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


podstawowe składniki materii i ich oddziaływania


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


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]


Unifikacja oddziaływań


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?


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


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


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)


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


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)


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


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


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


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)


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)


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


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


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


„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)


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


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


2

xp

Cząstki wirtualne

fluktuacje kwantowej próżni – powstają pary cząstek wirtualnych

efekt Casimira – dwie nienaładowane płytki metalowe przyciągają się


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:


)(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


„Paradoks” Einsteina, Podolskiego i Rosena

pomiar spinu cząstki 1 ustala spin dowolnie odległej cząstki 2 bez żadnego oddziaływania

nielokalność

Einstein – „upiorne działanie

na odległość


)(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


Kot Schrödingera

superpozycja stanów – konsekwencja liniowości mechaniki kwantowej


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.


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.


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.


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.


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


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?


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?



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

Documents

Pojęcie materii w fizyce współczesnej Andrzej Łukasik Zakład Ontologii i Teorii Poznania