Η ΦΥΣΙΚΗ ΠΡΙΝ ΤΟ 1920
Είναι λίγο δύσκολο να ξεκινήσουμε αμέσως, διατυπώνοντας την τώρα επικρατούσα άποψη για τα πράγματα, οπότε θα δούμε πρώτα την κατάσταση, όπως αυτή είχε διαμορφωθεί γύρω στο 1920 και κατόπιν θα αφαιρέσουμε κάποια πράγματα από την εικόνα. Πριν το 1920, η εικόνα που είχαμε για τον κόσμο, έμοιαζε κάπως έτσι: Η «σκηνή» επί της οποίας διαδραματίζονται τα φαινόμενα του σύμπαντος είναι ο τρισδιάστατος χώρος της γεωμετρίας, όπως αυτός περιγράφεται από τον Ευκλείδη και η μεταβολή των πραγμάτων συμβαίνει σε ένα μέσο που ονομάζουμε χρόνο. Τα στοιχεία επί της σκηνής είναι, πρώτα-πρώτα, τα διάφορα σωματίδια (particles), για παράδειγμα τα άτομα, τα οποία διαθέτουν ορισμένες ιδιότητες.
Κατά πρώτον, την ιδιότητα της αδράνειας (inertia'): εάν ένα σωματίδιο βρίσκεται σε κίνηση, τότε αυτό θα συνεχίσει να κινείται προς την ίδια κατεύθυνση, εκτός εάν επιδράσουν κάποιες δυνάμεις σε αυτό. Το δεύτερο συστατικό αυτής της εικόνας είναι, λοιπόν, οι δυνάμεις, οι οποίες τότε θεωρούνταν ότι είναι δύο ειδών: Το ένα είδος ήταν μια τρομερά περίπλοκη, δύναμη αλληλεπίδρασης, η οποία συγκροτούσε τα διάφορα άτομα στους συνδυασμούς και τις δομές που αυτά εμφάνιζαν και η οποία θεωρούνταν υπεύθυνη π.χ. για το εάν το άλας θα διαλυόταν γρηγορότερα ή αργότερα στο νερό, με την αύξηση της θερμοκρασίας. Το άλλο είδος δύναμης που ήταν γνωστό, ήταν μια αλληλεπίδραση μεγάλης εμβέλειας—μια ομαλή και ήρεμη έλξη—της οποίας το μέτρο ελαττωνόταν αντιστρόφως ανάλογα με το τετράγωνο της απόστασης και η οποία αποκαλούνταν βαρύτητα (gravitation). Ο νόμος που διέπει τη δύναμη αυτή ήταν γνωστός και πολύ απλός. Το γιατί τα κινούμενα σώματα παρέμεναν σε κίνηση, ή το γιατί υπήρχε ένας νόμος για τη βαρύτητα, αυτό, φυσικά, δεν ήταν γνωστό.
Αυτό που μας ενδιαφέρει εδώ είναι να δώσουμε μια περιγραφή της φύσης. Από την άποψη αυτή, λοιπόν, ένα αέριο, στην ουσία η ύλη στο σύνολό της, είναι μια πλειάδα κινούμενων σωματιδίων. Έτσι, πολλά από αυτά που παρατηρήσαμε, καθώς στεκόμασταν στην ακροθαλασσιά, μπορούν να συνδεθούν μεταξύ τους. Πρώτα, η πίεση: αυτή προέρχεται από τις κρούσεις των ατόμων, με τα διάφορα κάθε φορά τοιχώματα: η ομοιόμορφη κίνηση των ατόμων, εάν όλα μετακινούνται προς την ίδια, περίπου, διεύθυνση, είναι ο άνεμος: οι τυχαίες εσωτερικές κινήσεις, αποτελούν τη Θερμότητα. Υπάρχουν κύματα μεγάλης πυκνότητας, όπου έχουν συσσωρευτεί περισσότερα σωματίδια από το κανονικό, τα οποία όταν μετακινούνται, παράγουν κύματα επιπλέον πυκνότητας, τα οποία αναγκάζουν άλλες ομάδες σωματιδίων να μετακινηθούν παραπέρα. Αυτό το κύμα πλεονάζουσας πυκνότητας, είναι ο ήχος. Το να μπορούμε να καταλαβαίνουμε τόσα πράγματα, πρέπει να το θεωρήσετε ως ένα τρομακτικό επίτευγμα. Σε κάποιες από τις έννοιες αυτές, έχουμε αναφερθεί στο προηγούμενο Κεφάλαιο.
Πόσα διαφορετικά είδη σωματιδίων υπάρχουν; Στην εποχή που αναφερόμαστε, θεωρούνταν ότι υπήρχαν 92' είχαν ανακαλυφθεί 92 συνολικά είδη ατόμων. Σε αυτά, είχαν δοθεί διάφορα ονόματα, τα οποία σχετιζόταν με τις χημικές τους ιδιότητες.
Το επόμενο μέρος του προβλήματος ήταν, ποιες είναι οι δυνάμεις μικρής εμβέλειας; Γιατί ο άνθρακας έλκει ένα, ή ίσως και δύο, οξυγόνα, αλλά όχι τρία από αυτά; Ποιος είναι ο μηχανισμός της αλληλεπίδρασης μεταξύ των ατόμων; Είναι μήπως η βαρύτητα; Η απάντηση σε αυτό, είναι αρνητική. Η βαρύτητα είναι υπερβολικά ασθενής, για τον ρόλο αυτόν. Φανταστείτε όμως μια δύναμη, ανάλογη με τη βαρύτητα, η οποία ελαττώνεται αντιστρόφως ανάλογα με το τετράγωνο της απόστασης, ισχυρότερη κατά πολύ της αντίστοιχης βαρυτικής, με μια σημαντική διαφορά: στη βαρύτητα, κάθε τι έλκει όλα τα υπόλοιπα, αλλά υποθέστε τώρα ότι υπάρχουν δύο είδη «οντοτήτων» και ότι η νέα αυτή δύναμη (η οποία είναι, φυσικά, η ηλεκτρική δύναμη) έχει την ιδιότητα ότι τα όμοια απωθούνται και τα ετερώνυμα έλκονται. Η «οντότητα»-φορέας αυτής της ισχυρής αλληλεπίδρασης ονομάζεται ηλεκτρικό φορτίο (charge).Τί έχουμε λοιπόν τώρα; Ας υποθέσουμε ότι υπάρχουν δύο ετερώνυμα φορτία, τα οποία έλκουν το ένα το άλλο, ένα «θετικό» και ένα «αρνητικό», τα οποία βρίσκονται σε πολύ μικρή απόσταση μεταξύ τους. Ας υποθέσουμε επίσης ότι υπάρχει και ένα ακόμη φορτίο, σε κάποια απόσταση από αυτά. Θα αισθανθεί κάποια δύναμη το φορτίο αυτό; Πρακτικά, η έλξη σε αυτό θα είναι μηδενική, επειδή, εάν τα δύο αρχικά φορτία είναι ίσα (κατά μέτρο) μεταξύ τους, η έλξη από το ένα από αυτά, εξισορροπεί την άπωση του άλλου. Επομένως, θα υπάρχει πρακτικά μηδενική δύναμη αλληλεπίδρασης, σε οποιαδήποτε εύλογη απόσταση. Από την άλλη μεριά, εάν φέρουμε το επιπλέον φορτίο πολύ κοντά, τότε θα υπάρξουν δυνάμεις αλληλεπίδρασης, επειδή η έλξη μεταξύ ετερώνυμων και η άπωση μεταξύ των ομώνυμων φορτίων τείνει να φέρει πιο κοντά τα ετερώνυμα και να απομακρύνει τα ομώνυμα φορτία. Τότε, η άπωση θα είναι λιγότερη από την έλξη. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο τα άτομα, τα οποία αποτελούνται από θετικά και αρνητικά ηλεκτρικά φορτία, αισθάνονται πολύ λίγη δύναμη, το ένα από το άλλο, όταν βρίσκονται σε επαρκείς αποστάσεις μεταξύ τους (εάν αγνοήσουμε τη βαρύτητα). Όταν τα άτομα βρεθούν σε κοντινή απόσταση, μπορούν να «δουν μέσα» το ένα στο άλλο και να ανακατανείμουν τα φορτία τους, με προκύπτον αποτέλεσμα την εμφάνιση πολύ ισχυρών αλληλεπιδράσεων. Η «απώτατη αιτία» της αλληλεπίδρασης μεταξύ των ατόμων, είναι ηλεκτρικής φύσης. Αυτή η δύναμη είναι τόσο τεράστια, ώστε συνήθως εξαναγκάζει όλα τα θετικά και όλα τα αρνητικά φορτία να σχηματίσουν όσο πιο ισχυρό δεσμό μπορούν μεταξύ τους. Όλα τα πράγματα, ακόμη και εμείς, αποτελούνται από λεπτής υφής θετικά και αρνητικά φορτία, αλληλεπιδρώντας με τεράστιας ισχύος δυνάμεις, σε ίσες ποσότητες. Κάθε τόσο, τυχαία, μπορεί (π.χ. τρίβοντας) να «χάσουμε» μερικά αρνητικά ή μερικά θετικά φορτία (συνήθως είναι ευκολότερη η απομάκρυνση των αρνητικών) και, στις περιπτώσεις αυτές, η ηλεκτρική δύναμη δεν είναι πλήρως εξουδετερωμένη· μπορούμε τότε να παρατηρήσουμε τα αποτελέσματα αυτών των ηλεκτρικών αλληλεπιδράσεων.
Για να δώσουμε μια ιδέα του πόσο ισχυρότερη είναι η ηλεκτρική δύναμη σε σχέση με τη βαρυτική, ας θεωρήσουμε δύο κόκκους άμμου, διαμέτρου π.χ. ενός χιλιοστού, των οποίων η μεταξύ τους απόσταση είναι 30 μέτρα. Εάν οι μεταξύ τους δυνάμεις δεν αλληλοεξουδετερόνονταν, εάν το κάθε τι εξασκούσε μόνο έλξη στο κάθε τι, αντί να υφίστατο άπωση μεταξύ των ομωνύμων φορτίων, οπότε δε θα ήταν δυνατό να υπάρξει αλληλοεξουδετέρωση, πόση θα ήταν τότε η δύναμη; Μεταξύ των δύο κόκκων, τότε, θα υπήρχε μια δύναμη των τριών εκατομμυρίων τόνων! Καταλαβαίνετε, ότι απαιτείται μια πολύ, πολύ μικρή ανισορροπία στην ισοκατανομή των θετικών και των αρνητικών φορτίων, ώστε ’«χι παραχθούν παρατηρήσιμα ηλεκτρικά φαινόμενα. Αυτός είναι, φυσικά, ο λόγος για τον οποίο δεν μπορούμε άμεσα να αποφανθούμε εάν ένα υλικό σώμα είναι ηλεκτρικά φορτισμένο ή όχι—αυτό αποτελεί υπόθεση τόσο λίγων σωματιδίων, σε σχέση με αυτά που αποτελούν το υλικό αυτό σώμα, ώστε να μην παίζουν κανέναν ουσιαστικό ρόλο, όσον αφορά το βάρος του, ή το μέγεθος του.Με βάση την εικόνα αυτή, ήταν πιο εύκολο να κατανοηθεί η ύπαρξη των ατόμων. Αυτά θεωρούνταν οτι αποτελούνταν από έναν «πυρήνα» που βρισκόταν στο κέντρο τους, ο οποίος είναι θετικά ηλεκτρικά φορτισμένος και πολύ μεγάλης μάζας· ο πυρήνας αυτός περιβάλλεται από ένα συγκεκριμένο πλήθος «ηλεκτρονίων», τα οποία είναι πολύ ελαφρά και επίσης αρνητικά ηλεκτρικά φορτισμένα. Τώρα, προτρέχουμε λίγο της κανονικής αφήγησης της ιστορίας μας, σημειώνοντας ότι εντός του πυρήνα βρέθηκε τη υπάρχουν δύο είδη σωματιδίων, τα πρωτόνια (protons) και τα νετρόνια (neutrons), τα οποία έχουν σχεδόν την ίδια, πολύ μεγάλη, μάζα. Τα πρωτόνια είναι ηλεκτρικά φορτισμένα, ενώ τα νετρόνια είναι ουδέτερα. Έστω ότι έχουμε ένα άτομο που έχει 6 πρωτόνια στον πυρήνα του, ο οποίος περιβάλλεται από 6 ηλεκτρόνια (τα αρνητικά φορτισμένα σωματίδια, στις συνηθισμένες κατάστασης της ύλης, είναι ~ο σύνολό τους ηλεκτρόνια, τα οποία είναι πολύ ελαφρότερα από τα πρωτόνια και τα νετρόνια που αποτελούν τον πυρήνα). Αυτό θα είναι το άτομο με αριθμό 6 στον πίνακα των χημικών στοιχείων χ=6 είναι το άτομο του άνθρακα. Το άτομο No. 8 είναι το οξυγόνο κλπ., επειδή οι χημικές ιδιότητες εξαρτώνται από ία ηλεκτρόνια στο εξωτερικό μέρος του ατόμου και στην ουσία αυτές εξαρτώνται μόνο από το πλήθος των ηλεκτρονίων που υπάρχουν. Έτσι, οι χημικές ιδιότητες μιας ουσίας εξαρτώνται από έναν αριθμό και μόνο, το πλήθος των ηλεκτρονίων. (Η λίστα των χημικών στοιχείων θα έπρεπε να διαβάζεται ως 1, 2, 3, 4. 5, 6 κλπ. Αντί να λέμε «άνθρακας», θα έπρεπε να λέμε «στοιχείο 6», εννοώντας την ύπαρξη 6 ηλεκτρονίων σε αυτό, αλλά, φυσικά, όταν πρωτοανακαλύφθηκαν τα χημικά στοιχεία, δεν ήταν γνωστός αυτός ο τρόπος απαρίθμησής τους και, κατά δεύτερον, θα έκανε μάλλον πιο περίπλοκα τα πράγματα.
Είναι καλύτερα να έχουμε ονόματα και σύμβολα για τα χημικά στοιχεία, παρά να τα ονοματίζουμε με αριθμούς.)Είχαν ανακαλυφθεί μερικές ακόμη ιδιότητες της ηλεκτρικής δύναμης. Η φυσική ερμηνεία της ηλεκτρικής αλληλεπίδρασης είναι ότι δύο αντικείμενα, απλά έλκουν το ένα το άλλο· θετικό και αρνητικό. Όμως, αυτό αποδείχθηκε μια ελλιπής αναπαράσταση των φαινομένων. Μια πιο κατάλληλη αναπαράσταση της κατάστασης, ήταν να δεχθούμε ότι η ύπαρξη ενός θετικού φορτίου, παραμορφώνει, κατά κάποιο τρόπο, τον χώρο γύρω από αυτό, ή αλλιώς διαμορφώνει μια κατάσταση σε αυτόν το χώρο, ώστε, εάν τοποθετήσουμε εκεί κοντά ένα αρνητικό φορτίο, πάνω σε αυτό θα ασκηθεί κάποια δύναμη. Αυτή η δυνατότητα παραγωγής μιας δύναμης, ονομάζεται ηλεκτρικό πεδίο (electric Field). Εάν τοποθετήσουμε ένα ηλεκτρόνιο σε ένα ηλεκτρικό πεδίο, λέμε ότι το ηλεκτρόνιο «τραβιέται». Έχουμε λοιπόν δύο κανόνες: (α) τα φορτία δημιουργούν ένα πεδίο γύρω τους και (β) στα φορτία εντός ενός πεδίου εξασκούνται δυνάμεις, με συνέπεια την κίνησή τους. Ο λόγος για αυτό θα καταστεί φανερός, όταν θα συζητήσουμε τα ακόλουθα φαινόμενα: Εάν φορτίσουμε ηλεκτρικά ένα σώμα, μια χτένα π.χ. και κατόπιν τοποθετήσουμε ένα φορτισμένο κομμάτι χαρτί σε μια (όχι πολύ μεγάλη) απόσταση από αυτή και μετακινήσουμε πίσω-μπρος τη χτένα, το χαρτί θα ανταποκριθεί, προσανατολιζόμενο πάντοτε προς τη χτένα. Εάν την μετακινήσουμε πιο γρήγορα, θα διαπιστώσουμε ότι το χαρτί καθυστερεί κάπως να ανταποκριθεί- λέμε τότε ότι υπάρχει μια υστέρηση απόκρισης (delay). (Στην πρώτη φάση του «πειράματος», όταν μετακινούμε κατάλληλα αργά τη χτένα, εμφανίζεται μια επιπλοκή, που ονομάζεται μαγνητισμός. Οι μαγνητικές επιδράσεις έχουν να κάνουν με τη σχετική κίνηση των φορτίων, οπότε τόσο οι μαγνητικές, όσο και οι ηλεκτρικές δυνάμεις μπορούν στην ουσία να αποδοθούν σε ένα πεδίο, ως δύο διαφορετικές εκφάνσεις του ενός και του αυτού πράγματος. Δεν μπορεί να υπάρξει μεταβαλλόμενο ηλεκτρικό πεδίο, χωρίς την ύπαρξη του μαγνητισμού.) Εάν μετακινήσουμε το φορτισμένο χαρτί σε μεγαλύτερη απόσταση, τότε η υστέρηση μεγαλώνει. Παρατηρούμε λοιπόν κάτι πολύ ενδιαφέρον. Ενώ οι δυνάμεις μεταξύ των δύο φορτισμένων αντικειμένων θα έπρεπε να μεταβάλλονται αντιστρόφως ανάλογα με το τετράγωνο της απόστασης, αυτό που παρατηρούμε, μετακινώντας το ένα από τα φορτία αυτά, είναι ότι η επίδρασή του εκτείνεται πολύ παραπέρα, από ό,τι αρχικά είχαμε υποθέσει.
Παρατηρούμε δηλαδή ότι η επίδραση φθίνει πολύ πιο αργά από τον ρυθμό του αντίστροφου τετραγώνου. Ας δούμε μια αναλογία για αυτό: Εάν βρισκόμαστε μέσα σε μια πισίνα με νερό και υπάρχει ένας φελλός στην επιφάνεια του νερού, τότε μπορούμε να τον σπρώξουμε «άμεσα», σπρώχνοντας το νερό με έναν άλλο φελλό. Παρατηρώντας μόνο τους δύο φελλούς, το μόνο που θα βλέπαμε θα ήταν ότι ο ένας μετακινήθηκε, ανταποκρινόμενος αμέσως στην κίνηση του άλλου—υπήρξε δηλαδή κάποιο είδος «αλληλεπίδρασης» μεταξύ τους. Αυτό που κάναμε, φυσικά, ήταν να διαταράξουμε το νερό: το νερό κατόπιν ήταν αυτό που επέδρασε πάνω στον άλλο φελλό. Θα μπορούσαμε να κατασκευάσουμε έναν νόμο, ο οποίος θα δήλωνε ότι, εάν σπρώξετε λίγο το νερό, τότε κάποιο αντικείμενο που θα βρισκόταν κοντά, μέσα στο νερό, θα μετακινούνταν και αυτό. Εάν ο δεύτερος φελλός ήταν αρκετά μακριά, τότε αυτός θα μετακινούνταν πολύ λίγο, σχεδόν καθόλου, επειδή εμείς μετακινούμε τοπικά το νερό, σε μια μικρή περιοχή μόνο. Από την άλλη μεριά, εάν υποβάλλουμε το φελλό σε μια ρυθμική κίνηση, εμφανίζεται ένα νέο φαινόμενο, κατά το οποίο η κίνηση του νερού μεταδίδεται από σημείο σε σημείο, από εδώ εκεί κλπ. και έχουμε κύματα να ταξιδεύουν προς τα έξω· βλέπουμε λοιπόν ότι, με τη ρυθμική κίνηση, η επίδραση εκτείνεται σε πολύ μεγαλύτερη απόσταση, της οποίας η ταλαντούμενη φύση δεν μπορεί να εξηγηθεί με μόνη την άμεση αλληλεπίδραση. Επομένως, η ιδέα της άμεσης αλληλεπίδρασης θα πρέπει να αντικατασταθεί από την ύπαρξη του νερού, ή, στην περίπτωση των ηλεκτρικών φορτίων, από αυτό που ονομάζουμε ηλεκτρομαγνητικό πεδίο. Το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο μπορεί να μεταφέρει κύματα: μερικά από αυτά είναι φως, άλλα χρησιμοποιούνται στις ραδιοφωνικές εκπομπές (radio broadcasts) και ο γενικός όρος για αυτά είναι ηλεκτρομαγνητικά κύματα. Τα ταλαντούμενα αυτά κύματα, μπορούν να έχουν διάφορες συχνότητες (frequencies). Στο μοναδικό πράγμα στο οποίο στην ουσία διαφέρουν δύο τέτοια κύματα, είναι η συχνότητα ταλάντωσής τους. Εάν υποβάλλουμε ένα φορτίο σε δονήσεις, όλο και πιο γρήγορες και παρατηρήσουμε τί συμβαίνει, θα λάβουμε μια ολόκληρη σειρά από αποτελέσματα, τα οποια ενοποιούνται με έναν πολύ ωραίο τρόπο, εάν καθορίσουμε έναν και μόνο αριθμό, το πλήθος των ταλαντώσεων ανά δευτερόλεπτο. Η συνήθης τροφοδοσία σε ρεύμα, σαν αυτή που λαμβάνουμε από —ς πρίζες στα ηλεκτρικά κυκλώματα π.χ. στους τοίχους ενός κτηρίου, έχει μια συχνότητα της τάξης μεγέθους των 100 κύκλων ανά δευτερόλεπτο. Εάν αυξήσουμε τη συχνότητα στους 500 ή στους 1000 χιλιόκυκλους (1 χιλιόκυκλος = 1000 κύκλοι) ανά δευτερόλεπτο, τότε «είμαστε στον αέρα», επειδή αυτή είναι η ζώνη συχνοτήτων που χρησιμοποιείται για ραδιοφωνικές εκπομπές. (Φυσικά, αυτό δεν έχει τότε να κάνει με τον αέρα / Μπορούμε να έχουμε ραδιοφωνικές εκπομπές και χωρίς την ύπαρξη του αέρα.) Εάν αυξήσουμε και πάλι τη συχνότητα, ερχόμαστε στη ζώνη συχνοτήτων που χρησιμοποιείται για εκπομπή κυμάτων FM και τηλεοπτικών σημάτων, τηλεόρασης. Ακολουθεί, προς τις υψηλότερες συχνότητες, η περιοχή των βραχέων κυμάτων, όπως αυτά π.χ. που χρησιμοποιούνται στα ραντάρ. Πηγαίνοντας σε ακόμη υψηλότερες συχνότητες, δε χρειαζόμαστε όργανα για να παρατηρήσουμε τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα, επειδή στη ζώνη αυτή τα κύματα είναι ορατά με τα μάτια μας.
Στην περιοχή συχνοτήτων από 5.x ΙΟ(x14μηδενικά) έως 5. xΙΟ(x15μηδενικά) κύκλων ανά δευτερόλεπτο, τα μάτια μας θα έβλεπαν την ταλάντωση της φορτισμένης χτένας, εάν μπορούσαμε να την υποβάλλουμε σε μια τόσο γρήγορη ταλάντωση. ως ερυθρό, κυανό, ή ιώδες φως, ανάλογα με τη συγκεκριμένη συχνότητα. Οι συχνότητες κάτω από την περιοχή αυτή ανήκουν στη λεγόμενη υπέρυθρη ζώνη, ενώ οι πάνω από αυτή, στην υπεριώδη. Το γεγονός ότι τα μάτια μας λειτουργούν σε μια συγκεκριμένη ζώνη συχνοτήτων, δεν καθιστά την περιοχή αυτή ιδιαίτερης σημασίας, τουλάχιστον από τη σκοπιά ενός φυσικού· οπωσδήποτε όμως, από —ν ανθρώπινη πλευρά, είναι όντως πιο ενδιαφέρουσα. Ακόμη παραπάνω στη κλίμακα των συχνοτήτων. βρίσκουμε τις ακτίνες X. Οι ακτίνες X δεν είναι τίποτε άλλο, παρά φως πολύ υψηλής συχνότητας, πάνω από αυτές, βρίσκονται οι ακτίνες γ. Οι δύο αυτοί όροι, ακτίνες X και γ, χρησιμοποιούνται σχεδόν ως συνώνυμοι. Συνήθως, οι ηλεκτρομαγνητικές ακτίνες που προέρχονται από τον πυρήνα αποκαλούνται ακτίνες γ, ενώ οι ακτίνες υψηλής ενέργειας από τα άτομα αποκαλούνται ακτίνες X, όμως στην ίδια συχνότητα, είναι ταυτόσημες από φυσική άποψη, ανεξάρτητα από την πηγή τους, ή τοv τρόπο παραγωγής τους. Πηγαίνοντας σε ακόμη υψηλότερες συχνότητες, π.χ. στους ΙΟ24 κύκλους ανά δευτερόλεπτο, διαπιστώνουμε ότι μπορούμε να παράξουμε τέτοια ηλεκτρομαγνητικά κύματα με ήπιο τρόπο, για παράδειγμα με το σύγχροτρο3 εδώ στο Caltech. Υπάρχουν, έχουμε ανιχνεύσει, ηλεκτρομαγνητικά κύματα με τρομερά υψηλές συχνότητες—μέχρι και 1000 φορές μεγαλύτερες που αποτελούν τις κοσμικές ακτίνες (cosmic rays). Αυτές οι ακτίνες δεν υπόκεινται σε ανθρώπινο έλεγχο.
ΜΕΤΑΦΡΑΣΗ ΤΩΝ ΔΙΑΛΕΞΕΩΝ ΦΥΣΙΚΗΣ ΤΟΥ R. FEYNMAN 1ος ΤΟΜΟΣ
Αυτό που μας ενδιαφέρει εδώ είναι να δώσουμε μια περιγραφή της φύσης. Από την άποψη αυτή, λοιπόν, ένα αέριο, στην ουσία η ύλη στο σύνολό της, είναι μια πλειάδα κινούμενων σωματιδίων. Έτσι, πολλά από αυτά που παρατηρήσαμε, καθώς στεκόμασταν στην ακροθαλασσιά, μπορούν να συνδεθούν μεταξύ τους. Πρώτα, η πίεση: αυτή προέρχεται από τις κρούσεις των ατόμων, με τα διάφορα κάθε φορά τοιχώματα: η ομοιόμορφη κίνηση των ατόμων, εάν όλα μετακινούνται προς την ίδια, περίπου, διεύθυνση, είναι ο άνεμος: οι τυχαίες εσωτερικές κινήσεις, αποτελούν τη Θερμότητα. Υπάρχουν κύματα μεγάλης πυκνότητας, όπου έχουν συσσωρευτεί περισσότερα σωματίδια από το κανονικό, τα οποία όταν μετακινούνται, παράγουν κύματα επιπλέον πυκνότητας, τα οποία αναγκάζουν άλλες ομάδες σωματιδίων να μετακινηθούν παραπέρα. Αυτό το κύμα πλεονάζουσας πυκνότητας, είναι ο ήχος. Το να μπορούμε να καταλαβαίνουμε τόσα πράγματα, πρέπει να το θεωρήσετε ως ένα τρομακτικό επίτευγμα. Σε κάποιες από τις έννοιες αυτές, έχουμε αναφερθεί στο προηγούμενο Κεφάλαιο.
Πόσα διαφορετικά είδη σωματιδίων υπάρχουν; Στην εποχή που αναφερόμαστε, θεωρούνταν ότι υπήρχαν 92' είχαν ανακαλυφθεί 92 συνολικά είδη ατόμων. Σε αυτά, είχαν δοθεί διάφορα ονόματα, τα οποία σχετιζόταν με τις χημικές τους ιδιότητες.
Το επόμενο μέρος του προβλήματος ήταν, ποιες είναι οι δυνάμεις μικρής εμβέλειας; Γιατί ο άνθρακας έλκει ένα, ή ίσως και δύο, οξυγόνα, αλλά όχι τρία από αυτά; Ποιος είναι ο μηχανισμός της αλληλεπίδρασης μεταξύ των ατόμων; Είναι μήπως η βαρύτητα; Η απάντηση σε αυτό, είναι αρνητική. Η βαρύτητα είναι υπερβολικά ασθενής, για τον ρόλο αυτόν. Φανταστείτε όμως μια δύναμη, ανάλογη με τη βαρύτητα, η οποία ελαττώνεται αντιστρόφως ανάλογα με το τετράγωνο της απόστασης, ισχυρότερη κατά πολύ της αντίστοιχης βαρυτικής, με μια σημαντική διαφορά: στη βαρύτητα, κάθε τι έλκει όλα τα υπόλοιπα, αλλά υποθέστε τώρα ότι υπάρχουν δύο είδη «οντοτήτων» και ότι η νέα αυτή δύναμη (η οποία είναι, φυσικά, η ηλεκτρική δύναμη) έχει την ιδιότητα ότι τα όμοια απωθούνται και τα ετερώνυμα έλκονται. Η «οντότητα»-φορέας αυτής της ισχυρής αλληλεπίδρασης ονομάζεται ηλεκτρικό φορτίο (charge).Τί έχουμε λοιπόν τώρα; Ας υποθέσουμε ότι υπάρχουν δύο ετερώνυμα φορτία, τα οποία έλκουν το ένα το άλλο, ένα «θετικό» και ένα «αρνητικό», τα οποία βρίσκονται σε πολύ μικρή απόσταση μεταξύ τους. Ας υποθέσουμε επίσης ότι υπάρχει και ένα ακόμη φορτίο, σε κάποια απόσταση από αυτά. Θα αισθανθεί κάποια δύναμη το φορτίο αυτό; Πρακτικά, η έλξη σε αυτό θα είναι μηδενική, επειδή, εάν τα δύο αρχικά φορτία είναι ίσα (κατά μέτρο) μεταξύ τους, η έλξη από το ένα από αυτά, εξισορροπεί την άπωση του άλλου. Επομένως, θα υπάρχει πρακτικά μηδενική δύναμη αλληλεπίδρασης, σε οποιαδήποτε εύλογη απόσταση. Από την άλλη μεριά, εάν φέρουμε το επιπλέον φορτίο πολύ κοντά, τότε θα υπάρξουν δυνάμεις αλληλεπίδρασης, επειδή η έλξη μεταξύ ετερώνυμων και η άπωση μεταξύ των ομώνυμων φορτίων τείνει να φέρει πιο κοντά τα ετερώνυμα και να απομακρύνει τα ομώνυμα φορτία. Τότε, η άπωση θα είναι λιγότερη από την έλξη. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο τα άτομα, τα οποία αποτελούνται από θετικά και αρνητικά ηλεκτρικά φορτία, αισθάνονται πολύ λίγη δύναμη, το ένα από το άλλο, όταν βρίσκονται σε επαρκείς αποστάσεις μεταξύ τους (εάν αγνοήσουμε τη βαρύτητα). Όταν τα άτομα βρεθούν σε κοντινή απόσταση, μπορούν να «δουν μέσα» το ένα στο άλλο και να ανακατανείμουν τα φορτία τους, με προκύπτον αποτέλεσμα την εμφάνιση πολύ ισχυρών αλληλεπιδράσεων. Η «απώτατη αιτία» της αλληλεπίδρασης μεταξύ των ατόμων, είναι ηλεκτρικής φύσης. Αυτή η δύναμη είναι τόσο τεράστια, ώστε συνήθως εξαναγκάζει όλα τα θετικά και όλα τα αρνητικά φορτία να σχηματίσουν όσο πιο ισχυρό δεσμό μπορούν μεταξύ τους. Όλα τα πράγματα, ακόμη και εμείς, αποτελούνται από λεπτής υφής θετικά και αρνητικά φορτία, αλληλεπιδρώντας με τεράστιας ισχύος δυνάμεις, σε ίσες ποσότητες. Κάθε τόσο, τυχαία, μπορεί (π.χ. τρίβοντας) να «χάσουμε» μερικά αρνητικά ή μερικά θετικά φορτία (συνήθως είναι ευκολότερη η απομάκρυνση των αρνητικών) και, στις περιπτώσεις αυτές, η ηλεκτρική δύναμη δεν είναι πλήρως εξουδετερωμένη· μπορούμε τότε να παρατηρήσουμε τα αποτελέσματα αυτών των ηλεκτρικών αλληλεπιδράσεων.
Για να δώσουμε μια ιδέα του πόσο ισχυρότερη είναι η ηλεκτρική δύναμη σε σχέση με τη βαρυτική, ας θεωρήσουμε δύο κόκκους άμμου, διαμέτρου π.χ. ενός χιλιοστού, των οποίων η μεταξύ τους απόσταση είναι 30 μέτρα. Εάν οι μεταξύ τους δυνάμεις δεν αλληλοεξουδετερόνονταν, εάν το κάθε τι εξασκούσε μόνο έλξη στο κάθε τι, αντί να υφίστατο άπωση μεταξύ των ομωνύμων φορτίων, οπότε δε θα ήταν δυνατό να υπάρξει αλληλοεξουδετέρωση, πόση θα ήταν τότε η δύναμη; Μεταξύ των δύο κόκκων, τότε, θα υπήρχε μια δύναμη των τριών εκατομμυρίων τόνων! Καταλαβαίνετε, ότι απαιτείται μια πολύ, πολύ μικρή ανισορροπία στην ισοκατανομή των θετικών και των αρνητικών φορτίων, ώστε ’«χι παραχθούν παρατηρήσιμα ηλεκτρικά φαινόμενα. Αυτός είναι, φυσικά, ο λόγος για τον οποίο δεν μπορούμε άμεσα να αποφανθούμε εάν ένα υλικό σώμα είναι ηλεκτρικά φορτισμένο ή όχι—αυτό αποτελεί υπόθεση τόσο λίγων σωματιδίων, σε σχέση με αυτά που αποτελούν το υλικό αυτό σώμα, ώστε να μην παίζουν κανέναν ουσιαστικό ρόλο, όσον αφορά το βάρος του, ή το μέγεθος του.Με βάση την εικόνα αυτή, ήταν πιο εύκολο να κατανοηθεί η ύπαρξη των ατόμων. Αυτά θεωρούνταν οτι αποτελούνταν από έναν «πυρήνα» που βρισκόταν στο κέντρο τους, ο οποίος είναι θετικά ηλεκτρικά φορτισμένος και πολύ μεγάλης μάζας· ο πυρήνας αυτός περιβάλλεται από ένα συγκεκριμένο πλήθος «ηλεκτρονίων», τα οποία είναι πολύ ελαφρά και επίσης αρνητικά ηλεκτρικά φορτισμένα. Τώρα, προτρέχουμε λίγο της κανονικής αφήγησης της ιστορίας μας, σημειώνοντας ότι εντός του πυρήνα βρέθηκε τη υπάρχουν δύο είδη σωματιδίων, τα πρωτόνια (protons) και τα νετρόνια (neutrons), τα οποία έχουν σχεδόν την ίδια, πολύ μεγάλη, μάζα. Τα πρωτόνια είναι ηλεκτρικά φορτισμένα, ενώ τα νετρόνια είναι ουδέτερα. Έστω ότι έχουμε ένα άτομο που έχει 6 πρωτόνια στον πυρήνα του, ο οποίος περιβάλλεται από 6 ηλεκτρόνια (τα αρνητικά φορτισμένα σωματίδια, στις συνηθισμένες κατάστασης της ύλης, είναι ~ο σύνολό τους ηλεκτρόνια, τα οποία είναι πολύ ελαφρότερα από τα πρωτόνια και τα νετρόνια που αποτελούν τον πυρήνα). Αυτό θα είναι το άτομο με αριθμό 6 στον πίνακα των χημικών στοιχείων χ=6 είναι το άτομο του άνθρακα. Το άτομο No. 8 είναι το οξυγόνο κλπ., επειδή οι χημικές ιδιότητες εξαρτώνται από ία ηλεκτρόνια στο εξωτερικό μέρος του ατόμου και στην ουσία αυτές εξαρτώνται μόνο από το πλήθος των ηλεκτρονίων που υπάρχουν. Έτσι, οι χημικές ιδιότητες μιας ουσίας εξαρτώνται από έναν αριθμό και μόνο, το πλήθος των ηλεκτρονίων. (Η λίστα των χημικών στοιχείων θα έπρεπε να διαβάζεται ως 1, 2, 3, 4. 5, 6 κλπ. Αντί να λέμε «άνθρακας», θα έπρεπε να λέμε «στοιχείο 6», εννοώντας την ύπαρξη 6 ηλεκτρονίων σε αυτό, αλλά, φυσικά, όταν πρωτοανακαλύφθηκαν τα χημικά στοιχεία, δεν ήταν γνωστός αυτός ο τρόπος απαρίθμησής τους και, κατά δεύτερον, θα έκανε μάλλον πιο περίπλοκα τα πράγματα.
Είναι καλύτερα να έχουμε ονόματα και σύμβολα για τα χημικά στοιχεία, παρά να τα ονοματίζουμε με αριθμούς.)Είχαν ανακαλυφθεί μερικές ακόμη ιδιότητες της ηλεκτρικής δύναμης. Η φυσική ερμηνεία της ηλεκτρικής αλληλεπίδρασης είναι ότι δύο αντικείμενα, απλά έλκουν το ένα το άλλο· θετικό και αρνητικό. Όμως, αυτό αποδείχθηκε μια ελλιπής αναπαράσταση των φαινομένων. Μια πιο κατάλληλη αναπαράσταση της κατάστασης, ήταν να δεχθούμε ότι η ύπαρξη ενός θετικού φορτίου, παραμορφώνει, κατά κάποιο τρόπο, τον χώρο γύρω από αυτό, ή αλλιώς διαμορφώνει μια κατάσταση σε αυτόν το χώρο, ώστε, εάν τοποθετήσουμε εκεί κοντά ένα αρνητικό φορτίο, πάνω σε αυτό θα ασκηθεί κάποια δύναμη. Αυτή η δυνατότητα παραγωγής μιας δύναμης, ονομάζεται ηλεκτρικό πεδίο (electric Field). Εάν τοποθετήσουμε ένα ηλεκτρόνιο σε ένα ηλεκτρικό πεδίο, λέμε ότι το ηλεκτρόνιο «τραβιέται». Έχουμε λοιπόν δύο κανόνες: (α) τα φορτία δημιουργούν ένα πεδίο γύρω τους και (β) στα φορτία εντός ενός πεδίου εξασκούνται δυνάμεις, με συνέπεια την κίνησή τους. Ο λόγος για αυτό θα καταστεί φανερός, όταν θα συζητήσουμε τα ακόλουθα φαινόμενα: Εάν φορτίσουμε ηλεκτρικά ένα σώμα, μια χτένα π.χ. και κατόπιν τοποθετήσουμε ένα φορτισμένο κομμάτι χαρτί σε μια (όχι πολύ μεγάλη) απόσταση από αυτή και μετακινήσουμε πίσω-μπρος τη χτένα, το χαρτί θα ανταποκριθεί, προσανατολιζόμενο πάντοτε προς τη χτένα. Εάν την μετακινήσουμε πιο γρήγορα, θα διαπιστώσουμε ότι το χαρτί καθυστερεί κάπως να ανταποκριθεί- λέμε τότε ότι υπάρχει μια υστέρηση απόκρισης (delay). (Στην πρώτη φάση του «πειράματος», όταν μετακινούμε κατάλληλα αργά τη χτένα, εμφανίζεται μια επιπλοκή, που ονομάζεται μαγνητισμός. Οι μαγνητικές επιδράσεις έχουν να κάνουν με τη σχετική κίνηση των φορτίων, οπότε τόσο οι μαγνητικές, όσο και οι ηλεκτρικές δυνάμεις μπορούν στην ουσία να αποδοθούν σε ένα πεδίο, ως δύο διαφορετικές εκφάνσεις του ενός και του αυτού πράγματος. Δεν μπορεί να υπάρξει μεταβαλλόμενο ηλεκτρικό πεδίο, χωρίς την ύπαρξη του μαγνητισμού.) Εάν μετακινήσουμε το φορτισμένο χαρτί σε μεγαλύτερη απόσταση, τότε η υστέρηση μεγαλώνει. Παρατηρούμε λοιπόν κάτι πολύ ενδιαφέρον. Ενώ οι δυνάμεις μεταξύ των δύο φορτισμένων αντικειμένων θα έπρεπε να μεταβάλλονται αντιστρόφως ανάλογα με το τετράγωνο της απόστασης, αυτό που παρατηρούμε, μετακινώντας το ένα από τα φορτία αυτά, είναι ότι η επίδρασή του εκτείνεται πολύ παραπέρα, από ό,τι αρχικά είχαμε υποθέσει.
Παρατηρούμε δηλαδή ότι η επίδραση φθίνει πολύ πιο αργά από τον ρυθμό του αντίστροφου τετραγώνου. Ας δούμε μια αναλογία για αυτό: Εάν βρισκόμαστε μέσα σε μια πισίνα με νερό και υπάρχει ένας φελλός στην επιφάνεια του νερού, τότε μπορούμε να τον σπρώξουμε «άμεσα», σπρώχνοντας το νερό με έναν άλλο φελλό. Παρατηρώντας μόνο τους δύο φελλούς, το μόνο που θα βλέπαμε θα ήταν ότι ο ένας μετακινήθηκε, ανταποκρινόμενος αμέσως στην κίνηση του άλλου—υπήρξε δηλαδή κάποιο είδος «αλληλεπίδρασης» μεταξύ τους. Αυτό που κάναμε, φυσικά, ήταν να διαταράξουμε το νερό: το νερό κατόπιν ήταν αυτό που επέδρασε πάνω στον άλλο φελλό. Θα μπορούσαμε να κατασκευάσουμε έναν νόμο, ο οποίος θα δήλωνε ότι, εάν σπρώξετε λίγο το νερό, τότε κάποιο αντικείμενο που θα βρισκόταν κοντά, μέσα στο νερό, θα μετακινούνταν και αυτό. Εάν ο δεύτερος φελλός ήταν αρκετά μακριά, τότε αυτός θα μετακινούνταν πολύ λίγο, σχεδόν καθόλου, επειδή εμείς μετακινούμε τοπικά το νερό, σε μια μικρή περιοχή μόνο. Από την άλλη μεριά, εάν υποβάλλουμε το φελλό σε μια ρυθμική κίνηση, εμφανίζεται ένα νέο φαινόμενο, κατά το οποίο η κίνηση του νερού μεταδίδεται από σημείο σε σημείο, από εδώ εκεί κλπ. και έχουμε κύματα να ταξιδεύουν προς τα έξω· βλέπουμε λοιπόν ότι, με τη ρυθμική κίνηση, η επίδραση εκτείνεται σε πολύ μεγαλύτερη απόσταση, της οποίας η ταλαντούμενη φύση δεν μπορεί να εξηγηθεί με μόνη την άμεση αλληλεπίδραση. Επομένως, η ιδέα της άμεσης αλληλεπίδρασης θα πρέπει να αντικατασταθεί από την ύπαρξη του νερού, ή, στην περίπτωση των ηλεκτρικών φορτίων, από αυτό που ονομάζουμε ηλεκτρομαγνητικό πεδίο. Το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο μπορεί να μεταφέρει κύματα: μερικά από αυτά είναι φως, άλλα χρησιμοποιούνται στις ραδιοφωνικές εκπομπές (radio broadcasts) και ο γενικός όρος για αυτά είναι ηλεκτρομαγνητικά κύματα. Τα ταλαντούμενα αυτά κύματα, μπορούν να έχουν διάφορες συχνότητες (frequencies). Στο μοναδικό πράγμα στο οποίο στην ουσία διαφέρουν δύο τέτοια κύματα, είναι η συχνότητα ταλάντωσής τους. Εάν υποβάλλουμε ένα φορτίο σε δονήσεις, όλο και πιο γρήγορες και παρατηρήσουμε τί συμβαίνει, θα λάβουμε μια ολόκληρη σειρά από αποτελέσματα, τα οποια ενοποιούνται με έναν πολύ ωραίο τρόπο, εάν καθορίσουμε έναν και μόνο αριθμό, το πλήθος των ταλαντώσεων ανά δευτερόλεπτο. Η συνήθης τροφοδοσία σε ρεύμα, σαν αυτή που λαμβάνουμε από —ς πρίζες στα ηλεκτρικά κυκλώματα π.χ. στους τοίχους ενός κτηρίου, έχει μια συχνότητα της τάξης μεγέθους των 100 κύκλων ανά δευτερόλεπτο. Εάν αυξήσουμε τη συχνότητα στους 500 ή στους 1000 χιλιόκυκλους (1 χιλιόκυκλος = 1000 κύκλοι) ανά δευτερόλεπτο, τότε «είμαστε στον αέρα», επειδή αυτή είναι η ζώνη συχνοτήτων που χρησιμοποιείται για ραδιοφωνικές εκπομπές. (Φυσικά, αυτό δεν έχει τότε να κάνει με τον αέρα / Μπορούμε να έχουμε ραδιοφωνικές εκπομπές και χωρίς την ύπαρξη του αέρα.) Εάν αυξήσουμε και πάλι τη συχνότητα, ερχόμαστε στη ζώνη συχνοτήτων που χρησιμοποιείται για εκπομπή κυμάτων FM και τηλεοπτικών σημάτων, τηλεόρασης. Ακολουθεί, προς τις υψηλότερες συχνότητες, η περιοχή των βραχέων κυμάτων, όπως αυτά π.χ. που χρησιμοποιούνται στα ραντάρ. Πηγαίνοντας σε ακόμη υψηλότερες συχνότητες, δε χρειαζόμαστε όργανα για να παρατηρήσουμε τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα, επειδή στη ζώνη αυτή τα κύματα είναι ορατά με τα μάτια μας.
Στην περιοχή συχνοτήτων από 5.x ΙΟ(x14μηδενικά) έως 5. xΙΟ(x15μηδενικά) κύκλων ανά δευτερόλεπτο, τα μάτια μας θα έβλεπαν την ταλάντωση της φορτισμένης χτένας, εάν μπορούσαμε να την υποβάλλουμε σε μια τόσο γρήγορη ταλάντωση. ως ερυθρό, κυανό, ή ιώδες φως, ανάλογα με τη συγκεκριμένη συχνότητα. Οι συχνότητες κάτω από την περιοχή αυτή ανήκουν στη λεγόμενη υπέρυθρη ζώνη, ενώ οι πάνω από αυτή, στην υπεριώδη. Το γεγονός ότι τα μάτια μας λειτουργούν σε μια συγκεκριμένη ζώνη συχνοτήτων, δεν καθιστά την περιοχή αυτή ιδιαίτερης σημασίας, τουλάχιστον από τη σκοπιά ενός φυσικού· οπωσδήποτε όμως, από —ν ανθρώπινη πλευρά, είναι όντως πιο ενδιαφέρουσα. Ακόμη παραπάνω στη κλίμακα των συχνοτήτων. βρίσκουμε τις ακτίνες X. Οι ακτίνες X δεν είναι τίποτε άλλο, παρά φως πολύ υψηλής συχνότητας, πάνω από αυτές, βρίσκονται οι ακτίνες γ. Οι δύο αυτοί όροι, ακτίνες X και γ, χρησιμοποιούνται σχεδόν ως συνώνυμοι. Συνήθως, οι ηλεκτρομαγνητικές ακτίνες που προέρχονται από τον πυρήνα αποκαλούνται ακτίνες γ, ενώ οι ακτίνες υψηλής ενέργειας από τα άτομα αποκαλούνται ακτίνες X, όμως στην ίδια συχνότητα, είναι ταυτόσημες από φυσική άποψη, ανεξάρτητα από την πηγή τους, ή τοv τρόπο παραγωγής τους. Πηγαίνοντας σε ακόμη υψηλότερες συχνότητες, π.χ. στους ΙΟ24 κύκλους ανά δευτερόλεπτο, διαπιστώνουμε ότι μπορούμε να παράξουμε τέτοια ηλεκτρομαγνητικά κύματα με ήπιο τρόπο, για παράδειγμα με το σύγχροτρο3 εδώ στο Caltech. Υπάρχουν, έχουμε ανιχνεύσει, ηλεκτρομαγνητικά κύματα με τρομερά υψηλές συχνότητες—μέχρι και 1000 φορές μεγαλύτερες που αποτελούν τις κοσμικές ακτίνες (cosmic rays). Αυτές οι ακτίνες δεν υπόκεινται σε ανθρώπινο έλεγχο.
ΜΕΤΑΦΡΑΣΗ ΤΩΝ ΔΙΑΛΕΞΕΩΝ ΦΥΣΙΚΗΣ ΤΟΥ R. FEYNMAN 1ος ΤΟΜΟΣ
Δεν υπάρχουν σχόλια:
Δημοσίευση σχολίου