Są fizycy utrzymujący, że rozumieją to [odmianę fizyki kwantowej] tak samo jak rozumieją czym są kamienie i szafy. W rzeczywistości rozumieją zgodność teorii z wynikami pomiarów. - Stanisław Lem

 

W tym dokumecie: Co czytać?   Wstęp (S. Lem)    Hugh Everett    Skale postrzegania    Humor

To, co człowiek widzi, zależy zarówno od tego, na co patrzy, jak i od tego, co nauczył się dostrzegać w swym dotychczasowym doświadczeniu wizualnym i pojęciowym.
-- T. S. Kuhn, "Struktura rewolucji naukowych", r.3

W tym dziale:

Paradygmat nauki
Czym jest mechanika klasyczna, mechanika kwantowa i teoria chaosu
na podstawie książki - w tym część przepisana żywcem - Michał Tempczyk: Świat harmonii i chaosu

1. Mechanika klasyczna

Nauka klasyczna stworzyła pewien ogólny obraz świata, opisawszy go jako uporządkowaną strukturę, rządzoną przez określone prawa. Podstawową teorią nauki klasycznej była mechanika, dlatego starano się opisać wszystkie zjawiska jako mechaniczne. Świat mechaniki klasycznej składał się z czasu i przestrzeni oraz dobrze wyodrębnionych i zlokalizowanych przestrzennie ciał. Dzięki euklidesowej strukturze przestrzeni i uniwersalnej skali czasu można było wybrać układ współrzędnych i jednoznacznie przypisać ciałom położenie w przestrzeni i w czasie. Zadanie fizyka polegało na dokładnym opisaniu ruchu, czyli zależnych od czasu zmian położenia obiektów, wykryciu regularności tego ruchu i dokonaniu na tej podstawie przewidywań położenia ciał w zadanej chwili w przyszłości. Mechanika była więc teorią takiego świata. Mogła go komplikować i badać ilościowo, lecz pewnych założeń nie mogła zmienić, dotyczyły one bowiem podstawowej struktury tego, co badała. Gdyby ta struktura uległa zasadniczej zmianie, to mechaniczny obraz świata straciłby sens.
W świecie atomów rządzonych odwracalnymi prawami mechaniki wszelki ruch i zmiana stają się mało istotne. Atomy łącząc się w związki nie tracą swoich własności ani tożsamości. Procesy chemiczne są odwracalne tak jak wszelkie ruchy mechaniczne. Fizykom udało się udowodnić, że skomplikowane procesy dynamiczne, zachodzące w cieczach i gazach dają sie sporowadzić do elementarnych oddziaływań mechanicznych między ich podstawowymi składnikami. Naukowcy jednak nie umieli wyjaśnić, w jaki sposób powstają i rozwijają się nowe jakości, widoczne zwłaszcza w świecie przyrody żywej.
W atomistycznym modelu zjawisk wszelka złożoność miała charakter ilościowy, pochodziła ze skupienia dużej ilości prostych składników. Fakt ten dawał nadzieję na redukcję złożoności do podstawowej prostoty świata atomowego.

2. Statystyczny opis zjawisk

Odmienną propozycją była termodynamika. Opisywała zjawiska równie ogólnie, lecz w inny sposób. Wymagała innego obrazu świata. W termodynamice bada się na przykład procesy mieszania substancji, w których stare tracą swoją tożsamość. Takich zjawisk mechanika nie może opisywać, ponieważ lokalizacja i tożsamość ciał są jej podstawowymi założeniami.
Układ termodynamiczny opisuje się za pomocą parametrów całościowych, takich jak objętość i masa, oraz lokalnych mierzonych w małym obszarze (ciśnienie) lub definiowanych dla jednostki ilości materii (ciepło właściwe).
  To, o czym mówi termodynamika, jest przybliżonym opisem procesów mechanicznych. Ten wielki sukces fizyki klasycznej, dowodzący jedności zjawisk zachodzących na różnych poziomach złożoności materii i uniwersalności mechaniki, nazywa sie redukcją termodynamiki do mechaniki statystycznej.
Oprócz ścisłych rozwiązań równań ruchu termodynamika stanowi kolejną metodę opisu świata - prawa statystyczne. Stosujemy je wtedy, gdy wiemy, że u podłoża obserwowanych procesów leżą proste procesy mechaniczne, układ jednak ma zbyt wiele składników, aby można je było wyodrębnić i obserwować. (Więcej tutaj)

1+2. Teoria ergodyczna, równiania nieliniowe i przestrzeń fazowa

Mechanika i termodynamika stanowią odmienne i nieporównywalne sposoby widzenia świata. Termodynamikę stosuje się gdyż opisuje ona wiedzę o układach fizycznych w sposób uproszczony. Jest teorią przybliżoną. Istotne jest, że niektóre własności układów opisywane przez mechanikę i termodynamikę są sprzeczne.
  Ruch mechaniczny jest ściśle zdeterminowany, a przez to przewidywalny. Matematycznie ujmuje się to tak: znając parametry ciała i jego zachowania względem środowiska w dowolnie wybranej chwili, możemy rozwiązując równania jego ruchu, otrzymać krzywą będącą torem jego ruchu. Kluczowym jest pojęcie WARUNKÓW POCZĄTKOWYCH. Jest to informacja charakteryzująca dany obiekt i jego ruch.
Koncepcja zakładająca przewidywalność i determinizm mechaniczny odnosi się jedynie do sytuacji wyidealizowanych, które nie występują w przyrodzie. Zawsze bowiem zaistnieją zakłócenia, które po krótkim już czasie od puszczenia układu w ruch sprawią, że jego zachowanie odbiegnie od przewidywań.
Przykład: Możemy teoretycznie przewidzieć tor ruchu kuli bilardowej, jednak jedynie na samym początku jej ruchu. Już po kilku odbiciach da o sobie znać nierówność powierzchni stołu, jego krawędzi, lepkość tkaniny itp., które to parametry zmieniają się dynamicznie.

Układ ergodyczny
Ludwig Boltzmann (1844-1906) sformułował pojęcie układów ergodycznych - są to takie układy, które są wystarczająco chaotyczne, aby z powodzeniem stosować do ich opisu mechanikę statystyczną.

Przestrzeń fazowa
Jest to przestrzeń wszystkich parametrów niezbędnych do opisania ruchu danego ciała.
Dla ciała o rozmiarach punktu przestrzeń fazowa ma 6 wymiarów - 3 wymiary położenia przestrzennego oraz trzy opisujące prędkoć punktu.

Równania nieliniowe (w budowie)

3. Teoria chaosu

Oparta na nieliniowej matematyce teoria chaosu wyjaśnia, jakie sa źródła nowych własności i zjawisk. Wyniakają one z nieliniowości procesów. Świat jest nieprzewidywalny. Rozwija się, a nie jedynie powtarza te same proste schematy reakcji chemicznych i powiązań mechanicznych. Wszechświat ma historię. Pierwsze spojrzenie na nieodwracalność - druga zasada termodynamiki - pokazywało ją jako proces niszczenia, rozpadu struktur. Obecna nauka pokazuje nam świat prawdziwie dynamiczny, rozwijający się, wzbogacający swą strukturę i własności. Zjawiska bogate i twórcze jakościowo nie są już mało prawdopodobnymi wyjątkami, możliwymi do odkrycia w stabilnych zakątkach wszechświata, które może zniszczyć drobne zakłócenie wyjatkowo sprzyjających warunków. Stały się one ogólną zasadą rozwoju materii.
Przepływ czasu jest ukierunkowany. Nie jest neutralnym parametrem porządkujacym zjawiska i nie mającym wpływu na ich przebieg. Oznacza to, że powtarzając jakiś eksperyment fizyczny nie jesteśmy w stanie powtórzyć jednego jego warunku - czasu. Prigogine uważa, że jesteśmy świadkami głębokiej zmiany koncepcji tego, co istnieje. Mówi o przejściu od pojęcia bytu do pojęcia stawania się.
Teoria chaosu pokazała, że
(1) pewne układy proste mogą zachowywać się w nieoczekiwany sposób, natomiast
(2) w układach bardzo złożonych można wykryć całościowe uporządkowanie, będące zaprzeczeniem lokalnie panującego nieporządku.
(3) Nie ma ścisłej granicy między nieporządkiem a uporządkowaniem.
(przykłady w budowie)

4. Mechanika kwantowa

Dzięki atomowej teorii budowy materii możliwe było sprowadzenie całego bogactwa świata przyrody do kilku prostych typów zjawisk, którym nadano interpretację mechaniczną. Procesy chemiczne są w pewnym sensie mechanicznymi procesami łączenia i rozdzielania się atomów. Co prawda wiele w tej teorii było spraw niewyjaśnionych, ale ogólny schemat sprowadzania wszystkiego do mechanicznych zmian położenia okazał się efektywny.
Sukcesy mechanicyzmu były ważnymi krokami na drodze do zubożenia obrazu swiata. Wielkim krokiem w tym kierunku było sprowadzenie światła do falowego ruchu pola elektromagnetycznego, a kolorów - do długości fal tego pola. Im większa stawała się moc wyjaśniająca nauk przyrodniczych, tym mniej należało przyjąć za punkt wyjścia tych nauk. Postęp nauki polegał na przejściu od związków chemicznych do pierwiastków, a od atomów do jąder i elektronów.

(w budowie)

Przykład tutaj

5. Ogólna i szczególna teoria względności

(w budowie)

Michael Crichton: Linia czasu
(fragmenty powieści zawierające "podrasowany" przez autora opis
i BŁĘNĄ!!! interpretację zjawiska w mechanice kwantowej)

[...]Dopiero w roku 1957 Hugh Everett zaproponował zupełnie nowe podejście. [...] 

Everett nazwał to wieloświatową interpretacją mechaniki kwantowej. Takie wyjaśnienie pasowało do równań teorii, ale fizycy nie potrafili się z nim pogodzić. Najwięcej zastrzeżeń budził fakt, że w każdym wszechświecie bieg wydarzeń musiałby się wciąż rozszarpywać na nieskończenie wiele torów, rodząc tym samym kolejne wszechświaty. Nikt nie mógł uwierzyć, że nasza rzeczywistość ma taką postać.
- Większość fizyków do dziś nie umie się z tym pogodzić - powiedział spokojnie Gordon - chociaż nikt nie zdołał wykazać, że ta interpretacja jest błędna.
   [...] 

- To bardzo proste doświadczenie. Jest wykonywane od dwustu lat. Ustawmy naprzeciwko siebie dwa ekrany, a w pierwszym zróbmy wąską pionową szczelinę.
   Pospiesznie naszkicował to na kartce.

- Skierujmy teraz na szczeliną strumień świtała. Na drugim ekranie ujrzymy...

- Białą pionową kreskę - odparł Marek. - Od światła przechodzącego przez szczelinę.

- Zgadza się. Będzie to wyglądało mniej więcej tak.
   Wyjął z teczki fotografię.

Niżej zrobił na kartce drugi rysunek.
   - Teraz zamiast jednej szczeliny zrobimy dwie. Kiedy skierujemy na nie strumień światła, zobaczymy...

- Dwie pionowe kreski - wpadł mu w słowo Marek.
   - Nie. Będzie to cały szereg jaśniejszych i ciemniejszych pasków.
   Pokazał drugie zdjęcie.

   - Ale gdy skierujemy strumień światła na cztery szczeliny, otrzymamy dwukrotnie mniej pasków niż poprzednio. Co druga kreska zostanie wygaszona.

   Marek zmarszczył brwi.
- Im więcej szczelin, tym mniej pasków? Dlaczego?
   - Zwykle efekt ten tłumaczy się wzajemnym oddziaływaniem dwóch fal światła przechodzącego przez szczeliny, Fale się sumują, więc w pewnych miejscach wzmacniają, w innych zaś wygaszają nawzajem. Stąd bierze się szereg jasnych i ciemnych pasków na ekranie. Nazywamy to zjawisko interferencją światła, a powstające paski prążkami interferencyjnymi.
   - Jasne - odezwał się Hughes. - Co złego w tym wyjaśnieniu?
   - Co złego? Jest ono oparte na teorii dziewiętnastowiecznej. Wszystko się zgadza pod warunkiem, że założymy falowy charakter światła. Od czasów Einsteina wiemy jednak, że światło jest strumieniem cząstek zwanych fotonami. Jak można wyjaśnić to zjawisko wzajemnym oddziaływaniem materialnych fotonów.
[...]
   - Teoria korpuskularna nie jest taka prosta jak ją pan przedstawił. W zależności od sytuacji cząstki wykazują wiele właściwości falowych. Mogą też interferować ze sobą wzajemnie. W tym wypadku mamy do czynienia z interferencją fotonów. Nietrudno sobie wyobrazić, że w taki czy inny sposób muszą na siebie oddziaływać, tworząc w efekcie prążki interferencyjne.
   - Tylko czy to wytłumaczenie jest prawdziwe? - ciągnął Gordon. - Czy właśnie tak się dzieje? Jednym ze sposobów na ujawnienie prawdy jest eliminacja wszelkich oddziaływań pomiędzy fotonami. Trzeba wziąć wąziutki strumień pojedynczych fotonów. Udało się to wykonać doświadczalnie. Utworzono bardzo cienką wiązkę światła, utworzoną przez liniowy strumień fotonów. Oczywiście zamiast ekranu należało zastosować detektory, w dodatku tak czułe, aby wychwyciły nawet pojedynczy foton. Jasne?
   - W ten sposób całkowicie wyeliminowano interferencję między cząstkami, które przedostawały się przez szczeliną pojedynczo, jedna za drugą. A detektory rejestrowały miejsca, w których fotony zderzyły się z ekranem. I po kilku godzinach uzyskano taki oto rezultat.

   - Jak widzicie, pojedyncze fotony trafiały w ekran tylko w niektórych miejscach, do innych nigdy nie docierały. Zachowywały się dokładnie tak, jak widziany dla nas szerszy snop światła. A przecież to był strumień pojedynczych fotonów, żadne inne cząstki nie mogły z nimi interferować. Niemniej interferencja musiała zachodzić, bo zaobserwowano zwykłe prążki interferencyjne. Powstało więc pytanie: z czym interferuje pojedynczy foton?
   - Jeśli sięgnąć do rachunku prawdopodobieństwa...
   - Nie odwołujmy się do matematyki, pozostańmy przy faktach. To doświadczenie wykonano z prawdziwymi fotonami skierowanymi na prawdziwe detektory. I zaobserwowano interferencję. Wiec co interferowało z fotonami?
   - Musiały to być inne fotony - odparł Stern.
   - Zgadza się, tylko skąd? Detektory nie wykazały obecności jakichkolwiek innych fotonów. Więc skąd się wzięły?
[...] - Interferencja pojedynczych fotonów dowodzi, , iż rzeczywistość jest znacznie bardziej złożona od tego, co obserwujemy w naszym wszechświecie. Jeżeli zachodzi interferencja mimo wyeliminowania wszelkich czynników mogących ją powodować, oznacza to, że interferujące fotony należą do innego wszechświata. Mamy więc dowód na jego istnienie.
   - Dokładnie tak - przyznał Gordon. - Jest to zarazem dowód, że inne wszechświaty oddziałują na nasz wszechświat.

Czasowa skala postrzegania:

[...] Mogła to być kołowa rzecz lub taki sam proces. Różnica między jednym a drugim, jak się powiedziało, zależy po części od skali postrzegania. Gdybyśmy żyli bilion razy wolniej i o tyleż dłużej, gdyby sekunda odpowiadała w owym wyobrażeniu całemu stuleciu, zapewne uznalibyśmy owe kontynenty globu za procesy, ujrzawszy naocznie, jak bardzo są zmienne: poruszały by się bowiem przed nami nie gorzej aniżeli wodospady czy morskie prądy. A gdybyśmy znów żyli bilion razy szybciej, uznalibyśmy wodospad za rzecz - gdyż przedstawiałby się nam jako coś wysoce nieruchomego i niezmiennego. (Stanisław Lem, "Głos pana")

OSTZEŻENIE! Niniejszy produkt przyciaga wszystkie pozostałe frragmenty materii, włączając w to produkty innych producentów, z siłą proporcjonalną do masy produktu i odwrotnie proporcjonalną do odległości między nimi.

PRZENOSIĆ OSTROŻNIE: Masa niniejszego produktu zawiera energię równoważną 85 mln ton TNT na jeden kilogram wagi netto.

UWAGA: Produkt zawiera mikroskopijne naładowane elektrycznie cząsteczki poruszające się z prędkością przekraczającą 900 000 km/h.

CONSUMER NOTICE: Because of the "Uncertainty Principle," It Is Impossible for the Consumer to Find Out at the Same Time Both Precisely Where This Product Is and How Fast It Is Moving.

ADVISORY: There is an Extremely Small but Nonzero Chance That, Through a Process Know as "Tunneling," This Product May Spontaneously Disappear from Its Present Location and Reappear at Any Random Place in the Universe, Including Your Neighbor's Domicile. The Manufacturer Will Not Be Responsible for Any Damages or Inconvenience That May Result.

READ THIS BEFORE OPENING PACKAGE: According to Certain Suggested Versions of the Grand Unified Theory, the Primary Particles Constituting this Product May Decay to Nothingness Within the Next Four Hundred Million Years.

THIS IS A 100% MATTER PRODUCT: In the Unlikely Event That This Merchandise Should Contact Antimatter in Any Form, a Catastrophic Explosion Will Result.

PUBLIC NOTICE AS REQUIRED BY LAW: Any Use of This Product, in Any Manner Whatsoever, Will Increase the Amount of Disorder in the Universe. Although No Liability Is Implied Herein, the Consumer Is Warned That This Process Will Ultimately Lead to the Heat Death of the Universe.

NOTE: The Most Fundamental Particles in This Product Are Held Together by a "Gluing" Force About Which Little is Currently Known and Whose Adhesive Power Can Therefore Not Be Permanently Guaranteed.

ATTENTION: Despite Any Other Listing of Product Contents Found Hereon, the Consumer is Advised That, in Actuality, This Product Consists Of 99.9999999999% Empty Space.

NEW GRAND UNIFIED THEORY DISCLAIMER: The Manufacturer May Technically Be Entitled to Claim That This Product Is Ten-Dimensional. However, the Consumer Is Reminded That This Confers No Legal Rights Above and Beyond Those Applicable to Three-Dimensional Objects, Since the Seven New Dimensions Are "Rolled Up" into Such a Small "Area" That They Cannot Be Detected.

PLEASE NOTE: Some Quantum Physics Theories Suggest That When the Consumer Is Not Directly Observing This Product, It May Cease to Exist or Will Exist Only in a Vague and Undetermined State.

COMPONENT EQUIVALENCY NOTICE: The Subatomic Particles (Electrons, Protons, etc.) Comprising This Product Are Exactly the Same in Every Measurable Respect as Those Used in the Products of Other Manufacturers, and No Claim to the Contrary May Legitimately Be Expressed or Implied.

HEALTH WARNING: Care Should Be Taken When Lifting This Product, Since Its Weight Is Dependent on Its Velocity Relative to the User.

IMPORTANT NOTICE TO PURCHASERS: The Entire Physical Universe, Including This Product, May One Day Collapse Back into an Infinitesimally Small Space. Should Another Universe Subsequently Re-emerge, the Existence of This Product in That Universe Cannot Be Guaranteed.