Fizyka
  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 > Fizyka > Wielkie wykłady - Boska cząstka 
  Indeks
Wielkie wykłady
Dramatis personae
Niewidoczna piłka
nożna

Pierwszy fizyk cząstek
Interludium A:
Opowieść o dwóch
miastach

Poszukiwania atomu:
mechanicy

Dalsze poszukiwania
atomu: chemicy
i elektrycy

Nagi atom
Interludium B:
Tańczący mistrzowie
wiedzy tajemnej

Pomruki rewolucji
Akceleratory: one
rozkwaszają atomy,
nieprawdaż?

Interludium C:
Jak w ciągu weekendu
złamaliśmy parzystość
i odkryliśmy Boga

A–tom!
I wreszcie boska
cząstka

Mikroprzestrzeń,
makroprzestrzeń
i czas przed
początkiem czasu

  Źródło
Leon Lederman,
Dick Teresi

BOSKA CZĄSTKA
Jeśli Wszechświat jest odpowiedzią, jak brzmi pytanie?

Przełożyła Elżbieta
Kołodziej-Józefowicz


  Pomruki rewolucji
 
Pomruki rewolucji
 
T
eoria kwantowa stanowi łatwy cel dla pisarzy, którzy chcą porównać ją do jakichś systemów religijnych czy mistycznych. Klasyczna fizyka newtonowska często przedstawiana była jako bezpieczna, logiczna i  zgodna z  intuicją. Potem „zastępuje” ją teoria kwantowa, sprzeczna z  intuicją i  dziwaczna. Jest niezrozumiała i  wzbudza obawy. Jeden ze sposobów radzenia sobie z  nią – sposób stosowany w  niektórych ze wspomnianych książek – polega na traktowaniu teorii kwantowej jak religii. Dlaczego nie uznać jej za jakąś formę hinduizmu (albo buddyzmu itd.)? Dzięki temu logikę można pozostawić całkiem na boku.
       Inny sposób odwołuje się do teorii kwantowej jako... no cóż, jako nauki. Chodzi o  to, by nie dać się omamić propagandzie o  zastępowaniu tego, co było przedtem. W nauce nie ma takiego zwyczaju, by ni stąd, ni zowąd wyrzucać wielowiekowe, zasłużone idee; zwłaszcza te, które wciąż jeszcze zupełnie dobrze funkcjonują. Warto w  tym miejscu zrobić małą dygresję, by zobaczyć, jak przebiegały rewolucje w  fizyce.
       Nowa fizyka nie zawsze obala starą. Rewolucje w  nauce przebiegają konserwatywnie i  oszczędnie. Mogą z  nich płynąć oszałamiające konsekwencje filozoficzne, mogą one sprawiać wrażenie, że wykraczają poza potoczne doświadczenie, ale tak naprawdę dzieje się tylko to, że stary dogmat zostaje rozciągnięty na nową dziedzinę.
       Weźmy starego Greka, Archimedesa. W  setnym roku przed naszą erą sformułował zasady statyki i  hydrostatyki. Statyka zajmuje się badaniem warunków stabilności struktur, takich jak drabiny, mosty i  sklepienia. Zazwyczaj chodzi tu o  obiekty, które człowiek zaprojektował, by uczynić swe życie bardziej wygodnym. Prace Archimedesa nad hydrostatyką dotyczyły cieczy i  tego, co w  nich pływa, a  co tonie; co pływa stabilnie, a  co się chwieje i  obraca; dotyczyły zasad wyporu hydrostatycznego oraz problemu, dlaczego w  wannie krzyczy się „Heureka!” i  tym podobnych. Te zagadnienia oraz  dotyczące ich odkrycia Archimedesa są dziś tak samo ważne jak dwa tysiące lat temu.
       W  roku 1600 Galileusz badał prawa statyki i  hydrostatyki, ale rozszerzył zakres swych zainteresowań na ciała będące w  ruchu: obiekty toczące się w  dół po równiach pochyłych, kulki zrzucane z  wysokich wież, obciążone struny od lutni wahające się w  warsztacie ojca. Prace Galileusza obejmowały swym zakresem prace Archimedesa, ale znacznie więcej wyjaśniały. W  rzeczywistości, pozwoliły zająć się szczegółami powierzchni Księżyca i  satelitami Jowisza. Galileusz nie obalił Archimedesa, lecz go wchłonął. Gdybyśmy mieli graficznie przedstawić tę sytuację, wyglądałoby to tak:
       Newton wykroczył daleko poza Galileusza. Wprowadził rozważania na temat przyczyn i  dzięki temu mógł wyjaśnić budowę Układu Słonecznego i  morskie pływy. Syntezy Newtona zawierały nowe pomiary ruchów planet i  ich księżyców. Żaden szczegół newtonowskiej rewolucji nie rzucił nawet cienia wątpliwości na osiągnięcia Galileusza czy Archimedesa. Natomiast pozwoliła ona znacznie rozszerzyć obszary Wszechświata, będące przedmiotem tej wielkiej syntezy.
       W  XVIII i  XIX wieku uczeni zaczęli badać zjawisko wykraczające poza zwykłe, powszechne doświadczenia ludzkie. Zjawisko to zwano elektrycznością. Nie była ona normalnie dostępna. Pojawiała się tylko czasami w  postaci przerażającej błyskawicy. Zjawiska elektryczne musiano sztucznie wywoływać w  laboratoriach po to tylko, by móc je analizować (podobnie dziś niektóre cząstki „produkuje się” w  akceleratorach). Elektryczność była wtedy tak samo egzotyczna jak dzisiaj kwarki. Z  wolna zaczęto rozumieć, a  nawet kontrolować, prądy i  źródła napięcia, pola magnetyczne i  elektryczne. Prawa rządzące elektrycznością i  magnetyzmem zostały rozszerzone i  skodyfikowane przez Jamesa Maxwella. Gdy Maxwell, a  potem Heinrich Hertz, a  potem Guglielmo Marconi, a  potem Charles Steinmetz i  wielu innych znalazło zastosowanie dla tych idei, radykalnie zmieniło się nasze otoczenie. Elektryczność towarzyszy nam niemal wszędzie, przekazy informacyjne trzeszczą w  powietrzu, którym oddychamy. Ale Maxwell w  niczym nie uchybił tym, którzy go poprzedzali.
       Po odkryciach, których dokonali Newton i  Maxwell, niewiele już zostało do zrobienia. Czyż nie? Einstein skupił swą uwagę  na samych obrzeżach newtonowskiego Wszechświata. W  swych rozważaniach wypuścił się na wielkie głębie; pewne aspekty galileuszowych i  newtonowskich założeń niepokoiły go i  doprowadziły ostatecznie do sformułowania własnych, odważnych hipotez. Jednak w  zakres jego obserwacji wchodziły teraz ciała poruszające się z  nadzwyczajną prędkością. Takie zjawiska znajdowały się po prostu poza zasięgiem zainteresowań wcześniejszych obserwatorów. Lecz w  miarę jak ludzie zaczęli badać atomy, projektować urządzenia jądrowe i  interesować się najwcześniejszymi chwilami istnienia Wszechświata, nagle spostrzeżenia Einsteina nabrały znaczenia.
       Teoria grawitacji Einsteina także wykroczyła poza teorię Newtona, aby objąć dynamikę Wszechświata (Newton wierzył, że Wszechświat jest statyczny) i  jego ekspansję od wybuchowych narodzin. Kiedy jednak zastosujemy równania Einsteina do świata Newtona, otrzymamy newtonowskie wyniki.
       Teraz chyba mamy już pełen obraz, nieprawdaż? Nie! Musieliśmy jeszcze zajrzeć do wnętrza atomu, a  gdy to zrobiliśmy, okazało się, że potrzebujemy pojęć znacznie wykraczających poza świat Newtona (i  nie do przyjęcia dla Einsteina). W  ten sposób do naszego świata wkroczył atom, jądro i, o  ile wiemy, jeszcze drobniejsze składniki. Potrzebowaliśmy fizyki kwantowej. Ale w  rewolucji kwantowej nie było niczego, co skasowałoby Archimedesa, wyparło Galileusza, wypaczyło Newtona czy zbezcześciło względność Einsteina. Raczej odkryto nową dziedzinę, napotkano nowe zjawiska. Nauka sformułowana przez Newtona okazała się niedostateczna i  gdy czas się wypełnił, dokonano nowej syntezy.
       Przypomnij sobie, drogi Czytelniku, jak w  poprzedniej części mówiliśmy o  tym, że równanie Schrödingera jest tak sformułowane, aby można było dokonywać obliczeń dotyczących elektronów i  innych cząstek. Gdy jednak zastosuje się je do piłek i  innych wielkich obiektów, na naszych oczach przekształca się w  newtonowskie F = ma, czy coś w  tym rodzaju. Równanie Diraca, to, z  którego wyniknęło istnienie antymaterii, było „udoskonaleniem” równania Schrödingera. Modyfikacja polegała na tym, by można je było zastosować do „szybkich” elektronów, poruszających się z  prędkością bliską prędkości światła. Jednak równanie Diraca zastosowane dla powolnych elektronów nagle zmienia się w  równanie Schrödingera, tyle że magicznie przekształcone tak, by uwzględniało spin elektronu. Ale pozbyć się Newtona? Nie ma mowy!
       Jeśli ten marsz drogą postępu sprawia wrażenie niesłychanie wydajnego, warto zauważyć, że po drodze powstaje także mnóstwo odpadów. Gdy dzięki nowym wynalazkom, nienasyconej ciekawości (i  mnóstwu dotacji państwowych) odkryjemy dla obserwacji nowe dziedziny, napływające dane zazwyczaj powodują powstawanie wielu nowych pomysłów, teorii i  hipotez. Większość z  nich jest fałszywa. We współzawodnictwie o  pierwszeństwo na linii frontu jest tylko jeden zwycięzca. Pokonani przepadają na historycznym wysypisku przypisów.
       Jak przebiega rewolucja? W  każdym okresie zastoju intelektualnego, takiego jak pod koniec XIX wieku, zawsze istnieje zestaw zjawisk, których „jeszcze nie wyjaśniono”. Eksperymentatorzy mają nadzieję, że ich doświadczenia dobiją obowiązującą teorię: wtedy zastąpi się ją nową, a  przy okazji narodzi się kilka wielkich sław. Częściej jednak się zdarza, że albo pomiary są błędne, albo nowatorskie zastosowanie istniejącej teorii okazuje się wystarczające, by uzasadnić dane. Ale nie zawsze. A  ponieważ zawsze istnieją trzy możliwości – (1) błędne dane, (2) wystarczająco elastyczna stara teoria, (3) potrzeba nowej teorii – eksperymentowanie jest bardzo fascynującym zajęciem.
       Gdy jednak dochodzi do rewolucji, poszerza się zakres stosowalności nauki, a  nasz światopogląd może ulec olbrzymim przeobrażeniom. Na przykład Newton stworzył nie tylko prawo powszechnego ciążenia, ale deterministyczną filozofię, która spowodowała, że teologowie przydzielili Bogu zupełnie nową rolę w  świecie. Z  zasad Newtona wynikały równania matematyczne, które determinowały przyszłość dowolnego układu, jeśli tylko znane były warunki początkowe. Fizyka kwantowa zastosowana do świata atomowego, przeciwnie, zmiękcza ten deterministyczny pogląd, zezwalając indywidualnym zdarzeniom atomowym na luksus nieokreśloności. Zresztą osiągnięcia w  innych dziedzinach fizyki zdają się wskazywać na to, że nawet poza światem subatomowym deterministyczny, newtonowski porządek jest zdecydowanie przereklamowany. Systemy składające się na nasz makroświat są z  reguły tak bardzo skomplikowane, że wprowadzenie nawet najmniej znaczącej zmiany w  warunkach początkowych wywołuje ogromne zmiany rezultatów. Układy tak, wydawałoby się, proste jak woda spływająca ze wzgórza czy para dyndających wahadeł zachowują się „chaotycznie”. Badania nad dynamiką nieliniową, czyli tak zwanymi zachowaniami chaotycznymi, mówią nam, że rzeczywisty świat nie jest nawet w  przybliżeniu tak deterministyczny, jak przypuszczano.
       Co nie oznacza, że nauka znalazła nagle wiele wspólnego z  religiami Wschodu. Jeśli więc, drogi Czytelniku, metafory religijne oferowane przez autorów tekstów porównujących nową fizykę do wschodniego mistycyzmu w  jakikolwiek sposób pomagają Ci pojąć nowoczesną rewolucję w  fizyce, to jak najbardziej możesz z  nich korzystać. Ale metafory są tylko metaforami i  pozwolę sobie przytoczyć tu stare powiedzenie: nigdy nie myl mapy z  terytorium. Fizyka nie jest religią. Gdyby była, znacznie łatwiej przychodziłoby nam zdobywanie pieniędzy.
góra strony
poprzedni fragment następny fragment
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