måndag 19 februari 2024

Materia och energi 2

 Att förstå kvantmekaniken / En hjälp till fysikstudenter av Lars-Göran Johansson har antagligen två syften. Det första är att visa att kvantmekaniken ryms inom en materialistisk världsuppfattning. De fenomen som studeras existerar oberoende av våra sinnen, så filosofiskt är "realist". (Filosofer idag undviker beteckningen "materialism" och talar i  stället om "realism".) Traditionellt har materialismen också inbegripit övertygelsen att naturen styrs av lagar, "naturlagarna". Båda dessa aspekter har förnekats i vissa, mystiska tolkningar av kvantmekaniken. Men Johansson tar avstånd från dessa tolkningar. 

Mikrokosmos skiljer sig avsevärt från den bild av omvärlden som vårt synsinne ger oss. Nämligen att den består av "ett antal väl avgränsade föremål", vilka "flyttar sig kontinuerligt i rummet". Att mikrokosmos inte ser ut så är inte särskilt förvånande. Elektroner och protoner är inte små biljardbollar. Begreppet "partikel", en kropp utan utsträckning, är en abstraktion från den makroskopiska världen.

"Svårigheterna med att förstå kvantmekaniken hänger ihop med, tror jag, att vi mer eller mindre medvetet utgår från ett antal antaganden om hur naturen måste se ut." Före Galilei och Newton var det en självklarhet att det krävs en kraft för att förflytta ett föremål. Efter dem blev det en självklarhet för fysiker att likformig rörelse inte kräver någon kraft. Men kraftbegreppet behölls - det är accelerationen som förklaras med krafter. 

Einsteins invändning mot kvantmekaniken var att "Gud spelar inte tärning". Det går inte att förutsäga vilken atom i ett radioaktivt ämne som sönderfaller i ett givet ögonblick. Men halveringstiden, sannolikheten, går att beräkna. Det är som om den enskilda atomen "väljer" att sönderfalla med en viss sannolikhet. Inte bara människor utan även materia har "fri vilja",  Detta strider mot en djupt rotad filosofisk tro att naturen till skillnad från människan styrs av järnhårda, deterministiska lagar.

Men om vi bortser från fysikernas fördomar, vad är det som är så oerhört svårförståeligt  med kvantmekaniken? Även Johansson tycks mena att det är dualismen mellan partikel- och vågegenskaperna. hos materians  minsta byggstenar. Han "löser" motsägelsen genom att anta att energin utbreder sig  kontinuerligt medan energiutbytet är atomärt. Det är som om fotonerna bara existerar när det sker ett energiutbyte mellan ljus och elektroner.  

Johansson avskaffar materian till förmån för energin.  Men i de kvantfältteorier som fysikerna sammanfattat alla kända krafter (utom gravitatione) så finns partiklarna kvar. Dessa har massa, laddning, spin o.s.v. Krafterna motsvaras av s.k. kraftpartiklar. 

Den ontologiska frågan om vad som är kanske kan besvaras med att partiklar och deras fält är ett, då de inte kan existera separat. Vi kan med hjälp av tanken särskilja dem, vilket leder till att vi talar om elektronen skild från "dess" elektriska fält. 



lördag 3 februari 2024

Materia och energi 1

Kan man längre skilja mellan materia och energi? Enligt Einsteins speciella relativitetsteori kan ju massan hos en mängd materia omvandlas i energi. Fast kan den göra  det helt och hållet? Strålningen från en atombomb består väl också av partiklar? Och fotoner är ju också partiklar. även om de inte har någon massa.

Sådana här tankar kan man få om man läser en recension i Filosofisk tidskrift nr 4 2023, av boken Att förstå kvantmekaniken: En hjälp till fysikstudenter. Jag har ännu inte läst boken, så jag ber att få återkomma senare till boken. Men recensenten Ingvar Johansson har tolkat boken, tror jag, som att allt är energi och jag då frågar mig vart materien tog vägen.

Bokens huvudtes är enligt recensenten att kvantmekaniken kan "visualiseras" om man utgår från att energin vanligen är kontinuerlig, t.ex. när den transporteras.  Men vid utbyte av energi t.ex. mellan en foton och en elektron, så kan detta endast ske i kvanta, i  ögonblickliga  "hopp", som inte lyder Schrödingerekvationen. Naturen opererar med två helt skilda lagar. Men det är inte själva mätningen som orsakar kollapsen av Schrödingervågen, enligt en del mystiska tolkningar. Det är utbytet av energi vilket inte kräver någon "iakttagare".  

Bokens författare tycks mena att Planck och Einstein hade rätt i att energin bara kan utbytas i "kvanta". Men man kan inte dra slutsatsen energin innan dessa hopp är kvantiserad, utan kontinuerlig och oändligt delbar. Kvantmekaniken blir kanske åskådligare för fysiker men priset man får betala verkar vara en ny form av den dualism, som kvantmekaniken plågats av. 

Energibegreppet ersatte på 1800-talet alltmer begreppet rörelse. "Rörelsen är materiens existensform" ansåg Friedrich Engels. Rörelse har  olika former, av vilka den mekaniska rörelsen var den enklaste. Värme reducerades ju till vibrationer hos atomer och molekylerna.

Rörelsenergin hos en kropp  i rörelse uttrycks matematiskt med (m x v x v)/2, massan gånger hastigheten i kvadrat genom 2.  Divisionen med 2 sågs länge som en pinsamhet, vilket dagens fysiklärare inte låtsas om. (Orsaken är matematisk.)

Engels berättar i "Naturens dialektik" om den långa debatt som pågick om hur man borde mäta rörelsens storlek. Det andra alternativet var m x v, vilket idag är ett mått på rörelsemängden. Så båda sidor fick rätt, men uttrycket "rörelsens storlek"  används inte längre. Vilket kanske är lite synd, för det känns väl mer åskådligt än både energi och impuls/rörelsemämngd. 

Wikipedia om det fysikaliska begreppet energi:

Energi (av grekiskans ἐνέργεια energeia, arbete) är en fysikalisk storhet som beskriver något med potential att medföra rörelse, alltså inte nödvändigtvis arbete. ... Energi kan vara lagrad (till exempel som lägesenergi) eller något som överförs. Ibland avses med energi helt enkelt utfört arbete.

Lägg märke till att rörelsen är central i detta försök till definition!

Fortsättning följer.