Kategorie: Wszystkie | Cel tego bloga | O co chodzi w fizyce | Aktualności | Jak to działa | Niewyjaśnione
RSS
poniedziałek, 26 maja 2008
Precz ze zdrowym rozsądkiem
Aniołowie wprawiający planety w ruch

Współczesna fizyka jest nieustannie atakowana za sprzeczność ze zdrowym rozsądkiem. Krytycy fizyki współczesnej zdają się twierdzić, że fizyka klasyczna jest z nim całkowicie zgodna. Czy aby na pewno?

Zgodne ze zdrowym rozsądkiem było to, co o fizyce twierdził Arystoteles. Był on genialnym filozofem, jednym z duchowych ojców europejskiej cywilizacji, ale jego poglądy na fizykę były błędne. Ich istotą było twierdzenie, że do podtrzymania ruchu konieczne jest działanie siły. Tak jest w naszym świecie codziennym, gdzie na skutek sił tarcia, niepodtrzymywany ruch ustaje. Dziś wiemy, że teza Arystotelesa nie jest bezwzględnie prawdziwa, ale dawni astronomowie przydawali każdej planecie specjalnego anioła, który miał ją popychać przez nieboskłon - wszak według Arystotelesa, ruch bez przyczyny miał być niemożliwy. Trzeba było dopiero geniuszu Galileusza i Newtona, żyjących bez mała dwa tysiące lat po Arystotelesie, żeby obalić jego poglądy na fizykę.

W oparciu o dokonania Newtona sformułowano nową fizykę, zwaną dziś „fizyką klasyczną". Oprócz zupełnie nieintuicyjnych praw, znanych jako zasady dynamiki Newtona, fizyka ta opiera się o szereg pojęć, takich jak punkty materialne, bryły doskonale sztywne i temu podobne. Pomyślmy: Punkt materialny to coś, co ma nieskończoną gęstość. Bryła sztywna z nieskończoną siłą przeciwstawia się każdej próbie odkształcenia. Przecież takie twory nie mogą istnieć! Nikt jednak nie twierdzi, że świat naprawdę zbudowany jest z punktów materialnych, brył sztywnych, ładunków punktowych i ich rozlicznych kuzynów. Przeciwnie, są to tylko obiekty modelowe, idealizacje, ujmujące pewne aspekty otaczającej nas rzeczywistości. Nie elementy rzeczywistości, a tylko części składowe modelu.

Na przełomie XIX i XX wieku, dwieście lat po czasach Newtona, zaczęliśmy doświadczalnie zauważać sytuacje, w których „klasyczne" idealizacje i modele przestawały działać. Zbudowaliśmy więc nowy model, kwantowy, który teraz intensywnie badamy i którego używamy do opisu rozmaitych zjawisk. Elementami tego modelu są między innymi pojęcia funkcji falowej, kwantów i cząstek elementarnych, także będące idealizacjami pewnych aspektów rzeczywistości. Wciąż nie znaleźliśmy przypadków, w których obecny model załamywałby się całkowicie. Można się cieszyć, że jest on tak dobry. Znając jednak historię modeli Arystotelesowskiego i Newtonowskiego, spodziewamy się, że kiedyś napotkamy zjawiska, których obecna fizyka kwantowa nie będzie w stanie ogarnąć. Nie wiemy czy nastąpi to za rok, czy za sto lat. Ale nie martwmy się: przyszli fizycy wymyślą wówczas nowy model, oparty o nowe, dziś dla nas niewyobrażalne idealizacje.

środa, 23 kwietnia 2008
Dlaczego zderzać?

W Genewie rusza LHC, w Stanach od jakiegoś czasu działa RHIC. O maszynach tych było, jest i będzie głośno. Wszyscy czekamy na sensacyjne odkrycia, a może i na koniec świata ;). Mało kto jednak zadał sobie trochę trudu i zastanowił się dlaczego ci szaleni fizycy zderzają te malutkie cząstki.

Stephen Hawking, strasznie znany fizyk, dowiedział się kiedyś, że każde równanie w książce obniża liczbę potencjalnych czytelników o połowę. Mimo to w swojej słynnej Krótkiej historii czasu umieścił jeszcze słynniejszy wzór:

 

Cokolwiek on oznacza, na trwałe wpisał się on w kulturę masową. Skoro Hawkingowi uszło to na sucho, to i ja mogę zaszaleć. Oto "mój" wzór:

"ENERGIA ~ 1 / ODLEGŁOŚĆ"

Przysłowiowe trzęsienie ziemi już za nami, teraz czas na wyjaśnienia. Po pierwsze: wzorów nie należy się bać. Po drugie: "~" oznacza "proporcjonalny do". Po trzecie: ten wzór nie jest do końca prawdziwy, ale pozwala wychwycić fizykę. Pomińmy więc subtelności i zastanówmy się nad konsekwencjami. Powiedzmy, że nie wiemy nic o fizyce i nie mamy pojęca czym są odległość i energia. Jesteśmy ciekawscy, więc kombinujemy. Zmniejszamy "ODLEGŁOŚĆ" 10 razy - "ENERGIA" rośnie 10 razy. Zmniejszamy "ODLEGŁOŚĆ" 1000 razy - "ENERGIA" rośnie 1000 razy. Trywialne, prawda?

Teraz czas na interpretację i tu z pomocą przychodzą szaleni fizycy. Okazuje się (i to jest absolutnie nietrywialna i zupełnie genialna sprawa), że na ten wzór można spojrzeć w następujący sposób:

Dysponując "ENERGIĄ" jesteśmy w stanie zbadać "ODLEGŁOŚĆ" wynoszącą 1 / "ENERGIA". W skrócie im większą dysponujemy energią, tym badamy mniejsze odległości. Przykładowo jeśli zwiększymy energię 10 razy, obserwowane odległości będą 10 razy mniejsze. Jeśli chcemy zbadać cos milion razy mniejszego, musimy dysponować milion razy większą energią.

Skąd ten wzór? W wielkim skrócie z mechaniki kwantowej, która opisuje zjawiska w skali mikro. Jak to się ma do współczesnych akceleratorów? Cząstki elementarne to z definicji małe odległości. Nowe cząstki i nowe zjawiska to oczywiście odległości jeszcze mniejsze. Akcelerator przyspiesza cząstki (mogą to być też na przykład jądra atomowe) nadając im energię. W końcu cząstki zderzają się w detektorze. W wyniku przeważnie powstaje coś takiego (ślady cząstek zarejestrowane przez detektor STAR po zderzeniu jonów złota w eksperymecie RHIC):

 

Z grubsza im szybsze cząstki, tym większa energia zderzenia, tym mniejsze odległości, które badamy. A tam, na małych odległościach, czai się ciekawa fizyka: Higgs, supersymetria, ukryte wymiary, superstruny. Sounds good, co nie?

środa, 16 kwietnia 2008
arXiv, czytaj `arkajw`

Fizyka to nie tylko wzory na tablicy, szaleni naukowcy cali w kredzie oraz laboratoria "na końcu świata" . Fizyka to przede wszystkim publikacje. Stare amerykańskie porzekadło mówi "publish or perish" - "publikuj albo giń".

Powiedzmy, że pracujesz na Uniwersytecie Jagiellońskim w Krakowie i właśnie dokonałeś przełomowego odkrycia w tak egzotycznej (jak na polskie warunki) dziedzinie jak teoria strun. Wynik trzeba szybko spisać, żeby nie zostać "scooped" (slang), czyli po prostu uprzedzony przez równie inteligentnego przedstawiciela społeczności fizyków dajmy na to z Indii. Jako pełnokrwisty fizyk teoretyk nie zrobisz tego w ani popularnym Wordzie, ani OpenOffice'ie. Prawdziwi twardziele używają LaTeX'a (tak naprawdę takie są dzisiaj standardy - nie da się inaczej). Pisanie publikacji w LaTeX'u, to bardziej programowanie niż wstukiwanie tekstu. Nagrodą za dodatkowy wysiłek jest większa kontrola nad wyglądem dokumentu oraz nieźle wyglądające formuły matematyczne.

Okej, załóżmy, że tę żmudna, aczkolwiek przyjemną (fizycy to lubią!!!) pracę masz za sobą - napisałeś artykuł pt: Theory of everything - the end of physics. Teraz czas podbić świat i zgarnąć zasłużonego Nobla / Templetona / medal Diraca. Stawka jak widać jest wysoka :). Tylko jak to zrobić?

 

arXiv.org - internetowe archiwum preprintów

Sprytni fizycy uporali się i z tym problemem. W roku 1991, Amerykanin Paul Ginsparg uruchomił internetowe archiwum (ang. archive) preprintów, czyli artykułów już napisanych, ale jeszcze nie zrecenzowanych przez specjalistów. W ten sposób prawie każdy (są pewne regulacje w tej kwestii) może "wrzucić" swój tekst na stronę arxiv.org i zasłużyć na nieśmiertelną sławę, albo wieczne potępienie :).

Paul Ginsparg

Paul Ginsparg, twórca arXiv.org

Prawie codziennie przybywa kilkadziesiąt artykułów z fizyki, matematyki, biologii teoretycznej, informatyki . Na sieci jest już ich ponad 470 000. Paul Ginsparg został nagrodzony bardzo prestiżowym stypendium Fundacji MacArthura (tzw. stypendium dla geniuszy) za rewolucję w sposobie publikowania badań (tzw. open access - każdy może za darmo obejrzeć dowolny preprint).

Wracając na ziemię... Artykuł Theory of everything - the end of physics na szczęście jeszcze nie powstał i długo nie powstanie. Czasami zdarzają się jednak kwiatki, których autorzy w cudowny sposób dowodzą twierdzenie Fermata "w paru linijkach", albo interpretują na nowo mechanikę kwantową. Ku przestrodze fizykom-samoukom zamieszczam link do artykułu laureata Nagrody Nobla Gerarda 't Hoofta pod wdzięcznym tytułem How to become a bad theoretical physicist:

http://www.phys.uu.nl/~thooft/theoristbad.html

Tych, którzy liczą na Nobla, czeka długa droga. Oto lista porad 't Hoofta dla ambitnych studentów:

http://www.phys.uu.nl/~thooft/theorist.html

 

sobota, 15 marca 2008
Fizyka nie opisuje rzeczywistości!

Gdy fizycy i biolodzy planują wspólne prace nad jakimś problemem, fizycy narzekają: biolodzy mnożą zbyt wiele szczegółów, zaciemniając obraz zagadnienia. Biolodzy z kolei skarżą się: fizycy chcą rozważać modele tak uproszczone, że niewiele mają wspólnego z rzeczywistością biologiczną.

Gdyby tak skoncentrować cały wysiłek na jakimś jednym szczegółowym, realnym zagadnieniu - czy w ramach fizyki dałoby się opisać je do końca? Niestety, nie. Trzeba by bowiem uwzględnić tak wiele cząstek czy innych obiektów elementarnych, że samo sporządzenie opisu zajęłoby czas dłuższy od czasu istnienia Wszechświata!

Zdolność do czynienia uproszczeń, tworzenia idealizacji, dostrzegania cech wspólnych w zjawiskach odległych jest najbardziej charakterystyczną cechą fizyki. Jest jej esencją. To właśnie przesądziło o jej sukcesie. Zarazem jednak odbyło się to za cenę rezygnacji z dokładnego opisu zjawisk jednostkowych. Opracowane w ramach fizyki metody (także teoretyczne, nie tylko doświadczalne) bywają z powodzeniem stosowane w wielu dziedzinach nauki. Takie badania interdyscyplinarne są obecnie bardzo popularne i wiele osób wróży im wielki sukces. Nie wszystko jednak idzie jak po maśle: Gdy fizycy i biolodzy planują wspólne prace nad jakimś problemem, fizycy narzekają, że biolodzy mnożą zbyt wiele szczegółów, zaciemniając obraz zagadnienia. Biolodzy z kolei skarżą się, że fizycy chcieliby rozważać modele tak uproszczone, iż niewiele mają one już wspólnego z rzeczywistością biologiczną. Być może dlatego sukces badań interdyscyplinarnych jest mniejszy, niż się powszechnie oczekuje.

Skoro więc fizyka nie opisuje rzeczywistości, cóż więc ona robi? Dostarcza modeli. Modeli, których skuteczność weryfikuje się przez doświadczenia: Te, które dobrze przewidują wyniki przyszłych doświadczeń, zostawia się. Pozostałe (a jest ich większość!) - odrzuca. Jednak nawet te udane mają charakter przybliżony.

Fizycy powinni być skromni. Nie wolno im twierdzić „jest tak, jak my mówimy”, a jedynie: „opracowane przez nas modele dobrze się sprawdzają”.