Nauki przyrodnicze
MENU
STRONA GŁÓWNA
Przyroda polska
Zdjęcia natury
Fizyka teoretyczna
Biologia teoretyczna
Biochemia
Biologia molekularna
Ornitologia
Rośliny Polski
Botanika
Zoologia
Internetowe ZOO
Związki czynne roślin
Pierwiastki
chemiczne
Chemia nieorg.
Chemia organiczna
Ciekawostki
biologiczne
Ciekawostki
fizyczne
Ciekawostki
chemiczne
Ciekawe książki
Ciekawe strony www
Słownik

INFO
INFO O AUTORZE
KONTAKT

Do działu: FIZYKA TEORETYCZNA →

Czy fizyka klasyczna powróci ?

W niniejszym artykule przedstawiam popularnie wyniki badań jednego z najwybitniejszych polskich fizyków – Michała Gryzińskiego. Są one sprzeczne z powszechnie przyjętym obrazem natury, kreowanym przez rozreklamowany i bezkrytycznie już akceptowany twór, zwany mechaniką kwantową.

Rewolucyjność, wywrotowość wyników Gryzińskiego należy jednak traktować poważnie. Nie był on hochsztaplerem, domorosłym fizykiem próbującym na siłę zrobić naukową rewolucję, a przy okazji – zyskać rozgłos. Był to fizyk wielkiego formatu, którego cechowała silna więź z teorią i z eksperymentem. Mając wyniki własnoręcznie przeprowadzonych doświadczeń oraz rozumując logicznie i uczciwie (czyli niczego nie ukrywając), Gryziński dochodzi do wniosku, że do mikroświata można stosować prawa fizyki klasycznej.

Najpierw pomówmy krótko o mechanice kwantowej. Fundamenty tej teorii tworzone były w latach 20-tych XX wieku przez zachodnioeuropejskich fizyków-pozytywistów. Czym jest pozytywizm w fizyce ?

Gdy pozytywista buduje model matematyczny zjawiska, to nie zastanawia się czy obiekty matematyczne modelu odzwierciedlają te w świecie rzeczywistym. Ważne jest tylko to, czy byty te pozwalają pomyślnie i ilościowo przewidzieć wartości wielkości mierzonych w eksperymencie. Mamy tu po prostu do czynienia z instrumentalizmem matematycznym.

W mechanice kwantowej istnieje właśnie taki wydumany formalizm matematyczny, który pozwala dokonać obliczeń zgodnych z wynikami doświadczalnymi. Problem tylko w tym, że interpretacja filozoficzna (czyli po prostu rozumienie) tej teorii i jej bytów matematycznych (jak np. funkcji falowej) jest skrajnie trudne, jeśli nie niemożliwe. A jest tak właśnie dlatego, że byty te, mimo że zapewniają skuteczny, matematyczny hokus-pokus, nie odzwierciedlają niczego rzeczywistego. Czy cząstka, której teoria przypisuje funkcję falową jest falą?

Gryziński jest pewien, że teoria może zawierać tylko byty mające odbicie w rzeczywistości i być logiczna, a przez to prosta w rozumieniu. I taką teorią fizyczną, zdaniem tego znakomitego naukowca, jest fizyka klasyczna.

Weźmy słynny eksperyment z dwiema szczelinami. Czy cząstka może (musi) być reprezentowana przez falę, skoro obraz interferencyjny powstaje punkt po punkcie, a próby mierzenia jej położenia zawsze lokalizują ją jako cząstkę ?

Gryziński uważa, że wszelkie cząstki elementarne mają wyłącznie charakter korpuskularny, a byt matematyczny – funkcję falową można w jej interpretacji spokojnie odrzucić jako zbędną i mylącą. W eksperymencie z dwiema szczelinami przyjęto, że cząstka ma właściwości falowe tylko dlatego, że gdy nie śledzić jej drogi, to powstaje obraz interferencyjny sugerujący, że "jest" ona w obydwu szczelinach. A skoro tak, to jest ona rozciągła i nie może być tylko cząstką, więc musi być też falą (dualizm).

Gryziński zwraca jednak uwagę, że szczelina nie jest jedynie znakiem na papierze. Ma ona swoją strukturę. Budują ją atomy wraz z odpowiednio rozłożonymi ładunkami elektrycznymi. I tutaj dochodzimy do ważnego, wyjściowego postulatu:

Każda fala jest oscylacją, ale nie każda oscylacja jest falą.

Chodzi o to, że fala to ruch tylko stanu materii, a cząstka to materia, która porusza się i może przy tym oscylować. Nie znamy budowy cząstek elementarnych, ale możemy założyć, że składa się ona z oscylujących pól (i wtedy otrzymamy sensowne wyniki). I to właśnie te pola, oddziałując z ładunkami atomów szczeliny, powodują (w zależności od fazy drgania) wybrane zakresy zmiany kierunku cząstki w szczelinie. I wtedy cząstka padałaby na pewne obszary ekranu, a na inne – nie, co tworzyłoby stopniowo obraz interferencyjny.

Najważniejsze w tym modelu wyjaśniającym jest to, że możemy dokładnie zrozumieć co się dzieje, a nie powoływać się na mglisty byt – funkcję falową, który ma absurdalne cechy, ale magicznie daje dobre przewidywanie. Cząstki są zawsze cząstkami, ale nie wolno pomijać struktury: ich i szczeliny, a takowe struktury na pewno istnieją.

Gryziński nie omieszkał zaatakować centralnego równania mechaniki kwantowej – równania Schrödingera. Jest to równanie różniczkowe, którego rozwiązaniem jest funkcja falowa. Oto ono (dla jednego wymiaru):

-(ħ2/2m)(∂2Ψ/∂x2) = iħ ∂Ψ/∂t

Po jednej jego stronie mamy pochodną po współrzędnej przestrzennej, a po drugiej – pochodną po czasie. Cały problem z interpretacją tego równania i jego rozwiązania. Skoro cząstki nigdy nie są falami, to co przedstawia równanie wiążące zmiany "czegoś" w czasie ze zmianami w przestrzeni? Czas przedstawić następny postulat Gryzińskiego:

Przemieszczeniu się cząstki zawsze towarzyszy ruch precesyjny jej osi spinowej (translacyjna precesja).

Przypominam na marginesie, że precesja to taki ruch, jaki wykonuje bąk, a spin to wewnętrzny moment pędu cząstki związany z jej obrotem wokół własnej osi. To właśnie ta oś dokonuje precesji.

Na tym etapie możemy zauważyć, że równanie Schrödingera może odzwierciedlać nierozerwalny związek ruchu postępowego (translacji) z precesją spinu (zmiana kąta obrotu osi spinowej δΨ w czasie tylko wtedy, gdy kąt ten zmienia się ze zmianą położenia).

Gryziński wyprowadził wzory:

δΨ = (mv/ ħ) δx     δΨ – kąt o jaki obróci się oś spinowa przy przejściu drogi δx

δΨ = (2Ekin/ ħ) δt      δΨ – kąt o jaki obróci się oś spinowa po upływie czasu δt

gdzie: Ekin – energia kinetyczna cząstki, v – wartość prędkości cząstki, ħ – stała Plancka/ 2π, m – masa cząstki

Łatwo obliczyć, że obrót osi spinowej o pełny kąt 2π występuje na odcinku δx = h/mv, a to jest właśnie wzór na długość fali de Broglie'a, przypisywanej przez fizykę kwantową cząstce.

My jednak widzimy na razie tyle, że na odcinku o długości fali de Broglie'a oś spinowa cząstki dokonuje pełnego obrotu. W nowej interpretacji, funkcja falowa pokazuje po prostu zmiany kąta precesji spinu, w zależności od pokonanej odległości. Ale nadal mamy do czynienia z cząstką.

Natomiast równanie Schrödingera, to nic innego jak równanie, podające warunek stabilności stanu cząstki w obecności zaburzeń (zauważył to Czetajew, lata 40-te XX wieku). Dla atomu mówi ono na jakich trajektoriach elektron nie straci energii. Okazuje się, że są to tory, na których kąt precesji spinu wykona całkowitą wielokrotność pełnych obrotów. I to właśnie dlatego u zarania mechaniki kwantowej postulowano orbity stabilne jako mieszczące całkowitą wielokrotność fal de Broglie'a. Ale da się to wytłumaczyć jaśniej - bez fal.

Najważniejszym bodaj osiągnięciem Gryzińskiego była rewizja powszechnie akceptowanych poglądów, dotyczących budowy atomu, w oparciu o uczciwie zebrane i zinterpretowane dane eksperymentalne.

Ale najpierw krótkie wprowadzenie:
Jeśli wiemy, że prawdopodobieństwo zachorowania na grypę wynosi 0,1 i mamy próbę 1000 osób, to w ujęciu statystycznym wszystkich tych ludzi będzie można opisać tak samo:

0,1 chory i 0,9 zdrowy

Takie ujęcie nie jest jednak realistyczne. Bo w realnym świecie te jednostki nie będą takie same. Wiemy, że naprawdę 100 z tych osób będzie w 100% chorych, a 900 osób – w 100% zdrowych. Czyli realnie, będzie między nimi różnica. Nie wiemy które konkretnie osoby z tej próby zachorują, a które będą zdrowe, stąd nasz opis statystyczny.

I podobne rozumowanie Gryziński przenosi na atom, krytykując mechanikę kwantową za zbyt daleko idące wnioski. To, że stosujemy do atomu opis statystyczny: chmurę gęstości prawdopodobieństwa znalezienia elektronu, nie oznacza, że cząstki w atomie nie mają określonych trajektorii. Jest to spór epistemologii (czym jest byt dla nas, wg naszej wiedzy) z ontologią (czym jest byt sam w sobie). Po prostu my nie wiemy gdzie elektron się znajduje, więc do każdego atomu stosujemy jednakowy rozkład prawdopodobieństwa, a tymczasem realnie, w różnych atomach, elektrony będą w tym samym czasie zlokalizowane w różnych miejscach.

Nasza niewiedza nie przeszkadza nam modelować trajektorii elektronu w jakimś, ale konkretnym, realnym atomie, bo taka trajektoria na pewno istnieje, skoro istnieją cząstki.

To tylko my, pobierając jeden, konkretny atom z przyrody nie będziemy wiedzieć jak jego trajektoria będzie nachylona względem nas i zastosujemy opis statystyczny. Obrócimy w myślach tor elektronu we wszystkich kierunkach w przestrzeni i otrzymamy chmurę gęstości prawdopodobieństwa.

Ułomność naszej wiedzy nie implikuje jednak, że nie istnieją trajektorie o ściśle określonej geometrii. Ustawienie tych torów względem nas dla każdego realnego atomu pozostaje nieznane, ale przeprowadzając sprytne doświadczenia na wielu atomach, można wnioskować o geometrii, kształcie trajektorii.

Oto następny postulat Gryzińskiego:

Elektrony stanów podstawowych poruszają się w atomie wyłącznie radialnie, drogą swobodnego spadku na jądro.

Po dotarciu w okolice jądra, w wyniku działania sił magnetycznych, skręcają one, by poruszać się radialnie od jądra, aż do wytracenia prędkości.

Jak słusznie zauważa Gryziński, pęd elektronu stanu podstawowego musi mieć tylko składową radialną (nie kątową), bo nie od dziś wiadomo, że dla tego stanu moment pędu wynosi zero. Nawet mechanika kwantowa oznacza ten stan wartością liczby kwantowej
l = 0, co oznacza brak momentu pędu.

Wydawać się może, że epistemologiczne, statystyczne podejście kwantowe i realistyczne, ontologiczne podejście klasyczne Gryzińskiego, są równoważne. Z mechaniką kwantową problem jest jednak głębszy. Musi ona zawierać ukryte defekty. Nie potrafi ona wyjaśnić pewnych faktów, np. tego, że na ekranowanie powłok wewnętrznych atomu mają wpływ powłoki zewnętrzne. Model radialnych trajektorii wyjaśnia to z łatwością. Po prostu przez pewien czas elektrony zewnętrzne, spadając (w sposób bardziej skomplikowany niż wewnętrzne) na jądro, znajdują się pod nimi i wtedy zachodzi ekranowanie.

Gryziński pokazuje również na fakcie doświadczalnym problem mechaniki kwantowej. W rozszczepieniu linii widmowych atomu w polu elektrycznym (efekt Starka) pojawiają się pewne prążki, których istnienia mechanika kwantowa w żaden sposób nie potrafi przewidzieć.

Tak jednak jest, że za uznaną teorią zawsze stoją pewne kręgi naukowe, które z utrzymywania status quo czerpią korzyści. I z przyczyn czysto socjologicznych wykrycie trudności czy błędów w teorii nie doprowadzi do jej nagłego porzucenia. Niewygodne fakty raczej zostaną przemilczane lub zignorowane, a ci, którzy na nie wskazują – zostaną nazwani heretykami i wykluczeni ze środowiska.

Gryziński nie był wyjątkiem i zmuszony został do walki z broniącym swojego dobrego samopoczucia establishmentem naukowym. Doznał wielu złośliwości, a ukoronowaniem absurdalnego konserwatyzmu było uchwalenie przez Wydział Fizyki, Matematyki i Chemii PAN, że mechanika kwantowa nie może się mylić.
Z pewnością nie byli to naukowcy...Bo naukowcy badają jak jest, a nie uchwalają jak jest...

Podsumujmy ten artykuł kilkoma cytatami, w których odbija się dramatyzm walki Gryzińskiego z betonem "jedynie słusznej teorii":
  • Determinizm mechaniki klasycznej mówił, że każde wyizolowane zjawisko ma jednoznacznie określone przyczyny.
  • Nielogiczności mechaniki kwantowej nie traktuje się jako naszej ułomnej wiedzy o atomie, lecz jako brak logiki w funkcjonowaniu przyrody.
  • Ignorując fakty i niekorzystne opinie możemy przez jakiś czas skutecznie bronić powszechnie uznanej zasady, ale nie rozwiążemy tym rzeczywistych kłopotów.
  • Jeśli fakt nie pasuje do obliczeń, to się go nie odrzuca.
  • Mówienie: "zjawisko czysto kwantowe" zwalniało z dociekania o mechanizmie procesu.
  • Przy nieprzychylnie nastawionych sędziach jedyną możliwością wygranej jest nokaut.
Michał Gryziński zmarł 1.06.2004 roku w wieku 74 lat. Na szczęście, przed śmiercią zdążył wydać znakomitą książkę: "Sprawa atomu" popularyzującą jego osiągnięcia. Zdecydowanie ją polecam.

MACIEJ PANCZYKOWSKI

 Autor wortalu: Maciej Panczykowski, Copyright © 2003-2018 by Maciej Panczykowski