Czwarta fala

Czwarta fala upałów tego lata jakoś nie chce się skończyć. Limmat zamienił się w strumyk, a łąki na górach otaczających Wasserschloss pożółkły zdziwione tym że wyglądają nagle tak jak zbocza Monti Aurunci gdzieś w połowie drogi między Rzymem a Wezuwiuszem. Kiedy z rozbuchanego pieca drogi asfaltowej wjeżdżam w las, którym jeżdżę codziennie, jest tylko lekko chłodniej. Właściwie nadal jest gorąco. Przejeżdżam koło cysterny z której młody człowiek w żółtym kombinezonie podlewa... las! Co za syzyfowa praca. Ale potem myślę że podlewał nieprzypadkowo w okolicy SwissFELa - najnowszego, high-techowego akceleratora elektronów za ileś tam setek milionów. Pewnie stara się w ten sposób nawilżyć krzaki i ściółkę i w ten sposób zredukować ryzyko pożaru. 

Gdzie się schować? Co dziennie wchodzę do rzeki albo jeziora. Jezioro Zurychskie przypomina letnią zupę, jest mokre, ale nie jest chłodne. Wytchnienia trochę daje, bo zawsze dobrze być w miejscu gdzie trochę wieje od Alp. Rzeka jest chłodniejsza, no ale poziom wody niski a dużo ludzi szukających ochłody. Właściwie trzeba czekać aby upały się skończyły. Albo myślec o przeciwieństwach upałów, o zimie która przecież nastąpi. Nastąpi, no nie?

'Moja' maszyna, która obsługuje kilkadziesiąt eksperymentów, też ma zadyszkę. Zupełnie jak elektrownie, system o zużywający 11 MW mocy, potrzebuje chłodzenia. Rzeka Aare, zasilana rzeką Limmat która wypływa z jeziora Zurychskiego,  tego co przypomina zupę, ta rzeka Aare robi się za ciepła. Więc, podobnie jak stają elektrownie, zakłady przemysłowe, musi i stanąć HIPA (High Intensity Proton Accelerator). Zatrzymujemy ją codziennie, tak koło 16, aby odpalić znowu, koło północy. I tak codziennie. Ta sytuacja nie ma precedensu w ciągu ostatnich 50-ciu lat, tyle bowiem lat ma HIPA.

Start produkcji, wiosna i rewolucje

Nareszcie nadeszła wiosna, taka pełna wiosna, maj taki jak w najlepszych wspomnieniach. Kiedy się jedzie na rowerze z pracy to się robi duże, coraz większe objazdy. Bo się nie chce z roweru schodzić, tak jest przyjemnie! No i się robi po 30-35 kilometrów dziennie, zamiast zwykłych 15-tu.

Dzisiaj, nareszcie, oddaliśmy maszyny do "produkcji". To oznacza koniec chodzenia do bunkrów wypełnionych świetlówkową poświatą, koniec pośpiechu, stresu, biegania po różnych ludziach których się akurat potrzebuje aby zrobili jakiś kabel, poprawili coś w oprogramowaniu. Będzie chyba troszkę luźniej, więcej analizy danych, patrzenia jak działają nowe systemy, jak na przykład pudełko zwane SoM-CAM, które mierzy prądy z różnych urządzeń, kalkuluje czy nie są za duże i wysyła sygnały ostrzegawcze albo alarmowe.  Z racji tego że i tak już nie możemy prawie nic poprawiać bo bunkry są zamknięte (promieniowanie!) i z racji tego że nie dotyka się działającego systemu, postanowiłem zrobić to co chciałem od dawna i napisałem sobie agenta sztucznej inteligencji żeby pomagał mi w pracy. Ah, pomaga! Przegląda moje notatki, jest w stanie podłączyć się do maszyny i zobaczyć co mierzą różne sensory. Ba, powoli, powoli nawet proponuje jakieś usprawnienia. Działa na moim małym laptopie. Jeszcze parę miesięcy temu te "lokalne" modele AI były o wiele gorsze, no ale żyjemy w czasach rewolucji AI i takie modele jak chiński qwen (używam wersji 3.5) stają się lepsze z miesiąca na miesiąc. Lepiej być otwartym na reassessment i zmianę zdanie.

A propos rewolucji: warto zdać sobie sprawę z tej dotyczącej energii. W ciągu ostatnich kilku lat, gdzieś między Covidem a teraz, ceny ogniw fotowoltaicznych poleciały na łeb na szyję. Chiny produkują je w ogromnej masie i już teraz energia z takiego ogniwa jest kilkadziesiąt razy tańsza niż ta z ropy. Podobnie spadają ceny baterii. Tak wygląda rewolucja: to co było prawdą jeszcze dwa czy trzy lata temu, nie jest prawdą dzisiaj. To wszystko dzieje się niezależnie od malkontentów, wielbicieli diesli, polityków broniących lobby naftowego czy nawet Brukseli promującej dopłaty do elektryków. Elektyfikacja globalnej gospodarki po prostu staje się faktem. Planeta nie ugotuje się pod wpływem nadmiaru dwutlenku węgla. A przynajmniej nie zupełnie.

Rozważania o płatku śniegu

Zima, wreszcie prawdziwa zima. Jest -10 stopni, miękka cisza spadła na las a rower grzęźnie w śniegu tak bardzo, że muszę jechać autobusem do pracy. Śnieg. Z jakiegoś powodu to polskie słowo bardzo lubiła moja dawna, niemieckojęzyczna dziewczyna i teraz, choć minęło wiele lat, wspominam ją za każdym razem gdy białe płatki lecą z nieba tak spokojnie że przestaje się myśleć, tylko się człowiek gapi. Czasami delikatny podmuch wiatru rozmywa to ich opadanie w ukośne smugi. Ale akurat nie wieje. Wysiadam z autobusu, jestem przy drodze, nieliczne auta oblepione brudnym już puchem, poruszają się jakoś tak niezdarnie. Dziecko wyciąga dłoń, kilka płatków ląduje na niej i od razu zaczyna znikać. Już ich nie ma, przylatują następne. Ich ulotne trwanie rozciąga się na przestrzeni minut. Każdy z nich osobno jest niekonieczny,  jego istnienie nie zmienia absolutnie niczego, odchodzi w nicość zanim zdążę mu się przyjrzeć. Obserwuję ten prędki niebyt, przechodzę przez bramki, wchodzę do labu.

Ostatnio w pracy znowu wybuchł frenetyczny spór o to czy bardziej fundamentalna jest zasada zachowania energii czy zasada najmniejszego działania. Dla ekspertów: Hamiltonian czy Lagrangian. Trochę przesadzam z tym sporem, ostatecznie tylko jeden z moich kolegów "siedzi" w tym temacie na tyle głęboko by wysuwać argumenty które są sprzeczne z tym, co nas uczono więc, aby podjąć dyskusję, wymagają przemyślenia i doczytania starych podręczników mechaniki klasycznej. Ah jaka piękna jest mechanika klasyczna! I jak bardzo źle jest nauczana! Kolejna rewolucja naukowa powinna być rewolucją w nauczaniu fizyki.

W przeciwieństwie do istnienia płatka śniegu byt obiektów fundamentalnych jest konieczny. Te kilka pojęć, którymi opisujemy rzeczywistość fizyczną, ma pewną specyficzną formę istnienia, gdzieś między abstrakcją istniejącą w ludzkich umysłach a najtrwalszym, najbardziej koniecznym z możliwych bytów. Czasoprzestrzeń, jej trzy wymiary "przestrzenne", światło którego istnienie jest implikowane czasoprzestrzenią, "coś" w postaci materii... jaka ogromna przestrzeń jest między tymi najbardziej fundamentalnymi z bytów a płatkiem śniegu - tym najbardziej pochodnym z bytów -rozpływającym się właśnie na dłoni dziecka? A Ty człowieku, jakim rodzajem bytu Ty jesteś?

 

Luźne myśli i nowy skaner drutowy

Stop dreaming of new fields and exotic particles, extra dimensions, new symmetries, strings and all the rest. The data of the problem are simple: general relativity, quantum mechanics and the Standard Model. You 'only' need to combine them in the right way and you will take the next step forward. Tak napisał Carlo Rovelli (CERN). Choć brzmi trochę jak Sabine Hossenfelder (anty-CERN). A na cytat, który mi się podoba, trafiłem przeglądając autobiografię Ugo Amaldiego. 

"Data of the problem" są być może jeszcze prostsze. Przestrzeń, czas, obiekt... Nadajemy tym pojęciom realność, ale przecież to są tylko pojęcia - produkt umysłu. I tu są dwie drogi: albo zakładamy że produkty umysłu, gdy wchodzą do świadomości zbiorowej, stają się rzeczywistością, albo że podstawowa nawet rzeczywistość pozostaje na razie nieuchwytna dla naszych umysłów. Coś w tym stylu. Przy czym w czasach ludzi żyjących w tak zwanej infosferze, wpatrzonych w ekrany telefonów, telewizorów czy komputerów, jakoś łatwiej zaakceptować to pierwsze podejście.

    A na koniec chciałem opisać pewną sytuację z przyszłości. Max, który kiedyś przejmie moje obowiązki, będzie kalibrował wyłączniki końcowe skanera drutowego. Będzie to część procesu konserwacji tych urządzeń. I kiedy tak będzie nad tym ślęczał, w labie a może na dole w bunkrze akceleratora, pomyśli o tych którzy tę generację skanerów zaprojektowali i odpalili. Tak samo jak ja teraz kalibrując obecne skanery myślę o tych którzy zrobili poprzednią generację, którzy obecnie są na emeryturze albo i po...

       Więc Maxie drogi, pierwszy działający prototyp został uruchomiony w poniedziałek, 5-go maja 2025. W labie byliśmy w składzie: Rudolf - pomysłodawca, emerytowany fizyk o niezwykle precyzyjnym myśleniu, stara szkoła niemieckiej inżynierii i fizyki, Martin - wkrótce emerytowany inżynier który zaprojektował większość mechanicznych części, Anders - elektronik od systemów dużej mocy który zaprogramował silnik, Raphael - genialny technik elektronik i Simon - młody technik-mechanik który teraz pewnie jeszcze u Ciebie pracuje i od którego dowiadujesz się masę rzeczy. Skaner był odpompowany tak aby siły działające na mieszek próżniowy były takie jak w rzeczywistości. Zaczęliśmy od bardzo wolnych ruchów i powoli, powoli zwiększaliśmy prędkość aż doszliśmy do 4 m/s, czyli do nominalnej. Jest to prawie 6 razy tyle co poprzednia generacja skanerów. 

    Niby nic wielkiego, takie drobne wydarzenie, nic w porównaniu z obecnie zachodzącą rewolucją AI. Nikt o tym nie będzie pisał książek, a jednak konsekwencje wyborów poczynionych w czasie projektowania ciągnąć się będą przez jakieś 20-30 lat i bardzo staraliśmy się aby nikt kto kiedyś będzie się tymi skanerami zajmował, nie klął na nas za jakąś głupią decyzję.

Czas, przestrzeń, byt

Kiedy myślę o czasie albo przestrzeni obrazy reprezentujące owe byty robią się od razu bardzo abstrakcyjne, wydumane wręcz. Przestrzeń jawi się jako coś ciemnego, trochę tylko rozjaśnionego w bezpośredniej bliskości i ewidentnie trójwymiarowego (prawie widzę kartezjańskie osie), czas za to jest czymś w rodzaju malutkiego zegara tykającego w czymś - w jakimś ułamku materii. Już z tego naiwnego obrazka wynika że czasu nie można rozważać bez materii.

Ale tak na prawdę moja wizja jest błędna zupełnie. Co więcej, wiemy to już od przeszło 100 lat a jednak wciąż wpaja nam się, jako pierwszy stopień edukacji, Newtonowską hipotezę istnienia (niezależnych) bytów: przestrzeni, czasu i materii. To tak zwane historyczne podejście do nauczania fizyki jest zupełnie bez sensu i zostawia nam, gdzieś z "tyłu głowy", tą zadrę myślenia w kategoriach niezależności tych podstawowych pojęć.

Tymczasem, zanim jeszcze zaczniemy mówić o próżni kwantowej i cząstkach wirtualnych, pusta przestrzeń - jak pojęcie - po prostu nie istnieje. Coś musi w niej być, przestrzeń musi czegoś dotyczyć. Miarą przestrzeni jest dystans a więc jakieś obiekty - materia - muszą w tej przestrzeni istnieć. Bez nich nie ma przestrzeni. 

Materia istnieje i zmienia się, przeobraża. Jest zmiana a więc jest czas. Te trzy pojęcia: przestrzeń, czas i materia, to jedna symfonia. Są ze sobą tak splecione że można je uznać za trzy cechy jednego, podstawowego pre-bytu. (Swoją drogą pre-byt nie odnosi się do czasu a do podstaw rzeczywistości, do hierarchii fundamentalności).

Ostatnio czytałem artykuł profesora Gisina w którym zwrócił on uwagę na inną podstawowość: istnienie skończonej maksymalnej prędkości. Jest to zupełnie elementarna konsekwencja istnienia czasu i przestrzeni. Gdyby cokolwiek mogłoby się poruszać nieskończenie szybko, to byłoby to coś w każdej chwili wszędzie, co automatycznie negowałoby pojęcia zarówno czasu jak i przestrzeni. Patrząc na to z tej strony zastanawiające jest że koncept maksymalnej możliwej prędkości pojawił się w ludzkim myśleniu dopiero dzięki Einsteinowi (propozycje tego że prędkość światła jest skończona pojawiły się o wiele wcześniej, już w drugiej połowie XVII wieku Ole Roemer ją zmierzył). Ludzkość przez wiele wieków była niby somnabulik poruszający się w świecie po omacku.

Profesor Dragan versus AI

Dragan dał gościnny wykład na ETH, na zaproszenie stowarzyszenia polskich studentów w Zurichu POLANA (Polish Academic Network Abroad). Ponoć wcześniej tego dnia był  Googlu porozmawiać o AI no i miał jakieś inne spotkania na ETH, nie dla gawiedzi. Przyznam że byłbym po takim dniu wykończony, ale Dragan nie wyglądał na wyzutego z energii, wręcz przeciwnie. Wykład zaczynał się o 17, byłem trochę wcześniej i relaksowałem się na tarasie głównego budynku ETH (stary campus, tutaj studiował Einstein!) i podziwiałem widoki. Popołudnie było spektakularne, słońce staczało się ku zachodowi - nad Uetlibergiem. I choć świeciło z całych sił zapowiadając wiosnę to jednak przysłaniały je gęste chmury i jego światło rozpraszało się nad cząstkach atmosferyczny areozoli dając efekt pięknych smug światła, coś jak komorebi tylko nie w lesie. Efekt trochę nie z tego świata, wywołujący odczucia mistyczne, zupełnie jak fizyka.

Dragan najpierw spytał czy wykład ma być po polsku czy po angielsku. Salka była pełna ludzi i nie wszyscy byli polakami, więc padło na angielski. Potem powiedział że ma 3 gotowe wykłady i spytał który chcemy wysłuchać. Do wyboru były tematy o AI, o tachionach i o czarnych dziurach. Padło na tachiony, z których jest słynny w świecie fizyki, ale miałem wrażenie że chętniej opowiedziałby o AI. Zresztą po wykładzie rozmawialiśmy też o tym. 

No i dał niezły wykład, opowiadał o dynamice obiektów poruszających się z prędkością większą niż światło, o jej związkach z mechaniką kwantową (jak coś porusza się z prędkością nadświetlną czyli wstecz w czasie to dla normalnego obserwatora może to coś generować zdarzenie które wygląda na przypadkowe, jak na przykład rozpad promieniotwórczy). Na prawdę fajny wykład. Generalnie jednak odniosłem wrażenie że ta teoria jest mniej dopracowana niż przedtem sądziłem.

Potem były pytania i nie mogłem odmówić sobie zadania tego, które mnie nurtuje od miesięcy. Chodzi o związek między elektromagnetyzmem a czasoprzestrzenią. Jak to jest że prędkość światła jest jednocześnie tą krytyczną stałą wiążącą czas i przestrzeń w jeden byt, w czasoprzestrzeń? Dragan odpowiedział że faktycznie c występujące w Szczególnej Teorii Względności nie ma związku ze światłem, że jest to po prostu stała definiująca sprzężenie między czasem i przestrzenią. Ten fakt został zauważony kilka lat po sformułowaniu Szczególnej Teorii Względności. To, że światło porusza się z tą prędkością, jest w pewnym sensie drugorzędne. Ego, nazywanie tej stałej "prędkością światła" jest dość mylące, jak wiele innych terminów z dziedziny fizyki. Czasami mam wrażenie że prze te mylące terminy mamy zastój w fizyce, bo zanim studenci uświadomią sobie że c to nie prędkość światła, że Szczególna Teoria Względności nie jest ani szczególną, ani teorią a jak już co to bezwzględności... zanim umysły się przyzwyczają do tej nomenklatury trącającej pełną meandrów historią fizyki, mijają cenne lata, które mogłyby zostać lepiej spożytkowane.

Ale pytanie o związki między czasoprzestrzenią a elektromagnetyzmem i wszystkim innym nadal wymaga odpowiedzi. Właściwie to ta odpowiedź jest mniej więcej znana, przynajmniej matematycznie, ale jak ją sformułować tak zwanymi prostymi słowami?

Zapytałem AI. Deep Research wygenerował piękny i głęboki tekst. Tu jest fragment:

"The light cone is the same for all inertial observers; invariance of c means that all observers, regardless of their relative motion, agree on which events lie on a light signal’s trajectory. This implies a universal causal structure: no influence can propagate faster than c, and effects can only lie inside or on the light cones defined by prior causes. In other words, the speed of light is a built-in “speed limit” in the geometry of spacetime. The fact that Maxwell’s waves move at this cosmic speed limit is no coincidence – it reflects that electromagnetism is in harmony with the deepest symmetry of spacetime."

Dalej nie czuję się usatysfakcjonowany. Nie pomaga też wyjaśnienie elektromagnetyzmu grupą cechowania U(1) (BTW czemu u diabła nazywa się to grupą cechowania, jak biedni studenci mają się w tym nazewnictwie połapać!), która przewiduje istnienie dodatkowego wymiaru przestrzennego, zwiniętego w malutki rulonik. Ten koncept to babcia teorii strun. 

Moim celem nie jest zrozumienie wszystkiego, ale chciałbym przynajmniej uchwycić czym na prawdę jest światło. To, które dawało takie piękne smugi w pewne słoneczne popołudnie nad Uetlibergiem.

Linki:

https://polana.ch/index.html

Styczniowa pełnia

Kiedy o tym dobrze pomyśleć to jasnym się staje że rzeczy podstawowe wyłaniają się razem. Nie mogą istnieć osobno czas, przestrzeń (z Ch. sprzeczamy się o przestrzeń), światło, materia i umysł. Mogą istnieć tylko razem, na raz, niby manifestacja tego samego. Czas jest miarą zmian, zmian materii, tak w pierwszym przybliżeniu. Gdyby światło mogło poruszać się nieskończenie szybko, to nie byłoby odległości, a więc przestrzeni. A więc te 300 tys. km na sekundę jest podstawową właściwością zarówno czasu jak i przestrzeni. Ale jedynym co podróżuje z tą prędkością jest drganie, fala. Co więcej, owo drganie porusza się tak samo szybko wobec wszelkich okruchów materii, niezależnie z jaką prędkością poruszają się one. Tak, jakby poruszająca się materia oddziaływała na przestrzeń, zmieniała ją dostosowując do swego lokalnego otoczenia. Bo materia to lokalność. Nie do końca, bo istnieje sprzężenie kwantowe.

Jednak gdzieś tu się kończy moja wyobraźnie, moja intuicja przestrzeni i czasu. Czy jest lepsza intuicja? Czy jest inny umysł? Czy algebra Clifforda na prawdę jest w stanie to wyjaśnić? Bo algebra jest prawem, czymś niezmiennym, a więc nie należącym do rzeczywistości. Nieprawdaż?

Takie dziwne myśli snują mi się po głowie w ten zimny styczniowy poranek. A zimne światło Księżyca jest bezwzględnie obiektywne, jak bóg pejotlu.

Ontologia czasu

Dwanaście fundamentalnych fermionów - cząstek materii, dwanaście ich antycząstek, cztery oddziaływania między nimi wszystkimi oraz osobliwy bozon Higgsa -  taki obrazek fizycy sprzedają szerokiej publiczności na licznych prelekcjach czy wystawach. Jest to powtarzane taka ilość razy, że większość z ludzi profesjonalnie zajmujących się fizyka, zwłaszcza eksperymentalną fizyką cząstek, tak właśnie widzi świat i to mimo przejścia kursów mechaniki kwantowej i fizyki teoretycznej na uniwersytetach. A tymczasem jest to bzdura.

Fizyka, i to ta z przełomu XIX i XX wieku, daje nam obraz świata o wiele bardziej fascynujący i wciąż pełen nieodkrytych związków i wart eksploatacji. W pewnym sensie niemalże wszystko co jest fascynujące w fizyce powstało w tamtym okresie. Przykładem eksploracji i rozwoju tamtych idei jest ten artykuł z 2017 roku:

https://www.worldscientific.com/doi/abs/10.1142/9781786341419_0009

Autor (mój kolega z pracy!) pokazuje jak spojrzeć na fizykę z zupełnie innej, filozoficznej perspektywy. Proponuje szereg interesujących acz zapewne kontrowersyjnych idei i układa je w jeden zwarty, niemalże kompletny system. Postuluje na przykład że przestrzeń nie jest pojęciem fundamentalnym. Jest bytem  emergentnym, powstającym w wyniku interakcji bytów abstrakcyjnych, bardziej fundamentalnych.  Elektromagnetyzm powstaje razem z przestrzenią i to jest zgodne z intuicją którą daje nam szczególna teoria względności. No bo stałość prędkości światła w różnych układach odniesienia nie jest cechą światła, ale cechą samej czasoprzestrzeni. Szczególna teoria względności łączy elektromagnetyzm z czasoprzestrzenią tak samo jak z czasoprzestrzenią łączy się grawitacja, choć zasady są zupełnie inne. Oddziaływania jądrowe wydają się jedynymi dla których czasoprzestrzeń jest tylko i wyłącznie "sceną" na której dzieją się procesy fizyczne i w tym sensie są zupełnie inne od grawitacji i elektromagnetyzmu. 

Czytało się ten artykuł jak dobrą powieść...

O czasie

Czytam sobie taką małą książeczkę Etienna Kleina o czasie: "Le facteur temps ne sonne jamais deux fois" Jak to przetłumaczyć? "Listonosz czas nigdy nie dzwoni dwa razy"? Hm... mniejsza o tytuł, ale sama książeczka pełna jest ciekawych obserwacji, myśli z gatunku tych, które niby każdy, szczególnie fizyk, powinien już kiedyś wygenerować we własnej głowie, ale jednak warto je usłyszeć "wypowiedziane na głos" i to przez znanego profesora. Na przykład:

1. Czas uosabia zmienność a jednocześnie jest coś stałego i niezmiennego w jego upływie (nie zatrzymuje się nigdy).

2. Czas, jako byt, nie ma właściwości kierunku, to znaczy wszystkie podstawowe równania są symetryczne względem zmiany kierunku upływu czasu. Strzałka czasu jest definiowana przez zjawiska,  zdarzenia i to te dziejące się masowo. Strzałka czasu definiowana jest przez fizykę statystyczną.

3. Ruch inercjalny w mechanice klasycznej jest bardzo podobny do bezruchu - mimo że obiekt się porusza to nie dzieje się nic. Stąd równoważność wszystkich układów inercjalnych. I to był punkt startowy dla matematyzacji fizyki.

4. Nasze rozumienie świata opiera się na hipotezach, które, zdaniem Boltzmanna, są obrazami rzeczywistości które sobie konstruujemy w głowie. Dopiero mechanika kwantowa przedstawia świat który nie może być obrazem. Świat niewyobrażalny!

I tak dalej. Mała książeczka a dużo treści. Może trochę mi brakuje rozwinięcia tematu kolapsu funkcji falowej w determinowaniu strzałki czasu.

Etienne Klein jest fizykiem i filozofem nauki. Kolega z pracy miał okazję być na jego wykładzie i bardzo mu się podobało.

Dobrze byłoby mieć tą książeczkę po polsku. Co prawda mamy niezłe książki na przykład Dragana, ale moim zdaniem Etienne pisze świetnie i nieszablonowo.

Zmienne kanoniczne

Jesteśmy na półmetku lata i czuć już zmęczenie słońcem i upałami. Czuć też pewne przesilenie. Dni są zdecydowanie krótsze niż na początku frenetycznego lipca. Gdzieś na horyzoncie pojawia się wizja przyjemnych październików i aż-za-zimnych listopadów. Wizja ta jest trochę nieprzyjemna, bo jej perspektywy nagle to całe wyczekiwane wakacyjne lato okazuje się że było krótkie. Ciekawe jak zmienność pór roku wpłynęła na naszą cywilizację.

W przeciwieństwie do większości znanych mi osób nie lubię spać przy zamkniętych okiennicach, toteż z ulgą konstatuję te dłuższe i chłodniejsze noce, bo oznaczają one lepszy sen. Lepszy sen, powrót wspomnień i życia wewnętrznego, które ma tendencje do zanikania kiedy spędza się wakacje na plaży.

Wspominam studia, fascynujące wykłady profesora Staruszkiewicza z mechaniki klasycznej. To chyba on wprowadził pojęcie zmiennych kanonicznych. Długo nie mogłem pojąć czemu używa się słowa 'kanoniczne' do nazwania parametrów takich jak położenie i pęd. Przeszkadzała mi oczywiście konotacja religijna: 'kanoniczne' miało, i ma, bardzo specyficzny wydźwięk. Istnieje na przykład prawo kanoniczne, z którym przecież zmienne kanoniczne nie mają nic wspólnego. Zmienne kanoniczne to kolejny przykład jak niektóre nazwy używane na przykład w fizyce konfundują studentów i utrudniają edukację. I zostają w głowie jako problem przez dziesiątki lat.

Zmienne kanoniczne to zbiór pędów i współrzędnych elementów układu fizycznego potrzebne do jego opisania w Hamiltonowskim formalizmie starej dobrej newtonowskiej mechaniki klasycznej. To pewnie nadal dość skomplikowane wyjaśnienie, spróbujmy inaczej. Przymiotnik kanoniczny oznacza formę, sposób ekspresji praw przyrody, który jest najprostszy do pojęcia. No bo można wymyślać różne skomplikowane zmienne do opisu danego systemu, ale najlepiej jest użyć zmiennych najprostszych.

W mechanice Hamiltonowskiej pęd i położenie są kanonicznie sprzężone, co oznacza że można zamienić je miejscami w równaniach Hamiltona: 

(p to pędy, q to położenia a H to tak zwany Hamiltonian, czyli funkcja pędów i położeń opisująca energię układu fizycznego).

Tutaj powoli zaczyna się ukazywać magia fizyki. Kanonicznie sprzężone zmienne są ze sobą powiązane transformatą Fouriera, a to oznacza że tworzą pary podlegające zasadzie nieoznaczoności Heisenberga. Co więcej, podlegają one twierdzeniu Noether! Kilka dni temu uświadomiłem sobie te wszystkie relacje i nie mogę się im nadziwić. Co więcej okazuje się że te fundamentalne fakty, znane od około 100 lat, były już wielokrotnie 'mielone' przez wybitne umysły w oczekiwaniu jakiegoś oświecenia, ale chyba nic takiego w ciągu tych 100 lat nie nastąpiło.

A może jest dokładnie odwrotnie? Oświecenie, najprawdopodobniej, nie jest aktem umysłu. Może dopiero zaprezentowanie umysłowi takich relacji i faktów które go jakoś przekraczają jest drogą fizyków do oświecenia, jest narzędziem... jak koany w tradycji zen?

Czy pies ma naturę Buddy? Czy profesor Staruszkiewicz osiągnął oświecenie myśląc o zmiennych kanonicznie sprzężonych? 

Duchowość a nauka

Z rekomendacji kolegi po fachu przeczytałem "The Sleepwalkers - A History of Man's Changing Vision of the Universe" Arthura Koestlera. Książka ma swoje lata, bo pierwsze jej wydanie było w 1959 roku. Od tego czasu pewnie trochę się zmieniło w naszej wiedzy o wiekach średnich, ale esencja pozostaje niezmieniona: starożytni Grecy (a dokładnie Arystarch z Samos) w III wieku p.n.e. ukuli pierwszą hipotezę świata heliocentrycznego, która została tak skutecznie wyparta z ludzkiego umysłu że przez następne dwa tysiące lat, aż do Kopernika i Keplera, rzesze "astronomów" wolały marnować życia na obliczaniu epicykle zamiast pomyśleć jak naukowcy. Coś zupełnie nie do pomyślenia teraz, kiedy nauka non stop szuka nowych interpretacji i wiecznie weryfikuje nawet już dość dobrze znane prawa.

Ale prawdę mówiąc co innego przykuło moją uwagę. Koester pisze że Pitagorejczycy, dwieście czy trzysta lat przed Arystarchem, byli pierwszymi, którzy patrzyli na świat przez pryzmat matematyki. "Nobody before the Pythagoreans had thought that mathematical relations held the secret of the universe. Twenty-five centuries later, Europe is still blessed and cursed with their heritage. To non-European civilizations, the idea that numbers are the key to both wisdom and power, seems never to have occurred."

Pitagorejczycy w matematyce widzieli wymarzoną Syntezę, pojedyńczą "teorię" opisującą wszystko. Na dodatek nie była to sucha matematyka, ale religia oferująca tajemnicę stworzenia. "At the highest level katharsis of the soul is achieved by contemplating the essence of all reality, the harmony of forms, the dance of numbers. ‘Pure science’ – a strange expression that we still use – is thus both an intellectual delight and a way to spiritual release; the way to the mystic union between the thoughts of the creature and the spirit of its creator."

Przypominają mi się moje pierwsze fascynacje mechaniką kwantową, kiedy z wypiekami na twarzy czytałem popularnonaukowe książki a dyskretyzacja energii, kontemplacja faktu istnienia orbitali, były przeżyciami duchowymi. Podobnie było parę wykładów na Uniwersytecie, na przykład profesora Staruszkiewicza który przez godzinę, na czterech slajdach pokazywał jak wyliczyć masę elektronu albo Białasa który pokazywał jak istnienie bozonu Higgsa wynika z podstawowych zasad mechaniki kwantowej. Większość życia spędziłem dokonując zupełnie innych, trywialnych i praktycznych obliczeń, ale czy do kościoła chodzi się codziennie czy tylko do święta?

Oczywiście z jakiegoś powodu od prawdziwej Syntezy wymaga się niezmienności, a tego o fizyce nie można powiedzieć, coś tam się wciąż dzieje, stała Hubbla zmienia wartości, wciąż nie wiemy jak wyjaśnić duże obszary obserwacji kosmologicznych. Ale czy na pewno? Fundament, czyli mechanika kwantowa i teorie względności, są niezmienne od 100 lat. Może czas zacząć głosić je w kościołach?

Dziwnym zbiegiem okoliczności tegoroczny festiwal fotografii w Lenzburgu odbywa się pod leitmotivem "Synthesis" i co ciekawe organizatorzy chyba mieli podobne myśli, bo jedna z instalacji zawierała fragmenty antycznych ksiąg filozoficznych czy alchemicznych po cytat Heisenberga. Były też rzeczy "pod publikę" czyli wystawy zdjęć Sony World Photography Awards, które oczywiście dotyczyły ekologii ale przyjemnie je się oglądało. Ale była też wystawa Sabine Hess zatytułowana "You felt the roots grow", która zupełnie zwaliła mnie z nóg. Przypomniała mi że zwykłe trawy można sfotografować w sposób zapierający dech w piersiach. Poza tym aranżacja zdjęć, danie im przestrzeni, to była silne, odwoływało się do niemówionego instynktu piękna. Na dodatek jej proste, poetyckie teksty. Uff, moje niedzielne katharsis, moja niedzielna msza doprawdy święta. Niedużo z wystaw które widziałem w życiu potrafiło dotknąć tej właśnie, właściwej struny duszy.

https://www.sabine-hess.com/11897084-01-you-felt-the-roots-grow#10

Commissioning stories

Większość akceleratorów badawczych ma co roku kilka miesięcy przerwy. Nagle w podziemnych tunelach lub betonowych bunkrach zapada cisza, bo wyłączane są pompy próżniowe i inne hałasujące urządzenia. Ludzie w białych fartuchach z doczepionymi dozymetrami coś tam odkręcają, dokręcają, wstawiają, usuwają, przyłączają kable i testują używając nieodłącznych żółtych multimetrów. A same maszyny są niby uśpione giganty, ważące dziesiątki albo tysiące ton. 

Końcowa część profilu wiązki w dużym
ringu PSI.  Różowy - przed naprawą
septum, niebieski - po naprawie. Widać 
dodatkowe orbity.

A potem następuje proces uruchamiania. Po angielsku mówi się "commissioning" i znaczy coś trochę innego niż proste "uruchomienie". To cały proces wykonywania najróżniejszych testów skomplikowanej maszynerii przed oddaniem jej do użytku czyli, w naszym przypadku, do "produkcji" wiązki. W czasie każdej długiej pauzy (shutdownu, jak się mówi) wykonywana jest cała masa prac, poprawek itp i wcale nie jest łatwo wystartować wszystkie systemy maszyny. Tym razem wiązka "zanika" w dużym cyklotronie. Cyklotron to taki akcelerator w którym wiązka porusza się spiralnie, za każdym obrotem zyskując energię i oddalając się od środka. W naszym cyklotronie wiązka wykonuje 182 ślimakowych obrotów. Okazuje się że gdzieś pod koniec spiralnej trajektorii, w okolicach orbity 179, wiązka znika a monitory promieniowania rejestrują jego podwyższony poziom. To jest rejon w którym znajduję się element zwany septum, który służy do wyciągania wiązki z cyklotronu. W skrócie jest to po prostu seria bardzo wąskich elektrod które pozwalają oddzielić ostatnią orbitę od wcześniejszych i dać protonom poprzecznego kopa który wyrwie je z maszyny i skieruje do eksperymentów. Operatorzy próbują poruszyć septum ale nie zmienia to sytuacji. Może coś jest nie tak z septum? Wieczorem zatrzymujemy maszynę aby "ostygła" i następnego dnia wchodzimy. Zaglądamy do środka przez nieliczne okienka w potężnym płaskim zbiorniku jakim jest cyklotron. Nic nie dostrzegamy. Już wyszliśmy, już zamykamy bunkier i wtedy nadbiega szef grupy która tydzień wcześniej instalowała septum wraz z dwoma technikami. Teraz wchodzą oni do środa. Po pół godzinie wychodzą. Okazuje się że silniki krokowe poruszające septum były źle przyczepione i wcale nie spełniały swojej funkcji. Naprawione, teraz udaje się ekstrahować wiązkę w kierunku tarcz eksperymentalnych.

Następnego dnia dostaję informację że jeden z monitorów profilu wiązki nie działa. To moja odpowiedzialność. Biorę moich dwu wyśmienitych techników, najpierw sprawdzamy elektronikę, ale ta jest w porządku. Trzeba iść do "bunkra". Niestety monitor jest w dość nieprzyjemnym miejscu, w pobliżu jednej z tarcz eksperymentalnych. Jest tam spora aktywacja. Umawiamy się z ekspertem od ochrony radiologicznej. Będzie nam towarzyszył cały czas, uważając abyśmy nie dostali zbyt dużej dawki promieniowania.

Następnego dnia rano wchodzimy. Aktywne dozymetry zaczynają nerwowo pikać. Okazuje się że naprawa wcale nie jest prosta. Musimy wymienić potencjometr. Wychodzimy, szukamy odpowiedniej części zamiennej. Wracamy. Trzeba odkręcić parę śrubek, wymienić przewody elektryczne. W laboratorium byłoby to proste jak bułka z masłem, ale tutaj jest ciasno, gorąco, niewygodnie a dozymetry pikają jak szalone. Pracujemy na zmianę, aby dostać po mniej więcej tyle samo mikrosiwertów. No i dostajemy po mniej więcej 100 na osobę. Nie, to nie jest dużo, tyle co jeden rentgen płuc albo lot do Nowego Jorku. Ale to i tak najwięcej od jakichś dwu lat, kiedy to musieliśmy pracować z pewnym kolimatorem.

Wychodzimy. Robota zrobiona. Jeden z techników odpala jakąś hinduską, bolywodzką muzykę z youtuba. Śmiejemy się, tańczymy przez chwilę w tych specjalnych, białych wdziankach zakrywających całe ciało. Z promieniowaniem trzeba uważać, ale kontaminacja to jest dopiero nieprzyjemność. 

Tego dnia, wieczorem, akcelerator osiąga prawie połowę nominalnej intensywności wiązki. To niezły wynik. Mamy jeszcze dwa tygodnie commissioningu. Jest jeszcze masa rzeczy do poprawienia, ale głównie software. Chyba że znowu się okaże że coś nie działa.

Czasoprzestrzeń robaczków

Maluję na mury nadmorskiego, letniego domku, 300 metrów od śródziemnomorskiej plaży. To taki relaksujący sposób spędzania stosunkowo nielicznych dni urlopu. Ale dość sarkazmu. Mury mają przeszło 50 lat a nadmorski klimat nie jest dla nich łaskawy. Pięćdziesiąt wilgotnych zim - a byłem tu kiedyś w grudniu i wszechobecna wilgoć ściekała ze ścian - i pięćdziesiąt prażących sierpni, kiedy nawet muchy nieruchomo przeczekują południowe godziny - to zrobiło swoje. Tynk jest pełen szczelin z których od czasu do czasu w popłochu wymykają się malutkie czerwone robaczki, poirytowane białą interwencją w ich spokojne życie. Te mury nie były malowane od kilku lat, podczas gdy tutejsza moda nakazuje wybielać je co dwa, maksimum trzy lata. 

Te robaczki to prawdopodobnie jacyś kuzyni polskiej aksamitki (lądzień czerwonaka, co za piękna nazwa). Z powodu swojej maleńkości i (prawdopodobnie) sił van der Waalsa ich świat jest w przybliżeniu dwuwymiarowy - znaczy płaski - a grawitacja ma niewielkie znaczenie. Czyli są rodzajem płaszczaków, tak ulubionych przez popularyzatorów nauki wyjaśniających koncepcje zakrzywionej przestrzeni.

Ale mnie zastanawia coś innego. Dwuwymiarowość jest warunkiem koniecznym do zaistnienia operacji mnożenia. W jednym wymiarze możemy tylko dodawać, ale mnożenie to obliczanie powierzchni a do tego trzeba co najmniej dwu wymiarów. Ciekawe czy aksamitki umieją mnożyć? Zapewne zdają sobie sprawę z tego co oznacza mniejsza lub większa powierzchnia ich świata więc, choć prawdopodobnie nie znają twierdzenia Pitagorasa, to jakąś intuicję mnożenia (powierzchni) posiadają, bo jest to im potrzebne do życia. 

Przestrzeń jest czymś bardzo oczywistym. Ponoć Platon jeszcze mieszał pojęcie obiektów i przestrzeni którą zajmują ale Arystoteles już je odróżniał (patrz wikipedia: https://pl.wikipedia.org/wiki/Przestrze%C5%84_(filozofia)). Czyli pojęcie przestrzeni  jest o wiele bardziej pierwotne niż na przykład pojęcie energii, które ukształtowało się dopiero  gdzieś pod koniec XVII wieku (choć pewnie istniało w umysłach ludzi jako energia ciała, która odnawia się po nocy i wyczerpuje w ciągu dnia). 

Newton najpełniej wyraził i opisał koncepcję absolutnej przestrzeni i absolutnego czasu. Taka absolutność najbardziej odpowiada naszemu codziennemu doświadczeniu. Istnienie takiej przestrzeni i czasu jest czymś innym niż istnienie wszystkiego innego, bowiem istniały one jeszcze zanim Bóg stworzył wszystkie rzeczy.  Jest to istnienie bardziej pierwotne ale też istnienie niższego rzędu.

A potem przyszedł przełom wieków XIX i XX i teoria względności, w której przestrzeń i czas tworzą czasoprzestrzeń (Minkowskiego) - nowy byt absolutny, mający bardzo inne właściwości niż Newtonowski czas i przestrzeń. Szczerze mówiąc wciąż nie pojmuję czasoprzestrzeni. Używam wzorów relatywistycznych niemal na codzień, ale czuję ze czasoprzestrzeń kryje w sobie zagadkę której nie umiem rozwikłać. Na pewno prymitywne wyobrażenie czasoprzestrzeni jako zwykłej 3-wymiarowej przestrzeni wzbogaconej o dodatkowy wymiar jest bzdurą. Czas, jeśli w ogóle jest wymiarem, to jest wymiarem urojonym. Dzięki temu odległości w czasoprzestrzeni mogą być urojone. Na przykład minęło 15 minut od kiedy malowałem tamten fragment ściany, odległy teraz o pół metra. Odległość między tymi dwoma zdarzeniami wynosi 15 minut świetlnych czyli i*2.7*10^8 [km], gdzie "i" to tak zwana jednota urojona czyli pierwiastek z minus 1. Oczywiście nie było żadnego rzeczywistego ruchu, żadnych milionów kilometrów, tylko machanie pędzlem i rozprostowywanie bolących pleców.  

Fakt że czas jest "wymiarem urojonym" wydaje się sugerować że myślenie o czasie jako o niezależnym wymiarze po prostu nie ma sensu. Dopiero dodanie wymiaru, podniesienie "i" do kwadratu, daje liczbę rzeczywistą.  Czas "relatywistyczny" nie ma sensu bez przestrzeni. 

No i jeszcze jest ta nieszczęsna prędkość światła, która z jednej strony wydaje się limitem czysto kinematycznym,  a przecież zależna jest od elektromagnetycznych właściwości samej przestrzeni... Te wszystkie nasze podziały na kinematykę, dynamikę, przestrzeń i czas i tak dalej są na prawdę tylko nieudolnymi próbami dostosowania naszego "klasycznego" myślenia do rzeczywistości która jest poza zasięgiem naszych zmysłów. Kurcze, 100 lat i kilka pokoleń po wielkiej rewolucji naukowej nadal nie stać nas na nic lepszego...

Słońce powoli chyli się ku zachodowi i jak zwykle mój umysł nie może przyjąć do wiadomości że zachód nie jest w kierunku morza a w kierunku lądu. Ot jeszcze jeden pokaz tego, że choć homo sapiens zdobył (i w dużej mierze idiotycznie zniszczył) całą planetę, to tak łatwo daje się nabrać.  

Kwantowe drobinki materii.

Wieczorna, niespodziewanie, filozoficzna rozmowa z Christianem o tym jak podstawowe teorie - mechanika kwantowa i szczególna teoria względności, wynikają z absolutnie podstawowych założeń: niepunktowości elementarnych cząstek i z faktu, że świat nie może być różny dla dwu eksperymentatorów którzy przemieszczają się względem siebie. Prawie całą mechanikę kwantową da się zasadniczo wywieść założenia że cząstki elementarne, jak elektron, nie są punktowe. Cokolwiek, co nie jest punktem, można opisać przy pomocy nakładania się pewnej (czasem nieskończonej) liczby fal. A skoro tak, to każda cząstka musi posiadać właściwości falowe czyli na przykład interferować z innymi cząstkami. Zasada Heisenberga czy równanie Schrödingera nie są żadnymi magicznymi wzorami, tylko dość prostymi konsekwencjami tego, że cząstki nie są punktowe. I może to jest najważniejsza ze wszystkich obserwacji - niepunktowość cząstek elementarnych? Na prawdę Nobel należał się tylko Luisowi de Broglie?!

Oczywiście przesadzam. Fizycy, a może zwłaszcza matematycy z XIX wieku - jak i wcześniej, Joseph Fourier (też Francuz!), którego praca użyta była w poprzednim akapicie - żył na przełomie XVIII i XIX wieku - zrobili świetną robotę. Bez komputerów, bez archiwów z milionem artykułów, akceleratorów za biliony euro odkryli te absolutnie podstawowe prawa i szczerze mówiąc fizycy i filozofowie wciąż poświęcają niezliczone godziny rozważając ich interpretacje i znajdując nowe ich zastosowania praktyczne. W pewnym sensie tych przeszło-100-letnich praw wciąż nie ogarniamy. Wciąż nie rozumiemy czym są elementarne drobinki i jaka jest struktura czasu, przestrzeni, dlaczego istnieją dwa komplementarne interpretacje opisu świata przy pomocy cząstek i przy pomocy fal. Bo to jest ciekawe: równania są jedne ale rozumieć je można na dwa sposoby. To tak w dużym uproszczeniu.

Znowu koan, znowu wiedza która wydaje się mieć związek z medytacyjnymi właściwościami umysłu, który dopiero stłamszony przez paradoks, pracujący na najwyższych obrotach, zaczyna rozumieć.

A nasza dyskusja zaczęła się po wysłuchaniu prezentacji na temat następnego, gigantyczne projektu akceleratorowego zwanego Future Circular Collider, który miałby być inżynieryjnym i technologicznym cudem. I mam mieszane uczucia, bo naprawdę niesamowita fizyka wydaje się być bardziej historyczna niż futurologiczna. Najciekawsze problemy zostały już sformułowane i nie trzeba eksperymentów, ale wysiłków żeby je zrozumieć, żeby jak najwięcej ludzi o nich myślało i w ten sposób wzbogacało siebie i całą cywilizację przy okazji.

O przestrzeni

Idee są ogólne, nie konkretne. Oznacza to że idee mają wiele aspektów, wiele punktów widzenia, można o nich zapisać całe tomy wyjaśnień i interpretacji. Im bardziej ogólna idea, tym więcej papieru można o niej zapisać. Taka "ogólność" powinna być matematycznie zdefiniowana, powinien istnieć sposób jej zmierzenia. Co więcej, powinna ona zostawać w jakiejś relacji z konkretnością, treścią. Zapewne można ukuć kolejną odsłonę zasady nieoznaczoności Heisenberga: O*T<hbar, gdzie O to jakaś miara ogólności wyrażenia a T ilości treści jakie zawiera. W ogóle czy ktoś spostrzegł że zasada nieoznaczoności Heisenberga ma wiele wspólnego z jin i jang? Nie dosłownie to znaczy matematycznie, ale koncepcyjnie.

Wygenerowane przez DALL-E.

    Przeciwieństwem idei jest konkretny obiekt albo lepiej ożywcze działanie, które po prostu jest, dzieje się, które nie rozważa. To działanie po prostu bierze rzeczywistość taką, jaka jest. Zwłaszcza działanie bez intencji jest ekstremalnie nie-koncepcyjne. "When the tiger wants his prey, he pounces upon it without any thought or hesitation. There are no morals, no guilt, no psychological problems, no ideologies to interfere with the purity of his action."(1)

    Ale nie możemy być tygrysami, na pewno nie przez cały czas. Coś sprawiło że mamy umysły które dają nam dużą praktyczną przewagę nad zwierzętami. Skuteczność umysłów oparta jest na zdolności do abstrakcyjnego myślenia, do używania idei. Jako gatunek jesteśmy skazani na dwoistość, na rozdarcie, na paradoksalność, na niezgodę z Tao. Co więcej, bez tej dwoistości nigdy nie zdalibyśmy sobie sprawy z istnienia stanu naturalnego, stanu czystego działania. To umysł, zdolność do konceptualizacji i równocześnie dwoistość definiują nas jako homo sapiens. Biblijni Adam i Ewa dostrzegli swoją nagość po zjedzeniu jabłka z drzewa poznania (dobrego i złego). W ten sposób stali się homo sapiens i zostali wygnani z raju. Swoją drogą piszę to na laptopie z symbolem nadgryzionego jabłka i przyszło mi do głowy że Stevowi Jobsowi wcale nie chodziło o jabłko Newtona. Może sięgał dalej w historię ludzkości. Przecież Newton nie nadgryzał swojego jabłka.

    Wróćmy do idei. Stół to jest stół ale co to jest przestrzeń? Niewątpliwie przestrzeń jest czymś bardzo koncepcyjnym, o wiele bardziej niż stół. Przestrzeń, a zwłaszcza czasoprzestrzeń, służy wyrażaniu dystansu, rozdzielenia. Dwa obiekty albo dwa zdarzenia mogą być blisko, przylegać do siebie, wpływać na siebie, albo nie. W mechanice kwantowej nie ma działania na odległość. Obiekty oddziaływują na siebie lokalnie, kiedy znajdują się w tym samym miejscu czasoprzestrzeni, kiedy są w kontakcie. Tym kontaktem może być foton przybywający od obiektu-nadajnika położonego gdzieś z dala. Dopóki ten foton nie przybędzie, nie znajdzie się w tym samym miejscu co lokalny obiekt-odbiornik, oba obiekty nic o sobie nie wiedza bo dzieli je przestrzeń. Tak rozumiana przestrzeń jest czymś bardzo intuicyjnym, zgodnym z naszym codziennym doświadczeniem i użytecznym.

 

    Problem w tym że taka przestrzeń nie istnieje!  Tak samo jak nie istnieje dobrze zdefiniowana cząstka czy fala, nie można oddzielić obserwatora od obiektu obserwowanego a falocząstki bywają połączone ze soba tajemniczym oddziaływaniem na odległość które sprawia że jeśli jedna wpadnie w stan powiedzmy reszki to druga wpada w stan orła.

    Świat fizyczny przypomina symbol jin-yang a nasze pojęcia są jak nóż którym usiłujemy ten symbol przekroić na pół. Jakbyśmy się nie starali wybrać tylko jin albo tylko yang, za każdym cieciem będziemy zawsze dostawali ich mieszankę. Przestrzeń nie do końca jest czystą przestrzenią, fala jest także cząstką, czas ma aspekt przestrzeni, przyczynowość nie jest zupełna i tak dalej... Matematycznie wszystko wydaje się świetnie działać, ale jak to ująć w słowa, ogarnąć, zrozumieć?

(1) Deng, Ming-Dao. 365 Tao (p. 34)

Czytając Sabine

Kilka godzin w zatłoczonym pociągu między Europą ciepłą, śródziemnomorską, chaotyczną a Europą chłodną, uporządkowaną, wystarczyło aby przeczytać najnowszą książkę Sabine Hossenfelder "Czy Wszechświat myśli". Ale najpierw był spektakularny poranek, kiedy pociąg meandrował przez Alpy niczym wąż, wciąż zmieniając kierunek na którym wschodziło słońce.

To była ciekawa lektura. Sabine stoi na stanowisku że w tej chwili nie ma dowodów na jakiekolwiek zasady natury które nie byłyby redukcjonistyczne, czyli wynikające z praw rządzących cząstkami elementarnymi. Zasadniczo ma rację, ale naukowcy od lat usiłują takie prawa znaleźć, zapostulować. Robią z ogromną determinacją, która wynika z tego, że redukcjonizmu da się intelektualnie zaakceptować i pogodzić z własnym doświadczeniem. Świat jest tak ogromnie złożony i wieloznaczny że podejście czysto redukcjonistyczne nie może być prawdziwe. Ale czy Sabinę ma rację? Czy jest możliwe że ogromne bogactwo świata można sprowadzić do kilku dość krótkich wzorów z teorii pola?

Nie wiem, ale niepokoi mnie kilka stwierdzeń w jej książce tudzież kilka idei nad którymi jakby się prześlizgnęła nie wchodząc w ich treść lub bagatelizując pewne ich aspekty. Na przykład bagatelizuje znaczenie kwantowej losowości w powtórzonym wielokrotnie zdaniu: "(...)przyszłość jest z góry ustalona, za wyjątkiem zachodzących od czasu do czasu kwantowych zdarzeń". Przecież kwantowe zdarzenia nie zachodzą "od czasu do czasu" ale dominują! Zmieniają kompletnie przyszłość!

No i jej argumentacja dotycząca nieważności chwili obecnej też mnie nie przekonuje.

Falocząstki

Siedziałem w cudownie kosmolopolitycznym, pełnym swobody i odrobiny swawoli ogrodzie Frau Gerolds z nowo poznanymi polakami i gadaliśmy o tym i owym. Nagle i dość niespodziewanie zeszło na profesora Dragana, który ostatnio często bryluje na polskojęzycznych youtubowych kanałach. Oczywiście Dragan jest także znany na tak zwanej arenie międzynarodowej, ale może nie aż tak popularny jak w naszym kraju.

Padło pytanie o kota Schrodingera i nie po raz pierwszy miałem to wrażenie że to chyba najbardziej szkodliwe sposób objaśniania koncepcji kwantów w historii. Ludzie lubią być zadziwiani, więć koncentrują się na absurdalnym fakcie że kot może być jednocześnie martwy i żywy. Tymczasem to bzdura, kot nie jest obiektem kwantowym i w związku z tym jest żywy. Albo martwy. Koniec, kropka. Oczywiście kot, ani żaden atom we wszechświecie nie istniałby gdyby nie cudaczna kwantowość mikroświata, ale kot sam w sobie owych dziwacznych właściwości nie posiada.

Generalnie sprawa zaczyna się jak opisać "coś", na przykład kufel piwa. Kufel jest czymś zwartym, zajmującym konkretny kawałek przestrzeni. Jak się go rozbije, to dostanie się wiele małych odłamków o podobnych właściwościch: zwartości i konkretnych wymiarów i położenia. Stąd wziął się archetyp cząstki. Jak już odkryto atomy, z których składa się też ciecz zawarta w kuflu oraz gaz którym oddychamy, sądzono że wszystko może być zbudowane z takich konkretnie zdefiniowanych cząstek.  

Fale zna każdy żeglarz i traktuje je jako sposób ruchu wody na powierzchni morza. Oczywiście ktoś musiał zauważyć że podobieństwo fal do ruchu wahadła. Oscylacja, ruch periodyczny, wszedł na stałe do nauki kiedy Holender Christan Huygens zaproponował analityczne rozwiązanie dla wahadła (czyli oscylatora). To było jeszcze zanim Newton opbulikował swoje Principia (1687). Falowa teoria światła została sformułowana, również przez Huygensa, w 1678, ale jakoś przez przeszło 100 lat świat cały czas jeszcze myślał o świetle jako złożonym z cząstek (efekt propagandy Newtona, jeden z wielu przykładów na to, że jak ktoś ma rację w jedym to niekoniecznie wszystkie jego poglądy są słuszne). Dzięki głównie Thomasowi Youngowi od początków XIX wielu zaczęło się coraz powszechniej uważać że światło jest falą, w związku z czym, jako fala musi rozchodzić się w jakimś ośrodku. Bo znany dotąd ruch falowy to drgania ośrodka.

Dopiero po koniec XIX wieku hipotezę eteru, dzięki doświadczeniom Michelsona i Morleya zaczęły brać diabli. Okazało się że fala elektromagnetyczna (parę lat wcześniej Maxwell ogłosił swoje równania) jest czymś esencjalnie innym niż ruch falowy obserwowany kiedy mucha wpadnie do kufla z piwem. Właściwie szkoda że nie ma na to osobnego terminu. Przynajmniej moim zdaniem.

Domyślam się że przynajmniej niektórym fizykom tego okresu mogła przemknąć myśl, że coś, co porusza się poprzez pustą przestrzeń (znaczy bez potrzeby istnienia eteru), przypomina bardziej cząstkę niż falę. Ale to bez znaczenia bo zaraz potem historia fizyki przyśpieszyła i już w 1900 roku Max Planck znalazł wytłumaczenie spektrum promieniowania emitowanego przez rozgrzane ciała zakładając że światło jest emitowane w porcjach, jak cząstki a nie fale. Pięć lat później sam Einstein użył koncepcji kwantu światła do wyjaśnienia zjawiska fotoelektrycznego (przy czym do końca życia nie wierzył że mechanika kwantowa jest ostatecznie słuszna... choć Nobla dostał właśnie za zjawisko fotoelektryczne a nie za teorię względności). 

Obraz wygenerowany przez DALL-E.

Okazuje się że każde coś, każdy 'obiekt' mikroświata, jest falocząstką, czyli bardzo dziwnym tworem, który czasem zachowuje się jak fala (na przykład potrafi interferować sam ze sobą) a czasami jak cząstka. Naiwna interpretacja, karmiona obrazami orbitali atomowych, jest taka, że falocząstka, na przykład elektron zamiast być 'kuleczką' jest chmurką, ale to niestety w ogóle nie oddaje natury kwantowego świata. A co oddaje?

I tu mamy problem. Równania działają znakomicie, przewidują nowe zjawiska z dokładnością za którymi eksperymenty ledwie nadążają, ale dobrego obrazka mentalnego kwantowej rzeczywistości nie ma. Kwantową prawdę można porównać do zenowego koana:

"Dwie małpy sprzeczają się o flagę:

- Flaga się porusza! 

- Głupia jesteś, to wiatr się porusza!

Przechodzi trzecia i mówi:

- Nie wiatr, nie flaga, to umysł się porusza!"

Paradoks i głębokie koincydencje które dają przeczucie jakieś głębszej prawdy, niestety nieuchwytnej dla umysłu, to wszystko co nam zostaje aby próbować zrozumieć fizykę kwantową.  

Ścisłe umysły

Ktokolwiek studiował nauki ścisłe (matematyka, fizyka) wie, że nasze umysły nie są stworzone do formalnego, logicznego myślenia. Dla absolutnej większości z nas (nie wiem jak jest z Einsteinami) nauka jest czymś nienaturalnym, co przychodzi nam, przynajmniej z początku, z dużą trudnością.  Rygor ścisłego myślenia to coś, co studenci trenują latami. Studiowanie przedmiotów ścisłych to mozolny trening umysłu a nie kolekcjonowanie wiedzy. Może trenowanie szachów przypomina trochę studiowanie nauk ścisłych?

Te kilkadziesiąt egzaminów które trzeba zdać, poprzedzone są miesiącami ćwiczeń, czyli rozwiązywania zadań i łamigłówek, które mają za zadanie nauczenie umysłu metod analitycznego myślenia. Wspominam jak przed pierwszą sesją, kilka nocy przed egzaminem z analizy matematycznej, śniło mi się rozwiązywanie skomplikowanych całek. W końcu egzamin poszedł nieźle, rozwiązałem poprawnie prawie wszystkie ze 100 całek.

Obrazek wygenerowany przez DALL-E.

Po co człowiekowi umysł ścisły, skoro ewolucja sama z siebie nic takiego mu nie dała (dała tylko, prawdopodobnie przypadkowo, potencjał posiadania takiego umysłu). Po co ta rafinacja naturalnych ludzkich zdolności w kierunku który w codziennym życiu jest nieprzydatny? 

Oczywiście, bez zdolności analitycznych niektórych z homo sapiens, nie mielibyśmy cudów współczesnej cywilizacji, od komputerów począwszy, poprzez edycję genów aż po bomby jądrowe. Te zaawansowane technologie, do ich rozwinięcia, wymagają lub wymagały na pewnym etapie właśnie zdolności abstrakcyjnego i analitycznego myślenia. Ale czy to myślenie jest kluczem do poznania rzeczywistości? Bo przecież rozwijanie technologii to nie poznawanie tego, jaka jest rzeczywistość.

Koncepcja nauki jako prawdy ostatecznej tak bardzo się zakorzeniła w ludzkiej świadomości, że próbuje się nią wyjaśniać absolutnie wszystko, zapominając że istnieją dobrze naukowo określone granice tego, ile można wiedzieć o rzeczywistości. Najlepszym przykładem tych granic jest mechanika kwantowa która 'wzięła się' z rozważania tego, czym jest oddziaływanie pomiędzy obiektami a raczej 'pomiar' czyli oddziaływanie mające na celu zdobycie wiedzy o obiekcie. Z tych rozważań wynika fundamentalne ograniczenie wiedzy. 

Ci, którzy nie spoczną zanim nie wyjaśnią wszystkiego i ostatecznie, często generują nadmiarowe i najprawdopodobniej nieistniejące byty - jak na przykład pola morfogenetyczne Ruperta Sheldraka.  Te "wyjaśnienia", podszywające się pod naukę, przynoszą im satysfakcję i zadowolenie ze "zrozumienia" rzeczywistości. Tymczasem ci, którzy nie pozwalają sobie na drobne fałsze i skróty myślowe skazani są na życie nigdy nie usatysfakcjonowane pełnym zrozumieniem, życie które składa się z częściowych prawd. Ale to właśnie oni, w pełnym skupieniu, w niektórych chwilach, między liniami wzorów teorii pola, między tym, co da się powiedzieć językiem, dostrzegają czasami prawdę ostateczną. 

Shutdown

Wchodzimy do obszernego, betonowego bunkra, w środku którego drzemie Maszyna. Normalnie, kiedy Maszyna działa, cała ta przestrzeń wypełniona jest natrętnym hałasem pomp próżniowych oraz pomp tłoczących wodę chłodzącą ogromne 250-tonowe magnesy w których ogromnych miedzianych cewkach płynie elektryczna moc tysięcy amperów. Kiedy maszyna działa cała ta przestrzeń rozgrzana jest tym szczególnym ciepłem industrialnych urządzeń które nie maskują swej surowej, mechanicznej mocy aby stała się akceptowalna dla kruchych biologicznych i szukających komfortu istot jakimi są ludzie.

Kiedy maszyna działa cała ta przestrzeń wypełniona jest promieniowaniem, niby basen wypełniony szczelnie, pod sufit, wodą. Mikroskopijne cząstki, głównie promienie X i neutrony, uśmierciłyby każdego w ciągu kilku sekund. Ale to wtedy kiedy Maszyna działa. Teraz śpi, już od miesiąca, więc możemy wejść.

Ale to oczywiście nie jest proste. Maszyna ma prawie 50 lat i morze promieniowana zostawiło swój ślad. Teraz praktycznie wszystkie elementy są aktywowane. Neutrony i te wszystkie pozostałe cząstki przez lata wbijały się w twardy metal jak nóż wchodzący w masło i transformowały go tak, że stawał się radioaktywny. Ludzie którzy byli tu przed nami zmierzyli te pozimy radioaktywności i poprzyklejali żółte kartki na których pisze 300 uSv/h, 100 uSv/h, 2 mSv/h. Ta ostatnia wielkość jest niepokojąca. Przyjmuje się że bezpiecznie można pracować do pozimu aktywności rzędu 1 mSv/h. Jak gdzieś jest więcej to trzeba uważać, śpieszyć się.

Nasze zadanie na dzisiaj polega na wymontowaniu kolimatora. Aby to zrobić z Maszyny wysunięto ogromną wnękę przyśpieszającą, więc wchodzimy w wąską, pustą przestrzeń o kształcie klina.  Plecami opieramy się niemal gigantyczny magnes a przed sobą mamy wąską, płaską szczelinę z długim kolimatorem  w  środku. Obok szczeliny wisi żółta kartka z napisem 2 mSv/h. A więc musimy się śpieszyć. Ludzie odpowiedzialni za to, abyśmy nie dostali zbyt wiele promieniowania dają nam jednorazowe niebieskie rękawiczki. Na dodatek Richard i ja mamy maski, bo kolimator jest zrobiony z czarnego grafitu który może się pokruszyć. w czasie całej operacji a najgorsze co może się zdarzyć to wchłonięcie radioaktywnego pyłu do płuc. Ale grafit wygląda twardo i solidnie, nie kruszy się. Mimo to jesteśmy ostrożni. Grafit mógłby popękać i pokruszyć się od mocniejszego uderzenia w metal, a kolimator, po wyregulowaniu, trzeba będzie włożyć z powrotem.

Pot spływa po czole. W końcu udaje nam się go wysunąć. Richard  niesie go na pobliski stół. Max pobiera próbki pyłu do  analizy radiologicznej. Jest okey, sam grafit ma to do siebie, że mało się  aktywuje. Można spokojnie z nim pracować, emituje zaledwie 200 uSv na godzinę. W szpary między grafitem wkładam plastykowe, nieprzeźroczyste pudełeczka z dozymetrami w środku. Załatwione, zrobione, można wychodzić.

 

Nieskończoność i nieciągłość

Kilka miesięcy temu dostałem w prezencie książkę "Zderzacz" Joanny Łopusińskiej i w Święta wreszcie miałem czas ją przeczytać. Jest to świetnie napisana powieść kryminalna która dzieje się w dość dobrze mi znanych okolicach CERNu i Zurichu. Dość powiedzieć że pochłonąłem książkę w dwa dni. Najciekawsze jest jednak fakt że książka jest nie tylko rozrywką ale i inspiracją. W dość ciekawą fabułę wplecione są wątki z obszaru filozofii fizyki, rozmowy między bohaterami odwołują się do książki Pauliego i Junga, którą jeszcze muszę przeczytać. Z posłowia zrozumiałem że główny bohater książki, Noah Majewski, wzorowany jest na byłym mężu autorki no i nie omieszkałem sobie poszukać po internecie. Tak znalazłem Krzysztofa Zawiszę i jego przeszło 300-stronicowe dzieło o tym jak nauka jest rujnowania przez współczesnych naukowców z niskim ilorazem inteligencji.

Przydługie dzieło Krzysztofa Zawiszy męczy ciągłym powtarzaniem tej samej tezy o niskim IQ uczonych, męczy rozciągłością, męczy próbami obalenia współczesnej fizyki, choćby Szczególnej Teorii Względności używając paradoksów, opartych na eksperymentach myślowych,  paradoksów które od lat są już rozwiązane i wyjaśnione. Autor jest erudytą, ale z gatunku tych, którzy czytając mnóstwo książek i artykułów kopiują do specjalnego katalogu tylko i wyłącznie to, co popiera ich tezy a wszystko inne pomijają. Tak, oczywiście, nawet Einstein w pewnym momencie życia powiedział że stałość praw fizyki we wszystkich układach odniesienia nie oznacza że eter nie istnieje. Tylko co z tego?

Istnieje wiele podobieństw między postawą Zawiszy a różnymi internetowymi znachorami kontestującymi współczesną medycynę, 'historykami' głoszącymi że Stary Testament opisuje wizytę obcych na Ziemi itp, itd. Ktoś spędza mnóstwo czasu tworząc alternatywne wizje, starannie dobierając artykuły i badanie popierające jego tezy, ktoś zaczyna widzieć układającą się w całość strukturę i bam, jest odkrycie. Tylko że świat Gwiezdnych Wojen też posiada sensowną strukturę, co nie znaczy że istnieje na prawdę. Nasze umysły są wyspecjalizowane w znajdowaniu regularności i struktur. To jest nasza siła i, jak widać, nasze przekleństwo.

Ale czytanie fragmentów 300-stronicowego artykułu Zawiszy było często inspirujące. Sam fakt że wraca on do zapomnianej idei że rozumowanie logiczne, co u niego oznacza rozbiór pojęć, jest najważniejszą zasadą nauki. Nie eksperyment! Dla nauki byłby to powrót do antyku, no ale Zawisza uważa że to starożytni greccy naukowcy mieli najwyższe IQ i dlatego 'odkryli' naukę. To są myśli fałszywe, niestety eksperyment wielokrotnie udowodnił że teorie które wydawały się jak najprawdziwsze, nie są rzeczywiste. Bo, eksperyment pokazuje że rzeczywistość jest mocno nieintuicyjna, niezgodna ze zdrowym rozsądkiem!

Na końcu Zawisza z wściekłością dowodzi że wynikiem dzielenia przez zero jest... zero! I przedstawia to jako panaceum na różne problemy współczesnej fizyki teoretycznej, która ma poważne problemy z nieskończonościami. Tylko co z tego, że znikną nieskończoności, jeśli zamiast nich pojawią się nieciągłości? Nagłe zmiany wartości pół od ogromnych wartości do zera? Nieciągłość jest tak samo niefizyczna jak nieskończoność, więc akrobatyka intelektualna polegająca na nadaniu sensu (liczbowego) operacji matemetycznej która takiego sensu nie ma, niczego nie rozwiązuje. Ufff. Niestety Zawisza nie robi rewolucji w fizyce, choć zgadzam się z tym, że fizyka takowej rewolucji potrzebuje.