Fakt, dobrze znany naukowcom, że materia jest pusta, powinien zawierać wnioski, że w próżni nie można zbudować czasoprzestrzeni i dalej w konsekwencji że świadomość nie jest jej częścią.
„W pewnym sensie człowiek jest mikrokosmosem Wszechświata, dlatego to, kim jest człowiek, jest wskazówką dla Wszechświata. Jesteśmy otoczeni przez Wszechświat ” — David Bohm
Pusty atom
Zjawiska elektryczne są znane od tysięcy lat, ale tajemnice magnetycznej igły kompasu, iskier błyskawicy i natury elektryczności pozostawały niewyjaśnione aż do XIX wieku. Sytuacja pod koniec tego stulecia została podsumowana w książce, którą kupiłem jako dziecko na wyprzedaży za jeden grosz. Zatytułowana „Pytania i odpowiedzi w nauce”, została opublikowana w 1898 roku i na pytanie „Czym jest elektryczność?” odpowiedziała z wiktoriańskim melodramatem, że „Elektryczność to niematerialny płyn, którego podobieństwo jest tajemnicą dla człowieka”. Co za różnica stu lat. Nowoczesna komunikacja elektroniczna i całe gałęzie przemysłu są wynikiem odkrycia elektronu przez Thomsona w 1897 roku, co odpowiedziało na powyższe pytanie rok przed publikacją tej książki; wiadomości podróżują szybciej w dzisiejszych czasach.
Elektrony przepływają przez przewody jako prąd i zasilają przemysłowe społeczeństwo; przemieszczają się przez labirynty naszego centralnego układu nerwowego i utrzymują naszą świadomość; są fundamentalnymi składnikami atomów materii, a ich ruchy od jednego atomu do drugiego stanowią podstawę chemii, biologii i życia.
Elektron jest podstawową cząstką całej materii. Jest najlżejszą cząstką o ładunku elektrycznym, stabilną i wszechobecną. Kształty wszystkich struktur stałych są dyktowane przez elektrony krążące na peryferiach atomów. Elektrony są we wszystkim, więc ironiczne jest, że odkrycie tego podstawowego składnika materii było wynikiem zdolności rozwiniętej w XIX wieku do pozbywania się materii, tworzenia próżni.
Od dłuższego czasu narastała świadomość, że materia ma tajemnicze właściwości, chociaż początkowo nie dotyczyło to bezpośrednio kwestii próżni. Starożytni Grecy byli już świadomi niektórych z nich, takich jak niezwykła zdolność bursztynu (elektron to greckie słowo oznaczające bursztyn) do przyciągania i podnoszenia kawałków papieru po potarciu futrem. W bardziej nowoczesnym obrazie, pocieraj szybko włosy grzebieniem i w suchy dzień możesz nawet spowodować iskrzenie. Szkło i klejnoty mają również tę magiczną zdolność przylegania do rzeczy po potarciu. W średniowieczu dwory Europy wiedziały, że to dziwne przyciąganie dzieli wiele substancji, ale tylko po potarciu. To doprowadziło Williama Gilberta, nadwornego lekarza Elżbiety I, do zaproponowania, że materia zawiera „elektryczną cnotę” i że elektryczność to jakiś „niematerialny płyn” (jak w mojej książce z 1898 roku), który może być przenoszony z jednej substancji na drugą przez tarcie. Zyskanie lub utrata tej elektrycznej cnoty była podobna do tego, że ciało jest naładowane dodatnio lub ujemnie.
Benjamin Franklin w Ameryce, znajdując czas na spisanie konstytucji przyszłego USA, był zafascynowany zjawiskami elektrycznymi, zwłaszcza błyskawicami. Chmura burzowa jest naturalnym generatorem elektrostatycznym zdolnym do tworzenia milionów woltów i iskier, które mogą zabić. Odkrycie Franklina polegało na tym, że ciała zawierają ukrytą moc elektryczną, którą można przenieść z jednego ciała do drugiego. Ale czym był ten niematerialny płyn, nikt nie wiedział.
Dziś wiemy, że jest to spowodowane elektronami, które stanowią mniej niż 1/2000 masy typowego atomu, a ponieważ tylko niewielki procent z nich jest zaangażowany w przepływ prądu elektrycznego, zmiana masy ciała, gdy jest ono naładowane elektrycznie, jest tak znikoma, że jest niewykrywalna. Jak więc można było wyizolować, skatalogować i zbadać ten niematerialny płyn?
Elektryczność normalnie przepływa przez rzeczy, takie jak przewody, a ponieważ niemożliwe było zaglądanie do wnętrza przewodów, pojawił się pomysł pozbycia się przewodów i obserwowania iskier. Błyskawica pokazała, że prąd elektryczny może przechodzić przez powietrze, i z tego wyrosła idea, że przepływ prądu elektrycznego może być ujawniony na zewnątrz, z dala od metalowych przewodów, które zwykle go przewodzą i ukrywają.
Naukowcy zaczęli więc tworzyć iskry w gazach zamkniętych w szklanych rurkach. Powietrze pod ciśnieniem atmosferycznym przewodziło prąd, ale zaciemniało przepływ elektronów. Poprzez stopniowe usuwanie coraz większej ilości gazu, ostatecznie miało nadzieję, że pozostanie tylko prąd elektryczny. W wyniku rewolucji przemysłowej i rozwoju lepszych pomp próżniowych, dziwaczne zjawy pojawiały się, gdy naukowcy elektryzowali cienki gaz w rurkach próżniowych. W rezultacie elektryczność stopniowo ujawniała swoje tajemnice. Przy jednej pięćdziesiątej ciśnienia atmosferycznego prąd wytwarzał świecące chmury unoszące się w powietrzu, co przekonało angielskiego fizyka Williama Crookesa, że produkuje ektoplazmę, bardzo lubianą przez wiktoriańskie seanse, i zwrócił się ku spirytualizmowi.
Kolory światła w tych delikatnych zjawy zależały od gazu, na przykład żółte światło sodu i zielonego rtęci znane z nowoczesnych iluminacji. Są one spowodowane przez prąd elektronów zderzający się z atomami gazu i uwalniający energię w postaci światła. Gdy ciśnienie gazu spadało dalej, światła ostatecznie znikały, ale subtelny, migoczący zielony kolor rozwijał się na powierzchni szkła w pobliżu źródła prądu. W 1869 roku nastąpiło kluczowe odkrycie, że obiekty wewnątrz rurki rzucają cienie w zielonym blasku, co dowodziło, że promienie poruszają się od źródła prądu elektrycznego i uderzają w szkło, z wyjątkiem miejsc, gdzie coś im przeszkadzało. Crookes odkrył, że magnesy odchylały promienie, co dowodziło, że były one naładowane elektrycznie, a w 1897 roku J. J. Thomson, używając zarówno magnesów, jak i sił elektrycznych (poprzez podłączenie końcówek baterii do dwóch metalowych płyt wewnątrz rurki), był w stanie poruszać wiązkę (w istocie prototyp telewizora). Regulując siły magnetyczne i elektryczne, był w stanie określić właściwości składników prądu elektrycznego. Tak oto odkrył elektron, którego masa jest znikoma nawet w porównaniu z atomem najlżejszego pierwiastka, wodoru. Na podstawie ogólności swoich wyników, które nie zważały na rodzaj gazu pozostałego w rurce ani metalowe przewody, które doprowadzały prąd elektryczny do rurki próżniowej, wywnioskował, że elektrony są naładowanymi elektrycznie składnikami wszystkich atomów.
Kiedy zdano sobie sprawę, że elektrony są co najmniej 2000 razy lżejsze od najmniejszego atomu, naukowcy zrozumieli zagadkę, jak prąd elektryczny może tak łatwo przepływać przez miedziane przewody. Istnienie elektronu obaliło na zawsze starodawny obraz atomów jako ostatecznych cząsteczek i ujawniło, że atomy mają złożoną wewnętrzną strukturę, z elektronami okrążającymi kompaktowe centralne jądro.
Philippe Lenard bombardował atomy wiązkami elektronów i odkrył, że elektrony przechodziły przez nie, jakby nic im nie stało na przeszkodzie. Ta niemal paradoksalna sytuacja—materia, która wydaje się solidna, jest jednak przezroczysta na skali atomowej—została ujęta przez Lenarda w uwadze: „przestrzeń zajmowana przez metr sześcienny stałej platyny jest równie pusta jak przestrzeń gwiazd poza Ziemią”.
Spójrz na kropkę na końcu tego zdania. Jej atrament zawiera około 100 miliardów atomów węgla. Aby zobaczyć jeden z tych atomów gołym okiem, musiałbyś powiększyć kropkę do 100 metrów średnicy. Choć to ogromne, jest to wciąż wyobrażalne. Ale aby zobaczyć jądro atomowe, musiałbyś powiększyć tę kropkę do 10 000 kilometrów: tak dużą, jak Ziemia od bieguna do bieguna.
Najprostszy atom wodoru może dać wyobrażenie o skali i pustce zaangażowanej. Centralne jądro to pojedyncza dodatnio naładowana cząstka znana jako proton. To ścieżka elektronu oddalonego od centralnego protonu definiuje zewnętrzną granicę atomu. Podróżując od centrum atomu, gdy dotrzemy do krawędzi protonu, pokonaliśmy tylko jedną dziesięciotysięczną podróży. Ostatecznie docieramy do odległego elektronu, którego rozmiar również jest znikomy, będąc mniej niż jedną tysięczną rozmiaru protonu lub jedną dziesięciomilionową wielkości atomu. Więc tworząc niemal doskonałą próżnię, która doprowadziła do odkrycia, że materia atomowa zawiera elektrony, wydaje się, że zatoczyliśmy pełne koło, stwierdzając, że atom jest w rzeczywistości doskonałą próżnią: 99,9999999999999 procent pustej przestrzeni. Porównanie Lenarda ledwo oddaje sprawiedliwość pustce atomów: gęstość atomów wodoru w przestrzeni kosmicznej jest ogromna w porównaniu z gęstością materii cząsteczkowej w każdym z tych atomów!
Jądro atomowe jest również efemeryczną, eteryczną rzeczą. Powiększ neutron lub proton tysiąckrotnie, a znajdziesz, że one również mają bogatą wewnętrzną strukturę. Jak rój pszczół, który widziany z daleka wydaje się ciemną plamą, podczas gdy z bliska widać chmurę tętniącą energią, tak jest z neutronem lub protonem. W niskiej rozdzielczości wydają się one prostymi plamami, ale w wysokiej rozdzielczości okazują się klastrami mniejszych cząsteczek zwanych kwarkami. Musieliśmy powiększyć kropkę do 100 metrów, aby zobaczyć atom; do średnicy planety, aby zobaczyć jądro. Aby ujawnić kwarki, musielibyśmy powiększyć kropkę do Księżyca, a potem jeszcze dwadzieścia razy dalej.
Kwark jest tak mały w porównaniu z protonem lub neutronem, jak te są względem atomu. Między kompaktowym centralnym jądrem a odległymi wirującymi elektronami atomy są w praktyce głównie pustą przestrzenią, to samo można powiedzieć o wnętrzu jądra atomowego. W skrócie, fundamentalna struktura atomu jest poza wyobraźnią, a jego pustka jest głęboka.
CERN oznacza Europejskie Centrum Badań Jądrowych, co było granicą fizyki w 1955 roku, kiedy się rozpoczęło.
Pustka i szczególna teoria względności
W naszym artykule ograniczamy się do badania tylko szczególnej teorii względności (STW) jako przykładu. Sformułujmy postulaty STW:
Istnieją inercjalne układy odniesienia.
W każdym inercjalnym układzie odniesienia prawa natury są takie same.
Jak są definiowane inercjalne układy odniesienia, na przykład w 3D? Osie inercjalnych układów odniesienia są definiowane przez ruch ciała stałego z stałą prędkością. Ale w próżni nie ma ciał stałych, więc inercjalne układy odniesienia również nie istnieją. Więc nie możemy rozwijać STW i w końcu pojęcia czasoprzestrzeni oraz lokalizacji świadomości.
Wniosek
Opisujemy paradoks. Pusta przestrzeń, próżnia, nie pozwala na sformułowanie szczególnej teorii względności i czasoprzestrzeni. Jednocześnie wiemy, że atomy są puste i jako takie nie mogą podążać za żadną rozsądną nauką.
Mirosław Kozłowski