Wydawałoby się, że im więcej człowiek wie, tym dla niego lepiej. W szczególności, dobra znajomość matematyki nie tylko poszerza jego horyzonty, ale także pozwala mu obliczyć to i owo. Ale to tylko pozory. Dla niektórych nieznajomość matematyki jest wielkim dobrodziejstwem. Dotyczy to w szczególności wszelkiej maści obalaczy. Nie znając matematyki mogą spokojnie snuć swoje rozważania na temat całej struktury Wszechświata (albo jakichś jej aspektów) nie kłopocząc się, czy ich wnioski zgadzają się ilościowo z wynikami eksperymentów lub obserwacji.
Nowożytna fizyka jest nauką ilościową. W starożytności Arystoteles i jemu podobni mogli sobie.. no właśnie, filozofować na temat budowy materii i Wszechświata (chociaż niektórzy co wybitniejsi, tacy jak Archimedes czy Eratostenes, otrzymywali już konkretne wyniki). Od tego czasu fizyka posunęła się jednak deczko do przodu.
Kiedy fizyk wpadnie na pomysł, mogący mieć wpływ na opis jakiegoś konkretnego zjawiska, praktycznie zawsze pierwszą rzeczą, którą robi, to szacowanie. Pozwala mu ono ocenić, czy jego pomysł jest sensowny.
Oto przykład. Wyobraźmy sobie, że pewien fizyk-teoretyk dochodzi do wniosku, iż współczesny, kwantowy model atomu wodoru jest niekompletny, gdyż uwzględnia tylko oddziaływanie elektromagnetyczne między protonem a elektronem, a „zapomina” o oddziaływaniu grawitacyjnym między tymi cząstkami. A przecież i proton, i elektron są obdarzone niezerowymi masami, więc grawitacja musi między nimi działać! Może warto coś z tym zrobić?... Ale nasz naukowiec jest zawodowcem i od razu bierze kalkulator albo długopis i kartkę papieru i wykonuje proste obliczenia, z których po paru minutach wychodzi mu, że w przypadku protonu i elektronu siła grawitacji jest o około 40 rzędów wielkości mniejsza niż siła elektromagnetyczna. Tak więc, chociaż „idealny” opis atomu wodoru rzeczywiście uwzględniałby także grawitację, to dla wszelkich sensownych celów można ją spokojnie pominąć. Nasz fizyk, nieco rozczarowany, spokojnie dopija herbatę i zaczyna zastanawiać się nad innymi problemami.
Powyższy przykład jest z pewnością mocno naciągany – już student 1. roku fizyki doskonale wie, jak wielka jest przepaść między oddziaływaniem elektromagnetycznym a grawitacyjnym – ale dobrze ilustruje, o co mi chodzi.
I tak to działa w profesjonalnej nauce. Wiele na pozór „genialnych” pomysłów fizyków w ogóle nie ujrzało światła dziennego, gdyż zostały odrzucone przez samych twórców już na etapie szacowania.
Natomiast nieumiejący liczyć amator zwykle zadowala się samym pomysłem. Po co cokolwiek szacować, skoro sama idea jest wspaniała! Tak było w przypadku pewnego pana. Otóż w liście do instytutu, w którym pracowałem, zaproponował on, żeby anteny radiowe poszukujące sygnałów od ewentualnych obcych cywilizacji umieszczać na sztucznych satelitach – no bo przecież z orbity jest bliżej do gwiazd niż z powierzchni Ziemi! Ów pan nie potrafił oszacować, że promień nawet wysokiej orbity to zaledwie jakaś jedna miliardowa odległości do najbliższych gwiazd, a więc wzrost rejestrowanego natężenia sygnału wysyłanego przez zielonych ludzików byłby praktycznie żaden.
Dla zawodowego fizyka-teoretyka prawdziwa robota zaczyna się wtedy, gdy z oszacowań wyjdzie mu, że efekt, o którym pomyślał, może mieć istotne znaczenie. Zabiera się wtedy za rachunki, które zwykle są bardzo żmudne i daleko wykraczają poza zakres matematyki ze szkoły średniej. Gdy je ukończy, spisuje wszystko, co zrobił (jest to chyba najnudniejsza część działalności naukowej, nie licząc sprawozdawczości i podań o granty), po czym wysyła artykuł do czasopisma naukowego. Redakcja tegoż czasopisma wynajduje recenzenta, który sprawdza, czy autor nie popełnił jakichś istotnych błędów. Wiąże się to często z koniecznością weryfikacji obliczeń. Jeśli wszystko jest ok, artykuł idzie do druku.
Nieznającemu matematyki obalaczowi odpada cała ta żmudna procedura... (no, może z wyjątkiem spisywania swoich idei). Ponieważ nie wysyła artykułu do recenzowanego czasopisma, a tylko zawiesza go w sieci, nie boi się też, że jego „dzieło” zostanie odrzucone przez recenzenta. Same zalety!
Kolejny etap w pracy zawodowców to sprawdzanie, czy otrzymany wynik nie stoi w sprzeczności z wynikami dotychczasowych doświadczeń lub obserwacji. Procedura ta trwa jeszcze dłużej, a zaangażowanych w dyskusję może być wiele osób. Przecież przeprowadzono dotychczas tysiące najprzeróżniejszych eksperymentów! Dobry model teoretyczny musi być z nimi w zgodzie.
Obalacz rzadko kłopocze się takimi drobiazgami, zwykle zresztą dlatego, że ogromna część prowadzonych badań jest mu po prostu nieznana. Nie wszystko jest opisane szczegółowo w książkach i artykułach popularnonaukowych...
Dla zawodowców kłopot pojawia się wtedy, gdy przewidywania teoretyczne różnią się od wyników eksperymentów – choćby minimalnie. Powstaje wtedy pytanie: czy cała teoria jest zła, czy tylko nie uwzględniono jakiegoś szczegółu?
Weźmy taki moment magnetyczny elektronu swobodnego (czyli niezwiązanego w żadnym atomie lub molekule), zwykle oznaczany ms. Określa on zachowanie tej cząstki w polu magnetycznym. Z mechaniki kwantowej wynika, że jest on równy
Tutaj S to spin elektronu, μB to tzw. magneton Bohra, ħ to stała Plancka,. natomiast gS to pewien czynnik, który – jak wynika z obliczeń kwantowomechancznych – dla swobodnego elektronu powinien wynosić dokładnie 2.
Od wielu lat prowadzi się eksperymenty pozwalające zmierzyć wartość samego czynnika gS. Okazało się, że jest on nieco większy niż 2. Co prawda minimalnie – różnica występuje dopiero na piątym miejscu znaczącym – ale jednak... Coraz precyzyjniejsze pomiary doprowadziły do niezwykle dokładnego wyznaczenia wartości gS. Wynosi ona 2,000231930436146 z ewentualnym błędem na dwóch ostatnich miejscach znaczących (dane z 2011 roku). Porażająca dokładność! - jak powiedziałby Macierewicz.
Mamy więc do czynienia z drobną, ale istotną różnicą między wynikami eksperymentów a przewidywaniami mechaniki kwantowej. Czy zatem należy wyrzucić teorię do kosza, mimo że wynikające z niej inne wnioski świetnie się potwierdziły?...
Na szczęście nie trzeba tego robić. Głębsza analiza problemu doprowadziła do wniosku, że coś takiego jak „swobodny elektron” po prostu w ogóle nie istnieje. Każdy elektron porusza się w oceanie przewidzianych przez kwantową teorię pola cząstek wirtualnych – głównie par elektron-pozyton. Powstają one samoistnie w próżni, po czym prawie natychmiast znikają. Mimo ich krótkotrwałego istnienia, zdążą wywrzeć pewien wpływ na elektron.
Uwzględnienie w obliczeniach wpływu cząstek wirtualnych prowadzi do zrewidowanej teoretycznej wartości czynnika gS. Zgodnie z najnowszą pracą (z 2012 roku) wynosi ona 2,000231930436256. Proszę porównać tę wartość z wynikiem doświadczalnym. Ich zgodność jest chyba jeszcze bardziej porażająca!
Muszę tu wyraźnie podkreślić, że koncepcja cząstek wirtualnych nie wzięła się po to, aby wyjaśnić rozbieżność między teoretyczną a doświadczalną wartością czynnika gS, ale pojawiła się wcześniej jako naturalna konsekwencja kwantowej teorii pola. Z tego powodu zgodność wyników doświadczalnych z wartością teoretyczną jest niezwykle silnym argumentem przemawiającym za poprawnością tej teorii.
Wiem dobrze, że obalacze bardzo nie lubią cząstek wirtualnych. No bo jak to: coś ma powstawać z niczego, ot tak sobie, wywierać jakiś wpływ na otoczenie, po czym spokojnie znikać? Przecież to nielogiczne! Nieważne, że wszystkie dotychczasowe próby weryfikacji teorii kwantowej (której konsekwencją jest istnienie tych cząstek) dały wynik pozytywny... Ważne, że im – obalaczom – to się w głowie nie mieści.
Drogi obalaczu! Jeżeli nie podobają ci się cząstki wirtualne (czy cokolwiek innego w fizyce), to zamiast po prostu wybrzydzać, zabierz się do roboty i pokaż, że twoja wspaniała teoria jest w stanie odtwarzać wyniki precyzyjnych eksperymentów – przynajmniej w takim samym stopniu co fizyka „oficjalna”. Niech to będzie choćby wartość tegoż momentu magnetycznego elektronu. Sorki, ale stwierdzenia typu na pewno wyjdzie tyle, ile trzeba nie wystarczą. Potrzebny jest twardy dowód w postaci konkretnych obliczeń.
A, prawda, przecież ty nie umiesz liczyć... I, o ile cię znam, nie masz wcale zamiaru poznać matematykę na tyle, aby rozumieć prace teoretyczne z fizyki. O wiele przyjemniej jest tworzyć własne koncepcje nie zwracając uwagi na fakty i uważać, że oficjalni fizycy są głupi ;)
PS. Znakomita zgodność teoretycznej i eksperymentalnej wartości czynnika gS to nie jedyny argument przemawiający za istnieniem cząstek wirtualnych i poprawnością kwantowej teorii pola. Są jeszcze inne, ale ich opis wykracza poza ramy tej (i tak długaśnej już) notki.
