Fiziko
El Vikipedio
Fiziko estas la scienco pri la naturo kiu priskribas la fundamentajn ecojn, la movadon, kaj la interagojn de la konstituantoj de la Universo. Fizikistoj priskribas tion ĉi en terminoj de la movokvanto kaj energio de la konstituantoj kaj la interagaj fortoj inter la konstituantoj. La tempa naturo de agado ĉe distanco de fortoj estas priskribitaj de fizikistoj per fundamentaj partikloj. Ekzemple, la fotono peras la elektromagnetan interagon inter elektrono kaj protono. Fizikistoj ĉiam premas por pli fundamanta priskribo de la konstituantoj de naturo; kaj tiel komponantojn de "fundamentaj" partikloj, ekzemple kvarkojn.
Fizikistoj ellaboras teoriojn pri la komponaĵoj de la materio per helpo de matematiko. Ekzemploj estas la teorioj de klasika mekaniko, relativeco, kaj kvantuma mekaniko. Termodinamiko estas teorio pri la statistika dinamiko de la konstituantoj de la Universo. La fizikistoj studas la ecojn kaj interagojn de materio, radiado kaj kampoj.
La vorto "fiziko" venas el la greklingva vorto φυσις (naturo).
Malkovroj en la kampo de fiziko trovas ofte aplikojn en aliaj natursciencoj kiel kemio, inĝenierado, biologio, ktp.
Enhavo |
[redaktu] Ĝeneralaĵoj
La fizikistoj observas, mezuras kaj modeligas la konduton kaj la interagojn de la materio tra spaco kaj tempo, definitaj kiel fizikaj fenomenoj.
- La teorioj, bone establitaj aŭ ne, enhavas leĝojn eksprimitajn per matematikaj ekvacioj.
- Per fiziko oni provas priskribi la Universon en ĉiuj siaj observeblaj aspektoj.
Fiziko estas ĝenerale konsiderata la branĉo de scienco kiu pleje uzas la sciencan metodon, ĝis tia grado ke tiu ĉi estas ofte priskribata laŭ la modelo de la fizika esplorprocezo. Samtempe, ĝi estas la scienco plej dependa de la uzo de Matematiko, speciale por la kreado de fizikaj modeloj, kiu poste povas esti pruvata per la fizikaj esploroj.
Oni ofte notigas ke inter la fizikistoj ekzistas divido inter la eksperimentistoj kaj la teoriistoj, kaj ke estas maloftaj la homoj kiuj elstaris en ambaŭ branĉoj. Tamen, la teorio kaj la eksperimento estas forte dependaj inter si. La progreso en Fiziko okazas ofte kiam la eksperimentoj malkovras fenomenojn kiujn la teorio ne povas ekspliki, kio kondukas al la lanĉo de novaj teorioj. Siavice, tiuj ĉi montras la vojon al novaj eksperimentoj. Sed la malo okazas. Ekzemple, la neŭtrino kaj la nigra truo estis teorie prognozitaj multaj jaroj antaŭ eksperimenta malkovro.
Vidu ankaŭ: Fizikaj Konstantoj - Unuoj - Mezuro
[redaktu] Ĉefaj Branĉoj de Klasika Fiziko
[redaktu] Meĥaniko
[redaktu] Termodinamiko
[redaktu] Elektromagnetismo
[redaktu] Ondoj kaj Vibroj
[redaktu] Optiko
http://www.eventoj.hu/libroj/optiko.pdf
[redaktu] Ĉefaj Branĉoj de Moderna Fiziko
[redaktu] Teorio de relativeco
Relativeca teorio
Teorio provante komence klarigi la relativan movon de korpoj. La moderna fiziko fakte akceptas du tre malsamajn konceptojn: la specialan kaj la ĝeneralan relativecojn, ambaŭ disvolvitajn komence de la 20a jarcento, ĉefe de Alberto Ejnstejnio. La relativeca teorio kaj ĝiaj disbranĉiĝoj hodiaŭ partoprenas en la fizikaj fundamentaj konceptoj.
Klasika fiziko
Fine de la 17a jarcento Isaac Newton formulis la fundamentajn principojn de la meĥaniko resumitajn en la hodiaŭ t. n. leĝoj de la klasika meĥaniko. Antaŭ la enkonduko de la relativeca teorio la mekanikaj leĝoj estis komune akceptitaj de sciencistoj. La neŭtona meĥaniko kaj la relativeca meĥaniko diferencas pro iliaj fundamentaj hipotezoj kaj matematika traktado. Tamen la entutaj rezultoj kiujn ili eblas starigi ne estas ĉiam kontraŭdiraj, precipe kiam "simplaj" fizikaj situacioj estas esplorataj. Ekzemple, strebante antaŭdiri la konduton de ĵus kunbatiĝintaj bilardgloboj, la klasika kaj la relativeca meĥaniko kvazaŭ idente rezultigas. Studante tiajn kazojn oni prefere uzas la klasikajn matematikajn kalkulojn, multe pli simplajn ol la relativecajn. Male se la rapido de korpoj aŭ partikloj proksimiĝas al la luma rapido, ambaŭ teorioj antaŭdiras tre malsamajn kondutojn. Tiukaze necesas apliki la relativecajn leĝojn.
La liman aplikon de la klasika meĥaniko pri movanta korpo difinas faktoro enkondukita de fizikistoj Lorentz kaj Fitzgerald fine de la 19a jarcento. Tiu faktoro, skribita per la greka litero β, difiniĝas tiel: β = v/c, kie v estas la korpa rapido kaj c la luma rapido: 299 792 458 m/s. Oni uzas la klasikan meĥanikon kiam β estas neglektebla rilate al 1, la relativecan kiam β proksimiĝas al 1. Do pri ordinaraj teraj fenomenoj (solidaĵa meĥaniko, balistiko) eblas malatenti la relativecajn korektojn. Male kiam la korpaj rapidoj fariĝas tre altaj, kiel pri iaj astronomiaj fenomenoj, la relativecaj korektoj gravas. Same pritraktante tre grandajn distancojn aŭ studante kvante gravajn materiajn agregatojn la relativecaj principoj nepre necesas. Same kiel la kvantuma teorio aplikiĝas pri infinite malgrandaj aĵoj la relativeca teorio aplikiĝas pri infinite grandaj aĵoj.
La principoj de la klasika fiziko estis tutmonde akceptitaj ĝis 1887. Tiu ĉi jaro la fizikisto Albert Michelson kaj la kemiisto Edward Williams Morley plenumis la eksperimenton nomitan de siaj nomoj. Ambaŭ sciencistoj provis determini la teran rapidon en etero, substanco rigardita kiel transsendante la elektromagnetajn radiadojn kaj supozita totale okupi la spacon. Se la suno estus senmova en la spaco, la tero havus konstantan rapidon 29 km/s kaŭze de sia rivoluo ĉirkaŭ la suno. Male se la suno kaj la sunsistemo moviĝus en la spaco, la varia direkto de la orbita movo de la tero implicus ke ĝia ŝajna rapido estas kombinado de ĝia propra kaj de la suna rapidoj. La rezulto de la eksperimento estis neatendita kaj ĉiepoke neklarigebla: la tera ŝajna rapido en la hipoteza etero estas nula.
Praktike la Michelson-Morleya eksperimento devis ebligi la detekton de diferenco de la luma rapido okaze de la uzo de du lumfaskojn propagiĝantajn laŭ du malsamaj direktoj de la spaco. Efektive se lumradio kaj observanto moviĝus samdirekten en la spaco kun respektivaj rapidoj 300 000 km/s kaj 29 km/s, la lumo preterpasus la observanton kun ŝajna rapido kiu estus la diferenco de tiuj du rapidoj. Se la observanto moviĝus kontraŭdirekten de la lumo, la suna ŝajna rapido estus la sumo de tiuj du rapidoj. Tiun malsimilecon la Michelson-Morleya eksperimento ne sukcesis detekti.
Dum la 1890aj jaroj Lorentz kaj Fitzgerald aparte hipotezis jene: kiam korpo moviĝas en la spaco, la longo de sia trajektorio ŝrumpiĝas movodirekten. Tio ebligis klarigi la malsukceson de la Michelson-Morleya eksperimento. Kvankam unu el la du lumfaskoj moviĝas pli malrapide ol la alia, t.e. trairas dum la sama tempo pli mallongan spacon, la iloj mezurantaj ĉi lastan spertas la saman ŝrumpiĝon laŭ la Lorentz-Fitzgeralda hipotezo. La konjektita fenomeno estas do neobservebla. Tial en la Michelson-Morleya eksperimento la spaco trairita de la lumo dum 1 s ŝajnas ne ŝanĝi kia ajn esta s la rapido per kiu la lumo reale propagiĝas. La sciencistoj rigardis tamen la Lorentz-Fitzgeraldan ŝrumpiĝon kiel malmulte kontentigan ĉar uzante la koncepton de absoluta movo por konkludi ke tian movon ne eblas observi.
Speciala relativeco
En 1905 Ejnstejnio publikigis la unuan gravan artikolon pri la relativeca teorio. La sciencisto tiam neas la ekziston de absoluta movo. Laŭ li en la universo neniu aparta korpo povas provizi universalan referencan koordinatsistemon absolute senmovan. Sed ĉiu korpo provizas koordinatsistemon taŭgan por studi ĉiujn movojn. Oni povas do tiel prave aserti ke trajno trapasas stacidomon, aŭ ke la stacidomo moviĝas rilate al la trajno. Sekve laŭ Ejnstejnio ĉiu movo estas relativa kaj oni devas precizigi la studadan referencsistemon.
Neniu Ejnstejnia fundamenta hipotezo estas revolucia, precipe kontentiĝante per la trajna ekzemplo. Fakte Newton jam asertis ke la absoluta senmovo ne povas esti difinita rilate al la situo de korpoj nin ĉirkaŭantaj. La novaĵo estis aserti ke la relativa rapido de iu ajn observanto rilate al lumradio estas ĉiam senŝanga: kvazaŭ 300 000 km/s. Tiele se du observantoj moviĝas unu rilate al la alia kun rapido 160 000 km/s kaj mezuras la rapidon de la sama lumradio, ambaŭ konstatos ke ĉi lasta moviĝas je 300 000 km/s. Tiun ŝajne nenormalan rezulton pruvis la Michelson-Morleya eksperimento. Laŭ la klasika fiziko unu el la observantoj povas esti senmova dum la alia mezure eraras kaŭze de la Lorentz-Fitzgeralda ŝrumpiĝo. Laŭ Ejnstejnio ambaŭ observantojn oni povas konsideri senmovajn kaj neniu el ili mezure eraris. Fakte ĉiu observanto uzas propran koordinatsistemon kiel referencsistemo. Eblas ŝanĝi el iu koordinatsistemo al alia per matematika transformigo. La ekvaciojn de tiu transformigo nome konatajn kiel Lorentza transformiga grupo Ejnstejnio akceptis. Li tamen alimaniere ilin interpretis asertante ke la luma rapido restas senŝanĝa en iu ajn Lorentza transformigo.
Laŭ la relativeca teorio spaco same kiel maso kaj tempo modifiĝas direkten de la objekta movo. Tiujn transformiĝojn determinas la faktoro γ. Elektrono, malkovrita komence de la 20a jarcento, estas taŭga temo por esplori tiajn asertojn. La elektronoj produktitaj de radioaktivaj substancoj havas rapidojn proksimajn al la luma rapido. Kiam elektrono rapide moviĝas ene de magneta kampo eblas sian mason facile determini mezurante la kurbecon de sia trajektorio. En konstanta kampo ju pli peza estas la elektrono des pli granda estas sia inercio kaj malgranda la kurbeco de la trajektorio. Oni konstatas ke dum la movo la elektrona maso duobliĝas. La eksperimentoj pravigas la Ejnstejniajn antaŭdirojn: la elektrona maso pliiĝas ekzakte laŭ la antaŭdiran valoron. La kineta energio de la akcelata elektrono konvertiĝas al maso laŭ la formulo E = mc² esprimante la samvalorecon maso/energio.
La fundamenta hipotezo apogante la Ejnstejnian teorion estas la neekzisto de absoluta senmovo en la universo. Ejnstejnio postulatis ke du observantoj moviĝantaj unu rilate al la alia per konstanta rapido observas identajn "leĝojn de la naturo". Tamen unu el ambaŭ observantoj povas registri en malproksimaj steloj du eventojn kvazaŭ ili okazas samtempe dum la alia observanto konstatas ke unu evento okazis antaŭ la alia. Tiu malsameco de observadoj ne valide kontraŭdiras la relativecan teorion. Efektive laŭ ĝi samtempeco ne ekzistas por malproksimaj eventoj. Alidire ne eblas sole specifi la momenton kiam evento okazas sen precizigi la lokon kie ĝi okazas. Eblas ekzakte priskribi la "interspacon" aŭ la "intertempon" inter du eventoj kombinante la spacan kaj tempan intervalojn sed ne pere de unu aŭ la alia unuope. La kvardimensia spaco-tempo (tri spacaj dimensioj kaj unu tempa) en kiu ĉiuj universaj eventoj okazas nomiĝas spacan-tempan kontinuaĵon. Ene de tiu spaco la spacan-tempan movon de korpo priskribas ĝia universala linio.
Ĝenerala relativeco
En 1915 Ejnstejnio enkondukis la ĝeneralan relativecan teorion en kiu li konsideras korpojn akcelitajn unuj rilate al aliaj. Sia komenca celo estis klarigi la ŝajnajn diverĝojn inter la relativecaj leĝoj kaj la gravita leĝo. Li tiam novamaniere konceptis la graviton baziĝante sur la principo de samvaloreco. Laŭ tiu principo gravitaj fortoj plene samvaloras akcelajn fortojn. Do teorie ne eblas eksperimente diferencigi ambaŭ specojn. Laŭ la speciala relativeca teorio persono en veturilo rulanta sur glata vojo ne eblas scii ĉu ĝi estas senmova ĉu konstantrapida. Laŭ la ĝenerala relativeca teorio se la veturilo akcelas, malakcelas aŭ vojturniĝas la pasaĝero ne eblas scii ĉu gravito ĉu akcelo kaŭzas la okazantajn fortojn.
Akcelo estas ŝanĝo de la rapido dum tempo. Ni konsideru astronaŭton starantan en raketo antaŭ la ekflugo. Kaŭze de la gravito, la astronaŭto staras tenata per forto egala je sia pezo p. Ni konsideru la saman raketon en la interplaneda spaco, malproksiman al ĉiu korpo kaj subigatan de neniu gravito. Kiam la raketo akcelas la astronaŭto denove spertas la puŝadon tenantan lin starantan. Se la akcelo estas 9,81 m/s² (la surtera pezeca akcelo), la puŝado aplikata al la astronaŭto egalas p, lian pezon. Se li ne rigardas tra la luko, la astronaŭto ne scias se la raketo estas senmova sur la tero aŭ konstante akcelas en la interplaneda spaco. Do la forto kaŭzata de la akcelo ne distingiĝas el la gravita forto. Laŭ la Ejnstejnia teorio la neŭtona gravita leĝo hipoteze ne necesas. Ejnstejnio ligas ĉiujn fortojn kun akcelaj efikoj, tiel gravito kiel fortoj ligitaj kun akcelo. La raketon senmovan sur la tero altiras ties centro. Ejnstejnio deklaras ke raketa akcelo okazigas tiun altirigan fenomenon. En la tridimensia spaco la raketo ja estas senmova; ĝi do ne estas akcelata. Sed en kvardimensia spaco-tempo la raketo movas laŭ sia universala linio. La kurbeco de la kontinuaĵo proksime de la tero implicas kurbecon de la universala linio de la raketo, kio klarigas ĝîan relativecan movon.
Do la Neŭtonan hipotezon, laŭ kiu du korpoj reciproke altiras proporcie al siaj masoj, anstataŭas la relativeca hipotezo, laŭ kiu la kontinuaĵo estas kurba proksime de masivaj korpoj. La Ejnstejnia gravita leĝo tiam simple asertas ke la universala linio de ĉiu korpo estas geodeziaĵo en la kontinuaĵo. Geodeziaĵo estas la plej mallonga "vojo" inter du punktoj. En kurba spaco la geodeziaĵoj ne estas necese rektoj. Tiele la geodeziaĵoj tersurface estas grandaj cirkloj.
Teoriaj konfirmoj
La ĝenerala relativeca teorio estis plurmaniere konfirmita. Jen kelkaj ekzemploj. La teorio interalie antaŭdiras ke la trajektorio de lumradio kurbiĝas en la proksima najbaraĵo de masiva korpo kiel la suno. Kontrolante tiun antaŭdiron la sciencistoj unue elektis la observadon de steloj aperantaj proksime de la suno. Iliaj ŝajnaj situoj estis notitaj kaj komparitaj kun iliaj situoj kelkaj monatoj pli poste kiam ili estis malproksimiĝintaj el la suno. La Ejnstejniaj antaŭdiroj estis tiam pravigitaj. Ĉi lastaj jaroj kompareblaj testoj estis faritaj pri la direktoŝanĝiĝoj de radioondoj devenantaj el malproksimaj kvazaroj. Tiuj testoj konfirmis la ĝeneralan relativecan teorion.
Alia ekzemplo konfirmas la ĝeneralan relativecan teorion. Ekde pluraj jaroj estas konata ke la punkto plej proksima de la suno tra kiu Merkurio pasas moviĝas ĉirkaŭ la suno kun periodo 3 milionoj da jaroj. Male de la klasika teorio, la relativeca antaŭdiras tiun movon. Freŝdate radare faritaj mezuroj de la Merkuria orbito konfirmis la relativecajn antaŭdirojn kun necerteco nur 0,5 elcento.
Freŝdataj observadoj
Post 1915 la relativeca teorio kreskis kaj ampleksiĝis dank'al Ejnstejnio, sed ankaŭ al britaj astronomoj James Jeans, Arthur Eddington kaj Edward Arthur Milne, al holanda astronomo Willem de Sitter, kaj al german-usona matematikisto Hermann Weyl. Multe da iliaj laboroj strebas la relativecan teorion plivastigi por elektromagnetajn fenomenojn enteni. Pli freŝdate pluraj serĉistoj provis unuecigi la relativecan gravitan teorion kun elektromagnetismo kaj la forta kaj malforta nukleaj interefikoj. Kvankam kelkaj progresoj okazis neniu teorio estas hodiaŭ ĝenerale akceptita.
Fizikistoj ankaŭ multe klopodis disvolvi la kosmologiajn konsekvencojn de la relativeca teorio. Enkadre de la Ejnstejniaj aksiomoj pluraj disvolvaj vojoj eblas. Ekzemple la spaco estas kurba kaj sia ekzakta kurbeca grado proksime de pezaj korpoj estas konata; sed sia kurbeco en la vakua spaco, kaŭzata de la entutaj universaj materio kaj radiado, restas necerta. Krome la sciencistoj ankoraŭ ne scias ĉu tiu kurbo estas fermita (t.e. sferosimila) ĉu malfermita (cilindrosimila aŭ simila al bovlo kun senlimaj parietoj). La relativeca teorio egale implicas la eblecon de universa ekspansio. Tiu ekspansia teorio kredeblas la hipotezon laŭ kiu la universa pasinta historio finiĝis. Ĝi ankaŭ malfermas multajn esploradajn kampojn ankoraŭ malmulte esploritajn. Sekve de la Ejnstejniaj antaŭdiroj alia grava esplorada temo en fiziko estas la studado de gravitaj ondoj devenantaj ekzemple el oscilo aŭ disfalo de masivaj steloj, kiuj perturbas la spacan-tempan kontinuaĵon.
Granda parto de la lastaj esploradoj pri relativeco dediĉiĝas al la kreado de relativeca kvantuma meĥaniko manipule praktika. En 1928 la matematikisto kaj fizikisto Paul Dirac disvolvis relativecan teorion pri elektrono. Poste kontentiga teorio nomita kvantuma elektrodinamiko unuecigis la relativecan kaj kvantumfizikan konceptojn. Tiu teorio estas propra al la studado de interefiko inter elektronoj, pozitonoj kaj elektromagneta radiado. Pli freŝdate la brita fizikisto Stephen Hawking provis totale integri la kvantuman meĥanikon kaj la relativecan teorion.
Konstateblas ke la ĝenerala relativeca teorio formulita en 1915 elpuŝis la neŭtonan gravitan teorion; ĝi sukcesis ĉiujn disponeblajn eksperimentajn aŭ observadajn testojn kaj logis per sia matematika beleco. La ununura nigra punkto estas ĝia neakordigebleco kun la kvantuma fiziko.
[redaktu] Kvantummeĥaniko
La klasika meĥaniko
Por bone kompreni la kvantummeĥanikon, kaj por pritaksi la fundamentajn diferencojn, oni devas unue havi klaran bildon pri la t.n. klasika meĥaniko, do tiu meĥaniko, kiu ĝis la komenco de la 20a jarcento estis konsiderata universale valida, kaj kiu ĵuste priskribas la konduton de grandaj, ekzemple ĉiuj senile videblaj, objektoj. Kvankam ĉiu havas iom da praktika sperto pri la klasika meĥaniko el la observado de ĉiutagaj aferoj, la teoria priskribo estas malpli konata.
La temo de la meĥaniko estas la priskribo de la movoj de materiaj aĵoj al kiuj agas fortoj. La estiĝo kaj konduto de tiuj fortoj estas la temo de aliaj fakeroj de la fiziko; la elektrikajn kaj magnetajn fortojn ekzemple pritraktas la elektrodinamiko. Ekzistas mekanikaj priskriboj kaj por rigidaj kaj por flekseblaj aĵoj, tamen nun ni konsideras nur punktformajn objektojn, por plisimpligi la priskribon. Oni povas priskribi ĉiujn aliajn materiajn objektojn kiel amason da punktaĵoj, do tiu limigo ne estas fundamente grava. Punktformajn materiajn objektojn oni kutime nomas maspunktoj.
Unue ni devas pripensi kiel la klasika meĥaniko priskribas la movon de maspunktoj, do kia estas la rezulto de laŭmekanika kalkulo. Tiu problemo ŝajnas simpla, la solvo evidenta. Tamen jam al tiu demando la kvantummeĥaniko donas tute alian respondon, kiel ni vidos sekve.
Fakte la rezulto de laŭmekanika kalkulado estas matematikaj funkcioj, kiuj por ĉiu tempo indikas la lokojn de ĉiuj maspunktoj. Konante tiujn funkciojn oni povas kalkuli ĉiujn aliajn fizikajn grandojn, ekzemple rapidojn, energiojn, ktp. Nenia plia informo estas bezonata, fakte eĉ neniuj pliaj sendependaj fizikaj grandoj ekzistas por maspunktoj.
Sed kiun informon oni bezonas por kalkuli tiujn funkcioj ? Kompreneble priskribon de la tuta fizika sistemo, do la nombron de maspunktoj kaj la fortojn agantajn inter ili. Sed tio ne sufiĉas, kiel la ĉiutaga sperto montras: pendolo (kiu povas esti rigardata kiel maspunkto kun (preskaŭ) senmasa ŝnuro al kiu agas la tero per la pezforto) povas vaste svingiĝi aŭ tute ne moviĝi, depende de kion ni komence faras pri ĝi. Krom la supre menciita priskribo, oni bezonas la lokojn kaj la rapidojn de ĉiuj maspunktoj je unu tempo. Havante tiujn informojn, oni povas kalkuli la funkciojn. Pro tio oni diras, ke lokoj kaj rapidoj difinas la dinamikan staton de fizika sistemo.
Akiri la funkciojn nun estas pure matematika problemo. La priskribo de la fizika sistemo donas regulon, laŭ kiu oni povas kalkuli la fortojn inter la maspunktoj konante iliajn lokojn kaj rapidojn (ofte la lokoj jam sufiĉas). La fama leĝo de Newton asertas, ke la forto aganta al iu maspunkto, dividita per ties maso, egalas la ŝanĝon de la rapido. Konante la komencajn rapidojn kaj la fortojn, oni do facile kalkulas la estontajn rapidojn. Konante la rapidojn, kiuj ja estas la ŝanĝoj de la lokoj, kaj la komencajn lokojn, oni kalkulas la estontajn lokojn. Entute do tiu kalkulproceso donas la estontan dinamikan staton.
Fundamente tio estas kompleta priskribo de la klasika meĥaniko por maspunktoj. Tamen estas menciinde, ke la leĝo de Newton ne estas la sola formo de la leĝoj de la meĥaniko. Pluraj aliaj versioj ekzistas, kiuj donas precize la samajn rezultojn, sed havas avantaĝojn aŭ malavantaĝojn en la praktika uzo, depende de la solvenda problemo. Precipe gravaj estas la ekvacioj de Hamilton, kiuj donas la ŝanĝojn de lokoj kaj rapidoj samtempe, se oni nur havas formulon por la tuta energio de la sistemo depende de lokoj kaj rapidoj. Tiu formulo anstataŭas la formulon por la fortoj; fakte fortoj tute ne aperas. Por la klasika meĥaniko de maspunktoj tiu diferenco ne tre gravas; fortoj kaj energio estas same facile troveblaj. Oni elektas unu aŭ la alian laŭ matematika simpleco. Sed ni vidos, ke pri la kvantummeĥaniko la situacio estas tute malsama.
La kvantummeĥaniko
Post tiu studo de la klasika meĥaniko, ni nun povas pritrakti la kvantummeĥanikon. Por doni unuan impreson pri la esencaj diferencoj, kiujn la kvantummeĥaniko enkondukas, helpas nomi konceptojn, kiuj ne plu ekzistas aŭ almenaŭ alprenas tute alian signifon: loko, rapido, forto. El tiu listo estas evidenta, ke la kvantummeĥaniko donas ne nur aliajn, sed eĉ alispecajn rezultojn.
La plej grava diferenco estas, ke la kvantummeĥaniko ne donas precizajn valorojn por iuj mezureblaj grandoj, sed nur verŝajnojn. Kalkuli precizajn valorojn por kvantuma sistemo estas principe neebla, ne estas nura kalkulteknika problemo. Tiu fakto kaŭzis kaj kaŭzas multajn filozofiajn problemojn, ĉar ne plu validas, ke ĉiu okazaĵo havas kaŭzon. Pro tio kelkaj fizikistoj kaj aliaj sciencistoj ĝis la hodiaŭa tago rifuzas kredi je la ĝusteco de la kvantummeĥaniko, kvankam ĝiaj antaŭdiroj ĝis nun ĉiuj montriĝis ĝustaj. Sed tiu diskuto estas tro komplika por esti detale pritraktata ĉi tie.
La neeblo kalkuli precizajn valorojn signifas, ke ankaŭ la ĉisupre menciitaj funkcioj ne plu ekzistas. Lokoj kaj rapidoj ne plu estas klare difinitaj. Pro tio la "dinamika stato" de la klasika meĥaniko devas esti anstataŭigata per io alia. Ĝian lokon alprenas pli abstrakta grando, la kvantumstato de la sistemo. Tiu kvantumstato povas esti priskribata diversmaniere, oni elektas taŭgan version laŭ matematika simpleco. Ĉiuj priskriboj havas kelkajn komunajn trajtojn: ili estas kompleksaj funkcioj kiuj dependas de tiom da variabloj kiom oni bezonas por indiki la lokojn de ĉiuj maspunktoj, do trioble ilia nombro. Pro historiaj kialoj oni nomas tiujn funkciojn ondfunkcioj; ilia konduto iom similas al funkcioj per kiuj oni matematike priskribas ondojn, kaj pro tio oni komence kredis ke la kvantumstato fakte estas ia ondo. Tio estas ankaŭ la ĉefa kialo por la ofta aserto ke "laŭ la kvantummeĥaniko objektoj kondutas kiel ondoj". Oni ne komprenu tion laŭlitere, kvankam la matematika simileco kaŭzas ankaŭ komunajn kondutajn trajtojn.
Restas du demandoj pri tiu nova formo de dinamika stato: kion ĝi fizike signifas, kaj kiel ĝi ŝanĝiĝas laŭtempe. Ni unue pritraktu la pli malfacilan demandon, tiun pri la signifo. Surprize la ondfunkcio havas nenian rektan signifon; ĝi ne estas fizika grando, ĝi ne estas mezurebla (kontraŭe al la klasika dinamika stato, kiu estas facile observebla). La sola metodo por ekhavi tiun funkcion estas kalkuli ĝin laŭteorie (1). Nur ĝia absolutkvadrato (2) havas fizikan signifon: ĝi indikas la verŝajnojn por rezultoj de mezuroj.
Verŝajne la plej ofte uzata ondfunkcio estas tiu kiu dependas de la lokoj de ĉiuj maspunktoj. Ĝia absolutkvadrato do indikas la verŝajnon por trovi ĉiujn maspunktojn ĉe tiuj specifaj lokoj, se oni mezuras ilin samtempe (3). Sed la ondfunkcio donas ne nur la verŝajnojn por lokmezuroj, sed por la mezuroj de ĉiuj fizikaj grandoj; oni nur bezonas iom pli komplikajn matematikajn operaciojn. Al ĉiu fizika grando respondas matematika operacio, per kiu oni povas kalkuli la serĉatajn verŝajnojn. La aspekto de tiu operacio denove dependas de la elektita priskribo.
La fakto, ke ne rezultoj, sed nur verŝajnoj por rezultoj, estas kalkuleblaj, estas la plej grava diferenco inter la klasika meĥaniko kaj la kvantummeĥaniko. Alia ofte menciata diferenco estas, ke kelkaj fizikaj grandoj (inter ili la energio) ne povas havi iun ajn reelan valoron, sed nur kelkajn specifajn. Tio estas rekta konsekvenco el la verŝajneca karaktero de la kvantummeĥaniko kaj la matematikaj operacioj per kiuj oni kalkulas verŝajnojn. Sed bedaŭrinde ne eblas pli detale priskribi tion sen relative komplika matematiko. Tio validas ankaŭ por alia interesa kvantuma efekto: kelkaj kombinaĵoj de fizikaj kvantoj (ekzemple loko kaj rapido de unu maspunkto) ne estas mezureblaj samtempe, ĉar la mezuro de unu neeviteble ŝanĝas la valoron de la alia. Tion oni nomas la "neprecizecan rilaton", kiun unue malkovris Heisenberg.
Restas la problemo de la laŭtempa evoluo de ondfunkcioj. Evidente ĝi dependas de la studata sistemo. En la klasika meĥaniko oni povis priskribi sistemojn per la fortoj inter ili; tiujn fortojn oni uzis en la leĝo de Newton. Sed la koncepto de "forto" ne taŭgas en la kvantummeĥaniko. Forto ja indikas la ŝanĝon de iu rapido, sed tiu difino ne plu estas uzebla se la rapidoj ne havas klare difinitan valoron. Oni povus enkonduki novan difinon, sed tio nur kreus konfuzon. Bonŝance ekzistas aliaj priskriboj de klasikaj sistemoj, kiuj ne enhavas fortojn, ekzemple la supre uzataj ekvacioj de Hamilton. Tia priskribo estas aplikebla ankaŭ al kvantumaj sistemoj. Kiel por la klasika meĥaniko oni bezonas la energifunkcion depende de lokoj kaj rapidoj. Ekzistas klara matematika regulo por konstrui el tiu funkcio ekvacion por la laŭtempa evoluo de ondfunkcioj. Tiun ekvacion oni nomas la "ekvacio de Schrödinger". Tiu ĉi ekvacio kun la supre donata interpretado de la ondfunkcio estas kompleta kvantuma priskribo de sistemo el maspunktoj. Priskribo de pli komplikaj sistemoj enhavas kelkajn matematikajn problemojn, sed nur malmulte da novaj fizikaj ideoj. Preskaŭ ĉiuj strangaj konsekvencoj de la kvantummeĥaniko enestas en la ekvacio de Schrödinger.
Ĉu la klasika meĥaniko estas malĝusta?
Kelkfoje oni povas legi, ke la klasika meĥaniko estas malĝusta, ĉar nur la kvantummeĥaniko bone priskribas ĉiujn fizikajn sistemojn. Tio certe pravas, laŭ la klasika meĥaniko ekzemple la ekzisto de atomoj estus tute neebla (4). Aliflanke la klasika meĥaniko ja tute kontentige priskribas ĉiutagajn aferojn, ekzemple falantajn ŝtonojn aŭ moviĝantajn aŭtojn. Ĝi certe ne povas esti tute malĝuste. Do kiom ĝusta ĝi estas?
Por esplori tion, oni devas kompari la rezultojn de la klasika meĥaniko al tiuj de la kvantummeĥaniko. Farinte tion oni eltrovas, ke por grandaj sistemoj (do sistemoj el multegaj atomoj) je altaj energioj (ekzemple ĉe normalaj temperaturoj) ambaŭ donas la samajn rezultojn (5). La klasika meĥaniko do estas bonega alproksimigo al la kvantummeĥaniko je tiaj kondiĉoj, kiaj certe validas por ĉiutagaj aferoj. La klasika meĥaniko estas tute ĝusta, se oni aplikas ĝin nur al taŭgaj problemoj.
Fakte tio ne estas speciala eco nur de la klasika meĥaniko: ĉiuj fizikaj teorioj havas limigitan aplikeblecon, sed ofte la limoj evidentiĝas nur multajn jarojn post la estiĝo de la teorio. Se oni ne trovas la limojn de iu teorio dum kelkaj jaroj, oni emas nomi ĝin universala, sed la historio montras, ke limoj povas evidentiĝi eĉ post jarcentoj.
Noto pri la relativeca meĥaniko
Ĝis nun nenio estis dirata pri la alia revolucia ŝanĝo de la fizika mondbildo en la 20a jarcento, la relativeca teorio (6). Ĝi necesigas kelkajn ŝanĝojn al la leĝo de Newton, kiuj esprimas la fakton ke mashavaj objektoj povas nek atingi nek superi la rapidon de la lumo, do ke ekzistas nesuperebla plej granda rapido. Unu konsekvenco estas ke la terminoj "samtempe" kaj "samloke" ne plu havas absolutan sencon; ili validas nur se la observantoj de la koncernaj okazaĵoj ne moviĝas unu relative al la alia. Same kiel la kvantummeĥaniko la relativeca teorio ne gravas por ĉiutagaj aferoj. Sed kian efikon ĝi havas al la kvantummeĥaniko ?
La respondo estas simpla: la relativeca teorio ŝanĝas klasikan kaj kvantummeĥanikon similmaniere. La ekvacio de Schrödinger devas esti korektata. Sed ne plu ekzistas nur unu relativeca modifo, ekzistas pluraj. La kialo estas ke el la kombino de kvantuma kaj relativeca teorioj estiĝas nova fenomeno, la t.n. spino (7). La spino aperas en la matematikaj ekvacioj kvazaŭ turniĝo de korpusklo ĉirkaŭ si mem. Tamen tiun bildon oni ne tro streĉu; ekzistas ankaŭ gravaj diferencoj inter spino kaj turniĝo. Detala priskribo de la spino bedaŭrinde ne eblas ĉi tie, ĉar necesas komplika matematiko.
Notoj:
1 Fakte la ondfunkcio por iu sistemo ne estas komplete difinita per la teorio, sed tio ne gravas ĉi tie.
2 Por tiuj, kiuj ne konas kompleksajn nombrojn sufiĉe bone, necesas mallonga klarigo: kompleksaj nombroj konsistas el du sendependaj reelaj nombroj, kiujn oni nomas "reela" kaj "imaginara" parto. La absolutkvadrato estas la sumo de la kvadratoj de ambaŭ partoj.
3 Se oni ne mezuras ilin samtempe, la rezultoj de la postaj mezuroj dependas de la rezultoj de la antaŭaj mezuroj.
4 Laŭ la klasika meĥaniko elektronoj devas fali en la nukleon, se ili ne konstante moviĝas ĉirkaŭ ĝi kiel planedoj ĉirkaŭ la suno. Sed moviĝante cirkle ili konstante forradius lumon, perdante energion, kaj tial post mallongega tempo tamen falus en la nukleon.
5 Atenta leganto povus rimarki, ke tio ne eblas: la klasika meĥaniko antaŭdiras precizajn valorojn, la kvantummeĥaniko verŝajnojn. Tamen tio ne estas kontraŭdiro, ĉar precizaj valoroj ja nur estas speciala kazo de verŝajnoj. Por grandaj sistemoj, la kvantumaj verŝajnoj por la klasike precizaj valoroj estas grandegaj, dum ĉiuj aliaj valoroj havas neglekteble malgrandan verŝajnojn.
6 La nomo "relativeca" estas misgvida, sed verŝajne ne plu ŝanĝebla.
7 La spinon oni povas pritrakti ankaŭ per la nerelativeca kvantummeĥaniko, do per la ekvacio de Schrödinger. Sed en la nerelativecan teorion oni devas enmeti ĝin, dum laŭ la relativeca kvantummeĥaniko ĝi estas rezulto.
[redaktu] Solid-stata fiziko
[redaktu] Astrofiziko
[redaktu] Atoma fiziko
[redaktu] Atomkerna fiziko (Nuklea fiziko)
[redaktu] Biofiziko
[redaktu] Fluidaĵ-Dinamiko
[redaktu] Fotoniko
[redaktu] Ĥaoso
[redaktu] Ĥemia Fiziko
[redaktu] Kvantumkemio
[redaktu] Meteologio
[redaktu] Teoria fiziko
[redaktu] Historio de Fiziko
- Ĉefa artikolo: Historio de fiziko
El la antikveco la homoj ellaboris teoriojn por kompreni la naturon, kaj la fenomenojn observitajn. Tiuj ĉi ne estis ĝenerale sistemaj, kaj estis malofta la rilato inter teorio kaj eksperimento, kio kondukis al scio praktika unuflanke, disigita de la teoria kono, kiu pli ofte apartenis al la Filozofio. Tial, la konsidero de personoj kiel Aristotelo, Ptolomeo aŭ Arkimedo kiel fizikistoj estas ebla nur, se oni konsideras la limigojn de tiu difino.
La fiziko en sia moderna signifo naskiĝis en la 16-a jarcento, per la uzo de eksperimentado kaj observado fare de homoj kiel Galileo Galilei kiu estas ĝenerale konsiderata kiel la patro de la fizika scienca metodo.
En la 17-a jarcento okazis forta antaŭeniro de la Fiziko danke al la rezultoj atingitaj de Newton kiu formulis la ĉefajn leĝojn de la dinamiko (Leĝoj de Newton) kaj la gravito, krom la disvolvo de diversaj laboroj en la kampo de la optiko.
La 18-a jarcento vidis la disvolvon de aliaj disciplinoj kiel Termodinamiko, Statistika mekaniko kaj Fiziko de fluaĵoj.
En la 19-a jarcento disvolviĝas avancoj revoluciaj en Elektriko kaj Magnetiko. En 1855 Maxwell unuigis ambaŭ fenomenojn kaj kreis novan Teorion de Elektromagnetismo. Ĝi ankaŭ provokis fortan ŝanĝon en la kompreno de la teorio de la Lumo.
Fine de tiu jarcento kaj komence de la 20-a malkovriĝas diversajn radiadojn, ĝis nun nekonatajn, kaj oni faras gravajn malkovrojn rilate al la elementaj partikloj. Tio kondukas al la naskiĝo de revolucia kampo: la Nuklea Fiziko.
En 1905 la publikigo de tri fundamentaj sciencaj artikoloj fare de juna fizikisto, Albert Einstein montras la naskiĝon de tiu kiun oni nomis la jarcento de la Fiziko. La plej influa kampo tiam naskita estis la Teorio de la Relativeco. Iom poste naskiĝas la Kvantuma fiziko, aro da teorioj priskribantaj la subatomajn fenomenojn.
Dum la sekvaj jaroj la disvolviĝo de la fiziko estis tre rapida. Diversaj teorioj, ĉiam pli kompleksaj, klopodis ordigi la konojn de la materio, kaj ĝia rilato kun la energio, la spaco kaj la tempo.
En 2005, jaro de la centa datreveno de la artikoloj de Einstein, estis universale festata kiel Jaro de la Fiziko.
[redaktu] Fizikistoj
Vidu:
[redaktu] Eksteraj ligiloj
- Scienca kaj Teknika Esperanto-Biblioteko, STEB - sekcio pri faka literaturo pri fiziko
- Pri fiziko
- Akademio Internacia de la Sciencoj
- libro-recenzo pri faknomado en Esperanto (en la angla)
