1. Świat zjawisk fizycznych, wstęp matematyczny

Fizyka jako nauka zajmująca się prawidłowościami i relacjami występującymi w naszym otoczeniu pozwala przynajmniej na częściowe zrozumienie funkcjonowania otaczającego nas świata. Poznawanie to odbywa się zasadniczo w dwóch kierunkach - w skali makro- i mikroświata. Ich rozróżnienie związane jest z takimi wielkościami fizycznymi jak: rozmiar „r”, masa „m” i czas „t”. Pojmowanie (wyobrażenia) tych światów ułatwiają wprowadzane modele fizyczne. Przybliżane są one przez zjawiska występujące w otoczeniu człowieka.

Rys.1 Logarytmy dziesiętne z wartości rozmiarów, mas i czasów związanych z obiektami obserwowanymi we Wszechświecie wyrażonych w jednostkach SI

Przykładem może tu być model orbitalny (powłokowy) wykorzystywany zarówno do opisu Układu Słonecznego jak i modelu atomu czy jądra atomowego (w wersji kwantowej). Oprócz powyższych wielkości fizycznych nie można nie powiedzieć o energii, która jest pierwotna w stosunku do pozostałych (teorie kosmologiczne). Korelacje między rozmiarami, masą i czasem w potocznym ujęciu przedstawia rysunek 1. Na linii trendu pojawiają się kolejno: cząstki elementarne, atomy, mikroorganizmy, człowiek, Ziemia, Układ Słoneczny, Galaktyka i Wszechświat. Odejście od głównego kierunku prowadzi do nietypowych stanów materii takich jak: czarna dziura ze skrajnie dużą gęstością masy i przestrzeń kosmiczna ze skrajnie małą gęstością masy (poza lokalnymi skupiskami masy).

Uświadomienie sobie miejsca człowieka we Wszechświecie prowadzi z jednej strony do rozbudzenia zainteresowań związanych z jego budową i funkcjonowaniem, z drugiej zaś strony budzi pokorę wobec ogromu (wielkości mas, odległości, przedziałów czasu) oraz bogactwa obserwowanych zjawisk. Nieodparty ciąg umysłu ludzkiego do poznawania otaczającego nas świata prowadził przez tysiąclecia do intelektualnego rozwoju ludzkości. Jest to szczególnie widoczne w ostatnich latach, gdy rozwój fizyki i innych nauk ścisłych przyczynił się do dynamicznego postępu technicznego i towarzyszących mu zmian w takich dziedzinach jak: biologia, medycyna, technika, informatyka i inne. Nikt dziś nie wyobraża sobie życia na przykład bez komputerów i sieci internetowej. Ich powstanie umożliwiło szybki rozwój informatyki. Dzisiaj wszyscy zgodzą się, że najcenniejszym „towarem” jest informacja i jej szybki przekaz. Odzwierciedlenie tego faktu widoczne jest nie tylko w naukach ścisłych, ale i w innych takich jak ekonomia czy nauki humanistyczne. U podstaw wielkiego skoku cywilizacyjnego XX wieku stoją geniusz i żmudna praca fizyków, matematyków i innych przedstawicieli nauk ścisłych.

Spróbujmy teraz określić fizykę jako naukę, czyli zbiór obserwacji otaczającego nas świata i prawidłowości występujących między nimi. Fizyka to podstawowa nauka przyrodnicza zajmująca się badaniem fundamentalnych i uniwersalnych właściwości materii i zjawisk w otaczającym nas świecie. Właściwości te wiążą się ściśle z podstawowymi oddziaływaniami między elementarnymi składnikami materii obdarzonymi pewnymi wielkościami ogólnymi jak np. masą czy ładunkiem. Badania tych oddziaływań prowadzą do formułowania praw fizycznych w postaci ilościowych związków przyczynowo-skutkowych i bardziej ogólnych zasad zachowania. Dlatego też językiem oraz skutecznym narzędziem fizyki jest matematyka. Odgrywa ona ogromną rolę przy planowaniu, opracowywaniu wyników eksperymentów i tworzeniu syntezy w postaci modeli lub teorii fizycznych.

Fizyka jest ściśle związana z innymi naukami przyrodniczymi. Doprowadziło to do powstania nauk takich jak: geofizyka, astrofizyka, biofizyka, chemia fizyczna, biologia molekularna, fizyka medyczna. Fizyka jest też motorem napędowym i zapleczem teoretycznym dla techniki.

Dążenie fizyków do ujednolicenia opisu zjawisk i oddziaływań fizycznych prowadzi do prób przedstawienia jednolitej teorii nazywanej „Teorią Unifikacji”. Teoria ta ma łączyć ze sobą oddziaływania grawitacyjne, elektromagnetyczne i słabe. Szersza od niej „Teoria Wszystkiego” ma uwzględnić również oddziaływania silne. Poniżej zostanie przedstawiony zarys Teorii „Wielkiego Wybuchu” (Big Bang -BB), który być może ułatwi czytelnikowi zrozumienie jedności świata widzianego w ogromnej różnorodności form odbieranych przez naszą świadomość.

Rozwój obserwacji astronomicznych, fizyki kwantowej i relatywistycznej oraz fizyki cząstek elementarnych doprowadził do powstania hipotezy dotyczącej powstania naszego wszechświata. Potwierdzana wnioskami z obserwacji astronomicznych Teoria „Wielkiego Wybuchu” (np. odkrycie promieniowania tła) znajduje coraz większe rzesze swoich zwolenników. Nadmienić należy także, że w 1954 roku została uznana przez Watykan jako niesprzeczna z doktryną Kościoła.

Według tej teorii przed miliardami lat cały wszechświat skupiony był w pierwotnej osobliwości o rozmiarze znikomo małym (1 jednostki umownej - 1 j.u.) - o ile to coś znaczy. Stan ten charakteryzował się ogromną gęstością materii, przekraczającą kryterium Plancka , które w przeliczeniu na gęstość masy
wynosi 10⁹⁷ kg/m³. Jej związek z pozostałymi stałymi uniwersalnymi i uzyskany z analizy wymiarowej przedstawiany jest w postaci:

,

gdzie: c- prędkość światła w próżni, G - stała grawitacyjna, h - stała Plancka.

Rys.2 Ekspansja wszechświata po Wielkim Wybuchu (BB)

Można powiedzieć, że poniżej progu Plancka nie istniały takie wielkości jak: czas, przestrzeń, masa, ładunek. Istniejące wtedy „pracoś” wiązane było przez jakieś pierwotne oddziaływanie. Przekroczenie progu Plancka zapoczątkowało gwałtowne przyspieszenie ekspansji związane z powstaniem „naszego” czasu, przestrzeni i cząstek elementarnych obdarzonych masą (cóż za brak symetrii). Okres ten charakteryzował się przyspieszaniem ekspansji rozmiarów przestrzeni o 50 rzędów od BB. Zwany jest on epoką inflacji (tu nazwano ją - inflacja I dla odróżnienia inflacji II - rysunek 2).

Powstanie odpowiedniej ilości szeroko rozumianych cząstek elementarnych umożliwiło powstanie atomów wodoru. Ich ogromne ilości oraz fluktuacje masy w przestrzeni prowadziły do powstawania skupisk materii a po przekroczeniu pewnych wartości gęstości, ciśnienia i temperatury do ich syntezy termojądrowej czyli do powstania gwiazdy. Proces ten wiązał się z tworzeniem się cięższych jąder atomowych i emisją wielkich ilości energii unoszonej przez fotony, cząstki elementarne oraz inne składniki promieniowania kosmicznego. Po wypaleniu się paliwa do reakcji jądrowych gwiazdy kończyły swój żywot jako karły, supernowe, gwiazdy neutronowe lub czarne dziury. Końcowy etap wiązał się z wyrzuceniem w przestrzeń kosmiczną ich powłoki zawierającej jądra lub atomy pierwiastków cięższych. Te „kosmiczne śmieci” służyły z kolei do tworzenia kolejnych pokoleń gwiazd i układów planetarnych. Tak prawdopodobnie powstał Układ Słoneczny, w którego centrum „zapaliło się” Słońce, a z pozostałości powstały planety i ich księżyce oraz komety.

Obecne obserwacje astronomiczne i obliczenia prowadzą do wniosku, że jesteśmy aktualnie świadkami kolejnego etapu przyspieszenia ekspansji wszechświata (inflacja II). Fakt ten wiązany jest z tzw. „ciemną materią” oraz jej grawitacyjnym odpychaniem i budzi wątpliwości interpretacyjne. A może wystarczyłoby bardziej symetrycznie podejść do procesu powstawania materii z energii („praczegoś”) po przekroczeniu progu Plancka.

Kolejnym czynnikiem mającym wpływ na interpretację założeń teorii BB jest teoria względności. Ogromną zasługą Szczególnej teorii względności jest m.in. relatywizacja odległości, prędkości, masy i czasu oraz powiązanie zmiennych przestrzennych i czasowych w tzw. czasoprzestrzeni Minkowskiego. Zasługą Ogólnej teorii względności jest z kolei powiązanie masy z zakrzywieniem przestrzeni. Przykład takiego zakrzywienia w pobliżu obiektu do bardzo dużej masie M przedstawia rysunek 3. Widać z niego, że obliczenie promienia orbity z jego obwodu daje zupełnie inną wartość niż odległość od centrum siły grawitacyjnej.

Rys.3 Zakrzywienie przestrzeni w pobliżu wielkiej masy M (np. czarnej dziury)

Innym, ważnym zagadnieniem dotyczącym budowy wszechświata jest pytanie: czy jest on ograniczony i skończony? Rysunek 4 przedstawia modele dwóch wszechświatów nieskończonych. Jeden w postaci koła jest ograniczony i drugi w postaci prostej nieograniczony. Nasz sposób pojmowania przestrzeni (trzy wymiary zamiast jednego) prowadzi nas intuicyjnie do wyboru drugiej wersji. Widzimy, że dla obu modeli każdemu punktowi jednego zbioru możemy przyporządkować punkt z drugiego zbioru. Ale jaki ma to związek z ograniczonością wszechświata? Otóż przyjmuje się, że nasza 3-wymiarowa przestrzeń jest zakrzywiona. Kwantowe modele przestrzeni narzucają też warunek tożsamości osobliwości początkowej i końcowej. Warunek ten spełnia model świata ograniczonego. Astronauta rozpoczynający swoją wędrówkę po prostej w przestrzeni 3-wymiarowej poczynając od punktu środkowego wróci do niego po dostatecznie długim czasie.

Rys.4 Nieskończony wszechświat i jego cykliczność

Na rysunku 4 przeanalizowano przykład jednowymiarowy odpowiednik naszej przestrzeni 3-wymiarowej. Rysunek 5 przedstawia powyższą cykliczność dla „płaszczaka” poruszającego się po modelu wszechświata w postaci opony o otworze środkowym zredukowanym do punktu. Dla takiego obserwatora spełniony jest warunek tożsamości osobliwości początkowej i końcowej.

Jeśli założymy, że środek odpowiada BB to otrzymujemy również model pulsującego wszechświata. W modelu tym, wg teorii BB po okresie ekspansji powinien nastąpić okres zapadania się wszechświata i powtórzenie cyklu. Z poniższego rysunku widać, że wcale nie musi wystąpić „ruch wsteczny”. Kontrakcja będzie tu naturalną konsekwencją ekspansji i zakrzywienia przestrzeni.

rys. 5 Model cykliczności wszechświata w postaci „opony” z centralnym punktem

zawierającym osobliwość początkową tożsamą z osobliwością końcową

Powstaje pytanie: po co mamy uczyć się fizyki skoro na samym początku mamy tyle pytań i wątpliwości co do powstania, budowy i ewolucji wszechświata. Odpowiedź jest prosta. Czas naszego życia w porównaniu z czasami ewolucji życia na Ziemi (nie mówiąc już o epokach kosmologicznych) jest tak mały, że aby pojedynczy człowiek mógł funkcjonować w swym środowisku musi poznać reguły na „TU” i „TERAZ”. Chcąc wykonać najprostszą czynność i wykorzystać najprostsze narzędzie a także przewidzieć efekt swego działania musi on posiadać elementarną wiedzę i „kulturę techniczną”. Jest wiele osób upominających się o kulturę humanistyczną . Niestety jest zbyt mało ludzi rozumiejących potrzebę posiadania również odpowiedniej „kultury przyrodniczej”.

Na koniec krótki przykład dotyczący następstwa czasu. Mamy jedno zdarzenie Z oraz dwóch obserwatorów A i B umieszczonych w różnych miejscach.

W zależności od umiejscowienia obserwatorów stwierdzą oni, że zdarzenie Z wystąpiło w tym samym momencie (dolne położenia) albo wcześniej stwierdzi to obserwator A (czerwone linie przekazu) albo obserwator B (niebieskie linie przekazu). Zakładając więc obiektywne wystąpienie zjawiska Z nie możemy mieć pewności jakiej kolejności zarejestrują je obserwatorzy A i B.

Zamieniając oznaczenia i przyjmując, że Z to obserwator oraz A I B to zdarzenia stwierdzimy, że kolejność (następstwo) występowania zdarzeń również zależy od wzajemnego rozmieszczenia tych trzech punktów. Inaczej mówiąc możemy zaobserwować, że zdarzenie B jest równoczesne albo wcześniejsze albo późniejsze od zdarzenia A.

---