Jak obejść zasadę zachowania energii -
Dwa systemy myślenia w fizyce

SPIS TREŚCI
Kwantowo-mechaniczny system myślenia
Galilejski system myślenia - Porównanie systemów myślenia
Początki galilejskiego systemu myślenia
Jak obejść zasadę zachowania energii -
Podstawy rozwoju fizyki samoczynnego ruchu materii

Kwantowo-mechaniczny system myślenia
W kwestii myślenia o budowie materii współczesna fizyka jest zdominowana przez ludzi myślących w kategoriach kwantowo-mechanicznych. Gdy zapytać fizyka, jakie są najważniejsze współczesne teorie fizyczne, odpowie zapewne jednym tchem: mechanika kwantowa i obie teorie względności A. Einstena. Teorie względności można tu pominąć, bo one nie zajmują się szczegółami budowy materii.

Można zatem powiedzieć, że w fizyce na temat budowy materii dominuje kwantowo-mechaniczny system myślenia. Na czym polega kwantowo-mechaniczny system myślenia? W gruncie rzeczy można śmiało powiedzieć, że ten system myślenia o budowie materii opiera się na niewiedzy. Zakłada on bowiem, z jednej strony, że poznanie szczegółów o konkretnym położeniu cząstek materii nie jest możliwe innym sposobem, jak tylko za pośrednictwem rachunku prawdopodobieństwa, a z drugiej strony, zamyka drogę do poznania tych szczegółów w przyszłości, głosząc, że takie poznanie uniemożliwia sam charakter przyrody. W kwantowo-mechanicznym systemie myślenia nie może zatem być mowy o poznaniu konkretnych położeń cząstek materii względem innych cząstek materii. A więc nie może być również mowy o poznaniu matematycznych funkcji, według których jedne cząstki poruszają się względem innych cząstek.

Korzystając z rachunku prawdopodobieństwa, mechanika kwantowa posiada swój system obliczeń matematycznych. Opierając się na niewiedzy na temat budowy materii i korzystając ze tego systemu obliczeń, analizuje ona relacje między pewnymi parametrami materii. Te parametry częściowo wynikają z doświadczeń fizycznych, a częściowo - a w istocie, w znacznie przeważającej części - są własnymi wytworami mechaniki kwantowej, których fizyczna natura jest nieznana nawet specjalistom w dziedzinie mechaniki kwantowej.

Nie wszyscy fizycy, którzy wychowali się na mechanice kwantowej, zgadzają się z tym systemem myślenia. Bo, na przykład, prof. Arkadiusz Jadczyk w swoim blogu na http://arkadiusz.jadczyk.salon24.pl/108153,elektrony-protony-neurony napisał:

"Mechanika kwantowa z książek to indoktrynacja naszych umysłów. Jest rzeczą ciekawą, że tak łatwo dajemy się indoktrynować. Odczuwamy przy tym nawet przyjemność - czysty masochizm. Psycholog i socjolog mógłby na tym zrobić co najmniej doktorat. Rzecz w tym, że dając sobie wciskać w głowę slogany i rytuały mamy jednocześnie wrażenie, że wprowadzani jesteśmy w krąg jakiegoś Tajnego Stowarzyszenia Kwanto-Mechaników. A kto z nas nie chce być adeptem jakiejś tajnej organizacji, organizacji, która zna sekrety nieznane tym spoza kręgu? Tylko, jak zapewne w każdym tajnym stowarzyszeniu, w miarę jak adept pnie się w górę po szczeblach drabiny kolejnych wtajemniczeń, pod koniec tej drabiny widzi, że wszystko opiera się na wierze w istnienie sekretów a nie na ich znajomości."

W swoim blogu (w innym miejscu) prof. Jadczyk przytacza też opinię innego fizyka, dra Marka J. Hadley'a z Uniwersytetu Warwick, którą znalazł na jego internetowej stronie:

"Teoria kwantów - czyżby najgorsza z teorii wszystkich czasów?

Teoria kwantów jest niewątpliwie teoria poprawną. Nigdy nie omyliła się w przewidywaniach i została przetestowana z ogromna dokładnością. W samej rzeczy jest to teoria, która odniosła największy sukces ze wszystkich innych teorii naukowych, gdy idzie o jej moc przewidywania i użyteczność. Nie kwestionuję tych faktów.

Celem mojego wykładu jest podkreślenie stopnia w jakim teoria kwantów prawie niczego nie wyjaśnia. Do obliczeń daje wyniki statystyczne, nie mówi jednak nic o podstawowej rzeczywistości.

Co gorsze, to właśnie jej sukcesy zahamowały poszukiwania głębszego jej zrozumienia. W samej rzeczy rozpowszechniona jest wiara w to, że żadne poszukiwania teorii głębszej są albo niemożliwe albo wręcz bezsensowne. Przez ponad 50 lat badania w tym kierunku były tłumione, i to w podobny sposób nie spotykany odkąd Kościół Katolicki narzucił teorie kosmologii i stworzenia świata."

Galilejski system myślenia - Porównanie systemów myślenia
We współczesnej fizyce, obok kwantowo-mechanicznego systemu myślenia, istnieje również inny system myślenia. Z tego powodu, że swój początek wywodzi on od grawitacyjnego odkrycia Galileusza, można go nazwać galilejskim systemem myślenia. Co prawda, galilejski system myślenia w oficjalnej fizyce istnieje raczej w zalążkowej postaci, ale ważny jest sam fakt, że on istnieje. A nie mniej ważny jest fakt, że w ciągu ostatnich kilku lat rozwijał się on dynamicznie i obecnie istnieje w postaci konstruktywnej teorii pola. Co prawda, teoria ta nie weszła jeszcze do powszechnego użytku w fizyce i nie drukują jej w podręcznikach - nie jest ona znana ogółowi fizyków, więc na razie (jako system myślenia w fizyce) nie jest ona konkurencyjna dla mechaniki kwantowej.

Porównując oba systemy myślenia o budowie materii, można powiedzieć, że galilejski system myślenia jest przeciwieństwem kwantowo-mechanicznego systemu myślenia. Bo opiera się on na fakcie, że oddziaływanie grawitacyjne jednego ciała na drugie ciało polega na przyśpieszaniu jego ruchu w pewien określony sposób. To przyśpieszanie daje się matematycznie opisać i w każdej chwili są znane położenia ciał względem siebie. Taki opis jest sprzeczny z podstawową zasadą mechaniki kwantowej - zasadą nieoznaczoności Heisenberga - coś takiego w mechanice kwantowej jest niemożliwe.

Dla specjalistów w dziedzinie mechaniki kwantowej oddziaływanie grawitacyjne i związane z tym przyśpieszanie ciał wydaje się nie kolidować z zasadą Heisenberga. Sytuacja taka istnieje zapewne z tej przyczyny, że ci specjaliści, nie wnikają w szczegóły i nie analizują, czym jest to oddziaływanie grawitacyjne.

A przecież, jeśli logicznie pomyśleć o grawitacyjnych oddziaływaniach ciał makroskopowych, to można wyciągnąć następujące wnioski:
1. oddziaływanie grawitacyjne ma fundamentalny charakter, co oznacza, że jest ono identyczne dla ciał niezależnie od ich wielkości i niezależnie od odległości.,
2. oddziaływanie grawitacyjne między ciałami makroskopowymi jest tym samym oddziaływaniem, które zachodzi między (hipotetycznymi) fundamentalnymi składnikami materii,
3. oddziaływanie grawitacyjne odbywa się bez udziału jakichkolwiek "pośredników" w postaci fal bądź cząstek,
4. oddziaływanie na duże odległości, jakie są postrzegane w makroskali, są tożsame z oddziaływaniami na bardzo małe odległości, jakie są postrzegane w nanoskali - przy dużych odległościach oddziaływania są nazywane grawitacyjnymi, a przy bardzo małych odległościach oddziaływania te są nazywane jądrowymi, międzyatomowymi itp.,
5. możliwość matematycznego opisywania wzajemnych oddziaływań i wzajemnego przyśpieszania cząstek materii jest identyczna zarówno przy dużych, jak i przy małych odległościach - inne są jedynie matematyczne funkcje dla opisu tych przyśpieszeń,
6. podobnie, jak przy oddziaływaniach na duże odległości nie są potrzebni "pośrednicy", tak samo są oni zbędni przy małych odległościach oddziaływania,
7. materię w makroskali, jaka występuje, na przykład, w postaci ciał niebieskich, można opisywać za pomocą centralnie symetrycznych pól i w podobny sposób można opisywać fundamentalne składniki materii; te pojedyncze fundamentalne pola można uważać za tożsame z tym, co kryje się pod "uproszczonym" pojęciem - fundamentalna cząstka, a zbudowane z fundamentalnych składników stabilne układy strukturalne można utożsamiać z cząstkami w postaci elektronów, atomowych jąder itd.

Galilejski system myślenia o budowie materii nie udostępnia wiedzy o położeniu i prędkości jakiejkolwiek konkretnej cząstki w konkretnym momencie czasowym. W tym systemie wysiłek poznawczy nie jest ukierunkowany na to, co jest niemożliwe, aby stwierdzać, że to jest niemożliwe, jak czyni się to w mechanice kwantowej. Szczegółowa wiedza o konkretnej cząstce, o jej miejscu położenia w danym momencie, nie jest do czegokolwiek przydatna. Gdy ktoś upiera się, że taka wiedza i umiejętności mają sens, powinien zastanowić się na tym, jaka mądrość, wiedza i jaki sens wynikałyby z drobiazgowej obserwacji i badania zachowania konkretnej pojedynczej molekuły wody, która znajduje się akurat w tej chwili w płynącym po niebie obłoku.

W konkretnych warunkach podczas przeprowadzanego badania w fizycznym doświadczeniu jest możliwy opis zachowania pojedynczej cząstki. Ale takie sytuacje są wyjątkowe i nie idzie o "konkretną cząstkę", ale o przykład zachowania cząstki w doświadczeniu fizycznym. Na tej podstawie gromadzona jest wiedza praktyczna o cząstkach materii.

Galilejski system myślenia umożliwia natomiast opis zachowania cząstki, gdy ona istnieje w układzie wraz z innymi cząstkami, umożliwia opis jej wpływów i reakcji w oddziaływaniach z innymi cząstkami. System umożliwia badanie matematycznych funkcji, które opisują ruch cząstek, umożliwia badanie warunków, w jakich cząstki tworzą ze sobą stabilne struktury, umożliwia opis dowolnych zjawisk fizycznych w oparciu o fundamentalne oddziaływania między składnikami materii.

Początki galilejskiego systemu myślenia
Poglądy Galileusza i Newtona na temat atomowej budowy materii były podobne. Ale to Newton zapoczątkował analityczne badanie wzajemnych przyspieszeń ciał i ich ruchów względem siebie. W tym znaczeniu stał się on prekursorem wprowadzenia do fizyki galilejskiego systemu myślenia o budowie materii. Uważał on, że oddziaływania grawitacyjne ciał są oddziaływaniami między ich składowymi atomami.

Najważniejsze, co należało odkryć w sprawie grawitacji, zostało odkryte przez Galileusza na długo przed narodzinami Newtona. Mianowicie, odkrył on, że w polu grawitacyjnym, jakie jest związane z konkretnym ciałem, wszystkie inne ciała poruszają się z jednakowymi przyśpieszeniami, niezależnie od ich mas własnych. Newton znał tę odkrytą przez Galileusza grawitacyjną zasadę i wiele z nią "teoretycznie" eksperymentował. Miał do tego odpowiednie matematyczne narzędzia w postaci wymyślonych przez siebie rachunków: różniczkowego i całkowego, i te narzędzia wykorzystał. Te nowo odkryte sposoby obliczeń były dla Newtona nieocenioną pomocą i posłużyły do sformułowania prawa powszechne ciążenia oraz praw dynamiki. Właśnie, opierając się na fakcie istnienia grawitacyjnych przyśpieszeń ciał, Newton stworzył nowy byt fizyczny, który w wystarczający sposób wyjaśniał istnienie przyśpieszenia. Bo, po pierwsze, ten byt za pomocą matematycznego wzoru był związany z przyśpieszeniem, a po drugie, właśnie ten byt uzasadniał fizyczne istnienie przyśpieszenia. Tym bytem jest "siła".

Prowadzone przez Newtona badania wzajemnych przyśpieszeń dwóch ciał stały się podstawą dla sformułowania treści zasad dynamiki. Bo doszedł on do wniosku, że tak właśnie w naturze zachowują się dwa wzajemnie przyśpieszające się ciała, gdy te ich przyśpieszenia przebiegają zgodnie z odkrytym przez Galileusza prawem grawitacyjnym. Badania te stały początkiem mechaniki klasycznej, która opiera się na trzech zasadach dynamiki Newtona.

O wykorzystaniu przez Newtona grawitacyjnego odkrycia Galileusza można domyślać się na podstawie historii rozwoju fizyki klasycznej oraz na podstawie charakteru sformułowanych zasad dynamiki. Istniejący kształt zasad mechaniki jest możliwy przy milcząco przyjętym założeniu, o którym w fizyce nie wspomina się ani słowem. Newton milcząco założył i wszyscy następni badacze przyjmują to za oczywiste, że różne ciała (ciała niebieskie oraz wszelkie ich składniki) nadają innym ciałom przyśpieszenia, których wielkość jest zależna od masy przyśpieszającego ciała, ale zmienność tych przyśpieszeń wraz ze zmianą odległości od każdego ciała przebiega według tej samej matematycznej funkcji.

To przyjęte milcząco założenie decyduje o charakterze wzajemnych przyśpieszeń dwóch ciał i charakterze działu fizyki - mechaniki klasycznej, która na tym założeniu się opiera. Ma ono bowiem kluczowe znaczenie dla analizy ruchu układu dwóch ciał jako całości. Przy takim założeniu wypadkowy środek masy tych ciał, gdy wcześniej pozostawał on nieruchomy, nie może samoczynnie zacząć poruszać się w którąkolwiek stronę. Od tego milczącego założenia  wywodzi swój początek, pełniąca w fizyce fundamentalną rolę, zasada zachowania energii.

Weźmy pod uwagę dwa wzajemnie przenikające się ciała - pola, które mają zdolność wzajemnego przenikania nie tylko przy dużych odległościach, jak to dzieje przy oddziaływaniach grawitacyjnych, ale i przy dowolnych innych odległościach. Przeprowadźmy z nimi następujące doświadczenie myślowe. Umieśćmy je w pewnej odległości od siebie i niech rozpoczynają ruch ku sobie od zerowych prędkości początkowych (zerowych prędkości względem siebie i względem obserwatora). Niech na te ciała nic innego nie wpływa za wyjątkiem ich samych. Po rozpoczęciu ruchu te ciała będą podążały ku sobie, potem w punkcie, gdzie znajduje się ich wypadkowy środek masy, miną się ze sobą i pomkną dalej - teraz już oddalając się od siebie. Wzajemne przyśpieszenia zahamują ich ruch i zatrzymają się one w takiej samej odległości od siebie, od jakiej rozpoczynały ruch na początku doświadczenia. Dalej sytuacja powtórzy się, bo one rozpoczną ruch w przeciwną stronę, podążając do swoich poprzednich położeń z zerowymi prędkościami ruchu. Znowu "po drodze" miną się ze sobą w punkcie zwanym "środek masy", a podczas mijania będą miały największe prędkości względem tego punktu i względem siebie.

Sumaryczna energia tych ciał - pól nieustannie będzie taka sama - będzie się tylko zmieniała postać energii. W skrajnych punktach, w których te ciała są najbardziej oddalone od siebie, mają one jedynie energię potencjalną, a w momencie gdy mijają się ze sobą, cała ich energia istnieje w postaci energii kinetycznej. Gdy ciała te znajdują się w położeniach pośrednich, to ich energia jest rozdzielona na część energii w postaci kinetycznej i część energii w postaci potencjalnej - ale suma energii pozostaje stała.

Gdy ciała - pola przyśpieszają się wzajemnie, ale odbywa się to nie według jednakowych, lecz według odmiennych matematycznych funkcji, ich zachowanie jest zupełnie inne niż opisane. Jest to zupełnie inna sytuacja, aniżeli ta, jaką w swoich badaniach rozpatrywał Newton. Dwa ciała, które przyśpieszają się nawzajem według odmiennych funkcji, nie mają nieruchomego wspólnego środka masy. Te dwa ciała - pola (jako układ ciał) nie mogą pozostawać w jednym miejscu - one muszą się przemieszczać jako całość. A takie zachowanie ciał nie dość, że przebiega według innych zasad dynamiki, aniżeli zasady dynamiki Newtona, to jest ono również sprzeczne z zasadą zachowania energii. Po prostu, taki układ ciał podczas podobnego doświadczenia, jak opisane powyżej, samoczynnie przyśpiesza wzdłuż linii, na jakiej są położone oba ciała. Ciała uzyskują coraz większą prędkość ruchu, a zatem ich energia względem nieruchomego obserwatora staje się coraz większa.

Jak obejść zasadę zachowania energii -
Podstawy rozwoju fizyki samoczynnego ruchu materii
Zasada samoczynnego ruchu dwóch ciał - pól, a przede wszystkim początkowe założenie o wzajemnym przyśpieszaniu się dwóch ciał - pól według odmiennych (pod względem strukturalnym) matematycznych funkcji, należą do nowego działu fizyki, który dopiero zaczyna się rozwijać. Ten dział można by umieścić na jednym poziomie z mechaniką klasyczną, której podstawą jest dynamika Newtona. Podstawą tego nowego działu fizyki jest dynamika samoczynnego ruchu, której zasady są odmienne od zasad dynamiki Newtona. Ten dział będzie w przyszłości równie ważny dla fizyki, jak mechanika klasyczna. Jego zasady nie są sprzeczne z zasadami mechaniki klasycznej, a wprost przeciwnie, można powiedzieć, że te oba rodzaje zasad wzajemnie uzupełniają się i razem tworzą większe możliwości opisu zjawisk fizycznych.

Gdzie dynamika samoczynnego ruchu może mieć zastosowanie? Co świadczy o jej przydatności do opisu zjawisk fizycznych? Obszar, gdzie może być zastosowana dynamika samoczynnego ruchu, jest ogromny - ten obszar to fizyka cząstek, atomów, molekuł. To, że samoczynny ruch materii dotychczas nie był dostrzegany przez fizyków, wynika z różnorodności istniejących mikrostruktur w postaci molekuł i różnego ich ukierunkowania względem siebie. Taka sytuacja przyczynia się do tego, że wypadkowe przyśpieszenie zbioru takich mikrostruktur w postaci bryłki materii wynosi zero.

Nawet gdy fizycy dostrzegają ruchy mikrostruktur, na przykład, w postaci ruchów Browna, to nikt nie dostrzeże w tym samoprzyśpieszania molekuł czy innych cząstek, bo takie ruchy byłyby zaprzeczeniem jednego z filarów współczesnej fizyki - zasady zachowania energii. A jakie fakty świadczą o tym, że w przyrodzie istnieją samoprzyśpieszające molekuły? Świadczy o tym różnorodna budowa atomów różnych pierwiastków chemicznych, świadczy istnienie odmiennych struktur krystalicznych, które są zbudowane z atomów siarki, fosforu, żelaza, cyny itd. Różne odległości między atomami w różnych kryształach są świadectwem tego, że przy tych odległościach atomy przyśpieszają się nawzajem w taki sposób, że tworzą stabilne struktury. Różne odległości między atomami w strukturach świadczą o tym, że matematyczne funkcje, które opisują, w jaki sposób przyśpieszają one swoich sąsiadów, różnią się od siebie. Czyli w świecie atomów można znaleźć podstawową przyczynę tego, że utworzone z nich układy strukturalne muszą(!) zachowywać się w sposób, który wykracza poza zasadę zachowania energii.

Zachowanie styków dwóch różnych metali, które są połączone ze sobą szeregowo, można zilustrować korzystając ze schematycznego kieratu, który, jak pokazano na rysunku, może mieć kształt foremnego bądź nieforemnego sześciokąta.

W wierzchołkach sześciokąta znajdują się położone na przemian symboliczne atomy dwóch różnych pierwiastków. Boki sześciokąta to promienie sferycznych powłok potencjałowych atomów. Gdy atomy znajdują się w takich odległościach od siebie, mogą tworzyć stabilne układy strukturalne. Gdy promienie powłok obu rodzajów atomów różnią się nieznacznie od siebie, wówczas te dwa różne atomy tworzą stabilny układ, który musi(!) poruszać się ruchem przyśpieszonym. W przypadku układu w postaci foremnego sześciokąta przyśpieszenia mają takie kierunki, że wzajemnie się redukują i wypadkowe przyśpieszenie wynosi zero.

W przypadku nieforemnego sześciokąta atom każdego rodzaju łączy się ze swoimi sąsiadami za pośrednictwem potencjałowych powłok o różnych promieniach. Jeśli niewielka różnica wielkości promieni istnieje tylko dla jednej powłoki (inne powłoki w obu rodzajach atomów są identyczne) i związana z tym różna zmienność potencjałów powłoki w jednym i drugim atomie jest przyczyną samoprzyśpieszenia, to kierat sam zaczyna przyśpieszać swoje obroty. Bo w takim przypadku nie zachodzi zerowanie wypadkowego przyśpieszenia.

Ilustrację działania kieratu bezwładnego i kieratu samoprzyśpieszającego można obejrzeć korzystając z komputerowego programu modelującego Gas2n_A.exe -  http://pinopapliki2.republika.pl/Gas2n_A_exe.zip - oraz (dołączonych do niego) programów roboczych w formacie gas. Razem z programami znajduje się instrukcja, która pomaga poznać, jak obejść zasadę zachowania energii, tak aby mieć dostęp do niewyczerpanego źródła energii.

Na stronach http://pinopa.republika.pl i http://nasa_ktp.republika.pl są przedstawione nowe zasady dynamiki oraz związane z nimi zjawiska fizyczne. Są one tam przedstawione (po polsku i po rosyjsku) w krótkich artykułach pod wspólna nazwą "konstruktywna teoria pola".

Na stronie http://cst-www.nrl.navy.mil/lattice można znaleźć różne układy strukturalne różnych pierwiastków chemicznych oraz związków chemicznych. Mogą one służyć jako podstawa dla poszukiwania odpowiednich rodzajów atomów i dla projektowania samoprzyśpieszających układów strukturalnych.

Bogdan Szenkaryk "Pinopa"
Legnica, 2011.02.21.