Fundamental fysik bloghoved

Houdini-neutroner

Dagens skim af artikler lagt på preprint-arkivet bød på et interessant forslag til hvordan man med et ret simpelt neutron-eksperiment, kan måle om vores univers i virkeligheden er en såkaldt 'bran' indlejret i et univers med mange flere dimensioner.

Jeg har tidligere skrevet om teorier der involverer at vores univers er en indlejret del af noget større. Brankosmologi er relateret til dette. Hele grundidéen kommer fra strengteori, der er en af de ret spæde teoribygninger der arbejdes på for at kunne forklare tyngdekraften på et grundlæggende niveau. I strengteori arbejder man med at verdens grundlæggende eksisterer i flere end de tre rumlige dimensioner vi normalt taler om: længde, bredde og højde. Ting vi i vores tre dimensioner ser som ét bestemt geometrisk objekt, kan så beskrives som et andet, mere generelt, geometrisk objekt i flere dimensioner. Ligesom en cirkel i to dimensioner generaliseres til en kugle i tre.

Man har fundet ud af, at hvis strengteori skal virke (dvs. beskrive den fysik vi kender i dag), er den nødt til at have flere dimensioner end de tre ovennævnte. De flerdimensionelle strenge kalder man så for 'braner', og skriver sine ligninger op for branerne i de mange dimensioner. Når de dimensioner vi ikke kan se så skæres væk, er håbet at ligningerne beskriver vores kendte, tredimensionelle fysik. (De gør de ikke endnu, derfor kalder jeg strengteori for 'spæd' selvom den har eksisteret i mange år.)

Hvis man tror på at den korrekte beskrivelse af verden er braner i flere dimensioner end dem vi ser, er man nødt til at finde en forklaring på hvorfor vi ikke ser de andre dimensioner. En mulig forklaring er, som skrevet øverst, at vores univers er en meget stor bran i tre rumlige dimensioner, i et større multidimensionelt "multivers". Det kan være svært at forestille sig, men forestil dig i stedet en myre der bor på et stykke papir i vores tredimensionelle univers. Myren vil ikke være i stand til at bevæge sig, endsige se, ud over sine to dimensioner, og man kan forestille sig uendeligt mange todimensionelle "myre-universer" ligge ved siden af hinanden i det tredimensionelle "multivers". På samme måde kan man forestille sig uendeligt mange tredimensionelle braner ligge ved siden af hinanden i et flerdimensionelt multivers.

Hvis de mange under-universer er komplet adskilt fra hinanden, er idéen ikke særligt interessant. Så vil den måske kunne bruges til at bortforklare de mange dimensioner, men man har ingen mulighed for at påvise om det faktisk er rigtigt, og så er vi lige vidt! Ud over kunne forklare det samme som eksisterende fysiske teorier, må en ny teori også forudsige nye fænomener som man kan bruge til at bekræfte teoriens rigtighed. Og det kræver at de mange universer kan kommunikere på en eller anden måde.

I den nye artikel foreslår de at bruge neutroner til at måle dette. Idéen er ret simpel. Hvis der er en 'kobling' mellem vores bran og en anden bran, vil en neutron have en lille sandsynlighed for at hoppe (oscillere) mellem den ene og den anden bran, se billedet herunder.

Illustration: Privatfoto

Heraf overskriften: Houdini. Now you see it, now you don't! Og nu holder idéen op med at være helt så simpel. Hvis neutronen bare blev sendt gennem luften fra en neutronkilde hen til en detektor ville sandsynligheden for at den var forsvundet over i den anden bran være så lille at vi aldrig ville kunne måle den. Derfor må vi, i stedet for at sende den gennem luften, sende den gennem en kernereaktor!

Dette har en kvantemekanisk forklaring. Hvis ser på billedet ovenfor med neutronen først på den ene bran, så på den anden, er det kvantemekanisk set en alt for grov forsimpling. I en kvantemekanisk beskrivelse eksisterer neutronen mellem udsendelsen og målingen som en superposition af neutronen i vores bran og neutronen i den anden bran. Vi ved først hvilken bran neutronen befinder sig når vi prøver at måle efter. Sandsynligheden for at finde neutronen i den anden bran er naturligvis meget lille, men hvis vi nu måler rigtig mange gange, ved at sætte et meget tæt materiale mellem neutronkilden og vores faktiske målestation, har vi mange flere chancer for at 'sparke' neutronen over i den anden bran med en måling. Vi kigger derfor på en atomreaktor. Her produceres der så mange neutroner, at selv med meget lille sandsynlighed for at blive sparket over, vil der forhåbentlig være nogle der bliver det. Her er også meget høj tæthed, så hver neutron vil få flere "spark". Man kunne forestille sig at lave eksperimentet et andet sted (en mindre neutronkilde, en anden væg), men effekten ville ikke være lige så stor.

Det foreslåede eksperiment i artiklen går så endnu et skridt videre, og sætter en detektor op der måler de neutroner der 'swapper' tilbage fra den anden bran. Idéen er altså groft sagt:

1) Neutroner sendes gennem kernereaktor. Dette skaber en flux af 'skjulte' neutroner i den anden bran. 2) Fluxen af neutroner i vores bran dør ud pga. væggen omkring reaktoren som de ikke kan passere igennem. 3) Den skjulte flux fortsætter ud af reaktoren i den anden bran. 4) Nogle neutroner fra den skjulte flux hopper tilbage, og kan derefter måles.

Jeg er ret begejstret for dette forslag til eksperiment. Ikke bare er det et forslag til hvordan man kan måle noget af det der for mig står som en af de mest eksotiske idéer inden for teoretisk fysik, eksperimentet kan gøres uden at bygge et nyt kæmpemæssigt eksperiment. I artiklen skriver de selv at med nuværende kollisionseksperimenter vil man ikke være i stand til at måle effekter i nærheden af det man ville kunne måle med denne idé.

Det skal selvfølgelig siges at de sluttelig også regner på hvad eksisterende data siger om neutroners sandsynlighed for at hoppe over i en anden bran, og med nuværende data kan hypotesen om andre braner ikke bekræftes. Men jeg er spændt på at se resultater hvis man laver dette til et dedikeret eksperiment et sted. Vil jeg sætte mine penge på at de finder en effekt med et eksperiment som dette? Ikke så meget som en bukket femøre. Men idéen, den kan jeg virkelig godt lide.

Christian Bierlich er teoretisk partikelfysiker og er i gang med en ph.d. ved Lund Universitet. Han skriver om stort og småt fra fysikkens verden.
sortSortér kommentarer
  • Ældste først
  • Nyeste først
  • Bedste først

... i et større multidimensionelt "multivers". Det kan være svært at forestille sig, men forestil dig i stedet en myre der bor på et stykke papir i vores tredimensionelle univers. Myren vil ikke være i stand til at bevæge sig, endsige se, ud over sine to dimensioner ...

Myren har 2 øjne og ser derfor formodentlig alt i 3D ligesom os. Bare fordi den ikke kan flyve (løfte sig fra papiret), eller der ikke er andre genstande på papiret, bliver myrens verden da ikke pludselig kun 2-dimensionel - ligesom ormens verden heller ikke kun er 1-dimensional, som det somme tider også påstås. Vores verden bliver heller ikke 2-dimensionel, bare fordi vi fotograferer den med et normalt kamera.

Ja, et multidimensionelt univers er svært at forestille sig og vibrerende superstrenge ligeså - er det ikke noget med hele 10 fysiske dimensioner? Hvorfor i alverden tror I fysikere altid på de mest spekulative og usandsynlige forklaringer, men blankt afviser de simple og logiske?

  • 1
  • 6

Du har fuldstændig ret i at en myre med to øjne nok vil kunne se op fra papiret. Det var en analogi for at hjælpe med forståelsen. Hvis du driver analogien for langt, ja, så bryder den sammen.

Som jeg skrev til sidst i indlægget: Jeg tror ikke et eksperiment som dette vil give et positivt resultat, men jeg ved det ikke. Det er skønheden ved fysik. Naturen er ligeglad med hvad jeg eller andre tror, den er som den er. Det er derfor vi er nødt til at indrette de fysiske teorier sådan at vi kan efterprøve dem med eksperimenter.

Jeg finder også idéen om branuniverser langt ude, men jeg er ovenud begejstret for at man kan afprøve idéen med et eksperiment. Det er kun sådan vi kan skille gode teorier fra dårlige.

  • 8
  • 0

Du må undskylde et tykhudet spgsm, men hvorfor en atomreaktor i midten? Som jeg læser dit indlæg ville det være nok med en "tyk" væg hvor man måler hvor mange neutroner der slipper igennem den umulige barriere ved at tage en smutvej igennem en anden bran. Har det noget at gøre med alle de frie neutroner der er at finde i en reaktor?

  • 2
  • 0

Hej Kristian,

Jeg måtte også selv læse den del af artiklen igen...

Du vil gerne have noget i midten hvor tætheden af atomkerner er enormt høj, så dine neutroner får mange "spark" undervejs. Til det formål er en reaktor god. Jeg må indrømme at jeg ikke kender tallene, og jeg ved derfor ikke hvor meget bedre den vil være af en væg af et eller andet.

  • 1
  • 0

Hvorfor i alverden tror I fysikere altid på de mest spekulative og usandsynlige forklaringer, men blankt afviser de simple og logiske?

Det gør de jo heller ikke nødvendigvis. Men hvis de simple modeller ikke virker, f.eks. ved at inddrage tyngdekraften, må de jo forsøge med noget andet. Som så næsten blive mere spekulativt. Standardmodellen har været fantastisk til at beskrive og forudsige men, den omfatter jo ikke tyngden. http://youtu.be/OL6-x0modwY

  • 2
  • 0

...men jeg kan godt se at min formulering nok har været uklar. Jeg prøver at skrive det lidt tydeligere i indlægget, tusind tak for din kommentar!

Du skal have to ting før det virker. Mange neutroner, og høj tæthed af ting der sparker til dem. I en reaktor har du begge dele.

  • 0
  • 0

Hvorfor tror mange mennesker på at det de ser er den simpleste form for virkelighed? Et Newtonsk verdensbillede er ikke nødvendigvis simplere end et kvantemekanisk verdensbillede. Det virker bare simplere for os fordi vi er vokset op i det og hele vores begrebsapperat er optimeret til at forstå netop dette.

  • 3
  • 0

Hej Svend,

Man skal have rigtig, rigtig, rigtig godt styr på sin baggrund.

Hvis de faktisk får lov til at sætte dette eksperiment op i stor skala, og det giver en positivt resultat, så kommer de til at skulle gentage det med bedre kontrol af baggrund herfra og til juleaften.

  • 3
  • 0

Det er ingen sikkerhed for, at en kobling mellem universerne giver mulighed for, at en neutron kan hoppe mellem universerne. Måske er det kun informationer der kan overføres, fordi informationer ikke har energi eller masse. Information har heller ikke et indbygget "ur" som neutroner har. Information har ingen henfalds tid.

Vi kan meget nemt forestille os at neutronen ikke kan skifte univers.

Spørgsmålet er også, om paralleluniverserne har fysiske love som vores, og om vore partikler giver fysisk mening.

  • 0
  • 4

Ja, et multidimensionelt univers er svært at forestille sig og vibrerende superstrenge ligeså - er det ikke noget med hele 10 fysiske dimensioner? Hvorfor i alverden tror I fysikere altid på de mest spekulative og usandsynlige forklaringer, men blankt afviser de simple og logiske?

Superstrengsteorien er da nærliggende: Da jeg var 7 år byggede jeg en "model" i bilofix bestående af masser af snore og elastikker. Samtidigt sad en elmotor på konstruktionen. Når elmotoren kørte, svingede det hele - og jeg indså straks, at sådan var hele verden opbygget. Det var lidt svært at overbevise forældrene. Men - var det ikke nærliggende? En af naboerne, der var noget yngre end jeg, og som sjovt nok hed Holger (dog ikke ham fra KU), lod sig imponere og overbevise.

  • 0
  • 6

Standardmodellen har været fantastisk til at beskrive og forudsige men, den omfatter jo ikke tyngden.

Spørgsmålet er også, om den skal det? F.eks. forudsiger standardmodellen, at alle elementarpartikler er masseløse; hvilket jeg faktisk også tror, de er! Ellers kan man nemlig ikke forklare dobbeltspalteeksperimentet med elektroner og C60 molekyler, som jo ikke ville kunne skifte retning momentant, når de passerer spalten, hvis de havde masse (ud over hvad der svarer til bindingsenergien for C60).

Et Newtonsk verdensbillede er ikke nødvendigvis simplere end et kvantemekanisk verdensbillede.

Det har ialtfald betragtelig simplere ligninger.

  • 1
  • 5

@ Carsten: er du sikker? "Vores" matematik er udvilket specifikt til at forstå et Newtonsk verdensbillede. Kan man ikke forestille sig en alternativ matematik der tager udgangspunkt i er andet verdensbillede og derfor er uegnet til at beskrive vores verden på en simpel måde?

Et lille eksempel her fra vores egen verden: det ikke rart at udregne volumen af en kubus i polære koordinater, men det er uendeligt simpelt i cartetiske.

  • 0
  • 1

@ Carsten: Læg tre legoklodser på et bord. Hvis du flytter rundt på dem ændrer du den information de bærer på uden at ændre deres energi.

Hvordan får du dem til at flytte sig uden at tilføre energi?

Skrivning/lagring og sletning af information vil altid kræve tilførsel eller afgivelse af energi. Du kan også sagtens læse teksten på et stykke papir uden at ændre informationen, men du kan ikke skrive den uden at bruge energi.

Det, jeg opponerer imod, er at tage et tekstbegreb som "information" og så give det fysiske egenskaber. Hvordan skal man overføre information fra én neutron til en anden uden at udveksle energi iht. energibevarelsessætningen?

  • 2
  • 4

"Vores" matematik er udvilket specifikt til at forstå et Newtonsk verdensbillede.

Nej, den er udviklet fra simpel købmandsregning, hvor man så har erstattet manglende værdier med bogstaver, så man kan opstille formler for f.eks. renteberegning og kantlængderne på en trekant. Det er så så heldigt, at denne simple matematik også er nok til at beskrive Newtons verdensbillede.

Hvordan forestiller du dig en alternativ matematik, og hvilket udgangspunkt skulle den komme fra?

  • 2
  • 5

Øh! Masseløse? Har du hørt om higgs-partiklen, Carsten?

Nemlig. Partikler har formodentlig ingen egenmasse bortset fra bindingsenergien, men opnår en tilsyneladende masse ved at interagere med noget andet. Fysikerne kalder det Higgsfeltet. Jeg kalder det æteren; men der er ikke den helt store grundlæggende forskel bortset fra, at jeg har meget svært ved at se, hvordan en partikel med en levetid på ca. 1,56 x 10^-22 s kan skabe et felt, der må være kontinuert, hvis det skal kunne give andre partikler en fast masse, der kun afhænger af partiklernes hastighed i forhold til kræfternes maksimale udbredelseshastighed i dette medie.

  • 1
  • 5

Det lyder sgu spændende, og tak for endnu et godt indlæg! Der er i øvrigt masser af forsøg på visualiseringer af højere dimmensioner på youtube. Flere af dem er ret gode.

Men inden vi drukner i æter og helt ny fysik, har jeg et spørgsmål i forlængelse af Kristians om atomreaktorerne. Det er sikker simpelt for andre end en stakkels kemiingeniør som mig ;-) De der ting, der sparker til neutronerne... Hvad er det, og hvad betyder "spark"?

  • 5
  • 0

Hej Søren,

Gerne, men det er sgu et svært spørgsmål at svare på. Jeg tror jeg har skrevet tre forskellige svar før jeg endte på dette :). Så spørg endelig igen hvis det ikke giver mening.

Neutronen eksisterer akkurat som Schrødingers kat i en superposition mellem to tilstande. I stedet for at være død eller levende, er det bare i bran 1 eller bran 2. Når vi måler på neutronen bestemmer vi om den er det ene eller det andet sted, ifølge københavnerfortolkningen af kvantemekanik er neutronen ikke nogle af stederne før en sådan måling faktisk har fundet sted, men i en sand superposition.

Superposition betyder desværre bare ikke 50% chance for det ene og 50% chance for det andet. Sandsynligheden for at være i bran to er enormt lille. Den oscillerer faktisk op og ned (det er en sinusfunktion...) med enormt lille amplitude, men meget høj frekvens. Det betyder at vi bør lave mange målinger hurtigt efter hinanden der alle sammen kollapser superpositionen (neutronens bølgefunktion) i én af de to tilstande. I langt de fleste tilfælde kollapser vi den til bran 1 (lille amplitude), men det gør ikke noget, for vi har chancen igen ret hurtigt efter (høj frekvens).

I stedet for målinger med et måleapparat til at måle, bruger vi i dette tilfælde alle de atomkerner og frie neutroner der er i reaktoren. Det er vores neutronprobes elastiske spredning på dem jeg kaldte 'spark' i bloggen.

  • 6
  • 0

Jeg tror jeg tager den med Higgspartikler en anden gang, hvis det er ok med jer :-). På det tekniske niveau handler dette faktisk mere om helt almindelig kvantemekanik.

  • 6
  • 0

Datalogi er en del af matematikken, hvor vi beskriver verden binært, og på en væsentlig anden måde end den newtonske.

Datalogi beskriver da ikke verden binært. Den arbejder bare i et talsystem, hvor grundtallet er 2 (binær), 8 (oktal) eller 16 (hexadecimal) i stedet for 10. Uanset hvilket talsystem en beregning laves i, skal det føre til samme resultat. Det er iøvrigt endnu et bevis på, at numerologi er noget forfærdelig vrøvl, for her benytter man tværsumsberegninger, som ikke er uafhængig af talsystemet.

Den eneste form for computermatematik, som jeg kender, som er forskellig fra den gængse, er "finite field" aritmetik, hvor man benytter XOR funktioner og smider menten væk. Den slags benyttes bl.a. til fejldetektering.

  • 3
  • 0

Hej Christian!

I dit oplæg skriver du bl.a.:

På samme måde kan man forestille sig uendeligt mange tredimensionelle braner ligge ved siden af hinanden i et flerdimensionelt multivers.

Burde der så ikke også være et, måske ikke uendeligt men så et, meget stort antal braner i reaktoren? - Således der ikke bare er tale om 'our' og 'hidden' brane, men mange "gemte" braner, som neutronen kan "forsvinde" i undervejs?

Hvis ja, vil det så ikke få stor indflydelse på evt. målinger og tydning af disse?

  • 3
  • 0

Hej Karin,

Det har du fuldstændig ret i. I artiklen har de dog begrænset sig til at regne på et scenarie med to braner, da det gør udregningen lettere. Men du har i princippet ganske ret, og jeg kan kun forestille mig at det vil gøre det meget sværere for neutronerne at komme tilbage til vores bran igen.

  • 3
  • 0

Datalogi beskriver da ikke verden binært.

Mener, at det er OT i forhold til emnet, så jeg vil ikke diskutere det yderligere. Universet i en computerskabt virkelighed er dog langtfra et sædvanligt newtonsk univers, og der skal kompliceret matematik til, for at få de to virkeligheder til at ligne.

Det artiklen beskriver er et interessant eksperiment - men såfremt det falder ud til, at der ikke er flere universer, mener jeg ikke at det er "hulfrit". Det eneste vi kan konkludere, er at den pågældende partikel, ikke har adgang til de andre universer.

Jeg mener ikke, at vi dermed har udelukket enhver form for teoretisk vekselvirkning mellem universerne. Men, det er ikke muligt for den pågældende partikel at "rejse" mellem universerne.

Som eksempel, så kan det vi betragter som atomare tilfældigheder, måske være vekselvirkning til et parallelt univers. Er det tilstrækkeligt kaotisk, så betragter vi resultatet som et tilfælde.

I kvantemekanikken "kollapser" f.eks. vores fotoner. Vi kan også betragte det sådant, at den enkelte foton har sit helt eget univers, der kollapser når fotonen afgiver energien. Det er dermed også et parallelt univers.

Med andre ord, så beviser eksperimentet kun det, som den faktisk beviser, og vi kan ikke generalisere resultatet.

  • 0
  • 2

@ Carsten: Mit legoklods eksempel var specifikt rettet imod sætningen

"Vis mig bare ét eksempel på, at information ikke er lagret som enten potentiel eller kinetisk energi."

  • 1
  • 0

@ Carsten: Mit legoklods eksempel var specifikt rettet imod sætningen

"Vis mig bare ét eksempel på, at information ikke er lagret som enten potentiel eller kinetisk energi."

  • 0
  • 0

Den eneste form for computermatematik, som jeg kender, som er forskellig fra den gængse, er "finite field" aritmetik, hvor man benytter XOR funktioner og smider menten væk. Den slags benyttes bl.a. til fejldetektering.

Computermatematik kaldes også diskret matematik - hvilket hentyder til, at vi ikke arbejder med kontinuerte tal. Det er altid en kunst, at koble kontinuert matematik og differentialligninger, ind på computerens diskrete univers, med differensligninger og talrum der er begrænset i både udstrækning og nøjagtighed. Det som virker logisk og simpelt, med et kontinuert view, kan blive kompleks i et diskret view. Tag f.eks. en skrå linje. Kan den være ret? Jo, hvis vi har en kompliceret vektorbeskrivelse. Men ikke med hældningen pi. På grund af den diskrete opførsel, så kan det blive ekstremt komplekst, at beskrive simple ting som en cirkel, eller en sinus kurve. Blev vi født ind i en diskret verden er ikke sikkert, at vi vil opdage tal som pi og e.

Det som kendetegner den almindelige matematik er uendeligheden. Vi har uendeligt mange tal. De ligger uendeligt tæt. Der kan være et uendeligt antal dimensioner. Og selv uendeligheder måler vi, og sætter tal på. Den matematiske verden kan ikke umiddelbart mappe sig ind i et diskret computer univers. Selv simple matematiske ting, kan være komplicerede, som f.eks. en skæv linje, cirkel, eller kurve. Det er måske endog usandsynligt, at mennesker levende i et diskret univers, nogensinde vil opdage cirkler, ellipser, eller 3D udgaver som en kugle. Derimod vil de kende firkanter.

Det er derfor meget naturligt, at vi også filosoferer over, om vi mangler noget.

  • 0
  • 2

Det er derfor meget naturligt, at vi også filosoferer over, om vi mangler noget.

I vores "newtonske" kontinuerte matematik, indgår også diskrete størrelser såsom antal dimensioner, der er et helt naturligt tal. Her kan vi måske filosofere over, om dette er en begrænsning på vores matematik, og om en sådan begrænsning også findes i virkeligheden. Kan vi forestille os at en dimension ikke er et helt tal? Kan vi have dimensioner der er "skæve" og hvor to dimensioner foldes ind i hinanden? Selvom det måske kan være svært at forestille os flerdimensionale universer med over 3 dimensioner, så er langt svære at forestille sig f.eks. 3.1 dimensioner.

Det kunne være interessant med et fysisk forsøg, der endeligt afgør antallet af dimensioner i universet. Og, at få sikker afgjort, at antallet er et naturligt helt tal og ikke kun "tæt på".

  • 0
  • 2

Dette debattråd minder mig dengang for mange årtier siden, efterhånden, hvor jeg sad nede i kælderen på Elektrofysik på DTU og kalibrerede en måleopstilling til måling af naturlig gammastråling.

Jeg havde en målerække over flere dage og uger, og under den tid, så målte jeg visse dage nogle forhøjede værdier på en særlig kanal. Efter at have diskuteret dette med lektorerne der, så kom vi frem til, at disse målinger altid skete få timer efter at en neutron-kilde blev hentet ud fra sin skærmning i et kælderlokale i den anden ende af bygningen. En eller flere neutroner kunne således nå frem til min opstilling som termiske neutroner og excitere NaI-krystallerne i måleapparatet, og udsende gamma ved en bestemt energi.

Det var dybt fascinerende, at forestille sig at disse neutroner ligesom opførte sig som den energi-kube, man ser i Men in Black I, eller som en energisk bordtennis-bold, for derefter at blive bremset op nok til at reagere med en opstilling flere mure væk. Og det var med betonmure og i hvert fald 15 m væk! Sjov fætter, neutronen, nok fordi den er radikal (hverken pro eller con :-) ). Så med flere af disse lystige fætre omkring, så skal det nok blive sin sag at afgøre, hvem som er hvem, efter flere spark...

Good luck with the experiment:-)

  • 5
  • 0
Bidrag med din viden – log ind og deltag i debatten