ASPress - czasopisma pedagogiczne


ARCHIWUM WYDAŃ CYFROWYCH


Zbiór 52 felietonów poświęconych współczesnej Polsce, Polakom, polityce, roli telewizji i mediów we współczesnym świecie, globalizacji i konsekwencji wynikającej z naszego otwarcia na świat.
Wydanie w postaci pliku PDF
Cena 10 zł.
Zamów


Książka o podróżach, poznawaniu, odkrywaniu i podbijaniu świata, o pokonywaniu kolejnych horyzontów ludzkiego rozwoju. Ludzie wędrują od wieków, zawsze chcieli zobaczyć, co jest za kolejną rzeką, górą, morzem, za nowym horyzontem. Ta wędrówka pozwoliła najpierw poznać naszą planetę, a dziś już zaprowadziła człowieka poza granice Układu Słonecznego. Kim są ci, którzy zmieniają historię świata? Dlaczego Krzysztof Kolumb odkrył Amerykę, a Mikołaj Kopernik „poruszył” Ziemię?
Wydanie w postaci pliku PDF.
Cena 10 zł.
Zamów

Wydanie drukowane



Historia powstania  * Dane techniczne * Słynne rajdy * Rozwiązania konstrukcyjne

Pierwszy pojazd z napędem na obie osie skonstruowano w 1824 r. a więc ponad pól wieku wcześniej od samochódu. Jednak dopiero wojskowi amerykańskiej armii jako pierwsi chcieli mieć pojazd, który pojedzie każdą drogą, pokona głębokie rowy  i wyposażony będzie we wciągarkę, tak by mógł poruszać się w każdym terenie.
Cena 10 zł.
Zamów

Wydania specjalne "Geografii w Szkole"

2011

2010

2009

2008


Zamów


Ebooki 


Więcej

Rozwój fizyki

Czy istnieje teoria, która spaja wszystkie zjawiska Wszechświata?

 
Rozwój fizyki zaczął się już w starożytności, ale zdecydowanie nie był to okres jej rozkwitu. Starożytni Grecy opierali swoją wiedzę fizyczną na obserwacji i rozmyślaniu. Właściwie obce było im przeprowadzanie doświadczeń i pomiarów. Fizyka starożytna miała więc charakter racjonalny, rozumowy. Ówcześni Grecy byli przekonani, że całą prawdę o przyrodzie można poznać za pomocą umysłu, wyciągając logiczne wnioski z tego, co się widzi. Ich osiągnięcia wskazują wyraźnie, że to za mało (…)
Być może to spojrzenie na fizykę starożytną jest zbyt krytyczne. Trzeba więc podkreślić, że początki są trudne i czasy, w których działali starożytni Grecy, całkowicie ich usprawiedliwiają. Było po prostu za wcześnie na eksperymenty, które często wymagają rozwiązań technicznych, których Grecy nie znali. Poza tym trzeba oddać im honor, bo myśl grecka o tym, że istnieje w przyrodzie jakieś arche (coś prostego i trwającego niezmiennie mimo całej jej różnorodności i nieustających w niej przemian), była tropem bardzo trafnym i – jak na tamte czasy – wręcz genialnym. 
Ta grecka idea dotyczyła przede wszystkim jedności składników w różnorodności. Wszystko da się sprowadzić do podstawowych składników lub składnika, np. Tales uważał, że wszystko składa się z wody, Empedokles – z czterech żywiołów, a Demokryt – z atomów. Nastąpiło tu więc odarcie różniących się rzeczy z różnych sposobów ich budowy i dostrzeżenie, że istnieje coś, co mają one wszystkie: podstawowe składniki. Tak jak różne domy mogą być zbudowane z tych samych typów cegieł.
Jeżeli dostrzegamy w całej klasie różniących się konkretnych rzeczy pewną ich część wspólną, to dokonujemy operacji abstrahowania. Na przykład książki różnią się kształtem, kolorem, okładką, treścią, liczbą stron, ale wszystkie są książkami. Abstrakcję otrzymujemy więc wtedy, gdy pominiemy to, czym one się różnią, a zostawimy to, co mają wspólne. Każda książka ma określony kolor, kształt, okładkę, treść i liczbę stron. I służy do czytania. Konkretne wartości abstrakcyjnych pojęć (kolor, kształt, okładka, treść i liczba stron) różnicują książki, sprawiając, że są one oddzielnymi, określonymi bytami. Ale mimo tego, że konkretnie się różnią (te konkretne wartości można pominąć), abstrakcyjnie są tym samym – są książkami. Pojęcie książki je spaja.
I to właśnie ta idea, mówiąca o istnieniu wspólnej abstrakcji w ogromnej różnorodności konkretnych bytów przyrody, jest najważniejszą spuścizną fizyki starożytnej.
 
Fundamenty fizyki nowożytnej
Dzisiaj wiemy już, że istnieje w przyrodzie nie tylko jedność składników, którymi są cząstki elementarne (otaczający nas świat budują elektrony i dwa rodzaje kwarków), lecz także jedność praw. Dla szerokiej klasy zjawisk można znaleźć wspólny schemat, zgodnie z którym te zjawiska zachodzą. Schemat ten pokazuje zależność między wielkościami, które możemy zmierzyć, i jest wyrażony za pomocą wzoru matematycznego. Ma on charakter ogólny (nie dla pojedynczego zjawiska, lecz dla szerokiej ich klasy) i ścisły. Zależność między wielkościami jest jednoznaczna i dokładna. Nie ma w niej miejsca na wyrażenia: z reguły, chyba, około. Ogólność i ścisłość praw to cecha charakterystyczna fizyki. Takie są prawa podstawowe, a właśnie nimi zajmuje się fizyka. Jeśli znamy wartości (n-1) wielkości występujących w otrzymanym wzorze, możemy wyznaczyć wartość pozostałej wielkości za pomocą naszego wzoru (schematu, „przepisu”), czyli teoretycznie, bez dokonywania jej pomiaru.
 
Fizykę nowożytną zapoczątkował niewątpliwie Galileusz. Jego zasługi trudno przecenić, są one ogromne jak na czasy, w których żył. Galileusz stwierdził, że siedzenie i dumanie daleko nas nie zaprowadzi. Trzeba wykonywać eksperymenty, poprzez które zadaje się przyrodzie ścisłe pytania i otrzymuje konkretne odpowiedzi w postaci danych liczbowych z pomiarów. Potem w tych danych należy dostrzec prawidłowości i ujmować je ściśle w języku matematyki. Galileusz zdecydowanie odrzucał orzekanie z góry (ustalanie), jak jest. Był przekonany, że przez doświadczenia trzeba obiektywnie sprawdzać, jak jest.
Metoda ta, zwana metodą eksperymentalno-matematyczną, jest zaskakująco nowatorska, aktualna po dziś dzień i świadczy o geniuszu tego włoskiego naukowca.
Ogromny rozwój fizyki nowożytnej zawdzięczamy temu, że w przeciwieństwie do starożytnej ma ona charakter empiryczny, czyli ważną rolę przypisuje eksperymentowi.
Spójrzmy teraz na wzór prawa powszechnego ciążenia Newtona:
F = G m1 m2 / r2.
Widzimy, że we wzorze tym występują wielkości stałe (stała grawitacyjna G, której wartość wystarczy zmierzyć tylko raz) i zmienne (siła F, masy m1 i m2 oraz ich wzajemna odległość r).
Mimo niesamowitej liczby i różnorodności zjawisk grawitacyjnych we Wszechświecie, różnych mas, odległości i różnych wartości sił przyciągania grawitacyjnego istnieje pewien stały, wspólny schemat (prawie doskonały) pokazujący taką zależność między nimi, która nie jest przypadkowa i różna dla każdego konkretnego zjawiska, ale jest jedna i na dodatek ścisła. To znaczy, że mimo różnych mas i odległości, jakie możemy podstawić w miejsce symboli zmiennych we wzorze, sposób liczenia siły przyciągania jest zawsze taki sam i tylko jeden. Notabene symbole m1, m2 i r też są abstrakcyjne, bo znaczą tylko tyle, że w ich miejsce występuje jakakolwiek masa i odległość, a nie jedna, określona. Spajają one wszystkie konkretne masy i odległości.
Prawo fizyki jest więc ścisłym uchwyceniem zależności między mierzonymi wielkościami, bez względu na to, jakie są ich konkretne wartości.
Jest to niezwykle ciekawe i poniekąd bardzo dobrze, że przyroda taka jest, że możemy ogrom zjawisk danej klasy sprowadzać do jednej, stałej abstrakcji. Co by było, gdyby prawa fizyki zmieniały się w czasie lub były zupełnie przypadkowe? Wtedy doświadczenia nad jakimiś zjawiskami nie mogłyby zostać użyte do przewidywań wyników innych zjawisk z tej klasy.
Teoria musi być dobrze potwierdzona, czyli jej przewidywania muszą być wielokrotnie wypróbowane z pozytywnym skutkiem. Zgodnie z nurtem falsyfikacjonizmu nigdy nie jesteśmy pewni, czy teoria jest poprawna, ale jeśli jest dobrze potwierdzona, to jest to bardzo prawdopodobne.
Równania takiej teorii są gotowym przepisem na teoretyczne przewidywanie, że coś będzie miało ściśle określoną wartość. Dzięki nim nie musimy za każdym razem sprawdzać tego eksperymentalnie. Gdyby takie niezmienne abstrakcje w przyrodzie nie istniały, to pracując nad każdym oddzielnym zjawiskiem, musielibyśmy od nowa konstruować wszystkie potrzebne nam prawa i byłyby one za każdym razem doraźne. Z pewnością byłoby to niezmiernie uciążliwe i frustrujące. Zastanawiające jest to, czy Wszechświat musiał być taki „sprowadzalny do abstrakcji”, czy może istnieją wszechświaty, w których zjawiska przebiegają bez regularności, które dałoby się uchwycić.
 
Rozgrywki trwające 400 lat
Aby lepiej zobrazować istnienie stałej abstrakcji w różnorodności, weźmy przykład meczów piłkarskich. Każdy mecz jest niepowtarzalny, bo liczba możliwości rozegrania meczu jest kosmicznie duża. Nawet gdy dwie te same drużyny zagrają ponownie, mecz będzie inny. Mimo to istnieje coś wspólnego dla nich wszystkich. Otóż wszystkie one przebiegają według pewnego prawa. To prawo to przepisy gry w football, jej reguły. Jeśli będziemy oglądać mecze piłkarskie, to będziemy w stanie to prawo wyabstrahować. Musimy obejrzeć wystarczająco dużo meczów, by skompletować całe prawo, które możemy nazwać tu prawem ostatecznym (kompletne reguły gry). Nie w każdym meczu może na przykład wystąpić rzut karny, czerwona kartka itd.
W fizyce jest podobnie, z tym że różnorodność jest większa niż w przypadku podobnych (mimo wszystko) meczów i abstrahowanie nie jest takie proste. Od czasów Galileusza, czyli od około 400 lat, fizycy badają klasy zjawisk, wyciągając z nich abstrakcyjne prawa cząstkowe. Dziś dysponujemy właściwie trzema takimi „prawami”: ogólną teorią względności (dotyczącą zjawisk grawitacyjnych), teorią elektrosłabą (opisującą oddziaływania elektromagnetyczne i słabe) oraz chromodynamiką kwantową (traktującą o oddziaływaniu silnym). W przypadku gry w piłkę nożną reguł jest sporo i nie zawierają się w jednym zdaniu, ale w fizyce niewykluczone, że istnieje tylko jedno równanie, jedna abstrakcja, która spaja wszystkie zjawiska Wszechświata. Stanowiłaby ona matematyczną postać teorii ostatecznej (czyli teorii wszystkiego, TW, ang. theory of everything, TOE). Jak na razie tej teorii nie ma, ale trwają intensywne jej poszukiwania.
Nie jest również wykluczone, że nasze umysły nie są dostosowane do całkowitego poznania Wszechświata. Być może są skonstruowane tak, że teorii ostatecznej nie są w stanie sformułować i na zawsze pozostanie ona poza naszym zasięgiem. Uważam, że nasz mózg może to zrobić, ale dziś musi mieć dane doświadczalne (oczywiście). Jeśli dane te można zebrać tylko w akceleratorach bardzo wysokiej energii, których przewidywana wielkość byłaby taka jak obwód galaktyki, to trzeba będzie czekać kilkaset lat. Gorzej, jeśli do postępu technologicznego, prowadzącego do zbudowania takiego akceleratora, niezbędna jest znajomość TW. Wówczas jesteśmy jak pies goniący własny ogon, drepczący w jednym miejscu. Z takiej stagnacji mógłby nas wydobyć tylko błysk geniuszu lub przypadkowe natrafienie na prawidłową teorię. Teoria wszystkiego może być bowiem bardzo specyficzna albo może być jedną z wielu w szerokiej klasie teorii. W obydwu wypadkach przypadkowe jej znalezienie byłoby mało prawdopodobne i pomóc mógłby tu szczęśliwy traf.
 
Model standardowy na bezrybiu
Model standardowy, sformułowany w latach 70. XX wieku, to najlepsza jak na razie teoria oddziaływań elektromagnetycznych, słabych i silnych. Został on napisany w języku mechaniki kwantowej. Właściwie składa się z równań dwóch teorii bardzo luźno i sztucznie ze sobą powiązanych: teorii elektrosłabej i chromodynamiki kwantowej. Daje on zadowalające przewidywania odnośnie do wszystkich zjawisk w świecie cząstek elementarnych. W mikroświecie grawitacja, której on nie ujmuje, nie odgrywa żadnej roli, bo jest 1042 razy słabsza niż siła elektromagnetyczna (dla dwóch elektronów).
Są próby lepszego scalenia modelu standardowego w postaci teorii GUT (ang. grand unified theories), ale nie doczekały się one pomyślnego testu eksperymentalnego. Przewidują one mgliście pewną przewagę materii nad antymaterią, więc należy je dalej rozwijać.
Wadą modelu standardowego jest nie tylko brak pełnego scalenia (unifikacji) i nieujmowanie grawitacji. Jest on ponadto skomplikowany, nieelegancki i zawiera 25 swobodnych parametrów, których wartość wyznacza się doświadczalnie i dzięki którym teoria funkcjonuje. Te parametry to m.in. masy cząstek elementarnych oraz natężenia oddziaływań. Jest to trochę sztuczne, bo chciałoby się, aby wartości tych parametrów wynikały z teorii, zwłaszcza że są one bardzo ważne i fundamentalne.
Model standardowy w pełni zasługuje więc na miano teorii barokowej (termin ten ukuł Alan Guth) i z pewnością nie jest to ostatnie słowo fizyki, tylko przejściowy twór funkcjonujący, dopóki nie znajdzie się lepszy. Kontrastuje on niestety z ideałem 6P teorii, według którego powinna być ona: piękna, prosta, prawdziwa (być nie do obalenia), pełna (ujmować wszystko), praktyczna i płodna (dawać przewidywania). Model standardowy nie jest ani prosty, ani pełny, ani piękny.
 
Dziecinnie proste pytania
Oto lista 11 pytań, na które wszystkie skonstruowane dotychczas teorie fizyczne nie udzielają satysfakcjonującej odpowiedzi:
Dlaczego Wszechświat się zaczął?
Dlaczego powstała materia?
Czym jest materia?
Czym materia różni się od próżni?
Dlaczego we Wszechświecie materii jest tyle, ile jest?
Dlaczego prawa fizyki są właśnie takie, jakie są?
Dlaczego istnieją tylko trzy generacje cząstek elementarnych?
Dlaczego obserwujemy właśnie takie wartości mas i ładunków cząstek elementarnych?
Czego przejawem są cztery podstawowe siły przyrody?
Dlaczego są akurat cztery podstawowe siły przyrody?
Dlaczego stałe: G (grawitacyjna), h (stała Plancka), c (prędkość światła) mają takie wartości (przy danych jednostkach)?
Są to pytania proste i podstawowe. I niezwykle ciekawe. Z pewnością odpowiedź na nie będzie największym osiągnięciem fizyki. Niewątpliwie TW będzie musiała umieć na nie odpowiedzieć, jeśli będzie chciała być teorią z prawdziwego zdarzenia (…)
 
Więcej przeczytacie w artykule Macieja Panczykowskiego „Rozwój fizyki” w najnowszym wydaniu (3/2016) „Fizyki w Szkole”