Najnowsza fizyka

Mity fizyki XX wieku
Spis treści
1. Mit o siłach
2. Mit o ładunkach elektrostatycznych i elektronie
3. Mit o przenoszeniu oddziaływań fizycznych
4. Mit o zakrzywionej rozszerzającej się przestrzeni
5. O innych mitach fizyki
6. O materii i przestrzeni - bez mitów
1. Mit o siłach
W fizyce wiele mówi się o tym, że oddziaływania w materii zachodzą pod wpływem działania różnorodnych sił. I tak, przyczyną oddziaływania grawitacyjnego jest siła grawitacyjna, przyczyną oddziaływania elektrostatycznego jest siła elektrostatyczna, przyczyną oddziaływań jądrowych są siły jądrowe itd. Mit o siłach, które działają w materii, pochodzi od potocznego pojęcia siły, które jest związane ze światem organizmów żywych. Człowiek posiada siłę, bo może, na przykład, podnieść wiadro wody i przemieszczać się z tym wiadrem. Koń jest silnym zwierzęciem, bo może ciągnąć ciężki wóz.
W świecie zjawisk fizycznych, które występują w postaci oddziaływań grawitacyjnych, jądrowych i innych, pojęcie siły przyjęto do stosowania przez analogię do świata organizmów żywych. Wprowadzając do fizyki i stosując pojęcie siły, fizycy zazwyczaj nie zaprzątają sobie głowy faktem, że w rzeczywistości nie wiedzą, co to takiego jest, co jest przez pojęcie opisywane i kryje się w naturze. Samo stosowanie pojęcia siły, z dodatkiem przymiotnika "grawitacyjna", "jądrowa" bądź innego, tworzy pozorną wiedzę. Osoby, które słabo znają fizykę, gdy usłyszą rozmowę fizyków o siłach i oddziaływaniach, mogą pomyśleć, że fizycy wiedzą, o czym mówią. Ale to tylko złudzenie. Bo te postronne osoby oraz sami fizycy najczęściej nie zdają sobie sprawy z "bardzo podstawowego faktu". Nie są oni świadomi tego, że mówienie o tym, że ciałami fizycznymi w kosmosie czy cząstkami materii w strukturach poruszają siły, ma taką samą wartość opisową, jakby to było mówienie, że ciałami fizycznymi w kosmosie czy cząstkami materii w strukturach poruszają anioły.
Co należy zrobić, aby pojęcie siły uległo odmitologizowaniu? Recepta jest prosta - należy powiedzieć prawdę o tym, czym dla fizyki jest pojęcie siły, jak wielkie jest znaczenie siły, w jaki sposób można logicznie przedstawić relacje różnorodnych sił i zjawisk fizycznych.

2. Mit o ładunkach elektrostatycznych i elektronie
Dzisiaj trudno jest zrozumieć, że fizycy w dwudziestym wieku byli, ale także i dzisiaj są tak bardzo łatwowierni w sprawie ładunków elektrostatycznych. Ale łatwowierność ta jest faktem. Fizycy wierzą w istnienie dodatnich i ujemnych ładunków elektrostatycznych. Działanie tych ładunków rozumieją w taki sposób, że oddziałują one ze sobą, co przejawia się w postaci ich odpychania bądź przyciągania, oraz dodają bądź odejmują od siebie. Ale sam fizyczny mechanizm tego oddziaływania pozostaje dla nich wielką tajemnicą.
Mit o ładunkach elektrostatycznych ma dwoistą naturę - jest on jednocześnie z tego samego powodu i trudny, i łatwy do zauważenia. Jest on (jako mit) trudno zauważalny, bo (niemal) wszyscy sądzą, że opisuje on rzeczywiście istniejące relacje w materialnym świecie. Istnienie dodatnich i ujemnych ładunków łatwo jest zrozumieć, łatwo można nimi się posługiwać i prowadzić z ich udziałem obliczenia. Bo przecież podobna sytuacja istnieje w matematyce w przypadku liczb dodatnich i ujemnych. Relacje między ładunkami elektrostatycznymi są proste, a na tej podstawie uważa się, że rzeczywiście istnieją one w fizycznym świecie.
W fizyce wiele mówi się o tym, że elektrostatyczne ładunki, które mają jednakowe wartości i przeciwne znaki wzajemnie się kompensują, ale nie mówi się o tym, jaki jest fizyczny mechanizm tego wzajemnego niwelowania się. Należy tu szczególnie podkreślić to, że nie idzie o niwelowanie się znaków czy wartości liczbowych, lecz o niwelowanie właśnie ładunków elektrostatycznych. Nie mówi się o tym, co(!) powoduje, że jednoimienne ładunki odpychają się od siebie, a różnoimienne ładunki przyciągają się do siebie. Dla fizyków dwudziestego wieku tym "czymś", co przyczynia się do ruchu ładunków elektrostatycznych względem siebie, są przypisane ładunkom znaki.
Mityczny charakter ładunków elektrostatycznych przejawia się właśnie w tym, że znaki ładunków są traktowane jako główna przyczyna ich zachowań, jakie przejawiają one w materii. Jak wiadomo, wszystko zaczęło się od oznakowania elementarnych cząstek - elektronu i protonu. To oznakowanie stało się początkiem podobnego cechowania innych cząstek, które zachowywały się w podobny sposób, jak elektron i proton. Od tamtej pory w podobny sposób zostało oznakowanych mnóstwo innych cząstek. Ale nadal akademicka fizyka nie mówi nic o tym, co jest fizyczną przyczyną tego, że jednoimienne ładunki odpychają się od siebie, a różnoimienne przyciągają się do siebie.
Co należy zrobić, aby pojęcie ładunku elektrostatycznego uległo odmitologizowaniu? Sposób, w jaki należy rozumieć istotę ładunków elektrostatycznych, podpowiada fizyczny mechanizm ich powstawania oraz zachowanie tych ładunków, gdy są one od siebie oddalone. Najbardziej powszechnym sposobem elektryzacji jest tarcie. Wskutek tarcia dochodzi do pewnego rodzaju destabilizacji układu strukturalnego zarówno materii elektryzującej się dodatnio, jak i materii elektryzującej się ujemnie. Elektryzacja świadczy o oddzieleniu od siebie składowych części materii, które w normalnym stanie tworzą stabilny układ strukturalny. W przypadku elektryzowania obiektów makroskopowych część materii w postaci elektronów zostaje oddzielona od jednego obiektu i ten obiekt wskutek tego jest naelektryzowany dodatnio, natomiast oddzielona część materii zostaje przyłączona do drugiego obiektu i wskutek tego jest on naelektryzowany ujemnie.
Przyczyna, która stara się doprowadzić do tego, aby oddzielone od siebie części materii powróciły do wcześniej istniejącego stanu równowagi trwałej, jest ta sama, dzięki której wcześniej istniał stabilny stan struktury materii. Przyczyna stabilności materialnych struktur, która przejawia się w tym przypadku, jest tą samą przyczyną, która przejawia się w postaci sprężystości, jaka jest związana ze stabilną strukturą stalowego pręta, gdy jest on ściskany bądź rozciągany. Gdy tylko ustanie deformujące oddziaływanie na strukturę pręta, jego wymiary powracają do poprzedniego stanu.
To, że elektrostatycznym ładunkom zostały przypisane znaki plus i minus, nie było istotne dopóty, dopóki te znaki nie stały się "symbolami wiedzy", które we wszelkich fizycznych opisach zastępowały rzeczywistą wiedzę o strukturach i zastępowały przyczynę stabilności struktur. Oczywiście, od czasu odkrycia elektronu i protonu, aż do chwili obecnej, w akademickiej fizyce brakuje wiedzy o faktycznej przyczynie stabilności materialnych struktur. Zatem (niejako siłą rzeczy) od najwcześniejszych etapów rozwoju wiedzy o ładunkach elektrostatycznych przypisane ładunkom znaki były zamiennikami tej wiedzy. Obecnie nie ma potrzeby, aby rezygnować ze znaków plus i minus w opisach. Ale należy wiedzieć o istniejących przyczynach stabilności materii oraz o tym, co kryje się pod symbolicznymi znakami ładunków plus i minus.
Przyczyny stabilności materialnych struktur nie można przedstawić w postaci "prawdy absolutnej". Jednak może ona być przedstawiona w logiczny sposób na podstawie tego, w jaki sposób przejawia się jej oddziaływanie w materii. Jednak przy takim przedstawianiu należy mieć na uwadze to, że istnieje mit o przenoszeniu oddziaływań fizycznych.
3. Mit o przenoszeniu oddziaływań fizycznych
Mit o przenoszeniu oddziaływań fizycznych występuje w dwóch wersjach. Według jednej wersji, która jest bardziej popularna i rozpowszechniona, bo obejmuje oddziaływania elektromagnetyczne oraz jądrowe słabe i silne, oddziaływania między składnikami materii odbywają się za pośrednictwem cząstek pośrednich: fotonów, bozonów, gluonów. W sprawie pośrednictwa w przenoszeniu oddziaływań grawitacyjnych między ciałami, fizycy nie są jeszcze zdecydowani czy w przenoszeniu tych oddziaływań między ciałami biorą udział grawitony, czy też odbywa się ono dzięki pośrednictwu fal grawitacyjnych.
O tym, jak wielka była wiara fizyków XX wieku w pośredniczące działanie cząstek pośrednich (lub fal) w przenoszeniu oddziaływań między cząstkami i wszelkimi innymi obiektami, ale także jak wielka była ich łatwowierność, świadczy to, że nie zastanawiali się oni nad tym, że ich sposób nie nadaje się do opisu oddziaływań. Bo z jednej strony, ich sposób nie jest żadnym wyjaśnieniem oddziaływań, ale wprost przeciwnie, jeszcze bardziej zaciemnia sprawę oddziaływań w materii. Bo wprowadza dodatkowe miejsca "styku" między cząstkami, które także wymagają wyjaśnienia, w jaki sposób odbywa się tam oddziaływanie. A ponadto potrzebne jest wyjaśnienie, w jaki to sposób cząstki pośrednie są "produkowane", w jaki sposób są wysyłane i odbierane przez cząstki i różne inne obiekty, które jakoby dzięki temu mają zapewnione wzajemne oddziaływania między sobą.
Zastosowanie cząstek pośrednich było całkowicie chybionym pomysłem nie tylko z tego powodu, że pogmatwało sytuację z oddziaływaniami w materii. Był to chybiony pomysł także z innego powodu. A mianowicie, ruch obiektów względem siebie odbywa się nieustannie i może on być opisany za pomocą matematycznej funkcji. Nie istnieją jakiekolwiek "najmniejsze przerwy" w ruchu. Zastosowanie cząstek pośrednich wiąże się z "przenoszeniem oddziaływań" między obiektami, a ten proces trwa pewien czas. Powstaje pytanie: a w jaki sposób miałyby się poruszać obiekty względem siebie w tym czasie, kiedy informacja "o sposobie oddziaływania i poruszania" zgodnie z matematyczną funkcją jeszcze do nich nie dotarła? Na to pytanie nie ma odpowiedzi.
Ze szczegółowej analizy ruchu obiektów względem siebie wynika, że zaproponowany przez fizyków XX wieku sposób wyjaśnienia tego, jak jest przekazywane oddziaływanie między obiektami, jest niewłaściwy. Bo bez względu na to, czy odległości między obiektami są bardzo duże, duże, czy też bardzo małe, to przy tym sposobie przekazywania oddziaływań płynny ruch obiektów względem siebie w ogóle nie jest możliwy.
4. Mit o zakrzywionej i rozszerzającej się przestrzeni
Trudno jest wskazać przyczyny powstania i utrwalenia się w fizyce mitu o zakrzywionej rozszerzającej się przestrzeni. Najprościej byłoby uzasadnić powstanie tego mitu w taki sposób, że czołowi fizycy, którzy działali na początku XX wieku, przejawili w ten sposób "nieodpartą chęć udziwnienia" tworzonej przez siebie wiedzy o przyrodzie i uczynienia z niej pewnej "wysublimowanej, wyjątkowej" dziedziny, która byłaby niezrozumiała dla wszystkich, za wyjątkiem ich samych. Ale to wyjaśnienie byłoby zbyt proste i nie do końca prawdziwe. Bo po latach twórczych wysiłków zaakceptowali teorię, która dla nich samych nie jest do końca zrozumiała.
Mityczny charakter zakrzywienia przestrzeni przejawia się w tym, że takiego zakrzywienia przestrzeni nie można sobie wyobrazić i nie można go logicznie wytłumaczyć i opisać. Nie można tego zrobić z bardzo prostego powodu - tego rodzaju zniekształcenie przestrzeni nie mieści się w kanonach ludzkiego doświadczenia. Opis zakrzywionej trójwymiarowej przestrzeni jest w wyjaśnieniach zastępowany odwoływaniem się do wiedzy "płaszczaków" (czyli dwuwymiarowych stworów). Fizycy mawiają, że ludzie są w podobnej sytuacji, jak "płaszczaki", gdyby one żyły na kulistej powierzchni rozszerzającego się balonu. One również nie mogłyby wyobrazić sobie zakrzywienia i rozszerzania się "swojej dwuwymiarowej przestrzeni".
Mityczny charakter zakrzywionej przestrzeni przejawia się też w tym, że za jej pomocą tworzy się w fizyce pozorne (bo nie mieszczące się w ludzkiej wyobraźni) wyjaśnienia zjawisk, które logicznie i w wyobrażalny sposób można wyjaśnić za pomocą znanej wiedzy. Do tych zjawisk należą: 1) przesunięcie linii widmowych światła gwiazd ku podczerwieni, 2) precesja peryhelium Merkurego, 3) odchylenie promieni świetlnych w polu grawitacyjnym Słońca oraz 4) pozorne zakrzywienie przestrzeni związane z oddziaływaniami grawitacyjnymi.
Aby wyjaśnić p. 1) i 3) wystarczy uwzględnić to, że w próżni fizycznej istnieje materia i że pod względem niektórych własności jest ona podobna do gazów. A więc, podobnie jak w przypadku gazów, jest ona coraz bardziej zagęszczona, im bliżej znajduje się od masywnych ciał niebieskich. Z tego powodu w pobliżu masywnego ciała niebieskiego próżnia fizyczna zakrzywia promienie świetlne zupełnie podobnie, jak atmosfera gazowa. W związku z tym, że materia próżni fizycznej jest podobna do gazów, rozchodzące się w niej fale świetlne przy coraz większych odległościach ulegają coraz większemu tłumieniu, a tłumienie fal jest tym większe, im większa jest ich częstotliwość. Dzieje się to na podobnej zasadzie, jak tłumienie fal dźwiękowych w gazach. Tłumienie fal należy tu rozumieć jako końcowy efekt, który jest związany z interpretacją złożonego zjawiska. Bo proces ten jest związany z tym, że, z jednej strony, fale o mniejszych częstotliwościach rozchodzą się na większe odległości (bo są mniej tłumione), a z drugiej strony, jest on związany ze stopniowym zmniejszaniem się częstotliwości fal podczas ich ruchu w ośrodku.
Wyjaśnienie p. 2) - czyli precesji peryhelium Merkurego oraz peryhelium innych planet w Układzie Słonecznym - jest trywialnie proste. Może wydawać się dziwne to, że fizycy XX wieku spojrzeli na prawo powszechnego ciążenia Newtona jak na prawo, które działa z pewnym przybliżeniem, dopiero po interpretacji precesji peryhelium Merkurego za pomocą niedorzecznej teorii o przestrzeni i grawitacji. (Teoria jest niedorzeczna, bo nie daje się skonfrontować ze znanymi człowiekowi faktami doświadczalnymi.) Gdyby fizycy wpierw ujrzeli przybliżony charakter prawa powszechnego ciążenia Newtona, to mogli łatwo dostrzec niedorzeczność teorii i nie dopuścić do rozpowszechniania niedorzeczności w fizyce. Wyjaśnienie p. 2) jest trywialnie proste, bo to właśnie ten fakt, że oddziaływanie grawitacyjne ciał przy zmianie odległości nie zmienia się dokładnie według wzoru Newtona, jest przyczyną precesji peryhelium Merkurego. Bo "dokładnie" eliptyczny kształt planetarnej orbity (pod warunkiem, że nie zmienią go inne planety z układu) jest możliwy jedynie wówczas, gdy grawitacyjne przyśpieszenie ciał jest odwrotnie proporcjonalne do kwadratu odległości. A gdy ta zależność jest innego rodzaju, to nieunikniony jest ruch "dużej osi eliptycznej" orbity, a wówczas w rzeczywistości planeta nie porusza się po orbicie eliptycznej, lecz po orbicie w kształcie rozety.
Zdarza się, że fizycy zakrzywienie przestrzeni interpretują w ten sposób, że traktują go jako skutek istnienia masywnego ciała materialnego. Przykłady takiej interpretacji można znaleźć przy okazji omawiania skutków działania tzw. czarnych dziur. Otóż, takie zakrzywienie przestrzeni jest pozornym zakrzywieniem. Tego rodzaju zakrzywienie przestrzeni jest związane z każdym ciałem niebieskim i z każdą najdrobniejszą cząstką materii. Bo każda cząstka oddziałuje grawitacyjnie na nieograniczone odległości. Skutek działania takiej cząstki może tworzyć wrażenie, że tam, gdzie ona się znajduje, istnieje coś w rodzaju "przestrzennego dołka", do którego z różnych stron mogą "staczać się" inne cząstki i ciała. Ale to jest jedynie obraz pozorny. Ten pozorny obraz pozwala na to, że można samą cząstkę traktować jako rodzaj zakrzywionej przestrzeni. Ale nie jest to zakrzywienie któregokolwiek z trzech prostopadłych do siebie wymiarów, a jedynie przestrzenny rozkład własności cząstki, którą to własność można nazwać albo "potencjałem pola", albo "natężeniem pola", albo "przyśpieszeniem", jakie ta cząstka nadaje innym obiektom. Ale wszystkie te własności są rozmieszczone w trójwymiarowej fizycznej przestrzeni, która sama w sobie takich własności nie posiada i nie jest w żaden sposób zakrzywiona.
5. O innych mitach fizyki
Istnieje jeszcze wiele innych mitów. Ale są to mity powiązane z czterema wymienionymi tu mitami i od nich wywodzące się. Są to niejako mity niższej rangi. Są to mity o paradoksach fizycznych, mity o innych cząstkach ujemnych i dodatnich niż elektrony i protony, mit o czarnych dziurach oraz mity o szczególnych parametrach fizycznych i związanych z nimi relacjach fizycznych, np. mit o promieniu Schwarzschilda.
6. O materii i przestrzeni - bez mitów
Z fundamentalnymi własnościami materii oraz z niektórymi zjawiskami fizycznymi, które wynikają z tych własności, można zapoznać się czytając krótkie artykuły z
cyklu "Konstruktywna teoria pola" (po polsku i po rosyjsku na http://nasa_ktp.republika.pl/) oraz z cyklu "Ależ to bardzo proste!" (po polsku na http://pinopa.republika.pl/, po rosyjsku na http://www.pinopa.narod.ru/). Nie są to "pogłębione" opisy przedstawionych tu mitów, lecz logiczne opisy tego, co w dzisiejszej akademickiej fizyce jest przedstawione w mitologicznej formie albo (z powodu braku wiedzy z danej tematyki u autorów podręczników) w ogóle nie jest przedstawiane.
* * *
Przeczytajcie polecane artykuły i niech was opuści świadomość, że jesteście mitologami przyrody - zostańcie prawdziwymi fizykami teoretykami i pomagajcie rozwijać fizykę bez mitów. W jaki sposób można to robić? Przede wszystkim rozpowszechniajcie niniejszy artykuł w środowiskach naukowych, politycznych i gospodarczych. Jedni ludzie będą wiedzieli, co należy zmienić w nauce o przyrodzie i jak to zrobić, a drudzy będą pomagać finansowo.
Bogdan Szenkaryk "Pinopa"
Polska, Legnica, 2011.05.04.