Čudotvorni vek fizike ~2

Miloslav Rajković ( 2 deo)

Kod ljudi postoji otpor prema nuklearnim centralama ,jer se misli da su one latentna opasnost.To je tačno ako imamo u vidu da oni koji je opslužuju prave greške.Sa čisto fizičkog stanovišta u njima nema tajni. Drugo je pitanje da li se postupa po propisima.Danas se ipak bezbedno rukuje centralama na nuklearni pogon. Najveća količina energije u Francuskoj dobija se iz nuklearki. " kolike su još rezerve nafte ne znamo sasvim tačno, ali danas se ne vidi druga mogućnost za dobijanje energije " ( prof. Blagojević).  Primedbu da bi alternativni izvor mogla jednoga dana da bude antimaterija prof. komentariše primedbom: " Stvaranje energije iz elektrona i pozitrona takođe se odvija po Ajnštajnovoj jednačini.Ona daje odgovor na pitanje odakle Suncu tolika energija. Uobičajeni mehanizmi stvaranja energije ne mogu da objasne energiju koja dolazi sa Sunca,već milijardama godina. Njen nastanak razumemo tek kao nuklearni proces u skladu sa Ajnštajnovom jednačinom."

Ima li kraja sunčevoj energiji?
"Ima, po svemu što fizika zna. Tu, već, čovek ne zna šta da kaže."

Kako je došlo do opšte teorije relativnosti?

     Profesor Blagojević kaže da se STR zasniva na novom, Ajnštajnovom principu relativnosti, u kome je odnos inercijalnih sistema opisan Lorencovim transformacijama". Uzmimo dve labaratorije: one se jedna u odnosu na drugu kreću konstantnom brzinom, fizički zakoni i u jednoj i u drugoj su isti.Anštajn je onda postavio pitanje šta će biti ako se jedna labaratorija kreće sve brže i brže. Kakva je uloga ubrzanih referentnih sistema u formulisanju fizičkih zakona? U odgovoru na ovo pitanje moramo se opet vratiti Galileju, koji je znao da sva tela u gravitacionom polju Zemlje padaju sa istim ubrzanjem, nezasvisno od svoje mase ( princip ekvivalencije).Postoji legenda da je Galilej taj eksperiment izveo na krivom tornju u Pizi. Ali niko tada nije znao zašto je to tako značajno

Princip uopštavanja.

     To što je znao Galilej iskoristio je tek Ajnštajn. Ako se sva tela u gravitacionom polju kreću na isti način, Ajnštajn je zanemario elektromagnetnu i druge sile i umesto gravitacione uveo krive površi i došao do zaključka da je to zato što se tela kreću po istoj geometrijskoj strukturi. OTR je zasnovana na principu ekvivalencije, koji razjašnjava " ulogu ubrzanih referentnih sistema u formulisanju fizičkih zakona". Ajnštajn je u jednostavnoj činjenici da sva tela u gravitacionom polju Zemlje padaju sa istim ubrzanjem nezavisno od masa, uočio osobinu koja ima mnogo širi značaj.Tu činjenicu je iskazao uvodeći opšti princip ekvivalencije:u lokalnim oblastima prostor vremena, ubrzanje i gravitaciono polje imaju iste efekte ne samo mehaničke, već i na sve fizičke pojave. Polazeći od ovog principa i koristeći uopšteni princip relativnosti ( ili princip kovarijantnosti ), prema kome matematički opis fizičke teorije ne sme zavisiti od referentnog sistema, bilo da je on ubrzan ili ne, Ajnštajn je uspeo da uopšti Njutnos zakon gravitacije i dođe do nove teorije gravitacije ili OTR. Svoju teoriju Ajnštajn je završio 1915. Poznato rešenje jednačina je Švarcšildovo rešenje iz 1916., koje se odnosi na sfernodimetrične sisteme ( kakva je približno Zemlja).

    Na razvoj osnovnih ideja OTR veliki podsticaj je imala Mahova kritika njutnovog shvatanja inercijalnog kretanja u apsolutnom prostoru. Ajnštajn je, svakako, nastojao da izbegne privilegovanu ulogu referentnih sistema. I da je mogao da izgradi teoriju gravitacije u okviru STR, on se ne bi na tome zaustavio. Za potrebe nove teorije on je usvojio tenzorski račun, koji je već bio poznat u matematici. "U tom formalizmu postoji jasna veza između lokalno ubrzanih referentnih sistema i geometrije prostor-  vremena.

   Robert Openhajmer, američki fizičar i direktor laboratorije u Los Alamosu, kada je konstruisana prva atomska bomba, ovako je ocenio Ajnštajnovu teoriju "Opštu teoriju relativnosti za dugo, vrlo dugo vremena niko sem njega ne bi mogao da postavi. U stvari,tek poslednjih godina uvideli smo kako jedan običan, vrlo prilježan fizičar - ili više njih - može da dospe do takve teorije i razume taj jednostvni spoj geometrije i gravitacije."

      Rezultat testova osnovnih predviđanja OTR, koja se razlikuje od Njutnovog učenja, potvrdili su njenu dominantnost u tumačenju gravitacionih fenomena: pomeranje parihela Merkura, skretanje svetlosti pri prolazu sunca, pomeranje linija u spektru zračenja koje dolazi sa Sunca ka crvenom delu spektra ( crveno pomeranje ), merenje vremena putovanja radio signala do Merkura ( uticaj jačine gravitacionog polja na vreme putovanja radio signala). Ajnštajn je proračunao nekoliko efekata svoje teorije. Najsnažnija potvrda stigla je od britanske ekspedicije koja je 1919. godine posmatrala pomračenje Sunca sa južne polulopte ( Principe u Zapadnoj Africi, Brazil).Cilj je bio da se izmeri skretanje svetlosti sa dalekih zvezda pri prolasku pored Sunca.

Alternativne teorije

    Nijedan noviji izmereni podatak nije u suprotnosti sa anštajnovom teorijom. problemi nastaju pri pokušaju da se OTR uključi u kvantnu sliku. "Kada se pokušava stvoriti kvantna teorija gravitacije onda se uočava kontradikcija. Te dve stvari čisto matematički ne mogu da se spoje. Zato, iako nema izmerenih podataka koji nisu u skladu sa OTR, fizičari nastavljaju da tragaju za mogućom alternativnom teorijom."

     Jedean od takvih pokušaja, zasnovan na idejama francuskog matematičara Kartana, nastao je 60. tih godina prošlog veka Ajnštajn-Kartanova teorija na klasičnim testovima daje iste rezultate kao OTR, pa je stoga sasvim prihvatljiva sa eksperimentalnog stanovišta. Ima elemenata koji je čine boljom, ona uključuje spin čestice,što je kvantna osobina.

" Moj nemački kolega Hel je u jednom predavanju rekao - Anštajnova teorija je najbolja alternativna teorija, u smislu da je Ajnštajn-Kartanova teorija s današnjeg stanovišta bolja od Ajnštajnove, koja ne uključuje nikakve kvantne elemente. Dakle, može se reći, kvantna teorija gravitacije je aktuelan zadatak fizičara.Na ovome poslu fizičari još nisu blizu kraja.

      Ajnštajnova OTR je, međutim, omogućila da se traga za odgovorom na pitanje šta je Vasiona. Iako je to pitanje postavila još Njutnova fizika, ona ga nije mogla da reši. Pitanje kosmologije je moglo da se naučno postavi i reši tek ovom teorijom. Međutim nikakvih predviđanja nisu bila moguća bez rešenja Ajnštajnove jednačine, a one se nisu mogle rešiti bez poznavanja homogensti principa prostor-vremena ) iste osobine u svakoj tačci) i izotropnosti ( iste osobine u istom pravcu). Prve analize su se oslanjale na osnovu osobina statičnosti. Vasiona je opisivana kao prostor-vreme određenog oblika, čija se struktura u toku vremena menjala. Kada je američki astronom Rdvin Habl otkrio da se vasiona širi, i da se objekti u njoj međusobno udaljavaju, Ajnštajnovo rešenje se s tim u prvi mah nije slagalo. Matematičari su, međutim, vrlo brzo našli rešenje koje odgovara Hablovom otkriću. Postavilo se logično pitanje,ako se vasiona širi,šta se događalo u prošlosti, mora da je bila sve manja i manja. Anštajnova jednačina je u ovom kontekstu dopunjena rezultatima teorije elementranih čestica i stvorena je današnja slika kosmosa koja se zove veliki prasak. Fizika još ne zna pouzdano da objasni mehanizam samog početka, praska, ali ono što astronomi znaju saglasno je sa slikom praska, eksplozije, iza koje je usledio period smirivanja. "Dalje se sve počelo odvijati u skladu sa OTR i predviđanjima savremene teorije elementarnih čestica, koja uključuje i jednačinu E=mc2.

     Kvantna teorija je bila sledeći korak novog učenja u fizici.Prve ideje o kvantnoj teoriji javile su se između 1910. i 1912. godine. Danski fizičar Nils Bor došao je do zaključka da energije koje se opažaju u eksperimentima koji se odnose na zračenje atoma, ne mogu da imaju bilo koju vrednost, već samo neke diskretne vrednosti, pretpostavljajući da je takva sama priroda materije. Čitav niz fizičara početkom dvadesetih godina radi na tom polju-verner hajnzenberg, Ervin Šredinger( čija se jednačina koristi i danas ) Maks Born, Luj de broj, Pol Dirak.

       "Dirak je sve to zavio u jednu matematičku formulu i zaokružio osnovnu koncepciju kvantne mehanike. De broj je, npr.,raspravljao o dualnoj prirodi svih objekata mikro sveta.Elektron može da se nađe na jednoj ali ne može na svakoj putanji, može da prođe sa jedne na drugu putanju ili u više stanja."

Ajnštajnovo protivljenje

      Nova teorija ipak nije mogla sa sigurnošću da predviđa događaje u mikro svetu. Kada bi predviđali događaje naučnici su koristili termin verovatnoće. Ne bi govorili da elktroni prelaze, već o verovatnoći da mogu da pređu u novo stanje. Ajnštajnu je to bilo neprihvatljivo i do kraja života nije prihvatio pogled, na prirodne pojave, koji operiše verovatnoćom. Kritički stav prema kvantnoj mehanici ilustrovao je jednstavnim mislenim eksperimentom. Mnogo je vremena proveo u nadmudrivanju sa pristalicama teorije, naročito sa Nilsom Borom. Jednom je, kažu, Bor likovao od sreće pokazavši Ajnštajnu da nije u pravu jer nije uzeo u obzir svoju opštu teoriju relativnosti.

     "Kvantna mehanika zaista imponuje. Ali neki unutrašnji glas mi kaže da to još uvek nije prava stvar.Teorija kaže mnogo ali nas još ne približava tajnama Boga. Ja sam u svakom slučaju, ubeđen da on ne baca kocku", pisao je Bornu krajem 1926.

      Bez obzira na svoj kritičan stav, Ajnštajn je doprineo razvoju kvantne mehanike. Najpre svojim radom o foto-efektu-kritikama i primedbama on je motivisao fizičare koji su verovali u kvantnu teoriju da neprestano rade na njenom poboljšanju. Čak i kada je uslovno prihvatio pojam verovatnoće, smatrao je da iza njega mora da stoji neka tačna formulacija, neke skrivene varijable, koje još nismo videli. Verovao je da one postoje i ako bismo do njih došli kvantna teorija se više ne bi temeljila na principu verovatnoće. Švajcaraca Bel je razjasnio mogućnost pod kojim uslovima skrivene varijable postoje a pod kojim ne. Ovo je samo jedna ilustracija kako je Ajnštajn ovo protivljenje uticalo na razjašnjenje strukture kvantne mehanike.

     Ponekada se govori o Ajnštanovim greškama. Njegovo neprihvatanje kvantne teorije u nekom smislu jeste greška. Uslovno govoreći greška, jer je on umnogome doprineo da se ta teorija razvije. Govorio je da Bog ne voli da radi sa verovatnoćom, pa nije ni mogao da nam podari kvantnu mehaniku. Nova teorija, međutim, uspesima potvrđuje da je Bog ( Stari kako kaže Ajnštajn) ostao sklon kocki. Ona je u takvoj meri potvrđena, možda bolje nego ijedna teorija pre nje, sa tačnoćču koja ne ostavlja sumnju u njena predviđanja.Kad nešto izračunate pomoću Šredingerove jednačine i potom izmerite rezultati se izvanredno slažu.Treba pomenuti da danas postoje i druge varijante teorije ( kvantna teorija polja) koje u skladu sa STR.

     Na osnovu standardne kvantne mehanike razume se čitava struktura atoma, nuklearno jezgro.Sunčeva energija i veliki broj drugih fenomena o kojima fizičari nisu mogli ni da sanjaju. Savremena teorija elementarnih čestica je njen prirodni nastavak.Zakoni u teoriji elementarnih čestica su zakoni kvantne mehanike. Oblast elementarnih čestica su uglavnom odnosi na tri od četiti osnovne interakcije u prirodi- elektromagnetnu,slabu i jaku) ili nuklearnu .Gravitacija je povezana sa teorijom elementarnih čestica, ali ima svoje posebne probleme.

     Specijalna i opšta teorija relativnosti i kvantna teorija da le su pečat fizici dvadesetog veka. Možemo da govorimo, kao i u slučaju svakog drugog znanja, o njihovim pozitivnim posledicama. Kad biolog ili lekar nešto znaju o ljudskom organizmu, mogu da leče, a mogu i da ga otruju. Isto je i sa fizikom. Kada znamo neke osobine fizičkih pojava možemo da ih koristimo na dobro ili zlo ( smrtonosna oružja). Sateliti se kreću po putanjama koje je još Njutn poznavao, samo što je tehnologija neslućeno napredovala. Kompjuteri rešavaju mnoge probleme,a oni se ne mogu zamisliti bez otkrića kvantne mehanike. Moderna tehnologija najuverljivije odslikava kakvi su dometi u praksi, naročito u medicini (operacije pomoću lasera).Istraživači su u stanju da modeluju atome i usavršavaju tehnologiju veoma malih dimenzija( nanotehnologija).

     Fizika kondenzovanog stanja, fizika plazme, atomska i nuklearna fizika su grane savremene fizike. Fizika kondenzovanog stanja je razvila tranzistore. Fizika plazme učestvuje u pokušajima stvaranja novih izvora energije. Atomska bomba je zasnovana na fuziji čestica, ali postoji i obrnuti proces, fisija, pri kojoj se enerija oslobađa rasturanjem čestica. Prvi proces je do sada realtivno iskorišćen i znamo da ga kontrolišemo (nuklearne centrale). Drugi( hidrogenska bomba) još ne znamo da kontrolišemo. Plazme koje se zagrevaju na visokim temparaturama pružaju mogućnost da se kontroliše proces fizije. Fizičari veruju da je taj proces blizu. Takav proces dobijanja energije bio bi ekološki čistiji, bez radioaktvnog otpada.

1 deo

izvor