Ta niesamowita fizyka, Szkoła, Szkoła Gimnazjum, Fizyka
[ Pobierz całość w formacie PDF ]jak to odkryli
nie przyrody. Najpierw obserwujemy różne ciała,
patrzymy, jak się zmieniają i jak na siebie wzajem-
nie wpływają. Następnie próbujemy postawić hipote-
zę tłumaczącą to, co zaobserwowaliśmy i patrzymy,
czy to się potwierdza. Bardzo często, gdy zaobserwu-
jemy jakieś zjawisko, próbujemy je powtórzyć w wa-
runkach eksperymentalnych. Udane doświadczenie,
które pozwoli nam „skopiować” zachowanie Przyro-
dy, jest najlepszym potwierdzeniem tego, że dobrze
rozumiemy istotę danego zjawiska. Wtedy mamy bo-
wiem pewność, że nie tylko dobrze potrafimy je opi-
sać, ale też rozumiemy, jakie warunki fizyczne muszą
zajść, aby miało ono miejsce. Gdybyśmy bowiem np.
źle rozumieli, jaka jest przyczyna zamarzania wody
w jeziorze (czyli osiągnięcie temperatury 0°C), to nie
Tomasz Sowiński
jest asy-
stentem w Centrum Fizyki Te-
oretycznej PAN. W 2005 roku
skończył z wyróżnieniem stu-
dia na Wydziale Fizyki Uni-
wersytetu Warszawskiego
w zakresie fizyki teoretycznej,
a trzy lata później uzyskał tam
stopień naukowy doktora. Od
lat zajmuje się popularyzacją
nauk przyrodniczych. W roku
2008 otrzymał tytuł Mistrza Po-
pularyzacji Nauki „Złoty
Umysł” w konkursie Prezesa
Polskiej Akademii Nauk.
Ta niesamowita
fizyka
Tomasz Sowiń ski
wowaniu i wnikliwemu analizowaniu zjawisk przyrod-
niczych odkryliśmy pewne prawa fizyki, a następnie
dzięki ich teoretycznej analizie odkryliśmy, że w przyro-
dzie mogą również zachodzić zjawiska, których nigdzie
nie obserwujemy. Odkrycie, że taka możliwość istnieje,
to niewątpliwy sukces, ale jeszcze większy polega na
tym, że potrafimy tę możliwość potwierdzić, budując
urządzenia realizujące te niesamowite zjawiska. Jako
przykład niech posłużą nam dwa zjawiska z dziedziny
fizyki kwantowej.
54
wiedzielibyśmy, że do wytworzenia lodu w warun-
kach laboratoryjnych potrzebujemy zamrażarki. Gdy-
byśmy nie zaobserwowali, że wiatr unosi liście tym
lepiej, im większa jest ich powierzchnia, to zapewne
wynalezienie żagla w statku byłoby bardzo trudne.
I tak dalej, i tak dalej... Tak właśnie
rodziła się większość wynalazków.
Najpierw jakieś zjawisko obserwo-
waliśmy, później je zrozumieliśmy,
a następnie wykorzystaliśmy do
własnych celów. Oczywiście często
było tak, że potrafiliśmy w pewnym
sensie poprawić przyrodę i skonstru-
owaliśmy urządzenie, które lepiej
działało niż jego pierwowzór od Mat-
ki Natury. Jednak punktem wyjścia
była obserwacja.
Istnieją jednak w historii nauki
takie wynalazki, których odkrycie nie
polegało jedynie na prostym skopio-
waniu i udoskonaleniu jakiegoś zaob-
serwowanego zjawiska. Okazuje się
bowiem, że przyroda nie wykorzystuje
wszystkich możliwości, jakie dają jej
prawa, które nią rządzą. Dzięki obser-
S
tudiowanie fizyki to przede wszystkim podgląda-
Naukowiec prowadzi badania, bo... jest ciekawy.
Przykład 1: Światło laserowe
Pierwszym przykładem,
którym chciałem się posłużyć, jest
światło laserowe. Trudno jest dziś
znaleźć człowieka, który choćby
jednym uchem nie słyszał o lase-
rach, czyli urządzeniach wytwa-
rzających światło laserowe. I choć
mało kto tak naprawdę wie, czym
różni się światło laserowe od
zwykłego światła z żarówki, nie
mówiąc już o zasadzie działania
lasera, to właściwie każdy potrafi
podać przynajmniej kilka rzeczy,
które bez lasera działać by nie
mogły. Podstawowy to oczywiście
wszelkiego rodzaju czytniki płyt
CD i DVD. To właśnie dzięki zas-
tosowaniu lasera, na krążku
niewiele większym niż podstawka
filiżanki zapisać można bez żad-
nego trudu encyklopedię
Britanni-
ca
(44 miliony słów) ponad dwa-
dzieścia razy. Można to zrobić
w kilka minut bez utraty jakiejkol-
wiek informacji, a dzięki upow-
szechnieniu tej technologii koszt
płyty DVD w supermarkecie to nie
więcej niż 2 zł. Nie ma co ukry-
wać – bez
lasera nie mielibyśmy tego.
Inne powszechne zastoso-
wanie laserów, nie mówiąc już
o takich banałach jak wskaźniki laserowe, to przede
wszystkim zastosowania telekomunikacyjne i techno-
logiczne. Bez światła laserowego i światłowodów nie
byłoby szybkich łączy telekomunikacyjnych łączących
kontynenty, a szerokopasmowe łącza internetowe
moglibyśmy włożyć pomiędzy nigdy niespełnione ży-
czenia.
Lasery to również urządzenia ratujące życie
i zdrowie. Wystarczy przejść się do dowolnego szpita-
la i zapytać pierwszego napotkanego chirurga o re-
wolucję laserową w medycynie. To właśnie lasery da-
ły w końcu możliwość przeprowadzania niesamowi-
cie precyzyjnych operacji wnętrza oka czy choćby be-
zinwazyjnych operacji serca bez otwierania klatki
piersiowej. To dzięki doskonałej precyzji lasera (tej
samej, która pozwala upchnąć niesamowitą ilość da-
nych na małej powierzchni płyty CD) zniszczenia tka-
nek podczas operacji są niezwykle małe i tym samym
rany pooperacyjne goją się bardzo szybko. Chyba dziś
nikt nie wątpi, że lasery zrewolucjonizowały nasz
świat.
SKĄD
WZIĄŁ SIĘ LASER?
Jak zatem doszło do odkrycia
światła laserowego? W tym miejscu
warto zadać sobie proste pytanie.
Czy przyroda sama z siebie wytwarza
gdzieś światło laserowe? Hm... być
może. Ale tutaj na Ziemi nikt nigdy
naturalnego (tzn. wytworzonego bez
ingerencji człowieka) światła lasero-
wego nie zaobserwował. Również
z kosmosu światło laserowe do nas
nie dociera. Śmiem twierdzić, choć nie
mam oczywiście na to żadnych dowo-
dów, że nigdzie we Wszechświecie
nie ma miejsca, w którym światło la-
serowe istnieje ot tak sobie. Aby bo-
wiem doszło do tzw. akcji laserowej,
a tym samym do wytworzenia światła
laserowego, muszą być spełnione bar-
dzo specyficzne warunki, które w kos-
mosie raczej samoistnie zaistnieć nie
mogą. Dlaczego zatem ludzie potrafili
je wytworzyć? Dlatego, że przewi-
dzieli, że w pewnych specyficznych
warunkach takie fantastyczne coś
powstanie. No dobrze, ale skąd to
wiedzieli? Przecież jakoś musieli
do tego dojść, prawda? Wiedzieli to,
bo znali MECHANIKĘ KWANTOWĄ.
Jak zapewne pamiętasz, Drogi
Czytelniku (patrz MT 01–12/2007), me-
chanika kwantowa powstała na po-
czątku XX wieku, bo było kilka eksperymentalnych
faktów w mikroświecie, których nie dało się wytłuma-
czyć ówcześnie znaną fizyką. Głównie były to zjawis-
ka związane z promieniowaniem elektromagnetycz-
nym i jego oddziaływaniem z materią. Niezbędne oka-
zało się uznanie, że światło to nic innego jak strumień
fotonów, który jednak czasami zachowuje się jak zwy-
kła fala. Sama budowa atomu też była wielką zagad-
ką do momentu, aż Bohr ją rozwiązał, wprowadzając
zdumiewające i sprzeczne ze „zwykłą” fizyką postula-
ty. Zresztą cała mechanika kwantowa na pierwszy
rzut oka wydaje się całkowicie nierozsądna i zupełnie
sprzeczna ze zdrowym rozsądkiem, a próba jakiejkol-
wiek jej interpretacji w inny sposób, niż jest to przez
nią dozwolone, prowadzi do absurdalnych wniosków.
To jest zresztą jeden z głównych zarzutów, jaki nau-
kowi ignoranci wytaczają przeciwko mechanice
kwantowej. To, że wydaje im się zbyt głupia
i sprzeczna sama ze sobą, aby mogła być prawdziwa.
W moim odczuciu jednak mechanika kwantowa
to teoria wręcz fenomenalna. Jej główną siłą jest bo-
wiem moc przewidywania i odporność na wszelką
weryfikację doświadczalną. Moc przewidywania obja-
wia się na kilku poziomach. Pierwszy jest najmniej
zaskakujący – pozwala przewidzieć własności ato-
mów, promieniowania przez nie emitowanego i poch-
łanianego. To jest mało zaskakujące, bo przecież po to
została stworzona. Ale na kolejnym poziomie jej anali-
zy okazuje się, że dzięki niej możemy wyjaśnić rzeczy,
o których nie wiedzieliśmy, że może ona rozwiązać.
Mechanika kwantowa pozwoliła wyjaśnić zjawisko
nadprzewodnictwa – zdumiewającego zaniku oporu
55
Zapewne niejeden człowiek uważa odkrycie
światła laserowego za jedno z najważniejszych od-
kryć, jakich kiedykolwiek dokonała ludzkość. Zapew-
ne było to odkrycie warte każdych pieniędzy. Choćby
nawet miało kosztować i miliard dolarów, to warto
byłoby je wydać, bo zyski (nie tylko te finansowe) są
i tak znacznie większe. Warto jednak zdać sobie spra-
wę, że skonstruowanie lasera nie byłoby możliwe bez
zainwestowania pieniędzy w pozornie zbędne bada-
nia naukowe, bez przeznaczenia ich dla ludzi, którzy
chcieli TYLKO zrozumieć, jak działa Przyroda.
jak to odkryli
elektrycznego niektórych materiałów w niskich tem-
peraturach (wkrótce i o tym opowiemy). Jednak naj-
bardziej przemawiające są przewidywania mechaniki
kwantowej na kolejnym poziomie – przewidywania
czegoś co nie istnieje samoistnie w przyrodzie. Właś-
nie do tych zjawisk zalicza się m.in. odkrycie światła
laserowego. Zostało ono najpierw przewidziane i op-
racowane teoretycznie na podstawie praw mechaniki
kwantowej. Następnie zostało zrealizowane doświad-
czalnie. I nie zrobiono tego, aby wykorzystać laser do
praktycznych celów (zresztą na początku mało kto
zdawał sobie sprawę z tego, jak laser może być uży-
teczny), ale ze zwykłej naukowej ciekawości, aby
kolejny raz przetestować mechanikę kwantową.
Czyż może być piękniejszy dzień triumfu teorii
naukowej niż sztuczne wytworzenie na podstawie
analizy teoretycznej zjawiska nie występującego
w sposób naturalny? Tym bardziej że nie znamy dziś
żadnego zjawiska w mikroświecie, które byłoby niez-
godne z mechaniką kwantową. To a propos jej odpor-
ności na weryfikację.
Mechanika kwantowa to teoria, której podsta-
wowe postulaty, sformułowane ok. 90 lat temu, nie
zostały do tej pory empirycznie podważone. Jak bar-
dzo my fizycy chcielibyśmy coś takiego znaleźć, nie
muszę chyba nikomu mówić. Przecież podważanie
postulatów to koło zamachowe postępu w fizyce.
A tych jakoś nie można sensownie podważyć, bo od
razu trafia się na problemy doświadczalne. Na razie
każda próba podważenia kończyła się fiaskiem, bo
prowadziła to wniosków sprzecznych z doświadcze-
niem. Tylko w żaden sposób niezmodyfikowana me-
chanika kwantowa przechodzi każdy test weryfikacji
empirycznej. Wielkie musi być zmartwienie wspom-
nianych niedowiarków, bo nie ma żadnych powodów,
aby odrzucić mechanikę kwantową. Tym bardziej że
mam też drugi przemawiający przykład.
Przykład 2: BEC – egzotyczny stan materii
W czasach, gdy podstawy nowoczesnej mecha-
niki kwantowej były już dobrze ugruntowane, fizycy
zrozumieli, że wszystkie cząstki materii ze względu
na ich kwantowe własności można podzielić na dwie
rozłączne grupy zwane dziś (ze względów historycz-
nych)
fermionami
i
bozonami
. Najlepszymi przykłada-
mi
fermionów
są dobrze nam znane elektrony, proto-
ny i neutrony. Najpowszechniej występujące
bozony
to fotony (cząstki światła). Nie chciałbym tutaj wni-
kać, co jest źródłem takiego podziału ani skąd on się
bierze. W każdym razie chciałbym podkreślić dwie is-
totne sprawy:
1.
Fermiony
czasami mogą być jakby połówkami
bozo-
nów
, tzn. ich połączenia w parzyste wielokrotności
mają własności
bozonów
. Dlatego właśnie wśród
atomów różnych pierwiastków, które składają się
z protonów, neutronów i elektronów (czyli tylko
z
fermionów
), można znaleźć zarówno
bozony
, jak
i
fermiony
. Na przykład neutralny atom wodoru jest
bozonem
, bo składa się z jednego protonu i jednego
elektronu, zatem z jednej pary
fermionów
. Z atomem
litu może być natomiast różnie w zależności od te-
go, z którym izotopem mamy do czynienia. Atom
6
Li
(zawiera trzy neutrony, trzy protony i trzy elektrony)
jest
fermionem
, a
7
Li (zawiera cztery neutrony, trzy
protony i trzy elektrony) jest
bozonem
.
2. Wyobraźmy sobie gaz takich samych atomów znaj-
dujący się w bardzo niskiej temperaturze. Wtedy
sprawa tego, czy składa się on z atomów będących
fermionami
, czy
bozonami
ma fundamentalne zna-
czenie i wpływa kolosalnie na jego własności.
Rozwińmy teraz troszkę tę drugą informację.
Jeśli gaz znajduje się w bardzo wysokiej temperatu-
rze, to czy składa się on z
bozonów
czy
fermionów
nie
ma praktycznie żadnego znaczenia. Oba rodzaje ga-
zów będą zachowywały się praktycznie tak samo
i prawie tak jak klasyczny gaz doskonały. Będą poru-
szały się z różnymi prędkościami (patrz rozkład Max-
wella MT 06/2008) i w różnych kierunkach. Jeśli jed-
nak będziemy zmniejszać temperaturę gazu i atomy
będą poruszały się coraz wolniej, to w pewnym mo-
mencie różnica stanie się kolosalna. Poniżej pewnej
temperatury atomy gazu złożonego z
bozonów
(i tylko
bozonów
!) będą zaczynały się w pewnym sensie upo-
dabniać do siebie, tzn. znaczna ich część będzie mia-
ła najmniejszą dozwoloną energię. Fizycy mówią
(i jest to określenie dużo bardziej trafne), że będą
56
obsadzały najniższy stan kwantowy. Takie zjawisko
obsadzania najniższego stanu kwantowego fizycy
nazywają
kondensacją Bosego–Einsteina
(skrót BEC
od ang. Bose–Einstein Condensation), gdyż to właś-
nie hinduski fizyk Satyendra Bose wraz z Albertem
Einsteinem teoretycznie je przewidzieli w 1924 roku.
Trudno jest sobie taką kondensację wyobrazić, a tym
bardziej opisać, gdyż w świecie nam znanym takie
„coś” nie występuje. Można jednak dobrze (choć uży-
wając wyrafinowanych pojęć fizyki teoretycznej) zro-
zumieć pewne konkretne własności takich skonden-
sowanych atomów. Przekładając te własności na
prosty język, można powiedzieć, że atomy tworzące
kondensat Bosego–Einsteina zachowują się tak, jakby
były jednym wielkim atomem i są od siebie (nawet
pod względem stanu kwantowego) nieodróżnialne.
Dlaczego o tym mówię? Otóż tak jak już
wspomniałem, istnienie BEC zostało teoretycznie
przewidziane w 1924 roku. Wynika ono bezpośrednio
z praw mechaniki kwantowej. Właśnie dlatego zosta-
ło odkryte (teoretycznie). Podobnie bowiem jak lasera,
nikt nie zaobserwował naturalnego zjawiska takiej
kondensacji w przyrodzie (choć tu mam podejrzenia,
że może ono zachodzić naturalnie gdzieś w kosmo-
sie). I gdybyśmy nie znali mechaniki kwantowej, to
w ogóle nie wiedzielibyśmy, że taka kondensacja mo-
że mieć miejsce. A tak, dzięki teoretycznej analizie
postulatów mechaniki kwantowej, mamy kolejne nie-
trywialne przewidywanie. No dobrze, ale czy taka
kondensacja rzeczywiście zachodzi, czy może jest to
dowód, że mechanika kwantowa nie może być praw-
dziwa? Dziś odpowiedź na to pytanie jest prosta.
W 1995 roku dwaj amerykańscy fizycy Carl Wieman
i Eric Cornell eksperymentalnie otrzymali kondensat
Bosego–Einsteina dla atomów
87
Rb. Do dnia dzisiej-
szego kondensację udało się przeprowadzić w kilku-
nastu ośrodkach naukowych na świecie i to dla kilku
rodzajów bozonowych atomów. Warto się też poch-
walić, że Polacy wcale nie są tutaj gorsi. Po pierwsze,
warto powiedzieć, że wśród polskich fizyków teorety-
ków jest wielu światowej sławy specjalistów studiu-
jących teoretyczne własności kondensatów
(np. podczas ich zderzania, obracania,
trząśnięcia, podrzucania, rozciągania, itp.).
Po drugie, dokładnie dwa lata temu (2 mar-
ca 2007 r.) w Krajowym Laboratorium Fizyki
Atomowej, Molekularnej i Optycznej w To-
runiu uzyskano pierwszy polski kondensat
Bosego–Einsteina, dołączając tym samym
do światowej czołówki eksperymentalnej.
Dziś nie wiemy dokładnie, jakie prak-
tyczne zastosowanie może mieć kondensat
Bosego–Einsteina. Ale fizycy wciąż go wy-
twarzają i robią z nim wszystko, co tylko
możliwe. Od obracania i rozciągania po roz-
pędzanie i zderzanie. Czy warto wydawać
na to publiczne pieniądze? Przykład lasera
(i wiele innych – tranzystor, dioda...) chyba
jednoznacznie odpowiada na to pytanie.
Z tego punktu widzenia nawet rozsądne
jest inwestowanie w takie „zabawki” fizy-
ków jak wielki zderzacz hadronów. Warto
sobie przy tym wszystkim zawsze zdawać
sprawę, że punkt widzenia społeczeństwa
i podatnika jest zupełnie inny niż punkt wi-
dzenia naukowca. Społeczeństwo inwestuje w bada-
nia naukowe, bo chce mieć z tego zysk (nie tylko ma-
terialny). Naukowiec prowadzi badania, bo... jest cie-
kawy. Ale jedno nie wyklucza drugiego.
z
57
[ Pobierz całość w formacie PDF ]