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


  Jeszcze jeden trop
 
Jeszcze jeden trop
 
G
dy ktoś pierwszy raz uczy się mechaniki, odnosi wrażenie, że w tej dziedzinie wiedzy wszystko jest proste, podstawowe i raz na zawsze rozwiązane. Trudno byłoby podejrzewać, że istnieje ważny trop, którego przez trzysta lat nikt nie zauważył. Ten nie dostrzeżony trop wiąże się z jednym z najbardziej podstawowych pojęć fizyki – z pojęciem masy.
       Znów wracamy do prostego wyidealizowanego doświadczenia z wózkiem na doskonale gładkiej drodze. Jeżeli wózek, pozostający początkowo w spoczynku, zostanie popchnięty, to będzie się on poruszał ruchem jednostajnym z pewną prędkością. Przypuśćmy, że działanie siły można powtarzać dowolną ilość razy, przy czym mechanizm popychania jest zawsze taki sam i za każdym razem ten sam wózek jest popychany taką samą siłą. Niezależnie od tego, ile razy byśmy doświadczenie powtarzali, prędkość końcowa będzie zawsze jednakowa. Co się jednak stanie, jeżeli zmienimy warunki doświadczenia i zamiast, jak poprzednio, wózka pustego, użyjemy naładowanego? Wózek naładowany będzie miał prędkość końcową mniejszą niż pusty. Wynika stąd następujący wniosek: jeżeli jedna i ta sama siła działa na dwa różne ciała, które początkowo pozostają w spoczynku, to prędkości, z jakimi się one w rezultacie poruszają, nie będą jednakowe. Mówimy, że prędkość zależy od masy ciała, przy czym jest tym mniejsza, im masa jest większa.
       Wiemy więc, przynajmniej teoretycznie, jak wyznaczyć masę ciała; a raczej jak stwierdzić, ile razy jedna masa jest większa od drugiej. Mamy dwie spoczywające masy, na które działają jednakowe siły. Jeżeli stwierdzimy, że prędkość pierwszej masy jest trzy razy większa od prędkości drugiej, to można stąd wywnioskować, że pierwsza masa jest trzy razy mniejsza od drugiej. Nie jest to z pewnością zbyt praktyczna metoda wyznaczania stosunku dwóch mas. Niemniej można sobie doskonale wyobrazić stosowanie zarówno tej metody, jak i innych, podobnych, opartych na prawie bezwładności.
       Jak wyznaczamy masę w praktyce? Oczywiście, nie w sposób wyżej opisany. Każdy zna poprawną odpowiedź: masę wyznaczamy ważąc.
       Rozpatrzmy bardziej szczegółowo dwa różne sposoby wyznaczania masy.
       Pierwsze doświadczenie nie miało nic wspólnego z ciążeniem, z przyciąganiem Ziemi. Popchnięty wózek porusza się po doskonale gładkiej i poziomej płaszczyźnie. Siła ciążenia, która sprawia, że wózek pozostaje na płaszczyźnie, nie zmienia się i nie odgrywa przy wyznaczaniu masy żadnej roli. W przypadku ważenia sytuacja jest zupełnie inna. Gdyby Ziemia nie przyciągała ciał, gdyby nie było ciążenia – nigdy nie moglibyśmy użyć wagi. Różnica pomiędzy dwoma omówionymi sposobami wyznaczania masy polega na tym, że pierwszy z nich nie ma nic wspólnego z ciążeniem, podczas gdy drugi opiera się właśnie na istnieniu ciążenia.
       Pytamy: czy wyznaczając stosunek dwóch mas obydwoma opisanymi sposobami, otrzymamy ten sam wynik? Odpowiedź, jaką daje doświadczenie, nie pozostawia wątpliwości. Wyniki są dokładnie takie same! Tego wniosku nie można było przewidzieć; nie jest on oparty na rozumowaniu, lecz na obserwacji. Dla uproszczenia nazwijmy masę wyznaczoną w pierwszy sposób masą bezwładną, zaś wyznaczoną w drugi sposób masą grawitacyjną. Tak się składa, że w naszym świecie są one równe, można sobie jednak doskonale wyobrazić, że mogłoby być inaczej. Od razu nasuwa się nowe pytanie: czy ta tożsamość dwóch rodzajów mas jest czysto przypadkowa, czy też ma ona głębsze znaczenie? Odpowiedź z punktu widzenia fizyki klasycznej brzmi: tożsamość obu mas jest przypadkowa i nie należy przypisywać jej głębszego znaczenia. Odpowiedź fizyki współczesnej jest wprost przeciwna: tożsamość obu mas ma znaczenie podstawowe i stanowi nowy, istotny trop wiodący ku głębszemu zrozumieniu zjawisk. W istocie był to jeden z najważniejszych tropów, które doprowadziły do powstania tak zwanej ogólnej teorii względności.
       Powieść sensacyjna, która dziwne zdarzenia tłumaczy jako przypadki – to kiepska powieść. Czytelnik odczuwa większą satysfakcję, gdy wątek rozwija się w sposób logiczny. Zupełnie podobnie teoria, która wyjaśnia równość masy grawitacyjnej i bezwładnej, jest lepsza od teorii, która tę tożsamość interpretuje jako przypadek – oczywiście pod warunkiem, że obie teorie są jednakowo zgodne z faktami doświadczalnymi.
       Ponieważ tożsamość masy bezwładnej i grawitacyjnej miała zasadnicze znaczenie dla sformułowania teorii względności, warto jej się przyjrzeć trochę bliżej. Jakie doświadczenia dowodzą w sposób przekonujący równości obu mas? Odpowiedź zawarta jest w starym doświadczeniu Galileusza, który upuszczał z wieży ciała o różnych masach. Zauważył on, że czas spadania jest zawsze taki sam; ruch spadającego ciała nie zależy od masy. Aby ten prosty, lecz niezwykle ważny wynik doświadczalny powiązać z tożsamością obu mas, trzeba się uciec do nieco bardziej złożonego rozumowania.
       Spoczywające ciało ulega działaniu siły zewnętrznej w ten sposób, że się zaczyna poruszać i osiąga pewną prędkość. W zależności od masy bezwładnej poddaje się przy tym trudniej lub łatwiej, opierając się ruchowi silniej, gdy masa bezwładna jest duża, słabiej, gdy jest ona mała. Nie kusząc się o ścisłość, możemy powiedzieć, że gotowość, z jaką ciało odpowiada na wezwanie siły zewnętrznej, zależy od jego masy bezwładnej. Gdyby Ziemia przyciągała wszystkie ciała z jednakową siłą, to ciało o największej masie bezwładnej poruszałoby się, spadając, wolniej od wszystkich pozostałych. W rzeczywistości jest jednak inaczej: wszystkie ciała spadają tak samo. Wobec tego Ziemia musi przyciągać ciała o różnych masach z rozmaitymi siłami. Jednakże Ziemia przyciąga kamień siłą ciążenia i nic nie wie o jego masie bezwładnej. „Wzywająca” siła Ziemi zależy od masy grawitacyjnej. Stanowiący „odpowiedź” na to wezwanie ruch kamienia zależy od masy bezwładnej. Ponieważ ruch „odpowiadający” jest zawsze taki sam – wszystkie ciała upuszczone z tej samej wysokości spadają tak samo – zatem trzeba wyciągnąć wniosek, że masa grawitacyjna i masa bezwładna są równe.
       Fizyk formułuje ten wniosek bardziej pedantycznie: przyspieszenie ciała spadającego wzrasta proporcjonalnie do jego masy grawitacyjnej, a maleje proporcjonalnie do masy bezwładnej. Ponieważ wszystkie ciała spadają z jednakowym stałym przyspieszeniem, obie masy muszą być równe.
       W naszej wielkiej powieści sensacyjnej nie ma problemów rozwiązanych w pełni i raz na zawsze. Po trzystu latach musieliśmy wrócić do pierwotnego zagadnienia ruchu, aby poddać rewizji metodę badań, odszukać przeoczone tropy i dojść w ten sposób do odmiennego obrazu otaczającego nas świata.
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