MiniNauka #0: Krótka historia fizyki i nauki

W swoim pierwszym wpisie zacząłem z nieco zbyt grubej rury i zasugerowaliście, bym przygotował takie małe kompendium wiedzy uzupełniające tematy, które będę w przyszłości poruszał. Uznałem to za świetny pomysł i czym prędzej przystąpiłem do kompletowania informacji, dlatego też dziś możecie przeczytać wpis drugi, a jednocześnie zerowy. Niczym w kanonie Gwiezdnych Wojen. Uwaga! W tym materiale słowo „teoria” często pojawia się w znaczeniu potocznym, a nie w rozumieniu teorii naukowej.

Wszystko zaczęło się od Newtona

Chociaż nie do końca. Tak naprawdę obecna wiedza fizyczna zaczęła kształtować się już w czasach starożytnych. Już wtedy Archimedes zauważył i opisał wiele podstawowych praw z zakresu mechaniki i hydrostatyki, na przykład Prawo Archimedesa dotyczące wyporu. Również Pitagoras dołożył do całości sporo matematycznych opisów, na przykład jakże powszechnie wykorzystywane Twierdzenie Pitagorasa. Z kolei Arystoteles dostarczył nam podstawy naukowego myślenia i logicznego wnioskowania. Oprócz tego stworzył wiele teorii, które, choć w większości okazały się błędne (na przykład podział świata na „podksiężycowy” i „nadksiężycowy”, coś jak obecna, hehe, teoria płaskiej ziemi) lub niepełne (na przykład definicja ruchu), napędzały rozwój nauki aż do średniowiecza.

W średniowieczu rewolucja rozpoczęła się od Kopernika i słynnego powiedzenia „a jednak się kręci” – myślę, że teorii heliocentrycznej nie muszę nikomu przedstawiać. Następnie Galileusz zaproponował, by tezy udowadniać za pomocą eksperymentów – tak powstała metoda naukowa, która funkcjonuje po dziś dzień. Jednakże dopiero to, co działo się później, zasługuje na prawdziwą uwagę. W 1687 Newton wydał dzieło opisujące dwie obszerne teorie fizyczne – prawo ruchu (znane jako Zasady Dynamiki Newtona) oraz prawo grawitacji, z którego powstało prawo powszechnego ciążenia. Następstwem było powstanie astrofizyki, która jednak pozostała dość uboga aż do czasów Einsteina i jego teorii względności. Nie uprzedzajmy jednak faktów.

Masa to energia, energia to masa

Następne lata były czasem nazwisk takich, jak Boyle i Young, którzy opracowywali podstawy termodynamiki. Być może słyszeliście o napędzie EmDrive, który rzekomo miał łamać właśnie prawa termodynamiki. Ostatecznie okazało się, że ci dwaj panowie wcale się nie pomylili, a jedynie podczas badań założono błędny układ odniesienia –  sam napęd rzeczywiście działa. Ale to tylko taka dygresja. Kolejne dwa znane nazwiska to Thompson i Joule, którzy badali energię – pierwszy udowodnił doświadczalnie, że energię można zamienić w ciepło, a drugi sformułował niezwykle istotną zasadę zachowania energii. Dlaczego istotną? Zakłada ona, że w układzie izolowanym suma energii jest stała, niezależnie od rodzaju, pod jakim występuje. To właśnie ta zasada definitywnie przekreśla szanse na zbudowanie perpetuum mobile. Od nazwiska Joule’a wzięła się również nazwa jednostki energii, czyli dżul.

Tuż przed Einsteinem miało miejsce studiowanie jeszcze dwóch ważnych aspektów nauki – elektryczności oraz magnetyzmu. Tutaj pojawiają się takie nazwiska, jak Faraday (pewnie słyszeliście o czymś takim, jak klatka Faradaya; jeśli nie, polecam link) czy Ohm, na którego cześć jednostka oporu elektrycznego nazywa się właśnie om. Jednakże to James Clerk Maxwell połączył te dwie składowe w jedną, a następnie nazwał ją elektromagnetyzmem. Sformułował również tak zwane Równania Maxwella, które opisują właściwości pola elektrycznego i magnetycznego, a bez których nie istniałaby choćby łączność bezprzewodowa.

Teoria względności Einsteina

Rok 1905 był przełomowy, jeśli chodzi o rozwój nauki. To właśnie wtedy Einstein sformułował szczególną teorię względności, która połączyła w jedno czas i przestrzeń, w efekcie dając czasoprzestrzeń. Na pewno znacie najsłynniejszy fizyczny wzór w popkulturze, czyli E = mc2 – to właśnie on jest cechą charakterystyczną szczególnej teorii względności. Teoria była tak przełomowa, że po dziś dzień nie powiódł się ani jeden eksperyment, który próbował ją obalić. Mało tego, potwierdziła ona lub wręcz ulepszyła wiele poprzednich teorii, na przykład ułatwiła zrozumienie sytuacji, w których należało rozpatrzyć na raz kilka rozłącznych wówczas praw, na przykład mechanikę, optykę i elektromagnetyzm. Sama teoria oparta jest na założeniu, że prędkość światła w próżni jest stała. Jeśli więc zechcielibyście udowodnić, że Einstein się mylił, wystarczy wykazać, że w próżni światło porusza się z prędkością inną niż 299 792 468 metrów na sekundę. Należy przy tym uważać, by przez przypadek nie omsknął się kabel światłowodowy, tak jak to miało miejsce w jednym z eksperymentów badających neutrina; najnowszy z nich opisywałem w poprzedniej części.

Nie samą szczególną teorią człowiek żyje, dlatego 10 lat później Einstein opublikował ogólną teorię względności, która tłumaczyła działanie grawitacji. To właśnie ona wyjaśnia, w jaki sposób masywne obiekty zakrzywiają czasoprzestrzeń. Gdyby nie Einstein, nie potrafilibyśmy nawet wystrzelić porządnie satelity GPS-u, a co dopiero utrzymać go na stabilnej orbicie. A gdyby udało się tego dokonać, to taki satelita bardzo szybko przestałby wskazywać dokładne położenie, ponieważ występuje zakrzywienie czasoprzestrzeni, a nie tylko samej przestrzeni, dlatego też w różnych miejscach zakrzywienia czas płynie w różnym tempie, co nazywane jest grawitacyjną dylatacją czasu. Wystarczy układ dwóch zegarów, by udowodnić, że w pobliżu masywnych obiektów czas płynie szybciej.

Mikroskala

Teoria względności ma jednak pewną wadę, czy raczej specyfikę, a mianowicie odnosi się do świata w makroskali. Za pomocą kilku wzorów jesteśmy w stanie precyzyjnie obliczyć, w którym miejscu Wszechświata znajdzie się Ziemia za milion lat. Wzory nie zadziałają jednak dla obiektów w mikroskali, takich jak choćby atomy. I właśnie tutaj wkracza na scenę fizyka kwantowa. Równolegle z teorią względności, Einstein wraz z Maxem Planckiem i Nielsem Bohrem, pracowali nad teoriami kwantowymi. W 1925 dwaj panowie, Heisenberg i Schrödinger (nazwiska bardzo, ale to bardzo popularne w kulturze, z pewnością je znacie), sformułowali mechanikę kwantową, która łączyła wszystkie poprzednie teorie w jedną całość. A przy okazji – tak, to ten sam Schrödinger, który sformułował paradoks kota Schrödingera. Prawdopodobnie coś się na ten temat w przyszłości tutaj pojawi, ale zanim tego nie opublikuję, wpis będzie dla Was jednocześnie napisany i nienapisany :)

Wracając do tematu – cały czas potwierdzane jest, że te prawa rzeczywiście działają. Najlepszym dowodem są ekrany i urządzenia, z których w tym właśnie momencie korzystacie do czytania tego materiału. Bez mechaniki kwantowej nie bylibyśmy w stanie konstruować tak małych układów, ponieważ obliczenia zgodne z teorią względności tutaj zwyczajnie by się nie sprawdziły. Nie będę się jednak w to zagłębiał, bo jest to temat dość zaawansowany, nadający się bardziej na pracę naukową, niż na luźne, weekendowe czytanie.

Ale wróćmy do mikroskali, ponieważ przez cały czas konsekwentnie ignorowałem przełomy w rodzaju odkrycia elektronu przez Thomsona w 1897 i opisania protonów i neutronów w następnych dziesięcioleciach. Po tych odkryciach rozwinięta została fizyka cząstek elementarnych, która następnie (po kolejnych odkryciach) przekształciła się w twór zwany Modelem Standardowym.

Model standardowy

Model Standardowy to nazwa dla aktualnie obowiązującej teorii cząstek elementarnych. Opisuje zarówno rodzaje cząstek, jak i oddziaływania pomiędzy nimi. Ponownie nie chcę zbytnio zagłębiać się w przewidywania co do istnienia kolejnych cząstek oraz w powody tych przewidywań, ponieważ wystarczy nam wiedza co do aktualnego stanu. Pozwólcie, że przytoczę tutaj diagram z Wikipedii, ponieważ bardzo dokładnie obrazuje podział na fermiony i bozony. Podział ten wynika z przeznaczenia cząstek – fermiony są budulcami materii, natomiast bozony przenoszą oddziaływania. W przypadku fermionów podział na kwarki i leptony wynika z rodzaju oddziaływań, jakim podlegają – kwarki podlegają oddziaływaniom silnym, natomiast leptony oddziaływaniom słabym. Ponadto oba podlegają oddziaływaniom elektromagnetycznym oraz, nieuwzględnionym w modelu standardowym, oddziaływaniom grawitacyjnym.

Czym jednak charakteryzują się te oddziaływania? Sprawa jest tak naprawdę dość prosta. Oddziaływania elektromagnetyczne odpowiadają za siły działające między cząstkami posiadającymi ładunek elektryczny. Jeśli weźmiecie do ręki świetlówkę i staniecie pod liniami wysokiego napięcia, świetlówka zacznie świecić dzięki przepływowi fotonów w polu elektromagnetycznym wytworzonym wokół kabli. Również to, że do Ziemi dociera światło z gwiazd oddalonych o miliardy lat świetlnych (a więc podróżujące przez miliardy lat), to nic innego, jak efekt występowania pola elektromagnetycznego, które istnieje dzięki oddziaływaniom elektromagnetycznym.

W przypadku oddziaływań grawitacyjnych sprawa jest jeszcze prostsza – to, że Ziemia krąży wokół Słońca, a Słońce krąży wokół Drogi Mlecznej, a Droga Mleczna krąży wokół środka masy gromady galaktyk, a gromada galaktyk krąży wokół środka masy supergromady galaktyk (i tak dalej, i tak dalej), to właśnie grawitacja, czyli oddziaływania grawitacyjne. Prawda, że proste? Ciekawostką jest natomiast grawiton, czyli hipotetyczna cząstka elementarna, która miałaby przenosić oddziaływania grawitacyjne tak, jak bozony przenoszą pozostałe. Być może niedawne odkrycia fal grawitacyjnych pozwolą nam uzupełnić Model Standardowy o kolejną cząstkę.

Drugą częścią są oddziaływania silne oraz słabe. Generalnie odpowiadają one za to, co dzieje się pomiędzy różnymi fermionami, aczkolwiek zależności te są na tyle skomplikowane, że nie ma sensu kopiować tutaj jakiegoś naukowego artykułu czy, co gorsza, Wikipedii. Warto jednak wiedzieć, że poszczególne cząstki zbudowane są z kombinacji różnych typów fermionów. Przykładowo proton, jeden z podstawowych składników materii, zbudowany jest z dwóch kwarków górnych i jednego dolnego. Jednakże najciekawszą (przynajmniej w ostatnich latach) cząstką Modelu jest słynny bozon Higgsa, którego istnienie ostatecznie zostało potwierdzone w CERN-ie w 2013 roku. Jest to niesamowicie istotne, ponieważ wyjaśnia pochodzenie masy fermionów, które oddziałują z polem Higgsa, ale to jednak temat na osobny wpis, ewentualnie do poczytania na własną rękę.

Historia fizyki w pig… we wpisie?

Zdaję sobie sprawę, że tak przybliżona historia fizyki jest historią niepełną, pobieżną i ubogą, aczkolwiek myślę, że wyjaśnia sporo podstaw, które mogą stanowić punkt wyjścia do rozszerzenia własnej wiedzy. A tę naprawdę warto rozszerzać, choćby po to, by wiedzieć, w jaki sposób działa mikrofalówka i dlaczego mokry talerz podgrzeje się znacznie, znacznie szybciej niż suchy.

_
#MiniNauka to cykl, w ramach którego staram się przekuwać swoje naukowe (czy raczej popularnonaukowe) zainteresowania w treści popularyzujące wiedzę o świecie i zjawiskach w nim zachodzących. Poruszam się po obszarach fizyki, kosmosu i technologii przyszłości, nierzadko sięgając po inne, powiązane dziedziny, przy zachowaniu przystępnej formy i względnie prostego języka.