Christian Maes I. Klassieke fysica, de fysica rond 1900 ... - KU Leuven
Christian Maes I. Klassieke fysica, de fysica rond 1900 ... - KU Leuven
Christian Maes I. Klassieke fysica, de fysica rond 1900 ... - KU Leuven
You also want an ePaper? Increase the reach of your titles
YUMPU automatically turns print PDFs into web optimized ePapers that Google loves.
UITDAGINGEN VOOR DE NIEUWSTE FYSICA (hand-out)<br />
<strong>Christian</strong> <strong>Maes</strong><br />
Instituut voor Theoretische Fysica, K.U.<strong>Leuven</strong><br />
I. <strong>Klassieke</strong> <strong>fysica</strong>, <strong>de</strong> <strong>fysica</strong> <strong>rond</strong> <strong>1900</strong>.<br />
1. Mechanica<br />
Mechanica spreekt over een eenvoudige soort van veran<strong>de</strong>ring in <strong>de</strong> tijd, <strong>de</strong>ze van plaats of<br />
positie. Dat <strong>de</strong> bewegingen van planeten of zelfs sterrenstelsels aan <strong>de</strong>zelf<strong>de</strong><br />
bewegingswetten voldoen als vallen<strong>de</strong> appels of weggeschoten ballen betekent een<br />
belangrijke eerste unificatie in het natuurwetenschappelijk <strong>de</strong>nken en gaat hand in hand met<br />
het programma van reductionisme waarin een grote verschei<strong>de</strong>nheid van natuurfenomenen<br />
wor<strong>de</strong>n herleid en als het ware convergeren naar een steeds kleinere familie van meer<br />
elementaire en unieke fysische principes en wetten. Dat geloof in wetmatigheid binnen<br />
ogenschijnlijk ongerelateer<strong>de</strong> en wildvreem<strong>de</strong> verschijnselen blijft het programma van <strong>de</strong><br />
fysicus anno 2005.<br />
2. Thermodynamica<br />
Het belangrijkste thema van <strong>de</strong> thermodynamica is <strong>de</strong> studie van warmteomzettingen en<br />
energietransformaties. Temperatuur, dichtheid en druk kunnen veran<strong>de</strong>ren wanneer arbeid<br />
wordt geleverd op of door een systeem of wanneer warmte wordt aangevoerd.<br />
Energieomzettingen, warmte en verlies (of dissipatie) vormen nog altijd een belangrijke<br />
economische uitdaging maar zijn natuurlijk ook essentieel in levensprocessen.<br />
3. Elektromagnetisme<br />
Elektromagnetische fenomenen zijn <strong>de</strong>ze van elektriciteit en magnetisme. James Clerk<br />
Maxwell slaag<strong>de</strong> er in om via het concept van het elektromagnetische veld en zich vooral<br />
steunend op het experimentele werk van Michael Faraday, elektrische, magnetische en<br />
optische verschijnselen te verenigen. Licht wordt beschreven als een golf net zoals geluid een<br />
drukgolf is.<br />
II. Het won<strong>de</strong>rjaar 1905, start van <strong>de</strong> mo<strong>de</strong>rne <strong>fysica</strong>. De publicaties van Albert<br />
Einstein uit 1905 zijn elk op zich al won<strong>de</strong>rbaarlijk en samen hebben ze het aanschijn van <strong>de</strong><br />
<strong>fysica</strong> veran<strong>de</strong>rd. Tij<strong>de</strong>ns het wereldjaar van <strong>de</strong> <strong>fysica</strong> in 2005, hon<strong>de</strong>rd jaar na het annus<br />
mirabilis, kijken we terug naar die werken en we zien er <strong>de</strong> revoluties van <strong>de</strong> mo<strong>de</strong>rne <strong>fysica</strong>.<br />
Ten eerste is dat <strong>de</strong> kwantumrevolutie. De kwantum<strong>fysica</strong> beschrijft <strong>de</strong> subatomaire wereld<br />
maar heeft ook gevolgen op menselijke schaal. Ten twee<strong>de</strong> is er <strong>de</strong> ontwikkeling van <strong>de</strong><br />
statistische mechanica. Het verwoordt <strong>de</strong> combinatie tussen dynamische wetten en<br />
kanstheoretische aspecten in <strong>de</strong> beschrijving van <strong>de</strong> natuur. Ten <strong>de</strong>r<strong>de</strong> is er <strong>de</strong> revolutie van<br />
<strong>de</strong> relativiteitstheorie. Hier leren we een nieuwe mechanica kennen waarin ruimte en tijd op<br />
een eer<strong>de</strong>r onintuïtieve manier wor<strong>de</strong>n verstrengeld.<br />
III. Fysica van <strong>de</strong> twintigste eeuw, <strong>de</strong> mo<strong>de</strong>rne <strong>fysica</strong>. Materie is granulair. Er<br />
zijn bouwstenen. Dat inzicht betekent ook een uitdaging: hoe lei<strong>de</strong>n we het manifeste beeld<br />
van <strong>de</strong> alledaagse fenomenen af? Statistische beschouwingen zullen daarin een constructieve<br />
rol spelen.<br />
Ook licht bestaat uit <strong>de</strong>eltjes, <strong>de</strong> zogenaam<strong>de</strong> fotonen. Nu blijkt complementair dat ook<br />
<strong>de</strong>eltjes een golfaspect hebben. De evolutie van die golven wordt beschreven in <strong>de</strong><br />
kwantummechanica. We hebben geleerd die te gebruiken voor <strong>de</strong> beschrijving van <strong>de</strong> meest<br />
fundamentele interacties, behalve voor <strong>de</strong> zwaartekracht.
Einstein ontwikkel<strong>de</strong> ook <strong>de</strong> algemene relativiteitstheorie. Die is vooral relevant voor <strong>de</strong><br />
fysische kosmologie. Het is een meetkundige theorie voor <strong>de</strong> zwaartekracht waarin materie<br />
en energie belangrijke aspecten van <strong>de</strong> ruimte-tijdstructuur bepalen.<br />
IV. Uitdagingen, <strong>de</strong> nieuwste <strong>fysica</strong>. De mo<strong>de</strong>rne <strong>fysica</strong> die ontstaan is uit <strong>de</strong><br />
revoluties van 1905 heeft weer nieuwe spanningen opgeleverd en presenteert vandaag ook<br />
nieuwe uitdagingen. Hier komen enige voorbeel<strong>de</strong>n.<br />
1. Spanning tussen statistiek en dynamica<br />
Waar komt <strong>de</strong> statistiek onze beschrijving van <strong>de</strong> natuur binnen? Is het door onze metho<strong>de</strong>s of<br />
zitten er intrinsieke kansaspecten in <strong>de</strong> natuur zelf?<br />
2. Naar een theorie van kwantumgravitatie ?<br />
Tot op vandaag is geen algemeen-erken<strong>de</strong> verzoening mogelijk gebleken van <strong>de</strong><br />
kwantummechanica met <strong>de</strong> algemene relativiteitstheorie. De betekenis of <strong>de</strong> aard van die<br />
verzoening is zelfs niet helemaal dui<strong>de</strong>lijk. Daarmee verbon<strong>de</strong>n is er natuurlijk <strong>de</strong> droom van<br />
<strong>de</strong> grote unificatie van natuurkrachten.<br />
3. Het laatste grote onopgeloste probleem van <strong>de</strong> klassieke <strong>fysica</strong><br />
In principe kun je on<strong>de</strong>rscheid maken tussen twee soorten structuren of processen, die van<br />
evenwicht en die buiten evenwicht. In processen buiten evenwicht kunnen tal van<br />
onverwachte patronen en stromen optre<strong>de</strong>n. Er is vandaag geen theorie om die te beschrijven.<br />
Een belangrijk voorbeeld is het probleem van <strong>de</strong> turbulentie.<br />
4. Fysische kosmologie<br />
Kosmologie wil <strong>de</strong> natuur begrijpen op <strong>de</strong> grootst mogelijke schaal, dat van het hele<br />
universum, geschie<strong>de</strong>nis en toekomst, met <strong>de</strong> metho<strong>de</strong>s van <strong>de</strong> natuurwetenschappen.<br />
Het standaardmo<strong>de</strong>l van <strong>de</strong> fysische kosmologie is <strong>de</strong> big-bangtheorie. Nochtans lijkt<br />
kosmologie veel meer open vragen te hebben dan men zou verwachten van een rijpe fysische<br />
theorie. Eén van <strong>de</strong> vele problemen is hoe <strong>de</strong> veelheid aan (vrije) parameters in het<br />
standaardmo<strong>de</strong>l kleiner kan wor<strong>de</strong>n gemaakt: Had God wel een keuze?<br />
5. Bio<strong>fysica</strong><br />
Natuurwetenschappen zijn niet onafhankelijk van elkaar. Interdisciplinariteit is daarin een<br />
uitdaging. Kan <strong>de</strong> <strong>fysica</strong> bijdragen aan het ontrafelen van levensprocessen? Wat is <strong>de</strong><br />
thermodynamica van het leven en zal daarin (kwantum) statistische mechanica haar limieten<br />
verkennen?<br />
EXAMENVRAGEN:<br />
1. Bespreek twee uitdagingen voor <strong>de</strong> <strong>fysica</strong> <strong>rond</strong> <strong>1900</strong>.<br />
2. Waar is kwantummechanica goed voor?<br />
3. Waarvoor gebruik je <strong>de</strong> algemene relativiteitstheorie?<br />
4. Hoe komt kanstheorie <strong>de</strong> <strong>fysica</strong> binnen?<br />
Bibliografie<br />
S. Bergia, Einstein, Kwanten en relativiteit: revolutie in <strong>de</strong> natuurkun<strong>de</strong>, Deel 2 in <strong>de</strong> serie Wetenschappelijke<br />
Biografie van Natuur, Wetenschap en Techniek, Veen Magazine (2002).<br />
Einstein en L. Infeld, The Evolution of Physics, Simon and Schuster (1938, herdruk 1966).<br />
H. Kragh, Quantum Generations, a history of physics in the twentieth century, Princeton University Press,<br />
Princeton, New Jersey (1999).<br />
M.S. Longair, Theoretical concepts in physics, Cambridge University Press (1984).<br />
R. Penrose, The Emperor’s New Mind, Oxford University Press (1989). Vertaling: De nieuwe geest van <strong>de</strong><br />
keizer, Prometheus (1989).