W drugiej części "Najkrótszej historii cząstek" prześledziliśmy dzieje tzw. fizyki klasycznej, od czasów Newtona, do Maxwella. Zmienne pole elektryczne wytwarza pole magnetyczne, a zmienne pole magnetyczne wytwarza pole elektryczne. Ten samonapędzający się mechanizm jest podstawą wszelkich wynalazków, począwszy od radia i telewizji a skończywszy na satelitach, GPS, komórkach i internecie. To odkrycie i nazwiska Faradaya, Maxwella i Hertza powinny być przez historię potraktowane w szczególny sposób – o wiele bardziej wyjątkowo niż jakiś tam Stalin, Hitler i wielu innych polityko-morderców.

Teoria względności Einsteina

Nikt nie mógł się spodziewać, że nikomu nie znany szwajcarski urzędnik, którego nikt nie chciał przyjąć na uniwersytet, opublikuje w 1905 roku kilka artykułów, które wstrząsną światem fizyki. Teoria względności, równoważność masy i energii, E=mc², efekt fotoelektryczny, ruchy Browna – wszyscy uczniowie we wszystkich szkołach na całym świecie znają te pojęcia. Które z nich można by uznać za największe? Może powiązanie prawa grawitacji Newtona z polem elektromagnetycznym Maxwella?

Dla każdego z nas naturalne i zrozumiałe jest, że gdy z poruszającego się pociągu wyrzucimy kamień (czego z oczywistych względów nie powinniśmy jednak robić), to obserwator na peronie zobaczy, że porusza kamień się szybciej lub wolniej – w zależności od kierunku rzutu. Identyczną regułą rządzi się dźwięk (efekt Dopplera) – słyszymy zmianę wysokości dźwięku, gdy mija nas karetka pogotowia ratunkowego (która być może ratuje poszkodowanego przez rzucony z pociągu kamień).

Tę zależność prędkości można było w prosty sposób wyliczać i nie byłoby problemów, gdyby nie światło, które zachowywało się inaczej. Światło ma stałą (choć ogromną) prędkość. Co więcej ta prędkość jest niezależna od tego, kto i z jakiego układu ją obserwuje. Gdyby nasz hipotetyczny pociąg pędził z prędkością światła, to kamień wyrzucony  pociągu poruszałby się też z prędkością światła – nie szybciej! Ta wyliczona przez Maxwella sprzeczność spędzała „sen z powiek” naukowcom i stanowiła rysę na klasycznej fizyce.

Einstein zaproponował nowe podejście, które wydaje się pozornie nierealne i przez długi czas było nieakceptowane przez naukowców. Co więc wymyślił i udowodnił matematycznie Einstein? Skoro prędkość światła jest stała – i to jest niezaprzeczalny pewnik naszego świata, to wszystkie poruszające się obiekty powinny mieć różne długości, dla różnych obserwatorów. A co ciekawsze – nie obserwujemy ich w tym samym czasie! Dzięki temu prostemu zabiegowi, cała fizyka klasyczna została dokładnie opisana i zamknięta jednym wzorem.

Fizyka kwantowa

Teoria względności Einsteina do dzisiaj zachowuje swą aktualność i bez jej przewidywań nie moglibyśmy dzisiaj korzystać z GPS i latać w kosmos. Pomimo tego już rozpoczynała się kolejna rewolucja – kwantowa. Początki należy przypisać genialnemu Einsteinowi, który w 1905 roku opublikował pierwszą pracę o fotonach. Niezmiernie małe wymiary odkrywanych cząstek i niemożność ich bezpośredniej obserwacji stawiały przed naukowcami nie lada wyzwania, bo jak badać coś, czego nie widać?

Okazało się, że nic nie pomoże budowanie coraz mniejszych i dokładniejszych urządzeń, że można jedynie opisać prawdopodobieństwo, gdzie znajdzie się cząstka i z jaką prędkością będzie się przemieszczać, że piękny świat fizyki klasycznej może zostać zastąpiony przez nieoznaczoność fizyki kwantowej. Einstein do końca życia nie mógł pogodzić się z tym, że świat może być nieprzewidywalny, wyrażając to w słynnym zdaniu: „Pan Bóg nie gra w kości”.

mgr inż. Wacław Libront