Przeczytaj
Warto przeczytać
Panuje przekonanie, że fizyka opiera się na dwóch filarach. Są nimi: teoria i eksperyment. Każdy z nich spełnia inne zadania. Teoria formułuje prawa i zasady opisujące obserwowane i badane w eksperymentach procesy fizyczne. Formułuje także przewidywania na przyszłość. Prowadzone w eksperymentach pomiary potwierdzają lub obalają postulaty teorii oraz poszukują nowych, niezbadanych jeszcze zjawisk. Zauważmy, że każda teoria uznawana jest za słuszną tak długo, jak długo jej postulaty zgadzają się z wynikami pomiarów. Wystarczy jeden wynik pomiaru niezgodny z teorią, by teoria mogła być obalona.
Oczywiście, to bardzo mocne stwierdzenie. Rzeczywistość nie jest czarno‑biała. Może być tak, że wynik pomiaru nie zgadza się z jakimś elementem teorii i wystarczy wprowadzenie niewielkiej poprawki, by wszystko się zgadzało. To właśnie dlatego o teorii i eksperymencie w fizyce mówi się także jako o dwóch filarach, które wzajemnie się wspierają i uzupełniają.
Czy pomiar i eksperyment to to samo? Nie, pomiar to zwykle element eksperymentu i wiele pomiarów bardzo różnych wielkości składa się na tę całość, którą zwiemy eksperymentem. Niekiedy jednak celem eksperymentu jest pomiar niezmierzonej jeszcze wielkości lub sprawdzenie wartości zmierzonej, ale inną metodą. Tak właśnie było w przypadku wspomnianych tu eksperymentów ATLAS i CMS w CERN, w których odkryty został bozon Higgsa.
Mówiąc bardziej precyzyjnie, wykonany został pomiar masy cząstki, której własności zgadzają się z przewidywanymi przez teorię własnościami bozonu Higgsa. Wyniki pomiarów obu tych eksperymentów, wykonanych przez różne zespoły z pomocą całkowicie różnej aparatury, okazały się zgodne w zakresie niepewności pomiarowych, potwierdzając przewidywania teoretyczne. To właśnie przesądziło o przyznaniu nagrody Nobla.
Trzeba jednak doprecyzować, co w tym przypadku oznacza słowo „pomiar”. Jeśli bowiem wyobrażasz sobie pomiar na podobieństwo tych wykonywanych miernikiem w klasie, to jesteś bardzo daleko od rzeczywistości. Zobacz Fot. 1.
Na fotografii widać tylko mały fragment. Ten „miernik” ma wysokość 16 metrów, długość 21 metrów i waży 12,5 tysiąca ton.
Wykonanie pomiarów, o których tu mowa, wymagało kilkunastu lat przygotowań i zbudowania największego na świecie urządzenia badawczego, jakim jest Wielki Zderzacz Hadronów, LHC.
Wyniki otrzymano, nagrodę Nobla przyznano – czy to oznacza zakończenie akcji i aparaturę można demontować? Bynajmniej. Odkrycie bozonu Higgsa potwierdza słuszność założeń teorii cząstek elementarnych zwanej Modelem Standardowym, ale pozostawia otwartymi wiele kwestii i pytań, na które wciąż brak odpowiedzi. To podobnie jak w górach – wejście na jeden szczyt ukazuje następne, których zdobycie może być znacznie trudniejsze.
Możemy już zrobić małe podsumowanie. Zauważamy, że:
Pomiar jest źródłem informacji w fizyce doświadczalnejfizyce doświadczalnej oraz inspiracją dla rozwoju fizyki teoretycznejfizyki teoretycznej.
Wynik pomiaru stanowi podstawowe kryterium weryfikacji teorii fizycznych.
Trzeba tu zauważyć, że eksperyment fizyczny jest zawsze dziełem unikalnym i jako taki dostarcza nie tylko informacji oczekiwanych przez teorię, ale także pozwala zaobserwować zjawiska, których nikt wcześniej nie obserwował, a nawet się ich wcześniej nie spodziewał. Przykładem niech będą prowadzone w sposób ciągły obserwacje astronomiczne. Coraz potężniejsze teleskopy sięgają do coraz odleglejszych zakątków Wszechświata, by co jakiś czas nawet w codziennej prasie ukazywały się informacje o odkryciu nowego obiektu astronomicznego. Stąd uzasadniona konstatacja:
Wynik pomiaru może wskazywać na istnienie nowego, dotychczas nieznanego zjawiska fizycznego.
Prowadzenie coraz bardziej skomplikowanych pomiarów wymaga coraz bardziej skomplikowanej aparatury. Tu jednak pojawiają się różne bariery. Zapewne wiesz z lekcji fizyki, że mikroskop optyczny ma ograniczone możliwości powiększania nie ze względu na trudności techniczne, ale dlatego, że długość fali światła widzialnego na to nie pozawala. Do większych powiększeń potrzebny jest mikroskop elektronowy. Są i inne bariery. Ilość danych dostarczanych przez eksperymenty podobne do tych w CERN i wspomnianych tutaj, wymagają komputerów o potężnych mocach obliczeniowych oraz przechowywania i analizowania ogromnych ilości danych i możliwości komunikowania się zespołów fizyków rozsianych po całym świecie. W przeciwnym przypadku nie dałoby się wykonać analizy informacji stanowiącej wyniki pomiarów. Stąd rodzi się kolejny wniosek:
Wykonanie pomiaru może wymagać pokonania nierozwiązanych dotychczas problemów technologicznych, informatycznych itp.
Rozwiązanie problemów i pokonywanie barier to w fizyce sprawa naturalna, bo przecież każdy eksperyment to rzecz bez precedensu. Do nowych pomiarów projektuje się nowe detektory i opracowuje nowe metody analizy danych. To często zadania trudne, ale też wyzwalające inwencję i przynoszące satysfakcję. Opracowywane nowe urządzenia pomiarowe i opracowywane nowe metody często okazują się użyteczne w dziedzinach zupełnie innych niż fizyka, np. w przemyśle lub medycynie. Stąd jeszcze jeden wniosek:
Rozwiązanie problemu pomiarowego w zakresie fizyki może mieć wykraczające daleko poza potrzeby fizyki zastosowania praktyczne.
Mówiąc o roli pomiarów w fizyce, trzeba też mieć świadomość, że wykonanie jednego pomiaru, takiego jak wspomniany tutaj, który przynosi nagrodę Nobla, to trwające latami przygotowania eksperymentów, co wiąże się z wykonaniem niezliczonych pomiarów najróżniejszych wielkości, bez których niemożliwe byłoby wyregulowanie niezwykle skomplikowanej aparatury. Stąd wniosek że:
Współczesny eksperyment fizyczny jest nie do pomyślenia bez wykonania ogromnej liczby pomiarów pomocniczych, związanych z fizyką i metodyką eksperymentu.
Pokazaliśmy tu wiele różnych aspektów i ról, jakie pomiary odgrywają we współczesnej fizyce. Wymieńmy je teraz dla przypomnienia:
Pomiar jest źródłem informacji w fizyce doświadczalnejfizyce doświadczalnej oraz inspiracją dla rozwoju fizyki teoretycznejfizyki teoretycznej.
Wynik pomiaru stanowi podstawowe kryterium dla przyjęcia bądź odrzucenia teorii fizycznej.
Wynik pomiaru może wskazywać na istnienie nowego, dotychczas nieznanego zjawiska fizycznego.
Rozwiązanie problemu pomiarowego w zakresie fizyki może mieć wykraczające daleko poza potrzeby fizyki zastosowania praktyczne.
Wykonanie pomiaru może wymagać pokonania nierozwiązanych dotychczas problemów technologicznych, informatycznych itd.
Współczesny eksperyment fizyczny jest nie do pomyślenia bez wykonania ogromnej liczby pomiarów pomocniczych, związanych z fizyką i metodyką eksperymentu.
W naszym Multimedium – dla każdej z wymienionych tu ról podamy konkretne przykłady.
Słowniczek
(ang.: theoretical physics) działalność naukowa, której celem jest opis zjawisk fizycznych obserwowanych w przyrodzie poprzez formułowanie praw i zasad z użyciem formalizmu matematycznego. Zadaniem fizyki teoretycznej jest także interpretacja wyników pomiarów oraz stawianie hipotez i tworzenie modeli oraz teorii opisujących niezbadane dotąd zjawiska i obiekty. Słuszność teorii jest przedmiotem doświadczalnej weryfikacji.
(ang.: experimental physics) działalność naukowa, której celem jest dostarczenie informacji jakościowej i ilościowej o przebiegu zjawisk fizycznych na podstawie wykonanych pomiarów. Wyniki pomiarów porównywane są z przewidywaniami fizyki teoretycznej, umożliwiając w ten sposób ich weryfikację. Rezultatami pomiarów mogą być także odkrycia nowych, nieznanych dotychczas obiektów i zjawisk.
(ang.: modern physics) działy fizyki, które bazują na odkryciach dokonanych w XX wieku, tj. uwzględniają efekty kwantowe oraz teorię względności. Do fizyki współczesnej zalicza się m.in.: fizykę atomową, jądrową, cząstek elementarnych, ciała stałego, fazy skondensowanej itd.