Ponad trudnościami

 

130421

Ponownie wróciłem do książki „Ponad granicami” Wernera Heisenberga, niemieckiego fizyka i filozofa, wspominając jego umiejętności dobywania filozoficznych treści z nauk tak ścisłych, jak fizyka czy matematyka.

Tajniki fizyki są mi nader mało znane, głównie z powodu ścisłego związku tej dziedziny wiedzy z trudną matematyką, jednak są w niej zagadnienia interesujące mnie, a nawet fascynujące. Ot, chociażby niepojęte, zadziwiające związki tak dobitnie pokazane w znanym chyba wszystkim wzorze ułożonym przez Einsteina: E=mc2. No bo cóż może mieć wspólnego jakakolwiek cząstka czegoś materialnego z energią, a jedno i drugie z szybkością światła?

Jaki może być związek czasu z przestrzenią – dwoma tak różnymi i niezależnymi od siebie, zdawałoby się, cechami świata? Jak można mówić o materii tak twardej i nieprzenikliwej, jak na przykład stal, że zbudowana jest głównie z pustki?

Okazuje się, że można:

Atom, maleńka cząstka materii, zbudowany jest z jądra i biegnących wokół niego elektronów. Jeśli porównać jądro do piłki leżącej na środku boska, to kręcące się wokół elektrony należy ulokować przy najdalszych rzędach siedzeń stutysięcznej widowni. Między nimi nie ma nic. Z czego więc zbudowany jest nóż kuchenny? Głównie z niczego. Z pustki.

Parę innych ciekawostek można by przytoczyć, ale skupię się na interesującej mnie tożsamości trzech podstawowych cegiełek wszelkiej materii.

Znamy ponad sto pierwiastków, czyli rodzajów jednorodnej materii, a więc tyleż rodzajów atomów. Różnice cech fizycznych i chemicznych między tlenem a żelazem, węglem a rtęcią, są skutkiem innej ilości trzech rodzajów cząstek budujących atomy: elektronów, pozytronów i neutronów. Wystarczy ująć lub dodać tych cegiełek do jakiegoś atomu, by uzyskać inny atom o innych właściwościach. Robić tego na razie nie potrafimy, ponieważ owe cegiełki trzymają się siebie wielkimi siłami, których nie przezwycięży się żadnym młotkiem. Potrzebne są metody bardziej wyrafinowane. To, co mnie fascynuje, to identyczność wszystkich elektronów, pozytronów i neutronów. Obojętnie, czy wchodzą w skład atomu wodoru czy uranu, są takie same, tak więc o cechach konkretnej materii decyduje wyłącznie ich ilość w atomie.

Obraz dla mnie bardzo przejrzysty, logiczny i po prostu... piękny.

Później usłyszałem o rozbijaniu tych cząsteczek na wiele części, o setkach odmian tych nowych drobin.

Oddaję tutaj głos Wernerowi Heisenbergowi. Powiem tylko, że znaki (…) są w miejscach skrótów wprowadzonych przeze mnie, a początki i końce cytatów oznaczyłem >><<.

>>Fizyka jądrowa lat trzydziestych nauczyła nas pojmować jądra atomowe jako zbudowane z protonów i neutronów. W końcu poznano więc trzy najważniejsze rodzaje cząstek elementarnych: protony, neutrony i elektrony jako ostateczne cegiełki wszelkiej materii. Późniejsze jednak eksperymenty pokazały, że są jeszcze liczne rodzaje cząstek elementarnych, które różnią się od uprzednio wymienionych przede wszystkim tym, że mogę istnieć tylko bardzo krótko, ponieważ bardzo prędko rozpadają się radioaktywnie, tzn. przekształcają się w inne cząstki. Odkryto mezony i hiperony i dzisiaj znamy z trzydzieści (kilkaset – uzupełnienie tłumacza) różnych odmian cząstek elementarnych o na ogół nader krótkich okresach życia.

Dzięki tym wiadomościom nasunęły się dwa ważne pytania. Po pierwsze: czy owe cząstki elementarne, w szczególności protony, neutrony i elektrony, są rzeczywiście ostatecznymi, niepodzielnymi cegiełkami materii, czy też je także należy z kolei pojmować jako złożone z mniejszych części?<<

Buduje się coraz większe akceleratory (czyli przyśpieszacze) cząstek, zderza się je coraz silniej i rozbija na setki już rodzajów drobin… Gdzie kres tych podziałów?

Problemy fizyki jądrowej niewiele mnie zajmują, ale akurat te wieści źle odebrałem. Zamiast uporządkowania i przejrzystości, znalazłem chaos, brak oparcia w tej jakże trudnej do pojęcia nauce o materii. Kiedy i czy w ogóle skończy się to dzielenie, wnikanie coraz głębiej już właściwie nie w materię, a w jej drobiny tak małe, że stają się nie wiadomo czym?

Jednak w tej książce przeczytałem informacje przywracające ład w moim wyobrażeniu atomów. Tkwi też tutaj jakże zrozumiałe, bo odwiecznie w nas tkwiące, oczekiwanie ładu.

>>Na pierwsze pytanie fizyka odpowiada dziś stanowczo, że cząstki elementarne są już rzeczywiście ostatecznymi, najmniejszymi jednostkami materii – i uzasadnia tę odpowiedź argumentem zrazu nieco zaskakującym.

W jaki sposób można stwierdzić, czy cząstki elementarne dają się dalej jeszcze dzielić? Jedyną metodą rozstrzygania jest przecież spróbować, przy użyciu najpotężniejszych sił, czy cząstki te dadzą się jeszcze rozłupać. Ponieważ nie ma naturalnie takiego noża ani innego narzędzia, którym można by było podjąć próbę podziału, jako jedyna możliwość pozostaje ciskanie cząstkami z dużą prędkością, jednymi w drugie. Jakoż istotnie można spowodować zderzenia pomiędzy cząstkami elementarnymi o bardzo wielkiej energii. Właśnie temu celowi służą największe akceleratory budowane dziś w najróżniejszych stronach świata, na przykład w Genewie (…)

Cząstki elementarne ulegają przy tym istotnie rozczłonkowaniu, często zostają rozbite na wiele części, jednak części te, i to właśnie jest niespodziewane, nie są ani mniejsze, ani lżejsze niż elementarne twory, które uległy rozbiciu. Wielka energia kinetyczna zderzających się cząstek może bowiem, zgodnie z teorią względności, przekształcić się w masę, i zostaje ona faktycznie użyta do wytwarzania nowych cząstek elementarnych, zatem w rzeczywistości odbywa się właściwie nie rozpad cząstek elementarnych, lecz tworzenie nowych takich cząstek z energii ruchu tych, które się zderzają. Tak więc równanie Einsteina E=mc2 czyni możliwym, by znane dziś cząstki elementarne były już rzeczywiście najmniejszymi z istniejących tworów.

Równocześnie dowiadujemy się przy tym, że wszystkie cząstki elementarne są zrobione, by tak rzec, z tego samego materiału, mianowicie, jeśli ktoś tak chce, z energii.<<

Niżej autor przypomina greckiego filozofa Heraklita, który dwadzieścia kilka wieków temu twierdził, że podstawowym budulcem wszelkiej materii jest ogień. Jego teoria może się wydawać naiwna, ale jeśli ogień potraktujemy jako symboliczne przedstawienie energii, wszystko się zgadza.

Proszę jeszcze raz spojrzeć na ten wzór:

E=mc2.

Znak równości wstawiony między symbole oznaczające energię i masę jest czymś niewiarygodnym, przeczącym naszym zmysłom i doświadczeniu, przekraczającym ludzką zdolność pojmowania.

Masa, więc materia, jest stanem energii, i odwrotnie: energia może utworzyć cząstkę materii. Żeby bardziej równanie uczynić oszałamiającym, istnieje tutaj związek z szybkością światła.

Uspokajające twierdzenie Heisenberga pozwala z zamieszania ponownie wyłonić się jasnemu obrazowi wszelkiej materii zbudowanej z trzech tylko rodzajów elementarnych cegiełek: protonów, elektronów i neutronów.

Właściwie dlaczego ten obraz potrafi przemawiać z taką siłą? – można się zastanawiać, co też autor czyni. Dla mnie powodem jest klarowność i prostota, ale jeśli sięgnę głębiej, znajduję porządkujące świat sprowadzenie całej różnorodności jego budulca do tych trzech cegiełek, a nawet do jednej. Do energii. W tym poczuciu jest coś starego i oczywistego, ale jednocześnie niesamowitego i niepojętego, no bo jak można uznawać za porządkującą obraz świata wieść o jego zbudowaniu z energii?...

Może na koniec zsiądę z wysokiego konia i wspomnę pewną scenkę a propos z „Bajek robotów” Stanisława Lema.

Tak, ten sławny wizjoner i autor fantastyki naukowej napisał też cykl bajek. Co prawda ich bohaterami były roboty, akcja działa się gdzieś we Wszechświecie, ale dzięki nader licznym odniesieniom do ludzkich marzeń, wierzeń, przywar i dążeń, są najprawdziwszymi bajkami.

W jednej z nich pewien robot był na tyle sprytny i szybki, że łapał atomy i lepił z nich inne atomy, tworząc w ten sposób potrzebne mu materiały. Zrealizował marzenia alchemików pragnących zamienić ołów w złoto.