Delta
  Wiw.pl   Na bieżąco:  Informacje   Co nowego   Matematyka i przyroda:  Astronomia   Biologia   Fizyka   Matematyka   Modelowanie rzeczywistości   Humanistyka:  Filozofia   Historia   Kultura antyczna   Literatura   Sztuka   Czytaj:  Biblioteka   Delta   Wielcy i więksi   Przydatne:  Słowniki   Co i gdzie studiować   Wszechświat w obrazkach    
  Jesteś tutaj:  Wirtualny Wszechświat > Delta > Fizyka - spis artykułów >  OD MAGNESU I BURSZTYNU...  
  Jesteś tutaj
Wybór artykułów z miesięcznika "Delta"
"Delta" to miesięcznik popularyzujący matematykę, fizykę i astronomię na bardzo wysokim poziomie, wydawany od 1974 roku.
Wirtualny Wszechświat prezentuje wybór tekstów publikowanych w "Delcie" od pierwszego numeru po początek XXI wieku.
  Szukacz
Delta 06/1979
Michał ŚWIĘCKI
OD MAGNESU I BURSZTYNU...

Na czym polega tworzenie jakiejkolwiek teorii fizycznej? Wbrew sugestiom, które nasuwa podział fizyki na doświadczalną i teoretyczną, trzeba wyraźnie stwierdzić, że praca ta nosi przede wszystkim charakter działalności umysłowej. Cała historia zaczyna się z reguły od zauważenia pewnego mniej lub bardziej powszechnego zjawiska. Po wybraniu, załóżmy, że udanym, przedmiotu badań, należy uruchomić wyobraźnię i przyjąć jakieś założenia dotyczące przyczyn i wspólnych cech interesujących zjawisk. Cechy wspólne noszą zawsze charakter czysto jakościowy i dlatego poszukiwanie ich mniej lub bardziej ilościowych przyczyn wymaga wprowadzenia nowych koncepcji (np. siły, masy, ładunku, neutronu), których próżno szukać w przedmiocie badanym. Pojęcia te i przyczyny można w zasadzie tworzyć w dowolny sposób. Jedynym fundamentalnym ograniczeniem jest konieczność wyobrażenia sobie takich sztucznie wytworzonych warunków, przy których można badać każdą przyczynę oddzielnie. Dopiero wtedy czas na przeprowadzanie doświadczeń, które polegają na możliwie dokładnym stworzeniu takich właśnie, nietypowych dla danego zjawiska, warunków i zbadaniu ilościowych praw rządzących wprowadzonym pojęciem. Jeżeli prawa te nie mają prostej matematycznie struktury, cały opis jest do luftu. W przeciwnym razie mówimy, że odkryliśmy prawo fizyczne. Wykorzystując je możemy teraz budować maszyny, co jest jednak domeną fizyki stosowanej i inżynierii. Odkryte prawo sprawdza się następnie w różnych sztucznie wytworzonych warunkach doświadczalnych, aż wreszcie wykrywa się jakieś odstępstwo. Czas na wprowadzenie nowych uogólnionych przyczyn i pojęć. Jest zadziwiającą cechą geniuszu ludzkiego, że liczba praw maleje z upływem czasu, a liczba zjawisk, które umiemy opisać, rośnie. Jako przykład tworzenia koncepcji fizycznych wybraliśmy historię rozwoju nauki o elektryczności i magnetyzmie. Będzie to oczywiście historia współczesnej fizyki widziana naszymi oczami.


Nie ulega wątpliwości, że dziwne własności potartego bursztynu oraz skał magnetycznych znane były w starożytności. Historię naszą zaczniemy jednak dopiero gdzieś w XVI wieku. O magnesach wiedziano już wtedy stosunkowo dużo. Nic dziwnego. Ich własności były bardzo trwałe i mogły być przekazywane przez potarcie (namagnesowanie) przedmiotom żelaznym, a więc tym samym, których przyciąganie uprzednio odkryto. Znana była igła magnetyczna oraz jej dwa bieguny wraz z własnością ich wzajemnego przyciągania i odpychania, a także fakt ustawiania się igły w kierunku północ-południe. O elektryczności nie wiedziano prawie nic. Nie posunięto się prawie wcale poza fakt zaobserwowany już przez Talesa z Miletu, że potarty bursztyn przyciąga skrawki różnych materiałów, że szybko traci własność i nie przekazuje jej przyciąganym skrawkom. Pierwsza znana koncepcja teoretyczna wprowadzona przez Williama Gilberta w 1600 roku dotyczyła więc magnetyzmu. Polegała ona na założeniu, że Ziemia jest magnesem. Z teorii tej wynikało, że igła magnetyczna w różnych miejscach kuli ziemskiej inaczej nachyla się do poziomu. Można było też ocenić zależność tzw. kąta inklinacji od szerokości geograficznej i porównać te wyniki z doświadczeniem. Poważne badania elektryczności zaczęto prowadzić dopiero w XVII wieku. Stwierdzono wtedy, że nie tylko bursztyn nabiera przez potarcie własności i przyciągania, i zbudowano pierwsze maszyny elektrostatyczne (Otto von Guericke w 1651 roku) oparte na tym zjawisku. Przy okazji stwierdzono, że zjawisku elektryzowania przez tarcie towarzyszy pojawianie się iskier, co nasunęło myśl o elektrycznym pochodzeniu piorunów. Hipoteza ta została udokumentowana doświadczalnie dopiero w połowie XVIII wieku przez Beniamina Franklina. Tak więc już w XVII wieku obserwowano zjawiska towarzyszące przepływowi prądu elektrycznego, chociaż nie wiedziano nic o dwóch rodzajach elektryczności. Nie rozróżniano też przewodników i izolatorów. Wiek XVIII przyniósł wiele nowych odkryć. Przede wszystkim po raz pierwszy stwierdzono, że ciała naelektryzowane przez tarcie mogą udzielać swej własności innym ciałom przez dotknięcie oraz przez indukcję w wyniku zbliżenia (Stephen Gray). Oczekiwano tego od dawna, szukając związku między elektrycznością i magnetyzmem. Próbując elektryzować różne ciała stwierdzono, że metale (przewodniki) nie elektryzują się przez tarcie, natomiast łatwo elektryzują się przez zbliżenie i dotknięcie ręką (ręką zapewne po prostu przytrzymywano ciała przy elektryzacji). Zupełnie na odwrót zachowywały się niemetale (izolatory). Szukano też, obserwowanych od dawna dla magnesów i igieł magnetycznych, specyficznych własności oddziaływania między ciałami już naelektryzowanymi. I znaleziono. Stwierdzono, że niektóre z nich przyciągają się, inne odpychają. Nadszedł czas na pierwsze poważne koncepcje teoretyczne.


Pojawiły się one w połowie XVIII wieku i polegały na założeniu istnienia dwóch tylko rodzajów elektryczności (Charles Dufay w 1733 roku), podobnie do dwóch biegunów magnesu. Najbardziej płodna okazała się teoria wiążąca własności elektryczne ciał z pewnego rodzaju materią. Materią tą były dwa rodzaje płynów (lub jeden rodzaj oraz jego brak), które mogły w odpowiednich warunkach przepływać z jednego ciała do drugiego elektryzując je różnoimienne. Od tego czasu wszystkie zjawiska elektryczne zaczęto opisywać, posługując się jakościowymi na razie pojęciami ilości elektryczności (ładunku) dodatniej bądź ujemnej, pojemności elektrycznej ciał oraz przepływu elektryczności (prądu elektrycznego) wraz z jego cechami: różnicą poziomów (napięciem), szybkością (natężeniem) i oporem. Teoria płynu elektrycznego utrzymała się do końca XIX wieku. Dopiero doświadczenia Millikana wykazały, że płyn ten przelewa się porcjami i wygodniejsze stało się pojęcie elektronowej struktury elektryczności.

Teoria płynu elektrycznego łatwo mogła być zastosowana do jakościowego opisu znanych zjawisk. Wraz z nią pojawiła się jednak możliwość wykonywania doświadczeń ilościowych, których wyniki można było zbierać w postaci praw. Pionierską pracę wykonał w 1784 roku Charles Coulomb. Umiał on przenosić własności elektryczne z jednych ciał na drugie, a zgodnie z teorią płynu dwukrotnie "takie samo" przeniesienie odpowiadało naładowaniu ładunkiem dwa razy większym. W ten sposób Coulomb zmierzył zależność siły oddziaływania ładunków od ich ilości oraz wzajemnej odległości. Powstało pierwsze prawo elektryczności, którego postać okazała się zadziwiająco podobna do prawa powszechnego ciążenia Newtona. Warto wiedzieć, że w tym samym doświadczeniu Coulomb odkrył występowanie identycznego prawa sił dla oddziaływań końców (biegunów) długich wąskich magnesów. Zapomnieliśmy trochę o magnetyzmie, w którym oczywiście również zapanowała teoria płynów magnetycznych. Niestety płyny te nie dawały się zupełnie rozdzielić i zawsze biegunowi północnemu towarzyszył biegun południowy. Nic dziwnego, że teoria płynu okazała się tu bezpłodna. Zwróćmy uwagę, że od czasów Newtona usiłowano wszystkie rodzaje oddziaływań sprowadzić do centralnych sił elementarnych działających między elementami ciał wzdłuż łączących je prostych. Oddziaływanie magnesów nie miało tej własności i obserwowana nierozdzielność biegunów stawiała całą koncepcję pod znakiem zapytania.

W każdym razie dopiero pod koniec XVIII wieku wiedza dotycząca elektryczności zrównała się z informacjami o magnetyzmie, przy czym płyny magnetyczne nie chciały płynąć, w przeciwieństwie do łatwo przenoszonych wzdłuż przewodników ładunków elektrycznych. Przyszedł czas na znalezienie źródła prądu elektrycznego bardziej trwałego od kondensatorów (od niedawna znana już była butelka lejdejska). Zaczęło się od dwóch przypadków lekarza Luigiego Galvaniego. Najpierw stwierdził (przypadkiem), że rozładowanie maszyny elektrostatycznej przez udka żabie (przysmak w krajach romańskich) wywołuje ich skurcze. Następnie badając to zjawisko odkrył (przypadkiem), że takie same skurcze pojawiają się bez żadnego źródła ładunków, o ile oba końce udka stykają się z różnymi metalami połączonymi ze sobą przy pomocy przewodnika. Galvani nie miał żadnej koncepcji odkrytego zjawiska. Miał je za to Alessandro Volta, który przyjął, że źródłem ładunków są reakcje chemiczne zachodzące między metalem a udkiem żabim. Różne metale, więc i różne reakcje. Może więc i różne ładunki. Tak powstało ogniwo elektryczne (1799 rok) umożliwiające utrzymywanie prądu w przewodnikach przez dłuższy czas. A na marginesie powstała nowa gałąź wiedzy - elektrochemia.

Wraz z powstaniem trwałego źródła ładunków elektrycznych można było zacząć badania praw rządzących przepływem prądu. Nie jest to zbyt pasjonująca historia. Teoria płynów okazała się bardzo przydatna i odpowiednie prawa są podobne do najprostszych praw hydrodynamiki. Stwierdzono przy okazji, że płynący prąd może wywoływać zjawiska cieplne - przewodniki z prądem rozgrzewają się. Można było zbudować pierwsze mierniki szybkości przepływu (natężenia prądu) o działaniu opartym na rozszerzalności cieplnej przewodników. Równocześnie kontynuowano prace doświadczalne mające na celu znalezienie jakiegokolwiek związku między magnetyzmem i elektrycznością. Najwybitniejsi fizycy tych czasów wieszali ogniwa Volty na sznurku i przystawiali do nich magnesy beż żadnego rezultatu. Wprawdzie ciała naładowane elektrycznie przyciągały igłę magnetyczną, ale fakt ten był w teorii płynu wyjaśniany jako elektryzacja końca igły przez indukcję i nie miał związku z namagnesowaniem samej igły. Próbowano również umieszczać igłę magnetyczną w pobliżu przewodnika z prądem. Jednak fizycy ówcześni byli na tyle przesiąknięci ideami Newtona, że nie byli w stanie wyobrazić sobie innego rodzaju oddziaływania niż przyciąganie czy odpychanie.


Umieszczono więc igłę tak, że mogła obracać się swobodnie jedynie w płaszczyźnie zawierającej przewodnik. Od lub do przewodnika. I nie stwierdzano niczego. Dopiero fizyk samouk Hans Christian Oersted umieścił igłę zupełnie bez sensu - nad przewodnikiem - i odkrył prawo oddziaływania, które nie było ani przyciąganiem, ani odpychaniem, ale oddziaływaniem w kierunku określonym przez regułę prawej ręki. A przecież wiedziano od dawna, że podobnie oddziałują magnesy. Tam jednak, pomijając ważną, choć w teorii płynów techniczną, trudność nierozdzielności biegunów, można było wyjaśnić wszystko przez czysto newtonowskie (coulombowskie) centralne siły działające między biegunami małych składowych magnesików. Koncepcja ta runęła wraz z odkryciem Oersteda. Było to ani odpychanie, ani przyciąganie, ale działanie w kierunku mającym niewiele wspólnego z linią łączącą elementy ciał. Widać to wyraźnie, jeżeli zamiast przewodnika prostoliniowego użyje się zwojnicy. Całe zjawisko oddziaływania magnesów z prądami oraz prądów z prądami (to badanie samo się narzucało) szybko zbadano i opisano ilościowo (Ampre oraz Biot i Savart). Już wtedy pojawiło się pojęcie pola fizycznego wraz z jego natężeniem. Jeżeli bowiem nie oddziaływanie między ciałami, to może między ciałem i polem wytworzonym przez drugie ciało. Ta koncepcja nie miała już nic wspólnego z ideami Newtona. Wydaje się jednak, że pierwszym, który w istotny sposób związał swe badania z pojęciem pola elektrycznego i magnetycznego był inny fizyk samouk, Michał Faraday. Dotychczas badano ruchy ciał. Zajmijmy się więc ruchem pól. Zmiany pola magnetycznego można wywołać poruszając magnes, ale również przerywając obwód z prądem elektrycznym. I Faraday rozpoczął swą fantastyczną serię doświadczeń odkrywając prawa indukcji elektromagnetycznej (1831 rok), budując silnik elektryczny, transformator oraz pierwszą prądnicę. Następnie James Clerk Maxwell (1846 rok) zapisał całą dotychczasową wiedzę o polach w zwartej postaci matematycznej. Odtąd źródłem powstania pola elektrycznego mogła być zarówno obecność ładunków elektrycznych, jak zmienne pole magnetyczne. Otrzymane równania nie mają jednak rozwiązań. To drobiazg. Brak przecież jeszcze jednego nie odkrytego prawa. Dopisujemy je - źródłem pola magnetycznego mogą być nie tylko prądy elektryczne, ale także zmienne pole elektryczne - i teoria nie ma żadnych luk. Rozwiązujemy otrzymane równania i co się okazuje. Otrzymujemy fale elektromagnetyczne rozchodzące się w prędkością równą, w granicach błędów doświadczalnych, prędkości światła. Przypadek?! Oczywiście Maxwell założył, że światło to też fala elektromagnetyczna.

Skąd tu fala, powiecie. Płyną sobie jakieś nieważkie płyny elektryczne i one, a nie między nimi, może coś falować. Ano, falowość wynika z założonej koncepcji pola, jako rzeczywistego (równie rzeczywistego, jak pojęcie siły u Newtona) obiektu. W mechanice ośrodków sprężystych źródłem fali jest przekazywanie energii drgań z jednego elementu na drugi. W koncepcji polowej same drgania pola mogą być źródłem nowego pola. Żaden eter drgający nie jest tu potrzebny. I nic dziwnego, że z trzaskiem go z fizyki wyrzucono (Albert Einstein w 1905 roku).


Na zakończenie tej historii nasuwa się następująca refleksja. Przynajmniej dwa podstawowe odkrycia zostały uczynione bądź przypadkiem (Galvani), bądź niezgodnie z regułami gry (Oersted). Sytuacje takie miały miejsce również w historii innych dziedzin fizyki. Najlepszym dla nas przykładem będzie odkrycie zjawiska fotoelektrycznego. Mało kto wie, że dokonał tego Heinrich Hertz w tym samym doświadczeniu, w którym potwierdził falową naturę zjawiska indukcji elektromagnetycznej (1886 rok). Przerwę w przewodniku, odbiorniku fal po prostu czasem oświetlał. Obserwował wtedy wyraźne nasilenie intensywności iskier. Dopiero jego uczeń, Philipp Lenard, zajął się tym zakłóceniem, za co wiele lat później otrzymał Nagrodę Nobla. Obecnie stosowane techniki doświadczalne pozostawiają bardzo mało miejsca na tego typu odkrycia przypadkowe. Nie mamy zaś wcale możliwości czynienia odkryć niezgodnych z regułami gry. Kto bowiem da milion dolarów na budowę akceleratora, który prawie na pewno nie będzie nic wart?!




[góra strony]
Wiw.pl  |  Na bieżąco  |  Informacje  |  Co nowego  |  Matematyka i przyroda  |  Astronomia  |  Biologia  |  Fizyka  |  Matematyka  |  Modelowanie rzeczywistości  |  Humanistyka  |  Filozofia  |  Historia  |  Kultura antyczna  |  Literatura  |  Sztuka  |  Czytaj  |  Biblioteka  |  Delta  |  Wielcy i więksi  |  Przydatne  |  Słowniki  |  Co i gdzie studiować  |  Wszechświat w obrazkach