> Znanost : Fizika :
- Uvod - Relativnost - Kvantna fizika - Kozmologija - Ljudje - Nadaljnje informiranje -
Uvod
Fizika (iz grščine: phýsis = narava) je znanost, ki preučuje naravne pojave. Kot taka je temeljna veda. Če hočemo katerokoli stvar razložiti do potankosti, se moramo poslužiti fizikalnih prijemov in spoznanj. Fizika v veliki meri uporablja prijeme eksaktne matematike in je osnova za kemijo, biologijo, geologijo, astronomijo, tehniko,... pravzaprav za katerokoli področje v katerem je potrebna razlaga naravnih pojavov.
Fiziko v grobem delimo na:
- klasično fiziko, ki obsega Newtonovo mehaniko, toploto (termodinamiko), elektriko in optiko
- moderno fiziko, ki obsega Einsteinovo specialno in splošno teorijo relativnosti in kvantno fiziko
Klasično fiziko si dobro predstavljamo, saj domuje v našem velikostnem razredu in imamo zato neposredne izkušnje z njo. Obratno pa je z moderno fiziko, ki jo predstavljam na tej strani. Spodaj na hitro omenjam vse najaktualnejše teorije, ki odkrivajo realnost na svojem področju in se tudi ujemajo z eksperimenti.
Relativnost (iz latinščine: relativus = nanašati se)
Albert Einstein je leta 1905 objavil posebno teorijo relativnosti. Iz samo dveh predpostavk (da so zakoni narave za vse opazovalce enaki in da vsi opazovalci vedno izmerijo isto hitrost svetlobe, ne glede na to kako se gibajo) se da pokazati relativno naravo hitro gibajočih teles. Zaključek je, da so izmerjene dolžine in časi za različno hitro gibajoče opazavalce, različni.
Leta 1916 je Einstein svojo teorijo posplošil oz. razširil do te mere, da splošna teorija relativnosti v celoti razloži tudi pospešena gibanja in pojasni kaj se dogaja s samo strukturo prostora in časa. Iz ugotovitve, da opazovalec ne more ločiti ali je v pospešenem sistemu ali v gravitacijskem polju, sledi poenotenje. Masivna telesa deformirajo prostor-čas. Posledice so zelo zanimive: skoraj v vsaki točki prostora teče čas različno hitro, saj se gravitacijski potencial praktično spremeni že na najmanjši razdalji prostora. Efekt je seveda bolj izrazit v okolici teles z zelo veliko maso (planetov, zvezd,...) in v primeru hitrega pospeševanja.
Atomska in kvantna fizika (iz latinščine: quantus = koliko)
Atomska in kvantna fizika proučujeta dogajanje na velikostni skali atoma (0.0000001 mm = 10-10 m) in manjši. Svet je na takšnih razdaljah precej drugačen od izkušenj, ki jih imamo pri velikostnih skalah centimetrov in metrov. Prav zato je še posebno zanimiv. Pojavi na atomskem nivoju so odgovorni za vse kar se dogaja na večjih skalah. To je glavni razlog za tako zavzet trud fizikov - razkriti osnovna, fundamentalna pravila na najmanjši skali s pomočjo katerih bi potem lahko razumeli in znali napovedati dobesedno vse.
Ko odkrivamo pravila igre v kvantni fiziki, najprej opazimo, da je svet kvantiziran (sestavljen iz osnovnih nedeljivih gradnikov). To precej poenostavi in pojasni kopico fizikalnih fenomenov. Primer: atom iz stanja z višjo energijo preide v nižjo tako, da elektron v atomu preide iz enega nivoja na drugega in pri tem v okolico izseva kvant energije (foton). Vmesnih možnosti enostavno ni, odtod "kvantna" narava.
Med najpomembnejšimi spoznanji človeške civilizacije je ugotovitev, da je svet sestavljen iz atomov. Ni pa atom osnovni nedeljivi delec, kot je bilo mišljeno nekoč. Vodik je najpreprostejši element z enim protonom v jedru in enim elektronom okoli njega. Model atoma vodika si lahko predstavljamo kot:
Iz slike je razvidno, da je atom vodika sestavljen iz treh različnih osnovnih delcev: kvark u, kvark d in elektron e. V resnici so vsi atomi sestavljeni le iz teh treh delcev. Kdo bi si mislil, da je sestava sveta tako enostavna!
Ključno za opis atomov so še sile (interakcije) med temi delci. Kvarke v jedru veže močna jedrska sila, elektrone z jedrom pa veže elektromagnetna sila. Dva kvarka tvorita mezone, trije kvarki tvorijo barione.
Zavzet trud fizikov s celega sveta predstavlja ideja, da bi poenotili oz. zreducirali vso znano fiziko na listo fundamentalnih delcev in interakcij med njimi. S pospeševalniki delcev (kakršna sta npr. CERN in Tevatron) človeštvo spoznava fundamentalne gradnike snovi in tako se je zgradila teorija imenovana standardni model (SM). Je praktična osnova dvema najnatančnejšima teorijama:
- kvantna elektrodinamika (QED): preučuje elektromagnetno interakcijo fotonov z osnovnimi delci
- kvantna kromodinamika (QCD): preučuje močno (barvno) interakcijo med osnovnimi delci
Spodnje tabele predstavljajo razširjen SM, ki opisuje lastnosti fundamentalnih delcev, ki interagirajo med seboj preko nosilcev interakcij.
Bozoni so nosilci interakcij s celoštevilčnim spinom, poznamo:
Fermioni so osnovni gradniki snovi, za razliko od bozonov imajo polovi spin. Opišemo jih z dvema kategorijama:
OPOMBE k tabelam:
- Vsak delec ima še sebi nasproten delec imenovan antidelec, slednji imajo enako maso kot delci in obraten predznak kvantnih števil (okus, električni naboj, barvni naboj, spin). Delec in antidelec se lahko anihilirata pri čemer se njuna masa pretvori v energijo E=mc2. Obraten proces se imenuje tvorba parov.
- Vsak kvark lahko nastopa v eni izmed treh lastnosti imenovani barvni naboj. Gluon g lahko nastopa v enem od osmih barvnih nabojev (interakcije med kvarki).
- Vsi delci, razen gravitona G (kvantizacija gravitacijskega polja) in higgsovega bozona H (kvantizacija higgsovega polja, ki podaja delcem maso) so bili tudi eksperimentalno potrjeni.
RAZLAGA tabel:
Prva tabela prikazuje lastnosti nosilcev interakcij (bozonov), torej sil med osnovnimi delci (fermioni), ki so opisani v drugi in tretji tabeli. V tabelah so specificirane nekatere najpomembnejše lastnosti delcev: masa (napisana je mirovna masa, v energijskih enotah), okus, spin, električni naboj, omenjen je tudi barvni naboj. Slednje štiri lastnosti predstavljajo kvantna števila s katerimi je vsak delec natančno določen. Masa ne spada med kvantna števila saj je določena eksperimentalno in je zaenkrat ni možno teoretično izračunati.
Standardni model delcev se bo v prihodnosti skoraj gotovo razširil, takrat bodo tudi tabele ustrezno dopolnjene. Novosti lahko pričakujemo leta 2008 iz CERNa, kjer bodo trkali delce z najvišjimi energijami do sedaj (do skupno 11 TeV). Pričakuje se odkritje teoretično napovedanega Higgsovega bozona H in razjasnitev supersimetrije (glej GUT spodaj).
Za bolj razumljivo sliko kaj pravzaprav pomenijo zgornje tabele lahko osnovne interakcije ponovno zapišemo in tako dobimo tabelo, ki opisuje štiri sile, ki vladajo v vesolju:
* Sklopitvena "konstanta" nam pove jakost interakcije. V resnici ne gre za konstanto, saj je odvisna od energije sproščene pri reakciji (višja ko je energija, manjše gradnike snovi lahko zaznamo), kar prikaže graf sklopitvenih "konstant" [v delu] . Pove nam sklopitev polja z izvirom in v resnici ni konstanta, saj se spreminja z energijo. Navedene vrednosti približno odgovarjajo jakosti posamezne interakcije med dvema kvarkoma u na razdalji 10-18 m.
** Močna interakcija (med kvarki) pade na nič pri zelo majhnih razdaljah (velikih energijah) in je vse večja na velikih razdaljah. Pojav se imenuje asimptotska svoboda. Vendar je potrebno upoštevati, da močno interakcijo proton začuti šele, ko se drugemu protonu dovolj približa, da razloči posamezne barvne naboje kvarkov.
Ljudje neposredno občutimo samo eno silo: elektromagnetno, ponavadi odbojno Coulombsko silo med atomi, npr. med sedežem in bralčevo zadnjico. Gravitacijska sila je najšibkejša, vendar odgovorna, da bralec še sedi na sedežu in ne odplava v vesolje. Močna jedrska sila drži skupaj jedra v atomu, torej skrbi za to, da se bralec ne razblini v razpadu. Šibka jedrska pa spremlja "obroben" pojav v razpadu beta. Verjetno do končne slike v tabeli manjkata še dve interakciji. To sta Higgsova (delcem posreduje lastnost mase) in antigravitacijska (pospešeno razširja vesolje - glej "kozmologija" spodaj), ki še nista v celoti raziskani in bosta dodani naknadno.
Teorija, ki se ukvarja s polji, ki jih povzročajo osnovni delci s svojimi lastnostmi se imenuje kvantna teorija polja, ang. quantum field theory (QFT). Ta je združila posebno teorijo relativnosti in kvantno mehaniko tako, da je kvantizirala posamezne interakcije z zgoraj opisanimi (Gauge) bozoni. Probleme predstavljata še higgsovo in gravitacijsko polje. Samega gravitona vsaj v kratkem ne bomo praktično zaznali, saj je to z današnjimi sredstvi in metodami nemogoče. So pa vse možnosti za detekcijo hipotetičnega higgsovega bozona.
V smeri poenotenja oz. posplošitve SM velja posebej omeniti Gauge theory. Ta proučuje simetrije pri posameznih interakcijah. Poznamo tri simetrije, ki se (ali se ne) pojavljajo v določenih fizikalnih zakonih: charge, parity, time (CPT). C - zamenjava delca z antidelcem, P - zrcaljenje prostora, T - obrat časa.
Kvantna fizika je neintuitivna teorija. Fizikalne enačbe res dajo pravilne rešitve, toda, ko hočemo razumeti kaj praktično pomeni izračun, dobimo sila čudne ugotovitve. Richard Feynman je zato dejal "Shut up and calculate". Kljub temu imamo določene interpretacije kvantne fizike (Copenhagenška, Bohmova, Everettova, ...) Vsaka ima svoje prednosti in slabosti, nobena pa še ne pojasni vsega v celoti.
Pomembno vprašanje je kako znane štiri sile poenotiti v eno supersilo, ki je morala vladati v zgodnji dobi vesolja. Teorija, ki pri velikih energijah združuje sile, se imenuje velika teorija poenotenja, ang. grand unified theory (GUT). Pri zelo velikih energijah se namreč t.i. sklopitvene "konstante" (jakosti posameznih osnovnih interakcij) skoraj združijo v eno "supersilo", ki je morala vladati v zgodnjem vesolju! Teoretično je teorija GUT zelo uspešna in pravilno napove vse sklopitve pri velikih energijah. Majhno odstopanje je naknadno teoretično popravljeno z uvedbo supersimetrije (SUSY). Znanim osnovnim delcem iz SM se doda supersimetrične partnerje, ki predstavljajo garnituro novih delcev z zelo velikimi masami. Eksperimentalne (ne)potrditve lahko pričakujemo leta 2008 iz LHC v CERNu, saj bodo trkali delce s tako velikimi energijami, da bo že možno zaznati obstoj teoretično napovedanih supersimetričnih delcev.
Zaradi omenjenih problemov se po drugih poteh že iščejo nove teorije; kandidatke za končno teorijo vsega (TOE):
(1) Kvantna gravitacija skuša združiti kvantno fiziko in splošno teorijo relativnosti.
(2) Edward Witten je združil pet teorij strun v M theory. Je popolnoma matematično zasnovana na supersimetriji med bozoni in fermioni. Osnovni delci naj bi bile strune velikosti okoli 10-33 m, ki nihajo na večdimenzionalnih branah. Po tej teoriji naj bi bil svet vsaj 11 dimenzionalen. Trenutno potekajo razprave kako teorijo praktično preizkusiti.
(3) Stephen Wolfram govori o celularnih avtomatih in tako pojasnjuje celotno vesolje s programom, celotno teorijo je predstavil v knjigi New kind of Science.
(4) Quantum computation se temelji na kvantni fiziki, a že kaže znake samostojne teorije.
(5) Evolucijsko načelo, ki pravi, da je vsaka formacija edina možna, saj se je v danih okoliščinah izkazala za najobstojnejšo.
Tretja, četrta in peta točka se povezujejo in njihova združitev obeta mogočno novo teorijo digitalno mehaniko (DM). Skupna jim je pomembna ugotovitev (predpostavka), da je svet končen v vseh pogledih; na najmanjši skali diskreten, na največji pa omejen. Teorija tako pokonča tudi abstraktne neskončnosti in rodi se finitna fizika. Oče DM je Edward Fredkin.
Končna teorija vsega bo morala pojasniti tudi sam prostor-čas na katerem tečejo interakcije med delci. Takim teorijam pravimo, da so background independent (BI). Najstarejša in najuspešnejša BI teorija je Einsteinova GTR, vendar ni TOE, saj ni uporabna za opis dogajanja na zelo majhnih razdaljah. V tej smeri gre v zadnjem času najbolje teoriji QG, natančneje loop quantum gravity (LQG), katere idejni oče je Lee Smolin (glej "ljudje" na dnu strani).
Kozmologija (iz grščine: cosmos = urejenost, logos = beseda, misel)
Kozmologija je del fizike in je "najširša" znanost. Proučuje razvoj vesolja "od začetka do konca". Ukvarja se s formacijami na velikostni skali svetlobnih let in več (1 sv. leto je razdalja, ki jo prepotuje svetloba v enem letu, kar je približno 9,460,800,000,000 km).
Razprave o vesolju so vedno burile človeško domišljijo, tako smo priča vprašanjem, ki se porajajo človeku že odkar se je prvič zazrl v nebo:
- Kako se je vse začelo, ali se sploh je kdaj začelo?
- Ali je vesolje že od nekdaj isto ali se spreminja? Kako?
- Kam vse to vodi, ali ima vesolje tudi svoj konec - časovni in prostorski!?
- Kaj v njem počnemo mi? Kako, da sploh obstajamo?
Na večino teh in podobnih vprašanj zna uradna znanost že odgovoriti.
Eksperimenti nakazujejo, da se je vesolje začelo z velikim pokom (Big bang theory) pred okoli 13.7 milijardami let. Astrofiziki so izračunali kaj se je dogajalo vse od Planckovega časa: 10-44 sekunde po velikem poku in natančno tudi kaj potem, vse do danes. Zelo so zanimive tudi ugotovitve kako naj bi se vesolje spreminjalo v prihodnosti.
Teorije o tem zakaj in kako je nastal sam veliki pok pa imajo lahko že precej trhle temelje. Iskanje vzroka za veliki pok je lahko nesmiselno, saj je s samim nastankom vesolja prostor in čas(!) šele nastal. Čas se torej šteje od prvega trenutka (tudi čas je kvantiziran) dalje, časa pred tem sploh ni bilo.
Od prvega trenutka naprej je torej vesolje že eksistiralo, zato se je nesmiselno spraševati "Zakaj in kako je iz nič nastalo vesolje?", saj v resnici sploh ni nastalo. Pravilna trditev s stališča moderne kozmologije se glasi: ob prvem trenutku časa je tudi vesolje že obstajalo.
To majceno vesolje z izjemno veliko energije se je po velikem poku širilo, nastajali so med seboj interagirajoči delci. In dejstvo je, da vse kar obstaja, izvira iz tega "pradelca".
Nekateri pri nastanku vesolja (zmotno) vlečejo analogijo s tvorbo delcev iz energije. Res je možno, da nastane materija iz navidezno nič, vendar če pogledamo podrobneje, vidimo, da je nastala pravzaprav iz energije, torej iz elektromagnetnega valovanja (fotonov). Energijska bilanca pri tvorbi parov in anihilaciji velja!
Od velikega poka naprej se vesolje širi; vsa snov se oddaljuje od nedoločljivega središča vesolja. To širjenje poteka še danes. Posledično se vesolje ohlaja.
Prihodnost vesolja je odvisna od njegove gostote. Kritična gostota vesolja je tista pri kateri bi bilo vesolje ravno (v tem primeru je relativna gostota vesolja Omega = 1). Kritična gostota znaša približno 4 protone na kubični meter.
Če bi bila gostota vesolja nad kritično gostoto (Omega > 1, kar pomeni pozitivno ukrivljenost vesolja), recimo da bi vesolje vsebovalo zadosti tako imenovane "temne snovi" kot so črne luknje, bi se na neki točki nehalo širiti, saj bi bila sila gravitacije večja od sile razpenjanja in začelo bi se krčenje vesolja in posledično strahovito segrevanje vse dokler se ne bi celotna snov vesolja skoncentrirala v neki točki. Vendar temu očitno ne bo tako.
Znanstveniki poznajo že zelo natančno izračunano sestavo vesolja iz meritev prasevanja.
Energijska sestava vesolja (podatki so bili pridobljeni s sondo WMAP):
- 4% svetle snovi: navadna snov, ki jo lahko vidimo (zvezde, mi sami,...)
- 23% temne snovi: to snov lahko samo posredno zaznavamo (črne luknje, delci WIMP)
- 72% temne energije: gre za neznano energijo, ki razpenja vesolje (vzroki še niso znani)
Približna masna sestava galaksij (rezultat sledi iz analize vrtenja galaksij in se sklada z rezultati meritev prasevanja):
- 10% svetle snovi
- 90% temne snovi
Temna snov je neznanka v kozmologije. Zunanji deli galaksij se vrtijo z večjo hitrostjo kot bi se morali, če bi bili sestavljeni le iz vidne snovi. Očitno več kot 90% snovi v galaksijah sploh ni vidne in zato se pojavljajo različna ugibanja iz česa naj bi temna snov bila. Sklepamo lahko, da gre za neke šibko interagirajoče masivne delce (WIMP). Špekulira se predvsem o supersimetričnih delcih, ki so hkrati možna razširitev standardnega modela v kvantni fiziki (glej SM zgoraj).
Daleč največ pa je energije, ki vleče vso snov v vesolju narazen. V izračune je vpeljana kozmološka konstanta, ki jo je prvi uvedel Einstein, šele v zadnjem času pa je zopet aktualna. Določa kako hitro se vesolje pospešuje, sorazmerna je z energijo vakuuma in gravitacijsko konstanto, obratnosorazmerna pa s kvadratom svetlobne hitrosti.
Znanstveniki si še vedno niso enotni kaj je konkretni vzrok pospešenega širjenja vesolja. Ena teorija pravi, da je repulzivna sila velikega poka izgubila na moči, a se je medtem snov že tako medsebojno oddaljila, da prazen prostor - vakuum s svojo antigravitacijsko silo nadaljuje pospešeno širjenje vesolja. Druga možnost je, da se v vesolju nahajajo ogromne količine snovi, ki imajo lastnost temne energije in povzročajo pospešeno širjenje. Obstaja veliko modelov, ki pojasnjujejo kje in kaj je temna energija. Neka teorija pravi celo, da je vir temne energije notranjost črnih lukenj.
Kozmologija je zelo vroča tema in priča smo mnogim novim teorijam katere je potrebno še natančno preučiti in v prihodnosti si lahko obetamo jasnejši in enotnejši pogled na vesolje kot celoto.
Ljudje, ki so odprli nova poglavja v moderni fiziki:
- Albert Einstein: njegovi deli Special theory of relativity (STR) leta 1905, in General theory of relativity (GTR) leta 1916 sta spremenili pogled na prostor in čas.
- Richard Feynman: postavil je temelje najnatančnejši teoriji - kvantni elektrodinamiki, znani so njegovi diagrami, ki ponazorijo interakcije v kvantni teoriji polja. Bil je pravi znanstvenik po svojem prepričanju in verjetno najboljši predavatelj fizike v 20. stoletju. Na spletu se še danes dobijo njegova predavanja.
- Stephen Hawking: med njegovima dvema največjima odkritjema sta sevanje črne luknje in ohranjanje informacije povsod v vesolju. Napisal je popularni uspešnici Brief History of Time in The universe in a Nutshell. Je eden največjih znanstvenikov iz področja teoretične fizike in matematike, žal trpi za zelo hudo obliko Parkinsonove bolezni.
- Stephen Wolfram: avtor programa Mathematica, verjetno najsplošnejše uporabnega matematičnega orodja. Oče teorije o celularnih avtomatih, ki jo je predstavil v knjigi New Kind of Science.
- Lee Smolin: trenutno se ukvarja s kvantno gravitacijo (loop quantum gravity), kjer se že kažejo prvi uspehi.
- John Baez: profesor matematike na Princeton University, na svoji strani komentira najnovejša matematična in fizikalna odkritja. Ukvarja se s kvantno gravitacijo in teorijo strun.
- Nobelovi nagrajenci za fiziko
- Edge.org - kratki video intervjuji z najnaprednejšimi misleci današnjega časa
Nadaljnje informiranje:
- Kvarkadabra: področje fizika - na strani se nahajajo kvalitetni, poljudni članki doktorjev fizike, stran vsebuje tudi forum, galerijo slik,... skratka najboljša slovenska stran o fiziki in znanosti nasploh
- knjiga: Kvarkadabra: Zakaj je nebo modro? - odlična poljudno strokovna knjiga, ki odkriva bistvo in spodbuja k razumevanju narave
- Moderna fizika - relativnost in kvantna fizika, avtor: dr. Martin Čopič, predavatelj fizike na fakulteti za matematiko in fiziko (FMF)
- Kozmologija (pdf) - urejena poglavja iz kozmologije, avtor: dr. Anže Slosar, strokovni sodelavec na FMF
- Vesolje.net je stran z dnevno svežimi novicami iz sveta astronavtike in tudi astronomije
- Galaksije (pdf) - na kratko o galaksijah
Ang.:
- Wikipedia: Physics
- The particle adventure je odlična stran, ki vas popelje na pot v kvantno fiziko
- A Review of the Universe - Structures, Evolutions, Observations, and Theories
- Physics 2000 na poljuden način preko vprašanj in odgovorov razlaga fizikalne pojave
- NASA ima na internetu zelo poučno in podrobno predstavljene vse programe, ki se trenutno izvajajo v vesolju, velik je tudi poudarek na izobraževanju mladih v astronomiji
- Astronomy picture of the day archive, NASA, ob pregledovanju tovrstnih fotografij se lahko zavemo resnične veličine in lepote vesolja
Video:
- The Mechanical Universe (Learner), predavanja za študente fizike na ameriški univerzi dopolnjena z zgodbo in simulacijami
- Einstein's Relativity and the Quantum Revolution: Modern Physics for Non-Scientists, poljudna predavanja o moderni fiziki
- What We Still Don't Know (Channel 4), Sir Martin Rees predstavi (filozofske) probleme v kozmologiji skupaj s priznanimi znanstveniki
- The Elegant Universe (PBS), Brian Greene v dokumentarni seriji predstavi teorijo strun