Biblioteka
  Wiw.pl   Na bieżąco:  Informacje   Co nowego   Matematyka i przyroda:  Astronomia   Biologia   Fizyka   Matematyka   Modelowanie rzeczywistości   Humanistyka:  Filozofia   Historia   Kultura antyczna   Literatura   Sztuka   Czytaj:  Biblioteka   Delta   Wielcy i więksi   Przydatne:  Słowniki   Co i gdzie studiować   Wszechświat w obrazkach    
  Jesteś tutaj:   Wirtualny Wszechświat > Biblioteka > Fizyka > Czas. Niedokończona rewolucja Einsteina  



[1]  [2]  [3]  [4]  [5]  [6] 
Paul Davies
STRZAŁKA CZASU
Wszystkie zmiany, także strzałka czasu, prowadzą ku gorszemu. Doświadczenie czasu to adaptacja elektrochemicznych procesów w mózgu do bezcelowego pędu w stronę chaosu, pogrążające nas zarazem w stanie równowagi, a potem w grobie.

Peter Atkins

Łapanie fal

Jednym z najbardziej interesujących naukowców okresu powojennego był David Bohm, urodzony w Ameryce fizyk teoretyk, który pracował głównie w Londynie w Birkbeck College. Po raz pierwszy spotkałem go, gdy miałem dwadzieścia trzy lata i byłem dociekliwym doktorantem Uniwersytetu w Londynie. Celem spotkania było przedyskutowanie aspektu mojej pracy, który dotyczył dręczącego paradoksu związanego z naturą czasu. Z grubsza rzecz biorąc, paradoks jest następujący. Bez zastanowienia przyjmujemy, że gdy stacja radiowa nadaje sygnały, słyszymy je z odbiornika radiowego w domu po tym, jak zostały wyemitowane przez nadajnik. Opóźnienie jest nieduże - zaledwie ułamek sekundy między dwoma punktami na powierzchni Ziemi - więc zwykle nawet go sobie nie uświadamiamy. Jednakże opóźnienie staje się już zauważalne w przypadku rozmowy telefonicznej przekazywanej drogą satelitarną. Chodzi o to, że nigdy nie słyszymy sygnałów radiowych przed ich wysłaniem.

Czytelnik pewnie się zdziwi: a dlaczego mielibyśmy je odbierać z wyprzedzeniem? Przecież zwykle skutki nie poprzedzają przyczyn. Problem leżący u podstaw mojego niepokoju wywodzi się z połowy XIX wieku, gdy James Clerk Maxwell sformułował swoje słynne równania opisujące propagację fal elektromagnetycznych, między innymi światła i fal radiowych. Dokonał tego, pracując w King's College w Londynie, który znajduje się w odległości zaledwie jednej lub dwóch mil od Birkbeck College. Teoria Maxwella przewiduje rozchodzenie się fal radiowych w pustej przestrzeni z prędkością światła. Jego równania nie precyzują jednak, czy fale te docierają przed ich wyemitowaniem czy po tym. Nie odróżniają przeszłości od przyszłości. Dopuszczają one propagację fal radiowych zarówno w tył, jak i w przód w czasie. Biorąc pod uwagę naturę zjawisk elektromagnetycznych, mianowicie fakt, że rozbieganiu się fal w przestrzeni wokół źródła odpowiada zjawisko zachodzące w odwrotnym kierunku (w tym przypadku zbieganie się fal), prawa elektromagnetyzmu w równym stopniu dopuszczają obie możliwości.

W żargonie fizycznym fale rozchodzące się w przód w czasie nazywane są opóźnionymi (ponieważ nadchodzą później, po wyemitowaniu), a propagujące się wstecz w czasie - falami przedwczesnymi (gdyż nadchodzą wcześniej, przed wyemitowaniem). Ponieważ nie obserwujemy przedwczesnych fal radiowych ani przedwczesnych fal elektromagnetycznych innego rodzaju, rozwiązania równań Maxwella opisujące te fale są zwykle odrzucane jako "niefizyczne". Dlaczego jednak je odrzucamy? Czy istnieje inne prawo fizyki, poza prawami ruchu falowego, które stwierdzałoby, że w naszym Wszechświecie nie istnieją fale odpowiadające rozwiązaniom przedwczesnym? Jeśli nie, dlaczego przyroda woli rozwiązania opóźnione od przedwczesnych, skoro oba są zgodne z prawami elektromagnetyzmu?

Zagadka ta intrygowała mnie od czasu uczestnictwa w inspirującym spotkaniu Towarzystwa Królewskiego w 1967 roku, podczas którego Fred Hoyle, astronom z Cambridge, przedstawił swoje własne rozwiązanie tajemnicy asymetrii czasowej. Hoyle był przekonany, że kryje się ono w sposobie rozszerzania się Wszechświata. Uznałem za rzecz fascynującą, że to, co dzieje się w moim radio-odbiorniku, może być w jakiś sposób powiązane z przeznaczeniem kosmosu, i postanowiłem sam zająć się tym zagadnieniem. Skoncentrowałem się na najprostszym układzie zdolnym nadawać i odbierać fale elektromagnetyczne - pojedynczym atomie. Gdy fala elektromagnetyczna pada na atom znajdujący się w stanie normalnym, czyli podstawowym, wówczas może on zostać wzbudzony przez absorpcję fotonu pochodzącego z promieniowania elektro-magnetycznego. Jest to odpowiednik anteny odbierającej fale. Podobnie w odwrotnym kierunku: jeśli atom początkowo znajduje się w stanie wzbudzonym, może przejść do stanu podstawowego, emitując przy tym foton. Odpowiada to transmisji. Na poziomie kwantowym oba procesy są symetryczne: odwracając w czasie proces pochłaniania fotonu przez atom, otrzymujemy zjawisko emisji fotonu przez atom.

Rzeczywiście, Einstein dawno temu odwoływał się do tej właśnie symetrii procesów emisji i absorpcji fotonów, aby obliczyć, po jakim czasie atom będzie spontanicznie emitować foton w przestrzeń. Zrobił to w 1916 roku, krótko po rozpadzie małżeństwa z Milewą i na długo przed pełnym sformułowaniem mechaniki kwantowej. Te odkrywcze obliczenia Einsteina zawierają również wyrażenia, z których wynika, z jaką częstością atom emituje fotony, jeśli jest bombardowany przez inne fotony - zjawisko to nazywa się emisją wymuszoną i prawie pół wieku później legło u podstaw konstrukcji laserów.

Jednak symetria między emisją a absorpcją fotonu przez atom opiera się na pewnym ukrytym założeniu. Gdy obliczamy, za Einsteinem, częstości pochłaniania fotonów przez atom znajdujący się w stanie podstawowym, podręczniki radzą nam założyć, że fotony bombardujące atom nie są skorelowane. W języku falowym oznacza to, że wszystkie pojedyncze fale elektromagnetyczne odpowiadające fotonom są zupełnie pomieszane: ich fazy mają przypadkowe wartości. Chciałem wiedzieć, skąd wzięło się założenie o przypadkowych wartościach faz, tak ważne dla ustalenia symetrii między procesami emisji i absorpcji fotonów. Z tego powodu poszedłem zobaczyć się z Bohmem.

Bohm zdobył wielką popularność i znalazł naśladowców na całym świecie, mimo że był raczej człowiekiem małomównym. Stawał się bardziej rozmowny, gdy tematem była fizyka. Miał bogate słownictwo, ale ożywiając się, zaczynał mówić coraz szybciej, urywając przy tym kawałki słów, trzeba więc było dobrze się skoncentrować, aby zrozumieć jego wypowiedź. Wiele lat później miałem okazję przeprowadzać dla radia BBC wywiad z Bohmem, specjalnie utrzymany w wojowniczym stylu. Bohm był wtedy bardzo ożywiony i obawiałem się, że słuchacze zupełnie nie zrozumieją potoku technicznych słów wylewającego się z niego w coraz szybszym tempie. Jeszcze bardziej martwiłem się, że dostanie ataku serca w studiu, gdyż przechodził wówczas rekonwalescencję po operacji założenia potrójnego bypassu. Bohm żył jednak jeszcze wiele lat.

Chociaż zyskał sławę dzięki swoim pracom literackim i filozoficznym, zwłaszcza wśród czytelników interesujących się mistycyzmem, Bohm nie cieszył się uznaniem kolegów fizyków. Znano go głównie jako autora podręcznika mechaniki kwantowej napisanego w latach pięćdziesiątych. Bohm bardzo szybko doszedł do wniosku, że nie podoba mu się ona w konwencjonalnym sformułowaniu à la Bohr. Tak więc doszło do konfrontacji: Bohm przeciw Bohrowi, a uczony podjął samotnie walkę z ortodoksyjnym rozumieniem mechaniki kwantowej, kontynuując dzieło Einsteina. Z pomocą niedużej grupy oddanych zwolenników, a zwłaszcza Basila Hileya, kolegi z Birkbeck College, Bohm poszukiwał teorii, która tłumaczyłaby pozornie przypadkowe i nieprzewidywalne aspekty zjawisk kwantowych za pomocą procesów deterministycznych na głębszym poziomie.

Bohm wpadł na fascynujący pomysł, że choć niektóre cechy świata wyglądają na skomplikowane lub nawet robią wrażenie przypadkowych, to u podłoża leży porządek, "zwinięty" w jakiś sposób. Później Bohm zaczął nazywać to "ukrytym porządkiem". Zwykł przeprowadzać zabawny i pouczający pokaz tego porządku za pomocą kropli barwnika znajdującej się w słoju z gliceryną. Słój wyposażony był w rączkę umożliwiającą wymieszanie barwnika z gliceryną - po chwili zawartość wyglądała jak jednorodna, szara maź. Lecz pozorny brak porządku jest tylko złudzeniem, ponieważ pociągnięcie rączką w przeciwną stronę powodowało - o dziwo - "odwrócenie wymieszania" barwnika i gliceryny i przywrócenie początkowego stanu uporządkowania. Po rozmieszaniu porządek barwnika był po prostu ukryty, "zwinięty". Zastanawiałem się, czy to możliwe, by przypadkowość faz nadchodzących fal elektromagnetycznych - co interesowało mnie w związku z pracą doktorską dotyczącą natury czasu - przedstawiała jakiś "zwinięty" lub ukryty porządek.

[1]  [2]  [3]  [4]  [5]  [6] 
[  góra strony  ]

Wiw.pl  |  Na bieżąco  |  Informacje  |  Co nowego  |  Matematyka i przyroda  |  Astronomia  |  Biologia  |  Fizyka  |  Matematyka  |  Modelowanie rzeczywistości  |  Humanistyka  |  Filozofia  |  Historia  |  Kultura antyczna  |  Literatura  |  Sztuka  |  Czytaj  |  Biblioteka  |  Delta  |  Wielcy i więksi  |  Przydatne  |  Słowniki  |  Co i gdzie studiować  |  Wszechświat w obrazkach