Pojęcie materii w fizyce współczesnej

Prezentacja na temat: "Pojęcie materii w fizyce współczesnej"— Zapis prezentacji:

1 Pojęcie materii w fizyce współczesnej
Andrzej Łukasik Zakład Ontologii i Teorii Poznania Instytut Filozofii UMCS

2 Atomistyczna budowa materii
„Początkiem wszechrzeczy są atomy [άτομα] i próżnia [κενόν]. Wszystko inne jest tylko mniemaniem” (Demokryt, cyt. w: Diogenes Laertios, Żywoty…, IX, 44). „Gdyby cała nauka miała ulec zniszczeniu w jakimś kataklizmie i tylko jedno zdanie można by uratować i przekazać następnym pokoleniom, jakie zdanie zawierałoby największą ilość informacji w możliwie najmniejszej liczbie słów? W moim przekonaniu byłoby to zdanie formułujące hipotezę […] atomistyczną, że wszystko składa się z atomów”. Richard P. Feynman

3 John Dalton (1766–1844) podstawy nowoczesnej atomistyki
Pojęcie atomu staje się kategorią chemiczną i uzyskuje treść związaną z badaniami eksperymentalnymi – empiryczne określenie względnych ciężarów atomowych Prawo stosunków wielokrotnych (1805) New System of Chemical Philosophy (1808) Wszystkie ciała składają się z atomów powiązanych ze sobą siłami przyciągania. Wszystkie atomy ciał homogenicznych mają dokładnie taki sam ciężar, wielkość i pozostałe własności. Różne pierwiastki składają się z różnych atomów, w szczególności atomy poszczególnych pierwiastków różnią się od siebie ciężarem. Pierwiastki, podobnie jak atomy, z których są zbudowane, są niezmienne i nie mogą się wzajemnie w siebie przemieniać. Atomy są niepodzielne chemicznie, a reakcje chemiczne mogą jedynie doprowadzić do zmiany połączeń atomów. Tworzenie się związków chemicznych z pierwiastków zachodzi dzięki tworzeniu się “złożonych atomów” (compound atoms), zawierających określoną liczbę atomów każdego pierwiastka.

4 Redukcja termodynamiki fenomenologicznej do fizyki statystycznej
Atomizm w fizyce Kinetyczno-molekularna teoria materii, II połowa XIX wieku Redukcja termodynamiki fenomenologicznej do fizyki statystycznej James Clerk Maxwell (1831–1879), Rudolf Julius Emmanuel Clausius (1822–1888), Ludwig Eduard Boltzmann (1844–1906) Ciepło jest procesem, który polega na przekazywaniu energii kinetycznej od jednego ciała do drugiego w rezultacie wzajemnych zderzeń między cząsteczkami. Zastosowanie praw mechaniki Newtona do bardzo dużej liczby atomów lub cząsteczek i wytłumaczenie zachowania gazu statystycznie, poprzez uśrednienie zachowania pojedynczych cząsteczek Matematyczny opis procesów gazowych - mechanika statystyczna (rachunek prawdopodobieństwa) II zasada termodynamiki: dS/dt>0 S = kblnP Wzrost entropii w układach izolowanych oznacza ewolucję od stanów bardziej uporządkowanych do mniej uporządkowanych (od stanów mniej prawdopodobnych do bardziej prawdopodobnych) Proces, w którym entropia rożnie jest bardziej prawdopodobny niż proces, w którym entropia maleje

5 Klasyczny obraz świata
czas i przestrzeń (absolutne – Newton) materia korpuskularna (cząstki klasyczne) – dynamika opisywana przez deterministyczne równania Newtona (Philosophiae naturalis principia mathematica, 1687) ciągłe pole elektromagnetyczne – równania Maxwella (1864)

6 Cząstki klasyczne nieprzenikliwe mikroskopijne ciała stałe, absolutnie niezmienne, niepodzielne i niezniszczalne są realnymi przedmiotami, są dobrze zlokalizowane w czasie i przestrzeni mają określone pierwotne cechy, które są obiektywne i przysługują im niezależnie od tego, jakiego rodzaju układy złożone tworzą te cząstki oraz niezależnie od wykonywanych pomiarów rozróżnialne indywidua, mogą być policzone i ponumerowane, a zamiana miejscami dwóch cząstek – nawet wówczas, gdy nie różnią się one od siebie żadną cechą wewnętrzną – tworzy obiektywnie nowy układ są niezależnie od siebie istniejącymi indywiduami, o ile znajdują się w różnych obszarach przestrzeni

7 Wilhelm Konrad Röntgen (1845-1923) 1895 - odkrycie promieni X

8 Antoine Henri Becquelel – 1896 promieniotwórczość uranu
Pierre Curie i Maria Skłodowska-Curie radioaktywność toru orz odkrycie nowych pierwiastków: polon i rad (1898) Ernest Rutherford (1899) – składowe „alfa” i „beta” w promieniowaniu radu Poul Willard – promienie „gamma”

9 Odkrycie elektronu Joseph John Thomson, 1897
Badania nad promieniami katodowymi Pomiar stosunku masy elektronu do ładunku m/e = 1,759 x C/kg 1909 Robert Andrew Millikan: e = 1,6 x C m = 9,1 x kg Model atomu – „ciasto z rodzynkami” (plum pudding)

10 E. Rutherford – odkrycie jądra atomowego , 1911
To z pewnością najbardziej niewiarygodna rzecz, która wydarzyła mi się w życiu — napisał Rutherford. Było to tak samo niewiarygodne, jakby 15-calowy pocisk, który wystrzeliliście w kierunku kawałka bibułki, wrócił i trafił w was (Rutherford)

11 Kwantowy charakter zjawisk
Max Planck: teoria promieniowania ciała doskonale czarnego (1900) energia jest emitowana i absorbowana nie sposób ciągły (Maxwell), ale w sposób dyskretny, kwantami stała Plancka h – elementarny kwant działania Albert Einstein: teoria zjawiska fotoelektrycznego (1905) światło jako strumień cząstek – fotonów

12 Niels Bohr: model atomu wodoru (1913) skwantowanie orbit
Louis Victor de Broglie: hipoteza fal materii (1924) – z każdą cząstką materii o pędzie p związana jest fala materii o długości dualizm korpuskularno-falowy j est powszechną własnością światła i materii

13 równanie Schrödingera
Werner Heisenberg, Erwin Schrödinger: podstawy mechaniki kwantowej ( ) równanie Schrödingera probabilistyczny charakter QM – formalizm pozwala na obliczenie prawdopodobieństw rezultatów pomiarów (Max Born, 1926) układ swobodny – ciągła i deterministyczna ewolucja proces pomiaru – nieciągła i indeterministyczna redukcja wektora stanu

14 Model standardowy fizyki cząstek elementarnych
zbiór teorii obejmujących współczesną wiedzę o podstawowych składnikach materii i ich oddziaływaniach mechanika kwantowa kwantowa teoria pola

15 podstawowe składniki materii i ich oddziaływania

16 leptony (np. elektron, neutrina) uznawane są za elementarne
hadrony (np. proton, neutron) składają się z 3 kwarków (p = uuu), n = (udd) mezony składają się z pary kwark-antykwark (są nietrwałe, cząstka i antycząstka anihilują) leptony (np. elektron, neutrina) uznawane są za elementarne kwarki i leptony – cząstki fundamentalne

17 [przykład: oddziaływanie elektromagnetyczne
mechanika Newtona – oddziaływania między cząstkami jako siła działająca przez bezpośredni kontakt (actio directa) lub na odległość (actio in distans) mechanika kwantowa – oddziaływanie między cząstkami jako wymiana cząstek, kwantów pola (diagramy Feynmana) [przykład: oddziaływanie elektromagnetyczne dwóch elektronów przez wymianę kwantu pola elektromagnetycznego – fotonu]

18 Unifikacja oddziaływań

19 Nierozwiązane problemy MS
MS nie wyjaśnia wartości mas cząstek elementarnych (np. dlaczego proton jest 2000 razy cięższy niż elektron a foton nie ma masy) → mechanizm Higgsa: przestrzeń jest wypełniona polem Higgsa, cząstki oddziałując z nim uzyskują masę, stąd: poszukiwanie bozonu Higgsa (lipiec 2012 – doniesienie o odkryciu w CERN, Large Hadron Collider) MS nie uwzględnia grawitacji Obserwacje: materia barionowa („zwykła materia”) stanowi jedynie 4% materii we Wszechświecie. Czym są ciemna materia (23%) i ciemna energia [energia próżni równomiernie rozłożona w czasie i przestrzeni] (73%)? – siła odpychająca odpowiedzialna za przyspieszanie ekspansji Wszechświata Antymateria – podczas Wielkiego Wybuchu materia i antymateria były produkowane w takiej samej ilości. Dlaczego Wszechświat składa się niemal wyłącznie z materii?

20 Masa Newton – masa jako miara ilości materii
masa bezwładna , masa grawitacyjna mechanika Newtona: masa jest wielkością stałą (absolutną) masa bezwładna = masa grawitacyjna szczególna teoria względności Einsteina – zależność masy od prędkości

21 Zasady zachowania masy: masa substratów przed reakcją równa jest masie produktów po reakcji (Lavoisier, 1777; Łomonosow,1756) energii: w układzie zamkniętym całkowita ilość energii pozostaje stała masy-energii: masa i energia są sobie równoważne (Einstein, 1905), c = 3 x 108 m/s (prędkość światła w próżni) zasada nieoznaczoności Heisenberga dla energii i czasu

22 Klasyczny obraz świata
czas i przestrzeń (absolutne – Newton) materia korpuskularna (cząstki klasyczne) – dynamika opisywana przez deterministyczne równania Newtona (Philosophiae naturalis principia mathematica, 1687) ciągłe pole elektromagnetyczne – równania Maxwella (1864)

23 Klasyczne a współczesne pojęcie atomu
atomy są obiektami złożonymi (J. J. Thomson, odkrycie elektronu, 1897) atomy nie są nieprzenikliwe (E. Rutherford , odkrycie jądra atomowego, 1911 – rozmiary jądra stanowią 1/ rozmiarów atomu, ponad 99% objętości atomu to pusta przestrzeń) atomy mogą się w siebie przekształcać (A. Becquerel, P. Curie, M. Skłodowska-Curie – promieniotwórczość) atomy są podzielne elektrony nie poruszają się po klasycznie rozumianych orbitach (zasada nieoznaczoności Heisenberga)

24 Dualizm korpuskularno-falowy
Falowa teoria światła (elektrodynamika klasyczna – Maxwell, 1864) Dyfrakcja Interferencja Polaryzacja Hipoteza korpuskularna światła (Einstein, 1905) Zjawisko fotoelektryczne Promieniowanie ciała doskonale czarnego Widma liniowe Hipoteza fal materii (de Broglie, 1924)

25 Eksperyment z dwiema szczelinami Double-Slit Experiment
„Ten jeden eksperyment zawiera w sobie wszystkie tajemnice mechaniki kwantowej. Jego analiza pozwoli nam na zapoznanie się ze wszystkimi osobliwościami i paradoksami natury. Każdy inny problem z dziedziny teorii kwantów można zawsze wyjaśnić, wracając do tego doświadczenia”. (Richard P. Feynman, Charakter praw fizycznych, s. 138)

26 Klasyczne cząstki N1 – liczba cząstek przechodzących przez szczelinę 1
N12 – prawdopodobieństwo = średnia liczba cząstek trafiających w dane miejsce ekranu, gdy otwarte są szczeliny 1 i 2 N12 = N1 + N2 (brak interferencji) Źródło grafiki:

27 Klasyczne fale H1 – amplituda fali przechodzącej przez szczelinę 1
H12 – amplituda fali (obydwie szczeliny otwarte) H12 = H1 + H2 Natężenie fali: I12 = (H12)2 = (H1 + H2)2 (interferencja), I1 = (H1)2 I2 = (H2)2

28 Cząstki kwantowe Rezultaty eksperymentu:
Elektrony trafiają w detektor pojedynczo Detektor rejestruje zawsze taką samą, dyskretną wartość (cały elektron lub nic) Nigdy dwa detektory nie rejestrują jednego elektronu Ale! N12 ≠ N1 + N2 N12 = (a1 + a2)2 – prawdopodobieństwo trafienia elektronu (fotonu) w dany punkt ekranu (interferencja! – jak w przypadku fal) a – amplituda prawdopodobieństwa

29 Elektrony rejestrowane są jako niepodzielne cząstki
„Podsumowując, można powiedzieć, że elektrony docierają do detektorów w całości, tak jak pociski, ale prawdopodobieństwo rejestracji elektronów jest określone takim wzorem jak natężenie fali. W tym sensie elektron zachowuje się jednocześnie jak cząstka i jak fala”. (Feynman, Charakter 147) Elektrony rejestrowane są jako niepodzielne cząstki Twierdzenie „elektron przechodzi albo przez szczelinę 1 albo przez szczelinę 2” jest FAŁSZYWE! „jest rzeczą niemożliwą tak ustawić światła, aby stwierdzić, przez którą szczelinę przeleciał elektron, nie zaburzając go na tyle, że znika obraz interferencyjny” (Feynman, Charakter 151) „[…] nikt nie rozumie mechaniki kwantowej”. (Feynman, Charakter 137)

30 Kreacja, anihilacja, antymateria
większość (spośród setek) cząstek elementarnych jest nietrwała – spontanicznie przekształcają się w inne cząstki uwaga: neutron nie jest zbudowany z protonu, elektronu i neutrina trwałe: p, e-, e+, γ, ν … ale dla każdej cząstki materii istnieje antycząstka (antymateria) anihilacja pary elektron-pozyton kreacja pary elektron-pozyton

31 Zasada nieoznaczoności Heisenberga
cząstki kwantowe nie są dobrze zlokalizowane przestrzennie elektron w atomie nie porusza się po klasycznej orbicie orbitale reprezentują gęstość prawdopodobieństwa znalezienia elektronu przed pomiarem cząstka nie zajmuje ściśle określonego miejsca trudności poglądowego wyobrażenia ruchu cząstek kwantowych

32 Cząstki wirtualne fluktuacje kwantowej próżni – powstają pary cząstek wirtualnych efekt Casimira – dwie nienaładowane płytki metalowe przyciągają się

33 Superpozycja a zupełność charakterystyki
cząstki klasyczne (rzeczy): każda cząstka ma określoną wartość masy, ładunku, pędu… cząstki kwantowe: spin, powab, dziwność… np. spin cząstki przed pomiarem:

34 Nierozróżnialność cząstek identycznych
cząstki kwantowe danego rodzaju (np. elektrony) mają wszystkie własności takie same w QM obowiązuje zasada nierozróżnialności cząstek identycznych – permutacja stanu n cząstek tego samego rodzaju nie powoduje żadnych obserwowalnych różnic problem: zasada identyczności nierozróżnialnych Leibniza

35 „Paradoks” Einsteina, Podolskiego i Rosena
pomiar spinu cząstki 1 ustala spin dowolnie odległej cząstki 2 bez żadnego oddziaływania nielokalność Einstein – „upiorne działanie na odległość

36 „Paradoks” Einsteina, Podolskiego i Rosena
1935 — eksperyment myślowy Einsteina, Podolskiego i Rosena (EPR) 1964 — John Stewart Bell — nierówność Bella (założenia: realizm i lokalność) 1982 — Alain Aspect — eksperymentalna falsyfikacja nierówności Bella

37 Kot Schrödingera superpozycja stanów – konsekwencja liniowości mechaniki kwantowej

38 Interpretacja kopenhaska
Niels Bohr, Werner Heisenberg Mechanika kwantowa nie umożliwia skonstruowania modelu niezależnej od sytuacji eksperymentalnej realności fizycznej na poziomie atomowym i subatomowym, lecz jest jedynie schematem pojęciowym służącym do powiązania ze sobą rezultatów obserwacji.

39 Interpretacja kopenhaska
„Punktem wyjścia interpretacji kopenhaskiej jest paradoks. Każde doświadczenie fizyczne, niezależnie od tego, czy dotyczy zjawisk życia codziennego, czy też mikroświata, może być opisane wyłącznie w terminach fizyki klasycznej. Język pojęć klasycznych jest tym językiem, którym posługujemy się, gdy opisujemy doświadczenia oraz ich wyniki. Pojęć tych nie umiemy i nie możemy zastąpić innymi. Jednocześnie jednak relacje nieoznaczoności ograniczają zasięg stosowalności tych pojęć. O ograniczeniu stosowalności pojęć klasycznych musimy pamiętać, gdy się nimi posługujemy; nie potrafimy jednak udoskonalić tych pojęć”. W. Heisenberg, Fizyka a filozofia, s. 26.

40 Zasada komplementarności
w dziedzinie atomowej nie można rozdzielić zachowania się badanych obiektów od zachowania się przyrządów pomiarowych: warunki obserwacji wywierają istotny wpływ na przebieg obserwowanych zjawisk, co powoduje wzajemne wykluczanie się informacji potrzebnych do opisu całości zjawiska. dwa klasycznie wykluczające się opisy zjawiska fizycznego są komplementarne, jeżeli dla poznania całości potrzebne są obydwa, ale znajomość jednego aspektu wyklucza jednoczesną znajomość drugiego. komplementarne opisy uzupełniają się i wyczerpują wszelką możliwą wiedzę o układzie — opis falowy i korpuskularny zdają sprawę z równie ważnych aspektów zjawisk atomowych i nie ma między nimi sprzeczności, ponieważ zastosowanie mechanicznych pojęć korpuskuły i fali odnosi się do wzajemnie wykluczających się układów doświadczalnych.

41 Zasada komplementarności
„Właśnie fakt, że stoimy przed alternatywą, mając do wyboru albo wyznaczenie toru cząstki, albo obserwowanie interferencji, uwalnia nas od paradoksalnego wniosku, który bez tego byłby nieunikniony, mianowicie od wniosku, że zachowanie się elektronu (lub fotonu) zależy od obecności otworu w przesłonie, przez który elektron na pewno nie przeszedł. Mamy tu typowy przykład ilustrujący, jak zjawiska komplementarne zachodzą w wyłączających się nawzajem warunkach […]; widzimy też wyraźnie, że w rozpatrywaniu zjawisk kwantowych nie można nakreślić ostrej linii granicznej między niezależnym zachowaniem się obiektów atomowych a ich oddziaływaniem z przyrządem pomiarowym, służącym do określenia warunków, w których zjawiska zachodzą”. N. Bohr, Fizyka atomowa…, s. 74.

42 Interpretacja wielu światów (Many-Worlds Interpretation)
Hugh Everett III (1957), John Wheeler, Bryce de Vitt, David Deutsch całkowicie obiektywna interpretacja mechaniki kwantowej (eliminacja “obserwatora”); eliminacja rozróżnienia klasyczny przyrząd – kwantowy obiekt, traktowanie każdego systemu fizycznego jako kwantowomechanicznego — zarówno badanego mikroobiektu, przyrządu pomiarowego, jak i Wszechświata. w procesie pomiaru realizują się wszystkie możliwości, ale każda w innym świecie proces pomiaru prowadzi do rozszczepienia wszechświata na wiele równie realnych wszechświatów, które nie oddziałują ze sobą

43 Intrepretacja von Neumanna
John von Neumann (1932), London, Bauer, Wigner, Wheeler CM redukuje się do QM przyrządy pomiarowe dają się opisać w ramach mechaniki kwantowej — jako bardziej podstawowej i ogólniejszej teorii można by przywrócić obiektywistyczne pojmowanie Ψ. ale... jeśli przyrząd pomiarowy podlega prawom QM, to stany przyrządu można superponować…, aby wyznaczyć stan przyrządu pomiarowego trzeba by wprowadzić inny przyrząd itd. ad infinitum… … proces pomiaru nie mógłby być zakończony bez udziału jakiegoś dodatkowego czynnika redukcji wektora stanu dokonuje… akt świadomości obserwatora?

44 Pytania kontrolne Scharakteryzuj klasyczne pojęcie elementarnych składników materii. Porównaj kwantowomechaniczne i klasyczne pojęcie elementarnych składników materii. Co to są cząstki fundamentalne według modelu standardowego fizyki cząstek elementarnych? W jaki sposób opisuje się oddziaływania cząstek? Sformułuj zasadę nieoznaczoności Heisenberga. Na czym polega dualizm korpuskularno-falowy (eksperyment z dwiema szczelinami)? Co to jest superpozycja stanów? Podaj interpretację fizycznego znaczenia funkcji falowej (Born). Opisz paradoks kota Schrodingera. Sformułuj podstawowe idee interpretacji kopenhaskiej. Sformułuj zasadę komplementarności Bohra. Scharakteryzuj interpretację wielu światów. Omów podstawowe idee interpretacji von Neumanna. Na czym polega nielokalność mechaniki kwantowej (EPR)? Co to jest teoria parametrów ukrytych?

45 Literatura K. Ajdukiewicz, Zagadnienia i kierunki filozofii. Teoria poznania. Metafizyka Z. Cackowski, Zasadnicze zagadnienia filozofii T. Czeżowski, O metafizyce, jej kierunkach i zagadnieniach M. Hempoliński (red.), Ontologia. Antologia tekstów filozoficznych M. Hempoliński, Filozofia współczesna. Wprowadzenie do zagadnień i kierunków W. Krajewski, Współczesna filozofia naukowa. Metafilozofia i ontologia T. Kotarbiński, Ontologia, [w:] Ontologia, teoria poznania i metodologia nauk, s