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


  Pierwsza poważna trudność
 
Pierwsza poważna trudność
 
J
esteśmy teraz przygotowani do zapoznania się z pierwszą poważną trudnością w stosowaniu naszego ogólnego filozoficznego punktu widzenia. Później wykażemy, że trudność ta, łącznie z inną, jeszcze poważniejszą, spowodowała całkowite załamanie się wiary w możliwość mechanistycznego wyjaśnienia wszystkich zjawisk.
       Potężny rozwój elektryczności jako gałęzi nauki i techniki rozpoczął się od odkrycia prądu elektrycznego. Jest to jeden z bardzo nielicznych fragmentów historii nauki, gdzie, jak się zdaje, istotną rolę odegrał przypadek. Opowiadanie o skurczu żabiej nóżki znane jest w wielu różnych wersjach. Pomijając kwestię prawdziwości szczegółów, nie ma wątpliwości, że przypadkowe odkrycie Galvaniego doprowadziło Voltę do zbudowania pod koniec osiemnastego stulecia tego, co znamy dziś jako baterię elektryczną Volty. Nie znajduje ona już obecnie zastosowania praktycznego, niemniej jednak wciąż jeszcze stanowi bardzo prosty przykład źródła prądu w pokazach szkolnych i w opisach podręcznikowych.
       Zasada jej budowy jest prosta. Mamy kilka słojów szklanych, z których każdy zawiera wodę z niewielką domieszką kwasu siarkowego. W każdym słoju zanurzone są w roztworze dwie płytki metalowe, jedna z miedzi, druga z cynku. Płytka miedziana jednego słoja połączona jest z płytką cynkową następnego, tak że w rezultacie tylko płytka cynkowa pierwszego słoja i miedziana ostatniego pozostają nie połączone. Jeżeli liczba tworzących baterię „ogniw”, to znaczy słojów z płytkami, jest dostatecznie duża, to można za pomocą dość czułego elektroskopu wykryć różnicę potencjałów elektrycznych między cynkiem w pierwszym słoju a miedzią w ostatnim.
       Wprowadziliśmy tu baterię składającą się z kilku ogniw tylko dlatego, aby można było do pomiaru użyć znanego już przyrządu – elektroskopu. W dalszym ciągu wystarczać nam będzie równie dobrze pojedyncze ogniwo. Okazuje się, że potencjał miedzi jest wyższy niż cynku. Słowa „wyższy” użyliśmy tu w tym samym znaczeniu, w jakim +2 jest większe od –2. Jeżeli jeden przewodnik połączy się z wolną płytką miedzianą, a drugi z cynkową, to oba się naładują – pierwszy dodatnio, drugi ujemnie. Jak dotąd nie napotkaliśmy nic szczególnie nowego lub uderzającego i możemy spróbować zastosować nasze dotychczasowe pojęcia dotyczące różnicy potencjałów. Widzieliśmy, że różnicę potencjałów między dwoma przewodnikami można szybko sprowadzić do zera, łącząc je drutem, co powoduje przepływ płynu elektrycznego z jednego przewodnika do drugiego. Proces ten był podobny do wyrównywania się temperatur drogą przepływu ciepła. Czy jednak to samo dzieje się w przypadku baterii elektrycznej? W opisie swego doświadczenia Volta napisał, że płytki zachowują się jak przewodniki
[...] słabo naładowane, działające nieustannie, a więc tak, że po każdym rozładowaniu ładunek ich sam się odnawia, jednym słowem dostarcza nieograniczonego ładunku, czyli wprawia płyn elektryczny w stan ciągłego działania, czyli napędu.
Zdumiewający wynik tego doświadczenia polega na tym, że różnica potencjałów między płytką miedzianą a cynkową nie znika, tak jak w przypadku dwóch naładowanych przewodników, które połączono drutem. Różnica ta utrzymuje się i według teorii płynów musi powodować stały przepływ płynu elektrycznego z poziomu wyższego potencjału (płytka miedziana) na niższy (płytka cynkowa). Aby ratować teorię płynów, można założyć, że istnieje pewna stała siła, która odnawia różnicę potencjałów i powoduje przepływ płynu elektrycznego. Ale całe zjawisko jest zaskakujące z punktu widzenia energii. W drucie, przez który płynie prąd, wytwarza się pewna dostrzegalna ilość ciepła, które w przypadku cienkiego drucika może nawet wystarczyć do jego stopienia. Tak więc w drucie wytwarzana jest energia cieplna. Jednakże cała bateria elektryczna stanowi układ odosobniony, gdyż nie pobiera energii z zewnątrz. Jeśli chcemy ocalić prawo zachowania energii, musimy ustalić, gdzie zachodzi przemiana i jakim kosztem powstaje ciepło. Nietrudno stwierdzić, że w baterii zachodzą skomplikowane procesy chemiczne, w których uczestniczą zarówno zanurzona miedź i cynk, jak i sam roztwór. Z punktu widzenia energii łańcuch zachodzących przemian przedstawia się następująco: energia chemiczna –> energia przepływającego płynu elektrycznego, tj. prądu –> ciepło. Bateria elektryczna nie żyje wiecznie, po pewnym czasie związane z przepływem prądu zmiany chemiczne czynią ją niezdatną do użytku.
       Doświadczenie, które w jaskrawy sposób ujawniło wielkie trudności związanych ze stosowaniem pojęć mechanistycznych, musi się wydać dziwne każdemu, kto słyszy o nim po raz pierwszy. Wykonał je Oersted około stu dwudziestu lat temu. Pisze on:
Wydaje się, że doświadczenia te wykazały, iż położenie igły magnetycznej można zmienić za pomocą przyrządu galwanicznego, przy czym obwód galwaniczny musi być zamknięty, a nie otwarty, jak to miało miejsce w przypadku bezskutecznych prób podejmowanych przed kilku laty przez pewnych bardzo sławnych fizyków.
Przypuśćmy, że mamy baterię elektryczną i przewodzący drut. Jeżeli połączyć drut z samą tylko płytką miedzianą, a nie łączyć z cynkową, to będzie istniała różnica potencjałów, ale prąd nie popłynie. Przypuśćmy teraz, że drut jest zgięty na kształt koła, w którego środku umieszczono igłę magnetyczną, przy czym igła i drut leżą w tej samej płaszczyźnie.
Dopóki drut nie dotyka płytki cynkowej, nic się nie dzieje. Na igłę nie działają żadne siły, istniejąca różnica potencjałów nie ma najmniejszego wpływu na położenie igły. Trudno zrozumieć, dlaczego wspomniani przez Oersteda „bardzo sławni fizycy” spodziewali się takiego wpływu.
       Połączmy jednak teraz drut z płytką cynkową. Natychmiast następuje coś dziwnego: igła magnetyczna wychyla się ze swego pierwotnego położenia. Jeśliby ta stronica przedstawiała płaszczyznę koła, to jeden z biegunów igły zwróciłby się ku czytelnikowi. Wynika stąd, że na biegun magnetyczny działa siła p r o s t o p a d ł a do płaszczyzny koła. Do wyciągnięcia takiego wniosku co do kierunku działającej siły zmuszają nas fakty doświadczalne.
       Doświadczenie to jest ciekawe przede wszystkim dlatego, że wykazuje związek między dwoma na pozór zupełnie różnymi zjawiskami: magnetyzmem a prądem elektrycznym. Ma ono jeszcze jeden aspekt, bodaj jeszcze ważniejszy. Siła działająca między biegunem magnetycznym a małymi odcinkami drutu, przez który płynie prąd, nie może leżeć wzdłuż linii łączących drut z igłą, lub też łączących cząstki przepływającego płynu elektrycznego z elementarnymi dipolami magnetycznymi. Siła jest do tych linii prostopadła! Po raz pierwszy pojawia się siła inna niż te, do których stojąc na stanowisku poglądu mechanistycznego, chcieliśmy sprowadzić wszystkie działania w świecie zewnętrznym. Pamiętamy, że siły ciążenia, elektrostatyczne i magnetyczne, podlegające prawom Newtona i Coulomba, działają wzdłuż linii łączących przyciągające się lub odpychające ciała.
       Trudność tę jeszcze dobitniej potwierdziło bardzo zręczne doświadczenie przeprowadzone prawie sześćdziesiąt lat temu przez Rowlanda. Nie wdając się w szczegóły techniczne, można je opisać jak następuje: Wyobraźmy sobie małą naładowaną kulkę. Kulka ta porusza się bardzo szybko po obwodzie koła, w którego środku znajduje się igła magnetyczna. Jest to w zasadzie to samo doświadczenie, co Oersteda, jedyna różnica polega na tym, że zamiast zwykłego prądu mamy wywołany mechanicznie ruch ładunku elektrycznego.
Rowland stwierdził, że wynik jest istotnie podobny jak w przypadku prądu płynącego po drucie kołowym. Magnes wychyla się pod wpływem siły prostopadłej.
       Przypuśćmy teraz, że ładunek porusza się prędzej. Wskutek tego siła działająca na biegun magnetyczny wzrasta i wychylenie z położenia początkowego staje się wyraźniejsze. Spostrzeżenie to prowadzi do nowych poważnych komplikacji. Nie dość, że siła nie leży wzdłuż linii łączącej ładunek z magnesem, to jeszcze jej wielkość zależy od prędkości ładunku. Cały mechanistyczny punkt widzenia opierał się na przekonaniu, że wszystkie zjawiska można wyjaśnić za pomocą sił zależnych tylko od odległości, a nie od prędkości. Wynik doświadczenia Rowlanda niewątpliwie podważa to przekonanie. Możemy jednak być konserwatystami i poszukiwać rozwiązania w ramach starych pojęć.
       Tego rodzaju trudności, nagłe i nieoczekiwane przeszkody w triumfalnym pochodzie teorii, zdarzają się w nauce często. Czasem proste uogólnienie starych pojęć może przynajmniej na pewien czas uratować sytuację. W naszym przypadku mogłoby się wydawać, że wystarczy rozszerzyć poprzedni punkt widzenia i wprowadzić ogólniejsze siły działające między elementarnymi cząstkami. Bardzo często jednak załatanie starej teorii jest niemożliwe, trudności przyczyniają się wtedy do jej upadku i powstania nowej. Tym razem czynnikiem, który spowodował załamanie się pozornie dobrze ugruntowanych i odnoszących sukcesy teorii mechanistycznych, była nie tylko maleńka igiełka magnetyczna. Jeszcze jeden atak, nawet silniejszy, nadszedł z zupełnie innej strony. Ale to już jest inna historia, którą opowiemy później.
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