Temat, któremu  poświęcam ten wpis jest odpowiedzią na komentarz Lisa do wpisu pt. „To zła wiadomość…”.

Jeśli poprzednio napisałam, że fizyka zajmuje się materią, to miałam na myśli każdy aspekt tego pojęcia: na poziomie klasycznym, kwantowym i kosmicznym. Również miałam na myśli energię. Bo, energia to tylko inna forma istnienia masy i odwrotnie.

Jeśli nawet mówimy o innym sposobie opisywania w fizyce klasycznej, relatywistycznej czy kwantowej, to ciągle są to opisy materii (energii, pola).

1

Materia (z def. ) –  to ogół istniejących przedmiotów fizycznych, poznawalnych zmysłami w sposób bezpośredni lub pośredni, za pomocą przyrządów lub skutków; w ujęciu filozoficznym wszystko co istnieje w czasie i przestrzeni, obiektywna rzeczywistość niezależna od świadomości.

Materię możemy rozumieć na różne sposoby. W różnych działach fizyki i innych nauk przyrodniczych używa się kilku różnych definicji materii.

A więc materia, to:

  • wszystkie obiekty, o różnej od zera masie spoczynkowej,
  • wszystkie obiekty złożone z elementarnych fermionów (fermiony są cząstkami elementarnymi „materii”, natomiast bozony przenoszą oddziaływania),
  • wszystkie obiekty złożone z tej, z dwu (o identycznej masie i czasie życia, ale o przeciwnym znaku ładunku elektrycznego oraz wszystkich addytywnych liczb kwantowych), odmian cząstek elementarnych, która przeważa w naszej okolicy Wszechświata,
  • wszystkie obiekty wytwarzające grawitację i jej podlegające, czyli o nie zerowej energii.

Najszerszą definicją jest, oczywiście, ta ostatnia. Dzięki niej można mówić o potwierdzeniu przez fizykę współczesną prawa zachowania materii, w postaci zasady zachowania energii.

Fizyka cały czas się rozwija. To, że nie możemy czegoś teraz wyjaśnić, nie oznacza, że kiedyś tego nie odkryjemy. Od materii do energii przechodzono stopniowo. Nawet fizykom trudno jest zdefiniować energię. Tym bardziej, że w przyrodzie występuje pod wieloma postaciami.

Galileusz był pierwszym, który zauważył, że energia może się przekształcać z jednego rodzaju w drugi. Może być także magazynowana w postaci różnych rodzajów energii, np. energii sprężystości, energii cieplnej czy energii chemicznej. Może być transmitowana w postaci fal elektromagnetycznych jako światło lub fale radiowe.

Albert Einstein odkrył, że jedną z dostępnych form energii jest masa. Zatem masa i energia są sobie równoważne.

2

Energię wykorzystujemy w różnych dziedzinach życia i przemysłu. Mówimy o wytwarzaniu energii, ale w rzeczywistości jest ona przekształcana z jednego typu w inny. I tu dochodzimy do tak ważnej w fizyce zasady zachowania energii, która mówi, że: Całkowita ilość energii pozostaje niezmieniona, ale może przybierać różne formy.

Zasada zachowania dotyczy również pędu i momentu pędu. I są to podstawowe zasady fizyki, również fizyki współczesnej.

Jeśli odróżniamy od siebie fizykę klasyczną, fizykę relatywistyczną czy fizykę kwantową, to tylko dlatego, że poszerza nam się obraz Wszechświata. Wiemy więcej i potrafimy wszystko szerzej i bardziej obiektywnie opisać. Co nie znaczy, że wiemy już wszystko i nasz obraz Wszechświata nie będzie się już zmieniał.

Wróćmy jednak do równoważności masy i energii. Kluczowym momentem było wyjaśnienie przez A. Einstein’a zjawiska fotoelektrycznego. Zjawisko to polega na tym, że w metalach oświetlonych światłem niebieskim lub ultrafioletowym pojawia się prąd elektryczny, czyli poruszające się elektrony. Einstein pokazał, że światło może zachowywać się jednocześnie jak strumień kulek – fotonów oraz jak fala ciągła. Dzisiaj wiemy nawet, że światło zachowuje się tak jakby wiedziało, czy ma być falą czy cząstką – w zależności od sytuacji.

3

Einstein wyjaśnił zjawisko fotoelektryczne w 1905 roku, a w 1924 L V. de Broglie zasugerował teorię, że cząstki materii mogą zachowywać się jak fale. Była to hipoteza, która trzy lata później została potwierdzona doświadczalnie. A więc idea fal materii, w postaci dualizmu korpuskularno – falowego, stała się teorią uniwersalną.

Najlepszym przykładem tego, że masa zamienia się w energię jest emitowanie przez Słońce energii w postaci promieniowania. Okazuje się, że w każdej sekundzie na skutek promieniowania Słońce traci ok. 4 tony swojej masy. Oczywiście w porównaniu z masą Słońca jest to drobinka, ale dla nas to wcale nie jest mało.

Skoro jednak masa może zamienić się w energię, to i odwrotnie – energia może się zamienić w masę. A więc masa może pojawić się jak ‚królik z kapelusza’ tam, gdzie wcześniej była wyłącznie energia. I to nie jest magia. Takie procesy zachodzą w akceleratorach cząstek, np. w CERN – Europejskim Laboratorium Fizyki Cząstek Elementarnych, gdzie elementy składowe atomów krążą wzdłuż podziemnego toru wyścigowego, a następnie zderzają się ze sobą z prędkościami zbliżonymi do prędkości światła. W wyniku zderzenia olbrzymia energia ruchu zamienia się w nowe cząstki, które fizycy próbują badać. W miejscu zderzenia te nowe cząstki pojawiają się pozornie z niczego, jak ‚króliki z kapelusza’.

A co z tą fizyką kwantową?  Teoria kwantowa, która powstała w wyniku prób wyjaśnienia i zrozumienia oddziaływania światła z materią, jest w poważnym stopniu niezgodna z całą nauką klasyczną. Mikroskopowy świat atomów i fotonów w niczym nie przypomina makroświata ludzi, zwierząt, drzew i planet. Obiekty mikroświata są miliony razy mniejsze od wszystkiego, co potrafimy dostrzec naszymi zmysłami.

W świecie atomów i fotonów obiekty nie zachowują się w identyczny sposób w identycznych okolicznościach. Słowo „identyczny” oznacza jedynie, że mają identyczną szansę, że zachowają się w pewien określony sposób.

Fizyka klasyczna jest oparta na pewności, natomiast teoria kwantowa jest oparta na niepewności. Jak powiedział Richard Feynman: „Fizyka przestała zajmować się przewidywaniem, co się zdarzy w określonych okolicznościach. Możemy jedynie przewidywać szanse”.

Nie wszystko jest jednak stracone. Gdyby mikroświat był całkowicie nieprzewidywalny, stanowiłby królestwo totalnego chaosu, ale nie jest aż tak źle. Zachowanie atomów i ich ziomków jest wprawdzie nieprzewidywalne, lecz okazuje się, że ta nieprzewidywalność jest przewidywalna 🙂

4

To tyle. Wiem, że nie wyczerpałam tematu, bo są to zagadnienia, którymi zajmują się odrębne działy fizyki, a poszczególni naukowcy specjalizują się w zagadnieniach o wąskim zakresie. W dzisiejszych czasach nie można być specjalistą od wszystkiego, a wykształcenie nas uczy, w jaki sposób szukać wiedzy, która w danym momencie nas interesuje czy jest nam potrzebna, rozumieć to, co czytamy i umieć z tej wiedzy skorzystać.

Reklamy