Filozoficzne wariacje na tematy z fizyki współczesnej. Frank Wilczek, Betsy Devine: „W poszukiwaniu harmonii”

w-poszukiwaniu-harmonii-betsy-devine-frank-wilczek-Tęcza;

„Bo czyż czar wszelki nie znika, nie gaśnie
W zimnym zetknięciu z filozofią właśnie?
Była na niebie tęcza niepojęta,
Czym jest, już wiemy: została wciągnięta
W nudny katalog rzeczy znanych świetnie.
Filozof skrzydła anioła obetnie,
W sprawach tajemnych o ład się postara.
Rozpędzi zjawy w powietrzu, w pieczarach…”(John Keats)
Tęcza, starożytny symbol wielkiej mocy bogów, została odarta z tajemnicy za pomocą odkryć naukowych. Czy oznacza to uszczerbek w pięknie przyrody? Autorzy fascynującej książki o filozoficznych znaczeniach ukrytych w prawach fizyki, twierdzą, że ze współczesnych wyjaśnień naukowych rodzą się nowe znaczenia symboliczne. Możemy zatem je wspólnie odkrywać, podróżując, dzięki tej książce, w głąb olśniewającej rzeczywistości, która przypomina krainę snu i baśni. W krainie tej poezja i fizyka przenikają się wzajemnie, zapraszając do cudownej przygody intelektu. Czym więc jest tęcza? Od tego zdziwienia zaczynamy naszą czarodziejską wyprawę w głąb światła.
Pierwszego kroku w kierunku naukowego wyjaśnienia tęczy dokonał Kartezjusz. Przepuszczając światło słoneczne przez duże naczynie sferyczne, wypełnione wodą, przekonał się, że kuliste krople deszczu potrafią w uporządkowany sposób oddzielić jedną barwę od drugiej. W każdej tęczy bowiem dostrzegamy światło rozbite na barwy. Dwa wieki później, Joseph von Fraunhofer, współczesny Keatsowi ( przełom osiemnastego i dziewiętnastego wieku) odkrył, że pozorna ciągłość tęczy jest złudzeniem. Występują w niej niewielkie przerwy, które dowodzą, iż istnieją długości fali światła, których brak jest w świetle słonecznym. Linie te nazywają się liniami absorpcyjnymi i podobne można odnaleźć w widmie gwiazd. Analizując światło gwiazdy, poprzez rozszczepienie jej widma, można poznać materiał, z którego zbudowane są gwiazdy. A jest to taki sam materiał, z jakiego zbudowana jest Ziemia. Tęcza zatem powinna stać się dla nas symbolem jedności nieba i ziemi.

tęczaŚwiatło samo w sobie ma znacznie bogatszą strukturę, niż to ukazuje nasz zmysł wzroku. Barwa fizyczna jest czymś bardziej podstawowym niż barwa postrzegana. Fizyczną barwę światła określa określa ilość każdej spośród zawartych w nim barw czystych, elementarnych. Pełny zakres barw postrzeganych można odtworzyć poprzez odpowiednie kombinacje trzech czystych barw: niebieskiej, żółtej i czerwonej. W pewnym sensie jesteśmy więc wszyscy daltonistami, gdyż w najlepszym razie postrzegamy trzy średnie spośród nieskończonej rozmaitości barw fizycznych. Inteligencja człowieka bowiem rozwinęła się tak nagle i niedawno w ewolucyjnej skali czasu, że narząd wzroku nie miał czasu za tym nadążyć.
Każdy pierwiastek chemiczny emituje swoje własne, niepowtarzalne  światło podczas podgrzewania i stąd pochodzi wiedza o budowie wszystkich obiektów we wszechświecie. Materia gwiezdna i ziemska są bowiem jednym i tym samym.

Nieskończoność w prostocie;

Rozbieżność między skalą ludzką a atomową jest olbrzymia. Wyobrażenie  tej przepaści ilustruje liczba Avogadra ( 6 i 23 zera), oznaczająca ilość atomów w 1 gramie wodoru. W drobinie materii zawierają się zatem ogromne światy. Na przeciwnym biegunie rzeczywistości odnajdziemy makrokosmos człowieka i wszechświata, mierzony podwójną liczba Avogadra. W tym przepastnym ogromie połyskuje bogactwo znaczeń i struktur, które powstają dzięki kombinacji wielkiej liczby prostych elementów.
droga-mlecznaPrzyglądając się strukturze wszechświata w coraz większych skalach, dostrzegamy jego prostotę i uporządkowanie. Po stuleciach tworzenia map gwiazd, Droga Mleczna okazała się obiektem niezwykłej urody. Łączy ona w sobie rozmaitość cudownych kształtów. Czerwona kula starszych gwiazd leży w środku rozległego, spłaszczonego dysku gazu i gwiazd o wielu barwach, w tym naszego złotego Słońca. Znajdują się tu także dwa świecące ramiona spiralne, utworzone z kosmicznego pyłu, obejmujące czule swoją galaktykę. Wszystkie galaktyki są – po uśrednieniu ich – ułożone w przestrzeni jednorodnie, chociaż uciekają od siebie z prędkościami proporcjonalnymi do ich odległości od nas. Wszechświat się bowiem rozszerza, o czym mówią odkrycia Hubble`a. Ekspansja wszechświata okazuje się taka sama dla wszystkich ewentualnych obserwatorów z różnych galaktyk. Prawo Hubble`a zachowuje jednorodność wszechświata.
Z jakiego stanu wyłonił się obecny wszechświat? Podobnie jak paleontolodzy, badający historię życia, zbierają skamieniałości, kosmologowie również poszukują śladów odległej historii kosmosu. Skoro obserwując ucieczkę galaktyk, jesteśmy świadkami czegoś, co wygląda jak nieustający wybuch, można się spodziewać, że na początku nastąpiło jakieś wybuchowe, osobliwe zdarzenie. Nasz wszechświat bowiem, wg fizyków, rozszerzył się z wcześniejszego stanu o bardzo dużej gęstości i wysokiej temperaturze. Było to prawdziwe, pozbawione struktury, piekło, które wybuchło. Reliktem tamtego odległego zdarzenia jest – wykrywalne dziś – mikrofalowe promieniowanie tła, czyli światło sprzed ok. 10 mld. lat, które dociera do nas w postaci mikrofal.

Transformacje;hands-with-plant1

„Rzeczy niemożliwe zwykle się nie zdarzają” – to twierdzenie Treimana oznacza, że jeśli zwykle cuda się nie zdarzają, to jednak ostatecznie, co jakiś czas się zdarzają. Bardzo pasuje tu teoria pierwiastków chemicznych, które łączą się w określone związki chemiczne, ale same nie dają się rozbić lub przekształcić w inny pierwiastek. Takie było przekonanie na ten temat do czasu odkrycia  radioaktywności na przełomie XIX i XX w. Nagle okazało się jasne, że niemożliwe dzieje się cały czas. Od czasu do czasu bowiem atomy pierwiastków radioaktywnych ulegają spontanicznym przekształceniom w atomy innego rodzaju. Poza tym nie ma żadnych stałych cząstek materii, jak okazało się po odkryciu elektronów, jąder, protonów i neutronów, a z czasem coraz mniejszych cegiełek materii. Fizycy w XX w. zaobserwowali również proces spontanicznego rozpadu neutronu, z którego powstają: proton, elektron oraz zaskakująca dodatkowa cząstka – antyneutrino. Ten szczególny proces transformacji został uznany – wbrew dotychczasowym przekonaniom o stałości przyrody – za fundamentalne prawa fizyki.
Najwcześniejsze widzenie fizycznego świata miało charakter animistyczny; zdarzenia fizyczne interpretowano wg modelu działań ludzkich – jako efekt działania stałych, świadomych czynników. Podobnie model opisujący materię jako złożoną z niezmiennych atomów jest projekcją sposobu, w jaki ludzie organizują sobie widzialny świat. Idea duszy – to kolejny przykład takiego sposobu myślenia, który poszukuje jakiejś substancji leżącej u podstaw każdej zorganizowanej formy świadomego podmiotu. Aby jednak uporządkować naszą coraz dokładniejszą wiedzę i świecie, musimy odejść od tego wygodnego sposobu myślenia. Okazuje się, że sama materia jest zdolna do radykalnych przekształceń na wszystkich poziomach, włącznie z tym najbardziej podstawowym. We współczesnej fizyce zachowywane są nie jakieś konkretne substancje, ale takie abstrakcyjne wartości, jak  energia, pęd i ładunek elektryczny. Niezmiennymi własnościami rzeczywistości są – zamiast konkretnych materiałów – raczej możliwe formy struktur oraz reguły ich przekształceń.

Rzeczywistość kwantowa;

W świecie kwantowym trzeba porzucić zdroworozsądkowe reakcje, gdyż każda droga prowadząca od przyczyn do skutków jest tu nieustannie zamazywana przez niepewność i przypadkowość. Aby zrozumieć mikroświat, musimy przybliżyć sobie jego niezwykłość poprzez analogię i metaforę.
Mechanika kwantowa bierze swój początek z obserwacji zachowania się światła i materii. Żaden fantastyczny świat nie jest dziwniejszy niż naukowa rzeczywistość naszego wszechświata. Światło bowiem zachowuje się jednym razem jak fala, a innym jak cząstka (korpuskuła) i w ten sposób przenosi na dwa różne sposoby informację i energię. Światło przepuszczone przez 2 szczeliny powoduje powstanie na ekranie wzoru interferencyjnego, który świadczy o tym, że światło jest falami powietrznego oceanu. Jednocześnie Einstein w 1905 r. udowodnił, że światło pojawia się w paczkach, czyli kwantach (fotonach), które zachowują się jak cząstki i są nieredukowalne. Kwanty światła potrafią wybić elektrony z oświetlanego metalu, co pokazał Einstein w tzw. efekcie fotoelektrycznym, za który otrzymał Nagrodę Nobla. Światło więc należy traktować jako falocząstki. I ta paradoksalność jest podstawową zasadą istnienia świata.
dusza-i-fizyka_4Tutaj można ujrzeć największą zagadkę fizyki kwantowej. Pojedynczy bowiem foton światła przechodzący przez szczeliny również daje wzór interferencyjny. Czy foton zatem interferuje sam ze sobą? Jak sprawdzić ponadto, przez którą szczelinę przechodzi pojedynczy foton? Wydaje się, że najprostszym rozwiązaniem jest przyjrzenie się fotonowi. Widzimy go jednak tylko wtedy, gdy pochłania go nasze oko, a wówczas foton ulega zniszczeniu i nie powstaje  wzór interferencyjny. Podobnie dzieje się, gdy ustawi się detektory tuż za każdą ze szczelin. Jeśli foton zostaje zarejestrowany, jest pochłaniany i niszczony, jeśli nie zostaje wychwycony, nie wnosi wkładu do wzoru interferencyjnego. Nie jesteśmy zatem w stanie stwierdzić, przez którą szczelinę foton przeszedł, gdyż ingerujemy w proces pomiaru, wpływając na stan fotonu. Nasze kłopoty z pomiarem zjawisk bez ich zaburzania nie są zatem przejściowym problemem technicznym, ale fundamentalną zasadą przyrody. Falocząstki to obiekty, które możemy jedynie opisać jako fale prawdopodobieństwa znalezienia cząstek fotonowych. Falocząstka posiada dwa odgałęzienia i takie samo prawdopodobieństwo przejścia przez obie szczeliny, dopóki nie zostanie przeprowadzony pomiar. Fascynujące jest również to, że gdy fotony zostaną zastąpione elektronami, okazuje się, że i one tworzą wzór interferencyjny.

„Nie mogę uwierzyć, by Bóg grał w kości ze światem” (Einstein);

k,NDM3MzM5NDYsNDkxODUxMzQ=,f,710963_dice_bigWielu spośród twórców fizyki kwantowej niepokoiło się elementem przypadkowości, który wtargnął do podstawowych praw fizyki. W związku z powyższym fizycy próbowali odnaleźć głęboko ukrytą, prawdziwą rzeczywistość. Skoro falocząstki na poziomie kwantowym rozgałęziają się w czasie, a gałęzie te odpowiadają różnym możliwym wynikom, to jak możliwe jest przewidywanie przyszłości na podstawie przeszłości? Fizycy zdecydowanie odróżniają rzeczywistość kwantową od klasycznej. Falocząstki niosą element przypadkowości i niepewności, w świecie obiektów makroskopowych natomiast wiele rzeczy da się przewidzieć. Gdzie leży granica między obu światami? I jaka jest natura zdarzenia, która umożliwia wzajemny kontakt światów? Są różne teorie na ten temat. Jedna z nich – tzw. interpretacja kopenhaska mówi o tym, że w nauce możemy jedynie zajmować się stwierdzeniami, które mają bezpośredni związek z naszym doświadczeniem. Rzeczywistość klasyczna zatem musi zawierać wszystko, co znajduje się w naszej świadomości. Na jakimś etapie więc między kwantowym jądrem a klasycznym światem zachodzi szczególny proces, gdy wybrane zostaje tylko jedno odgałęzienie falocząstki w drodze przypadku. To ma jednak wpływ na późniejszą ewolucję rzeczywistości. Nazywa się to w fizyce redukcją funkcji falowej.
Wg innej teorii przewidywalność świata klasycznego związana jest z prawdopodobieństwem, które można zastosować do wielu układów, a nie tylko do pojedynczych procesów atomowych. Duża liczba elementów przypadkowych statystycznie, po uśrednieniu, może zachowywać się w sposób deterministyczny. W ten sposób spotykają się oba światy.
MTAyNHg3Njg,11465355_11465343

Traktując poważnie ideę, zgodnie z którą wszechświat opisywany jest przez falocząstkę, musimy dojść do wniosku, że zawiera on wiele alternatywnych rzeczywistości, wiele rozgałęzień, które czają się ukryte w niewidzialnej rzeczywistości. W naszej świadomości widoczny jest tylko ten świat, który wyewoluował z procesu kwantowego, ale możliwości rozwoju jest wiele. Ludzie wiodą więc swoje świadome życie na jednej gałęzi falocząstki wszechświata, nieświadomi istnienia innych odgałęzień. Czy nie możemy więc sądzić, iż w alternatywnych światach istnieje nieskończenie wiele kopii nas samych? I nieskończenie wiele wariacji naszych wyborów? Filozoficzne  konsekwencje rewolucyjnych teorii we współczesnej fizyce oszałamiają rozpasaniem wyobraźni i nieskończoną fascynacją tajemnicami istnienia.

Powrót do Pitagorasa;

pitagorasHistoria ludzkości była świadkiem upadku wielu religii, ale chyba żadna nie zginęła z powodu tak niezwykłego jak pitagorejski. Pitagorejczycy byli wspólnotą matematycznych mistyków, którzy w starożytności u podstaw swojej wizji świata umieścili liczbę. Pitagoras bowiem dokonał cudownego odkrycia, polegającego na tym, że dźwięk muzyczny wytworzony przez strunę liry jest związany z jej długością. Przełomowy krok Pitagorasa w tej sprawie to ilościowe opisanie harmonii muzycznej. Ten efekt psychologiczny bowiem można zmierzyć za pomocą liczb. Gdy długości strun pozostają do siebie w stosunku małych liczb całkowitych, wytwarzane przez te struny dźwięki harmonizują ze sobą w przyjemny sposób. I tak oto Pitagoras odkrył cudowny związek między liczbą a wrażeniem zmysłowym. Dlatego właśnie pitagorejczycy posługiwali się mistycznym przekonaniem, że pod warstwa pozorów świat ukrywa głębszy poziom rzeczywistości, w której wszystko jest liczbą.
Zalążkiem kryzysu sekty stało się twierdzenie Pitagorasa na temat trójkąta prostokątnego. Kwadrat przeciwprostokątnej jest równy sumie kwadratów pozostałych boków trójkąta. Chcąc zastosować to twierdzenie do obliczenia długości przekątnej kwadratu, pitagorejczycy doszli do szokującego wniosku. Długość przekątnej kwadratu okazała się liczbą niewymierną! Przez wiele lat fakt ten uważano za wstydliwą porażkę mistyczno – matematycznego światopoglądu i z tego powodu sekta pitagorejczyków przestała istnieć.
W późniejszej fizyce spod znaku Galileusza i Newtona, kładziono nacisk na wielkości, które mogą się zmieniać w sposób ciągły. Uznano za takie te, które można dzielić w nieskończoność, czyli przestrzeń i czas.
We współczesnej fizyce XX w. widać jednak na wielu frontach wyraźny ruch z powrotem ku ideom Pitagorasa. Pod pozorami bowiem ciągłości rzeczywistości odkryto zamaskowany głębszy poziom nieciągłości. Badania mózgu wykazały, że nie odczytuje on całego świata, ale zakodowaną jego wersję niesioną przez impulsy elektryczne układu nerwowego. Podobnie informacja genetyczna również nie jest informacją ciągłą, lecz wzorem 4 zasad, które docierają do komórek jako kombinacje owych zasad, tworząc łańcuch możliwości.
Innym odkryciem nieciągłości w mikroświecie jest obserwacja linii widmowych poszczególnych pierwiastków chemicznych, które są identyczne dla różnych próbek tych samych pierwiastków, ale różnią się zasadniczo od innych pierwiastków. Nie istnieją pośrednie wzory widm. Wzory widmowe odpowiadają ciągom liczb całkowitych, czyli liczbom atomowym.
Nieciągłość, czyli swoisty kod kreskowy wszechświata stwarza możliwość dokładnego i jednoznacznego rozpoznawania się atomów, która leży u podstaw reakcji chemicznych. Pogodzenie zaś ciągłej natury przestrzeni i czasu, odziedziczonej po fizyce klasycznej, z nieciągłością odkrytą w mikroświecie było wielkim odkryciem fizyki XX w. Jednak w zadziwiający sposób niektóre jej kluczowe idee były już zawarte w odkryciach Pitagorasa dotyczących instrumentów muzycznych. W końcu instrument muzyczny wytwarza z ciągłych drgań powietrza czy strun nieciągły zbiór dźwięków. Tak więc – po dwóch i pół tysiąca lat wracamy do Pitagorasa.

Podniecający elektromagnetyzm;

Nowe, zaskakujące odkrycia w zakresie fizyki, dotyczące istnienia tajemniczych pól, rozpoczęły się od Michaela Faradaya (XIX w.) Nie miał on w ogóle typowego wykształcenia w dziedzinie nauk ścisłych. Jako początkujący terminator w zakładzie introligatorskim zainteresował się niektórymi książkami z dziedziny fizyki i chemii, które oprawiał. Wiedza ta tak go zafascynowała, że postanowił poświęcić się filozofii naturalnej. Wykonywał zatem wszystkie opisane w książkach doświadczenia dotyczące elektryczności i magnetyzmu, a następnie zaczął przeprowadzać własne. W swoich badaniach posługiwał się intuicyjnymi obrazami, które narzucały się wyobraźni podczas tej wymiany z przyrodą, zamiast współczesnymi mu ideami teoretycznymi. Przyglądając się, pewnego dnia, wzorom utworzonym przez opiłki żelaza pod wpływem magnesu sztabkowego, Faraday wpadł na pomysł, który później miał zainspirować Maxwella i zmienić nasz obraz świata. Utworzone przez opiłki żelaza linie zasugerowały Faradayowi obecność odpowiedzialnych za to zjawisko niewidzialnych linii siły magnetycznej. Pusta przestrzeń objawiła mu się więc jako róg obfitości, pełen niewidocznej, ale bardzo silnej struktury. Wkrótce Faraday zaproponował swoją wizję elektrycznych i magnetycznych sił wypełniających przestrzeń. Te wzory sił stały się znane pod nazwą pól elektrycznych i magnetycznych. Niedługo później Faraday odkrył zjawisko indukcji magnetycznej, polegającej na tym, że zmieniające się pole magnetyczne wytwarza pole elektryczne.
depositphotos_5599074-Michael-Faraday Skromne pochodzenie Faradaya i brak wykształcenia matematycznego przyczyniły się do tego, że jego idee pozostały niedocenione do czasu pojawienia się Maxwella, który pochodził z bogatej, szkockiej rodziny, ukończył studia na uniwersytecie w Cambridge i cieszył się reputacją jednego z najwybitniejszych fizyków matematycznych swoich czasów. Postanowił on zapisać w formie równań, w jaki sposób pola elektryczne i magnetyczne powstają i jak zmieniają się w czasie.
Podczas pracy nad tymi zagadnieniami, Maxwell odkrył nowe zjawisko, poszerzając dokonania Faradaya. Otóż istnieje odwrotność indukcji magnetycznej, polegająca na tym, że zmieniające się pole elektryczne wytwarza pole magnetyczne. W ten sposób może się pojawić samonapędzający się cykl, a zaburzenie w polach może zacząć żyć własnym życiem. Tak oto powstał elektromagnetyzm. Odtąd można było sobie wyobrażać, że istnieją nowe okna na świat. Promień świetlny okazał się wiązką pola elektromagnetycznego, a pojęcie pola elektromagnetycznego zawiera znacznie większy zakres promieniowania niż tylko światło widzialne.
Istota idei pól polega na tym, że są one fundamentalnymi składnikami wypełniającymi całą przestrzeń. Żyjemy wśród wielu wzajemnie przenikających się pól – jednego dla fotonów, jednego dla elektronów i tak dalej, z których każde wypełnia przestrzeń. Wszystkie możliwe formy materii i ich oddziaływania są zapisane w każdym najmniejszym wycinku na pozór pustej przestrzeni. Pola zarówno przenoszą siły, jak i tworzą cząstki materialne. Obecność sił zatem i istnienie cząstek stało się dwiema stronami tej samej monety. Materia jest przejawem jednej głębszej rzeczywistości – wypełniających świat pól. I w taki właśnie sposób możemy poszukiwać ukrytej, niewidzialnej istoty istnienia, wzorców energetycznych każdego przejawu egzystencji. Cały świat jest jednym, niepodzielnym polem energetycznym, które się nieustannie przeobraża w wyniku połączeń i rozpadów wirujących substancji energetycznych. Współpracując z tym polem, manewrując swoją energią, można dokonywać cudów we  własnym życiu. Współczesne odkrycia naukowe dowodzą, że DNA naszego organizmu może ulegać każdorazowym zmianom w zależności od sygnału środowiskowego. Wiele w naszym życiu zależy więc od naszej własnej woli i od umiejętności mądrego gospodarowania energią, aby wpływać na kształt naszego życia. Może dlatego natura wymyśliła świadomość? Może cud świadomości otwiera czarodziejskie drzwi do wewnętrznego skarbca. Podróżowanie poprzez odkrycia naukowe w głąb świata jest zatem cudownie podniecającym zajęciem. A zachwyt daje człowiekowi potężną dawkę energii i chce się żyć…

Udostępnij na:
Wpis dodany w dziale: Literatura popularnonaukowa. Tagi: , , . Link bezpośredni: KLIK.

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *