O mierzeniu, skalach pomiarowych, jednostkach miar i ich wymiarach, prawdopodobnie każdy gimnazjalista cokolwiek wie. Od lat obowiązuje układ jednostek miar zwany układem SI, którego fizycy zawodowi nie lubią, a uczniowie muszą lubić. Życie codzienne, zwłaszcza handlowe, podchodzi do tego układu wybiórczo: co łatwe, to przyjmuje, a resztę jednostek odrzuca jako dziwaczne dla niego np. mierzenie temperatur w skali Kelvina .W fizyce jest jeszcze gorzej, gdyż teoretycy nie chcą się rozstać z układem CGS lub nawet Gaussa ,bo wygodnie i równania wyglądają prościej.A kiedy pojawiła się “dyktatura” modelu standardowego w fizyce kwantowej, a zaraz po niej, kwantowa kosmologia, rozpoczęła się wówczas inwazja dosyć niezwykłego układu jednostek, częściej zwanego skalą jednostek naturalnych lub skalą Plancka dlatego ,że z propozycją tej skali wystąpił w maju 1899 roku fizyk niemiecki Max Planck [1].Nie był to priorytet w tej kwestii, gdyż prawie identyczny projekt jednostek miar, opracował i opublikował już w 1870 roku G.J.Stoney.Konstrukcja skali Plancka opiera się na pięciu stałych fundamentalnych fizyki, których wartości w ramach tego systemu jednostek, są uznane za jednakowe i wynoszące 1.c-prędkość światła w próżni G – stała grawitacji h – stała Plancka zredukowana czyli podzielona przez 2*3,14 k – stał Boltzmanna stały czynnik w prawie Coulomba Zręczna oraz inteligenta kombinatoryka wymiarami tych stałych, pozwala uzyskać wymiary takich podstawowych wielkości jak:* długościmasy czasu natężenia prądu elektrycznego temperatury oraz, przy powrocie do wartości pięciu stałych w układzie SI ,uzyskać także równoważniki tych jednostek skali Plancka w układzie SI. Często używa się skrótu: zamiast “jednostka długości w skali Plancka” mówimy – długość Plancka.Oto zestawienie wzorów oraz wyniki przeliczeń: 1.długość Plancka = pierwiastek z wyrażenia h*G/cE3Po podstawieniu wartości h,G,c otrzymujemy wartośćL(P) = 1.6*10E(-35) m2.masa Plancka = pierwiastek z wyrażenia h*c/G.Po podstawieniu wartości h, G, c otrzymujemy 2,2*10E(-8)kg3.czas Plancka = pierwiastek z wyrażenia h*G/cE5Po podstawieniu wartości h, G, c otrzymujemy wartośćT(P) = 5.39*10E(-44) s4.natężenie prądu Plancka = pierwiastek z wyrażenia 4*Pi*e(0)cE6/G.Po podstawieniu wartości e(0),G, c otrzymujemy3.48*10E25 A.5.temperatura Plancka = pierwiastek z wyrażenia h*c^5/G*k. Po podstawieniu wartości h, G, c, k otrzymujemy wartość1.42*10E32 KPowyższe jednostki skali Plancka są podstawowe .Tworzone są także jednostki pochodne tej skali. 1.gęstość Plancka = cE5/GE2*h = 5.2*10E96 kg/mE32.energia Plancka = pierwiastek z wyrażenia h*cE5/GJej wartość – 1.2*10E19 GeV3. siła Plancka = cE4/G = 1.2*10E44 N4.cisnienie(naprężenie) Plancka = cE7/h*G .Jego wartość 4,6*10E113Pa5.przyspieszenie Plancka = pierwiastek z wyrażenia cE7/h*G . Jego wartość 5.6*10E(51) m/sE26.częstotliwość Plancka= pierwiastek z wyrażenia c^5/h*G .Jej wartość 1.9*10E43 Hz7.napięcie elektryczne Plancka = pierwiastek z wyrażenia cE4/4*Pi*e(0)*G. Jego wartość – 1.0*10E27 V8.pojemność elektryczna Plancka= 4*Pi*e(0)*pierwiastek z wyrażenia h*G/cE3 .Jej wartość – 1.8*10E(-45) F9.natężenie pola elektrycznego Plancka = pierwiastek z wyrażenia cE7/4*Pi*e(0)*h*GE2.Jego wartość – 6.5*10E61 V/m.Łatwo zauważyć ,że skala Plancka obejmuje dwa krańcowo odległe “bieguny “ jednostek z uwagi na ich wielkość: jednostki niesłychanie małe i jednostki niesłychanie duże. Słowo “ niesłychanie’ jest tutaj eufemizmem.Na przykład, gęstość materii jądrowej (jądra atomów pierwiastków) występującej na Ziemi, jest rzędu 10E(18) kg/mE3 i jest odległa od gęstości Plancka o prawie 80 rzędów czyli jest –w stosunku do niej -bardziej niż znikoma!Energia uzyskiwana w akceleratorach jest rzędu 10E2 Gev, a energia Plancka- rzędu 10E19 GeV!Podobne rozpiętości są w obszarze wielkości znikomych, np. my penetrujemy obszary o średnicy 10E(-15) m, a długość Plancka jest rzędu 10E(-35)m !W świecie dostępnym naszym narzędziom i energiom, operujemy interwałami czasu rzędu 10E(-11) s, a czas Plancka jest rzędu 10E(-44) s !Powstaje oczywiste, retoryczne pytanie o przydatność skali Plancka w opisie rzeczywistości tej, którą aktualnie penetrują instrumenty zbudowane przez człowieka.W pierwszej chwili, chce się odpowiedzieć, że skala Plancka,poza uproszczeniem zapisu równań wyrażających prawa fizyki, nie ma żadnego zastosowania w naukach przyrodniczych(fizyce).Jednak sfera hipotez i eksperymentów pomyślanych, w każdej nauce o przyrodzie jest ważna, bo dzięki tajemniczej skuteczności matematyki, w każdej chwili może zaowocować impulsem do badań doświadczalnych i odkryciem nowych obszarów rzeczywistości.Oczywiście ,nie istnieje jednolita teoria świata (lub światów),czyli w pełni ustrukturyzowana teoria fizyki, w której funkcjonowałaby skala jednostek Plancka.Wszystko co się w tym zakresie dzieje jest “in status nascendi “.Ciągle jest w rozwoju, ciągle przebudowywane i korygowane, ale zarysy tej fizyki są na tyle ugruntowane ,że mówimy o fizyce ery Plancka.To znaczy, istnieje świat zwany “erą Plancka”, który powołał do życia inną fizykę, od tej, która nadal funkcjonuje dla potrzeb opisu światów : mega- makro- mikro dostępnych bezpośrednio(lub pośrednio, ale dostępnych !) człowiekowi bez stosowania skali Plancka.Świat ery Plancka ma dwie formy istnienia :jedną, historyczną ,która wystąpiła lat temu ok.13,6 miliardów ( = ok.10E19 s) i trwała do chwili 10E(-44) s licząc od momentu zerowego czyli od momentu wyłonienia się Wszechświata z nicości[2],[3] oraz drugą, nie historyczną lecz aktualną, istniejącą w obszarze ziemskiego działania ,na którą możemy w każdej chwili natrafić, o ile zagłębimy się w czasoprzestrzeń o wymiarach jednostek długości skali Plancka, to znaczy rzędu 10E(-35) m. [4]Spróbuję bliżej scharakteryzować te dwie postaci ery Plancka i fizykę, która w nich działa.Problematyka osobliwości kosmologicznej początkowej ,czyli tzw. Wielki Wybuch, wymaga zastosowania modelu standardowego cząstek elementarnych dopiero w warunkach tuż po przekroczeniu progu Plancka, w stronę świata tradycyjnej fizyki, to znaczy, gdy świat Plancka ekspandując (z nieznanych przyczyn) od kwantowej fluktuacji- specyficznej formy bycia, przekroczył (w stronę większych od nich) wartości Plancka takich wielkości fizycznych jak:rozmiarów przestrzennych[10E(-35)m],temperatury[10E32K],gęstości[10E96 kg/mE3],energii[10E19 GeV].Podobnie jest w odniesieniu do “ brzegów” czasoprzestrzeni jakimi są osobliwości zwane “ czarnymi dziurami”, których termodynamika wymaga stosowania skali Plancka oraz w odniesieniu do problemu zupełnej unifikacji oddziaływań ,której wersja eksperymentalna nie może zaistnieć z powodu niemożliwości technicznej osiągnięcia wartości energii Plancka.Pojawienie się termodynamiki czarnych dziur(Hawking,Beckstein) oraz funkcji falowej Wszechświata (Hawking,Hartley) doprowadziło min. do hipotetycznego tunelowania kwantowego pomiędzy wszechświatami “równoległymi” i “ potomnymi”, przy czym przekrój poprzeczny tuneli oraz czasy ich istnienia są wielkościami Plancka[5].Model więc standardowy łącznie z GUT, nie działa w erze Plancka (obojętnie jakiej postaci ery), a dzieje się tak głównie dlatego, że nie obejmuje teorii kwantowej grawitacji. Dopiero pierwsze próby unifikacji mechaniki kwantowej i ogólnej teorii względności, związane z radykalnymi przemianami OTW i ich zastosowanie do ery Plancka przyczyniły się do powstania nowej fizyki.Powstały różne wersje geometrodynamiki, a czasoprzestrzeń przestała być tłem zdarzeń i procesów oraz ujawniła swoje fizyczne bycie(“ciemna energia”) dosyć burzliwe ,gdyż podlegające kwantowym fluktuacjom próżni.I znów rejestruje się “rozwidlenie” w myśleniu o czasoprzestrzeni. Jedni utrzymują nadal ciągłość geometrii(przestrzenie spinowa i twistorowa [6]),a inni przeciwnie- dyskretność czasoprzestrzeni czynią fundamentalnym założeniem swych prac ( Hawking,Smolin,[7])Nowe, najbardziej radykalne prądy w geometrii, a przede wszystkim powstanie geometrii nieprzemiennej Alaina Connesa [8] umożliwiają teoretyczne analizy ery Plancka, a w ich wyniku postuluje się istnienie rzeczywistości aczasowej i aprzestrzennej.Jest to prawdziwy wstrząs teoriopoznawczy dla fizyki dotychczasowej.Geometria nieprzemienna (Noncomutative Geometry) powstaje ,jeżeli-idąc śladami Kartezjusza- zastosuje się algebrę nieprzemienną do reprezentacji geometrii. Otrzymuje się wówczas geometrię całkowicie globalną ,pozbawioną punktów czyli znika pojęcie miejsca i umiejscowienia zdarzeń zarówno w czasie jak i w przestrzeni.Grupa fizyków i matematyków pod kierunkiem A.Connesa (J.Madare, G.Felder, J.Froehlich) skonstruowała model standardowy cząstek w oparciu o geometrię nieprzemienną. W tym samym kierunku podążył zespół w składzie: M.Heller, W.Sasin [9]i D.Lambert wykorzystując algebrę v. Neumanna do budowy geometrii nieprzemiennej probabilistycznej uzyskując “po drodze” równanie falowe, które Schroedinger tylko zapostulował.Fizyka działająca w rzeczywistości zwanej “ erą Plancka” jest sytemem nieprzemiennym, w którym wszystko jest globalne, a pojęcie “ miejsca” nie ma najmniejszego sensu. System ten podlega tajemniczemu przejściu (przejście fazowe ?) przez tzw. próg Plancka do fazy przemiennej i fizyki ze standardowymi równaniami rządzącymi widzialnym Wszechświatem. Natomiast warunki początkowe dla tych równań, tkwią w mechanizmie przejścia z ery Plancka.Ma rację Michał Heller, kiedy przywołuje hasło światowej konferencji w Cambridge poświęconej problematyce ery Plancka: “ w erze Plancka fizyka spotyka się z filozofią” [10].Pytanie tylko : z jaką filozofią?Lub inaczej: czy dysponujemy taką filozofią ,która przekonująco odpowie na pytanie o relacje między istnieniem człowieka ( i życia w ogóle), a pojawieniem się z nicości takiego wszechświata jaki doświadczamy ?I pomyśleć ,że wszystko zaczęło się rzekomo niewinnie i banalnie od układu jednostek, chociaż jego projektant coś poważniejszego przeczuwał, skoro w liście do Pruskiej Akademii Nauk, o swych jednostkach, napisał takie intrygujące zdanie;“z pewnością zachowają one znaczenie przez wszystkie czasy i dla wszystkich cywilizacji, nawet pozaziemskich lub nie stworzonych przez człowieka, tak więc można nazwać je jednostkami naturalnymi... Literatura [] M.Planck , Über irreversible Strahlungsvorgänge. Sitzungsberichte der Preußischen Akademie der Wissenschaften, vol. 5, p. 479 1899[2] A.Liddle , Wprowadzenie do kosmologii współczesnej,Warszawa,2000,s.78-110[3] P.J.Peebles ,Priciples of Physical Cosmology,Princeton,1993[4] F.D. Peat , Superstrings and the Search for the Theory of Everything,Chicago,1988[5] J.B.Hartle, S.Hawking , Wave Function of the Unuverse,Physical Review,D 28,2960,(1983)[6] R.Penrose ,Droga do rzeczywistości,Warszawa,2007,s.921-971[7] L.Smolin , Trzy drogi do kwantowej grawitacji,Warszawa,2001[8]A.Connes, Noncommutative Geometry,NY,1994[9] M.Heller,W.Sasin , Noncommutative Unification of General Relativity and Quantum Mechanics,International Journal of Theoretical Physics,t.38,1999,s1619-1642[10] M.Heller , Kosmologia kwantowa,Warszawa,2001,s.143
No modern scientist comes close to Einstein's moral as well as scientific stature (John Horgan)
Nowości od blogera
Inne tematy w dziale Kultura
