Fizyka
  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 > Fizyka > Wielkie wykłady - Ewolucja fizyki 
  Indeks
Wielkie wykłady
Jak powstawała
Ewolucja fizyki

Triumfy poglądu
mechanistycznego

Upadek poglądu
mechanistycznego

Dwa płyny elektryczne
Płyny magnetyczne
Pierwsza poważna
Prędkość światła
Światło jako subst.
Zagadka barwy
Co to jest fala?
Falowa teoria światła
Podłużne czy . . .
Eter a pogląd . . .
Streszczamy
Pole i teoria
względności

Kwanty
  Źródło
Albert Einstein, Leopold Infeld
EWOLUCJA FIZYKI
Rozwój poglądów od najważniejszych pojęć do teorii względności i kwantów

W przekładzie Ryszarda Gajewskiego


  Dwa płyny elektryczne
 
Upadek poglądu mechanistycznego
 
Dwa płyny elektryczne
 
K
ilka następnych stron będzie zawierać mało pasjonujące sprawozdanie z pewnych bardzo prostych doświadczeń. Będzie ono nudne nie tylko dlatego, że opis doświadczeń jest zawsze nieciekawy w porównaniu z ich wykonywaniem, ale również dlatego, że sens tych doświadczeń wyjaśnia dopiero teoria. Chodzi nam o pokazanie typowego przykładu roli teorii w fizyce.
1. Na szklanej podstawie leży pręt metalowy, którego każdy z dwóch końców jest połączony drutem z elektroskopem. Cóż to jest elektroskop? Jest to prosty przyrząd składający się właściwie z dwóch listków wykonanych ze złotej folii, zwisających z końca krótkiego metalowego pręcika. Urządzenie to zamknięte jest w szklanym słoju lub puszce, tak że metal styka się tylko z niemetalowymi ciałami, zwanymi izolatorami. Poza elektroskopem i prętem metalowym mamy jeszcze pręt ebonitowy i kawałek flaneli.
Doświadczenie ma przebieg następujący: Sprawdzamy, czy listki zwisają swobodnie, takie bowiem jest ich normalne położenie. Jeśli przypadkiem tak nie jest, to dotykając pręta metalowego palcem, można sprawdzić, czy zbliżą się one do siebie. Po tych czynnościach wstępnych pocieramy energicznie pręt ebonitowy flanelą i stykamy z metalem. Listki rozchylają się natychmiast! Pozostaną one rozchylone nawet po usunięciu pręta.
2. W następnym doświadczeniu używamy tych samych przyrządów, co poprzednio. Znów na początku listki zwisają swobodnie. Tym razem nie stykamy potartego ebonitu z metalem, a tylko go zbliżamy. Listki znowu się rozchylają. Jest jednak pewna różnica! Jeżeli pręt ebonitowy, który nie dotknął metalu, usunie się, to listki nie pozostają rozchylone, lecz natychmiast opadają.
3. Do trzeciego doświadczenia przyrząd nasz nieznacznie zmienimy. Przypuśćmy, że pręt metalowy składa się z dwóch połączonych ze sobą części. Pocieramy pręt ebonitowy flanelą i znów zbliżamy do metalu. Zachodzi to samo zjawisko, listki rozchylają się. Rozdzielmy jednak teraz pręt metalowy na jego części składowe, po czym usuńmy ebonit. Stwierdzimy, że tym razem listki nie opadną do położenia normalnego, jak to miało miejsce w drugim doświadczeniu, lecz pozostaną rozchylone.
Trudno doprawdy wzbudzić zapał do tych prostych i naiwnych doświadczeń. W średniowieczu za ich wykonywanie palono by zapewne na stosie; dziś wydają się nam nudne i nielogiczne. Po jednorazowym przeczytaniu opisu niełatwo by było powtórzyć je bezbłędnie. Stają się one zrozumiałe dopiero na tle teorii. Moglibyśmy nawet powiedzieć więcej: trudno sobie wyobrazić, by takie doświadczenia mogły być wykonane przypadkowo, bez mniej lub bardziej określonej myśli przewodniej.
       Przedstawmy teraz główne myśli bardzo prostej i naiwnej teorii, która objaśnia wszystkie opisane fakty.
       Istnieją dwa płyny elektryczne, jeden zwany dodatnim (+), drugi ujemnym (–). Są one czymś w rodzaju substancji w tym sensie, w jakim już o niej mówiliśmy, a mianowicie ilość każdego z nich może być zwiększona lub zmniejszona, ale całość w dowolnym układzie odosobnionym zostaje zachowana. Między obecnym przypadkiem a przypadkiem ciepła, materii czy energii istnieje jednak istotna różnica. Mamy dwie substancje elektryczne. Poprzednią analogię z pieniędzmi można tu zastosować dopiero po pewnym jej uogólnieniu. Ciało jest elektrycznie obojętne, jeżeli dodatni płyn elektryczny znosi się z ujemnym. Ktoś nie ma pieniędzy albo dlatego, że naprawdę nic nie ma, albo dlatego, że suma, którą ma w kasie, jest równa dokładnie sumie jego długów. Pozycje „winien” i „ma” w jego zapiskach finansowych można porównać z dwoma rodzajami płynów elektrycznych.
       Następne założenie teorii głosi, że dwa płyny elektryczne tego samego rodzaju odpychają się, a różnego rodzaju – przyciągają. Graficznie można to przedstawić w ten sposób:
       Musimy jeszcze uczynić ostatnie założenie teoretyczne: istnieją dwa rodzaje ciał – takie, w których płyny mogą się poruszać swobodnie, zwane przewodnikami, i takie, w których to nie jest możliwe, zwane izolatorami. Jak zawsze w takich wypadkach, podziału tego nie należy brać zbyt poważnie. Doskonały przewodnik lub izolator jest fikcją, której niepodobna urzeczywistnić. Metale, ziemia, ciało ludzkie – wszystko to są przykłady przewodników, choć niejednakowo dobrych. Szkło, guma, porcelana i tym podobne są izolatorami. Powietrze jest izolatorem tylko częściowo, o czym wie każdy, kto oglądał opisane uprzednio doświadczenia. Gdy doświadczenie elektrostatyczne nie udaje się, wówczas zawsze wygodną wymówką jest wilgotność powietrza, która zwiększa jego przewodnictwo.
       Te założenia teoretyczne wystarczają do wyjaśnienia trzech opisanych doświadczeń. Rozważymy je ponownie w takiej jak uprzednio kolejności, lecz tym razem w świetle teorii płynów elektrycznych.
1. Pręt ebonitowy, podobnie jak wszelkie inne ciała pozostające w normalnych warunkach, jest elektrycznie obojętny. Zawiera on jednakową ilość obu płynów, dodatniego i ujemnego. Pocierając pręt flanelą, rozdzielamy te płyny. Jest to stwierdzenie czysto umowne, gdyż polega na zastosowaniu stworzonej przez teorię terminologii do opisu procesu pocierania. Rodzaj elektryczności, którego potarty pręt ma nadmiar, nazywa się ujemnym, co jest oczywiście wyłącznie kwestią umowy. Gdyby do doświadczeń używać pręta szklanego pocieranego kocim futerkiem, to aby pozostać w zgodzie z przyjętą umową, trzeba by ów nadmiar nazwać dodatnim. W dalszym ciągu doświadczenia wprowadzamy płyn elektryczny do przewodnika metalowego przez dotknięcie go prętem ebonitowym. W przewodniku płyn porusza się swobodnie, rozchodząc się po całym metalu, łącznie ze złotymi listkami. Ponieważ płyn ujemny działa na ujemny odpychająco, oba listki starają się od siebie jak najbardziej oddalić, czego wynikiem jest zaobserwowane rozchylenie się. Metal spoczywa na szkle lub innym izolatorze, tak że płyn pozostaje na przewodniku, dopóki na to pozwala przewodnictwo powietrza. Teraz rozumiemy, dlaczego przed rozpoczęciem doświadczenia musieliśmy dotknąć metalu. Metal, ciało ludzkie i ziemia tworzą w tym wypadku jeden ogromny przewodnik, w którym płyn elektryczny jest tak rozrzedzony, że praktycznie nic w elektroskopie nie zostaje.
2. To doświadczenie zaczyna się tak samo, jak poprzednie. jednakże tym razem nie dotykamy ebonitem metalu, a tylko go zbliżamy. Oba płyny znajdujące się w przewodniku i mogące się w nim swobodnie poruszać rozdzielają się, gdyż jeden z nich jest przyciągany, a drugi odpychany. Gdy pręt usunąć, mieszają się one z sobą ponownie, bo płyny przeciwnych rodzajów przyciągają się.
3. Teraz rozdzielamy metal na dwie części, po czym usuwamy pręt. Tym razem oba płyny nie mogą się zmieszać, tak że złote listki utrzymują nadmiar jednego płynu elektrycznego i pozostają rozchylone.
W świetle tej prostej teorii wszystkie podane tu fakty wydają się zrozumiałe. Co więcej, teoria ta pozwala zrozumieć nie tylko te, lecz również wiele innych zjawisk z zakresu „elektrostatyki”. Celem każdej teorii jest wskazywanie nowych faktów, podsuwanie nowych doświadczeń, doprowadzanie do odkrycia nowych zjawisk i nowych praw. Wyjaśnimy to na przykładzie. Wyobraźmy sobie drugie doświadczenie w nieco zmienionej postaci. Przypuśćmy, że zbliżywszy pręt ebonitowy do metalu, dotykamy przewodnika palcem. Co się teraz stanie? Odpowiedź teorii brzmi: płyn odpychany (–) może teraz uciec przez nasze ciało, w wyniku czego pozostanie tylko jeden płyn – dodatni. Rozdzielone pozostaną tylko listki elektroskopu znajdującego się bliżej ebonitu. Doświadczenie potwierdza to przewidywanie w zupełności.
       Teoria, którą się zajmujemy, jest oczywiście z punktu widzenia współczesnej fizyki naiwna i niewystarczająca. Jest ona jednak dobrym przykładem na wskazanie cech charakteryzujących wszelką teorię fizyczną.
       W nauce nie ma teorii wiecznych. Zawsze znajdą się fakty, których wbrew przewidywaniom teorii doświadczenie nie potwierdza. Każda teoria przeżywa okres stopniowego wzrostu i triumfu, po którym może nastąpić szybki upadek. Jednym z wielu możliwych przykładów jest omówiony już rozwój i upadek substancjalnej teorii ciepła. Inne przykłady, głębsze i ważniejsze, omówimy później. Każdy niemal wielki postęp w rozwoju nauki rodzi się z kryzysu starej teorii, poprzez próby znalezienia wyjścia z powstałych trudności. Choć stare pojęcia, stare teorie należą do przeszłości, to jednak musimy je badać, gdyż tylko w ten sposób można zrozumieć wagę i zakres ważności nowych.
       W pierwszych fragmentach tego wykładu porównaliśmy rolę badacza do roli detektywa, który zebrawszy potrzebne fakty, dochodzi do poprawnego rozwiązania samym tylko myśleniem. Porównanie to należy uważać za wielce powierzchowne pod jednym ważnym względem. Zarówno w życiu, jak w powieściach kryminalnych zbrodnia jest dana. Detektyw musi szukać listów, odcisków palców, kul, broni, ale przynajmniej wie, że dokonano morderstwa. Z uczonym rzecz się ma inaczej. Nietrudno wyobrazić sobie kogoś, kto absolutnie nic nie wie o elektryczności, albowiem wszyscy starożytni żyli bez takiej wiedzy całkiem szczęśliwie. Dajmy takiemu człowiekowi wszystko, co jest potrzebne do naszych trzech doświadczeń: metal, złotą folię, butelki, pręt ebonitowy, flanelę. Może on być człowiekiem bardzo kulturalnym, a jednak do butelek naleje prawdopodobnie wina, flaneli użyje do czyszczenia i nigdy nie wpadnie mu na myśl, aby wykonywać opisane przez nas czynności. Detektywowi zbrodnia jest dana, zagadnienie postawione: kto zabił Cocka Robina? Uczony musi, przynajmniej w pewnym sensie, sam popełnić swoją zbrodnię i sam przeprowadzić śledztwo. Co więcej, zadanie jego nie polega na wyjaśnieniu jednego tylko przypadku, lecz wszystkich zjawisk, które już zaszły lub mogą jeszcze zajść w przyszłości.
       We wprowadzeniu pojęcia płynów dostrzegamy wpływ idei mechanistycznych, które usiłują wytłumaczyć wszystko za pomocą substancji i działających między nimi prostych sił. Aby się przekonać, czy mechanistyczny punkt widzenia można zastosować do opisu zjawisk elektrycznych, musimy rozważyć następujące zagadnienie. Dane są dwie małe kulki, obie naładowane elektrycznie, to znaczy posiadające nadmiar płynu elektrycznego. Wiemy, że kulki będą się albo przyciągały, albo odpychały. Czy jednak siła zależy tu tylko od odległości, a jeżeli tak, to w jaki sposób? Najprostsze wydaje się przypuszczenie, że siła ta zależy od odległości tak samo, jak siła ciążenia, która maleje na przykład do jednej dziewiątej swej poprzedniej wielkości, jeżeli odległość wzrasta trzykrotnie. Doświadczenia przeprowadzone przez Coulomba wykazały, że prawo to istotnie obowiązuje. W sto lat po odkryciu przez Newtona prawa ciążenia Coulomb znalazł podobną zależność siły elektrycznej od odległości. Między prawami Newtona a Coulomba istnieją jednak dwie zasadnicze różnice: przyciąganie grawitacyjne występuje zawsze, podczas gdy siły elektryczne istnieją tylko wówczas, gdy ciała posiadają ładunki elektryczne; ponadto w przypadku ciążenia występuje tylko przyciąganie, gdy tymczasem siły elektryczne mogą bądź przyciągać, bądź odpychać.
       Nasuwa się tu to samo pytanie, które rozważaliśmy w związku z ciepłem. Czy płyny elektryczne są substancją ważką, czy nieważką? Innymi słowy, czy ciężar kawałka metalu jest taki sam, gdy metal jest obojętny, jak gdy jest naładowany? Waga nie wykazuje żadnej różnicy. Wyciągamy wniosek, że również płyny elektryczne należą do rodziny substancji nieważkich.
       Aby osiągnąć dalszy postęp w teorii elektryczności, trzeba wprowadzić dwa nowe pojęcia. Znowu będziemy unikać ścisłych definicji, posługując się zamiast nich analogiami do pojęć już znanych. Pamiętamy, jak istotne znaczenie dla zrozumienia zjawisk cieplnych miało odróżnienie samego ciepła od temperatury. Obecnie równie ważne jest odróżnienie potencjału elektrycznego od ładunku. Różnicę między tymi dwoma pojęciami oddaje analogia:
 
potencjał elektrycznytemperatura
ładunek elektrycznyciepło
 
Dwa przewodniki, na przykład dwie różnej wielkości kule, mogą mieć taki sam ładunek elektryczny, to znaczy taki sam nadmiar jednego z płynów elektrycznych, ale potencjał będzie w każdym wypadku różny – większy dla małej kuli, mniejszy dla dużej. W przypadku małego przewodnika płyn elektryczny będzie miał większą gęstość, a więc będzie bardziej ściśnięty. Ponieważ siły odpychające muszą wzrastać z gęstością, skłonność ładunku do ucieczki będzie w przypadku małej kuli większa niż w przypadku dużej. Ta skłonność ładunku do ucieczki z przewodnika jest bezpośrednią miarą jego potencjału. Aby wyraźnie wskazać różnicę między ładunkiem a potencjałem, przytoczymy kilka zdań opisujących zachowanie się ciał ogrzanych oraz odpowiednie zdania dotyczące naładowanych przewodników.
 
C i e p ł oE l e k t r y c z n o ś ć
Dwa ciała o różnych początkowo temperaturach, zetknięte ze sobą, osiągają po pewnym czasie tę samą temperaturę.Dwa izolowane przewodniki o różnych początkowo potencjałach, zetknięte ze sobą, bardzo szybko osiągają ten sam potencjał.
Równe ilości ciepła wywołują w dwóch ciałach różne zmiany temperatury, jeżeli pojemności cieplne tych ciał są różne.Równe ilości ładunku elektrycznego wywołują w dwóch ciałach różne zmiany potencjału elektrycznego, jeżeli pojemności tych ciał są różne.
Zetknięty z ciałem termometr wskazuje – poprzez długość swego słupka rtęci – swą własną temperaturę, a więc i temperaturę ciała.Zetknięty z przewodnikiem elektroskop wskazuje – poprzez rozchylenie się złotych listków – swój własny potencjał elektryczny, a więc i potencjał elektryczny przewodnika.
 
       Analogii tej nie można jednak posuwać za daleko. Oto przykład wykazujący zarówno podobieństwa, jak i różnice. Jeżeli zetknie się gorące ciało z zimnym, to ciepło przepływa z cieplejszego do zimniejszego. Z drugiej strony przypuśćmy, że mamy dwa izolowane przewodniki o równych, lecz przeciwnych ładunkach, dodatnim i ujemnym. Potencjały ich są różne. Potencjał odpowiadający ładunkowi ujemnemu umówiono się uważać za mniejszy od tego, który odpowiada ładunkowi dodatniemu. Jeśli oba przewodniki zetknie się ze sobą lub połączy drutem, to według teorii płynów elektrycznych nie wykażą one ładunków, a więc i żadnej różnicy potencjałów elektrycznych. Musimy sobie wyobrazić, że w krótkim czasie, w którym następuje wyrównanie się różnicy potencjałów, zachodzi „przepływ” ładunku elektrycznego z jednego przewodnika do drugiego. Ale jak? Czy płyn dodatni płynie do ciała ujemnego, czy płyn ujemny do ciała dodatniego?
       Przedstawiony tu materiał faktyczny nie daje podstawy do rozstrzygnięcia pomiędzy tymi dwiema możliwościami. Możemy przyjąć każdą z nich albo założyć, że przepływ zachodzi równocześnie w obu kierunkach. Jest to wyłącznie sprawa przyjęcia pewnej umowy i nie należy do dokonanego wyboru przywiązywać żadnego znaczenia, gdyż nie znamy metody doświadczalnego rozstrzygnięcia tego zagadnienia. Dalszy postęp nauki, który doprowadził do znacznie głębszej teorii elektryczności, przyniósł rozwiązanie tego problemu, który w sformułowaniu prostej i prymitywnej teorii płynów elektrycznych nie ma żadnego sensu. Tutaj przyjmiemy po prostu pewien sposób wyrażania się. Będziemy mówili, że płyn elektryczny płynie od przewodnika o wyższym potencjale do przewodnika o potencjale niższym. Tak więc w przypadku naszych dwóch przewodników elektryczność płynie od naładowanego dodatnio do naładowanego ujemnie. Sformułowanie to jest wyłącznie kwestią umowy i pozostaje w tej chwili zupełnie dowolne. Cała ta trudność wykazuje, że analogia pomiędzy ciepłem a elektrycznością bynajmniej nie jest zupełna.
       Przekonaliśmy się, że pogląd mechanistyczny można zastosować do opisu elementarnych faktów z zakresu elektrostatyki. Jest to również możliwe w przypadku zjawisk magnetycznych.
góra strony
poprzedni fragment następny fragment
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