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

Pole i teoria
względności

Obraz polowy
Dwa filary teorii pola
Rzeczywistość pola
Pole i eter
Rusztowanie mech.
Eter i ruch
Czas, odległość, . . .
Teoria względności
Continuum . . .
Ogólna teoria wzgl.
Wewnątrz i . . .
Geometria i . . .
Potwierdzenie teorii
Pole i materia
Streszczamy
Kwanty
  Źródło
Albert Einstein, Leopold Infeld
EWOLUCJA FIZYKI
Rozwój poglądów od najważniejszych pojęć do teorii względności i kwantów

W przekładzie Ryszarda Gajewskiego


  Ogólna teoria względności
 
Ogólna teoria względności
 
P
ozostaje jeszcze do wyjaśnienia jeden punkt. Nie rozstrzygnęliśmy dotąd jednego z najbardziej podstawowych zagadnień: czy istnieje układ inercjalny? Dowiedzieliśmy się już coś nie coś o prawach przyrody, ich niezmienności względem transformacji Lorentza oraz ich ważności we wszystkich układach inercjalnych poruszających się względem siebie ruchem jednostajnym. Mamy prawa, lecz nie znamy układu, do którego można by je odnieść.
       Aby sobie lepiej zdać sprawę z tej trudności, przeprowadźmy wywiad z przedstawicielem fizyki klasycznej, zadając mu kilka prostych pytań:
       – Co to jest układ inercjalny?
       – Jest to układ, w którym obowiązują prawa mechaniki. W takim u. w. ciało, na które nie działają siły zewnętrzne, porusza się ruchem jednostajnym. Własność ta pozwala nam odróżnić inercjalny u. w. od każdego innego.
       – Cóż jednak oznacza powiedzenie, że na ciało nie działają siły?
       – Znaczy to po prostu, że w inercjalnym u. w. ciało to porusza się ruchem jednostajnym.
       Moglibyśmy w tym miejscu powtórzyć pytanie „Co to jest inercjalny u. w.?” Ponieważ jednak nie ma wielkiej nadziei na uzyskanie odpowiedzi innej niż wyżej przytoczona, spróbujmy zdobyć trochę konkretnych informacji, zmieniając pytanie:
       – Czy u. w. związany sztywno z Ziemią jest inercjalny?
       – Nie, gdyż prawa mechaniki nie obowiązują w nim ściśle, a to ze względu na obrót Ziemi. W wielu zagadnieniach można za inercjalny u. w. uważać układ związany sztywno ze Słońcem; gdy jednak mówimy o wirującym Słońcu, wówczas związanego z nim u. w. również nie można uważać za ściśle inercjalny.
       – Czym więc właściwie jest twój inercjalny u. w. i jaki ruch należy mu przypisać?
       – Jest to po prostu pożyteczna fikcja i nie mam pojęcia, jak ją urzeczywistnić. Gdybym się tylko potrafił dostatecznie oddalić od wszystkich ciał materialnych i uwolnić od wszelkich wpływów zewnętrznych, mój u. w. byłby wówczas inercjalny.
       – Ale co rozumiesz przez u. w. wolny od wszelkich wpływów zewnętrznych?
       – Rozumiem przez to, że u. w. jest inercjalny.
       Znów powróciliśmy do pytania wyjściowego!
       Wywiad nasz ujawnia poważną trudność fizyki klasycznej. Mamy prawa, ale nie wiemy, w jakim układzie je stosować, a cały nasz gmach fizyki przypomina zamki na lodzie.
       Do tej samej trudności możemy podejść z innego punktu widzenia. Spróbujmy sobie wyobrazić, że w całym wszechświecie istnieje tylko jedno ciało stanowiące nasz u. w. Ciało to zaczyna wirować. Według mechaniki klasycznej prawa fizyki są inne dla ciała wirującego niż dla nie wirującego. Jeśli zasada bezwładności obowiązuje w jednym wypadku, to nie obowiązuje w drugim. Wszystko to jednak brzmi bardzo podejrzanie. Czy wolno rozważać ruch jednego tylko ciała w całym wszechświecie? Przez ruch ciała rozumiemy zawsze zmianę jego położenia w stosunku do innego ciała. Toteż mówienie o ruchu tylko jednego ciała jest sprzeczne ze zdrowym rozsądkiem. Zachodzi tu wyraźna sprzeczność między mechaniką klasyczną a zdrowym rozsądkiem. Recepta Newtona brzmi: jeżeli obowiązuje zasada bezwładności, to u. w. albo pozostaje w spoczynku, albo porusza się ruchem jednostajnym. Jeżeli zasada bezwładności nie obowiązuje, to ciało porusza się ruchem niejednostajnym. Tak więc stwierdzenie ruchu lub spoczynku zależy od tego, czy w danym u. w. można stosować wszystkie prawa fizyki, czy też nie.
       Weźmy dwa ciała, na przykład Ziemię i Słońce. Ruch, który obserwujemy, jest i tym razem względny. Można go opisać, wiążąc u. w. bądź z Ziemią, bądź też ze Słońcem. Z tego punktu widzenia wielkie dzieło Kopernika polega na przeniesieniu u. w. z Ziemi na Słońce. Ponieważ jednak ruch jest względny i możemy się posługiwać dowolnym układem odniesienia, nie ma chyba powodu, aby uważać jeden u. w. za korzystniejszy od drugiego.
       I tu znów wkracza fizyka, zmieniając nasz dotychczasowy, zdroworozsądkowy sposób myślenia. U. w. związany ze Słońcem bardziej przypomina układ inercjalny niż u. w. związany z Ziemią. Prawa fizyki powinno się stosować w układzie Kopernika, a nie Ptolemeusza. Wielkość odkrycia Kopernika można ocenić tylko z punktu widzenia fizyki. Wskazuje ono na wielką korzyść, jaka wynika ze stosowania do opisu ruchu planet u. w. sztywno związanego ze Słońcem.
       W fizyce klasycznej nie istnieje bezwzględny ruch jednostajny. Jeżeli dwa u. w. poruszają się względem siebie, to powiedzenie: „Ten u. w. spoczywa, a ten się porusza” nie ma sensu. Jeśli jednak dwa u. w. poruszają się względem siebie niejednostajnie, wówczas powiedzenie: „To ciało porusza się, a to spoczywa (lub się porusza ruchem jednostajnym)” jest zupełnie uzasadnione. Ruch bezwzględny ma teraz zupełnie określone znaczenie. Powstaje tu głęboka przepaść między zdrowym rozsądkiem a fizyką klasyczną. Obie wspomniane trudności – kwestia układu inercjalnego oraz kwestia ruchu bezwzględnego – są ze sobą ściśle związane. Ruch bezwzględny możliwy jest tylko dzięki koncepcji układu inercjalnego, w którym obowiązują prawa przyrody.
       Mogłoby się wydawać, że z tych trudności nie ma wyjścia, że nie może ich uniknąć żadna teoria fizyczna. Wynikają one z tego, że prawa przyrody obowiązują tylko w szczególnej klasie u. w., tylko w układach inercjalnych. Możliwość przezwyciężenia tej trudności zależy od odpowiedzi na następujące pytanie: Czy można tak sformułować prawa fizyki, aby obowiązywały one we wszystkich u. w., nie tylko w tych, które się poruszają ruchem jednostajnym, ale również w tych, które się względem siebie poruszają zupełnie dowolnie? Jeśli się okaże, że tak jest, to będzie to oznaczało koniec naszych trudności. Prawa przyrody będzie można stosować w dowolnym u. w. Walka między poglądami Ptolemeusza i Kopernika, tak zawzięta w zaraniu nauk przyrodniczych, okazałaby się zupełnie bezprzedmiotowa, gdyż można używać z równym powodzeniem każdego z obu układów. Dwa zdania „Słońce spoczywa, a Ziemia się porusza” oraz „Słońce się porusza, a Ziemia spoczywa” oznaczałyby po prostu dwie różne umowy dotyczące dwóch różnych u. w.
       Czy można zbudować prawdziwie relatywistyczną fizykę, która by obowiązywała we wszystkich u. w., fizykę, w której nie byłoby miejsca na ruch bezwzględny, a tylko na względny? Otóż jest to możliwe!
       Mamy przynajmniej jedną, choć bardzo ogólnikową wskazówkę, jak tę nową fizykę budować. Prawdziwie relatywistyczna fizyka musi obowiązywać we wszystkich u. w., a więc również w szczególnym przypadku układu inercjalnego. Znamy już prawa, które obowiązują w inercjalnym u. w. Nowe, ogólne prawa, obowiązujące we wszystkich u. w., muszą w szczególnym przypadku układu inercjalnego sprowadzać się do starych, znanych praw.
       Zagadnienie sformułowania praw fizyki tak, by obowiązywały one w dowolnym u. w., zostało rozwiązane przez tak zwaną ogólną teorię względności; poprzednia teoria, dotycząca tylko układów inercjalnych, nazywa się szczególną teorią względności. Oczywiście obie te teorie nie mogą być ze sobą sprzeczne, gdyż stare prawa szczególnej teorii względności muszą się zawierać w ogólnych prawach zastosowanych do układu inercjalnego. O ile jednak poprzednio inercjalny u. w. był jedynym, dla którego formułowano prawa fizyki, o tyle teraz będzie on stanowił szczególny przypadek graniczny, gdyż dozwolone są wszystkie u. w., poruszające się względem siebie w dowolny sposób.
       Mamy więc program dla ogólnej teorii względności. Ale szkicując drogę jego realizacji, będziemy zmuszeni wyrażać się jeszcze mniej jasno niż dotychczas. Nowe trudności wyłaniające się w miarę rozwoju nauki sprawiają, że nasza teoria staje się coraz bardziej abstrakcyjna. Wciąż jeszcze oczekują nas niespodziewane przygody, ale naszym celem ostatecznym jest zawsze lepsze zrozumienie rzeczywistości. Łańcuch logiczny łączący teorię z doświadczeniem zostaje wzbogacony o nowe ogniwa. Aby drogę wiodącą od teorii do doświadczenia oczyścić ze zbędnych i sztucznych założeń, aby ogarniać coraz szerszy zakres faktów, musimy nasz łańcuch coraz bardziej wydłużać. Im prostsze, im bardziej podstawowe stają się nasze założenia, tym bardziej komplikuje się matematyczne narzędzie rozumowania; droga od teorii do doświadczenia staje się dłuższa, subtelniejsza i bardziej zawiła. Choć brzmi to paradoksalnie, jednak można powiedzieć, że fizyka współczesna jest prostsza od starej fizyki i dlatego wydaje się trudniejsza i bardziej złożona. Im prostszy jest nasz obraz świata zewnętrznego, im więcej ogarnia faktów, tym wyraźniej odbija w naszych umysłach harmonię wszechświata.
       Nasza nowa idea jest prosta: chcemy zbudować fizykę, obowiązującą we wszystkich u. w. Realizacja tej idei pociąga za sobą trudności formalne i zmusza nas do korzystania z narzędzi matematycznych innych niż te, którymi posługiwano się dotąd w fizyce. Pokażemy tu tylko związek między realizacją tego programu a dwoma podstawowymi zagadnieniami: grawitacją i geometrią.
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