Pojęcie materii w fizyce współczesnej Andrzej Łukasik Zakład Ontologii i Teorii Poznania
description
Transcript of Pojęcie materii w fizyce współczesnej Andrzej Łukasik Zakład Ontologii i Teorii Poznania
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
masa bezwładna , masa grawitacyjna
mechanika Newtona: masa jest wielkością stałą (absolutną)
masa bezwładna = masa grawitacyjna
szczególna teoria względności Einsteina – zależność masy od prędkości
www.umcs.filozofia.lublin.pl
bm
Fa
r
r
r
mmGF
2
21
2
2
0
1cv
mm
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: masa i energia są sobie równoważne (Einstein, 1905), c = 3 x 108
m/s (prędkość światła w próżni)
zasada nieoznaczoności Heisenberga dla energii i czasu
www.umcs.filozofia.lublin.pl
2mcE
2
tE
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
stała Plancka h – elementarny kwant działania
Albert Einstein: teoria zjawiska fotoelektrycznego (1905)
światło jako strumień cząstek – fotonów
www.umcs.filozofia.lublin.pl
sJh
hE
341063,6
h
p
hE
Niels Bohr: model atomu wodoru (1913)
skwantowanie orbit
Louis Victor de Broglie: hipoteza fal materii (1924) – z każdą cząstką materii o pędzie p związana jest fala materii o długości
dualizm korpuskularno-falowy jest powszechną własnością światła i materii
www.umcs.filozofia.lublin.pl
p
h
nhEE
hnmvr
mn
2
Werner Heisenberg, Erwin Schrödinger: podstawy mechaniki kwantowej (1924-1925)
równanie Schrödingera
probabilistyczny charakter QM – formalizm pozwala na obliczenie prawdopodobieństw rezultatów pomiarów (Max Born, 1926)
układ swobodny – ciągła i deterministyczna ewolucja
proces pomiaru – nieciągła i indeterministyczna redukcja wektora stanu
www.umcs.filozofia.lublin.pl
t
iVm
2
2
2
prob 2
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
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
kreacja pary elektron-pozyton
www.umcs.filozofia.lublin.pl
eepn~
2 ee
ee
Zasada nieoznaczoności Heisenberga
cząstki kwantowe nie są dobrze zlokalizowane przestrzennie
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
2
xp
Cząstki wirtualne
fluktuacje kwantowej próżni – powstają pary cząstek wirtualnych
efekt Casimira – dwie nienaładowane płytki metalowe przyciągają się
www.umcs.filozofia.lublin.pl
p
h
2
tE
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:
www.umcs.filozofia.lublin.pl
)(2
1
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
nielokalność
Einstein – „upiorne działanie
na odległość
www.umcs.filozofia.lublin.pl
)(2
12121
„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
www.umcs.filozofia.lublin.pl
martwykot rozpadzie po atomżywykot rozpadem przed atom2
1
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
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