Sterrekunde

Kan twee singulariteite saamvoeg in een?

Kan twee singulariteite saamvoeg in een?


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Ons weet dat swart gate kan bots en saamsmelt, maar as elkeen 'n unieke karakter het, hoe kan die twee eenhede saamsmelt en een word? Sou die blote feit van 'n tweede enkelvoud binne die omvang van 'n ander dit nie 'n enkelheid maak nie?


Hipoteties, ja. Realisties, nee. Soos James genoem het, is 'n enkelvoud nie 'n fisiese voorwerp nie, maar eerder 'n punt in ruimtetyd. In teorie is 'n wurmgat slegs twee enkelhede wat saamgevoeg is.


Kan twee singulariteite saamvoeg in een? - Sterrekunde

Dit is 'n wonderlike vraag! Daar is twee redes waarom ons nooit sien dat materie in 'n swart gat val nie. Die eerste rede is as gevolg van gravitasietydverwyding as ons 'n horlosie in 'n swart gat laat val, sou ons sien dat dit stadiger en stadiger tik. Die tweede rede is as gevolg van gravitasie rooi verskuiwing as 'n ligte voorwerp in 'n swart gat val, verloor die fotone wat uitgestraal word energie wat uit die gravitasieveld klim en veroorsaak dat die hele spektrum na die infrarooi verskuif word, wat buite die sigbare lig is wat ons kan opspoor.

Albei hierdie effekte is egter net sterk en baie naby aan die swart gat. Vir 'n swart gat is die massa van die son net 'n paar kilometer. Om die tydsverruimingseffekte van die swart gat in die sonmassa te beïnvloed (om die swaartekrag te ignoreer), moet u in dieselfde stad as u wees! Dus word swart gate toegelaat om baie naby aan mekaar te kom voordat die tydverspreiding sterk word. Natuurlik kom swart gate naby en smelt dit gelyk, dus moet ons op 'n sekere tyd baie sterk tydverwyding hê. Wat gebeur op hierdie stadium?

Onthou dat swart gate nie eintlik soliede voorwerpe is wat teen mekaar vasloop nie. Maar daar is 'n ander manier waarop ons aan swart gate kan dink om dit sinvol te maak:

Whirlpools is plekke in die see waar die stroom ons in die rigting van die middelpunt trek waarheen ons nie kan ontsnap nie. Dit is soortgelyk aan die effek van 'n swart gat. In werklikheid kan ons tydsverruiming selfs so verstaan:

Stel jou voor dat jy en 'n vriend in aparte bote is, en julle twee het 'n groot maalkolk in die see gevind. Jou vriend besluit om die maalkolk te verken terwyl jy veilig ver weg bly. Om met u te kommunikeer, het u vriend boodskappervisse gebring, hulle laat die visse in die see vry, en hulle swem na u boot toe en dra 'n klein boodskap. As u vriend dieper en dieper in die maalkolk kom, neem die boodskappervisse natuurlik al hoe langer om uit te kom en u te bereik. Uiteindelik het u vriend diep genoeg in die maalkolk geval dat al die boodskappervisse wat hulle vrylaat, saam met hulle vasgevang is. U hou op om boodskappe te ontvang.

Die analogie wat hier gemaak moet word, is dat swart gate in ruimtetyd beskou kan word as borrels, en die 'boodskappervisse' wat u vriend vrygelaat het, is die fotone (en swaartekraggolwe) wat vrygestel word wanneer voorwerpe in swart gate val. Dat die boodskappe uiteindelik binne die maalkolk vasgevang word, is dat die gebeurtenishorison, die punt van geen terugkeer, oorgesteek is nie. Let op hoe daar geen fisiese oppervlak rondom die borrels is wat hierdie punt van terugkeer met swart gate voorstel nie. Die situasie is dieselfde.

Nou kan ons die vraag beantwoord, hoe lyk dit as twee swart gate saamsmelt? Dit is soortgelyk aan twee borrelsame wat saamsmelt. Ons kan dink dat ons baie boodskappervisse vrylaat om sin te maak van wat in hierdie hoogs dinamiese gebied van die see gebeur. Gelukkig hoef ons ons nie te veel voor te stel nie. Een van ons alumni, Will Throwe, het hierdie berekening gedoen! Die resultate van die berekening is verwerk in 'n video wat u kan vind deur die skakel te volg: Twee swart gate smelt saam in een

Let daarop dat die swart sfere in die video nie die swart gate self is nie, maar eerder hulle skaduwees, wat hul voorkoms beteken as ons in ag neem hoe hulle lig aflei en vasvang. Alhoewel daar 'n ernstige tydverspreiding naby die oppervlak van 'n swart gat is, is die oppervlaktes self baie dinamiese voorwerpe, en daarom moet ons eerder simulasies gebruik om ons vrae te beantwoord oor hoe dinge sal lyk as ons 'n teleskoop het. Gelukkig het ons baie vasberade en passievolle mense wat daaraan werk!

Daar kan een vraag wees: hoe sien ons dat swart gate saamsmelt as ek nooit sal sien dat 'n voorwerp in 'n swart gat langs die horison verbygaan nie? Hoe kan ek dit versoen? Een ding om te hou is dat as ons 'n horlosie in 'n swart gat laat val, ons voorstel dat die horlosie al hoe stadiger naderkom, en die swart gat net daar sit en nie reageer nie. Van die samesmelting van binêre swartgate moet ons besef dat swart gate hul eie lewens het! Soos in die 'stilstaande' swart gat wat ons in ons 'n klok gedagte-eksperiment gehad het, is dit tog nie so stil nie. Die bewegende horlosie beteken dat ons in 'n dinamiese ruimtetyd is, en in 'n dinamiese ruimtetyd verander die swartgathorison eintlik van vorm! Op 'n sekere punt, wanneer die horlosie naby genoeg raak, "skuif" die oppervlak van die swart gat effens uit en "soen" dit die horlosie soos dit val. Dit is 'n akkurater prentjie as die oppervlak van die swart gat doen niks. Maar om by die volledige wetenskaplike antwoord uit te kom en te bereik wat die volledige verhaal is, moet ons simulasies doen soos Will gedoen het! Hopelik het ons in die toekoms nog coolste video's van simulasies!


Geometriese skeiding van singulariteite met behulp van gekombineerde woordeboeke met meerdere skale

Verskeie empiriese resultate het gedurende die afgelope dekade in die literatuur verskyn, en het getoon dat dit dikwels moontlik is om beelde en ander multidimensionele gegewens in geometriese onderskeie bestanddele te skei. 'N Streng wiskundige analise van die geometriese skeiding probleem in die tweedimensionele omgewing is onlangs bekendgestel deur Donoho en Kutyniok (Comm Pure Appl Math 66: 1–47, 2013), wat 'n wiskundige raamwerk voorgestel het om punt- en gladde kurwes in 2D-beelde te skei met behulp van 'n gekombineerde woordeboek wat bestaan ​​uit kurwes en golwe. In hierdie referaat pas ons hul benadering aan en voer ons 'n nuwe argument in om geometriese skeiding uit te brei na die driedimensionele omgewing. Ons toon aan dat dit moontlik is om punt- en stuksgewyse lineêre singulariteite in 3D te skei met behulp van 'n gekombineerde woordeboek wat bestaan ​​uit shearlets en golwe. Ons nuwe benadering maak gebruik van die mikrolokale eienskappe van die shearlet-transformasie en het die vermoë om enkelhede wat hoekpunte en hoekpunte bevat, te hanteer, wat nie met die oorspronklike argumente hanteer kan word nie.


Miskien kan ons tog 'n singulariteit sien

Die enkelhede in die sentra van astrofisiese swart gate dui op die uiteensetting van Einstein & rsquos teorie van swaartekrag, algemene relatiwiteit. Dit is die enigste afbreekplekke wat toeganklik is vir eksperimenteles, aangesien die enigste ander bekende singulariteit, die oerknal, glo onsigbaar is weens die groot uitbreiding wat daarna tydens die kosmiese inflasie plaasgevind het.

Elke fisikus ken hierdie feite, maar baie min bespreek swartgat-singulariteite, asof die onderwerp taboe is. Die rede is eenvoudig: om die ware aard van singulariteite te ondersoek, het ons 'n teorie nodig wat algemene relatiwiteit met kwantummeganika verenig, en ons het nie 'n unieke, goed gedefinieerde formalisme om dit te doen nie. Selfs in die konteks van spesifieke voorstelle vir 'n verenigde model, soos snaarteorie, word die aard van swartgat-singulariteite selde bespreek weens die wiskundige kompleksiteit daarvan.

Maar miskien is die tyd nou ryp om hierdie bespreking te open, aangesien die 2017 Nobelprys aan die LIGO-span toegeken is vir die ontdekking van swaartekraggolwe weens botsings van swart gate. 'N Waarneembare kwantumsignaal van die ingebedde singulariteite kan ons lei in die soeke na 'n verenigde teorie.

Hierdie gedagte het by my opgekom tydens twee rugbykonferensies wat ons op 7 Mei en 11 by die Harvard Universiteit aangebied het, een oor gravitasiegolfastrofisika en die tweede die jaarlikse konferensie van die Harvard & rsquos Black Hole Initiative. 'N Paar dae tevore het die kelder by my huis oorstroom, aangesien die rioolpyp deur boomwortels verstop is, en die vyf uur wat 'n loodgieter deurgebring het om hierdie probleem op te los, het my laat besef dat water wat in die afvoerwater afloop, êrens versamel.

Gewoonlik neem die rioolpyp die water na 'n dorpsreservoir en dink ons ​​nie aan waarheen dit gaan nie, want ons sien nie die water sodra dit ons eiendom verlaat nie. Maar omdat die rioolpyp by my huis verstop was, het die water my kelder oorstroom en toe begin ek dink aan die soortgelyke probleem waar die saak wat 'n swart gat maak, versamel. Die reservoir is in daardie geval die enkelheid.

Dit is waar dat die singulariteit van 'n stilstaande swart gat vir enige eksterne waarnemer agter 'n gebeurtenishorison weggesteek is. Hierdie & ldquocosmic sensuur & rdquo is 'n goeie rede om die waarnemingsgevolge van enkelhede te ignoreer as u die kalm ruimtetyd rondom geïsoleerde swart gate ondersoek, en byvoorbeeld die silhoeët van Boogskutter A * in die middel van die Melkweg met die Event Horizon Telescope beeld.

Maar dit impliseer nie dat waarnemers, meer algemeen, nooit die aard van die enkelhede empiries kan bestudeer nie. Wanneer kinders 'n verjaardaggeskenk in 'n doos verpak kry, probeer hulle om die aard daarvan te leer sonder om dit direk te sien deur die doos te skud en na die vibrasies daarvan te luister.

Net so kan ons luister na die vibrasies van 'n swartgathorison wat sterk geskud word deur die botsing met 'n ander swart gat, in die hoop om meer te wete te kom oor die aard van die unieke eienskappe. Toekomstige generasies LIGO-detektors kan dien as die & ldquochild & rsquos ore & rdquo om nuwe inligting uit hierdie vibrasies te haal.

'N Besondere interessante vraag is wat gebeur as twee enkelhede bots. Hoe smelt dit saam tot 'n enkele singulariteit, en het hierdie proses 'n afdruk op die gravitasiegolfsein wat deur LIGO waarneembaar is? 'N Mens kan redeneer dat rekenaarsimulasies die swaartekraggolfseine van swartgatbotsings al bereken het en dat daar geen aanduiding is vir die inhoud van die & ldquoevent horizon box & rdquo in hierdie seine nie.

Maar bestaande simulasies het twee tekorte. Eerstens het hulle die streek rondom die enkelhede volledig uitgesny deur te postuleer dat hierdie streek geen waarneembare effekte sal hê nie, en tweedens en hulle bevat nie kwantummeganiese wysigings van die algemene relatiwiteit nie. As daar waarnemende handtekeninge bestaan ​​van die samevoeging van singulariteite, is bestaande rekenaarsimulasies volgens konstruksie blind daarvoor.

Hoe sou 'n enkelvoud in die kwantummeganiese konteks lyk? Dit sal waarskynlik voorkom as 'n ekstreme konsentrasie van 'n groot massa (meer as 'n paar sonmassas vir astrofisiese swart gate) binne 'n klein volume. Die grootte van die reservoir wat alle materiaal wat in 'n astrofisiese swart gat geval het, dreineer, is onbekend. Ons sou die oorblywende singulariteit kon voorstel as 'n eindige grootte reservoir in ewewig, soortgelyk aan die halo's van sterrestelsels, waar die beweging van ineenvallende deeltjies omgedraai word en beperk word deur hul bindende aantrekkingskrag.

'N Mens kan aanneem dat die buitenste grens van die oorblywende voorwerp 'n klein fraksie is van die Schwarzschild-radius, 2GM / c2 (wat gelyk is aan drie kilometer maal die swartgatmassa, M, in sonmassa-eenhede), wat ooreenstem met 'n universele krommingskaal by wat Einstein & rsquos teorie van swaartekrag afbreek as gevolg van kwantakorreksies. In daardie geval kan die grootte van die voorwerp wat die enkelvoud vervang, uitgedruk word in terme van sy massa bo die Planck-massa (10-5 gram) maal die Planck-lengte (10-33 sentimeter, of 10 -20 keer die grootte van die proton).

Stel jou voor dat twee sulke enkelhede bots as gevolg van die samesmelting van twee swart gate. Alhoewel die botsing van hierdie voorwerpe dalk nie direk vir 'n eksterne waarnemer sigbaar is nie (tensy 'n & ldquonaked singulariteit & rdquo tydens die proses verskyn), is die interessante vraag of die botsing 'n kortstondige uitbarsting van energie sal lewer wat aan die buitewêreld waarneembaar is deur die vibrasies dit veroorsaak in die gebeurtenishorison. Is dit moontlik?

Dit is 'n uiters interessante vraag wat verder bespreek moet word. Dit kan swaartekraggolfwaarnemers motiveer om sensitiewer detektore te ontwikkel. Op die minste kan ons die landskap van moontlikhede uiteensit. Wetenskap is aan die gang en die meeste van die vermaak daarvan word in onbekende gebiede bestee.

Ek moedig my kollegas in die teorie te gereeld aan om hul teorie te toets deur aan boord te gaan van 'n futuristiese ruimtetuig wat hulle na die gebeurtenishorison van 'n nabygeleë swart gat sal neem. Miskien kan toekomstige uitbreidings van LIGO hulle die koste bespaar van hierdie lang reis.

Die menings wat uitgespreek word, is die van die outeur (s) en is nie noodwendig die van Scientific American nie.

OOR DIE SKRYWER (s)

Abraham Loeb is voorsitter van die afdeling sterrekunde aan die Harvard Universiteit, stigterdirekteur van Harvard se Black Hole Initiative en direkteur van die Institute for Theory and Computation by die Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics. Hy is ook voorsitter van die adviesraad vir die Breakthrough Starshot-projek.


Die veelvuldige multiverse kan een en dieselfde wees

Die naam van die beeld - die "Flammarion-gravure" - mag nie 'n klok lui nie, maar u het dit al baie gesien. Dit beeld 'n reisiger wat 'n mantel dra en 'n wandelstok agter hom vas, is 'n afwisselende landskap van dorpe en bome rondom dit is 'n kristalhulsel met talle sterre. Hy bereik die rand van sy wêreld en druk die reisiger deur na die ander kant en word verblind deur 'n hele nuwe wêreld van lig en reënboë en vuur.

Die beeld is die eerste keer in 1888 gepubliseer in 'n boek deur die Franse sterrekundige Camille Flammarion. (Die oorspronklike gravure was swart en wit, hoewel daar nou kleuragtige weergawes is.) Hy merk op dat die lug wel lyk soos 'n koepel waarop die hemelliggame geheg is, maar indrukke mislei. “Ons voorouers,” skryf Flammarion, “het hulle voorgestel dat hierdie blou kluis regtig sou wees wat die oog hulle sou laat glo, maar, soos Voltaire opmerk, dit is net so redelik asof 'n sywurm sy web vir die perke neem van die heelal. ”

Vir die wêreld is hol en ek het die lug aangeraak: Oorspronklike druk van die Flammarion-gravure, vanaf 1888. Kunstenaar onbekend van Camille Flammarion, L'Atmosphère: Météorologie Populaire

Die gravure word gesien as 'n simbool van die mensdom se soeke na kennis, maar ek verkies om meer letterlik te lees, in ooreenstemming met die bedoeling van Flammarion. In die geskiedenis van die wetenskap het ons telkens 'n opening in die rand van die bekende wêreld gevind en deurgedring. Die heelal eindig nie by die wentelbaan van Saturnus nie, nie by die buitenste sterre van die Melkweg nie, en ook nie by die verste sterrestelsel in ons gesigsveld nie. Kosmoloë dink vandag kan heel ander heelalle daar wees.

Maar dit is amper quotidian in vergelyking met wat kwantummeganika openbaar. Dit is nie net 'n nuwe opening in die koepel nie, maar 'n nuwe opening vriendelik van opening. Natuurkundiges en filosowe redeneer al lank oor wat die kwantumteorie beteken, maar op die een of ander manier stem hulle saam dat dit 'n groot gebied openbaar wat buite ons sintuie lê. Miskien is die suiwerste inkarnasie van hierdie beginsel - die mees reguit lees van die vergelykings van die kwantumteorie - die interpretasie van baie wêrelde, wat Hugh Everett in die vyftigerjare voorgestel het. In hierdie siening gebeur alles wat kan gebeur, êrens in 'n groot verskeidenheid heelalle, en die waarskynlikhede van die kwantumteorie verteenwoordig die relatiewe aantal universums wat die een of ander uitkoms ervaar. Soos David Wallace, 'n filosoof van die fisika aan die Universiteit van Suid-Kalifornië, dit in sy boek uit 2012 gestel het, Die opkomende multiverse, as ons die kwantummeganika letterlik opneem, 'blyk die wêreld eerder groter te wees as wat ons verwag het: dit blyk inderdaad dat ons klassieke' wêreld 'slegs 'n klein deel van 'n veel groter werklikheid is.'

'N Heelal gemaak van klein, ewekansige stukke

Een van die belangrikste, maar onderskatte prestasies van die wetenskap, is die beskrywing van die fisiese heelal wat wiskunde gebruik - veral met behulp van deurlopende, gladde wiskundige funksies, soos hoe 'n sinusgolf sowel lig as klank beskryf. Dit staan ​​soms bekend as Newton se nul wet van. LEES MEER

Hierdie verskeidenheid heelalle lyk met die eerste oogopslag baie anders as die waaroor kosmoloë praat. Die kosmologiese multiversum het ontstaan ​​uit modelle wat die uniformiteit van die heelal op skale groter as sterrestelsels probeer verklaar. Die vermeende parallelle heelalle is verre, afsonderlike streke van ruimtetyd, die resultaat van hul eie plaaslike oerknalle, wat ontwikkel uit hul eie borrels van kwantumskuim (of wat dit ook al is waaruit heelalle spruit). Hulle is ongeveer op dieselfde manier as sterrestelsels - jy kan jou voorstel om in 'n sterreskip te klim en na hulle te reis.

Everett se vele wêrelde, daarenteen, is hier onder. Die konsep het ontstaan ​​uit pogings om die proses van laboratoriummeting te verstaan. Deeltjies wat spore agterlaat in wolkkamers, atome wat deur magnete gebuig word, warm voorwerpe wat lig uitstraal: dit was hierdie soort praktiese eksperimente wat die kwantumteorie gemotiveer het en die soeke na 'n samehangende interpretasie. Die kwantum "vertakking" wat tydens 'n meting plaasvind, gee aanleiding tot nuwe wêrelde wat oorvleuel met die ruimte waar ons woon.

En tog het hierdie twee soorte multiverses baie gemeen. Ons kan die een of ander soort slegs in ons geestesoog besoek. Probeer om 'n ander borreluniversum in u sterreskip te bereik; die tussenliggende ruimte sal vinniger uitbrei as wat u kan oorsteek. Borrels word dus van mekaar afgesny. Net so is ons van nature blind vir ander heelalle in die kwantum multiverse. Hierdie ander wêrelde, hoewel dit werklik is, bly vir ewig buite sig.

Alhoewel die kwantum-multiverse nie vir kosmologie ontwikkel is nie, is dit buitengewoon goed daarvoor geskik. In konvensionele kwantummeganika - die Kopenhagen-siening, omring deur Niels Bohr en sy medewerkers - moet 'n mens onderskei tussen die waarnemer en die ding wat waargeneem word. Dit is goed vir standaard laboratoriumfisika. Die waarnemer is jy, en die eksperiment is die ding wat jy waarneem. Maar sê nou die voorwerp wat ondersoek word, is die hele heelal? U kan nie "buite" die heelal kom om dit te meet nie. Die interpretasie van die vele wêrelde maak nie sulke kunsmatige onderskeidings nie. In 'n nuwe referaat pas die fisikus van Caltech, Sean Carroll, saam met afgestudeerde studente Jason Pollack en Kimberly Boddy die interpretasie van baie wêrelde direk toe op die skepping van heelalle in die kosmologiese multiverse. "Alles wat baie wenslik is in konvensionele kwantummeganika, word in beginsel berekenbaar [in die Everett-siening]," sê Carroll.

Eilandallee: Buite die horison van ons waarneembare heelal kan ander hele heelalle lê, wat sterrestelsels soos IDCS 1426 byna deurmekaar laat lyk. NASA / CXC / Univ van Missouri / M.Brodwin et al. (x-straal) NASA / STScI (opties) JPL / CalTech (infrarooi)

Ten slotte maak die twee soorte multiverse identiese voorspellings vir ons waarnemings. Die enigste verskil is dat hulle die moontlike uitkomste op verskillende plekke plaas. Carroll sien 'n ekwivalensie tussen 'die kosmologiese multiversum, waar verskillende state in wyd geskeide streke van die ruimtetyd geleë is, met 'n gelokaliseerde multiversum, waar die verskillende toestande hier reg is, net in verskillende takke van die golffunksie.'

MIT-kosmoloog Max Tegmark het hierdie idee konkreet gemaak tydens 'n toespraak wat hy in 2002 gehou het, wat ontwikkel het in sy boek uit 2014, Ons wiskundige heelal. Hy beskryf verskeie “vlakke” van multiverse. Vlak I verwys bloot na baie, baie verre streke van ons eie heelal. Vlak III is sy term vir die kwantum baie wêrelde. (Hy het ook vlakke II en IV, maar ons hoef ons nie hieroor te bekommer nie.) Om die ooreenkoms tussen vlakke I en III te sien, moet u nadink oor die aard van waarskynlikheid. As iets twee verskillende uitkomste kan hê, sien u net een daarvan, maar u kan seker wees dat die ander een ook gebeur het - in 'n ander deel van 'n reuse-heelal of in 'n parallelle wêreld hier. As die ruimte voldoende groot is en gevul is met materie, sal gebeure wat hier op Aarde plaasvind ook elders plaasvind, asook elke moontlike variasie van hierdie gebeure.

Die rede waarom kwantumgebeurtenisse onseker is, is dat ons onseker is oor waar ons ons bevind.

Gestel u doen byvoorbeeld 'n eksperiment waarin u 'n atoom na 'n paar magnete gooi. U sal sien dat dit met 'n waarskynlikheid van 50-50 na die onderste magneet of die boonste magneet draai. In die menigte van baie wêrelde is daar twee wêrelde wat in u laboratorium oorvleuel. In die een gaan die atoom op in die ander, dit gaan af. In die kosmologiese multiverse is daar ander heelalle (of dele van ons heelal) waar 'n identiese tweeling van die Aarde gevorm het en waar 'n humanoïde wese dieselfde magneet-eksperiment uitvoer, maar 'n ander resultaat kry. Wiskundig is hierdie twee situasies identies.

Nie almal aanvaar die multiverse nie, laat staan ​​nog dat variëteite van multiverse soortgelyk is. Maar as ons in gedagte hou dat hierdie idees steeds voorlopig is, kom ons kyk waarheen dit ons neem. Hulle suggereer 'n radikale idee: dat die twee multiversies in werklikheid nie onderskeidend mag wees nie - dat die menings van baie wêrelde dieselfde is as die kosmologiese multiverse. As dit anders lyk, is dit omdat ons verkeerd oor die werklikheid gedink het.

S tanford-fisikus Leonard Susskind het hierdie ekwivalensie in sy boek uit 2005 voorgestel, Die Kosmiese Landskap. 'Die siening van Everett oor die vele wêrelde lyk aanvanklik 'n heel ander opvatting as die ewig opblaasende megaverse', skryf hy (gebruik sy voorkeurterm vir die kosmologiese multiverse). 'Ek dink egter dat die twee regtig dieselfde kan wees.' In 2011 was hy en die fisikus van Berkeley, Raphael Bousso, mede-outeurs van 'n referaat waarin hulle reguit sê dat die twee dieselfde is. Hulle voer aan dat die enigste manier om die waarskynlikheid verbonde aan kwantummeganika en die verskynsel van dekoherensie - waarin die teorie aanleiding gee tot ons klassieke kategorieë soos posisies en snelhede - sin te maak, is deur die veelwêreldse prentjie op die kosmologie toe te pas. natuurlike resultaat, beweer hulle, is 'n kosmologiese multiverse. In dieselfde jaar het Yasunori Nomura van die Universiteit van Kalifornië in Berkeley 'n soortgelyke saak gemaak en 'n artikel gepubliseer wat volgens hom ''n volledige eenheid bied vir kwantummetingsprosesse en die multiverse.' ' Tegmark voer soortgelyke argumente aan in 'n artikel uit 2012, saam met Anthony Aguirre van die Universiteit van Kalifornië in Santa Cruz.

Volgens hierdie siening is die kwantum baie wêrelde nie hier onder nie, maar daar buite. Die kwantumgolffunksie, skryf Tegmark, beskryf nie 'n "funky denkbeeldige ensemble van moontlikhede vir wat die voorwerp kan doen nie, maar eerder die werklike ruimtelike versameling van identiese kopieë van die voorwerp wat in ons oneindige ruimte bestaan."

Die sleutel, verduidelik Bousso, is om deeglik na te dink oor jou standpunt. Stel jou voor dat jy 'n blik van God op die multiversum beskou waarin jy al die moontlikhede tegelyk sien afspeel. Daar is geen waarskynlikheid dat alles met sekerheid op een of ander plek gebeur nie. Maar vanuit ons eie beperkte perspektief, gewortel hier op die planeet Aarde, ontvou verskillende gebeure met verskillende waarskynlikhede. "Ons verhandel 'n wêreldbeeld, waarin alles êrens gebeur, maar niemand kan dit alles sien nie - vir 'n plaaslike prentjie, waar u een pleister het, wat in beginsel ondersoek kan word," sê Bousso.

Nie die hele Shebang nie: In die kosmiese mikrogolf-agtergrondstraling vind baie kosmoloë bewyse vir 'n ruimte wat baie groter is as die ruimte wat ons direk kan sien. Hierdie beeld is Jonathan Feldschuh se 2013-weergawe van Planck-sterrewagdata. Jonathan Feldschuh

Om van die globale na die plaaslike te navigeer, moet ons die heelal sny om die meetbare van die onmeetbare te verdeel. Die meetbare deel is ons 'oorsaaklike pleister', soos Bousso dit noem. Dit is die som van alles wat ons ooit sal kan beïnvloed - nie net die heelal wat vandag waarneembaar is nie, maar die gebied van die ruimte wat toeganklik sal wees vir ons verre nasate. Nadat ons ons oorsaaklike pleister van die res van die ruimtetyd geestelik afgesny het, kan ons uitvind watter waarnemings ons kan doen, en die resultaat is outydse kwantummeganika.

Vanuit hierdie perspektief is die rede waarom kwantumgebeurtenisse onseker is, ons onseker is oor waar in die multiverse ons is. In 'n oneindige ruimte is daar 'n oneindige aantal wesens wat in alle opsigte soos jy lyk en optree. 'N Klassieke Inwoner van New York spotprent kom tot die kern van die saak. Ons sien 'n gesukkel pikkewyne - almal identies - op 'n ys. Een van die pikkewyne vra: "Wie van ons is ek?"

Die arme pikkewyn het miskien 'n hoop om sy posisie in vergelyking met ysvlakke in die omgewing te verdrieg, maar in die multiversum het ons nie sulke verwysingspunte nie, dus kan ons nooit onderskei tussen ons veelvuldige selwe nie. David Deutsch - 'n fisikus in Oxford en, net soos Carroll en Tegmark, 'n sterk ondersteuner van baie wêrelde - skryf in sy boek Die stof van die werklikheid: “Om aan te neem dat dit fisies betekenisvol is om te vra wie van die identiese eksemplare ek is, is om aan te neem dat daar buite die multiversiteit een of ander verwysingsraamwerk is, waarop die antwoord gegee kan word - 'Ek is die derde uit die links ... 'Maar wat' links 'kan dit wees, en wat beteken' die derde '?' Daar is geen 'uitsig van buite die multiversum' nie.

Parallelle heelalle is nie daar in die ruimte nie, maar elders langs ons eie tydlyn.

Die kern van die argument, weerspieël Tegmark, weerspieël die waarskynlikheid in kwantummeganika bloot "u onvermoë om self te vind in die vlak I multiverse, dit wil sê om te weet watter van u oneindig baie eksemplare regdeur die ruimte die een is wat u subjektiewe persepsies het." Met ander woorde, gebeure lyk waarskynlik omdat u nooit heeltemal seker is wie u is nie. In plaas daarvan om onseker te wees oor hoe 'n eksperiment sal ontvou, ontvou dit elke manier waarop jy eenvoudig nie seker is watter "jy" watter uitkoms sal waarneem nie.

Vir Bousso is die wiskundige sukses van hierdie benadering genoeg, en hy verkies om nie die slaap te verloor nie oor hoe 'n mens die dieper betekenis van hierdie saamgestelde multiverses kan interpreteer. 'Uiteindelik is die enigste saak wat voorspel word deur u teorie en hoe dit vergelyk word met waarnemings,' sê hy. "Die streke buite ons [kosmologiese] horison is nie waarneembaar nie, en ook nie takke van die golffunksie waarin ons nie beland het nie. Hoe dit ook al sy, dit is slegs instrumente wat ons gebruik om die berekening te doen."

As so 'n instrumentalistiese siening van die fisiese teorie baie onbevredigend voorkom. Ons wil nog steeds weet wat dit alles beteken - hoe 'n lesing op 'n laboratoriumwiel die bestaan ​​van oneindige borrels van die ruimtetyd kan verraai. Massimo Pigliucci, 'n wetenskapsfilosoof van die City University of New York, sê: '[As] u regtig praat oor die heelal wat op een of ander manier verdeel, moet u my beter 'n goeie verslag gee van hoe dit presies gebeur, en waar presies is dit [ander wêrelde]. ”

Miskien is een manier om die verband tussen multiversele rasse sinvol te maak, dat ons konvensionele beskouings van tyd en ruimte 'n opdatering benodig. As die multiverse hier sowel as hier onder is, is dit miskien 'n teken dat ons kategorieë "daar" en "hier" ons in die steek laat.

'N Stelsel woon miskien nie in een ruimte nie, maar in verskeie ruimtes gelyktydig - ons sal so 'n stelsel 'n multiverse noem.

Byna twee dekades gelede het Deutsch in betoog Die stof van die werklikheid dat die multiversum 'n nuwe opvatting van tyd nooi. In die daaglikse lewe en selfs in die fisika, veronderstel ons die bestaan ​​van iets soos 'n Newton-immer vloeiende tyd. Die multiversum word gewoonlik beskryf as 'n struktuur wat mettertyd ontvou. In werklikheid vloei of verloop die tyd nie, en vorder ons ook nie op een of ander geheimsinnige manier nie. Tyd is die manier waarop ons beweging definieer, en dit kan nie self beweeg nie. Die multiverse ontwikkel dus nie. Dit is net is. Deutsch skryf: 'Die Multiverse' ontstaan ​​nie 'of' hou op om te bestaan ​​'nie, die terme veronderstel die vloei van tyd.'

In plaas daarvan om te dink dat die multiversum binne tyd speel, dink Deutsch ons moet aan tyd dink as om binne die multiverse te speel. Ander kere, sê hy, is net spesiale gevalle van ander heelalle. (Onafhanklike fisikus Julian Barbour het hierdie idee ook in sy boek uit 1999 ondersoek, Die einde van die tyd.) Sommige van hierdie ander heelalle, sê Deutsch, lyk so baie soos ons eie - ons "nou" - dat ons dit interpreteer as deel van die verhaal van ons heelal eerder as as afsonderlike heelalle. Vir ons is hulle nie daar in die ruimte nie, maar langs ons tydlyn. Net soos ons nie die multiversum in een slag kan beleef nie, kan ons nie hierdie oneindige verskeidenheid oomblikke tegelykertyd ervaar nie, weerspieël ons ervaring ons perspektief as ingeboude waarnemers, wat enkele oomblikke bewoon. As ons van die globale na die plaaslike siening oorgaan, herwin ons die bekende tyd.

Ons opvattings oor ruimte kan ook deur die multiversum opgeknap word. 'Waarom lyk die wêreld klassiek?' Vra Carroll. "Waarom is daar vier dimensies van ruimtetyd?" Carroll, wat oor die vraag na die samesmelting van multiverses geblog het, gee toe dat Everett nie die vrae beantwoord nie, 'maar dit gee jou 'n raamwerk waarin jy dit kan vra.'

Hy en ander glo dat ruimte nie fundamenteel is nie, maar eerder 'n verskynsel wat opkom. Maar wat kom dit na vore van? Watter soort "goed" bestaan ​​daar eintlik? Vir Carroll bied die Everettiese prentjie 'n opvallend eenvoudige antwoord op hierdie vraag. "Die wêreld is 'n golffunksie," sê Carroll. 'Dit is 'n element van die Hilbert-ruimte. Dis dit."

Hilbertruimte is die wiskundige ruimte wat verband hou met die kwantumgolffunksie. Dit is 'n abstrakte voorstelling van alle moontlike toestande van 'n stelsel. Dit is 'n bietjie soos gewone Euclidiese ruimte, maar met 'n veranderlike aantal dimensies, afhangende van hoeveel toestande die stelsel mag hê. 'N Qubit - die fundamentele data-eenheid in kwantumrekenaars, wat' 0 'of' 1 'of 'n kombinasie daarvan kan wees, het 'n tweedimensionele Hilbert-ruimte. 'N Deurlopende hoeveelheid soos posisie of snelheid stem ooreen met 'n oneindige-dimensionele Hilbert-ruimte.

Natuurlik begin natuurkundiges met 'n stelsel wat in die regte ruimte woon en die Hilbert-ruimte aflei, maar Carroll dink dat u die proses kan omkeer. Stel u voor al die moontlike toestande van die heelal en bereken in watter soort ruimte die stelsel moet leef - as dit inderdaad in die ruimte woon. Die stelsel sal miskien nie in een ruimte leef nie, maar in verskeie ruimtes gelyktydig, en ons sal so 'n stelsel 'n multiverse noem. This view “is a very natural fit to the idea that spacetime is emergent,” Carroll says.

Some people—especially philosophers—balk at this approach. Hilbert space might be a perfectly legitimate mathematical tool, but that doesn’t mean we live in it. Wallace, a strong supporter of the many-worlds view, says that Hilbert space is not a literally existing structure, but a way of describing actual, physical stuff, be it strings, particles, fields, or whatever else the universe is ultimately made of. “There’s a metaphorical sense in which we live in Hilbert space, but maybe not a literal sense,” he says.

Hugh Everett didn’t live long enough to witness the renewal of interest in his version of quantum mechanics. He died of a heart attack in 1982, at the age of 51. A staunch atheist, he was certain that this was the end his wife, following his instructions, threw his ashes out with the trash. His message, however, may finally be taking root. It can be summed up in four words: Take quantum mechanics seriously. When we do so, we find that the world is—surprise!—larger and richer than we had imagined. Just as Voltaire’s silkworm saw only his web, we see only a small sliver of the multiverse, but, thanks to Everett and those who followed in his footsteps, we may yet slip through the crack in the crystalline shell, “where the earth and the heavens meet,” and glimpse what lies beyond.

Dan Falk is a science journalist based in Toronto. His books include The Science of Shakespeare, In Search of Time, en Universe on a T-shirt. @DanFalk

Lead image: Multi-surfaced kaleidoscope-like mirrored entrance at OmoHara shopping center in Tokyo. Jeremy Sutton-Hibbert/Getty Images.

This article was originally published on Nautilus Cosmos in January 2017.


Astronomy Chapters 1 - 15

Selected Answer:
d.
a single star and planets.

Answers:
a.
thousands of superclusters.

c.
large amounts of gas and dust but very few stars.

d.
a single star and planets.

Selected Answer:
a.
still towards Polaris.

Answers:
a.
still towards Polaris.

Selected Answer:
e.
angular diameter

Selected Answer:
d.
not visible with the unaided eye.

Answers:
a.
bright enough that it would be visible even during the day.

b.
one of the brighter stars in the sky.

d.
not visible with the unaided eye.

Selected Answer:
d.
α Canis Majoris refers to the star whereas Canis Majoris refes to the constellation.

Answers:
a.
α Canis refers to the star whereas Majoris refers to the constellation.

b.
None of the other choices are correct.

c.
α refers to the constellation and Canis Majoris refers to the star.

Selected Answer:
b.
the celestial equator

Answers:
a.
the south celestial pole

c.
the north celestial pole

Selected Answer:
b.
Every star is located in a constellation.

Answers:
a.
Only stars close to the ecliptic (the Earth's orbital plane) are located in constellations.

b.
Every star is located in a constellation.

c.
Only those stars that were visible to the ancient Greeks are located in constellations.

Selected Answer:
c.
circle the north celestial pole counter-clockwise.

Answers:
a.
rise in the east.

c.
circle the north celestial pole counter-clockwise.

Selected Answer:
b.
can be used to indicate the apparent intensity of a celestial object.

Answers:
a.
was used to determine the rate of precession.

b.
can be used to indicate the apparent intensity of a celestial object.

d.
is no longer used today.

Selected Answer:
d.
parallel to the horizon.

Answers:
a.
straight up from the horizon.

b.
straight up from the horizon slanting toward the right.

c.
straight up from the horizon slanting toward the left.

Selected Answer:
d.
All of the other choices are correct.

Answers:
a.
a star which generates its own energy.

c.
visible by its own light emission.

Selected Answer:
c.
its synodic period.

Selected Answer:
a.
chromatic aberration

Answers:
a.
chromatic aberration

Selected Answer:
b.
visible, UV, X-rays, gamma rays

Answers:
a.
visible, microwave, radio, infrared

b.
visible, UV, X-rays, gamma rays

c.
infrared, visible, radio, X-rays

d.
gamma rays, X-rays, infrared, radio

Selected Answer:
e.
all of above.

Answers:
a.
spots on the Sun.

d.
moon-like phases of Venus.

Selected Answer:
b.
the Moon's orbit plane is not aligned with the Earth's orbit plane.

Answers:
a.
the Moon always keeps its same side toward the Earth.

b.
the Moon's orbit plane is not aligned with the Earth's orbit plane.


Combine lasers to make a single strong beam

Easy. Just focus all of the lasers at the same spot. The combined power will be the sum of each individual laser. The closer each beam is to perpedicular to the target surface, the more focused each beam is. I don't know the answers to the rest of your post, so I can't help you there. Also, you must be VERY VERY careful using lasers. Always wear eye protection and don't play around with them. It is very easy to be blinded or to blind someone else.

Edit: What I mean is that you don't even need to use mirrors or lenses or anything. Just put them together and adjust them so that they focus on the same spot at a given distance. The downside is that they will ONLY focus on a spot at that distance. A closer or further target will not be in focus.

The argument is conceptually similar to the (incorrect) idea of taking a randomly polarized field, splitting it into orthogonal polarization states, rotating one, and recombining the two beams into a single polarization state. Etendue (or if you like, beam waist * divergence angle) is a conserved quantity. Yes, it is possible to coherently combine a small number of lasers, but the overall brightness of the combined beam is less than incoherently adding the beams.

reports an efficiency of 85.3%.

report about 25% efficiency.

do not report the output power, but it appears to be < 1% of input.

Check out High-Power Fiber Coupled lasers. They are all the rage in industry these days, just take a bunch of VECSELS, couple all the output into fibers and splice the fibers together. They have been around for a while, and are replacing CO2 lasers for industrial cutting/machining services. The US NAVY is actually developing one of these types of lasers to build a really cool ship borne laser gun. http://latimesblogs.latimes.com/technology/2011/04/navy-laser-weapon-fire-.html

The only problem is the beam quality is not quite as close a Gaussian beam as a gas laser is because the individual diode beams does pixel-ate in a sort of way, but they are reaching well into the kW range.

If a laser beam passes through a converging lens ( a magnifying glass) it will converge to a spot at the focal length of the lens, this concentrates the lasers power. A 30W laser with a 3mm beam diameter focused to a 30 micron spot will vaporise Si. A powerful laser and a http://www.sino-galvo.com/content/products/galvanometer-scanner-jd1403.html" [Broken]can be used for cutting intricate patterns in a wide variety of materials.

Of course this is pretty much the end of the laser beam as it diverges on the other side of the spot.

If a laser beam passes through a converging lens ( a magnifying glass) it will converge to a spot at the focal length of the lens, this concentrates the lasers power. A 30W laser with a 3mm beam diameter focused to a 30 micron spot will vaporise Si. A powerful laser and a http://www.sino-galvo.com/content/products/galvanometer-scanner-jd1403.html" [Broken]can be used for cutting intricate patterns in a wide variety of materials.

Of course this is pretty much the end of the laser beam as it diverges on the other side of the spot.

If a laser beam passes through a converging lens ( a magnifying glass) it will converge to a spot at the focal length of the lens, this concentrates the lasers power. A 30W laser with a 3mm beam diameter focused to a 30 micron spot will vaporise Si. A powerful laser and a http://www.sino-galvo.com/content/products/galvanometer-scanner-jd1403.html" [Broken]can be used for cutting intricate patterns in a wide variety of materials.

Of course this is pretty much the end of the laser beam as it diverges on the other side of the spot.

In posting a greatly belated reply simply adds to the pool accessible of knowledge, regardless of the timeframe.

What i posted was nothing more than a simple mechanism so that other newcomers can learn from those who actually work with lasers professionally

It looks like I am little late to this thread. I believe there may be an easier way to combine laser beams of any wavelength to make a more powerful laser. Here are couple of concepts of adding subsequent lasers at a point of total internal reflection and axially align multiple laser beams.

Example 1: Wave Guide Approach

Example 2: Virtuous Circle Approach

The closer to the edge of the denser than air transparent medium the more sides and the more lasers can be added. Now I have some concern that a cylindrical shape on the reflection point may upset the laser so we can use multi-sided optic to be safe.


Example 3: Hex My Ex Approach (Any uniform multi-sided shape will do)


I have a few more approaches that I came up with based on a different concept, but results are the same. As you may surmise in these basic examples you can daisy chain these elements together and make a very powerful laser or create a loop to cycle the light to make laser pump to make up for the inefficiencies. The number of lasers that can be added is limited to first laser not adding any additional photons to the output and that will be dependent on the precision of the system.


Two black holes merged into one, singing in tune the whole time

On 12 April, 2019, the song from a pair of merging black holes swept over the Earth. And, for the first time, we detected them singing in tune.

Or, for a more prosaic description: Two black holes of very different sizes merged, shaking the fabric of spacetime in sympatico. They — oh wait. That's still a little poetic, isn't it? OK, let me try this then:

Meer slegte sterrekunde

Across the Universe, two black holes of unequal masses spiraled into each other, sending out harmonic waves of gravitational wave energy, their resonating vibrations merging into a chord that — oh nuts. <sigh> I did it again.

This is going to be a problem. Let me see if I can back out a little and tell you what's going on more scientifically.

Artwork depicting gravitational waves, ripples in spacetime, generated as two black holes spiral into each other. Credit: LIGO / T. Pyle

One of Einstein's weirder predictions from the General Theory of Relativity is that if two masses orbit each other, they literally shake the fabric of spacetime, creating ripples in it that expand outward at the speed of light. It's a bit like grabbing the corners of a towel and flapping it ripples move away from you as they travel through the fabric.

Space does this too. The more massive and faster the objects move, the more powerful the ripples. Black holes are incredibly massive and also small, meaning their gravity is intense, and can accelerate objects near them to almost the speed of light. That makes very powerful ripples indeed. We call these gravitational waves.

As two black holes orbit each other they send gravitational waves out, which rob them of orbital energy. That makes them orbit each other more closely, which amplifies the waves, which makes them lose more energy, so they orbit even closer… and this positive feedback loop leads inevitably to the two black holes screaming around each faster and faster until they merge, becoming a single black hole, and sending out a last blast of waves.

The frequency of two merging black holes increases as they spiral together (the rising curve the colors represent the strength of the signal. These were the signals detected at the three components of the LIGO-Virgo gravitational wave observatories. Credit: LIGO Scientific Collaboration and Virgo Collaboration

The LIGO-Virgo collaboration combines two observatories designed to detect these ripples. As the gravitational waves pass over the Earth, space literally expands and contracts rapidly on a very tiny scale. Using lasers and mirrors separated by several kilometers, this spacetime vibration can be detected. Since starting operations a few years ago quite a few black holes mergers have been detected.

But this new merger — called GW190412 (gravitational wave detection on 2019 April 12) — was different. All the previous mergers were from black holes of roughly equal masses. If one was 20 times the mass of the Sun, then the other one was close to that as well. But with GW190412 that changed. One of the black holes has a mass of about 32 times the Sun, and the other only about 8.

This is the very first time mismatched black holes have been seen to merge. And that's a very big deal indeed, for several reasons.

In general, the ripples encode a lot of the information about the black holes in them, just like radio waves sent from a music station have information in them. When equal mass black holes spiral in, the ripples they each send out are similar. That makes it harder to figure some things out, like the angle we see their orbit, how the back holes spin, and more.

But when the masses are unequal, especially by a lot, that info can be separated out. The lower mass black hole (the "lighter" one) makes a wide swing around the higher mass ("heavier") one, while the heavier one makes a tighter swing.

This allows astronomers to determine more characteristics about them, including the distance — a staggering 2–3 billion light years! — and the fact that the heavier one is spinning. Black holes form from collapsing stellar cores, which spin, so when they collapse that spin increases (like a figure skater bringing their arms in during a spin accelerates their speed). The spin is characterized by a range going from 0 (literally, not spinning) to 1 (spinning at essentially the speed of light). If you’re curious, the 30-solar-mass black hole in this system had a spin of 0.43, and was likely slightly misaligned to the orbit, so it was tipped a bit.

It also tells us about how the black holes formed. Many if not most binary black holes probably form when two massive stars orbit each other very closely. One dies first, expanding and dumping material onto the other before exploding. That tends to even the masses out, so when the second star explodes as a supernova, the remaining black hole is similar in mass to the first one.

Artwork depicting two black holes orbiting each other. Note the spins don't align. Credit: LIGO/Caltech/MIT/Sonoma State (Aurore Simonnet)

So what happened here? It's possible the stars were part of a multiple star system, where the stars weren’t that close together. The two massive stars blew up, creating different mass black holes, but encounters with the other stars in the system threw the two black holes together. Another idea (and I love this) is that they formed in a big cluster of stars, like a globular cluster. A black hole binary formed with two

15-solar-mass stars, which merged to form a 30 solar mass black hole, and then the 8 solar mass one wandered too close and they became a pair — so what we saw was a second generation merger!

Black holes are weird for a lot of reasons, even when you don't include all the space and time bendy stuff they do.

And what about the singing in harmony part? That’s a bit of fun: If the two black holes had equal mass, the gravitational wave frequency they each send out would be the same. But because the masses were unequal, the orbits weren’t the same, and the waves different. It’s the frequency of sound waves that we hear as pitch. The way the math works out, if you consider the heavier black hole's gravitational wave frequency to be the base, then the lighter one’s waves were at a frequency 1.5 times higher — in music, that interval is a perfect fifth.

If you need help here, there's a song that starts with a tone that goes up a perfect fifth: "Twinkle, Twinkle, Little Star."


Combining two types of antidepressants produces stronger effect mouse study may help patients for whom existing antidepressants are not effective

When it comes to antidepressants, two may be better than one. When drugs that alter two mood-regulating brain chemicals -- serotonin and acetylcholine -- are combined, they work together to produce a greater antidepressant response, a new animal study shows.

The research was presented at Neuroscience 2010, the annual meeting of the Society for Neuroscience, held in San Diego.

"Although we have many therapies available to help alleviate the symptoms of depression, current treatments, which include the popular selective serotonin reuptake inhibitor [SSRI] medications, are effective in only about 50 percent of patients," said Marina Picciotto, PhD, of Yale University, the study's senior author. "Our study suggests that combination therapies could be beneficial in patients non-responsive to SSRIs," she said. SSRIs, which increase serotonin levels in the brain, have long been used to treat depression. More recently, animal studies and a few clinical trials have suggested that another brain chemical, acetycholine, plays an important role in regulating mood. Medicines that block some of the nerve receptors for acetylcholine can be antidepressant.

Picciotto and her colleagues found that combining the SSRI fluoxetine (Prozac) with cytisine, a drug that limits the effects of acetylcholine, produced greater antidepressant-like properties in mice than when the drugs were used alone. They also discovered that when serotonin was removed from the animals' brains, cytisine was no longer effective.

"This suggests that serotonin is critical for cytisine's antidepressant-like effects," Picciotto said.

Research was supported by the National Institute of Mental Health and NARSAD. Dr. Picciotto has a proprietary interest in developing several nicotinic partial agonists for the treatment of depression, none of which were used in the current study.

Story Source:

Materials provided by Society for Neuroscience. Note: Content may be edited for style and length.


Electron Tweezers as a Tool for High-Precision Manipulation of Nanoobjects

Vladimir P. Oleshko , James M. Howe , in Advances in Imaging and Electron Physics , 2013

3.3.3 Rotation of Nanoparticles by Vortex Electron Beams

Electron vortex beams carrying quantized angular momenta have attracted much attention recently (e.g., see Bliokh et al., 2012 Bliokh and Nori, 2012 Greenshields, Stamps, and Franke-Arnold, 2012 Karimi et al., 2012 Karlovets, 2012 Mohammadi et al., 2012 Schattschneider et al., 2012a, 2012b Schattschneider, Stöger-Pollach, and Verbeeck, 2012c Saitoh et al., 2012 Xin and Zheng, 2012 ) since their realization in TEMs using holographic masks by Uchida and Tonomura (2010) and Verbeeck, Tian and Schattschneider (2010) and Verbeeck, Tian and Beche, (2012) . These beams also can be applied for trapping and rotation of nanoparticles as an optical screwdriver ( Gnanavel and Möbus, 2012 Verbeeck, Tian and Van Tendeloo, 2012 ). Theoretically, it has been shown that electron vortex beams, contrary to the optical vortex counterpart, can exchange orbital angular momentum efficiently with the atomic electrons ( Lloyd, Babiker, and Yan, 2012 Löffler and Schattschneider, 2012 ). Using the holographic method described by McMorran et al. (2011) for the creation of masks, Gnanavel and Möbus (2012) observed movements of Au nanoparticles under sub-10-nm vortex electron beams in a double-aberration-corrected S/TEM operating at 200 keV ( Table 3.2 ). Verbeeck, Tian and Van Tendeloo (2012) have performed similar observations of a single 3-nm Au particle rotating on a 15-nm-thick Si3N4 supporting film under vortex electron beams with the topological charge m = ±1 at 300 keV. This observation conclusively demonstrated that the direction of rotation is determined by the sign of the topological charge.

Gnanavel and Möbus (2012) used 2.6-nm and 3.4-nm beams full width at half maximum (FWHM) for the first- and second-order vortex beams, respectively. To study the interaction of the vortex beam with nanoparticles, the beams were slightly defocused to reveal unambiguous central dark spots and to spread (∼5 nm) the ring structure in order to cover the entire particle (Figures 3.14 a and 3.14 b). The motion of individual nanoparticles under the illumination was monitored by video capturing of the aberration-corrected TEM images at a refreshing rate of 1.2 seconds per image. After about 5 minutes of beam exposure, the particle was observed to be detached from the carbon substrate and displaced while occasionally changing its structure. When the particle was placed under the first- and second-order vortex beams (Figures 3.14 a and 3.14b, respectively), it rotated with a speed of 3.75 degrees per second, comparably faster than the previously reported studies by Ajayan and Marks (1989) and Wang et al. (2009) , which use beams with no orbital angular momentum. Tracking the lattice fringes and the corresponding fast fourier transform FFT (insets) of individual images showed that the rotation of the particles was from 99.5 to 84.5 degrees in ∼4 sec. Further irradiation causes the particle to be surrounded by or embedded in carbon, and the particle was found to be very stable under the vortex beam exposure at this late stage.

Figure 3.14 . Experimental atomic resolution images of gold nanoparticles recorded using vortex beams. (a) Au nanoparticle located at the first-order vortex beams. (b) Four shots of Au nanoparticles rotated by second-order vortex beams selected from a video at 1.2-sec. intervals. The center dark core surrounded by the bright ring of the first-order vortex beams is partially visible at the bottom right corner. The angles of the lattice fringes (noted in Figure 2 b) correspond to 99.5, 99.0, 87.0, and 84.5 degrees, respectively. Insets show the corresponding FFT.

Reprinted from Gnanavel, Yuan and Babiker, (2012) . Copyright the Royal Microscopical Society reproduced with permission. (See the color plate).

Although the detailed mechanism behind this rotation is still unclear, Gnanavel and Möbus (2012) noticed that the displacement of the particle was observed only after the lengthy beam irradiation, both with the center beam and the side vortex beams. After lengthy beam irradiation most of the substrate carbon film is ablated. At this stage, the particle is mostly detached from the substrate and sticking only at one edge or corner of the carbon film, possibly under the influence of van der Walls and viscous forces and rotating while positioned in the vortex core beams. Verbeeck, Tian and Van Tendeloo (2012) suggest several optimization strategies to lower the friction in order to make the particles rotate at a higher velocity: (1) increasing the temperature to 400 K would accelerate the rotation speed by two orders of magnitude (2) replacing the supporting film with a liquid medium (3) using elongated nanoparticles that would lead to a higher fraction (at maximum of one order of magnitude) of angular momentum to be exchanged (4) increasing the topological charge in the beam that also would increase the transferred momentum.