tajemnice kosmosu



zasada nieoznaczoności



Podwaliny pod zasadę nieoznaczoności sformułował w 1900r. niemiecki uczony Max Planck - choć zupełnie nie zdawał sobie z tego sprawy. Zaprzeczył on obliczeniom brytyjskich naukowców, Lorda Rayleigha i Sir Jamesa Jeansa, z których wynikało, że gorący obiekt, jak np. gwiazda, promieniuje energią z nieskończoną mocą i równym natężeniem we wszystkich częstościach fal, co w efekcie oznacza, że wyemitowana energia jest nieskończona. Planck sformułował tezę, że światło i inne fale (elektromagnetyczne) nie mogą być emitowane dowolnie, jedynie określonymi porcjami, które nazwał kwantami.
Zgodnie z tą hipotezą każdy kwant ma określoną energię wprost proporcjonalną do częstości fali. Oznacza to, że przy bardzo częstości, emisja pojedynczego kwantu wymagałaby większej energii od tej, jaką dysponowałoby ciało. W takim razie natężenie promieniowania o wysokiej częstości zmniejsza się i całkowite tempo utraty energii przez promieniujące ciało jest skończone.
Hipoteza kwantowa Plancka zaprzeczyła powstałej na początku XIXw. koncepcji deterministycznej markiza de Laplace, jednak z jej wagi i znaczenia nie zdawano sobie sprawy aż do sformułowania przez Wernera Heisenberga w 1926r. zasady nieoznaczoności.

Ktoś zapyta: co to takiego, ta zasada nieoznaczoności?
Laplace uważał, że jeśli np. będziemy znali położenie i prędkość planet i Słońca w danej chwili, to za pomocą praw Newtona możemy obliczyć stan Układu Słonecznego w dowolnym czasie. Uważał, że podobne prawa rządzą wszystkimi zjawiskami, łącznie z zachowaniem ludzkim. Oznaczałoby to, że powinien istnieć zbiór praw, zgodnie z którymi można przewidzieć wszystko.
A zatem np. aby przewidzieć przyszłe położenie i prędkość cząstki, należy dokładnie zmierzyć jej obecną prędkość i pozycję. Pomiaru dokonujemy światłem - część fal świetlnych rozproszy się na cząstce i wskaże jej pozycję. W ten sposób jesteśmy w stanie określić położenie cząstki z dokładnością co najwyżej równą odległości pomiędzy dwoma kolejnymi grzbietami fali świetlnej.
Jeśli więc chcemy dokonać precyzyjnego pomiaru, musimy użyć światła o bardzo małej długości fali. Zgodnie z hipotezą Plancka trzeba użyć co najmniej jednego kwanta, co z kolei zmienia stan cząstki i jej prędkość w sposób nie dający się przewidzieć. Chcąc dokładniej zmierzyć pozycję cząstki, tym krótsza musi być długość fali światła, a zatem wyższa energia kwantu i silniejsze zaburzenia prędkości cząstki.Oznacza to, że im dokładniej mierzymy położenie cząstki, tym mniej dokładnie możemy zmierzyć jej prędkość i odwrotnie.

Heisenberg wykazał, że nieoznaczoność pomiaru położenia, pomnożona przez niepewność iloczynu prędkości i masy cząstki, jest zawsze większa niż stała Plancka, niezależnie od metody pomiaru, ani rodzaju cząstki.
Zasada nieoznaczoności Heisenberga jest fundamentalną własnością świata i całkowitym zaprzeczeniem teorii Laplace'a. Nie da się bowiem przewidzieć przyszłości, jeśli nie jest możliwe dokładne określenie obecnego stanu wszechświata.

Na bazie zasady nieoznaczoności Heisenberg, Schrodinger i Dirac przekształcili mechanikę w teorię zwaną mechaniką kwantową, w której cząsteczkom przypisuje się stan kwantowy z kombinacją informacji na temat położenia i prędkości. Określa ona zbiór możliwych wyników pomiarów i pozwala ocenić prawdopodobieństwo każdego z nich, wprowadzając do nauki przypadkowość, czego nie akceptował Einstein.
Teoria nieoznaczoności daje jedynie prawdopodobieństwo, ograniczając naszą zdolność do robienia czegoś w sposób doskonalszy. Mimo wielu sukcesów teorii kwantów wielu specjalistów uważa, iż ukrywa ona przed nami coś fundamentalnego na temat przyrody, co powinniśmy wiedzieć.
Realiści wskazują, iż mechanika kwantowa posiada zbyt wiele niespójności i by mogła być uniwersalna, powinna opisywać również i nas. Problem ten wynika z podziału świata Lee Smolin, realista, optujący po stronie Einsteina, jako drugi z pięciu problemów fizyki teoretycznej podaje: "Rozwiązanie problemów odnoszących się do fundamentów mechaniki kwantowej, albo przez nadanie sensu teorii już istniejącej, albo przez znalezienie teorii, która będzie miała sens".
Proponuje nawet sposoby rozwiązania problemu poprzez dodanie do teorii podziału świata na obserwowany układ i obserwatora, znalezienie nowej interpretacji teorii lub wręcz nowej teorii. Natomiast Michio Kaku pisze: "Teoria Einsteina jest teorią kosmosu, teorią gwiazd i galaktyk, utrzymywanych w całości dzięki ciągłej tkance czasoprzestrzeni. Teoria kwantowa natomiast to teoria mikrokosmosu, gdzie cząstki elementarne istnieją dzięki cząstkopodobnym siłom, tańczącym na sterylnej scenie czasoprzestrzeni postrzeganej jako pusty obszar, pozbawiony jakiejkolwiek zawartości. Dlatego te dwie teorie są do siebie wrogo nastawione."

Czy zatem mamy wybór jedynie pomiędzy mechaniką kwantową, z jej dualnością cząstek, fal i zasadą nieoznaczoności, a klasyczną teorią względności Einsteina?
Mechanika kwantowa nie daje prawdziwego obrazu rzeczywistości, natomiast teoria względności, podobnie jak oparta na niej mechanika zapowiada swój upadek - co najmniej w dwóch sytuacjach (w otoczeniu czarnych dziur oraz w trakcie Wielkiego Wybuchu i tuż po nim)pole grawitacyjne sięga poziomu, w którym atomy powinny się zapaść do stanu nieskończonej gęstości.















góra  strony...





Dorota Kuryło