Kłamstwa dla dzieci

The National – Exile Vilify


To będzie odważny wpis. Będzie wzór, będzie mechanika kwantowa, wezmę się za bary z bozonem Higgsa i teorią strun. Czyli wszystko czym tylko można odstraszyć „casualowego czytelnika”. Mimo to liczę, że się nie wystraszycie, bo nie planuję wchodzić w te tematy głęboko. Jestem po Waszej stronie i nie rozumiem fizyki kwantowej. Feynman też nie rozumiał.

Mimo mocnego tytułu notka nie będzie też o bzdurach (a przynajmniej w większości). Kiedy piszę o kłamstwach dla dzieci nie mam na myśli kompletnego fałszu, a jedynie uproszczenia. Ci z nas, których uczono praw dynamiki Newtona (mam nadzieję, że wciąż uczy się ich każdego w podstawówce i/lub szkole średniej), mogą pamiętać, że każde ciało porusza się z przyspieszeniem wprost proporcjonalnym do wypadkowej siły (w szczególnym wypadku zero) i odwrotnie proporcjonalnym do jego masy. Tymczasem w rzeczywistości jest to bardziej złożone:

Po pierwsze w uogólnionej wersji (znaczy lepszej ;) ), mówimy, że zmiana pędu ciała jest proporcjonalna do działającej wypadkowej siły (w pędzie zawarta jest już masa). Ale Albert Einstein wykazał (i od stu lat wszystkie eksperymenty to potwierdzają), że prędkość światła jest stałą fizyczną. Ma to ogromne konsekwencje dla świata – rzeczy w ruchu inaczej postrzegają upływ czasu, ich masa i długość ulegają zniekształceniom, dzieje się sporo dziwnych rzeczy, w które nie mam zamiaru się zagłębiać. Istotne jest to, że gdy tylko ciało nie jest w spoczynku w grę wchodzą poprawki relatywistyczne. Wzór po lewej to „kłamstwo dla dzieci”.

„Kłamstwa dla dzieci” to przemilczenia i uproszczenia. Tu na Ziemi w większości przypadków obcujemy z prędkościami tak małymi, że używanie wzoru po prawej po prostu nie ma sensu. Dla przykładu – rekord prędkości przelotowej samolotu Blackbird (ten z X-Men) wynosi ponad 3500 km/h. Jeśli uwzględnimy teorię względności okaże się, że dla nieruchomego obserwatora prędkość wyniesie 3500,00000001947 km/h czyli trzy i pół tysiąca kilometrów i dziewiętnaście mikrometrów na godzinę. Dlatego do dziś, każdego dnia inżynierowie na całym świecie używają zasad, które opisał Newton w Principia Mathematica w 1687. Jednocześnie astronomia, astronautyka, GPS polegają na teorii Einsteina.

„Kłamstwa dla dzieci” to (na ogół) nieszkodliwe uproszczenia. To co obserwujemy, w większości jest wypadkową sumy niewyobrażalnej ilości drgających atomów. Nasze wyobrażenie atomów jako kuleczek też jest ogromnym uproszczeniem. Jeśli zainteresujemy się tą tematyką, dowiemy się, że elektrony (i nie tylko) można sobie wyobrazić jako chmury prawdopodobieństwa. Obłoczki przyjmują różne kształty, im ciemniej tym większa szansa, że w danym momencie trafimy tam na elektron.

Każdy słyszał o dualizmie korpuskularno-falowym. Obiekty kwantowe mają dwoistą naturę – zachowują się zarówno jak fale i jak cząstki. Dualizm brzmi mądrze, jak dorzucimy do tego korpuskularna-falowy pozostaje chyba tylko inteligentnie pokiwać głową. Ale przecież fala to zaburzenie ośrodka, COŚ musi falować. A korpuskuła to cząsteczka, chmurka, słonik, jakiś OBIEKT. Tego nie da się pogodzić. A jednak eksperymenty niezbicie dowodzą, że elektrony, fotony itd. zachowują się jednocześnie jak fale i jak cząstki. Dla mnie dualizm korpuskularno-falowy to ładny eufemizm na „nie mam pojęcia czym to jest”.

Nic dziwnego, że naukowcy poszukują zupełnie innych podejść jak teoria strun, gdzie nie ma kuleczek, nie ma fal, są struny wibrujące w wielu wymiarach. Oczywiście to podwaliny pod kolejne kłamstwo dla dzieci, bo przecież te struny mają się nijak do tych makroskopowych strun. Więc mogłaby to być teoria różowych słoni, w której wszystkie elementy świata są słonikami, a ich fizyczne własności są wynikiem tego jak bardzo są one różowe.

Nie jest moim celem krytyka tych uproszczeń, choć niektóre mogą być szkodliwymi a nie niewinnymi ułatwieniami (jak na przykład popularne i mylące przedstawienie ewolucji wyjaśnione powyżej i tutaj). Są konieczne dla ambitnych ssaków, które praktyczny nóż ewolucji przystosował do przetrwania na sawannie, gdzie ucieczka przed drapieżnikiem i zdobycie pożywienia nie wymagały rozumienia i dostrzegania efektów fizyki kwantowej ani relatywistki. „Wszechświat nie jest zobligowany do bycia w zgodzie z naszym zdrowym rozsądkiem”, bo ten został ukształtowany w innym celu.

Chcę zamiast tego wskazać ciekawą myśl. Być może te wszystkie uproszczenia są tak naprawdę utrudnieniami. U podstaw reguł świata, gdzieś na samym dnie, do którego mamy nadzieję kiedyś dotrzeć, tkwią prawdopodobnie ekstremalnie proste zasady. Materia i energia to dwa oblicza tego samego. Trzy z czterech oddziaływań opisuje jedna teoria, a podejrzewamy że wszystkie są tak naprawdę różnymi obliczami jednego. Ostatnio upewniliśmy się co do koncepcji, która powstała 50 lat temu i „roboczo” była traktowana jako pewnik przez Model Standardowy. Mówię tu o bozonie Higgsa. Prawda jest taka, że gdyby nie bozon i pole Higgsa, model by się po prostu posypał. Ale nie o tym miałem...

Musiałem przekopać się przez kilka warstw kłamstw dla dzieci, żeby dotrzeć do sedna tematu. A przynajmniej tak mi się wydaje. Nie zapominajmy, że jak ktoś twierdzi, że rozumie fizykę kwantową, to na pewno nie rozumie fizyki kwantowej. W każdym razie – jak przebijemy się przez gazetowe opisy o tym, że „Higgs nadaje cząstkom masę”, opowiastki o zatłoczonym pokoju czy o melasie, to dotrzemy do czegoś ciekawego – cząsteczki które nie posiadają masy muszą poruszać się z prędkością światła. Cząsteczki posiadające masę poruszałyby się z prędkością światła, ale spowalnia je to, że oddziałują z wszechobecnym polem Higgsa.

Jak się okazuje mieć masę, to znaczy „obijać się” o pole Higgsa. Pomiędzy odbijaniem się cząsteczka porusza się z… prędkością światła. Prędkości mniejsze niż prędkość światła są zatem tylko efektem złożenia tych interakcji. Większa masa oznacza intensywniejsze oddziaływanie z polem czyli, że trudniej zmienić prędkość danej cząstki*. To wszystko to oczywiście kolejne kłamstwo dla dzieci. Powyższy rysunek ładnie pokazuje, ze elektron tylko czasem uderza w wszechobecne pole Higgsa, bozon W obija się o nie intensywnie, a foton w ogóle je ignoruje. Ale przecież takie pole to nie siatka kuleczek, a fotony i elektrony i bozony też nie są kuleczkami. Do tego patrząc na ten rysunek można się zastanawiać jak to jest, że cząsteczki nie zmieniają co rusz kierunków. Po prostu – to kolejne uproszczenie.

Zamiast wnikać głębiej przejdę do konkluzji. Czy to nie wspaniałe? Materia i energia to jedno i to samo, cztery podstawowe siły są prawdopodobnie odmianami jednej, a do tego wszystko co istnieje we Wszechświecie porusza się i oddziałuje z prędkością światła. Obecnie ucząc o świecie stosujemy metodę „top-down” mówimy o materii, która składają się z atomów, potem przechodzimy do fizyki kwantowej itd. Być może kiedyś dotrzemy do tak prostego opisu rzeczywistości, że będziemy mogli uczyć „bottom-up”. Powiedzieć jak dysponując jedną fundamentalną siłą, masą energii i jedną dopuszczalną prędkością można po odpowiednim czasie otrzymać gwiazdy, galaktyki, dziobaki i burgery pieczone na żywym ogniu.


Linki:
Obrazek pola Higgsa
Obrazek „stick evolution” (M. F. Bonnan)
Drugi obrazek o ewolucji
Najlepsze wyjaśnienie bozonu Higgsa jakie do tej pory znalazłem
Jak działają magnesy – niby nie w temacie, ale ten film świetnie pokazuje jak efekty kwantowe z obcego nam świata rzeczy mikroskopowych propagują do „naszego” świata.


* - Zwróćcie uwagę jak mylące są te uproszczenia. Można by pomyśleć, że skoro mocniej wchodzi w interakcję, to po prostu będzie się poruszać wolniej (cięższe w naszym pojmowaniu), ale bardziej oddziaływać z polem Higgsa = mieć większą bezwładność. Dlatego choć rysunek kropkami wyjaśnia część zjawiska, może wprowadzać w błąd. Porównanie pola Higgsa do melasy w której grzęźnie samochód brzmi jakby w tym polu wszystko spowalniało, a to też nie jest prawda. "Zwalnia" obiekt na który działa wypadkowa siła skierowana przeciwnie do kierunku jego dotychczasowego ruchu.