Marcin JAKUBOWSKI: Teorie, które zmieniły świat

TSF Jazz Radio

Teorie, które zmieniły świat

Marcin JAKUBOWSKI

Fizyk w Instytucie Fizyki Maxa Plancka w Greifswaldzie zamujący się badaniami nad syntezą termojądrową. Ukończył studia na Wydziale Matematyki, Fizyki i Informatyki Uniwersytetu Opolskiego, doktoryzował na Uniwersytecie w Bochum prowadząc jednocześnie badania w Forschungszentrum Jülich. Pracował w kilku największych ośrodkach zajmujących się badaniami nad syntezą termojądrową, m.in. w General Atomics w San Diego i National Institute for Fusion Science w Japonii, gdzie wielokrotnie był profesorem wizytującym. Na Twitterze zainicjował stream #PięknoNauki.

Ryc.: Fabien Clairefond

zobacz inne teksty autora

Na początku XX wieku, już ponad 100 lat temu, powstały zręby dwóch teorii, które wywróciły nasze rozumienie rzeczywistości do góry nogami. Zaczęło się całkiem niewinnie. Mechanika kwantowa miała wyjaśnić kilka zjawisk z mikroświata, z którymi nie radziła sobie fizyka klasyczna. “Czemu atom sodu świeci na żółto, a atom wodoru na różowo?” Teoria względności powstała jako odpowiedź na pozornie jeszcze dziwaczniejsze pytanie, które zadał sobie Albert Einstein “Co by się stało, gdybym podróżował na wiązce światła?” – pisze Marcin JAKUBOWSKI

W efekcie dostaliśmy potężne narzędzia odkrywania świata, tego wewnątrz atomu i wszechświata, którego bezmiar nas otacza. Odkryliśmy, że świat jest o wiele dziwniejszy niż wydawało się fantastom. Dzięki tym dwóm teoriom dostaliśmy też prądy filozoficzne i kulturowe, komputery i odtwarzacze płyt kompaktowych, nowoczesną medycynę i nawigację satelitarną. Wkroczyliśmy w nową epokę, a może i nawet w nową erę.

Gdy piszę ten tekst, a Ty czytelniku dzięki światłowodom i satelitom przeczytasz go na swoim komputerze, obaj korzystamy z dokonań mechaniki kwantowej, bez której nie byłoby komputerów, Internetu i smartfonów.

Tranzystor, który wchodzi w skład każdego urządzenia elektronicznego wykorzystuje w praktyce dość dziwaczny efekt, który ujawniają cząsteczki na poziomie kwantowym. Obojętnie jak nie ogrodzilibyśmy cząsteczki, istnieje prawdopodobieństwo (choć czasem bardzo małe), że przeniknie ona przez stworzoną przez nas barierę. Wyobraź sobie czytelniku turystę górskiego, który zamiast cierpliwie wspinać się na wierzchołek góry by przejść na drugą stronę, czeka cierpliwie aż przez nią przeniknie. Na poziomie kwantowym to nie efekt czaru Apparatus znanego z powieści o Harrym Potterze, a tzw. efekt tunelowy , zjawisko, które jest jednym z mniej dziwacznych fenomenów w pełnym paradoksów świecie kwantowym.

Jednym z najbardziej dziwacznych jest za to splątanie kwantowe , dzięki któremu istnieją pary cząsteczek, z których jedna “wie” natychmiast co się dzieje z drugą. Mogą być oddalone od siebie o setki, tysiące kilometrów i tak zmiana cechy jednej powoduje natychmiastową reakcję drugiej cząsteczki. Efekt ten jest tak dobrze znany, że wykorzystuje się go do kryptografii kwantowej, a jednak do tej pory nie potrafimy go zinterpretować. Świat kwantowy jest pełen takich paradoksów jak splątanie kwantowe, słynny już kot Schrödingera i fakt, że każda cząsteczka jest jednocześnie falą.

To jest nawet zabawne, że teoria stworzona przez Bohra, Schrödingera i Heisenberga jest jednocześnie najbardziej dokładną, niezawodną teorią jaką udało się stworzyć umysłowi ludzkiemu, a z drugiej strony nie potrafimy sobie w ogóle poradzić intelektualnie z jej konsekwencjami. Świat we wnętrzu atomu jest bardzo, bardzo odległy od tego co podpowiada nam intuicja.

Za każdym razem, gdy dzięki nawigacji GPS w samochodzie zmierzamy pewnie do celu, korzystamy z dokonań ogólnej teorii względności. Niesamowite, prawda? Ale zacznijmy od początku. Galileusz pokazał nam, że grawitacja działa tak samo na wszystko co nas otacza, spadające jabłko, planety i galaktyki.

Prawo powszechnego ciążenia dobitnie unaocznił amerykański astronauta Dave Scott, który stojąc na Księżycu upuścił jednocześnie ptasie pióro i młotek. Obydwa w dokładnie takim samym czasie spadły na powierzchnię naszego satelity.

.Einstein zrozumiał w swoim geniuszu, że żeby to było możliwe, ciążenie nie może być taką samą siłą jak ta dzięki której magnes odpycha lub przyciąga inne magnesy. Ciążenie, które działa na wszystko tak samo, jest uniwersalną własnością przestrzeni, a raczej czasoprzestrzeni, w której jesteśmy zanurzeni. Grawitacja to nic innego jak zakrzywienie czasoprzestrzeni, która nie jest stała i absolutna. Obecność materii wpływa zarówno na czas, jak i na przestrzeń. Właściwie nie można przecenić jak kolosalne ma to znaczenie dla naszego rozumienia świata, który nas otacza.

Wróćmy jednak do nawigacji GPS działającej dzięki systemowi satelit umieszczonych 20000 tys km nad naszymi głowami. Odległość ta sprawia, że satelity odczuwają grawitację cztery razy słabszej niż na powierzchni Ziemi. Zgodnie z ogólną teorią względności zegary umieszczone na ich pokładach tykają troszkę szybciej niż ich ziemskie odpowiedniki. Różnica nie jest duża, raptem 45 milionowych części sekundy, ale na tyle znacząca, że bez korekty już po kilku kilometrach nasza nawigacja byłaby bezużyteczna.

Zakrzywienie czasoprzestrzeni spowodowane przez Ziemię sprawia, że krążą wokół niej Księżyc i sztuczne satelity. (Źródło: Wikipedia)

Zakrzywienie czasoprzestrzeni spowodowane przez Ziemię sprawia, że siedzimy na krzesłach, jabłko spada z drzewa i krąży wokół niej Księżyc. (Źródło: Wikipedia)

.Oczywiście, ogólna teoria względności ma dużo poważniejsze konsekwencje. Dzięki niej potrafimy przewidywać ruchy planet, które poruszają się w zakrzywionej czasoprzestrzeni, tworzyć modele rozwoju wszechświata, ale także znajdować bardzo egzotyczne zjawiska.

Już niedługo po publikacji Alberta Eintsteina, niemiecki fizyk Karl Schwarzschild wyliczył, że bardzo masywne obiekty mogą tak zakrzywić czasoprzestrzeń, że nic, nawet światło nie będzie w stanie z nich uciec. Na dodatek w samym sercu tego obiektu, który nazwano czarną dziurą gęstość materii jest nieskończona.

Długo obliczenia Schwarzschilda traktowano raczej jako matematyczną ciekawostkę niż obiekt badań. Dopiero, gdy w latach 60-tych XX-wieku odkryto gwiazdy neutronowe zaczęto na poważnie szukać także czarnych dziur w kosmosie. Dziś z dużą pewnością wiemy, że we wszechświecie istnieją czarne dziury, które powstają, gdy bardzo masywnym gwiazdom wyczerpie się paliwo termojądrowe. Dziwaczną konsekwencją ogólnej teorii względności są tunele czasoprzestrzenne (postulowane jeszcze przez samego Einsteina), które mogłyby łączyć odległe miejsca we wszechświecie, a nawet umożliwić podróże w czasie.

Nie, nie cytuję książek science-fiction, ani tanich czasopism miłośników UFO. Choć nie udało się do tej pory zaobserwować tuneli czasoprzestrzennych, to są one postulowane przez fizyków zajmujących się teorią względności i kosmologią.

Mechanika kwantowa i ogólna teoria względności, pomimo, że matematycznie bardzo skomplikowane, wpłynęły na to jak żyjemy, co myślimy o wszechświecie i o nas samych. Pokazały, że świat w skali atomowej i galaktyk jest o wiele bardziej skomplikowany niż podpowiadał nam nasz umysł ukształtowany przez ewolucję w trzech wymiarach, na powierzchni Ziemi.

Dziś jednym z największych wyzwań stojących przed nauką jest zunifikowanie tych dwóch teorii. Mechanika kwantowa “opowiada” nam o fotonach, elektronach i atomach istniejących w pełnym paradoksów świecie kwantowym. Planety, galaktyki i czarne dziury opisujemy dzięki ogólnej teorii względności. Czy powstanie kiedyś ogólniejsza teoria, która opisze zarówno atom jak i kosmos? Wielu fizyków ma nadzieję, że tak.

.Już teraz poznaliśmy paradoks, z którymi nie radzą sobie te teorie. Stephen Hawking postuluje że, czarne dziury nie są całkiem czarne. Efekty kwantowe sprawiają, że z czarnych dziur może jednak wydostać się informacja, choć mocno zniekształcona. Może, tak jak świecenie atomów w różnych kolorach wyjaśniła na początku zeszłego stulecia hipoteza kwantów, tak “parowanie” czarnych dziur wyjaśni nowa, nieistniejąca jeszcze teoria? Teoria, która będzie miała tak rewolucyjny wpływ na ludzkość, jak miały dwa intelektualne filary XX wieku: mechanika kwantowa i teoria względności.

Marcin Jakubowski

4

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *

Przemek Janiszewski napisał(a):

Panie Marcinie! #PięknoNauki. Nic dodać, nic ująć. Lubię Pana stream na TT, ale artykuły przemawiają do mnie, ignoranta, z pełną mocą. Dziękuję i liczę na więcej :-) Z pozdrowieniami. Phazineus.

Seb napisał(a):

Podzielam zdanie. Całkiem przypadkowo trafiłem na autora artykułu, śledzę na TT i przyznam szczere, że po takich jak powyższy tekstach człowieka niesamowicie ciągnie do nauki. Pozdrawiam.

Przemek Janiszewski napisał(a):

Panie Marcinie! #PięknoNauki. Nic dodać, nic ująć. Lubię Pana stream na TT, ale artykuły przemawiają do mnie, ignoranta, z pełną mocą. Dziękuję i liczę na więcej :-) Z pozdrowieniami. Phazineus.

Seb napisał(a):

Podzielam zdanie. Całkiem przypadkowo trafiłem na autora artykułu, śledzę na TT i przyznam szczere, że po takich jak powyższy tekstach człowieka niesamowicie ciągnie do nauki. Pozdrawiam.

Magazyn idei "Wszystko Co Najważniejsze" oczekuje na Państwa w EMPIKach w całym kraju, w Księgarni Polskiej w Paryżu na Saint-Germain, naprawdę dobrych księgarniach w Polsce i ośrodkach polonijnych, a także w miejscach najważniejszych debat, dyskusji, kongresów i miejscach wykuwania idei.

Aktualne oraz wcześniejsze wydania dostępne są także wysyłkowo.

zamawiam