W notatce z dn.24.02.br. pt:” Czy fizyka nie lubi materii?”
wprowadziłem dwa rodzaje materii: cząsteczkową i polową. Przy tej drugiej, operowałem pojęciem :”pole fizyczne”.
Czas porozmawiać o polach fizycznych.
Myślę ,że czytelnik od razu na wstępie powinien oswoić się z tym faktem ,że istnieją dwie teorie pól fizycznych: klasyczna i kwantowa [1]. Tym samym ,żargonowo mówi się o klasycznych polach i kwantowych polach.
Klasyczne pole fizyczne, to przestrzenny rozkład jakiejś wielkości fizycznej np. temperatury, ciśnienia, prędkości, siły ,które to wielkości mogą przyjmować dowolne wartości tworzące zbiór ciągły.
Pisząc bardziej jasno: jeżeli każdemu punktowi czasoprzestrzeni przypiszemy określoną wielkość fizyczną ,np. temperaturę, lub prędkość, to tym samym zostało określone pole temperaturowe, lub prędkościowe.
Najbardziej reprezentatywnymi polami klasycznymi są dwa pola: elektromagnetyczne i grawitacyjne. R.Penrose nazywa pole elektromagnetyczne “archetypalnym”[ 2,s.422].
Wielkości fizyczne tworzące przestrzenny rozkład zwany polem fizycznym, mogą być skalarami, wektorami lub tensorami, czyli mamy pola fizyczne skalarne, wektorowe i tensorowe.
Drugą własnością klasycznych pól fizycznych jest ich radykalna odmienność istnienia, od istnienia ciał makroskopowych i cząstek. Najważniejszym elementem tej odmienności jest ten wyrażony przez zasadę superpozycji pól:
W dowolnym punkcie przestrzeni może być jednocześnie n- pól , a wypadkowe pole jest kombinacją liniową pól składowych.
Popularnie ,można to rozumieć ,że pola klasyczne przenikają się wzajemnie .W jednym i tym samym punkcie przestrzeni, może ich być dowolna liczba.
Jeżeli dwa pola są skalarne, to ich nałożenie daje też pole skalarne. W przypadku wektorowych pól ,superpozycja składowych przebiega zgodnie z zasadami działań na wektorach
[np. dodawanie wektorowe, a nie arytmetyczne].
Spróbujmy wyobrazić sobie istnienie świata, w którym obowiązuje zasada superpozycji dla ciał ! W tym samym miejscu są dwa różne ciała. Obawiam się ,czy w takim świecie funkcjonowałoby pojęcie sensu istnienia.
Trzecią własnością – dość zasadniczą- klasycznych pól fizycznych jest niemożliwość zamiany tej formy bytu z formą drugą ,to znaczy z materią cząsteczkową.
Są to dwie formy bytu nie sprowadzalne jedna do drugiej, nie wymienne.
Nikt nie stwierdził dotychczas by gwiazdy znikały, a energia równoważna ich masie spoczynkowej pojawiała się jako intensywne pole grawitacyjne. Albo, by pole grawitacyjne rodziło planety i gwiazdy, lub nawet ciała makroskopowe ,w rodzaje brył skalnych.
Klasyczne pole fizyczne np. magnetyczne ,elektryczne, grawitacyjne, to byt istniejący między ciałami. Istnieje granica między polem, a ciałem. Nie trudna do ustalenia. Pola fizyczne klasyczne, stanowią jakby tło dla materii cząsteczkowej.
Pola fizyczne klasyczne zostały wprowadzone do fizyki
[ M.Faraday, J.C.Maxwell] celem usunięcia paradoksalnej hipotezy “actio in distans”.
Kiedy I.Newton wprowadził pojęcie siły grawitacji i prawo nią rządzące, od razu pojawiło się pytanie: jak to się dzieje, że ciała nie stykające się ze sobą, np. Ziemia i Księżyc działają na siebie ,z tak dużej odległości - siłą? Czy to działanie przyciągające występuje natychmiast, czy przeciwnie: pokonuje tak duże odległości w pewnym czasie?
Jak to jest możliwe, by Słońce odległe od Ziemi o ok.150000000 km “wiedziało” ,że ma utrzymywać -siłą przyciągania- tę planetę w ruchu na torze krzywoliniowym zamkniętym?
I.Newton odczuwał problem z działaniem ciał na odległość, lecz odmówił przedstawienia hipotezy wyjaśniającej ten fenomen przyrody. Miał powiedzieć: “hipotesis non fingo”.
Fizyka pól magnetycznego, elektrycznego, elektromagnetycznego
i grawitacyjnego nawiązała nieświadomie do znanej idei Plotyna hierachii bytów ,emanujących z Jedni[najdoskonalszego bytu] w łańcuchu, o ogniwach coraz mniej doskonałych ,aż do – nieistnienia.
W osnowie tej idei leży myśl, o nieusuwalnej hipostazie pośredniej, między dwoma sąsiednimi bytami.
Istnienie tego “pomiędzy” należy[według Plotyna] do natury wszechrzeczy[3].
Tym “pomiędzy” – ze stanowiska fizyki nowożytnej - jest pole fizyczne. Świat w ten sposób stał się spójny ,jego zawartość nie ma luk. Wypełnieniem ich jest – pole fizyczne.
Fizyka klasyczna pod koniec XIX wieku odsłoniła dualnośc świata: ciała i pola. Ciała wytwarzają pole fizyczne ,a inne ciała podlegają jemu.Do czasu wystąpienia Faradaya i Maxwella ,świat składał się z cząstek newtonowskich i sił.
M.Faraday pierwszy wprowadził obok ciał: linie sił, strumienie linii sił, przestrzeń wypełnioną działaniem, wiodąca własne “życie”. Ten geniusz eksperymentu i intuicjonista, rozumiał pole jako ciało galaretowate, przezroczyste w którym występują naprężenia, odkształcenia, zawirowania.
Rys.1.
James Clark Maxwell to matematyk. Wykorzystał intuicje i modele mechaniczne pola według M.Faradaya i w 1864 roku sformułował równania ,według których we wszechświecie istnieje pole ExB, jako samoistny, oddzielny byt fizyczny. Czyli, on pierwszy w historii fizyki, zunifikował dwa odmienne pola: elektryczne z magnetycznym.
Równania Maxwella, takie jakie występują w jego oryginalnej pracy[4] wprowadzały pojęcia czysto matematyczne tzw. operatory różniczkowe ,które jednak później, po latach, nabrały istotnych sensów fizycznych umożliwiających zrozumienie klasycznego pola elektromagnetycznego.
Operatory te to :
1.gradient , przekształca pole skalarne na pole wektorowe, wskazując kierunek największego wzrostu pola skalarnego,
2.dywergencja ,przyporządkowuje polu wektorowemu pole skalarne, które określa źródła i ujścia pola wektorowego (przepływy)
3. rotacja, przypisuje polu wektorowemu inne pole wektorowe,które jesli jest różne od zera,oznacza istnienie zawirowań w przepływie[jesli pole pierwotne jest przepływem]. [5]
Z równań pola J.C.Maxwella mozna było otrzyma dwa ważne i ogólne twierdzeni:
1.Kada zmiana w czasie wektora E pola elektrycznego, powoduje powstanie prawoskrętnego wirowego pola magnetycznego B.
2.Każda zmiana w czasie wektora B pola magnetycznego, powoduje powstanie lewoskrętnego wirowego pola elektrycznego E.
Herman Minkowski przedstawił równania Maxwella w wersji tensorowej, dzięki czemu wyszły na jaw bardzo ważne ich własności i związek z metryką czasoprzestrzeni, w której działają.[6]
Istnieje poważna różnica ontyczna pomiędzy polem ExB, a polem grawitacyjnym. W polu elektromagnetycznym[ExB] mogą powstawać fale elektromagnetyczne, które niosą pęd i energię, wywierają ciśnienie .
Rys.3
Natomiast w polu grawitacyjnym nie istnieje dynamika energii, nie wykryto do tej pory fal grawitacyjnych, a i zagadnienia teoretyczne związane z tym zagadnieniem, mają rozliczne ,kontrowersyjne rozwiązania, tak że niektórzy fizycy z rezerwą podchodzą do problemu realności fizycznej pola grawitacyjnego, traktując je, jako konstrukcję czysto matematyczną.
Ogólna teoria względności –moim zdaniem- jeszcze bardziej uczyniła pole grawitacyjne bytem nie cielesnym. Grawitacja jest w niej rozumiana, jako własność przestrzeni polegająca na zmianie metryki pod wpływem obecności wielkich mas[astronomicznych].
W pobliżu wielkich mas ,swobodny [bezwładnościowy] ruch cząstek odbywa się nie po liniach prostych, lecz po liniach krzywych zwanych geodetykami [7].
Grawitacja nie jest siłą ,lecz krzywizną przestrzeni.
Rys.4
Prawdziwą jednak rewolucję w poglądach na pola fizyczne wprowadziła fizyka mikroświata, fizyka cząstek elementarnych.
Na początku odkryto dwa nowe pola, lub -jak się zwykło mówić – oddziaływania [8],[9].
*Oddziaływania jądrowe [silne], krótkozasięgowe ,w przestrzeni rzędu 10E(-15) m,
oraz
*Oddziaływania słabe, o jeszcze mniejszym zasięgu[rzędu 10E(-17)m], o intensywności mniejszej ok.10E5 razy od intensywności pola jądrowego .
- Rząd wielkości stałych sprzężenia oddziaływań
|
silne
|
˜1
|
|
elektromagnetyczne
|
˜10 − 2
|
|
słabe
|
˜10 − 5
|
|
grawitacyjne
|
˜10 − 38
|
Powstanie i rozwój kwantowej teorii pola doprowadził do innego spojrzenia na pola elektromagnetyczne i grawitacyjne
Najbardziej istotne różnice pomiędzy obrazem klasycznym pola fizycznego, a kwantowym obrazem, to:
Każde oddziaływanie w polu[według kwantowej teorii pola] ma charakterystyczną dla siebie cząstkę [bozony] pośredniczącą, która przenosi to oddziaływanie .
Rys.5
W polu elektromagnetycznym oddziaływanie jest przenoszone przez tzw. wirtualne fotony. Na przykład, dwa elektrony odpychają się siłą elektryczną według obrazu klasycznego.
Natomiast w kwantowej teorii pola, oddziaływanie między elektronami powstaje na skutek wymiany między nimi wirtualnego fotonu.
Rys.6
Co wcale nie oznacza, że wewnątrz elektronu znajdują się wirtualne fotony.
Natomiast oddziaływanie grawitacyjne byłoby przenoszone przez wymianę między dwoma ciałami bozonów o nazwie grawitony [dotychczas nie odkryte].
B.
W kwantowej teorii pola nie ma różnicy ontologicznej pomiędzy cząstkami, a ich polami.
Każda cząstka jest wzbudzeniem określonego typu pola. Pierwotnym jednak jest dany typ pola, a wtórnym, zjawiskowym jest wzbudzenie tego pola.
Rys.7
Cząstki elementarne, jako wzbudzenia odpowiednich pól, mają bycie zwiewne, konwulsyjne.
Mogą znikać i pojawiać się.
Samorzutnie, spontanicznie mogą podlegać wzajemnym przemianom. Mówimy o naturalnym czasie życia wzbudzeń pola [cząstek elementarnych].Tym procesom zawsze towarzyszą pola, również pojawiające się, lub znikające.
Na przykład, oddziaływanie słabe pojawia się przy następującej przemianie:
Neutron -à proton + elektron + neutrino
Rys.8
Na diagramie Feynmana neutron (n) przemienia się w elektron (e) i neutrino, a przemiana ta polega [w modeli oddziaływania elektrosłabego] na wymianie bozonu pośredniczącego W(-)
Oddziaływanie silne pojawia się przy wymianie pomiędzy nukleonami[protonami, neutronami] bozonów tzw. mezonów “Pi”.
Głębsze wyjaśnienie tego mechanizmu daje chromodynamika kwantowa (ang. QCD – Quantum Chromo Dynamics),która odkryła ,że oddziaływanie silne zachodzi pomiędzy dwoma kwarkami poprzez wymianę cząstek zwanych gluonami, przenoszących jednocześnie ładunki kolorowe i antykolorowe.
Bardzo często sprawcą kreacji i anihilacji cząstek[wzbudzeń pola] jest aparatura pomiarowo-obserwacyjna: w eksperymentach rodzą się i umierają różnego typu wzbudzenia pól fizycznych.
C.
W kwantowej teorii pola ,centralnym zagadnieniem jest unifikacji wszystkich znanych oddziaływań, czyli poszukiwanie jednego, pierwotnego pola kosmicznego ,które przy określonych warunkach -rodziłoby pola jednostkowe ,jako przejawy lub postaci owego pola pierwotnego.
Pewne kroki etapowe na drodze unifikacji wszystkich fundamentalnych oddziaływań już zostały dokonane.
Powtórzę ,bo to w nauczaniu jest za mało podkreślane:
J.Maxwell, wykorzystując odkrycia doświadczalne swych poprzedników[M.Faradaya, A.Amperea] pokazał ,że pola magnetyczne i elektryczne są obliczami jednego pola – elektromagnetycznego.
W roku 1968 A.Salam,S.Weinberg i S.Glashow wykazali, że oddziaływanie elektromagnetyczne i słabe, to przejaw jednego oddziaływania zwanego przez nich elektrosłabym, przenoszonego przez bozony pośredniczące : Z(0),W(+),W(-) i fotony. Oddziaływaniu elektrosłabemu podlegają fermiony.
I to jest tzw. Mała Unifikacja Oddziaływań Fundamentalnych.
Aktualnie istnieją już modele Wielkiej Unifikacji[Grand Unification Theory, GUT],
które łączą oddziaływania silne[QCD],słabe i elektromagnetyczne{QED],jako przejawy jednego pola fizycznego.
Niestety, modele te nie zostały do tej pory potwierdzone doświadczalnie.
Rys.9.
Według Modelu Standardowego zastosowanego do ewolucji wszechświata , powolny spadek temperatury we wszechświecie [ochładzenie] powodował spontaniczne łamanie symetrii równan pola i pola zunifikowane rozpadały się na pola cząstkowe,odseperowane od siebie-takie, jakie dzisiaj obserwujemy.
Proces odwrotny[unifikacja] wymaga olbrzymiach energii, a o takie, nie jest łatwo .
Na przykład słynny akcelerator LHC [ z którym były kłopoty w fazie startowej] – rozpędził już protony do energii 3,5 bilionów eV [3,5 TeV],gdy tymczasem dla wystąpienia GUT potrzebne są energie rzędu 10E15 GeV !
Pokazanie ,że kiedyś istniało jedno pole fizyczne w całym wszechswiecie [czyli opracowanie TOE], oraz idealna symetria czyli identyczność wszystkich bytów, która nastepnie została spontanicznie złamana, rodząc róznorodność i odrębność pól fizycznych i cząstek – wymaga jeszcze większej energii[chociaż ten ostatni odstęp powyżej wartości 10E15 GeV, jest niewielkiego rzędu, bo ok. 10E18 GeV].
Jaka aparatura zaprojektowana i zrealizowana przez człowieka ,może wykazać, iż TOE [Theory Of Evrything] ma sens, jako idea o pierwotnym stanie Przyrody?
Oto bariera techniczna[nie pisząc nic o problemach teoretycznych np. z uciekaniem rozwiązań równań do «nieskończoności»], chyba niemozliwa do pokonania ,czyli kres tego paradygmatu uprawiania fizyki, jaki obowiązuje w badaniach mikroświata [10].
Pokonanie tej bariery może nastąpić za setki lat , lub wcale , a może nowy,nie przeczuwany nawet ,kontakt świadomości z przyrodą zrodzi nową fizykę dzisiaj niepojęta dla nas ?
Literatura
[1] R.S.Ingarden, Elektrodynamika klasyczna i kwantowa,
Toruń,1998
[2] R.Penrose, Droga do rzeczywistości,Warszawa,2007,s.421-435
[3] Plotyn, Eneady,t.I/II,Warszawa,1959
[5] D.J. Griffiths, Podstawy elektrodynamiki, PWN, Warszawa, 2005
[7]B.F.Schutz,Wstęp do ogólnej teorii wzgledności,Warszawa,1995,s.166-171
[8] N.Zettili, Quantum mechanics,N.Y.2008
[9]F.Wilczek,B.Devine, W poszukiwaniu harmonii, Warszawa,2007,s.235-281
[10] L.Smolin, Życie wszechświata,Warszawa,1997,s.17-87
