Dziś z okazji zmiany czasu opowiem czym tak naprawdę w ujęciu fizycznym jest czas, o którym Św. Augustyn mówił: „Jeżeli nikt mnie nie zapyta czym jest czas to wiem, natomiast jeżeli próbuję to komuś wytłumaczyć to nie wiem”. Na początku jednak, w nawiązaniu do dzisiejszego dnia krótki rys historyczny – jak doszło do tego, że dwa razy do roku przesuwamy wskazówki naszych zegarów? Jako pierwszy zmianę czasu na letni [podstawowym jest zimowy] postulował Benjamin Franklin, natomiast humorystyczna wymowa jego artykułu, a także zbyt mała ilość rzeczowych argumentów sprawiły, że pomysł nie spotkał się z zadowalającym przyjęciem. Bardziej merytorycznie do tematu podszedł Brytyjczyk William Willett, który własnym nakładem w 1907 roku wydał broszurę ‘Waste of Daylight’, w której zaproponował przestawienie zegarów o 80 minut w okresie letnim, co jego zdaniem przyniosłoby oszczędności w oświetlaniu rzędu 2,5 mln [w tym miejscu warto nadmienić, że na początku XX wieku wartość 1 funta, w porównaniu do dzisiejszej była prawie stukrotnie większa]. Pomimo rzeczowych argumentów również Willett nie był w stanie przeforsować swojej idei. Pionierami w tej kwestii stali się Niemcy, którzy jako pierwsi 30 kwietnia 1916 roku przesunęli zegarki o godzinę do przodu na terenach Rzeszy, sojuszniczych Austro-Węgier oraz okupowanych terenach Polski i Bałkan. Jeżeli chodzi o Polskę w okresie międzywojennym zastosowaliśmy czas letni tylko w 1919 roku, natomiast następnie w latach ‘45-’49, ’57-’64, ’77-’81 i nieprzerwanie od roku 1983. Mając za sobą krótką historię jego zmian, zastanówmy się czym tak naprawdę jest czas w rozumieniu fizycznym?
– istotnie to właśnie oznacza, że jest on jednym z wymiarów czasoprzestrzeni. Łatwo to zaobserwować kiedy użyje się często stosowanych przez fizyków jednostek, w których prędkość światła jest bezwymiarowa [czasami przyjmuje się, że wynosi 1] – w takich jednostkach wymiary długości i czasu są identyczne.
Po latach udało się eksperymentalnie udowodnić, że to idea Einsteina jest tą właściwą [co ciekawe już w XVII wieku Gottfried Leibniz rozwiązując równania Newtona zauważył, że wcale nie wynika z nich, że czas jest absolutny. Zachowała się jego korespondencja z Anglikiem, w której opisuje rozwiązania równań pokazujące, że tak nie jest, natomiast autorytet Brytyjczyka w tym przypadku wziął górę i kolejne trzy stulecia uważaliśmy czas za absolutny]. Wracając do mechaniki relatywistycznej - skąd wiemy, że Einstein miał rację? Potrafimy już zmierzyć zjawisko dylatacji czasu, które postulował [różnice we wskazaniach zegara w dwóch różnych układach w ruchu]. Wiemy, że na orbicie Ziemi czas biegnie inaczej niż na jej powierzchni i potrafimy to zmierzyć. Jest to zjawisko z którego wszyscy korzystamy każdego dnia [gdyby nie uwzględnienie dylatacji czasu po jednym dniu nasze GPSy rozsynchronizowałyby się na tyle, że nie dałoby się z nich korzystać]. Ciekawym zagadnieniem związanym z czasem jest „strzałka czasu”. Jest to pojęcie które do nauki wprowadził brytyjski astrofizyk - Arthur Eddington w roku 1927. Oznacza kierunek czasu – uważamy, że zawsze upływa od przeszłości, przez teraźniejszość w przyszłość, stąd wniosek, że jest on jednokierunkowy, asymetryczny i nieodwracalny. Wyróżniamy różne strzałki czasu: termodynamiczne, radiacyjne, a nawet psychologiczne czy biologiczne, natomiast ja chciałbym krótko skupić się na tych najbardziej interesujących z punktu fizycznego. Pierwsza – kosmologiczna. Określa kierunek czasowy od Wielkiego Wybuchu w stronę przyszłości jako ciągłe rozszerzanie się wszechświata [zjawisko które empirycznie potwierdził w 1929 roku Edwin Hubble, a dla którego Aleksander Friedmann znalazł rozwiązania równań Einsteina siedem lat wcześniej]. Fizycy uważają za prawdopodobny proces odwrócenia kosmologicznej strzałki czasu. Nazywany jest ‘Big Crunch’ [wielki kolaps]. Teoria zakłada, że proces rozszerzania się wszechświata nie będzie przebiegał wiecznie. Nadejdzie moment w którym pod wpływem grawitacji ekspansja ustanie i zacznie się proces do niej odwrotny. Najpierw zbliżą się do siebie galaktyki, które następnie się scalą, później połączą się gwiazdy i planety, następnie pod wpływem ogromnej siły grawitacji nastąpi scalenie atomów, które rozpadną się na nukleony [protony i neutrony], a te na kwarki. Każdy etap będzie przebiegał coraz szybciej, ponieważ siła grawitacji wciąż będzie rosła [wraz z temperaturą i gęstością]. Cały proces zakończy kolaps do stanu o skrajne wysokiej gęstości lub wręcz osobliwości [punktu gdzie przyśpieszenie grawitacyjne i gęstość są nieskończone]. Drugą, interesującą z fizycznego punktu widzenia jest kwantowa strzałka czasu. Teoria względności Alberta Einsteina nie odwołuje się do jednego i absolutnego czasu, lecz uwzględnia stałą prędkość światła we wszystkich inercjalnych układach odniesienia poruszających się względem siebie jednostajnie. Stąd wynika, że równoczesność zdarzeń jest względna i zależna od układu odniesienia, ale nie zmienia kierunku upływu czasu. Niektórzy fizycy uważają, że na poziomie fundamentalnym nie istnieje czas i przestrzeń [dotyczą jedynie świata makroskopowego]. Hipoteza opiera się na założeniu, że na poziome zderzających się cząstek strzałka czasu może wskazywać w dowolnym kierunku, a prawa fizyczne pozostają zachowane, co wynika z symetrii równań. Kończąc rozważania na temat czasu – zastanawiałeś się kiedyś dlaczego mówimy, że czas płynie? Zawdzięczamy to greckiemu konstruktorowi – Ktesibiosowi z Aleksandrii, który żył w III w. p. n. e. Udoskonalił on zegary wodne opierających swoje działanie na przepływie wody z jednego naczynia do drugiego dodając do nich pływak i skalę wskazującą godzinę.
0 Komentarze
Nie ma żadnych wątpliwości, że najbardziej znanym kotem w fizyce jest ten z eksperymentu myślowego Erwina Schroedingera – ten żywy i martwy jednocześnie. Dzisiaj opowiem o kopenhaskiej interpretacji fizyki kwantowej i dlaczego nie koniecznie sprawdza się w skali makro. Był rok 1935. Schroedinger, wówczas już laureat Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki za odkrycie nowych, płodnych aspektów atomów i ich zastosowanie opublikował artykuł: „Obecna sytuacja w mechanice kwantowej”. Zilustrował tam problem kopenhaskiej interpretacji fizyki kwantowej, która mówi ,że dopóki nie dokonamy aktu obserwacji nie dowiemy się czy dana cząstka jeszcze istnieje. Zrobił to przeprowadzając jeden z najbardziej popularnych eksperymentów myślowych w dziejach – przeniósł fizykę kwantową do skali marko i zamknął kota w pudełku ze śmiertelną pułapką. Może trochę bardziej precyzyjnie: Schroedinger umieścił w szczelnie zamkniętym pudełku kota, źródło promieniotwórcze w postaci jednego atomu oraz detektor promieniowania, który w momencie wykrycia rozpadu cząstki uwolni trujący gaz uśmiercający naszego futrzanego przyjaciela. Z racji tego, że szansa na rozpad atomu wynosi 50% to „zdrowy rozsądek” podpowiada nam, że takie właśnie są szanse naszego kota na to, że jest żywy i analogiczne, że niestety nie. Jednak traktując naszego zwierzaka jako obiekt kwantowy, jak założył Schroedinger sprawa ma się nieco inaczej. Interpretacja kopenhaska mówi, że do momentu przeprowadzenia pomiaru stan naszego obiektu [w tym przypadku kota] jest fundamentalnie nieokreślony, co wynika z zasady superpozycji [mówi ona, że obiekt znajduje się on równocześnie w każdym z możliwych stanów, które w tym przypadku są dwa – żywy/martwy]. Dopiero w momencie dokonania obserwacji załamuje się funkcja falowa naszego kota i „dokonuje on wyboru” - przyjmuje jeden konkretny stan [więc do tego momentu jest równocześnie żywy jak i martwy]. Fizycy nazywają ten stan superponowanym. Warto w tym momencie zaznaczyć, że zjawisko superpozycji w świecie mikroskopowym jest zjawiskiem powszechnym i znanym nam dość dobrze.
Jednak dlaczego nie możemy przeprowadzić tego eksperymentu w rzeczywistości? Pomijając względy humanitarne, kot jednoznacznie składa się z obiektów [atomów] podlegających prawom fizyki kwantowej jednak ze względu na ich olbrzymią ilość ich stany uśredniają się i nie pozwalają nam obserwować efektów kwantowych. Na pewno każdy potrafi opisać symbol powszechnie przypisany do recyklingu albo logotyp Renault, ale wiedzieliście jak matematycznie nazywa się ta [uwaga będzie skomplikowanie] dwuwymiarowa zwarta rozmaitość topologiczna, nieorientowalna z brzegiem? To wstęga Mobiusa o której ciekawych własnościach dzisiaj opowiem. Wszystkich zachęcam do empirycznego przeprowadzenia ciekawych doświadczeń o których będę pisał poniżej, więc na początku zaczniemy od tego jak przygotować taką wstęgę w domu. Wystarczy wziąć kartkę papieru, przeciąć ją w taki sposób żeby utworzyła długi pasek, następnie jedną z krótkich krawędzi skręcić o 180 stopni i skleić z drugą taśmą lub użyć zszywacza.
Kolejne ciekawe właściwości wstęga ujawnia kiedy będziemy ją przecinać. Przecięcie w połowie jej szerokości spowoduje nie jak byśmy oczekiwali powstanie dwóch takich obiektów, tylko jednego, skręconego podwójnie o długości dwukrotnie dłuższej niż wyjściowa. A co się stanie gdy przetniemy ją w jednej trzeciej szerokości? Wówczas otrzymamy jedną węższą wstęgę o długości równej wyjściowej oraz splecioną z nią dwukrotnie dłuższą [skręconą podwójnie]. Czy ten obiekt ma jakieś sensowne zastosowanie? Oczywiście, że tak! Konstrukcja pasa transmisyjnego w tym kształcie pozwala na równomierne ścieranie po obydwu stronach znacząco wydłużając jego żywotność. Znacie jakieś inne ciekawe zastosowanie? Siła grawitacji jest jednym z czterech oddziaływań podstawowych. Zatrzymajmy się tutaj na chwilę. Pozostałe z nich to oddziaływania silne i słabe, którym nie poświęcimy zbyt dużo uwagi oraz oddziaływanie elektromagnetyczne przy którym zatrzymamy się na trochę dłużej. Będziemy je porównywać z siłą grawitacji dlatego, że tak jak ona ma nieskończony zasięg oddziaływania [wynika to z zasady nieoznaczoności Heisenberga, ale nie to jest przedmiotem naszych rozważań].
Przykład jak słabym oddziaływaniem w porównaniu do elektromagnetyzmu jest grawitacja większość z nam ma w swojej kuchni. Magnes trzyma się naszej lodówki pomimo tego, że przyciąga go Ziemia o masie ok. 6x10^24 kg. Różnica siły tych dwóch oddziaływań to mniej więcej 10^41 [100 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000]! Przeglądając sieć natrafiłem na ciekawe zobrazowanie tej różnicy. Wyobraźmy sobie elektron i pozyton w odległości ćwierć milimetra od siebie. Oznaczmy siłę grawitacji między tymi cząstkami jako X. Teraz zadajmy sobie pytanie jak daleko od siebie musiałyby znajdować się te cząstki, żeby siła przyciągania elektomagnetycznego między tymi cząstkami wynosiła X. Odpowiedź? Nieprawdopodobna – niemal 50 lat świetlnych!. Pomimo tego, że to nieprawdopodobnie słabe oddziaływanie to liczy się najbardziej w skali kosmicznej. Oddziaływania silne i słabe mają względnie krótki zasięg, natomiast siły elektromagnetyczne mogą się zarówno przyciągać, jak i odpychać co decyduje o tym, że na większych odległościach znoszą się i uśredniają do zera. Grawitacja natomiast zawsze przyciąga obiekty, a w dodatku nigdy nie wynosi zero bez względu na to jak daleko znajdują się od siebie dwa ciała. Jaki wpływ ta wartość ma na nasze życie? Gdyby była słabsza gwiazdy byłyby dużo mniejsze i wypalały się szybciej, natomiast gdyby wzrosła dziesięciokrotnie słońce wypaliłoby się po 10 milionach, a nie miliardach lat i życie nie miałoby czasu się rozwinąć. Prawo powszechnego ciążenia odkrył i opisał Izaak Newton w 1687 roku, opisując je w następujący sposób: „Między dowolną parą obiektów posiadających masy, pojawia się siła przyciągająca na linii łączącej ich środki. Jej wartość rośnie z iloczynem ich mas i maleje z kwadratem odległości. Pogląd ten całkowicie zmienił Albert Einstein, który w 1916 roku wprowadził do fizyki zjawisko zakrzywienia czasoprzestrzeni czym wyjaśnił skąd bierze się ta uniwersalna siła. |
nawigacja
Grudzień 2018
Kategorie
Wszystkie
|