Θέματα Σύγχρονης Φυσικής για Κβαντική Φυσική, Αστροφυσική, Κοσμολογία, Μικρόκοσμο, που δεν διδάσκονται στο σχολείο αλλά αναδύουν όλη την ομορφιά της Φυσικής Επιστήμης, θα βρείτε στον ιστότοπό μου "ΦΥΣΙΚΕΣ ΕΠΙΣΤΗΜΕΣ ...Σταγόνες Σύγχρονης Φυσικής"
Κβαντική Θεωρία VS Κλασσική Φυσική ή Bohr VS Einstein
Ας αρχίσουμε με λίγα ιστορικά γεγονότα…
Η «Κβαντική Μηχανική» εμφανίζεται για πρώτη φορά με το όνομα αυτό το 1924 στη μελέτη του Born «Περί της Κβαντομηχανικής»
Λίγο μετά αρχίζει και η διαμάχη για την ερμηνεία της που πήρε μεγάλη διάσταση στο 5ο συνέδριο του Solvay (Βρυξέλλες, Οκτώβρης 1927) στο οποίο συμμετείχαν 29 διακεκριμένοι επιστήμονες.
Τα στρατόπεδα ήταν δύο:
1. Ερμηνεία της Σχολής της Κοπεγχάγης (θετικισμός) με εκπροσώπους της τον Bohr, Heisenberg. κ.ά. σύμφωνα με την οποία δεν μπορούμε να περιγράψουμε τα όντα όπως είναι στην «πραγματικότητα», αλλά όπως αυτά μας εμφανίζονται μέσα από την παρατήρησή μας με τα διάφορα όργανα που χρησιμοποιούμε γι’αυτό. Η ερμηνεία αυτή αμφισβητεί την έννοια της αιτιότητας και την ισχύ της τοπικότητας στο μικρόκοσμο.
2. Ρεαλιστική ερμηνεία με εκπροσώπους της τον Einstein, Planck, Shroedinger, κ.ά. κατά την οποία υπάρχει αντικειμενική πραγματικότητα ανεξάρτητη από αυτόν που κάνει τη μέτρηση, ισχύει η αιτιοκρατία (ανάλογα με την αιτία διαμορφώνεται και το αποτέλεσμα) και η αρχή της τοπικότητας δηλαδή λόγω της πεπερασμένης ταχύτητας μετάδοσης της πληροφορίας (με ανώτατο όριο c), τα σώματα δεν μπορούν να αλληλεπιδράσουν ακαριαία.
Τα μέχρι τώρα πειράματα έχουν δείξει να δικαιώνονται οι προβλέψεις της Κβαντικής Θεωρίας, παράλληλα όμως έχουν αναπτυχθεί κι άλλες εναλλακτικές θεωρίες που προσπαθούν να λύσουν και κάποια φιλοσοφικά ζητήματα όπως αυτό της ύπαρξης ή μη «αυτόνομης πραγματικότητας», ανεξάρτητης δηλαδή από την ύπαρξη κάποιας συνείδησης που προφανώς δεν μπορεί να την συλλάβει.
Ας συνεχίσουμε τώρα με κάποια ιστορικά στιγμιότυπα από το συνέδριο του Solvay και ας «τηλεμεταφερθούμε» για λίγο στην εποχή που έζησαν οι μεγάλες προσωπικότητες που συμμετείχαν σ’αυτό…
“Η καμπύλωση του χωροχρόνου από τη μάζα και η σχετικότητα του χρόνου”
Κάθε φορά που πλησιάζουμε έναν πλανήτη π.χ. τη Γη ο χρόνος κυλάει πιο αργά γιατί η καμπύλωση του χωροχρόνου λόγω της μάζας μεγαλώνει.
Ακόμα και για όσους ζουν στην ίδια πολυκατοικία ο χρόνος κυλάει πιο αργά για αυτούς που ζουν στο ισόγειο!! Βέβαια η διαφορά αυτή είναι απειροελάχιστη και πρακτικά δεν την καταλαβαίνουμε…
Όμως…επειδή καμπύλωση του χωροχρόνου εξαρτάται από το πόσο μεγάλη είναι η μάζα του αντικειμένου που την προκαλεί, αν φανταστούμε ότι είμαστε κοντά σε μια τεράστια μαύρη τρύπα, εκεί λόγω πολύ μεγάλης καμπύλωσης ο χρόνος κυλάει πολύ-πολύ αργά. Για παράδειγμα αν περάσει ένα δευτερόλεπτο για εμάς που βρισκόμαστε κοντά στη μαύρη τρύπα, για τους ανθρώπους στη Γη μπορεί να έχουν περάσει 100 χρόνια. Επιστρέφοντας λοιπόν στη Γη θα έχουμε κάνει ένα ταξίδι στο μέλλον!!
Όλα αυτά βέβαια βασίζονται στη ΓΕΝΙΚΗ ΘΕΩΡΙΑ ΣΧΕΤΙΚΟΤΗΤΑΣ ΤΟΥ EINSTEIN η οποία έχει αποδειχθεί πειραματικά!!
ΕΙΔΙΚΗ ΘΕΩΡΙΑ ΤΗΣ ΣΧΕΤΙΚΟΤΗΤΑΣ
Η κίνηση είναι σχετική… Για να μετρήσουμε επομένως την ταχύτητα ενός σώματος πρέπει πάντα να διαλέγουμε ένα σύστημα αναφοράς που το θεωρούμε ακίνητο. Έτσι η ταχύτητα ενός σώματος ως προς έναν παρατηρητή έχει σχέση με την ταχύτητα με την οποία κινείται ο ίδιος ο παρατηρητής με βάση το σύστημα αναφοράς που έχουμε διαλέξει.
Για παράδειγμα, αν ένας παρατηρητής (Α) στέκεται ακίνητος ως προς τη Γη και βλέπει έναν άλλο παρατηρητή-επιβάτη (Β) μέσα σε ένα τρένο που κινείται, τότε η ταχύτητα του τρένου ως προς τον (Α) είναι διαφορετική από το μηδέν, ενώ ως προς τον επιβάτη που βρίσκεται στο τρένο η ταχύτητα του τρένου είναι μηδέν!!
Όμως ο κανόνας έχει μία εξαίρεση: Η ταχύτητα του φωτός είναι πάντα ίδια ως προς οποιονδήποτε παρατηρητή!!
Για να εξηγηθεί αυτό πρέπει να απαντήσουμε στο ερώτημα: Είναι ο μετρούμενος χρόνος ίδιος για τον καθένα;;
Σύμφωνα με την Ειδική Θεωρία της Σχετικότητας του Albert Einstein ο χρόνος κυλάει πιο αργά όταν κινούμαστε ταχύτερα. Ο χρόνος δεν είναι απόλυτος, αλλά εξαρτάται από την ταχύτητα με την οποία κινούμαστε!!
Βέβαια αυτό γίνεται αντιληπτό αν η ταχύτητα που κινούμαστε είναι αρκετά μεγάλη…όσο πλησιάζει την ταχύτητα του φωτός έχουμε και μεγαλύτερη «διαστολή του χρόνου» με αποτέλεσμα αν π.χ. για εμάς τους παρατηρητές στη Γη έχουν περάσει 50 χρόνια, για κάποιον που βρίσκεται σε ένα διαστημικό όχημα και κινείται με την κατάλληλη πολύ μεγάλη ταχύτητα μπορεί να έχει περάσει μόνο ένας χρόνος!!
Το 1905 ο Άλμπερτ Αϊνστάιν διατυπώνει την Ειδική Θεωρία της Σχετικότητας. Με την νέα αυτή θεωρία κλονίζεται η έννοια του απόλυτου χώρου και χρόνου και εισάγεται η έννοια του χωροχρόνου όπου ο χώρος δεν αποτελεί ξεχωριστή ιδιότητα αλλά είναι συνυφασμένος με τον χρόνο.
Η εξίσωση Ε=mc2 ήταν άμεση συνέπεια της Ειδικής Θεωρίας της Σχετικότητας σύμφωνα με την οποία ο μετρούμενος χρόνος επηρεάζεται από την ταχύτητα. Ο συλλογισμός που καταλήγουμε στην εξίσωση αυτή παρουσιάζεται με απλό τρόπο στο παρακάτω βίντεο.
Γιατί δεν μπορούμε να κινηθούμε ταχύτερα από το φως;
Ο χώρος και ο χρόνος δεν είναι ξεχωριστές οντότητες, αλλά συνιστώσες του «χωροχρόνου».
Επίσης, όλοι οι παρατηρητές μετράνε την «ίδια» ταχύτητα του φωτός, ανεξάρτητα πόσο γρήγορα κινούνται οι ίδιοι.
Ας σκεφτούμε ότι τα πάντα κινούνται με μια μοναδική, καθορισμένη ταχύτητα στο χωροχρόνο, κάτι που φαίνεται να ισχύει.
Θεωρούμε δύο κάθετους άξονες, ο ένας παριστάνει τον άξονα του χώρου και ο άλλος του χρόνου.
Αν ένα αντικείμενο κινείται μόνο στον άξονα του χρόνου, δεν κινείται στο χώρο. Καθώς όμως αρχίζει να κινείται στο χώρο, κινείται λιγότερο στο χρόνο. Όταν κινείται μόνο στο χώρο, δεν κινείται καθόλου στο χρόνο.
Αυτό λέει η Σχετικότητα: Καθώς κινείσαι όλο και πιο γρήγορα στο χώρο, τα ρολόγια σου «καθυστερούν» γιατί κινείσαι λιγότερο στο χρόνο. Συνεχώς κινούμαστε στο χωροχρόνο, με μια μοναδική ταχύτητα, ίση με c.
Αν δεν κινούμαστε στο χώρο, βιώνουμε τον χρόνο με τον πιο γρήγορο τρόπο.
Τα φωτόνια που κινούνται στο χώρο με ταχύτητα c, δεν κινούνται καθόλου στο χρόνο. Ο χρόνος είναι «παγωμένος» γι’αυτά. Τα «ρολόγια» τους είναι σταματημένα. Η ταχύτητά τους στο χρόνο είναι μηδέν. Αν δηλαδή μπορούσαμε να κινηθούμε με ταχύτητα c στο χώρο, όπως ένα φωτόνιο, δεν θα περνούσε ο χρόνος για εμάς!! Το ρολόι μας θα έδειχνε συνέχεια την ίδια ώρα. Θα ήταν «σταματημένο». Για να πάμε από το ένα μέρος στο άλλο θα το κάναμε σε χρόνο μηδέν!!
Η παρατήρηση ότι τα πάντα κινούνται με ταχύτητα c στο χωροχρόνο έγινε από τον Minkowski, ο οποίος όμως δεν εξήγησε γιατί κινούμαστε με αυτήν την συγκεκριμένη ταχύτητα στο χωροχρόνο.
Μέχρι σήμερα, κανείς δεν ξέρει. Φαίνεται να είναι μια θεμελιώδης ιδιότητα του χωροχρόνου.
Πόσο «αληθινή» είναι η σχετικιστική μάζα;
Στην ερώτηση «γιατί ένα σώμα δεν μπορεί να κινηθεί με ταχύτητα μεγαλύτερη από την ταχύτητα του φωτός» ένας μη ειδικός αλλά ακόμα κι ένας Φυσικός θα μπορούσε να ισχυριστεί ότι «αυτό συμβαίνει γιατί η μάζα του σώματος αυξάνεται όταν αυξάνεται η ταχύτητά του και όταν η ταχύτητα του σώματος πλησιάζει την ταχύτητα του φωτός τότε η μάζα του σώματος τείνει να γίνει άπειρη».
Αλλά ας πάρουμε τα πράγματα από την αρχή:
Όλοι στο σχολείο μαθαίνουμε ότι «αδράνεια είναι η ιδιότητα της μάζας να αντιστέκεται στη μεταβολή της κινητικής της κατάστασης». Όταν οι ταχύτητες είναι μικρές, η αδράνεια είναι ισοδύναμη με τη μάζα. Για παράδειγμα, κινώ ένα μικρό αυτοκινητάκι με μεγαλύτερη ευκολία από ένα μεγάλο. Όλα καλά μέχρι εδώ. Σε μεγαλύτερες ταχύτητες όμως τι γίνεται; Μπορούμε να αντιμετωπίζουμε τα πράγματα με τον ίδιο τρόπο;
Για να καταλάβουμε τι διαφορά υπάρχει, ας σκεφτούμε λίγο την έννοια της ορμής.
Στην καθημερινότητά μας καταλαβαίνουμε ότι ένα σώμα που έχει μεγάλη «ορμή», δύσκολα το σταματάμε. Στο σχολείο μάθαμε ότι η ορμή δίνεται από τον τύπο p=mxv (ορμή=μάζα x ταχύτητα). Που σημαίνει ότι ένα σώμα με μεγάλη μάζα ή μεγάλη ταχύτητα είναι δύσκολο να το σταματήσουμε. Όλα αυτά μπορούμε να τα εφαρμόζουμε όταν οι ταχύτητες των σωμάτων είναι αυτές που συναντάμε συνήθως, πολύ μικρότερες από την ταχύτητα του φωτός.
Τι γίνεται όμως όταν η ταχύτητα ενός σώματος αυξάνεται σε μεγάλο βαθμό, πλησιάζοντας την ταχύτητα του φωτός; Η απάντηση είναι ότι η εξίσωση που χρησιμοποιούσαμε (με καλή προσέγγιση) για τον υπολογισμό της ορμής p= m x v , δεν εφαρμόζεται πια. Τώρα πρέπει να εφαρμόσουμε τη «σωστή εξίσωση» που είναι η « p=γ x m x v ».
Βέβαια, σε μικρές ταχύτητες ισχύει με καλή προσέγγιση γ=1. Για παράδειγμα, για να γίνει το γ=1,01 θα πρέπει η ταχύτητα του σώματος να είναι τόσο μεγάλη ώστε το σώμα να μπορεί να διαγράφει έναν κύκλο σαν τον Ισημερινό της Γης σε ένα δευτερόλεπτο!! Όσο μεγαλώνει η ταχύτητα μεγαλώνει ο συντελεστής γ.
Αν η ταχύτητα του σώματος ισούται με το 99% της ταχύτητας c του φωτός είναι γ=7,089 και όταν η ταχύτητα τείνει στο c τότε το γ τείνει στο άπειρο. Το γ λοιπόν τείνει στο άπειρο και όχι η μάζα του σώματος.
Οι Φυσικοί όμως, επειδή τους αρέσει να βρίσκουν καινούρια πράγματα και να τους δίνουν ονόματα, επινόησαν την «σχετικιστική μάζα»: m(relativistic)=γ x m. Το αποτέλεσμα όμως είναι να καταλήγουμε πολλές φορές σε παρανοήσεις και να απομακρυνόμαστε από το τι συμβαίνει στην πραγματικότητα.
Για να το καταλάβουμε αυτό, ας δούμε ένα παράδειγμα: Αν δεχθούμε ότι ένα σώμα που έχει ταχύτητα κοντά στην ταχύτητα του φωτός έχει σχεδόν άπειρη μάζα, τότε με βάση τον νόμο της παγκόσμιας έλξης θα πρέπει το σώμα αυτό περνώντας κοντά από τη Γη να έλκεται από αυτήν με σχεδόν άπειρη δύναμη (!!) κάτι που βέβαια δεν ισχύει.
ΤΕΛΙΚΟ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑ: Υπάρχει ΜΟΝΟ μία μάζα που λέγεται μάζα ηρεμίας. Είναι η μάζα του σώματος που είναι «ακίνητο» ως προς το αδρανειακό μας σύστημα.
Πρέπει λοιπόν να εγκαταλείψουμε τον όρο «σχετικιστική μάζα» αν θέλουμε να καταλάβουμε πραγματικά τη Σχετικότητα.
Παρ’όλα αυτά, μπορούμε να πούμε ότι η σχετικιστική μάζα έχει κάποιον «παιδαγωγικό χαρακτήρα», με την έννοια ότι: Καταλαβαίνουμε ότι αν η μάζα ενός σώματος αυξάνεται και τείνει να γίνει άπειρη, η δυσκολία μας να το σπρώξουμε και να του αλλάξουμε την ταχύτητα αυξάνεται υπερβολικά. Επίσης καταλαβαίνουμε ότι ένα σώμα δεν μπορεί να κινηθεί με ταχύτητα μεγαλύτερη της ταχύτητας c του φωτός, αφού όταν η ταχύτητά του γίνεται c η μάζα του γίνεται άπειρη!!
Αν υπάρχει κάτι «βέβαιο» στη ζωή μας, στο Σύμπαν μας, αυτό είναι η ……«Αρχή της Αβεβαιότητας». Και δεν εννοούμε φυσικά την αβεβαιότητα που βιώνουμε στην καθημερινότητά μας….
Η «Αρχή της Αβεβαιότητας» του Heisenberg πηγάζει από την ιδέα ότι η ύλη έχει χαρακτηριστικά σωματιδίου “και” κύματος ταυτόχρονα.
Τι γίνεται όμως τότε:
Αν θεωρήσουμε την ύλη σαν κύμα, τότε γνωρίζουμε πολύ καλά το μήκος κύματος και άρα την ορμή του. Δεν γνωρίζουμε όμως τη θέση του, αφού το κύμα μπορεί να απλώνεται σε πολύ μεγάλη έκταση…
Από την άλλη όμως, αν θεωρήσουμε την ύλη σαν σωματίδιο, περιορισμένο στο χώρο, θα πρέπει (με μαθηματικό τρόπο) να χρησιμοποιήσουμε πολλά κύματα το ένα πάνω στο άλλο, τα οποία θα αλληλοεξουδετερωθούν μεταξύ τους σε μια μεγάλη έκταση ώστε να «μαζέψουμε» το σωματίδιο σε μια πολύ μικρή περιοχή του χώρου. Τότε έχουμε ένα πολύ μικρό «πακετάκι» κυμάτων στο οποίο γνωρίζουμε με πολύ μεγάλη ακρίβεια τη θέση του αλλά δεν μπορούμε να γνωρίζουμε την ορμή του (αφού εκεί μέσα του έχουν «ανακατευτεί» πολλά διαφορετικά κύματα με διαφορετικό μήκος κύματος και ορμή το καθένα).
Υπάρχει λοιπόν ένας περιορισμός στην ακρίβεια αν θέλουμε να ξέρουμε ταυτόχρονα θέση και ορμή ενός σωματιδίου.
Η Αρχή της αβεβαιότητας βάζει αυτόν τον περιορισμό:
(Αβεβαιότητα στη θέση) x (Αβεβαιότητα στην ορμή) ≥ h/4π
ή
(Αβεβαιότητα στη θέση) x (Αβεβαιότητα στην ορμή) ≥ (h_bar)/2
ή
Δx∙Δp≥ h/4π
Επειδή όμως το h, η σταθερά του Planck, είναι πολύ μικρή, της τάξης των 10^(-34)J∙s, το φαινόμενο αυτό γίνεται παρατηρήσιμο στον Mικρόκοσμο, αφού στο Mακρόκοσμο της καθημερινότητάς μας οι κλίμακες που μετράμε είναι πολύ μεγαλύτερες.
Αυτό βέβαια δεν σημαίνει ότι η Αρχή της Αβεβαιότητας δεν είναι σημαντική ακόμα και για την ίδια μας την ύπαρξη.
Αρκεί να σκεφτούμε ότι δίνει τη δυνατότητα σε ένα σωματίδιο να βρεθεί και σε περιοχές «απαγορευμένες» για την κλασική Μηχανική. Το σωματίδιο του μικρόκοσμου μπορεί να περάσει από ένα φράγμα, χωρίς να διαθέτει την απαιτούμενη ενέργεια-φαινόμενο κβαντικής σήραγγας- (όπως θα περνούσε π.χ. μια μπάλα μέσα από έναν τοίχο!!!…) και να βρεθεί στην κατάλληλη θέση ώστε να αλληλεπιδράσει με ένα άλλο σωματίδιο….. (κάτι που δεν θα συνέβαινε ποτέ χωρίς αυτήν την θεμελιώδη αρχή).
Ένα τέτοιο παράδειγμα έχουμε κατά την πυρηνική σύντηξη που γίνεται στον Ήλιο μας, όπου δύο πρωτόνια (παρ’όλο που είναι και τα δύο θετικά…) κάνουν την «υπέρβαση», ξεπερνούν «φράγματα» και έρχονται τόσο κοντά που να μπορούν να ενωθούν και να σχηματίσουν το στοιχείο ήλιο (He) με ταυτόχρονη έκλυση ενέργειας.
Χωρίς αυτήν την ενέργεια που προέρχεται από τον Ήλιο και που συνεχώς μας προσφέρει απλόχερα, δεν θα μπορούσε να υπάρξει ζωή, τουλάχιστον όπως την αντιλαμβανόμαστε με τα βιολογικά εργαλεία που σαν άνθρωποι διαθέτουμε….
Την Αρχή της Αβεβαιότητας αρκετοί μεγάλοι Φυσικοί δεν την αποδέχτηκαν όταν διατυπώθηκε από τον Heisenberg, όπως ο Albert Einstein…
Το νοητικό πείραμα του Αυστριακού φυσικού Έρβιν Σρέντινγκερ σε μια προσπάθεια ερμηνείας του παράξενου κόσμου της Κβαντομηχανικής!!
ΤΙ ΕΙΝΑΙ ΤΑ ΒΑΡΥΤΙΚΑ ΚΥΜΑΤΑ;
Χρειάστηκε να περάσουν 100 χρόνια από τη διατύπωση της Γενικής Θεωρίας της Σχετικότητας του Άλμπερτ Αϊνστάιν, στην οποία εξήγησε με τελείως διαφορετική οπτική την έννοια της βαρύτητας, για να ανιχνεύσουν οι επιστήμονες με τη βοήθεια της τεχνολογίας και των συμβολόμετρων LIGO βαρυτικά κύματα. Τα κύματα αυτά προήλθαν από τη συνένωση δύο μαύρων τρυπών, η οποία συνέβη πριν από 1,3δισ.έτη φωτός.