| Indeks
|
|
|
| Źródło
|
|
|
|
Leon Lederman,
Dick Teresi
BOSKA CZĄSTKA
Jeśli Wszechświat jest odpowiedzią, jak brzmi pytanie?
Przełożyła Elżbieta
Kołodziej-Józefowicz
|
|
|
|
|
|
|
|
|
| Newton kontra Schrödinger |
|
|
| Newton kontra Schrödinger
|
|
|
| rzeba kształtować w sobie nową intuicję. Przez całe lata uczymy studentów fizyki klasycznej, a potem nagle robimy zwrot i wykładamy teorię kwantową. Doktoranci potrzebują około dwóch lat na rozwinięcie takiej intuicji (ty, szczęśliwy Czytelniku, powinieneś wykonać ten piruet w czasie czytania jednego rozdziału).
|
| W tej sytuacji narzuca się pytanie: która z nich jest słuszna? Newton czy Schrödinger? Proszę o kopertę. Zwycięzcą jest... Schrödinger! Fizyka Newtona dotyczy dużych rzeczy, nie działa wewnątrz atomu. Natomiast teoria Schrödingera została stworzona do opisywania mikrozjawisk, ale zastosowana do zjawisk makroskopowych daje wyniki identyczne z teorią Newtona.
|
| Rozważmy klasyczny przykład. Ziemia krąży wokół Słońca. Elektron krąży – w starym języku Bohra – wokół jądra. Jednak na tor elektronu nałożone są pewne ograniczenia: może poruszać się tylko po określonych orbitach. Czy także w przypadku Ziemi okrążającej Słońce dozwolone są tylko pewne orbity? Newton powiedziałby, że nie; planeta może poruszać się po dowolnej orbicie. Ale poprawna odpowiedź brzmi: tak. Jeśli zastosujemy równanie Schrödingera do układu Słońce-Ziemia, rozwiązanie będzie się składało z dyskretnego zbioru orbit. Tylko byłoby ich bardzo wiele. W równaniu tym zamiast masy elektronu należałoby wstawić do mianownika masę Ziemi, tak więc tu, gdzie się znajdujemy – w odległości około 150 milionów kilometrów od Słońca – odległości między dozwolonymi orbitami byłyby bardzo niewielkie, powiedzmy jedna przypadałaby na każdą miliardową miliardowej części centymetra, a więc w efekcie pokrywałyby całą przestrzeń. Zatem w praktyce otrzymalibyśmy rozwiązanie Newtona: wszystkie orbity są dozwolone. Jeśli wziąć równanie Schrödingera i zastosować je do makroobiektów, to na naszych oczach przekształca się w... F = ma! W przybliżeniu. Na marginesie, to Rudjer Bošković w XVIII wieku wyraził przypuszczenie, że wzory Newtona są tylko wzorami przybliżonymi, dostatecznie dokładnymi dla procesów, które dotyczą wielkich odległości, ale nie przetrwają konfrontacji z mikroświatem. Dlatego nasi studenci nie muszą wyrzucać książek do mechaniki. Mogą dostać pracę w NASA albo w klubie sportowym, wyznaczać tor ruchu lądującego promu kosmicznego lub analizować trajektorie piłek, posługując się starymi, dobrymi równaniami Newtona.
|
| Z punktu widzenia teorii kwantowej pojęcie orbity lub tego, co elektron robi wewnątrz atomu albo w wiązce, nie jest do niczego przydatne. Liczy się tylko rezultat pomiaru, a metody kwantowe mogą jedynie podać prawdopodobieństwo jakiegokolwiek możliwego rezultatu. Pomiar położenia elektronu, powiedzmy w atomie wodoru, może dać liczbę – odległość od jądra. Liczbę tę otrzymuje się nie w wyniku obserwacji jednego elektronu, lecz podczas wielokrotnie powtarzanego pomiaru. Za każdym razem uzyskujemy inny rezultat, rysujemy krzywą reprezentującą wszystkie te wyniki i dopiero ten wykres możemy porównywać z przewidywaniami teorii. Teoria nie pozwala przewidzieć żadnego pojedynczego wyniku. Wszystko zależy od statystyki. Wracając do mojej odzieżowej analogii: nawet jeśli wiemy, że przeciętny wzrost studenta pierwszego roku Uniwersytetu w Chicago wynosi 172 cm, następny student może mieć 152 albo 180 cm. Nie potrafimy tego przewidzieć, możemy najwyżej wykreślić odpowiednią krzywą.
|
| Dopiero przy próbach prognozowania rezultatów przejścia cząstek przez barierę albo rozpadu radioaktywnego robi się niesamowicie. Wielokrotnie przygotowujemy taki sam eksperyment. Wystrzeliwujemy elektron o energii 5 MeV w kierunku bariery o potencjale 5,5 MeV. Przewidujemy, że w 45 przypadkach na 100 elektron zdoła się przez nią przedrzeć. Ale nigdy, przenigdy nie możemy być pewni, co zrobi dany elektron. Jeden się przedostaje, inny – pod każdym względem identyczny – nie. Takie same eksperymenty dają różne rezultaty. Taki właśnie jest ten kwantowy świat. W naukach klasycznych podkreślamy znaczenie powtarzalności wyników. W świecie kwantowym możemy powtarzać wszystko oprócz rezultatów.
|
| Ot, weźmy neutron, którego okres połowicznego rozpadu wynosi 10,3 minuty, co oznacza, że jeśli na początku mamy 1000 neutronów, to po upływie 10,3 minuty połowa z nich ulegnie dezintegracji. Ale konkretny neutron? Może się rozpaść po trzech sekundach albo po 29 minutach. Dokładny moment jego rozpadu jest nieprzewidywalny. Einstein nie znosił tej sytuacji, mówił: Bóg nie gra w kości z Wszechświatem. Inni krytycy stwierdzali: przypuśćmy, że w każdym neutronie lub elektronie tkwi jakiś mechanizm, jakaś sprężyna, jakaś „ukryta zmienna”, która sprawia, że każdy z nich jest inny, tak samo jak ludzie, którym można przypisać przeciętną długość życia. W odniesieniu do ludzi wiadomo, że działa wiele niezbyt-ukrytych-zmiennych – geny, zatkane naczynia wieńcowe itd. – które można by wykorzystać przy formułowaniu przewidywań dotyczących daty zgonu poszczególnych jednostek. Należałoby tylko wykluczyć skutki spadających wind, nieszczęśliwych miłości czy wymykających się spod kontroli mercedesów.
|
| Hipoteza ukrytej zmiennej została w zasadzie wykluczona z dwóch powodów: żadna taka zmienna nie ujawniła się dotąd w ani jednym z milionów eksperymentów przeprowadzonych z udziałem elektronów. Ponadto nowe poprawione teorie dotyczące eksperymentów w mechanice kwantowej zupełnie wykluczyły możliwość jej istnienia.
|
|
| |
|
