ΚΒΑΝΤΙΚΗ ΦΥΣΙΚΗ
Έχοντας περιγράφει την έννοια του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου, καθώς και το ότι το πεδίο αυτό είναι σε θέση να μεταφέρει κύματα, σύντομα διαπιστώνουμε ότι τα κύματα αυτά, στην πραγματικότητα, συμπεριφέρονται με έναν μάλλον παράξενο τρόπο, ο οποίος συχνά δεν θυμίζει κύματα. Στις υψηλές συχνότητες, συμπεριφέρονται πιο πολύ ως σωματίδια! Η εξήγηση για την παράξενη αυτή συμπεριφορά, δίνεται από την κβαντική μηχανική (quantum mechanics), η οποία ανακαλύφθηκε λίγο μετά το 1920. Στα χρόνια πριν το 1920, η εικόνα του χώρου γύρω μας ως ενός τριδιάστατου (Ευκλείδιου)
χώρου, όπως και του χρόνου ως μιας ανεξάρτητης οντότητας, μετεβλήθη από τον Einstein, πρώτα σε ένα νέο συνδυασμό τους που τον ονομάζουμε χωρόχρονο (space-time) και κατόπιν, ακόμη περισσότερο, στον καμπύλο χωρόχρονο (curved space-time), ώστε να αναπαρασταθεί και η βαρύτητα. Έτσι λοιπόν, η «σκηνή» έχει μεταβληθεί σε χωρόχρονο και η βαρύτητα υποτίθεται ότι είναι μια τροποποίηση του χωρόχρονου αυτού. Βρέθηκε επίσης ότι οι κανόνες υπολογισμού των κινήσεων των σωματιδίων ήταν λανθασμένοι.
Οι κανόνες της μηχανικής, όσον αφορά την «αδράνεια» και τις «δυνάμεις» είναι λανθασμένοι—σι νόμοι του Newton είναι λανθασμένοι—στον ατομικό μικρόκοσμο.
Προς επίρρωσιν αυτών, ανακαλύφθηκε ότι η συμπεριφορά των πραγμάτων σε μικροσκοπική κλίμακα δε θυμίζει σε τίποτε τη συμπεριφορά σε μεγάλες κλίμακες. Αυτό είναι που κάνει τη φυσική δύσκολη—και πολύ ενδιαφέρουσα. Είναι δύσκολη, γιατί ο τρόπος με τον οποίο συμπεριφέρονται τα σωματίδια στη μικρή κλίμακα είναι τόσο «αφύσικος»· δεν έχουμε καμία ανάλογη άμεση εμπειρία. Τα πράγματα συμπεριφέρονται με έναν τρόπο άγνωστο προς εμάς, οπότε είναι αδύνατη η περιγραφή της συμπεριφοράς αυτής με οποιονδήποτε άλλο τρόπο, εκτός των αναλυτικών. Αυτό είναι δύσκολο και απαιτεί μια γερή δόση φαντασίας.
Η κβαντική μηχανική παρουσιάζει πολλά ιδιαίτερα χαρακτηριστικά. Κατά πρώτον, η ιδέα ότι κάποιο σωματίδιο διαθέτει κάποια επακριβώς καθορισμένη θέση και κάποια επακριβώς καθορισμένη ταχύτητα, θα πρέπει να εγκαταλειφθεί' είναι λανθασμένη. Για να δώσουμε ένα παράδειγμα του πόσο λάθος είναι η κλασική φυσική, παραθέτουμε έναν κανόνα της κβαντικής μηχανικής, ο οποίος δηλώνει ότι δεν είναι δυνατόν να γνωρίζουμε και τη θέση και την ταχύτητα ενός σώματος. Η αβεβαιότητα στη θέση και η αβεβαιότητα στην ορμή, είναι συμπληρωματικά μεγέθη και το γινόμενο των δύο είναι μια σταθερά. Μπορούμε να γράψουμε τον κανόνα αυτό, χρησιμοποιώντας μαθηματικό συμβολισμό, ως ΔχΔρ > h/2n, θα αναφερθούμε σε αυτόν με περισσότερες λεπτομέρειες όμως, στα επόμενα. Ο κανόνας αυτός αποτελεί εξήγηση ενός πολύ μυστηριώδους παράδοξου: εάν τα άτομα αποτελούνται από θετικά και αρνητικά φορτία, γιατί τα αρνητικά αυτά φορτία δεν επικάθονται απλά επάνω στα θετικά (μην ξεχνάτε ότι έλκονται μεταξύ τους), πλησιάζοντας τόσο πολύ, ώστε να εξουδετερώσουν πλήρως το ένα το άλλο; Για ποιό λόγο τα άτομα είναι τόσο μεγάλα; Για ποιό λόγο ο πυρήνας βρίσκεται στο κέντρο του ατόμου, με τα ηλεκτρόνια να περιφέρονται γύρω από αυτόν; Σε κάποια στιγμή είχε προταθεί ότι αυτό συμβαίνει επειδή ο πυρήνας ήταν εξαιρετικά μεγάλων διαστάσεων. Αυτό ομως δεν ισχύει· ο πυρήνας είναι εξαιρετικά μικρός. Ένα άτομο έχει μια διάμετρο της τάξης των ΙΟ-8 cm. Η διάμετρος του πυρήνα είναι της τάξης των ΙΟ-13 cm. Εάν επιθυμούμε να δούμε με γυμνό οφθαλμό τον πυρήνα ενός ατόμου, θα έπρεπε να το μεγενθύνουμε τόσο, ώστε το άτομο αυτό να πάρει τις διαστάσεις ενός μεγάλου δωματίου· τότε ο πυρήνας θα είχε το μέγεθος ενός κόκκου σκόνης, ο οποίος μόλις και μετά βίας θα ήταν ορατός με το μάτι- παρ’ όλα αυτά, το σύνολο σχεδόν της μάζας του ατόμου βρίσκεται σε αυτόν τον μικροσκοπικό πυρήνα. Τί εμποδίζει τα ηλεκτρόνια, απλά να πέσουν μέσα στον πυρήνα; Η αρχή που αναφέραμε παραπάνω. Εάν τα ηλεκτρόνια βρισκόταν μέσα στον πυρήνα, τότε θα γνωρίζαμε με πολύ μεγάλη ακρίβεια τη Θέση τους· η αρχή της αβεβαιότητας θα απαιτούσε όμως αυτά να διαθέτουν μια πολύ μεγάλη (και απροσδιόριστη) ορμή, δηλαδή μια πολύ μεγάλη κινητική ενέργεια. Έχοντας τόση ενέργεια, αυτά θα μπορούσαν να διαφύγουν εκτός των ορίων του πυρήνα. Τα ηλεκτρόνια, λοιπόν, κάνουν τον ακόλουθο συμβιβασμό: αφήνουν κάποιο (μικρό) χώρο για αυτήν την αβεβαιότητα της ορμής και δονούνται με την ελάχιστη ποσότητα κίνησης που είναι συμβατή με αυτόν τον κανόνα. (Θυμηθείτε ότι όταν ένας κρύσταλλος ψυχθεί έως το απόλυτο μηδέν, είπαμε ότι τα άτομα δεν σταματούν να κινούνται, αλλά αυτά συνεχίζουν να δονούνται. Γιατί συμβαίνει αυτό; Εάν σταματούσαν να κινούνται, θα γνωρίζαμε επακριβώς τη θέση τους και αυτά θα είχαν μηδενική κινητική ενέργεια, κάτι που αντιτίθεται στην αρχή της αβεβαιότητας. Δεν γίνεται να γνωρίζουμε τη θέση τους καθώς και το πόσο γρήγορα αυτά κινούνται, οπότε θα πρέπει να συνεχίζουν την κίνησή τους, δονούμενα αδιάκοπα!
Μια άλλη, πολύ σημαντική μεταβολή στις ιδέες και στη φιλοσοφία της επιστήμης, την οποία επέφερε η κβαντική μηχανική, είναι η εξής; δεν είναι δυνατή η επακριβής πρόβλεψη, για το τί θα συμβεί σε κάθε περίπτωση. Για παράδειγμα, είναι δυνατό να φέρουμε ένα άτομο στην κατάσταση στην οποία αυτό είναι έτοιμο να εκπέμψει φως και μπορούμε να μετρήσουμε το πότε αυτό εξέπεμψε φως, ανιχνεύοντας την παρουσία ενός σωματιδίου φωτός, ενός φωτονίου, το οποίο είναι κάτι που θα περιγράφουμε στα αμέσως επόμενα. Δεν είμαστε σε θέση, όμως, να προβλέψουμε πότε το άτομο πρόκειται να εκπέμψει φως ή, εάν υπάρχουν περισσότερα του ενός άτομα, ποιό από αυτά πρόκειται να εκπέμψει. Ενδέχεται να υποστηρίξετε ότι αυτό συμβαίνει εξαιτίας ίσως κάποιου «εσωτερικού μηχανισμού» τον οποίο δεν παρατηρήσαμε, δεν ψάξαμε αρκετά λεπτομερειακά, ώστε να εντοπίσουμε. Όχι, δεν υφίσταται κανένας τέτοιος εσωτερικός μηχανισμός· η φύση, όπως την αντιλαμβανόμαστε σήμερα, συμπεριφέρεται με τέτοιον τρόπο, που είναι θεμελιωδώς αδύνατη η επακρβής πρόβλεψη του τί ακριβώς θα συμβεί, σε ένα οποιοδήποτε συγκεκριμένο πείραμα. Αυτό είναι κάτι τρομερό- Στην πραγματικότητα, οι φιλόσοφοι έχουν δηλώσει εδώ και καιρό ότι ένα θεμελιώδες προαπαιτούμενο της επιστήμης είναι ότι, οποτεδήποτε καθορίζονται οι ίδιες συνθήκες, τότε το αποτέλεσμα που λαμβάνεται θα πρέπει να είναι το ίδιο. Αυτό, απλά, δεν ισχύει, δεν είναι κάποια θεμελιώδης αρχή της επιστήμης. Το γεγονός είναι ότι δε συμβαίνει πάντοτε το ίδιο πράγμα και ότι μπορούμε να αποφανθούμε μόνο κατά μέσο όρο, ή στατιστικά, για το τί πράγματι συμβαίνει. Παρ’ όλα αυτά, η επιστήμη δεν έχει καταρρεύσει τελείως, έστω και εάν τα πράγματα είναι έτσι. Παρεμπιπτόντως, οι φιλόσοφοι λένε πολλά σχετικά με το τί είναι απολύτως απαραίτητο στν επιστήμη και αυτά είναι, σχεδόν πάντοτε και όσο μπορεί κανείς να καταλάβει, αρκετά απλοϊκά και ενδεχομένως και λάθος. Για παράδειγμα, έχει διατυπωθεί από μερικούς φιλοσόφους η πεποίθηση ότι είναι θεμελιώδους σημασίας, όσον αφορά την επιστημονική προσπάθεια, ότι εάν πραγματοποιήσουμε ένα πείραμα, π.χ. στη Στοκχόλμη της Σουηδίας και κατόπιν το ίδιο πείραμα επαναληφθεί, π.χ. στο Κίτο του Ισημερινού, τότε, οφείλουν να προκόψουν τα ίδια αποτελέσματα. Αυτή είναι μια εντελώς λανθασμένη δήλωση. Δεν είναι απαραίτητο, για την επιστήμη, να ισχύει αυτό- μπορεί αυτό να είναι ένα εμπειρικό γεγονός, δεν αποτελεί όμως θεμελιώδη αναγκαιότητα. Για παράδειγμα, εάν ένα από τα πειράματά μας συνίσταται στην παρατήρηση του ουρανού και του βόρειου σέλαος στη Στοκχόλμη, κάτι τέτοιο δε θα διαπιστωθεί στο Κίτο- στο φαινόμενο αυτό υπάρχουν (χωρικές) διαφοροποιήσεις. «Μα», μπορείτε να ισχυριστείτε, «αυτό έχει να κάνει με έναν εξωτερικό παράγοντα· μπορείς να κλειστείς μέσα σε ένα κουτί στη Στοκχόλμη, να «κλείσεις τα παράθυρα» και να διαπιστώσεις διαφορές με το Κίτο;» Φυσικά και αυτό είναι δυνατόν. Εάν πάρουμε ένα εκκρεμές με σπαστό βραχίονα, το απομακρύνουμε από τη θέση ισορροπίας και το αφήσουμε, τότε το εκκρεμές θα εκτελέσει ταλαντώσεις, οι οποίες θα βρίσκονται σχεδόν στο ίδιο επίπεδο, όχι όμως ακριβώς. Με βραδύ ρυθμό, το επίπεδο κίνησης του εκκρεμούς θα αλλάζει προσανατολισμό στη Στοκχόλμη, όχι όμως και στο Κίτο. Εξακολουθούμε να είμαστε μέσα στο κουτί, χωρίς οπτική επαφή με τον έξω κόσμο. Το γεγονός όμως αυτό, δεν επιφέρει και την κατάρρευση της επιστήμης. Ποιά είναι η θεμελιώδης υπόθεση της επιστήμης, η θεμελιώδης φιλοσοφία που τη διέπει; Την αναφέραμε στο πρώτο Κεφάλαιο: ο μοναδικός έλεγχος της εγκυρότητας οποιασδήποτε ιδέας, είναι το πείραμα Εάν προκόψει ότι τα περισσότερα από τα πειράματα που πραγματοποιούνται στη Στοκχόλμη, δίνου’ ταυτόσημα αποτελέσματα στο Κίτο, τότε αυτά τα «περισσότερα πειράματα» θα χρησιμοποιηθούν στην προσπάθεια διατύπωσης ενός γενικού νόμου και εκείνα που δεν υπάγονται στην κατηγορία αυτή λέμε ότι αποτελούν απόρροια της επίδρασης του περιβάλλοντος κοντά στη Στοκχόλμη. Θα εφεύρουμε κάποιον τρόπο συμπερίληψης των αποτελεσμάτων αυτών και δεν έχουμε ανάγκη να γνωρίζουμε ει των προτέρων τα χαρακτηριστικά του τρόπου αυτού. Εάν μας έχουν πει ότι το ίδιο πείραμα θα πρέπε να δίνει πάντοτε τα ίδια αποτελέσματα, έχει καλώς- εάν όμως, όταν το πραγματοποιήσουμε, αυπ δε συμμορφώνεται σε αυτόν τον κανόνα, τότε πάλι έχει καλώς. Θα πρέπει να το λάβουμε αυτό ως δεδομένο και κατόπιν να τυποποιήσουμε όλες τις υπόλοιπες ιδέες και αντιλήψεις μας, με όρους τηι πραγματικής αυτής εμπειρίας.
Επιστρέφοντας στη συζήτησή μας για την κβαντική μηχανική και τη θεμελιώδη φυσική, θα αποφύγουμε να μπούμε σε λεπτομέρειες, όσον αφορά τις αρχές της κβαντομηχανικής, στην παρούσα φάση. επειδή αυτές είναι αρκετά δύσκολες στην κατανόησή τους. Για την ώρα, θα δεχθούμε την ύπαρξή τους και θα συνεχίσουμε περιγράφοντας μερικές από τις συνέπειες που απορρέουν από αυτές. Μια σημαντική τέτοια συνέπεια, είναι ότι διάφορες οντότητες που μέχρι τώρα θεωρούνταν ως κύματα, συμπεριφέρονται επίσης και ως σωματίδια και το αντίστροφο: τα σωματίδια παρουσιάζουν χαρακτηριστικά κυματικής συμπεριφοράς. Στην ουσία, τα πάντα συμπεριφέρονται με αυτόν τον τρόπο. Δεν υφίσταται καμία διαφορά μεταξύ σωματιδίου και κύματος. Έτσι, η κβαντική μηχανική ενοποιεί τις έννοιες του πεδίου και των κυμάτων αυτού, καθώς και την έννοια του σωματιδίου, σε μια νέα έννοια. Είναι βέβαια αληθές ότι όταν η συχνότητα είναι χαμηλή, τα πεδιακά χαρακτηριστικά του φαινομένου είναι πιο έκδηλα, ή πιο χρήσιμα ως μια προσεγγιστική περιγραφή, σε όρους της καθημερινής πραγματικότητας. Όσο όμως η συχνότητα αυξάνει, τα σωματιδιακά χαρακτηριστικά του φαινομένου είναι αυτά που εκδηλώνονται περισσότερο, με βάση τον εξοπλισμό με τον οποίο πραγματοποιούνται συνήθως τα πειράματα. Στην πραγματικότητα, αν και αναφερθήκαμε στα προηγούμενα σε μια ποικιλία συχνοτήτων, δεν έχει ανχνευτεί έως τώρα κάποιο φαινόμενο, το οποίο να εμπλέκει άμεσα κάποια συχνότητα άνω των περίπου ΙΟ^12 κύκλων ανά δευτερόλεπτο. Μπορούμε έμμεσα να συνάγουμε την ύπαρξη των υψηλότερων συχνοτήτων, πάνω από αυτό το «όριο», από την ενέργεια των σωματιδίων, χρησιμοποιώντας έναν κανόνα που υποθέτει ότι η ιδέα του σωματιδίου-κύματος της κβαντικής μηχανικής εξακολουθεί να ισχύει.
Έχουμε επομένως μια νέα αντίληψη της ηλεκτρομαγνητικής αλληλεπίδρασης. Υποθέτουμε την ύπαρξη ενός νέου είδους σωματιδίου, το οποίο προστίθεται στην ομάδα που αποτελείται από το ηλε- κτρόνιο, το πρωτόνιο και το νετρόνιο. Το νέο αυτό σωματίδιο, ονομάστηκε φωτόνιο (photon). Η νέα αυτή αντίληψη της αλληλεπίδρασης των ηλεκτρονίων και των φωτονίων, είναι η ηλεκτρομαγνητική θεωρία, αλλά με όλες τις λεπτομέρειές της κβαντομηχανικά σωστές και αποκαλείται κβαντική ηλεκτροδυναμική (quantum electrodynamics). Αυτή η θεμελιώδης θεωρία των αλληλεπιδράσεων του φωτός με την ύλη, ή με τα ηλεκτρικά πεδία και τα φορτία, είναι η πλέον σημαντική μέχρι τώρα επιτυχία μας στη φυσική. Σε αυτή τη θεωρία έχουμε ενσωματώσει τους βασικούς κανόνες για όλα τα συνηθισμένα φυσικά φαινόμενα, εκτός από τη βαρύτητα και τις πυρηνικές διεργασίες. Για παράδειγμα, από την κβαντική ηλεκτροδυναμική εκπηγάζουν όλοι οι γνωστοί ηλεκτρικοί, μηχανικοί και χημικοί νόμοι: οι νόμοι που διέπουν τη σύγκρουση των μπαλών του μπιλιάρδου, τις κινήσεις των συρμάτων στα μαγνητικά πεδία, η ειδική θερμότητα του μονοξειδίου του άνθρακα, το χρώμα των φωτεινών επιγραφών με νέον, η πυκνότητα του άλατος και οι αντιδράσεις του υδρογόνου και του οξυγόνου προς σχηματισμό ύδατος, είναι όλα αποτελέσματα του νόμου αυτού και μόνο. Οι αντίστοιχες λεπτομέρειες μπορούν όλες να διελευκανθούν, εάν βέβαια η κατάσταση είναι επαρκώς απλή, ώστε να μπορέσουμε να εργαστούμε προσεγγιστικά, κάτι που ποτέ σχεδόν δεν ισχύει, αλλά, παρ’ όλα αυτά, συχνά μπορούμε να καταλάβουμε, χονδρικά τουλάχιστον, τί συμβαίνει. Μέχρι τώρα που μιλάμε, δεν έχουν διαπιστωθεί εξαιρέσεις για τους κβαντο-ηλεκτροδυναμικούς νόμους, εκτός του χώρου του πυρήνα· για εκείνον το χώρο δεν είμαστε σε θέση να αποφανθούμε εάν υπάρχουν ή όχι εξαιρέσεις, επειδή πολύ απλά δε γνωρίζουμε τί φαινόμενα λαμβάνουν χώρα στο εσωτερικό ενός πυρήνα.
Κατ’ αρχάς, επομένως, η κβαντική ηλεκτροδυναμική είναι η θεωρία που διέπει το σύνολο της χημείας, καθώς και όλων των φαινομένων της ζωής, εάν η ζωή ανάγεται τελικά στη χημεία και επομένως στη φυσική, επειδή ήδη η χημεία έχει αναχθεί στη φυσική (με το μέρος της φυσικής που εμπλέκεται στη χημεία, να είναι ήδη γνωστό). Επιπλέον, η ίδια αυτή θεωρία της κβαντικής ηλεκτροδυναμικής, αυτό το σημαντικό επίτευγμα, είναι σε θέση να προβλέψει μια πληθώρα νέων φαινομένων. Κατά πρώτον, καθορίζει τις ιδιότητες των φωτονίων πολύ υψηλής ενέργειας, των ακτίνων γ κλπ. Προέβλεψε επίσης και ένα άλλο, πολύ αξιοσημείωτο φαινόμενο: εκτός από το ηλεκτρόνιο, θα πρέπει να υπάρχει και ένα άλλο σωματίδιο με την ίδια μάζα, αλλά αντίθετου φορτίου, το ονομαζόμενο ποζιτρόνιο (positron)· τα δύο αυτά σωματίδια, όταν βρεθούν αρκετά κοντά, μπορούν να εξαφανίσουν το ένα το άλλο, κάτι που ακολουθείται από μια εκπομπή φωτός ή ακτίνων γ. (Άλλωστε, φως και ακτίνες γ είναι το ίδιο πράγμα, είναι απλά διαφορετικά σημεία σε μια κλίμακα συχνοτήτων.) Αποδεικνυεται ότι ισχύει η γενίκευση της θέσης αυτής, ότι δηλαδή για κάθε σωματίδιο υπάρχει και το αντίστοιχο αντισωματίδιο. Στην περίπτωση των ηλεκτρονίων, το αντισωματίδιο διαθέτει και ένα επιπλέον όνομα—είναι το ποζιτρόνιο που μόλις αναφέραμε, αλλά για τα περισσότερα των σωματιδίων, αυτό καλείται απλά αντι-.... όπως π.χ. αντιπρωτόνιο και αντινετρόνιο. Στην κβαντική ηλεκτροδυναμική, εισάγουμε δύο και μόνο αριθμούς και αναμένουμε όλους σχεδόν τους άλλους αριθμούς που εμφανίζονται στο φυσικό κόσμο να προκύψουν από αυτούς. Οι δύο αυτοί αριθμοί αποκαλούνται «μάζα του ηλεκτρονίου» και «φορτίο του ηλεκτρονίου». Στην πραγματικότητα, αυτό δεν είναι πλήρως σωστό, λόγω της ύπαρξης ενός μεγάλου πλήθους αριθμών στη χημεία, οι οποίοι μας φανερώνουν το πώς είναι φτιαγμένοι οι πυρήνες. Αυτό μας οδηγεί στην επόμενη Ενότητα.
Μετάφραση από τις Διαλέξεις Φυσικής του R. Feynman ΤΟΜΟΣ 1ος
Δεν υπάρχουν σχόλια:
Δημοσίευση σχολίου