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

Wielka powieść . . .
Pierwszy trop
Wektory
Zagadka ruchu
Jeszcze jeden trop
Czy ciepło jest . . .
Kolejka w lunaparku
Stosunek zamiany
Podłoże filozoficzne
Kinetyczna teoria . . .
Streszczamy
Upadek poglądu
mechanistycznego

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


  Pierwszy trop
 
Pierwszy trop
 
P
róby czytania wielkiej powieści przyrody są równie stare, jak stara jest myśl ludzka. Jednakże dopiero niewiele ponad trzysta lat temu zaczęli uczeni rozumieć język powieści. Od tego czasu, a były to czasy Galileusza i Newtona, czytanie postępowało bardzo szybko. Rozwinięto technikę badań, opracowano systematyczne metody odszukiwania tropów i ich śledzenia. Rozwiązano wiele zagadek natury, choć niektóre rozwiązania okazały się w świetle dalszych badań nietrwałe i powierzchowne.
       Problemem podstawowej wagi, który z powodu zawartych w nim komplikacji pozostawał przez tysiące lat zupełnie nie wyjaśniony, jest problem ruchu. Wszystkie ruchy, które obserwujemy w przyrodzie – ruch kamienia rzuconego w powietrzu, ruch statku płynącego po morzu, ruch wózka popychanego na ulicy – są w rzeczywistości bardzo złożone. Aby te zjawiska zrozumieć, dobrze jest zacząć od przypadków możliwie najprostszych, przechodząc stopniowo do bardziej skomplikowanych. Weźmy pod uwagę ciało pozostające w spoczynku; w tym przypadku w ogóle nie ma ruchu. Aby zmienić położenie takiego ciała, trzeba na nie w pewien sposób zadziałać – popchnąć je lub podnieść – albo poddać działaniu innych ciał, na przykład konia lub maszyny parowej. W intuicji naszej pojęcie ruchu wiąże się z takimi działaniami, jak popychanie, podnoszenie, pociąganie. Posiadane doświadczenie skłoniłoby nas do zaryzykowania dalszego stwierdzenia, że jeśli chcemy, by ciało poruszało się szybciej, musimy je mocniej popychać. Nasuwa się naturalny wniosek, że szybkość ciała jest tym większa, im większe jest wywierane na nie działanie. Powóz zaprzężony w cztery konie jedzie prędzej od dwukonnego. Tak więc intuicja mówi nam, że szybkość wiąże się w istotny sposób z działaniem.
       Czytelnicy powieści kryminalnych wiedzą dobrze, że fałszywy trop gmatwa wątek i opóźnia rozwiązanie. Metoda rozumowania, którą podyktowała nam intuicja, jest błędna i prowadzi do fałszywych pojęć o ruchu, które przyjmowano w ciągu stuleci. Być może główną przyczyną, dla której utrzymywały się one tak długo, był wielki w Europie autorytet Arystotelesa. W przypisywanej mu od dwóch tysięcy lat Mechanice czytamy:
Poruszające się ciało powraca do spoczynku, jeżeli siła, która je popycha, przestaje działać.
Odkrycie i zastosowanie przez Galileusza metody naukowego rozumowania było jednym z najdonioślejszych osiągnięć w historii myśli ludzkiej i stało się właściwym początkiem fizyki. Odkrycie to nauczyło nas, że nie można ufać intuicyjnym wnioskom opartym na bezpośredniej obserwacji, ponieważ mogą one czasem prowadzić na manowce.
       Ale w którym miejscu intuicja zawodzi? Czyżby nie było prawdą stwierdzenie, że powóz zaprzężony w cztery konie musi jechać szybciej niż zaprzężony tylko w dwa?
       Zbadajmy bliżej podstawowe fakty związane z ruchem, rozpoczynając od prostych doświadczeń życia codziennego, znanych ludzkości od początku cywilizacji, nabytych w ciężkiej walce o byt.
       Przypuśćmy, że człowiek popychający wózek po równej drodze przestaje go nagle popychać. Wózek, zanim się zatrzyma, będzie się jeszcze poruszał, przebywając niewielką odległość. Pytamy: w jaki sposób można by tę odległość powiększyć? Sposoby są różne – można oliwić koła, można wygładzać drogę. Im łatwiej obracają się koła i im gładsza droga, tym dłużej poruszać się będzie wózek. Lecz czegóż dokonano, oliwiąc koła i wygładzając drogę? Tylko jednego: zmniejszono wpływy zewnętrzne. Zmniejszono efekt zwany tarciem – zarówno w kołach, jak między kołami a drogą. Jest to już teoretyczna interpretacja zaobserwowanych faktów, interpretacja w gruncie rzeczy dowolna. Jeszcze jeden istotny krok naprzód i znajdziemy się na właściwym tropie. Wyobraźmy sobie drogę doskonale gładką i koła, w których w ogóle nie ma tarcia. W tym wypadku nic nie zatrzyma wózka, a więc będzie on się toczył wiecznie. Do wniosku tego dochodzimy wyłącznie drogą rozważań nad wyidealizowanym doświadczeniem, którego w rzeczywistości nigdy nie można wykonać, ponieważ nie sposób wyeliminować wszystkich wpływów zewnętrznych. Wyidealizowane doświadczenie wskazuje na trop, który stał się podstawowym dla mechaniki ruchu.
       Porównując obie metody podejścia do zagadnienia, możemy powiedzieć: pogląd oparty na intuicji głosi – im większe działanie, tym większa prędkość. Tak więc prędkość wskazuje, czy na ciało działają siły zewnętrzne, czy nie. Nowy trop, odkryty przez Galileusza, prowadzi do stwierdzenia: jeżeli ciało nie jest ani popychane, ani pociągane, ani nie jest na nie wywierane jakiekolwiek inne działanie, czyli krótko mówiąc, jeżeli na ciało nie działa żadna siła zewnętrzna, to porusza się ono ruchem jednostajnym, to znaczy stale z tą samą prędkością – po linii prostej. Tak więc prędkość nie wskazuje na to, czy na ciało działają siły zewnętrzne, czy nie. Wniosek Galileusza, wniosek poprawny, został po upływie jednego pokolenia sformułowany przez Newtona jako prawo bezwładności. Jest to zwykle pierwsze prawo fizyczne, którego się w szkole uczymy na pamięć, toteż niektórzy z nas mogą je jeszcze pamiętać:
Każde ciało pozostaje w spoczynku lub w ruchu jednostajnym po linii prostej, jeżeli siły do niego przyłożone nie zmuszają go do zmiany tego stanu.
Widzieliśmy, że tego prawa bezwładności nie można wyprowadzić wprost z doświadczenia; można je wyprowadzić jedynie na drodze zgodnego z doświadczeniem rozumowania. Wyidealizowanego doświadczenia – choć prowadzi ono do głębokiego zrozumienia doświadczeń rzeczywistych – nie można nigdy wykonać w rzeczywistości.
       Jako pierwszy przykład spośród bogactwa złożonych ruchów, jakie zachodzą w otaczającym nas świecie, wybieramy ruch jednostajny. Jest on najprostszy, bo nie działają tu siły zewnętrzne. Jednakże ruchu jednostajnego nigdy nie można zrealizować; ani kamień rzucony z wieży, ani wózek popychany drogą nie będą się nigdy poruszać ruchem absolutnie jednostajnym, gdyż nie możemy usunąć wpływu sił zewnętrznych.
       W dobrej powieści sensacyjnej tropy, które się najbardziej narzucają, prowadzą często do fałszywych podejrzeń. Podobnie w naszych próbach zrozumienia praw przyrody często spostrzegamy, że najbardziej narzucające się, dyktowane przez intuicję rozwiązanie okazuje się błędne.
       Myśl ludzka stwarza zmieniający się wiecznie obraz wszechświata. Galileusz przyczynił się do zburzenia poglądu opartego na intuicji i zastąpienia go nowym: na tym właśnie polega doniosłość jego odkrycia.
       Natychmiast jednak nasuwa się następne pytanie dotyczące ruchu. Jeżeli nie prędkość, to co jest wskaźnikiem działania na ciało sił zewnętrznych? Odpowiedź na to podstawowe pytanie podał Galileusz, a w formie jeszcze bardziej zwartej – Newton. Stanowi ona kolejny trop dla naszych dociekań.
       Aby znaleźć poprawną odpowiedź, musimy nieco głębiej zastanowić się nad doświadczeniem z wózkiem na doskonale gładkiej drodze. W naszym wyidealizowanym doświadczeniu jednostajność ruchu była spowodowana nieobecnością jakichkolwiek sił zewnętrznych. Wyobraźmy sobie teraz, że poruszający się ruchem jednostajnym wózek zostaje popchnięty w kierunku ruchu. Co się stanie z wózkiem? Oczywiście jego prędkość wzrośnie. W sposób równie oczywisty popchnięcie wózka w kierunku przeciwnym do ruchu zmniejszyłoby prędkość. W pierwszym przypadku popchnięcie przyspiesza ruch wózka, w drugim – opóźnia go, czyli zwalnia. Wniosek wynika natychmiast: działanie siły zewnętrznej zmienia prędkość. Tak więc następstwem popychania lub pociągania nie jest sama prędkość, lecz jej zmiana. Zależnie od tego, czy siła działa w kierunku ruchu, czy w kierunku przeciwnym, powoduje ona zwiększenie lub zmniejszenie prędkości. Zrozumiał to dobrze Galileusz, pisząc w swoich Dwóch nowych umiejętnościach:
[...] stopień prędkości, jakkolwiek się w ciele objawia, jest w nim niezniszczalnie zawarty, podczas gdy przyczyny zewnętrzne wytwarzają przyspieszenie lub opóźnienie, co tylko spostrzec można na płaszczyźnie poziomej: bo przy spadku po pochyłości dołącza się przyczyna przyspieszenia, a przy podnoszeniu się – opóźnienia. Wynika stąd również, że ruch po poziomie jest także wieczny, bo gdy pozostaje zawsze jednaki, nie osłabia się ani wzmacnia, nie zmniejsza się i nie powiększa.
Postępując właściwym tropem, osiągamy głębsze zrozumienie problemu ruchu. Związek pomiędzy siłą a zmianą prędkości – a nie, jakby to nasuwała intuicja, związek pomiędzy siłą a samą prędkością – jest podstawą sformułowanej przez Newtona mechaniki klasycznej.
       Korzystaliśmy dotychczas z dwóch pojęć, odgrywających zasadniczą rolę w mechanice klasycznej; są to: siła i zmiana prędkości. Oba te pojęcia zostały w miarę rozwoju nauki rozwinięte i uogólnione. Trzeba je więc zbadać dokładniej.
       Co to jest siła? Znaczenie tego słowa wyczuwamy intuicyjnie. Pojęcie sił powstało w związku z wysiłkiem związanym z popychaniem, rzucaniem, ciągnięciem – w związku z wrażeniem mięśniowym, jakie towarzyszy każdemu z tych działań. Jednakże uogólnienie tego pojęcia wykracza daleko poza te proste przykłady. Po to, by pomyśleć o sile, nie trzeba sobie koniecznie wyobrażać konia ciągnącego wóz! Mówimy o sile przyciągania między Słońcem a Ziemią, między Ziemią a Księżycem, a także o siłach powodujących przypływ i odpływ morza. Mówimy o sile, którą Ziemia działa na nas i na otaczające nas przedmioty, zmuszając je do pozostawania w zasięgu jej wpływu, i o sile wiatru powodującej powstawanie fal na morzu lub poruszającej liśćmi drzew. Kiedykolwiek i gdziekolwiek stwierdzamy zmianę prędkości, musi to być wynikiem działania siły zewnętrznej – w ogólnym tego słowa znaczeniu. W swych Principiach Newton pisał:
Siła przyłożona jest to działanie wywierane na ciało w celu zmiany jego stanu bądź to spoczynku, bądź ruchu jednostajnego po linii prostej.
Siła ta przejawia się tylko w działaniu i nie pozostaje w ciele po ustaniu działania. Albowiem ciało zachowuje wszelki nowy stan, w jakim się znajdzie, wyłącznie dzięki swej vis inertiae. Siły przyłożone mogą pochodzić z różnych źródeł, takich jak uderzenie, ciśnienie, siła dośrodkowa.
Ruch kamienia spadającego z wieży nie jest jednostajny; w miarę jego spadania prędkość wzrasta. Wnioskujemy stąd, że w kierunku ruchu działa siła zewnętrzna. Innymi słowy – Ziemia przyciąga kamień. Weźmy inny przykład: Co się dzieje z kamieniem rzuconym pionowo do góry? Prędkość jego maleje, dopóki kamień nie wzniesie się do punktu najwyższego i nie zacznie spadać. To zmniejszenie się prędkości spowodowane jest przez tę samą siłę, która powoduje przyspieszenie ciała spadającego. W jednym przypadku siła działa w kierunku ruchu, w drugim – w kierunku przeciwnym. Siła jest ta sama, jednak zależnie od tego, czy kamień spada w dół, czy został rzucony w górę, powoduje ona albo przyspieszenie, albo opóźnienie ruchu.
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