component dan vind ik van de gevallen 'up' en van de gevallen 'down' ander type waarneming = andere pure toestanden bv 1 elektron, meting van de vertikale spincomponent dan pure basis toestanden 'up' en 'down' geeft vaker 'up' geeft 'up', ' 'down na de meting komt-ie voor 100% in die pure toestand 4

5 ander type waarneming = andere pure toestanden bv 1 elektron, maar ík meet nu de horizontale spincomponent Schrödinger's Kat dan pure basis toestanden 'links' en 'rechts' geeft vaker 'rechts' geeft 100% 'rechts' na de meting komt-ie voor 100% in die andere pure toestand nee geen kollaps (zeggen anderen) maar verstrengeling met de omgeving kat> > + > = flesje gif> = heel> +b kapot> Schrödinger's Kat bij de dierenarts verstrengelde toestanden (gecorreleerd) levend> en heel> zijn verstrengeld, komen alleen samen voor dood> en kapot> komen ook alleen samen voor resultaat slechts 2 van de 4 mogelijkheden: kat levend, flesje heel en kat dood, flesje kapot over uw kat, mijnheer Schrödinger: ik heb goed nieuws en slechts nieuws verstrengeling ongeacht afstand Bob in -Centauri 2-deeltjes-toestanden: er zijn er 4,,, deeltjes met verstrengelde spin blijven dat op grote afstand spooky action at a distance u u> u,d> d,u> d,d> deze vier zijn ieder niet-verstrengeld, links en rechts zijn onafhankelijk. plus alle superposities bijvoorbeeld niet-verstrengeld, want te schrijven als een produkt (naast elkaar) met links de ene component, rechts de andere (onafhankelijk te meten) 5

6 speciale 2-deeltjes-toestanden sommige superposities, zijn niet te schrijven als produkt dat zijn zgn. Bell-toestanden - netto spin 0; symmetrisch voor verwisseling dus bij meting kans op, down maar dan ligt de andere vast met zekerheid: omgekeerd! ze zijn verstrengeld (gecorreleerd), Verstrengelde toestanden netto spin 0; symmetrisch voor verwisseling, geen ingebouwde richting, ze zijn verstrengeld (gecorreleerd) ze hoeven niet fysiek bij elkaar te zitten ze vormen een sub-wereld waar de buitenwereld geen weet van heeft klassiek: als je alles weet van het geheel, weet je ook alle details Kwantum-mechanica: al weet alles wat er te weten valt van het geheel maar helemaal niets van die sub-wereld We kan nemen "verstrengeling" even de tijd de tijd om een stil richting te staan geven? twee verstrengelde fotonen één sets basis-toestanden lineair gepolariseerd, vertikaal+horizontaal Verstrengeling geeft een afhankelijkheid (correlatie) die kan groeien en uitbreiden. één sets basis-toestanden circulaire gepolariseerd linksdraaiend+ rechtsdraaiend twee verstrengelde fotonen van buitenaf is geen detailkennis van de verstrengelde componenten mogelijk: er varieert niets: er is geen tijd We nemen even de tijd om even stil precies te staan zijn: Symmetrieën van de tijd van binnenuit kan de één als klok opgevat worden en de ander, samen met alles wat ermee verstrengeld is, als een fysisch systeem met een tijd-parameter (de stand van de polarisatie) globaal een wereld zonder tijd lokaal wel tijd Probleem: hoe verspreidt de verstrengeling in een meer-deeltjes systeem CPT-symmetrie C=charge (elektrische ladingsverwisseling P=parity (verwisseling links-rechtsdraaiend ) T=Tijdsomkeer t -t 6

7 geen behoud van pariteit P (spiegel-symmetrie) C (ladings)-symmetrie (deeltje anti-deeltje de natuur (de zwakke kernkracht) maakt verschil tussen rechtshandig en linkshandig 1957, Chien-Shiung_Wu('12-'97) "Chinese Madam Curie" 1958, Nobelprize Lee en Yang neutrino's alleen linkshandig anti-neutrino's alleen rechtshandig Pariteit-schending in de natuur C-symmetrie bijna perfect, maar ontdekking 1964, (1980 Nobelprijs) In zeldzame gevallen (kaonen) maakt de zwakke kernkracht verschil tussen deeltje - antideeltje (omkering van alle ladingen, ook elektrische lading) C-symmetrie schending in de natuur ook CP-symmetrie schending in de natuur CPT is wel een symmetrie van de natuur (tot nu toe.) CPT-symmetrie De natuur is symmetrisch in de tijd T-symmetrie maar dan moet je tegelijk ook spiegelen (P-symmetrie) en alle "ladingen" (ook de elektrische lading verwisselen (C-symmetrie) Een positron (anti-deeltje van het elektron) waarin ook de spin omgedraaid is gedraagt zich op individueel deeltjes niveau als een elektron dat tegen de tijd inloopt 7