Oddziaływania w makro- i mikroświecie

Nic tak skutecznie nie motywuje do wyskrobania nowego wpisu, jak znikąd rosnąca ilość lajków na Facebooku. Bardzo Wam dziękuję – dzięki takiej niewielkiej czynności serce rośnie i chce się brnąć coraz dalej. Na domiar wszystkiego się zagrypiłem, mam więc chwilę oddechu od obowiązków akademickich. Koniecznie trzeba dokończyć wpisy z fizycznych podstaw chemii. Dzisiaj co nieco o oddziaływaniach.

Jak zdefiniować oddziaływanie?

Koń, jaki jest, każdy widzi.

Kiedy w przyrodzie akcja związana z jednym przedmiotem (lub nawet samo jego pojawienie się) wywiera wpływ na drugi przedmiot, mówimy, że przedmioty te ze sobą oddziałują. Weźmy kilka banalnych przykładów:

  • Magnes zbliżony do lodówki jak nic ma ochotę się do niej przyczepić.
  • Gdy wlewamy wodę np. do szklanki, nie tworzy ona zupełnie gładkiej powierzchni, tylko tzw. menisk wklęsły (sprawia wrażenie, jakby chciała się wspiąć po ściankach szklanki).
  • Możemy od xxx lat podziwiać nasze Słońce tylko dlatego, że przyciąga ono Ziemię (w przeciwnym razie, gdyby nagle przestało nas przyciągać, Ziemia odleciałaby od Słońca w dość losowym, ale z pewnością zimnym i ciemnym kierunku).

oddzprzyklady

Podobnych przykładów można mnożyć mnóstwo. Mówi się często, że oddziaływania między dwoma ciałami polegają na tym, że ciała te będą chciały się przyciągać lub odpychać. Mimo znacznego uproszczenia sprawy, jest w tym dużo prawdy. Intuicja podpowiada nam jednak, że Słońce przyciąga Ziemię na nieco innych zasadach, niż magnes jest przyciągany przez lodówkę, chociaż efekt jest taki sam – magnes lgnie do lodówki, a Ziemia, w pewnym sensie, lgnie do Słońca.

Warto mieć chociaż minimalne pojęcie o oddziaływaniach i ich naturze. Fajnie przecież umieć wytłumaczyć, co dzieje się między lodówką a magnesem, a także co dzieje się między Ziemią a Słońcem. Wskazać podobieństwa tych oddziaływań oraz różnice między nimi. Liczba różnego rodzaju oddziaływań musi być przecież skończona, a zatem radzenie sobie z opisem oddziaływań tak ogromnych ciał jak gwiazdy i planety, nieco mniejszych – jak lodówka i magnes, aż w końcu tych najmniejszych – jak cząstki elementarne powinno być bardzo proste. Tu napotykamy jednak mały zonk.

Oddziaływania między cząstkami elementarnymi opisywane są inaczej niż oddziaływania, które mamy okazję na co dzień obserwować i które maglowaliśmy w gimnazjum i liceum. Dzisiaj chciałbym wprowadzić Cię w temat, pokazując różnice w opisie makro- i mikrooddziaływań.

Wprowadźmy sobie najpierw dwa podstawowe pojęcia. Świat, który widzimy, słyszymy, czujemy to tzw. makroświat, czyli po prostu duży świat. Najpierw opiszemy sobie pokrótce oddziaływania w makroświecie, ponieważ jest on nam (na pewno mi) bliższy i poznajemy go od chwili swoich narodzin. Mówiąc natomiast o mikroświecie, mam na myśli rozpatrywanie zjawisk na malutkich odległościach, zbliżonych do rozmiarów atomów, a nawet jąder atomowych (i jeszcze mniejszych, a co)! Mikroświata gołym okiem nie widzimy. Jedyne co dostrzegamy gołym okiem, to sporych rozmiarów efekty maciupciej, niewidzialnej dla człowieka struktury, zwanej mikroświatem.

Trzeba zdawać sobie sprawę, że świat cząstek elementarnych (mikroświat) rządzi się bardzo skomplikowanymi i trudnymi do ogarnięcia zasadami. Komplikacja samego zjawiska wiąże się z komplikacją aparatu matematycznego, który to zjawisko opisuje. Dlatego za mikroświat na poważnie biorą się dopiero studenci. Okazuje się jednak, że gdy przestajemy zajmować się cząstkami malutkimi i zabieramy się za to, co duże (makro), wiele efektów i zawiłości można zwyczajnie zaniedbać, ponieważ odgrywają one tak mało istotną rolę, że – ujmując sprawę z pewnym, dość dobrym przybliżeniem – w ogóle nie występują. Dlatego za kinematykę i dynamikę, elektrostatykę, magnetyzm itd. w markoświecie biorą się już gimnazjaliści. Więcej pseudofilozoficznych dyskusji na ten temat znajdziesz kiedyś na moim blogu.

Zwróć uwagę na pierwszy paradoks! Opis tego, co małe, jest zawiły i skomplikowany. Trudno, pozostaje nam się z tym pogodzić. Jednak to, co duże, składa się przecież z ogromnej liczby takich małych elementów. Nie trzeba wielkiej wyobraźni żeby stwierdzić, że skoro opis jednego atomu jest bardzo skomplikowany, to opis mola takich atomów wykracza poza granicę naszych możliwości – przecież wszystkie równania skomplikują się jak jasna cholera! Tymczasem… Nic bardziej mylnego. Opis tego, co duże, jest zdecydowanie prostszy. Wniosek? Im większa skala, tym więcej uproszczeń.

Oddziaływania w makroświecie

magnet-psd79397Od razu uprzedzam, że nie mam na celu uczenia Cię tutaj podstaw fizyki. Już w gimnazjum wyróżnia się oddziaływania mechaniczne,  magnetyczne, elektrostatyczne, grawitacyjne, międzycząsteczkowe… Podstawy tych oddziaływań powinieneś znać. Jeżeli nie znasz i nie bardzo wiesz, skąd je wytrzasnąć – napisz, jestem w stanie polecić dużo darmowych i ciekawych źródeł wiedzy z tej dziedziny.

Wyobraź sobie, że trzymasz w ręku pokaźnych rozmiarów magnes i zbliżasz się z nim do lodówki. W pewnym momencie czujesz, że lodówka przyciąga magnes. Czujesz, że przyciąga, bo musisz trzymać go mocniej, żeby się nie wyrwał i nie poleciał na biedną lodówkę. Zgodnie z III zasadą dynamiki Newtona magnes z taką samą siłą przyciąga wtedy lodówkę. No właśnie, siła. Skoro te dwa obiekty się przyciągają, to mamy do czynienia z siłą (w ujęciu już czysto fizycznym). Magnes działa pewną siłą na lodówkę, a lodówka pewną siłą na magnes (siłą równą co do wartości, ale o przeciwnym zwrocie).

Takie jest podejście działu fizyki, który zajmuje się opisem oddziaływań w makroświecie. W warunkach mniej więcej takich, jakie panują na powierzchni Ziemi. Jest to tzw. fizyka klasyczna. Fizyka klasyczna dostarcza równań, które pozwalają obliczyć siłę, z jaką magnes przyciąga lodówę. Są to – względnie – naprawdę proste równania. Mamy magnes, mamy lodówkę. Jest to trochę niefortunny przykład, ale w fizyce klasycznej dysponujemy całą gamą wzorów, zazwyczaj korzystamy z jednego z nich (czasem więcej), podstawiamy i liczymy co chcemy. Proste, prawda?

Proste, ale – przynajmniej dla człowieka głodnego wiedzy – niesatysfakcjonujące. Zwróć uwagę, że takie podejście znacznie upraszcza problem. Dlaczego? Między magnesem a lodówką przecież nic nie ma. No dobrze, jest powietrze. Załóżmy więc, że stoisz z magnesem niedaleko lodówki, ale w próżni. Teraz naprawdę między magnesem a lodówką nic nie ma. Mimo tego ciągle się one przyciągają!

Jak to się dzieje? Czy lodówka przewidziała, że zbliżysz do niej magnes i zaczęła go przyciągać przy pewnej odległości? A może magnes krzyczy do lodówki, że już tu jest? Wiadomo, że to bzdura. Ale skoro magnes działa na lodówkę, a lodówka na magnes, to skądś te ciała muszą wiedzieć, że drugie z nich jest w pobliżu. Występuje między nimi jakaś komunikacja. Zwróć uwagę na rysunek z magnesem i obecne na nim łuki, symbolizujące oddziaływanie. Coś w tym musi być, prawda? Jesteśmy już blisko sformułowania bardziej ścisłych pojęć tłumaczących istnienie oddziaływania między magnesem a lodówką. Podsumujmy jednak naturę oddziaływań z punktu widzenia fizyki klasycznej.

W makroświecie postuluje się istnienie pewnych oddziaływań. Skutkiem występowania tych oddziaływań są siły występujące między oddziałującymi obiektami. Fizyka klasyczna zajmuje się jakościowym i ilościowym opisem sił – skutków tych oddziaływań. Jakościowy opis obejmuje jedynie odpowiedź na dwa pytania: czy między obiektami występuje jakaś siła i czy jej skutkiem jest przyciąganie, czy odpychanie między oddziałującymi ciałami. Fizyka klasyczna to całe spektrum prostych (względnie) wzorów, które pozwalają na opis ilościowy zachodzącego oddziaływania, czyli podanie wartości siły, z jaką przyciągają się lub odpychają te dwa ciała.

Jeżeli cokolwiek jest niejasne, nie przejmuj się. Na samym dole zestawimy sobie fizykę makro- i mikroświata.

Oddziaływania w mikroświecie

Fizyka mikroświata jest doskonałym uzupełnieniem fizyki klasycznej. Fizykę mikroświata nazywamy najczęściej fizyką kwantową (lub, ogólniej, mechaniką kwantową). Mechanika kwantowa ma bardzo dużo zalet, ale nie o tym tutaj. Patrząc z perspektywy oddziaływań, mechanika kwantowa nie pomija żadnego aspektu oddziaływania, zatem tłumaczy przede wszystkim jego naturę. Mówi, w jaki sposób dwa obiekty komunikują się, oddziałując ze sobą.

Okazuje się, że każde1) oddziaływanie, rozpatrując problem w skali mikro- (ładniej mówi się: w skali mikroskopowej) nie zachodzi tak sobie, na zasadzie przekazu myślowego, na przykład między magnesem a lodówką(?!). Każde oddziaływanie jest przenoszone za pomocą tzw. nośnika oddziaływań. To dzięki wymianie nośników oddziaływań lodówka i magnes wiedzą, że są nieopodal i działają na siebie pewnymi siłami.

Zapnij pasy, bo to dopiero początek jazdy! Stan wiedzy o Wszechświecie, obowiązujący dzisiaj, dostarcza dość szokującego wniosku. Okazuje się, że absolutnie każde oddziaływanie w przyrodzie (czy to w skali mikro-, czy makroskopowej) jest przejawem jednego z tzw. oddziaływań fundamentalnych (podstawowych). Znamy cztery typy oddziaływań podstawowych. Co to znaczy? Ano to, że wszystkie oddziaływania, które są znane nawet najwybitniejszym tego świata, można traktować jako szczególny przypadek jednego z czterech oddziaływań podstawowych. Weźmy np: siłę elektrostatycznego odpychania się dwóch jąder atomowych i siłę tarcia kinetycznego między podłogą a przesuwaną po niej szafką. Obie te siły, choć z pozoru tak bardzo różne, to dwa przypadki oddziaływania fundamentalnego, zwanego oddziaływaniem elektromagnetycznym. Wszystkie 4 oddziaływania podstawowe zasługują tutaj na wymienienie. Są to:

  • Oddziaływanie silne.
  • Oddziaływanie słabe.
  • Oddziaływanie elektromagnetyczne.
  • Oddziaływanie grawitacyjne.

Oddziaływaniom podstawowym (ogólnie) poświęcony jest kolejny artykuł z tej serii, potem każde z nich zostanie szczegółowo opisane oddzielnie.

Mam nadzieję, że przyswoiłeś fakty, które właśnie Ci przedstawiłem. Wiem, że wszystko to może brzmieć dziwnie i niewiarygodnie, ale tak właśnie jest. A przynajmniej naukowcy są przekonani, że tak jest. Być może artykuł będzie wymagał niedługo poważnych korekt, ponieważ nasza wiedza o mikroświecie wciąż jest niepełna. Nawet jeśli kiedyś nabierzemy przekonania, po uzyskaniu mnóstwa nowych informacji, że jest pełna, zawsze może się okazać jeszcze niekompletna i wymagać uzupełnień. Brzmi bardziej jak filozofia, a nie nauka, prawda? Jest tak dlatego, że mechanika kwantowa rządzi się szeregiem swoich praw. Prawa te są często nieintuicyjne i wręcz niemożliwe, jeżeli próbować je przenieść na klasyczne myślenie. Prawa mechaniki kwantowej nazywamy jej postulatami.

Mechanika kwantowa opiera się na szeregu postulatów, które laikowi wydadzą się niedorzeczne. Bezpośrednie skutki wynikające z tych postulatów prowadzą często do paradoksów. Trzeba też zdawać sobie sprawę (przypomnienie z góry!), że znaczna komplikacja zjawisk niesie ze sobą znaczącą komplikację aparatu matematycznego, który te zjawiska opisuje. A mechanika kwantowa nie jest taka prosta, jak mechanika (fizyka) klasyczna.

Podsumowanie: po co mi te kwanty?

Rozpisałem się bardzo na temat mechaniki kwantowej, choć wcale nie było to moim zamiarem. Rozpatrywanie oddziaływań w mikroskali wymaga jednak podstawowej wiedzy z zakresu makro- i mikroświata. Zapamiętaj proszę, że w świecie cząstek elementarnych mechanika klasyczna wysiada. Wielu zjawisk nie tłumaczy, a nawet jeżeli próbuje i ma ku temu narzędzia, to dostarcza bzdurnych wyników. Po prostu nie działa. Wobec tego nastąpiła konieczność stworzenia zupełnie nowej, abstrakcyjnej wręcz teorii – mechaniki kwantowej. Skoro jest taka dziwna, to skąd wiemy, że jest dobra? Bo daje wyniki zgodne z wynikami przeprowadzanych doświadczeń. Tłumaczy nie tylko obserwowane własności mikrocząstek, ale także niektóre zjawiska w świecie makro! Przykładami niech będą: problem promieniowania ciała doskonale czarnego, czy efekt fotoelektryczny. W Internetach znajdziesz coś niecoś o tych bestiach.

Pamiętaj też, że mechanika kwantowa tłumaczy wszystko od zera, czyli wykorzystując znane nam fakty o budowie i zachowaniu materii. Opierając się na postulatach, uczeni rozwiązywali coraz to bardziej złożone problemy. Zaczynali od pojedynczych cząstek w zupełnie nierzeczywistych (ale prostych!) układach, a kończą na opisie matematycznym gigantycznych cząsteczek. Mechanika klasyczna, tak dobrze opisująca makroświat, przymyka oko na naturę wielu zjawisk i podaje tylko pewne relacje w postaci wzorów. Obie wersje podejścia do praw przyrody są jednak niezbędne i korzysta się z zawsze z wersji lepiej odpowiadającej rozwiązywanemu problemowi.

Miało być o oddziaływaniach, a wyszło jak wyszło. Piszę ten artykuł już po raz piąty i jestem przekonany, że bez nakreślenia problemu klasyka-kwanty nie da się tematu dobrze ugryźć. Zestawmy więc sobie to, co najważniejsze dla oddziaływań – bohaterów tego artykułu.

Podsumowanie: oddziaływania makro- i mikro-

tabelakwantklas

Mam nadzieję, że lektura artykułu nie była dla Ciebie zbyt męcząca i tylko pobudziła do dalszych poszukiwań. Wiem, jak to wszystko dziwnie brzmi. Może spróbuj przeczytać to raz jeszcze? Kilka razy musiałem problematykę upraszczać, ale dołożyłem wszelkich starań, by się z tym nie zagalopować.

Wprowadzenie to było chyba zbyt obszerne. Nie mogę jednak pozbyć się przekonania, że osoby zainteresowane Przyrodą, w jakimkolwiek tego słowa znaczeniu, powinny zdawać sobie sprawę z takich rzeczy. A chemik Przyrodą niezainteresowany:

  1. Minął się z powołaniem.
  2. Powinien poszukać innego zajęcia.
  3. Może mieć głęboko gdzieś fizyczne podstawy chemii.

Jeżeli poczułeś się dotknięty, nic bardziej mylnego. Sama obecność tutaj świadczy o tym, że nie mam Cię na myśli. 🙂 Bardzo dziękuję za kolejne wspólne spotkanie i do następnego razu! 🙂


1) Istnieje problem z oddziaływaniem grawitacyjnym i jego nośnikiem. Więcej szczegółów o tym – w artykule na temat oddziaływania grawitacyjnego.