Transcript Pojęcie materii w fizyce współczesnej

Pojęcie materii w fizyce
współczesnej
Andrzej Łukasik
Zakład Ontologii i Teorii Poznania
Instytut Filozofii UMCS
http://bacon.umcs.lublin.pl/~lukasik
www.filozofia.umcs.lublin.pl
Atomistyczna budowa materii
„Gdyby cała nauka miała ulec zniszczeniu w jakimś kataklizmie i tylko jedno
zdanie można by uratować i przekazać następnym pokoleniom, jakie zdanie
zawierałoby największą ilość informacji w możliwie najmniejszej liczbie
słów? W moim przekonaniu byłoby to zdanie formułujące hipotezę […]
atomistyczną, że wszystko składa się z atomów”.
Richard P. Feynman
www.umcs.filozofia.lublin.pl
Model standardowy fizyki cząstek elementarnych
zbiór teorii obejmujących
współczesną wiedzę
o podstawowych składnikach
materii i ich oddziaływaniach
mechanika kwantowa
kwantowa teoria pola
www.umcs.filozofia.lublin.pl
podstawowe składniki materii i ich oddziaływania
www.umcs.filozofia.lublin.pl
hadrony (np. proton, neutron) składają się z 3 kwarków (p = uuu), n = (udd)
mezony składają się z pary kwark-antykwark (są nietrwałe, cząstka i
antycząstka anihilują)
leptony (np. elektron, neutrina) uznawane są za elementarne
kwarki i leptony – cząstki fundamentalne
www.umcs.filozofia.lublin.pl
mechanika Newtona – oddziaływania między cząstkami jako siła działająca
przez bezpośredni kontakt (actio directa) lub na odległość (actio in distans)
mechanika kwantowa – oddziaływanie między cząstkami jako wymiana
cząstek, kwantów pola (diagramy Feynmana)
[przykład: oddziaływanie elektromagnetyczne
dwóch elektronów przez wymianę kwantu pola
elektromagnetycznego – fotonu]
www.umcs.filozofia.lublin.pl
Unifikacja oddziaływań
www.umcs.filozofia.lublin.pl
Nierozwiązane problemy MS
MS nie wyjaśnia wartości mas cząstek elementarnych (np. dlaczego proton
jest 2000 razy cięższy niż elektron a foton nie ma masy) → mechanizm
Higgsa: przestrzeń jest wypełniona polem Higgsa, cząstki oddziałując z nim
uzyskują masę, stąd: poszukiwanie bozonu Higgsa (lipiec 2012 –
doniesienie o odkryciu w CERN, Large Hadron Collider)
MS nie uwzględnia grawitacji
Obserwacje: materia barionowa („zwykła materia”) stanowi jedynie 4%
materii we Wszechświecie. Czym są ciemna materia (23%) i ciemna
energia [energia próżni równomiernie rozłożona w czasie i przestrzeni]
(73%)? – siła odpychająca odpowiedzialna za przyspieszanie ekspansji
Wszechświata
Antymateria – podczas Wielkiego Wybuchu materia i antymateria były
produkowane w takiej samej ilości. Dlaczego Wszechświat składa się
niemal wyłącznie z materii?
www.umcs.filozofia.lublin.pl
Masa
Newton – masa jako miara ilości materii



mm r

F
masa bezwładna a 
, masa grawitacyjna F   G 1 2 2
r
r
mb
mechanika Newtona: masa jest wielkością stałą (absolutną)
masa bezwładna = masa grawitacyjna
szczególna teoria względności Einsteina – zależność masy od prędkości
m0
m 
2
v
1 2
c
www.umcs.filozofia.lublin.pl
Zasady zachowania
masy: masa substratów przed reakcją równa jest masie produktów po
reakcji (Lavoisier, 1777; Łomonosow,1756)
energii: w układzie zamkniętym całkowita ilość energii pozostaje stała
masy-energii: E  mc masa i energia są sobie równoważne (Einstein,
1905), c = 3 x 108 m/s (prędkość światła w próżni)
2
zasada nieoznaczoności Heisenberga dla energii i czasu  E   t 

2
www.umcs.filozofia.lublin.pl
Klasyczny obraz świata
czas i przestrzeń (absolutne – Newton)
materia korpuskularna (cząstki klasyczne) – dynamika opisywana przez
deterministyczne równania Newtona (Philosophiae naturalis principia
mathematica, 1687)
ciągłe pole elektromagnetyczne – równania Maxwella (1864)
www.umcs.filozofia.lublin.pl
Cząstki klasyczne
nieprzenikliwe mikroskopijne ciała stałe, absolutnie niezmienne,
niepodzielne i niezniszczalne
są realnymi przedmiotami, są dobrze zlokalizowane w czasie i przestrzeni
mają określone pierwotne cechy, które są obiektywne i przysługują im
niezależnie od tego, jakiego rodzaju układy złożone tworzą te cząstki oraz
niezależnie od wykonywanych pomiarów
rozróżnialne indywidua, mogą być policzone i ponumerowane, a zamiana
miejscami dwóch cząstek – nawet wówczas, gdy nie różnią się one od
siebie żadną cechą wewnętrzną – tworzy obiektywnie nowy układ
są niezależnie od siebie istniejącymi indywiduami, o ile znajdują się w
różnych obszarach przestrzeni
www.umcs.filozofia.lublin.pl
Klasyczne a współczesne pojęcie atomu
atomy są obiektami złożonymi (J. J. Thomson, odkrycie elektronu, 1897)
atomy nie są nieprzenikliwe (E. Rutherford , odkrycie jądra atomowego,
1911 – rozmiary jądra stanowią 1/100 000 rozmiarów atomu, ponad 99%
objętości atomu to pusta przestrzeń)
atomy mogą się w siebie przekształcać (A. Becquerel, P. Curie, M.
Skłodowska-Curie – promieniotwórczość)
atomy są podzielne
elektrony nie poruszają się po klasycznie rozumianych orbitach
(zasada nieoznaczoności Heisenberga)
www.umcs.filozofia.lublin.pl
Kwantowy charakter zjawisk
Max Planck: teoria promieniowania ciała doskonale czarnego (1900)
energia jest emitowana i absorbowana nie sposób ciągły (Maxwell), ale w
sposób dyskretny, kwantami
E  h
stała Plancka h – elementarny kwant działania
 34
h  6 , 63  10
J s
Albert Einstein: teoria zjawiska fotoelektrycznego (1905) E  h 
światło jako strumień cząstek – fotonów
h
p 

www.umcs.filozofia.lublin.pl
Niels Bohr: model atomu wodoru (1913)
skwantowanie orbit
h
mvr  n
2
E n  E m  nh 
Louis Victor de Broglie: hipoteza fal materii (1924) – z każdą cząstką
materii o pędzie p związana jest fala materii o długości
 
h
p
dualizm korpuskularno-falowy jest powszechną własnością światła i materii
www.umcs.filozofia.lublin.pl
Werner Heisenberg, Erwin Schrödinger: podstawy mechaniki kwantowej
(1924-1925)
równanie Schrödingera


2
   V   i
2


2m
t
probabilistyczny charakter QM – formalizm pozwala na obliczenie
prawdopodobieństw rezultatów pomiarów (Max Born, 1926)

2
 prob
układ swobodny – ciągła i deterministyczna ewolucja
proces pomiaru – nieciągła i indeterministyczna redukcja wektora stanu
www.umcs.filozofia.lublin.pl
Dualizm korpuskularno-falowy
Falowa teoria światła (elektrodynamika klasyczna – Maxwell, 1864)
Dyfrakcja
Interferencja
Polaryzacja
Hipoteza korpuskularna światła (Einstein, 1905)
Zjawisko fotoelektryczne
Promieniowanie ciała doskonale czarnego
Widma liniowe
Hipoteza fal materii (de Broglie, 1924)
www.umcs.filozofia.lublin.pl
Eksperyment z dwiema szczelinami
Double-Slit Experiment
„Ten jeden eksperyment zawiera w sobie wszystkie tajemnice mechaniki
kwantowej. Jego analiza pozwoli nam na zapoznanie się ze wszystkimi
osobliwościami i paradoksami natury. Każdy inny problem z dziedziny teorii
kwantów można zawsze wyjaśnić, wracając do tego doświadczenia”.
(Richard P. Feynman, Charakter praw fizycznych, s. 138)
www.umcs.filozofia.lublin.pl
Klasyczne cząstki
N1 – liczba cząstek przechodzących przez szczelinę 1
N2 – liczba cząstek przechodzących przez szczelinę 2
N12 – prawdopodobieństwo = średnia liczba cząstek trafiających w dane
miejsce ekranu, gdy otwarte są szczeliny 1 i 2
N12 = N1 + N2 (brak interferencji)
Źródło grafiki:
http://www.blacklightpower.com/theory/DoubleSlit.shtml
www.umcs.filozofia.lublin.pl
Klasyczne fale
H1 – amplituda fali przechodzącej przez szczelinę 1
H2 – amplituda fali przechodzącej przez szczelinę 2
H12 – amplituda fali (obydwie szczeliny otwarte)
H12 = H1 + H2
Natężenie fali: I12 = (H12)2 = (H1 + H2)2 (interferencja),
I1 = (H1)2
I2 = (H2)2
www.umcs.filozofia.lublin.pl
Cząstki kwantowe
Rezultaty eksperymentu:
Elektrony trafiają w detektor pojedynczo
Detektor rejestruje zawsze taką samą, dyskretną
wartość (cały elektron lub nic)
Nigdy dwa detektory nie rejestrują jednego elektronu
Ale!
N12 ≠ N1 + N2
N12 = (a1 + a2)2 – prawdopodobieństwo trafienia elektronu (fotonu) w dany
punkt ekranu (interferencja! – jak w przypadku fal)
a – amplituda prawdopodobieństwa
www.umcs.filozofia.lublin.pl
„Podsumowując, można powiedzieć, że elektrony docierają do detektorów
w całości, tak jak pociski, ale prawdopodobieństwo rejestracji elektronów
jest określone takim wzorem jak natężenie fali. W tym sensie elektron
zachowuje się jednocześnie jak cząstka i jak fala”. (Feynman, Charakter
147)
Elektrony rejestrowane są jako niepodzielne cząstki
Twierdzenie „elektron przechodzi albo przez szczelinę 1 albo przez
szczelinę 2” jest FAŁSZYWE!
„jest rzeczą niemożliwą tak ustawić światła, aby stwierdzić, przez którą
szczelinę przeleciał elektron, nie zaburzając go na tyle, że znika obraz
interferencyjny” (Feynman, Charakter 151)
„[…] nikt nie rozumie mechaniki kwantowej”. (Feynman, Charakter 137)
www.umcs.filozofia.lublin.pl
Kreacja, anihilacja, antymateria
większość (spośród setek) cząstek elementarnych jest nietrwała –
spontanicznie przekształcają
się w inne cząstki
~
n  p  e 
e
uwaga: neutron nie jest zbudowany z protonu, elektronu i neutrina
trwałe: p, e-, e+, γ, ν
… ale
dla każdej cząstki materii istnieje antycząstka (antymateria)


anihilacja pary elektron-pozyton e  e  2 
kreacja pary elektron-pozyton

  e e

www.umcs.filozofia.lublin.pl
Zasada nieoznaczoności Heisenberga
cząstki kwantowe nie są dobrze zlokalizowane przestrzennie
p  x 

2
elektron w atomie nie porusza się po klasycznej orbicie
orbitale reprezentują gęstość prawdopodobieństwa
znalezienia elektronu
przed pomiarem cząstka nie zajmuje ściśle określonego
miejsca
trudności poglądowego wyobrażenia ruchu cząstek kwantowych
www.umcs.filozofia.lublin.pl
Cząstki wirtualne
fluktuacje kwantowej próżni – powstają pary cząstek wirtualnych
efekt Casimira – dwie nienaładowane płytki metalowe przyciągają się
E  t 

2
 
h
p
www.umcs.filozofia.lublin.pl
Superpozycja a zupełność charakterystyki
cząstki klasyczne (rzeczy): każda cząstka ma określoną wartość masy,
ładunku, pędu…
cząstki kwantowe: spin, powab, dziwność…
np. spin cząstki przed pomiarem:
 
1
(   )
2
www.umcs.filozofia.lublin.pl
Nierozróżnialność cząstek identycznych
cząstki kwantowe danego rodzaju (np. elektrony) mają wszystkie własności
takie same
w QM obowiązuje zasada nierozróżnialności cząstek identycznych –
permutacja stanu n cząstek tego samego rodzaju nie powoduje żadnych
obserwowalnych różnic
problem: zasada identyczności nierozróżnialnych Leibniza
www.umcs.filozofia.lublin.pl
„Paradoks” Einsteina, Podolskiego i Rosena
pomiar spinu cząstki 1 ustala spin dowolnie odległej cząstki 2 bez żadnego
oddziaływania
1
nielokalność
 
(     )
Einstein – „upiorne działanie
1
2
1
2
2
na odległość
www.umcs.filozofia.lublin.pl
„Paradoks” Einsteina, Podolskiego i Rosena
1935 — eksperyment myślowy Einsteina, Podolskiego i Rosena (EPR)
1964 — John Stewart Bell — nierówność Bella (założenia: realizm i
lokalność)
1982 — Alain Aspect — eksperymentalna falsyfikacja nierówności Bella
www.umcs.filozofia.lublin.pl
Kot Schrödingera
superpozycja stanów – konsekwencja liniowości mechaniki kwantowej
 
1
 atom
przed rozpadem
kot żywy
 atom po rozpadzie
kot martwy

2
www.umcs.filozofia.lublin.pl
Interpretacja kopenhaska
Niels Bohr, Werner Heisenberg
Mechanika kwantowa nie umożliwia skonstruowania modelu niezależnej od
sytuacji eksperymentalnej realności fizycznej na poziomie atomowym i
subatomowym, lecz jest jedynie schematem pojęciowym służącym do
powiązania ze sobą rezultatów obserwacji.
www.umcs.filozofia.lublin.pl
Interpretacja kopenhaska
„Punktem wyjścia interpretacji kopenhaskiej jest paradoks. Każde
doświadczenie fizyczne, niezależnie od tego, czy dotyczy zjawisk życia
codziennego, czy też mikroświata, może być opisane wyłącznie w
terminach fizyki klasycznej. Język pojęć klasycznych jest tym językiem,
którym posługujemy się, gdy opisujemy doświadczenia oraz ich wyniki.
Pojęć tych nie umiemy i nie możemy zastąpić innymi. Jednocześnie jednak
relacje nieoznaczoności ograniczają zasięg stosowalności tych pojęć. O
ograniczeniu stosowalności pojęć klasycznych musimy pamiętać, gdy się
nimi posługujemy; nie potrafimy jednak udoskonalić tych pojęć”.
W. Heisenberg, Fizyka a filozofia, s. 26.
www.umcs.filozofia.lublin.pl
Zasada komplementarności
w dziedzinie atomowej nie można rozdzielić zachowania się badanych
obiektów od zachowania się przyrządów pomiarowych: warunki obserwacji
wywierają istotny wpływ na przebieg obserwowanych zjawisk, co powoduje
wzajemne wykluczanie się informacji potrzebnych do opisu całości
zjawiska.
dwa klasycznie wykluczające się opisy zjawiska fizycznego są
komplementarne, jeżeli dla poznania całości potrzebne są obydwa, ale
znajomość jednego aspektu wyklucza jednoczesną znajomość drugiego.
komplementarne opisy uzupełniają się i wyczerpują wszelką możliwą
wiedzę o układzie — opis falowy i korpuskularny zdają sprawę z równie
ważnych aspektów zjawisk atomowych i nie ma między nimi sprzeczności,
ponieważ zastosowanie mechanicznych pojęć korpuskuły i fali odnosi się
do wzajemnie wykluczających się układów doświadczalnych.
www.umcs.filozofia.lublin.pl
Zasada komplementarności
„Właśnie fakt, że stoimy przed alternatywą, mając do wyboru albo
wyznaczenie toru cząstki, albo obserwowanie interferencji, uwalnia nas od
paradoksalnego wniosku, który bez tego byłby nieunikniony, mianowicie od
wniosku, że zachowanie się elektronu (lub fotonu) zależy od obecności
otworu w przesłonie, przez który elektron na pewno nie przeszedł. Mamy tu
typowy przykład ilustrujący, jak zjawiska komplementarne zachodzą w
wyłączających się nawzajem warunkach […]; widzimy też wyraźnie, że w
rozpatrywaniu zjawisk kwantowych nie można nakreślić ostrej linii
granicznej między niezależnym zachowaniem się obiektów atomowych a
ich oddziaływaniem z przyrządem pomiarowym, służącym do określenia
warunków, w których zjawiska zachodzą”.
N. Bohr, Fizyka atomowa…, s. 74.
www.umcs.filozofia.lublin.pl
Interpretacja wielu światów
(Many-Worlds Interpretation)
Hugh Everett III (1957), John Wheeler, Bryce de Vitt, David Deutsch
całkowicie obiektywna interpretacja mechaniki kwantowej (eliminacja
“obserwatora”);
eliminacja rozróżnienia klasyczny przyrząd – kwantowy obiekt, traktowanie
każdego systemu fizycznego jako kwantowomechanicznego — zarówno badanego
mikroobiektu, przyrządu pomiarowego, jak i Wszechświata.
w procesie pomiaru realizują się wszystkie możliwości, ale każda w innym świecie
proces pomiaru prowadzi do rozszczepienia wszechświata na wiele równie
realnych wszechświatów, które nie oddziałują ze sobą
www.umcs.filozofia.lublin.pl
Intrepretacja von Neumanna
John von Neumann (1932), London, Bauer, Wigner, Wheeler
CM redukuje się do QM
przyrządy pomiarowe dają się opisać w ramach mechaniki kwantowej —
jako bardziej podstawowej i ogólniejszej teorii
można by przywrócić obiektywistyczne pojmowanie Ψ.
ale... jeśli przyrząd pomiarowy podlega prawom QM, to stany przyrządu
można superponować…, aby wyznaczyć stan przyrządu pomiarowego
trzeba by wprowadzić inny przyrząd itd. ad infinitum…
… proces pomiaru nie mógłby być zakończony bez udziału jakiegoś
dodatkowego czynnika
redukcji wektora stanu dokonuje… akt świadomości obserwatora?
www.umcs.filozofia.lublin.pl
Pytania kontrolne
Scharakteryzuj klasyczne pojęcie elementarnych składników materii.
Porównaj kwantowomechaniczne i klasyczne pojęcie elementarnych składników materii.
Co to są cząstki fundamentalne według modelu standardowego fizyki cząstek elementarnych?
W jaki sposób opisuje się oddziaływania cząstek?
Sformułuj zasadę nieoznaczoności Heisenberga.
Na czym polega dualizm korpuskularno-falowy (eksperyment z dwiema szczelinami)?
Co to jest superpozycja stanów?
Podaj interpretację fizycznego znaczenia funkcji falowej (Born).
Opisz paradoks kota Schrodingera.
Sformułuj podstawowe idee interpretacji kopenhaskiej.
Sformułuj zasadę komplementarności Bohra.
Scharakteryzuj interpretację wielu światów.
Omów podstawowe idee interpretacji von Neumanna.
Na czym polega nielokalność mechaniki kwantowej (EPR)?
Co to jest teoria parametrów ukrytych?
www.umcs.filozofia.lublin.pl
Literatura
K. Ajdukiewicz, Zagadnienia i kierunki
filozofii. Teoria poznania. Metafizyka
Z. Cackowski, Zasadnicze zagadnienia
filozofii
T. Czeżowski, O metafizyce, jej
kierunkach i zagadnieniach
M. Hempoliński (red.), Ontologia.
Antologia tekstów filozoficznych
M. Hempoliński, Filozofia współczesna.
Wprowadzenie do zagadnień i kierunków
W. Krajewski, Współczesna filozofia
naukowa. Metafilozofia i ontologia
T. Kotarbiński, Ontologia, [w:] Ontologia,
teoria poznania i metodologia nauk, s.
101-232
www.umcs.filozofia.lublin.pl