Dziś przeanalizujemy, drogę fizycznych zasad i ich konsekwencji, aby udowodnić, że w fizyce często jedno wynika z drugiego i niektóre zasady można połączyć w jedną teorię. A wszystko miało swój początek przy założeniu, że prędkość światła jest stała i nienaruszalna…
Prędkość światła i szczególna teoria względności
W 1881 roku po raz pierwszy (a w 1887 r. po raz drugi) przeprowadzono doświadczenie, które do dziś uważa się za jedno z najbardziej istotnych w historii fizyki.
Dokonali go amerykańscy fizycy – Michelson i Morley, którzy próbowali sprawdzić prędkość rozchodzenia się światła w układzie związanym z Ziemią.
Ich eksperyment pozwolił m.in. na potwierdzenie tego, że prędkość światła jest stała i niezależna od prędkości źródła oraz na ustalenie, że jest ona największą możliwą prędkością względną między dwoma obiektami.
Co za tym idzie, ustalono wówczas, że na świecie nie istnieje obiekt, który mógłby się oddalać od obserwatora szybciej niż światło.
Ten ważny wniosek stał się później podstawą jednego z postulatów szczególnej teorii względności (SWT), kiedy to w 1905 roku Albert Einstein ogłosił, że prędkość światła zawsze jest stała i tworzy nieprzekraczalną granicę.
Szczególna teoria względności to także ustalenie równoważności masy i energii, czyli słynnego równania E=mc2, które wykorzystano później w konstrukcji modelu standardowego budowy atomu.
Od zasady równoważności grawitacji i przyspieszenia do OTW
W szczególnej teorii względności została pominięta grawitacja. Einstein uznał za prawo natury to, co kiedyś zauważył Galileusz, a dowiódł Newton.
Brak oporu powietrza sprawia, że spadające obiekty, czy to jabłko, czy to cegła, czy piórko, przyspieszają w takim samym tempie.
A wszystko to związane jest z tym, że opór stawiany przyspieszeniu (bezwładnościowa masa obiektu) jest równoważna jego masie grawitacji, czyli jego odpowiedzi siłę owej grawitacji.
W swojej ogólnej teorii względności (OTW) Albert Einstein wysunął najważniejszy postulat o tym, że masa bezwładna i grawitacyjna są sobie równoważne.
Ogólna teoria względności w konsekwencji jest jednak połączniem zasady równoważności grawitacji i przyspieszenia ze szczególną teorią względności. Dlaczego?
Dlatego, że w myśl STW, jeśli ruch obiektu powoduje zakrzywienie czasu i przestrzeni, to tak samo działa również jego przyspieszenia. Zatem jeśli przyspieszenia nie da się odróżnić od grawitacji, to grawitacja zakrzywia czasoprzestrzeń.
Od STW do standardowego modelu kosmologicznego
W myśl ogólnej teorii względności cała siła grawitacyjna pochodzi od całej materii Wszechświata. Wyjaśnia w ten sposób to, jak na wielką skalę, ale nieujętą całościowo, funkcjonuje Wszechświat.
Dodając do tego założenie szczególnej teorii względności oraz jednorodności, czyli zasady kosmologicznej, w myśl której Wszechświat jest nie tylko taki sam wzdłuż i wszerz, ale i jest złożony
z podobnych do siebie elementów – stworzono podwaliny do standardowego modelu kosmologicznego.
Standardowy model kosmologiczny opisuje ewolucję Wszechświata po tzw. Wielkim Wybuchu. Do zobrazowania całego obserwowanego Wszechświata używa znanych nam praw fizyki oraz tylko sześciu parametrów.
Model ten zakłada, że większość energii obecnej we Wszechświecie przybiera formę tajemniczych dwóch składników: ciemnej materii i ciemnej energii. Fizyczna natura tych dwóch składników rodzi liczne pytania i jest jedną z największych zagadek fizyki XXI wieku.
Od kwantyzacji do mechaniki kwantowej
Na początku XX wieku Albert Einstein i Max Planck dokonali odkryć, które pozwoliły podzielić energię na porcje, czyli tzw. kwanty. Z czasem dowiedziono, że podział ten dotyczy także innych wielkości, np., ładunku elektrycznego, a nie tylko energii oddziaływań elektromagnetycznych.
Kwantowanie rozumiano zatem jako istnienie skończonego lub przeliczalnego zbioru dopuszczalnych (możliwych do zaobserwowania) wartości danej wielkości.
W ten oto sposób doprowadzono do skwantowania pól fizycznych, czyli przejścia od pojęcia ciągłego pola fizycznego do pojęcia pola, które jest zbudowane z pojedynczo emitowanych
i absorbowanych tzw. wirtualnych cząstek.
Kwantyzacja wraz z zasadą nieoznaczoności (istnieje granica naszej wiedzy o Wszechświecie, której nie da się przekroczyć) oraz dualizmem cząstek i fal doprowadziły do powstania dziedziny, którą dziś nazywamy mechaniką kwantową.
Dualizm, a zwłaszcza ten korpuskularno-falowy bezpośrednio związany z falami de Broglie’a,
w dużej mierze przyczynił się nie tylko do powstania mechaniki kwantowej, ale i do wyprowadzenia słynnego równania Schrödingera.
Mechanika kwantowa pozwoliła przyjąć i eksperymentalnie udowodnić nieprawdopodobny dla Einsteina stan kwantowego splątania cząstek. Co więcej, wraz z założeniami szczególnej teorii względności dała życie nowemu obszarowi tematycznemu, a mianowicie kwantowej teorii pola, która wiąże każdą cząstkę z polem.
Ta z kolei jest fundamentem Modelu Standardowego dla cząstek elementarnych, który staje się suma wszystkiego tego, co współcześnie wiemy o świecie atomów, opisując spójnym językiem elementarne cegiełki materii wraz z ich wzajemnymi oddziaływaniami…
