Transkrypt

1 3/27-W30 L.R. Jaroszewicz

2 W-30 (Jaroszewicz) 27 slajdów na podstawie wykładu inauguracyjnego A.D Ewolucja poglądu na czas i przestrzeń Wprowadzenie Teoria względności Mechanika kwantowa Teoria strun Podsumowanie

3 2/27-W30 L.R. Jaroszewicz Wprowadzenie Co niepokoi współczesną fizykę? teorii tych nie da się ze sobą pogodzić Nie jest możliwe zastosowanie do obu z tych teorii jednakowych narzędzi badawczych Współczesna fizyka Ogólna teoria względności w swej obecnej postaci OTW i MK nie mogą być jednocześnie prawdziwe Mechanika kwantowa zrozumienie Wszechświata w największej skali: gwiazd, galaktyk, przestrzeni całego kosmosu zrozumienie Wszechświata w najmniejszej skali: częstek i atomów, a nawet cząstek subatomowych - elektrony i kwarki

4 3/27-W30 L.R. Jaroszewicz Teoria względności I sprzeczność współczesnej fizyki -> szczególna teoria względności II sprzeczność współczesnej fizyki -> ogólna teoria względności obecny pogląd na czas i przestrzeń ń

5 4/27-W30 L.R. Jaroszewicz Szczególna teoria względności 1864 na podstawie doświadczeń M. Faraday a J. Clark-Maxwell podaje równania wiążące elektryczność i magnetyzm w jedną spójną teorię pola elektromagnetycznego. Światło zaburzenie elektromagnetyczne, zawsze przemieszcza się ze stałą prędkością c (doświadczenie Michelsona). Co się stanie gdy zaczniemy gonić promień świetlny z prędkością c? Z intuicji oraz praw ruchu Newtona światło wyda się stacjonarne. I sprzeczność współczesnej fizyki 1905 Annalen der Physik Elbert Einstein - rozwiązanie problemów po- przez podanie poprawnego zrozumienia jak widzą świat osoby poruszające się względem siebie - szczególnej teorii względności (STW): Postulaty: -prędkość światła jest wartością stałą, - zasada względności; wszelkie prawa fizyki - niezależnie od ich postaci w takim samym stopniu obowiązują każdego z obserwatorów poruszających się ze stałą prędkością,

6 5/27-W30 L.R. Jaroszewicz Względność czasu prędkość miara odległości, jaką pokonuje obiekt w danym przedziale czasu miara ilości przestrzeni znajdującej się między dwoma punktami czas jaki upływa między dwoma zdarzeniami - pojęcie trwania zdarzenia

7 6/27-W30 L.R. Jaroszewicz STW - dla układów pozostających w ruchu zarówno czas jak i przestrzeń są zależne od ich wzajemnej prędkości w układzie poruszającym się czas płynie wolniej, zaś obserwatorzy widzą poruszający się obiekt jako skrócony Zmiana naszego subiektywnego poglądu co do jednoczesności zdarzeń a co za tym idzie bezwzględnego pojęcia przestrzeni i czasu

8 7/27-W30 L.R. Jaroszewicz Ogólna teoria względności Teoria grawitacji I. Newtona (XVII w) - ciała wywierają na siebie siłę grawitacyjną określoną wyłącznie przez ich masy i odległość między nimi. Brak zależności czasowej => niezgodność z STW!!! II sprzeczność współczesnej fizyki [I.Newton Mathematical Principle of Natural Philosophy and His System of the World]: "Grawitację musi powodować jakiś czynnik działający stale zgodnie z pewnymi prawami: ale kwestię, czy jest on materialny, czy niematerialny, pozostawiam do rozważenia moim czytelnikom zasada równoważności Einsteina: dla ograniczonej przestrzeni zachodzi całkowita nierozróżnialność ruchu przyspieszonego oraz oddziaływania grawitacyjnego. Q Q=F

9 8/27-W30 L.R. Jaroszewicz 1912 [list A. Ensteina do Sommerfelda]: "pracuję teraz wyłącznie nad problemem grawitacji [...] Jedno jest pewne - nigdy w życiu aż tak się nie namęczyłem [...] W porównaniu z tym problemem pierwotna [szczególna] teoria względności to dziecinna igraszka". obwód / promień =2π obwód / promień >2π Wniosek - ruch przyspieszony powoduje zakrzywienie przestrzeni, a także zakrzywienie czasu (różne tempo jego upływu). A. Einstein - grawitacji i ruch przyspieszonego nie da się rozróżnić oraz ruch przyspieszony ma związek z zakrzywieniem czaso-przestrzeni OTW ogólna teoria względności: Grawitacja to zakrzywienie przestrzeni i czasu.

10 9/27-W30 L.R. Jaroszewicz Nasza czaso-przestrzeń Karl Schwarzschild (na ba-zie OTW) pokazuje, iż jeśli stosu-nek masy ciała do jej promienia jest większy od pewnej stałej to powstanie obiekt nazwany przez Johna Wheelera czarna dziura

11 10/27-W30 L.R. Jaroszewicz Mechanika kwantowa Stan wiedzy o materii i siłach, Opis mikroskopowy mechanika kwantowa

12 11/27-W30 L.R. Jaroszewicz Współczesny pogląd na materię i siłę lata 30 XXw - J.J. Thomson, E. Rutherford, N. Bohr, J. Chadwick - model atomu: jądro (proton + neutron) i rój krążących elektronów Centrum Akceleratora Liniowego (Stanford) rozbicie protonu i neutronu na: trzy mniejsze cząstki kwarki (M. Gell-Man na podstawie: Finnegan's Wake J.Joyce'a) - dolny i górny (proton - 2g+1d, neutron - 2d+1g). Wszystko, na Ziemi i niebie, składa się z kombinacji elektronów oraz kwarków dolnych i górnych. Żadne wyniki doświadczeń nie wskazują, aby któraś z tych trzech cząstek była zbudowana z czegoś jeszcze mniejszego. koniec lat 30 - badanie promieniowania kosmicznego daje mion - cząstkę podobną do elektronu ale 200 x cięższą. "Kto to zamawiał?" - I. I. Rabi. połowa lat 50 - F. Reines, C. Cowan - doświadczalnie znajdują neutrino, której istnienie w latach 30 przewidział W. Pauli. Zaawansowana technika dająca warunki które nie istniały od czasu Wielkiego Wybuchu - kolejne cząstki elementarne: kwarki -powabny, dziwny, spodni, wierz- chni, tau -kolejnycięższy kuzyn elektronu oraz neurtino mionowe i neutrino tau. Ponadto każda cząstka ma swoją antycząstkę - ta sama masa oraz przeciwne wartości innych cech, takich jak ładunek elektryczny.

13 12/27-W30 L.R. Jaroszewicz GENERACJA 1 cząstka masa elektron neutrino elektronowe <10E-8 kwark górny kwark dolny GENERACJA 2 cząstka masa mion 0.11 neutrino mionowe < kwark powabny 1.6 kwark dziwny 0.16 GENERACJA 3 cząstka masa tau 1.9 neutrino tau <0.033 kwark wierzchni 189 kwark spodni 5.2 I cecha - odpowiadające sobie rodzaje cząstek z różnych generacji mają identycz- ne właściwości z wyjątkiem masy, która w kolejnej generacji jest większa. II cecha - struktura materii na poziomie 10E-18 m (jedna miliardowa miliardowej) składa się z pewnej kombinacji cząstek należących do jednej z generacji oraz ich antycząstek Oddziaływanie Cząstka przenosząca Masa Natężenie grawitacyjne elektromagnetyczne silne słabe grawiton foton gluon słabe bozony pośredniczące ;97 10E E 3 słabe słabe bozony pośredniczące 86;97 10E-3 I cecha - na poziomie mikroskopowym każda z sił ma swoją cząstkę, wyobrażaną jako maleńka porcja siły: foton, gluon, słabe bezony pośredniczące (do 1984 potwierdzono ich istnienie oraz ściśle określono ich właściwości - także grawitonu). II cecha - pewna ilość "ładunku" w którą jest wyposażona cząstka decyduje o tym jaki wpływ wywierana nią dane oddziaływanie; grawitacja - masa, elektromagnetyczne - ładunek elektryczny, ilość ładunku "silnego"/"słabego" - oddziaływanie silne/słabe

14 13/27-W30 L.R. Jaroszewicz MK miniaturowa niezwykłość 1900 Planck - energia niesiona przez fale elm występuje w swoistych porcjach; ; minimalna energia fali jest proporcjonalna p do jej jczęstości ę h=6,69x10e-27 g cm2/s A.Einsteinwyjaśnia efekt fotoelektryczny zewnętrzny; przedstawiony przez Pancka obraz energii fal dotyczy takżeopisuświatła -zbiór fotonów (G. Lewis) każdy o energii proporcjonalnej do częstości fali L. de Broglie na bazie STW wyraził hipotezę, że dualizm korpuskularno-falowy odnosi się nie tylko do światłaaletakżei do materii ( C. Davisson, L. Germer) matematycznerównanie (E. Schrödinger) -faletesą 'rozmytymi' elektronami M. Born wzbogaca TK o jedną z najbardziej niezwykłych właściwości - jej probabilityczny charakter. Skoro materia ma falową naturę, jej najbardziej podstawowy poziom trzeba opisywać w sposób probabilistyczny.

15 14/27-W30 L.R. Jaroszewicz W. Heisenberg zasada nieoznaczoności mówiąca o skończonej (rzędu stałej Plancka) precyzji wyznaczenia pewnych par wielkości: - precyzyjne wyznaczenie energii oznacza wydłużenie czasu pomiaru nie da się dokładnie określić energii jaką ma cząstka w danej chwili, -większa precyzja pomiaru położenia oznacza większy błąd w wyznaczeniu prędkości. Sedno mechaniki kwantowej: właściwości świata; np. to, że przedmioty mają dokładnie określone położenie i prędkości, a w poszczególnych momentach odznaczają się pewnymi energiami - należy postrzegać wyłącznie jako skutek tego, iż wartość stałej Plancka jest niezwykle mała w porównaniu ze skalami codziennego życia. [Richard Feynman Charakter praw fizycznych 1965]: Kiedyś dziennikarze wymyślili, że tylko dwunastu ludzi na świecie rozumie teorię względności. Nie wierzę w tę rewelację. Natomiast kiedyś było tak,że znał ją tylko jeden człowiek, ten, który ją odkrył, lecz jeszcze nie opublikował swej pracy. Gdy jednak ludzie przeczytali jego artykuł, wielu z nich w ten czy w inny sposób zrozumiało teorię względności. Z pewnością było ich więcej niż dwunastu. Z drugiej strony, sądzę, że mogę bezpiecznie stwierdzić, iż nikt nie rozumie mechaniki kwantowej.

16 15/27-W30 L.R. Jaroszewicz Model standardowy III sprzeczność współczesnej fizyki 1930/40 -P.Dirac,W.Pauli,J.Schwinger,R.Feynman,...,poszukiwaniastrukturymatematycznej dla opisu kwantowej niesforności -> konieczność włączenia do opisu Schrö- dingera STW, gdyż ż aktywność na mikro-skopowym k poziomie i wymaga zaakceptowania faktu, że energiaprzejawiasię na wiele różnych sposobów (równowartość energii i masy), początkowo elektrodynamika kwantowa -> kwantowa teoria pola (KTP). lata 60/70 - próba kwantowomechanicznego wyjaśnienia pozostałych oddziaływań (słabego, silnego i grawitacyjnego) -> teoria/model standardowy (TS/MS) - teoria trzech niegrawitacyjnych sił wraz z trzema generacjami cząstek materii. Ale bez grawitacji!!!! Dla cząstek punktowych ujawnia się ostra sprzeczność pomiędzy MK (możliwość prze- widywania i ograniczona do stwierdzenia, i iż dany wynik otrzymamy z określonym prawdopodobieństwem) a OTW (łagodne zakrzywienie czasoprzestrzeni spowodowane przez masy) - w obliczeniach otrzymuje się prawdopodobieństwo równe nieskończoności. III sprzeczność współczesnej fizyki

17 16/27-W30 L.R. Jaroszewicz Teoria strun historia teorii strun w zarysie zasadnicza koncepcja przestrzeń w teorii strun

18 17/27-W30 L.R. Jaroszewicz Historia strun w zarysie G. Veneziano (CERN) zastosowuje funkcję beta Eulera do opisu właściwości oddziałujących silnie cząstek Y. Nambu (Uniw. Chicago), H. Nielsen i L. Susskind (Uniw. Stanforda) odkryli zasady fizyczne kryjące się za f. Eulera. Jeśli cz. el. traktować jako małe, wibrujące, jednowymiarowe struny, to f. Eulera opisuje ich oddziaływanie jądrowe. Gdy są one dostatecznie małe to nadal wyglądałyby jak cząstki punktowe co zgadzałoby sie z eksperymentem. materia atomy elektrony proton, neutron kwark struna - drgajacą 'wewnętrzna' pętla, której drgania rezonansowe wyznaczają podstawowe właściwości cz. el. -ich masę oraz różne ładunki. W rozmiarach przestrzennych struny mieści się dokładkładnie całkowita liczba grzbietów i dolin im gwałtowniejsze są drgania, tym więcej mają energii. struna

19 18/27-W30 L.R. Jaroszewicz Teoria strun, ze względu na rozciągłość przestrzenną struny, łagodzi gwałtowne fluktuacje kwantowe, rozmywając właściwości przestrzeni na małych odległościach. Początek lat 70 - powstaje KTP a TS uważana jest za błędną, gdyż daje zbyt dużo możliwości (zawodzi w zakresie oddziaływań silnych - w pewnych wypadkach daje ujemna wartość pdp.) J. Schwarz, J.l Scherk badając drgania strun przypominające cząstki pośredniczące stwierdzają, że mają one cechy grawitonu. A zatem TS to nie tylko teoria oddziaływania silnego ale również teoria kwantowa obejmująca także grawitację. Jednakże nadal pozostaje duży sceptytyzm bo pod koniec lat 70 wykazano na pewne sprzeczności TS i MK M. Green i J. Schwarz prezentują wyniki prac nad TS pokazujące rozwiązanie sprzeczności kwantowej oraz wykazują, iż powstała teoria obejmuje wszyst- kie cztery siły oraz całą materię I rewolucja superstrunowa. Powstające prace pokazują jednoznacz- cznie, iż wiele cech MS w naturalny i prosty sposób pojawia się w strukturze TS. Co więcej TS daje dużo pełniejsze i bardziej satysfakcjonujące ich wyjaśnienia E. Witten przedstawia, plan dalszych działań traktowany jako początek II rewolucji superstrunowej prowadzącej poprzez spojrzenie na V odrębnych wersji TS (typu: I, IIA, IIB, heterotycznej-o i heterotycznej-e) jako jednej M-Teorii (mysterious) do ostatecznego celu czyli TO. III SWF rozwiązana poprzez TS ale -> zmiana poglądów co do liczby wymiarów Wszechświata!!!.

20 19/27-W30 L.R. Jaroszewicz Przestrzeń w teorii strun Theodor Kaluza (Uniw. w Królewcu) - Wszechświat ma więcej niż trzy wymiary => ścisła zależność pomiędzy grawitacją a siłą elektromag. Wówczas z OTW => grawitację przenoszą zaburzenia w znanych trzech wymiarach przestrzennych, zaś elm propaguje się dzięki zniekształceniom w nowym czwartym wymiarze A. Einstein [za A.Pais: Pan Bóg jest wyrafinowany..] odpisał, iż nigdy nie wpadł na pomysł by uzyskać unifikację poprzez wprowadzenie "pięcio-wymiarowego, cylindrycznego świata. [...], na pierwszy rzut oka Pański pomysł niezmiernie mi się podoba." A.Einsteina [za D.Freedman, Scien. Am., 252 (1985), 62] "Przeczytałem dokładnie Pański artykuł i stwierdzam, że jest naprawdę interesujący. Na razie nie znalazłem w nim nic niemożliwego. Z drugiej strony, muszę przyznać, że przytoczone argumenty nie są dość przekonujące" [jak wyżej] "Zastanawiam się ponownie, czy słusznie zniechęciłem Pana dwa lata temu do publikacji Pańskiego artykułu, zawierającego pomysł na połączenie grawitacji z elektrycznością. [...]. Jeśli Pan sobie życzy, ostatecznie jestem skłonny przedstawić Pańską pracę Akademii."

21 20/27-W30 L.R. Jaroszewicz Oskar Klein - struktura przestrzenna naszego Wszechświata ma prawdopodobnie zarówno rozciągłe jak i zwinięte wymiary teoria Kaluzy-Kleina Kleina z której wynika (MK), iż dodatkowy kołowy wymiar jest tak mały jak długość Pancka, a więc znacznie mniejszy niż skale dostępne doświadczalnie.

22 21/27-W30 L.R. Jaroszewicz Likwidacja powstającego w obliczeniach TS zjawiska ujemnego pdp (co było podstawą odrzucenia teorii strun w latach 70-tych) wymaga większej liczby wymiarów przestrzennych, które muszą być zwinięte do bardzo małych rozmiarów, skoro nigdy ich nie widzieliśmy. Ich geometryczne rozmiary oraz kształty w dużej mierze określają drgania strun P. Candelas (Uniwersytet Teksas), G. Horowitz, A. Strominger (Uniwersytet Kalifornia), E. Witten udowodnili, że warunki te spełnia szczególna klasa sześciowymiarowych kształtów geometrycznych tak zwanych przestrzeni Calabiego-Yau Yau.

23 22/27-W30 L.R. Jaroszewicz Prawdziwość teorii strun W TS samo sformułowanie równań jest tak skomplikowane, że istnieją tylko przy- bliżone ich wersje (ograniczenie znajdowania przybliżonych rozwiązań przybliżonych równań) - uzyskane wyniki nie pozwalają znaleźć odpowiedzi na kilka zasadniczych pytań!!! EKSPERYMENT JAKO NARZĘDZIE ZBRODNI Strun nie widać - długość Planka jest ~17 rzędów mniejsza niż obecne badane skale, zatem aby dojrzeć poszczególne struny, potrzeba by akceleratora wielkości galaktyki. Poszukiwanie dowodów pośrednich: 1) wmsuznajesię neutrina jako cząstki bezmasowe, jeśli tak nie jest to tylko TS obecnie może dostarczyć takiej interpretacji wyniku doświadczeń, 2) wmsistnieją pewne procesy zakazane, które dopuszcza TS np. rozpad protonu, czy też możliwe przemiany irozpady różnych kombinacji kwarków, 3) dla pewnych kształtów Calabiego-Yau istnieją szczególne wzory drgań struny, które wprowadzają nowe, dalekozasięgowe pola sił. Ich eksperymentalne odkrycie byłoby potwierdzeniem TS, 4) kwestia stałej kosmologicznej (Einsteina dla uzyskania stacjonarności Wszechświata - traktowanej obecnie jako rodzaj całkowitej energii zmagazynowanej w próżni). Obecne wyniki teoretyczne dają rozbieżność z eksperymentem o 120 rzędów. Jeśli TS da lepszy wynik to jest to kolejna możliwość potwierdzenia jej słuszności.

24 23/27-W30 L.R. Jaroszewicz Przeciw teorii strun i "Odnoszę wrażenie ż -chociaż ż mogę się mylić - że tę pieczeń ń da się przyrządzić na wiele sposobów. Nie sądzę, aby istniała tylko jedna metoda pozbycia się nieskończoności. Fakt, że teorii udaje się wyeliminować nieskończoność, według mnie nie wystarcza, aby uwierzyć wjej unikalność." R. Feynman [P. Davies, J. Brown (red.) Superstrings: A theory of Everything? Cambridge University Press, Cambridge 1988] "Teoria strun ma na tyle duże ambicje, że może być albo całkowicie poprawna, albo zupełnie błędna. Jedyny problem polega na tym, żejej matematyka odznacza sięę takąą za- wiłością, iż jeszcze przez dziesięciolecia ę nie dowiemy sie, która ztych ewentualności jest prawdziwa." S. Glashow [A. Zichichi (red.) The Superworld, Plenum, New York 1990, 250]

25 24/27-W30 L.R. Jaroszewicz Za teorią strun "My My, teoretycy nie zajmujący się strunami, nie dokonaliśmy w ostatnim dziesięcioleciu żad- nego postępu. A więc argument, że teoria strun to jedyne rozwiązanie, staje się coraz poważniejszy. Istnieją pytania, na które nie da się odpowiedzieć w ramach standardowej KTP. To jasne. Trzeba rozwiązać te zagadki w inny sposób, a jedyna metoda, jaką znam, polega na zastosowaniu teorii strun." S. Glashow [wywiad z wg. B. Greene The Elegant Universe, W.W. Norton &Company, New York 1999, 214] "Wcześniej wycieczkę ku wierzchołkowi natury prowadzili eksperymentatorzy. Leniwi teoretycy szli ztyłu. Co jakiś czas fizycy doświadczalni rzucali w dół kamień, który odbijał się od naszych głów. W końcu ń wpadliśmyś na pomysł i podążyliśmyś szlakiem przetartym przez eksperymentatorów. Gdy doganialiśmy przyjaciół, opisywaliśmy im, jaki rozciąga się stamtąd widok, i wyjaśnialiśmy, jak się tam dostali. Oto stary, łatwy (przynajmniej dla teoretyków) sposób wspinania się na górę. Wszyscy tęsknimy za tamtymi czasami. A teraz my, teoretycy, musimy stanąć na czele wyprawy. W takich zmaganiach jesteśmy znacznie bardziej osamotnieni. D. Gross [R. Kotthaus (red) Superstrings and Unification. 24 Int.. Conf. on High Energy Physics. Springer-Verlag, Berlin 1988, 329]

26 26/27-W30 L.R. Jaroszewicz Zakończenie

27 3/27-W30 L.R. Jaroszewicz