luultavasti muistat elektronit luonnontieteiden tunnilta. Ne ovat stabiileja subatomisia hiukkasia, joilla on negatiivinen sähkövaraus. Niitä on atomeissa ja ne ovat sähkön kantajia kiinteissä aineissa. Mutta, mitä et luultavasti ole kuullut, on ajatus, että jokainen elektroni on olemassa… on itse asiassa täsmälleen sama elektroni.
tämän teorian mukaan jokainen maailmankaikkeuden elektroni on itse asiassa yksi hiukkanen, joka kulkee jatkuvasti ajassa taaksepäin ja eteenpäin. On paljon monimutkaista matematiikkaa mukana, mutta se ei ratkaista joitakin kvanttifysiikan suurin vastaamattomia kysymyksiä.
teorian keksi ensimmäisenä John Archibald Wheeler, teoreettinen fyysikko, joka työskenteli vetypommin parissa Los Alamosissa ja opetti myöhemmin Princetonissa. Hänet tunnetaan lähinnä yleisen suhteellisuusteorian herättäjänä 1940-ja 1950-luvuilla.
monien kvanttiteorioiden tavoin ajatus siitä, että jokainen elektroni on sama elektroni, joka tunnetaan yhden elektronin teoriana, on enemmän ajatuskoe kuin teoria.
so let ’ s break it down.
elektronit kaikki näyttävät samalta
yksi suurimmista syistä tähän Wheelerin ehdottamaan ajatuskokeeseen on se, että jokainen elektroni näyttää täsmälleen samalta. Niissä kaikissa on sama massa ja sama sähkövaraus.
tämä tarkoittaa lopulta sitä, että elektroneja on mahdotonta erottaa toisistaan lainkaan. Ei siis ole yllättävää, että Wheeler keksi ajatuksen, että jos kaikki elektronit näyttävät samalta ja toimivat samalla tavalla, niin ehkä ne ovat sama elektroni.
sukua: Fyysikot tekivät juuri elektroneja, jotka kytkeytyvät päälle ja pois valonnopeudella
ehdottaen, että koko maailmankaikkeus sisältää vain yhden elektronin, ei ehkä tunnu kovin absurdilta, kun ajatellaan, että ainoa muutos olisi ajatus siitä, mikä elektroni on. Käytännöllisyydessä kaikki toimisi edelleen samalla tavalla.
yhden elektronin teorian mukaan samalla tavalla kuin elektroni voi kimmota avaruudessa valon osuessa, elektroni saattaa myös kyetä pomppimaan ajassa taaksepäin. Tästä seuraa, että ajassa taaksepäin liikkuvat elektronit ovat positroneja, elektronien antimateriakomponentteja. Kaikki elektronit eivät siis ole vain sama elektroni, vaan kaikki positronit ovat myös sama elektroni, joka liikkuu taaksepäin.
professorina Wheeler opetti nykyisin kuuluisaa fyysikkoa Richard Feynmania tämän ollessa tohtoriopiskelija. Feynman nosti tunnetusti Wheelerin teorian esille, kun hän otti vastaan Nobel-palkintonsa vuonna 1965. Näin Feynman sanoi:
sain eräänä päivänä Princetonin graduate Collegeen puhelun professori Wheeleriltä, jossa hän sanoi: ”Feynman, tiedän miksi kaikilla elektroneilla on sama varaus ja sama massa.”Miksi?””Koska, ne ovat kaikki sama elektroni!”Ja sitten hän selitti puhelimessa:” olettakaamme, että ne maailmalinjat, joita tavallisesti tarkastelimme aikaisemmin ajassa ja avaruudessa – sen sijaan että vain nousisimme ajassa ylöspäin, olisivat suunnaton solmu, ja sitten, kun leikkaisimme solmun läpi tiettyä aikaa vastaavalla tasolla, näkisimme monia, monia maailmalinjoja, ja se edustaisi monia elektroneja, paitsi yhtä asiaa. Jos yhdessä osassa tämä on tavallinen elektronin Maailmanviiva, siinä osassa, jossa se kääntää itsensä ja on tulossa takaisin tulevaisuudesta, meillä on väärä merkki oikeaan aikaan-oikeille neljälle nopeudelle-ja se vastaa varauksen merkin muuttamista, ja siten se osa polusta toimisi positronina.”
monista fyysikoista Wheelerin ehdotus ei tuntunut kovin absurdilta. Fyysikot olivat jo työstämässä ajatusta elektroneista ja positroneista, Wheeler vain ehdotti tapaa yhdistää jokainen olemassa oleva samanaikaisesti keinona selittää, miksi kukaan ei voinut erottaa niitä toisistaan.
miltä tämä teoria todellisuudessa näyttäisi?
on arvioitu, että maailmankaikkeudessa on noin 10 potenssiin 80 atomia. Jos jätämme huomiotta sen, että monissa atomeissa on enemmän kuin yksi elektroni, voimme yksinkertaistaa elektronien määrää maailmankaikkeudessa noin 10 potenssiin 80.
vaikka elektroneja pidetään teoreettisissa tarkoituksissa stabiileina, kokeellinen alaraja elektronin keskimääräiselle eliniälle annetaan usein 6,6×1028 vuotta. Käyttämällä tätä, voimme saada käsityksen siitä, miten tämä teoria todella pelaa ulos.
teoria ja nämä luvut antavat ymmärtää, että yksi olemassa oleva elektroni on kulkenut maailmankaikkeuden läpi 1080 kertaa, joka kerta 460 septiljoonaa vuotta. Voimme kaksinkertaistaa nämä luvut joka kerta, kun elektroni oli mennä ajassa taaksepäin, mikä vastaa yksi elektroni, yksi elektroni teoria on 10105 vuotta vanha.
teorian datavirhe
kaikki tämä on varsin mielenkiintoista pohdittavaa, mutta tämän ajatuskokeilun taustalla on eräs ongelma.
jos yksittäinen elektroni kulkee ajan läpi elektronina ja taaksepäin positronina, se tarkoittaisi, että missä tahansa pisteessä pitäisi olla sama määrä positroneja kuin on elektroneja.
sukua: Uusi tutkimus löytää miljardeja kietoutuneita elektroneja metallissa
tiedämme, ettei tämä pidä paikkaansa, ja koska näin on, voimme vahvalla luottamuksella päätellä, että yhden elektronin teoria ei voi pitää.
on todennäköistä, että Wheeler tiesi asiasta koko ajan. Muistelmateoksessaan hän kirjoittaa:
” tiesin tietenkin, että ainakin meidän puolellamme maailmankaikkeudessa on paljon enemmän elektroneja kuin positroneja, mutta minusta oli silti jännittävää ajatella aika — avaruuden liikeratoja, jotka voisivat kulkea vapaasti mihin suuntaan tahansa-eteenpäin ajassa, taaksepäin ajassa, ylös, alas, vasemmalle tai oikealle.”
Wheeler oli lähes varma, ettei hänen ajatuskokeensa ollut heijastus todellisesta kvanttitodellisuudesta, mutta hän huomasi, että ajatus siitä, että positroneja ei ole yhtä paljon kuin elektroneja, pitää paikkansa vain havainnoitavassa maailmankaikkeudessamme. On mahdollista, että näin ei ole universumin kokonaissummassa.
yhden elektronin teoria on loppujen lopuksi varsin mielenkiintoinen ajatuskoe pohdittavaksi, vaikka fysiikka ei jammailisikaan. Ajatella, että on teoreettisesti mahdollista, vaikkakin hyvin epätodennäköistä, että hiukkanen, joka on olemassa kaikkialla maailmankaikkeudessa, on itse asiassa sama hiukkanen, joka matkustaa ajassa – no, se on aika siistiä.