ΒΑΣΙΚΗ ΦΥΣΙΚΗ
ΕΙΣΑΓΩΓΗ

Εδώ, θα εξετάσουμε τις πιο θεμελιώδεις ιδέες που έχουμε σχετικά με τη Φυσική – τη φύση των πραγμάτων όπως την βλέπουμε στην παρούσα στιγμή. Δεν θα μιλήσουμε για την ιστορία για το πώς γνωρίζουμε ότι όλες αυτές οι ιδέες είναι αληθινές, θα μάθετε αυτές τις λεπτομέρειες σε εύλογο χρόνο.
Τα πράγματα με τα οποία ασχολούμαστε στην επιστήμη εμφανίζονται σε μυριάδες μορφές, και με μια πληθώρα ιδιοτήτων. Για παράδειγμα, εάν βρεθούμε στην ακτή και κοιτάξουμε την θάλασσα, θα δούμε το νερό, το σπάσιμο των κυμάτων, τον αφρό, τη βίαιη κίνηση του νερού, τον ήχο, τον αέρα, τους ανέμους και τα σύννεφα, τον ήλιο και τον γαλάζιο ουρανό, το φως, υπάρχει άμμος και υπάρχουν βράχοι με ποικίλη σκληρότητα και μονιμότητα, χρώμα και υφή. Υπάρχουν ζώα και φύκια, πείνα και αρρώστιες και ο παρατηρητής στην παραλία, υπάρχει ακόμη και ευτυχία και σκέψη. Κάθε άλλο σημείο στη φύση έχει μια παρόμοια ποικιλία πραγμάτων και επιρροών. Είναι πάντα τόσο περίπλοκο όσο αυτό, ανεξάρτητα από το πού είναι. Η περιέργειά μας απαιτεί να κάνουμε ερωτήσεις, να προσπαθούμε να βάλλουμε τα πράγματα μαζί και να προσπαθήσουμε να κατανοήσουμε αυτή την πληθώρα των πτυχών όπως ίσως προκύπτουν από τη δράση ενός σχετικά μικρού αριθμού στοιχειωδών πραγμάτων και δυνάμεων που δρουν με μια άπειρη ποικιλία συνδυασμών.

Για παράδειγμα: Είναι η άμμος τίποτε διαφορετικό από βράχια; Δηλαδή είναι η άμμος ίσως τίποτα άλλο εκτός από ένα μεγάλο αριθμό από πολύ μικροσκοπικές πέτρες; Είναι το φεγγάρι ένας μεγάλος βράχος; Εάν κατανοούμε τα βράχια, θα μπορούσαμε επίσης να κατανοήσουμε την άμμο και το φεγγάρι; Είναι ο άνεμος μια βίαιη κίνηση του αέρα ανάλογη με τη βίαιη κίνηση του νερού στη θάλασσα; Ποια κοινά χαρακτηριστικά γνωρίσματα πραγματικά έχουν οι διαφορετικές κινήσεις; Τι το κοινό υπάρχει στα διάφορα είδη ήχων; Πόσα διαφορετικά είδη χρωμάτων υπάρχουν; και πάει λέγοντας. Με αυτό τον τρόπο προσπαθούμε βαθμηδόν να αναλύσουμε όλα τα πράγματα, για να βάλουμε μαζί τα πράγματα
που από μια πρώτη ματιά μοιάζουν διαφορετικά, με την ελπίδα ότι μπορεί να είμαστε σε θέση να μειώσουμε τον αριθμό των διαφορετικών πραγμάτων και έτσι να τα κατανοήσουμε καλύτερα.
Μερικές εκατοντάδες χρόνια πριν, επινοήθηκε μια μέθοδος για να βρει καίριες απαντήσεις σε τέτοιες ερωτήσεις. Η παρατήρηση, η υπόθεση, και το πείραμα συνθέτουν αυτό που ονομάζουμε επιστημονική μέθοδο. Θα πρέπει να περιοριστούμε σε μια απλή περιγραφή της βασικής μας άποψης του τι μερικές φορές ονομάζουμε θεμελιώδη φυσική ή θεμελιώδεις ιδέες πού έχουν προκύψει από την εφαρμογή της επιστημονικής μεθόδου.
Τι εννοούμε όταν λέμε «καταλαβαίνουμε» κάτι; Μπορούμε να φανταστούμε ότι αυτή η περίπλοκη σειρά από κινούμενα πράγματα που αποτελούν τον «κόσμο» είναι κάτι σαν μια μεγάλη παρτίδα σκάκι πού παίζεται από τους θεούς, και εμείς είμαστε παρατηρητές αυτού του παιχνιδιού. Δεν γνωρίζουμε ποιοι είναι οι κανόνες του παιχνιδιού, το μόνο που μας επιτρέπεται να κάνουμε είναι να παρακολουθούμε το παιχνίδι. Φυσικά εάν το παρακολουθήσουμε αρκετά, ίσως μπορούμε τελικά να καταλάβουμε κάποιους από τους κανόνες. Οι κανόνες του παιχνιδιού είναι αυτό που εννοούμε με τον όρο «θεμελιώδης φυσική». Ακόμη και εάν γνωρίζαμε κάθε κανόνα, ωστόσο, μπορεί να μην μπορούμε να καταλάβουμε γιατί μια συγκεκριμένη κίνηση γίνεται στο παιχνίδι, απλά και μόνο γιατί είναι υπερβολικά περίπλοκη για τη λογική μας. Αν παίζετε σκάκι, πρέπει να ξέρετε ότι είναι εύκολο να μάθετε τους όλους κανόνες, και ακόμη είναι συχνά πολύ δύσκολο να διαλέξετε την καλύτερη κίνηση ή να καταλάβετε γιατί ένας παίκτης κινείται όπως κινείται. Έτσι λοιπόν συμβαίνει στη φύση, αλλά μπορούμε τουλάχιστον να βρούμε όλους τους κανόνες. Στην πραγματικότητα δεν γνωρίζουμε όλους τους κανόνες μέχρι τώρα. (Κάθε λίγο και λιγάκι κάτι σαν ροκέ συμβαίνει πού ακόμα δεν το καταλαβαίνουμε.) Εκτός από το ότι δεν γνωρίζουμε όλους τους κανόνες, αυτό το οποίο μπορούμε πράγματι να εξηγήσουμε με αυτούς τους κανόνες είναι πολύ περιορισμένο, γιατί σχεδόν όλες οι καταστάσεις είναι τόσο περίπλοκες που δεν μπορούμε να παρακολουθήσουμε το παίξιμο του παιχνιδιού χρησιμοποιώντας τους κανόνες, πόσο μάλλον
λιγότερο να πούμε τι μπορεί να συμβεί μετά. Πρέπει λοιπόν να περιοριστούμε στο πιο βασικό ερώτημα των κανόνων του παιχνιδιού. Εάν ξέρουμε τους κανόνες, θεωρούμε ότι «καταλαβαίνουμε» τον κόσμο.
Πως μπορούμε να ξέρουμε εάν οι κανόνες τους οποίους «μαντέψαμε» είναι πραγματικά σωστοί εάν δεν μπορούμε να αναλύσουμε το παιχνίδι πολύ καλά; Υπάρχουν μιλώντας γενικά, τρείς τρόποι. Πρώτα υπάρχουν ίσως καταστάσεις τις οποίες η ίδια η φύση έχει ορίσει να συμβούν, ή έχουμε εμείς ορίσει να συμβούν στη φύση, απλά και μόνο να έχουμε μαντέψει ακριβώς κάποια πράγματα ότι θα συμβούν, και έτσι να μπορούμε να επιβεβαιώσουμε πως οι κανόνες μας λειτουργούν. (Σε μια γωνιά της σκακιέρας μπορεί να είναι στο παιχνίδι μόνο μερικά πιόνια σκακιού, κάτι πού μπορούμε να ξέρουμε ακριβώς.)
Ένας δεύτερος καλός τρόπος να ελέγξουμε κανόνες είναι βάσει λιγότερο ειδικών κανόνων που προέρχονται από αυτούς. Για παράδειγμα ο κανόνας σχετικά με την κίνηση ενός αξιωματικού σε μια σκακιέρα είναι ότι αυτός κινείται μόνο διαγώνια. Κάποιος μπορεί να συμπεράνει, όσες κινήσεις και εάν γίνουν ότι ένας καθορισμένος αξιωματικός πάντα θα παίζει σε ένα κόκκινο τετράγωνο. Φυσικά και θα συμβαίνει, μέχρι εντελώς ξαφνικά βρούμε ότι βρίσκεται σε μαύρο τετράγωνο (αυτό που συνέβη φυσικά είναι ότι στο μεταξύ κερδήθηκε, ένα άλλο πιόνι πήγε για βασίλισσα, και έγινε αξιωματικός σε μαύρο τετράγωνο.) Αυτός είναι ο τρόπος πού συμβαίνουν όλα στη φυσική. Για πολύ καιρό θα έχουμε ένα κανόνα πού λειτουργεί τέλεια σε ένα πάνω από όλα τρόπο, ακόμη και εάν δεν ακολουθούμε τις λεπτομέρειες, και τότε κάποια στιγμή ίσως ανακαλύψουμε ένα καινούργιο κανόνα. Από την άποψη της βασικής φυσικής, τα πιο ενδιαφέροντα φαινόμενα είναι φυσικά σε νέες μεριές, στα μέρη όπου οι κανόνες δεν δουλεύουν – όχι στα μέρη που αυτοί δουλεύουν. Αυτός είναι ο τρόπος με τον οποίο ανακαλύπτουμε νέους κανόνες.
Ο τρίτος τρόπος για να δούμε αν οι ιδέες μας είναι σωστές είναι σχετικά παλιός αλλά πιθανόν ο πιο ισχυρός από όλους. Δηλαδή από μια πρόχειρη προσέγγιση. Ενώ μπορεί να μην ξέρουμε γιατί ο παίκτης κινεί αυτό το συγκεκριμένο κομμάτι, ίσως να
καταλαβαίνουμε καθαρά ότι συγκεντρώνει τα κομμάτια του γύρω από τον βασιλιά για να τον προστατέψει, περισσότερο ή λιγότερο, αφού αυτό είναι το πιο λογικό να κάνει σε αυτές τις περιστάσεις. Με τον ίδιο τρόπο, μπορούμε να καταλαβαίνουμε συχνά τη φύση, περισσότερο ή λιγότερο, χωρίς να είμαστε ικανοί να βλέπουμε τι κάνει το κάθε μικρό κομμάτι, σύμφωνα με την κατανόηση μας για το παιχνίδι.

Στην αρχή τα φυσικά φαινόμενα ήταν σε γενικές γραμμές χωρισμένα σε κατηγορίες, όπως η θερμότητα, ο ηλεκτρισμός, η μηχανική, ο μαγνητισμός, οι ιδιότητες των υλικών, τα χημικά φαινόμενα, το φως ή οπτική, οι ακτίνες – χ , η πυρηνική φυσική, η βαρύτητα, τα φαινόμενα μεσονίων κ.λπ. Ωστόσο ο στόχος είναι να δούμε την πλήρη φύση σαν διαφορετικές πτυχές ενός συνόλου φαινομένων. Αυτό είναι το πρόβλημα στη βασική θεωρητική φυσική, σήμερα – να βρουν τους νόμους πίσω από το πείραμα, να ενοποιήσουν αυτές τις κατηγορίες. Ιστορικά, έχουμε πάντοτε την δυνατότητα να ενοποιήσουμε, αλλά καθώς περνάει ο καιρός βρίσκουμε και νέα πράγματα. Ενοποιούσαμε πολύ καλά, όταν εντελώς ξαφνικά βρέθηκαν οι ακτίνες – χ. Έπειτα ενοποιήσαμε μερικά περισσότερο και βρέθηκαν τα μεσόνια. Ωστόσο σε κάθε στάδιο του παιχνιδιού όλα φαινόντουσαν μάλλον σε ακαταστασία. Ένας μεγάλος αριθμός κατηγοριών ενοποιήθηκαν, αλλά υπάρχουν πολλά πράγματα ασύνδετα. Αυτή είναι η σημερινή κατάσταση πού σήμερα θα προσπαθήσουμε να περιγράψουμε.
Μερικά ιστορικά παραδείγματα ενοποίησης είναι τα ακόλουθα. Πρώτα πάρτε την θερμότητα και την Μηχανική. Όταν τα άτομα είναι σε κίνηση, όσο περισσότερη είναι η κίνηση τόσο περισσότερη θερμότητα περιέχει το σύστημα, και έτσι η θερμότητα και όλα τα αποτελέσματα της θερμοκρασίας μπορούν να αντιπροσωπεύονται από τους νόμους της μηχανικής. Μια άλλη τρομερή ενοποίηση ήταν η ανακάλυψη της σχέσης μεταξύ ηλεκτρισμού, μαγνητισμού και φωτός, τα οποία βρέθηκαν να είναι διαφορετικές πτυχές του ίδιου πράγματος, που σήμερα ονομάζουμε ηλεκτρομαγνητικό πεδίο. Μια άλλη ενοποίηση είναι η ενοποίηση των χημικών φαινομένων, οι διάφορες ιδιότητες των διαφόρων ουσιών, και η
συμπεριφορά των διαφόρων ατομικών σωματιδίων, η οποία είναι η κβαντομηχανική της χημείας.
Το ερώτημα είναι, φυσικά, εάν είναι δυνατόν να ενοποιηθούν όλα, και να ανακαλύψουμε κυρίως ότι αυτός ο κόσμος αντιπροσωπεύει διαφορετικές πλευρές του ίδιου πράγματος; Κανείς δεν ξέρει. Το μόνο που γνωρίζουμε είναι ότι όσο προχωρούμε μαζί, διαπιστώνουμε ότι μπορούμε να ενοποιούμε κομμάτια, και έπειτα βρίσκουμε ότι κάποια από τα κομμάτια που δεν ταιριάζουν, και να προσπαθούμε να συνθέσουμε το παζλ μαζί. Το εάν υπάρχει ένας πεπερασμένος αριθμός κομματιών, και εάν υπάρχει ένα όριο σαν περίγραμμα στο πάζλ, είναι φυσικά άγνωστο. Ποτέ δεν θα είναι γνωστό μέχρι να τελειώσει η εικόνα, αν όχι ποτέ. Αυτό το οποίο επιθυμούμε να κάνουμε εδώ είναι να δούμε σε ποιο βαθμό αυτή η διαδικασία ενοποίησης συνεχίζεται, και ποια είναι η παρούσα κατάσταση, στην κατανόηση βασικών φαινομένων από την άποψη του μικρότερου συνόλου αρχών. Για να εκφραστούμε με απλό τρόπο, αναρωτιόμαστε από τι είναι φτιαγμένα τα πράγματα και πόσα στοιχεία υπάρχουν.
Ελεύθερη απόδοση από το βιβλίο του
R. Feynman “The Feynman Lectures
On Physics” volume I.