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 - Ewolucja fizyki 
  Indeks
Wielkie wykłady
Jak powstawała
Ewolucja fizyki

Triumfy poglądu
mechanistycznego

Upadek poglądu
mechanistycznego

Pole i teoria
względności

Kwanty
Ciągłość i . . .
Elementarne kwanty
Kwanty światła
Widma światła
Fale materii
Fale prawdopodob.
Fizyka i rzeczywistość
Streszczamy
  Źródło
Albert Einstein, Leopold Infeld
EWOLUCJA FIZYKI
Rozwój poglądów od najważniejszych pojęć do teorii względności i kwantów

W przekładzie Ryszarda Gajewskiego


  Fale prawdopodobieństwa
 
Fale prawdopodobieństwa
 
W
edług mechaniki klasycznej, jeśli znamy położenie i prędkość danego punktu materialnego oraz działające nań siły zewnętrzne, to na podstawie praw mechaniki potrafimy przewidzieć cały jego przyszły tor. Zdanie: „Punkt materialny ma w takiej a takiej chwili takie a takie położenie” ma w mechanice klasycznej zupełnie określone znaczenie. Gdyby twierdzenie to miało stracić sens, upadłoby nasze rozumowanie dotyczące przewidywania przyszłych torów.
       W początkach dziewiętnastego wieku uczeni chcieli sprowadzić całą fizykę do prostych sił, działających na cząstki materialne o określonych w każdej chwili położeniach i prędkościach. Przypomnijmy sobie, jak opisywaliśmy ruch w mechanice, u progu naszej wędrówki przez krainę zagadnień fizycznych. Wzdłuż określonego toru rysowaliśmy punkty, wskazujące dokładne położenia ciała w pewnych chwilach, a następnie wektory styczne, wskazujące kierunek i wielkość prędkości. Było to proste i przekonujące. Nie można tego jednak powtórzyć dla naszych elementarnych kwantów materii, elektronów ani dla kwantów energii, fotonów. Biegu fotonu lub elektronu nie można przedstawić tak, jak sobie wyobrażaliśmy ruch w mechanice klasycznej. Widać to wyraźnie na przykładzie dwóch otworków. Elektron i foton zdają się przechodzić przez oba otworki. Zjawiska tego nie można więc wyjaśnić, przedstawiając tor elektronu lub fotonu w stary, klasyczny sposób.
       Oczywiście musimy przyjąć, że istnieją działania elementarne, takie jak przejście elektronów lub fotonów przez otwór. Istnienie elementarnych kwantów materii i energii nie ulega wątpliwości. Ale praw elementarnych nie można formułować przez określanie położeń i prędkości w dowolnej chwili prostą metodą mechaniki klasycznej.
       Spróbujmy więc innej drogi. Powtarzajmy ciągle ten sam elementarny proces. Wysyłajmy elektrony jeden za drugim w kierunku otworków. Słowa „elektron” używamy tu tylko dla skupienia uwagi; rozumowanie nasze odnosi się również do fotonów.
       Powtarzamy nieustannie to samo doświadczenie, dokładnie w ten sam sposób; wszystkie elektrony mają tę samą prędkość i biegną w kierunku dwóch otworków. Nie trzeba chyba dodawać, że jest to doświadczenie wyidealizowane, którego w rzeczywistości nie można wykonać, ale które można sobie z powodzeniem wyobrazić. Nie potrafimy wystrzeliwać w określonych chwilach fotonów lub elektronów jak kul z karabinu.*
       Wynikiem powtarzanych doświadczeń muszą być znów w przypadku jednego otworu ciemne i jasne pierścienie, zaś w przypadku dwóch otworów ciemne i jasne prążki. Ale jest jedna zasadnicza różnica. Wynik doświadczenia, niezrozumiały w przypadku jednego elektronu, staje się bardziej zrozumiały, jeśli doświadczenie powtarzać wielokrotnie. Możemy teraz powiedzieć: jasne prążki pojawiają się tam, gdzie pada wiele elektronów. W miejscach, gdzie pada mniej elektronów, prążki są ciemniejsze. Zupełnie ciemna plama oznacza, że w ogóle nie ma elektronów. Nie wolno nam oczywiście zakładać, że wszystkie elektrony przechodzą przez jeden z otworów. Gdyby tak było, wówczas to, czy drugi otworek jest odsłonięty, czy zasłonięty, nie miałoby żadnego znaczenia. Wiemy już jednak, że zasłonięcie drugiego otworu ma znaczenie. Ponieważ pojedyncza cząstka jest niepodzielna, nie potrafimy sobie wyobrazić, by przechodziła ona przez oba otwory. Fakt, że doświadczenie powtarzano wiele razy, podsuwa inne rozwiązanie. Niektóre elektrony mogą przechodzić przez jeden otworek, inne przez drugi. Nie wiemy, dlaczego poszczególne elektrony wybierają takie a nie inne otworki, ale ostateczny wynik powtarzanych doświadczeń głosi, że oba otworki uczestniczą w przepuszczaniu elektronów od źródła do ekranu. Jeśli zajmować się będziemy tylko losami chmary elektronów w przypadku powtarzanych doświadczeń, a nie będziemy się interesować zachowaniem poszczególnych cząstek, to różnica między obrazem pierścieniowym a prążkowym stanie się zrozumiała. Analiza szeregu doświadczeń doprowadziła do narodzenia się nowej koncepcji, pojęcia zbiorowiska, którego indywidua zachowują się w sposób niemożliwy do przepowiedzenia. Nie potrafimy przepowiedzieć biegu pojedynczego elektronu, ale potrafimy przewidzieć, że w ostatecznym wyniku pojawią się na ekranie jasne i ciemne prążki.
       Porzućmy na chwilę mechanikę kwantową.
       W fizyce klasycznej widzieliśmy, że znając położenie i prędkość punktu materialnego w pewnej chwili oraz działające na ten punkt siły, potrafimy przewidzieć jego przyszły tor. Widzieliśmy również, że mechanistyczny punkt widzenia stosowano w kinetycznej teorii materii. Ale w teorii tej zrodziła się z naszych rozumowań nowa idea. Dokładne przyswojenie sobie tej idei pomoże nam zrozumieć dalsze rozważania.
       Mamy naczynie z gazem. Chcąc opisać ruch każdej cząsteczki, trzeba by rozpocząć od wyznaczania stanów początkowych, to znaczy początkowych położeń i prędkości wszystkich cząsteczek. Nawet gdyby to było możliwe, to z uwagi na kolosalną liczbę wchodzących w grę cząsteczek samo przeniesienie wyników na papier zajęłoby więcej czasu, niż trwa życie ludzkie. Gdyby więc ktoś próbował obliczać końcowe położenia cząsteczek przy użyciu znanych metod mechaniki klasycznej, napotkałby trudności nie do przezwyciężenia. Choć w zasadzie można się tu posługiwać metodą, stosowaną do ruchu planet, to jednak w praktyce metoda ta zawodzi i musi ustąpić miejsca metodzie statystycznej. Ta ostatnia nie wymaga dokładnej znajomości stanów początkowych. Ponieważ mniej wiemy o układzie w każdej zadanej chwili, mniej również możemy powiedzieć o jego przeszłości lub przyszłości. Przestaje nas obchodzić los poszczególnych cząsteczek gazu. Nasz problem ma teraz inny charakter. Nie pytamy na przykład: „Jaka jest w tej chwili prędkość każdej cząsteczki?”, lecz zapytujemy: „Ile cząsteczek ma prędkość między 300 a 310 metrów na sekundę?” Nic nas nie obchodzą poszczególne jednostki. Staramy się wyznaczyć wartości średnie, charakteryzujące całe zbiorowisko. Oczywiście, statystyczna metoda rozumowania może mieć sens tylko wtedy, gdy układ składa się z wielkiej liczby osobników.
       Stosując metodę statystyczną, nie możemy przewidzieć zachowania się jednostki w zbiorowości. Możemy tylko przewidzieć szansę, prawdopodobieństwo tego, że zachowa się w pewien szczególny sposób. Jeśli nasze prawa statystyczne głoszą, że jedna trzecia cząsteczek ma prędkości od 300 do 310 metrów na sekundę, znaczy to, że powtarzając nasze obserwacje dla wielu cząstek, istotnie otrzymamy tę średnią, innymi słowy, że prawdopodobieństwo znalezienia cząstki o prędkości zawartej w tych granicach jest równe jednej trzeciej.
       Podobnie znajomość przyrostu naturalnego w wielkim społeczeństwie nie oznacza, że się wie, iż jakaś określona rodzina została pobłogosławiona potomstwem. Oznacza to tylko znajomość wyników statystycznych, w których losy składających się na nie osób nie odgrywają żadnej roli.
       Obserwując tabliczki rejestracyjne bardzo wielu samochodów, szybko zauważymy, że jedna trzecia numerów rejestracyjnych jest podzielna przez trzy. Nie potrafimy jednak przewidzieć, czy własność tę będzie mieć numer zbliżającego się właśnie wozu. Prawom statystycznym podlegają tylko wielkie zbiorowiska, a nie ich poszczególne elementy.
       Możemy teraz powrócić do naszego zagadnienia kwantowego.
       Prawa fizyki kwantowej mają charakter statystyczny. Znaczy to, że dotyczą one nie poszczególnych układów, lecz zbiorowiska identycznych układów; nie można ich potwierdzić przez pomiar dokonany na jednym osobniku, lecz tylko przez serię powtarzanych pomiarów.
       Jednym z wielu zjawisk, dla których fizyka kwantowa stara się sformułować rządzące nimi prawa, jest rozpad promieniotwórczy, polegający na samorzutnej przemianie pierwiastków. Wiemy na przykład, że w ciągu 1600 lat połowa grama radu rozpadnie się, a połowa pozostanie. Możemy przewidzieć w przybliżeniu, ile atomów rozpadnie się w ciągu najbliższej pół godziny, nie potrafimy jednak, nawet teoretycznie, odpowiedzieć na pytanie, dlaczego te właśnie, a nie inne atomy są skazane na zagładę. Według tego, co dziś wiemy, nie ma sposobu na to, by wskazać poszczególne atomy skazane na rozpad. Los atomu nie zależy od jego wieku. Nie widać śladu praw, które by rządziły zachowaniem się każdego atomu z osobna. Jedyne prawa, jakie można sformułować, to prawa statystyczne, rządzące wielkimi zbiorowiskami atomów.
       Weźmy inny przykład. Umieszczony przed spektroskopem świecący gaz jakiegoś pierwiastka daje linie o określonej długości fali. Pojawienie się nieciągłego układu określonych długości fali jest charakterystyczne dla zjawisk atomowych, w których ujawnia się istnienie elementarnych kwantów. Zagadnienie to ma jednak jeszcze inny aspekt. Niektóre linie widmowe są bardzo wyraźne, inne zaś słabsze. Wyraźna linia oznacza, że źródło wysyła stosunkowo dużą liczbę fotonów należących do tej właśnie długości fali; słaba linia znaczy, że fotonów należących do tej długości fali jest niewiele. Teoria daje nam znów tylko stwierdzenie o charakterze statystycznym. Każda linia odpowiada przejściu z wyższego poziomu energetycznego na niższy. Teoria mówi jedynie o prawdopodobieństwie każdego z tych możliwych przejść, nie mówi natomiast nic o właściwym przejściu poszczególnego atomu. Spełnia ona swe zadanie znakomicie, gdyż we wszystkich tych zjawiskach wchodzą w grę duże zbiorowiska, a nie jednostki.
       Zdawałoby się, że nowa fizyka kwantowa przypomina trochę kinetyczną teorię materii, gdyż obie mają charakter statystyczny i obie odnoszą się do wielkich zbiorowisk. A jednak tak nie jest! W analogii tej trzeba koniecznie zdawać sobie sprawę nie tylko z podobieństw, ale i z różnic. Podobieństwo kinetycznej teorii materii i fizyki kwantowej polega głównie na ich charakterze statystycznym. A jakie są różnice?
       Jeśli chcemy się dowiedzieć, ilu mężczyzn i ile kobiet w wieku powyżej dwudziestu lat zamieszkuje w jakimś mieście, musimy zebrać od wszystkich jego mieszkańców formularze z wypełnionymi rubrykami „płeć” i „wiek”. W założeniu, że wszystkie odpowiedzi są poprawne, możemy drogą ich zliczenia i rozsegregowania otrzymać wynik o charakterze statystycznym. Nazwiska i adresy na formularzach są bez znaczenia. Obraz statystyczny uzyskujemy poprzez znajomość poszczególnych przypadków. Podobnie w kinetycznej teorii materii mamy prawa statystyczne rządzące zbiorowiskami, uzyskane na podstawie praw jednostkowych.
       Tymczasem w fizyce kwantowej rzecz się ma zupełnie inaczej. Prawa statystyczne są tu dane bezpośrednio, a prawa jednostkowe po prostu się odrzuca. Na przykładzie fotonu lub elektronu i dwóch otworków przekonaliśmy się, że nie potrafimy, jak w fizyce klasycznej, opisać możliwego ruchu cząstek elementarnych w przestrzeni i w czasie. Fizyka kwantowa pomija prawa jednostkowe dla cząstek elementarnych i ustanawia bezpośrednio prawa statystyczne, rządzące zbiorowiskami. Na podstawie fizyki kwantowej nie można, jak w fizyce klasycznej, opisać położeń i prędkości cząstki elementarnej, czy też przewidzieć jej przyszłego toru. Fizyka kwantowa zajmuje się tylko zbiorowiskami, a prawa jej dotyczą nie jednostek, lecz tłumów.
       Tym, co zmusza nas do zmiany starego, klasycznego poglądu, nie jest spekulacja ani nowinkarstwo, lecz twarda konieczność. Trudności związane ze stosowaniem starego poglądu zostały tu wskazane na jednym tylko przykładzie zjawisk dyfrakcyjnych. Można by jednak przytoczyć wiele innych, równie przekonujących przykładów. Nasze próby zrozumienia rzeczywistości nieustannie zmuszają nas do zmian poglądów, ale rozstrzygnięcie, czy wybraliśmy jedyne możliwe wyjście i czy nie można było znaleźć lepszego rozwiązania naszych trudności, należy zawsze do przyszłości.
       Musieliśmy zrezygnować z opisu poszczególnych przypadków, jako obiektywnych zdarzeń w przestrzeni i w czasie; musieliśmy wprowadzić prawa o charakterze statystycznym. Są to główne rysy charakterystyczne współczesnej fizyki kwantowej.
       Poprzednio, wprowadzając nowe byty fizyczne, takie jak pole elektromagnetyczne i grawitacyjne, staraliśmy się możliwie ogólnie charakteryzować równania, oblekające te pojęcia w szatę matematyczną. Uczynimy teraz to samo dla mechaniki kwantowej, nawiązując bardzo krótko do prac Bohra, de Broglie'a, Schrödingera, Heisenberga, Diraca i Borna.
       Rozważmy przypadek jednego elektronu. Elektron może pozostawać pod działaniem dowolnego zewnętrznego pola elektromagnetycznego, a może też być wolny od wszelkich wpływów zewnętrznych. Może się on na przykład poruszać w polu jądra atomowego lub ulegać dyfrakcji na krysztale. Fizyka kwantowa uczy nas, jak formułować równania matematyczne dla każdego z tych zagadnień.
       Zauważyliśmy już podobieństwo między drgającą struną, membraną bębna, instrumentem dętym lub jakimkolwiek innym instrumentem akustycznym z jednej strony, i promieniującym atomem z drugiej strony. Istnieje również pewne podobieństwo między równaniami matematycznymi, rządzącymi zjawiskami akustycznymi, i równaniami fizyki kwantowej. Ale i tym razem interpretacja fizyczna wyznaczanych wielkości jest w każdym z obu wypadków zupełnie inna. Mimo formalnego podobieństwa równań, wielkości fizyczne, opisujące drgającą strunę i promieniujący atom, mają zupełnie różne znaczenie. W przypadku struny pytamy o wychylenie – w dowolnej chwili – dowolnego punktu z jego normalnego położenia. Znając w danej chwili kształt drgającej struny, wiemy wszystko, czego nam potrzeba. Z równań matematycznych dla drgającej struny można wówczas obliczyć odchylenie od położenia normalnego w każdej innej chwili. Fakt, że każdemu punktowi struny odpowiada pewne określone odchylenie od położenia normalnego, można wyrazić ściślej, jak następuje: odchylenie od położenia normalnego jest w każdej chwili funkcją współrzędnych struny. Wszystkie punkty struny tworzą jednowymiarowe continuum, a odchylenie jest funkcją określoną w tym jednowymiarowym continuum, którą można wyliczyć z równań drgającej struny.
       Analogicznie w przypadku elektronu mamy pewną funkcję określoną dla każdego punktu przestrzeni i dla każdej chwili. Funkcję tę będziemy nazywali falą prawdopodobieństwa. Odpowiada ona w naszej analogii odchyleniu od położenia normalnego w zagadnieniu akustycznym. Fala prawdopodobieństwa jest w zadanej chwili funkcją trójwymiarowego continuum, podczas gdy odchylenie struny było w zadanej chwili funkcją jednowymiarowego continuum. Fala prawdopodobieństwa jest katalogiem naszej wiedzy o rozpatrywanym układzie kwantowym i pozwoli odpowiedzieć na wszystkie dotyczące go sensowne pytania statystyczne. Nie mówi ona nic o położeniu i prędkości elektronu w dowolnej chwili, gdyż pytanie takie nie ma w fizyce kwantowej sensu, powie nam jednak, jakie jest prawdopodobieństwo spotkania elektronu w danym miejscu lub gdzie prawdopodobieństwo napotkania elektronu jest największe. Wynik odnosi się nie do jednego, lecz do wielu powtarzanych pomiarów. Równania fizyki kwantowej wyznaczają więc falę prawdopodobieństwa, podobnie jak równania Maxwella wyznaczają pole elektromagnetyczne, a równania grawitacyjne wyznaczają pole grawitacyjne. Prawa fizyki kwantowej są również prawami struktury, ale sens wyznaczanych przez nie pojęć fizycznych jest znacznie bardziej abstrakcyjny niż w przypadku pola elektromagnetycznego i grawitacyjnego; tym razem równania dostarczają tylko środków matematycznych, pozwalających odpowiedzieć na pytania o charakterze statystycznym.
       Rozważaliśmy dotąd elektron w pewnym polu zewnętrznym. Gdyby to nie był elektron, najmniejszy możliwy ładunek, lecz jakiś ładunek znacznie większy, zawierający miliardy elektronów, moglibyśmy pominąć całą teorię kwantów i rozpatrywać zagadnienie w świetle naszej starej fizyki przedkwantowej. Mówiąc o prądach w drucie, o naładowanych przewodnikach, o falach elektromagnetycznych, możemy stosować naszą starą, prostą fizykę, zawartą w równaniach Maxwella. Nie możemy jednak tego uczynić, gdy mowa o zjawisku fotoelektrycznym, natężeniu linii widmowych, promieniotwórczości, dyfrakcji fal elektronowych i wielu innych zjawiskach, w których ujawnia się kwantowy charakter materii i energii. Musimy wówczas jak gdyby pójść o piętro wyżej. Podczas gdy w fizyce klasycznej mówiliśmy o położeniach i prędkościach jednej cząstki, teraz musimy rozważać fale prawdopodobieństwa w trójwymiarowym continuum, odpowiadające zagadnieniu jednej cząstki.
       Fizyka kwantowa podaje swój własny przepis na rozwiązywanie zagadnień, pod warunkiem że przedtem nauczyliśmy się rozwiązywać analogiczne zagadnienia z punktu widzenia fizyki klasycznej.
       Dla jednej cząstki elementarnej, elektronu lub fotonu, mamy fale prawdopodobieństwa w trójwymiarowym continuum, charakteryzujące statystyczne zachowanie się układu przy częstym powtarzaniu doświadczeń. Ale co będzie w przypadku nie jednej, lecz dwóch oddziaływających ze sobą cząstek, na przykład dwóch elektronów, elektronu i fotonu lub elektronu i jądra? Ich wzajemne oddziaływanie sprawia, że nie można ich już rozpatrywać oddzielnie i opisywać z osobna za pomocą fali prawdopodobieństwa w trzech wymiarach. Nietrudno odgadnąć, w jaki sposób trzeba w fizyce kwantowej opisywać układ złożony z dwóch oddziaływających z sobą cząstek. Musimy zejść o piętro niżej i wrócić na chwilę do fizyki klasycznej. Położenie w przestrzeni dwóch punktów materialnych jest w każdej chwili scharakteryzowane przez sześć liczb, po trzy dla każdego punktu. Wszystkie możliwe położenia dwóch punktów materialnych tworzą continuum sześciowymiarowe, a nie trójwymiarowe, jak w przypadku jednego punktu. Jeśli teraz z powrotem wejdziemy o piętro wyżej, będziemy mieli fale prawdopodobieństwa w continuum sześciowymiarowym, a nie trójwymiarowym, jak w przypadku jednej cząstki. Podobnie dla trzech, czterech i więcej cząstek, fale prawdopodobieństwa będą funkcjami w continuum dziewięcio-, dwunasto- i więcej wymiarowym.
       Widać tu wyraźnie, że fale prawdopodobieństwa są czymś bardziej abstrakcyjnym od pola elektromagnetycznego i grawitacyjnego, istniejącego i rozchodzącego się w naszej przestrzeni trójwymiarowej. Tłem dla fal prawdopodobieństwa jest continuum wielowymiarowe i tylko dla jednej cząstki liczba wymiarów jest taka sama jak w przestrzeni fizycznej. Jedyna treść fizyczna fali prawdopodobieństwa polega na tym, że pozwala ona odpowiadać na rozsądne pytania statystyczne w przypadku zarówno wielu cząstek, jak jednej. Tak na przykład w przypadku jednego elektronu moglibyśmy pytać o prawdopodobieństwo spotkania elektronu w danym miejscu. Dla dwóch cząstek moglibyśmy postawić pytanie: jakie jest prawdopodobieństwo spotkania w danej chwili dwóch cząstek w dwóch określonych miejscach?
       Naszym pierwszym odstępstwem od fizyki klasycznej było zaniechanie opisu przypadków jednostkowych jako obiektywnych zdarzeń w przestrzeni i w czasie. Musieliśmy zastosować metodę statystyczną, co nam umożliwiły fale prawdopodobieństwa. Wstąpiwszy raz na tę drogę, musimy posuwać się coraz dalej w kierunku abstrakcji. Trzeba wprowadzać fale prawdopodobieństwa w wielu wymiarach, odpowiadające zagadnieniu wielu cząstek.
       Nazwijmy skrótowo fizyką klasyczną to wszystko, co nie jest fizyką kwantową. Między fizyką klasyczną a kwantową istnieje zasadnicza różnica. Fizyka klasyczna zmierza do opisu obiektów istniejących w przestrzeni i do formułowania praw rządzących ich zmianami w czasie. Jednakże zjawiska ujawniające cząsteczkową i falową naturę materii i promieniowania, jawnie statystyczny charakter takich elementarnych zjawisk, jak rozpad promieniotwórczy, dyfrakcja, wysyłanie linii widmowych i wiele innych, zmusiły nas do zaniechania tego poglądu. Fizyka kwantowa nie zmierza do opisu jednostkowych obiektów w przestrzeni i ich zmian w czasie. W fizyce kwantowej nie ma miejsca na twierdzenia takie, jak „Ten obiekt jest taki a taki i ma taką a taką własność”. Zamiast tego, mamy zdania w rodzaju „Istnieje takie a takie prawdopodobieństwo, że obiekt jednostkowy jest taki a taki i ma taką a taką własność”. W fizyce kwantowej nie ma miejsca na prawa rządzące zmianami jednostkowego obiektu w czasie. Zamiast nich mamy prawa rządzące zmianami prawdopodobieństwa w czasie. Dopiero ta zasadnicza zmiana, którą do fizyki wprowadziła teoria kwantów, umożliwiła wyjaśnienie w sposób zadowalający jawnie nieciągłego i statystycznego charakteru zjawisk w dziedzinie, w której ujawnia się istnienie elementarnych kwantów materii i promieniowania.
       Wyłaniają się jednak nowe, jeszcze trudniejsze problemy, których dotychczas nie udało się jeszcze ostatecznie wyjaśnić. Wspomnimy tylko o kilku takich nie rozwiązanych zagadnieniach. Nauka nie jest i nigdy nie będzie zamkniętą księgą. Każdy istotny krok naprzód pociąga za sobą nowe zagadnienia. Każdy postęp ujawnia po pewnym czasie nowe i głębsze trudności.
       Wiemy już, że w prostym przypadku jednej lub wielu cząstek możemy przejść od opisu klasycznego do kwantowego, od obiektywnego opisu zjawisk w czasie i w przestrzeni do fal prawdopodobieństwa. Ale przypomnijmy sobie tak doniosłe w fizyce klasycznej pojęcie pola. Jak opisać oddziaływanie między elementarnymi kwantami materii i polem? Jeśli do kwantowego opisu dziesięciu cząstek potrzebna jest fala prawdopodobieństwa w trzydziestu wymiarach, to do kwantowego opisu pola potrzeba by fali prawdopodobieństwa w nieskończenie wielu wymiarach. Przejście od klasycznego pojęcia pola do odpowiadającego mu zagadnienia fal prawdopodobieństwa w fizyce kwantowej jest krokiem bardzo trudnym. Wejście o piętro wyżej jest tu zadaniem niełatwym i wszystkie dotychczasowe próby rozwiązania tego zagadnienia należy uważać za niezadowalające. Istnieje również inny podstawowy problem. We wszystkich rozumowaniach dotyczących przejścia od fizyki klasycznej do fizyki kwantowej stosowaliśmy stary, przedrelatywistyczny opis, w którym przestrzeń i czas są traktowane odmiennie. Jeśli jednak próbować brać za punkt wyjścia opis klasyczny w postaci zgodnej z teorią względności, to przejście do problemu kwantowego wydaje się znacznie trudniejsze. Fizyka współczesna podejmuje również i to zagadnienie, ale wciąż dalecy jesteśmy od jego pełnego i zadowalającego rozwiązania. Inna trudność leży w zbudowaniu konsekwentnej fizyki ciężkich cząstek, z których składają się jądra. Mimo wielu danych doświadczalnych i wielu prób rzucenia światła na zagadnienie jądra, najbardziej podstawowe problemy tej dziedziny wciąż jeszcze toną w ciemnościach.
       Nie ma wątpliwości, że fizyka kwantowa wyjaśniła mnóstwo faktów, uzyskując w większości wypadków znakomitą zgodność z doświadczeniem. Nowa fizyka kwantowa jeszcze bardziej oddala nas od starego poglądu mechanistycznego i powrót na dawne pozycje wydaje się dziś mniej prawdopodobny niż kiedykolwiek. Ale zarazem nie ma wątpliwości, że fizyka kwantowa musi się wciąż jeszcze opierać na dwóch pojęciach: materii i pola. W tym sensie jest to teoria dualistyczna, która nie zbliża nas ani o krok do rozwiązania naszego starego problemu sprowadzenia wszystkiego do pojęcia pola.
       Czy dalszy rozwój pójdzie drogą obraną przez fizykę kwantową, czy też należy się spodziewać wprowadzenia do fizyki nowych, rewolucyjnych idei? Czy droga postępu znowu się znajdzie na ostrym zakręcie nauki, jak to często bywało w przeszłości? W ciągu ostatnich lat wszystkie trudności fizyki kwantowej skupiały się wokół kilku zasadniczych zagadnień. Fizyka niecierpliwie oczekuje ich rozwiązania. Niestety, nie sposób przewidzieć, kiedy i gdzie trudności te doczekają się wyjaśnienia.

* W 1949 roku fizyk radziecki Fabrikant i jego współpracownicy wykonali doświadczenie, w którym obserwowano dyfrakcję elektronów, gdy przechodziły one przez przyrząd pojedynczo.
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