Login lub e-mail Hasło   

Odkrywanie Wszechświata. - część I.

...na Ziemi pojawił się dziwny rodzaj ludzi. Zachowywali się zuchwale. Pytali: JAK? Jak został stworzony Wszechświat? Z czego jest zrobione to całe niewiarygodne bogactwo świata?
Wyświetlenia: 3.516 Zamieszczono 30/04/2016

  „Na jednej z planet – zupełnie zwykłej planecie, krążącej wokół przeciętnej gwiazdy,która jest maleńkim punkcikiem w spiralnym ramieniu typowej galaktyki – wyodrębniły się wysokie kontynenty i spienione oceany. W oceanach zachodziły reakcje organiczne, powstały białka i zaczęło się życie. Z prostych organizmów drogą ewolucji powstały rośliny i zwierzęta, aż wreszcie pojawiły się istoty ludzkie. (…)

  Z czasem mutacje doprowadziły do tego, że na Ziemi pojawił się dziwny rodzaj ludzi. Zachowywali się zuchwale. (…) Pytali „jak?”. Jak został stworzony Wszechświat? Jak to, z czego jest zrobiony może być odpowiedzialne za całe niewiarygodne bogactwo naszego świata: gwiazdy, planety, oceany, rafy koralowe, światło słoneczne, ludzki mózg? (…) Tych mutantów zwiemy fizykami.”

Leon Lederman

     W powyższym cytacie słowo „fizycy” zastąpiłbym ogólniejszym: „naukowcy”. Chociaż, z drugiej strony, sporo racji miał Ernst Rutherford, twierdząc, iż „jedyną prawdziwą nauką jest fizyka – reszta to zbieranie znaczków”. Istotna jest inna kwestia: od czasu powstania współczesnej nauki, tzn. od czasów Kopernika i Galileusza – zajmował się nią tylko specyficzny rodzaj ludzi, tacy którzy po prostu chcieli wiedzieć... A pozostałe kwestie, jak np. praktyczne zastosowanie tej wiedzy, czy ewentualne zyski, były dla nich sprawami drugorzędnymi, chociaż oczywiście, niekiedy pojawiały się niejako automatycznie. Tak było mniej więcej do początków XX w. – później niestety, zaczął dominować inny rodzaj, często obecnie mylony z naukowcami: „pracownicy nauki”. Różnica jest mniej więcej taka, jak między artystą a rzemieślnikiem... ale zacznijmy od początku.

     Zalążki tego, co nazywamy nauką można znaleźć tylko w jednej starożytnej kulturze: Jońskiej Filozofii Przyrody, powstałej w IVw. p.n.e. związanej z takimi postaciami, jak Tales, Anaksagoras, Empedokles, oraz ich kontynuatorzy: Archimedes, Parmenides, Leukippos i niedoceniany zarówno przez mu współczesnych, jak i obecnie Demokryt z Abdery – twórca pojęcia atomu i próżni. Jończycy pierwsi podjęli próby wyjaśnienia rzeczywistości bez odwoływania się do interwencji bogów czy innych sił nadprzyrodzonych, a także oparcia wiedzy na obserwacji i ujęciu ilościowym. Przykładem jednego z z niezwykłych eksperymentów tamtych czasów był pomiar obwodu Ziemi dokonany przez Eratostenesa za pomocą pomiaru różnicy długości cienia dwóch kijów, umieszczonych w Aleksandrii i Syene (na różnych szerokościach geograficznych). Otrzymany wynik – 250000 'stadionów” – tj. ok. 40000km (±3500km – nie znamy dokładnie wartości 'stadionu', ówczesnej jednostki długości) był zdumiewająco bliski wartości obliczanej współcześnie.

     

          Niestety, osiągnięcia starożytnych naukowców poszły w zapomnienie, odkąd zaczęła dominować filozofia Platona i Arystotelesa, a następnie chrześcijaństwo. Gwoździem do trumny dla spuścizny Jończyków stało się zniszczenie biblioteki aleksandryjskiej.

      Arystoteles, a zwłaszcza jego dogmatyczni wyznawcy, zatrzymali rozwój nauki na kilkanaście wieków. Potem nadchodzi średniowiecze, stosy płoną; w XIII w. św. Tomasz z Akwinu łączy chrześcijaństwo z koncepcjami Arystotelesa, a scholastyka staje się obowiązkową wykładnią. Szanse na naukowe poznanie rzeczywistości wydają się przekreślone?

  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

 . . . . . . . . . . . . . . . .

 . . . . . .

       

          Trzeba było czekać ponad 1500 lat. W 1542r. Kopernik publikuje „De Revolutionibus Orbium Coelestium”. Kopernik zaproponował swój model jako matematyczną alternatywę do obliczania ruchów planet, w szczególności dla wyjaśnienia ruchów wstecznych, tzw. retrogradacji. Geocentryczny model Ptolemeusza tłumaczył je równie dobrze, tyle że w potwornie skomplikowany sposób. Zamiast plątaniny epicykli, często wielokrotnych, prościej można było wytłumaczyć te nieregularności faktem, iż obserwujemy planety z poruszającej się Ziemi. Warto też wspomnieć, że współczesny Ptolemeuszowi Arystarch zaproponował alternatywny model heliocentryczny, który niestety nie zdobył wówczas uznania.

      Odtąd Ziemia przestała być centrum Wszechświata, a obecnie twierdzenie, że we Wszechświecie nie ma wyróżnionych miejsc nosi nazwę „zasady kopernikańskiej”. Ale to Galileusz i Kepler dowiodą prawidłowości modelu heliocentrycznego. Niedługo później Giordano Bruno przedstawia koncepcję nieskończonego Wszechświata, w którym Słońce jest tylko jedną z gwiazd i istnieje wiele układów planetarnych – za co kończy na stosie. Niestety, w owych czasach nie było żadnej możliwości udowodnienia tej hipotezy – można więc uznać Giordana za genialnego wizjonera, ale za nie naukowca!

       Galileusz przeciwnie. Konstruuje lunety, termometr, zegar wahadłowy. Prowadzi doświadczenia z pomiarem ruchu – odkrywa zasadę bezwładności: spoczynek jest nieodróżnialny od ruchu jednostajnego – obalając tym samym arystotelesowskie twierdzenie, jakoby bezruch był stanem wyróżnionym. Przy pomocy pomiarów na równi pochyłej dowodzi, że cięższe ciała nie spadają szybciej. Wprowadza opis matematyczny (transformacja Galileusza: x'=x+vt). Jest pierwszym nowożytnym naukowcem w ścisłym znaczeniu tego słowa! 

       Nieco wcześniej duński astronom Tycho Brahe gromadzi imponujący zbiór najdokładniejszych wówczas danych obserwacyjnych położenia gwiazd i ruchów planet. Pozostaje jednak wierny teorii geocentrycznej, tworząc dziwaczny kompromis, że planety krążą wokół Słońca, a ono wraz z nimi – wokół Ziemi. Jednak asystentem Brahego jest Johannes Kepler. Po jego śmierci przejmuje jego ogromny zbiór danych i na ich podstawie uściśla obliczenia Kopernika: okazuje się, że orbity planet nie są kołowe, lecz eliptyczne! Pada kolejna arystotelesowska koncepcja, jakoby trajektorie ciał niebieskich mogły przyjmować wyłącznie „najdoskonalszy” kształt koła, a słynne trzy prawa Keplera do dziś są używane do obliczania ruchów planet.

       Współpracę Brahego i Keplera, chociaż pełną „zgrzytów”, można uznać za początek funkcjonującego współcześnie podziału na eksperymentatorów (Brahe) i teoretyków (Kepler).

        To właśnie Kepler ostatecznie przekonał Galileusza do heliocentryzmu. Galileusz przy pomocy swojej lunety odkrywa księżyce Jowisza (które ewidentnie nie krążą wokół Ziemi), a także fazy Wenus, zdobywając kolejne dowody na poprawność teorii heliocentrycznej. W 1632r. publikuje „Dialog o dwóch najważniejszych systemach świata”. Ale Kościół, jak zwykle, nie może ścierpieć podważenia swojego autorytetu, chociaż Galileusz cały czas deklaruje się jako wierny katolik. Na szczęście, zmuszony, odwołuje swoje twierdzenia: nie kończy więc jak Giordano Bruno... Zostaje jednak zamknięty do końca życia w areszcie domowym, z zakazem wspominania o ruchomości Ziemi. Legenda mówi, że podobno po procesie wyszeptał do siebie: E pur si muove” („A jednak się porusza”)...

         Galileusz i Kepler dowiedli, jak poruszają się planety. Pozostało pytanie: dlaczego?

 

       Ciekawym zbiegiem okoliczności Izaak Newton urodził się w roku śmierci Galileusza. Nie będę obrażał inteligencji czytelników tłumacząc newtonowskie zasady dynamiki i prawo grawitacji, zwrócę tylko uwagę na płynące z nich implikacje i wpływ na dalszy rozwój nauki. Pierwszą zasadę właściwie powinno się nazywać „zasadą Galileusza”, gdyż jest to po prostu zasada bezwładności. Natomiast konsekwencje drugiej obejmują właściwie całą fizykę klasyczną. Banalny wzór F=ma opisuje każdy możliwy ruch: zarówno piłek, pojazdów, pocisków, jak też planet i statków kosmicznych. Co więcej, implikuje świat całkowicie deterministyczny: znając położenie i pęd każdej cząstki możemy je określić w dowolnej chwili w przeszłości i w przyszłości. Ta wykładnia została podważona w początkach XX w., ale o tym później... W historii nauki będzie istniał jeszcze tylko jeden tak prosty wzór o równie dalekosiężnych implikacjach. Dla porządku, przypomnę, że trzecia zasada dotyczy akcji i reakcji.

         I w końcu prawo grawitacji. Dotychczas nikt nie wiedział, co powoduje, że planety utrzymują się na swoich orbitach. Opowieść o jabłku, które spadło Newtonowi na głowę zapewne jest tylko zabawną anegdotą, ale ważne jest, że dopiero on zrozumiał, dlaczego to jabłko spada. A co ważniejsze, że ta sama siła, która powoduje spadanie jabłek czy kamieni, utrzymuje Księżyc na orbicie wokół Ziemi, a planety na orbitach okołosłonecznych.

       Ponadto, niezależnie od Leibniza, tworzy rachunek różniczkowy, będący do dziś podstawowym narzędziem matematycznym w fizyce.

      W przeciwieństwie do Galileusza, Newton zyskał zasłużone uznanie. Twierdził jednak: „Mogłem spojrzeć tak daleko tylko dlatego, że stałem na ramionach olbrzymów”. Jego dzieło, „Principia mathematica...”, było właściwie kompendium całej ówczesnej wiedzy o świecie.

 

       Wiek XVII i XIX obfitowały w tak wiele odkryć, że trudno nawet wszystkie wymienić. Oto niektóre z nich:

       Antoine Lavoisier tworzy podstawy współczesnej chemii: wprowadza zasadę zachowania masy, obala teorię flogistonu dowodząc, że spalanie polega na łączeniu się z tlenem, wykazuje,że woda jest związkiem wodoru z tlenem – co podważa arystotelesową koncepcję pięciu żywiołów; uściśla pojęcie pierwiastka, a także systematyzuje nazewnictwo chemiczne. Następnie John Dalton ogłasza teorię atomistyczną budowy materii, a Dymitr Mendelejew porządkuje znane pierwiastki w układ okresowy. Friedrich Wöhler syntezuje mocznik ze związków nieorganicznych (izocyjanian potasu i chlorek amonu), czym daje początek chemii organicznej i obala teorię „siły życiowej” („vis vitalis”), rzekomo niezbędnej do wytwarzania związków organicznych.

     W XVIIw. Newton opisał grawitację, a od XVIII rozwijają się badania nad drugą z podstawowych sił natury: elektrycznością. Alessandro Volta konstruuje pierwsze ogniwo, a także kondensator i elektroskop. Andre Ampere, na podstawie doświadczeń Ørsteda, wykazujących związek prądu elektrycznego z magnetyzmem, podjął próbę połączenia elektryczności i magnetyzmu w jedną siłę. Michael Faraday, eksperymentator – samouk, odkrywa zjawisko indukcji elektromagnetycznej, wprowadza także pojęcie pola

         Warto w tym miejscu wspomnieć zupełnie dziś zapomnianego geniusza, Rudjera Boškovića, który już wcześniej wprowadził pojęcie pola sił, aby rozwiązać problem „oddziaływania na odległość”.

         W 1861r. James Clerk Maxwell dokonuje pełnej unifikacji elektryczności i magnetyzmu, wyprowadzając swoje słynne cztery równania, opisujące m.in. istnienie fal elektromagnetycznych. Ostatecznie Heinrich Hertz dowodzi eksperymentalnie ich istnienia, a także upraszcza równania Maxwella do znanej obecnie postaci:

jako że w swojej pierwotnej formie były one strasznie zagmatwane. Żaden z nich zapewne nie zdawał sobie sprawy, że uczynili pierwszy krok ku niedościgłemu, jak dotychczas, marzeniu wszystkich fizyków: pełnej unifikacji wszystkich oddziaływań.

      W II połowie XIXw. fizycy zainteresowali się badaniem wyładowań elektrycznych w rozrzedzonych gazach. Dziś każdy, kto widział „neonowe” światła, zna to zjawisko. Ważniejszym efektem tych doświadczeń było jednak odkrycie tzw. promieni katodowych. Długo łamano sobie głowę co do ich natury. Ostatecznie, badając ich odchylenie w polu elektrycznym i magnetycznym, J.J. Thomson wykazał, że składają się one z nieznanych dotąd cząstek o znikomo małej masie (prawie 2000 razy mniejszej, niż masa atomu wodoru) i ujemnym ładunku elektrycznym. Przypomnę, że już Faraday postulował istnienie „atomów elektryczności”. I oto są: tak właśnie odkryto elektron! – pierwszą cząstkę elementarną. Konsekwencje tego odkrycia szły jednak dalej: elektrony musiały być częścią składową atomu – a więc „atom” nie jest atomem!!! (gr. atomos - „niepodzielny”). Co więcej, ponieważ materia, jako całość, jest elektrycznie obojętna, atom musi zawierać również ładunki dodatnie, równoważące ujemny ładunek elektronów. Nikt wówczas nie miał pojęcia o istnieniu jądra atomowego i protonów, więc Thomson zaproponował model, nazywany dość absurdalnie, modelem „ciasta z rodzynkami”: w jednolitej, naładowanej dodatnio masie tkwią elektrony. Taki obraz pokutował do 1911 roku... ale o tym dalej.

      Badania promieni katodowych doprowadziły do jeszcze jednego odkrycia: w 1895 r. Wilhelm Röntgen odkrywa nowy rodzaj promieniowania, nazwany przez niego promieniami X, które powstawało w lampie katodowej, wskutek hamowania wysokoenergetycznych elektronów. Powszechnie dziś znane, głównie przez zastosowanie w medycynie, stanowią krótkofalową, a więc wysokoenergetyczną część widma promieniowania elektromagnetycznego.

      Pominąłem tu, z konieczności (żeby nie wydłużać artykułu do absurdalnych rozmiarów) wiele innych odkryć tamtego okresu, tak samo zasługujących na uwagę, jak termodynamika czy osiągnięcia chemii, a zwłaszcza biologii, z teorią ewolucji Darwina i genetyką Mendla na czele...

 

       Niestety, pojawiło się wówczas nowe zjawisko, które zaważy na losach nauki, a szczególnie nasili się od połowy XXw. W tym właśnie czasie działalność naukowa zaczęła przynosić wymierne zyski. Oczywiście, nie ma w tym nic złego, zwłaszcza że same badania stawały się coraz bardziej kosztowne – o ile nie gubi się przy tym sensu nauki: poszukiwania odpowiedzi na najważniejsze pytania. Rozpoczęło się to, co nazywamy „rewolucją przemysłową”, i wyżej ceniono tych, którzy potrafili rozwiązywać określone problemy techniczne, niż poszukiwaczy czystej wiedzy. Zapominano, że to właśnie oni położyli podwaliny pod ten tak wychwalany postęp techniczny. Mechanika i termodynamika umożliwiła skonstruowanie maszyny parowej, indukcja elektromagnetyczna pozwoliła na wykorzystanie elektryczności na powszechną skalę. Powstało prawo patentowe. Podzielono badania na „podstawowe” i „stosowane”, coraz większy nacisk kładąc na te drugie. Pojawiła się nowa kategoria: „pracownicy nauki”...

      Ale istnieli jeszcze wówczas prawdziwi fascynaci – choćby ci wszyscy, których tu wymieniłem, i jeszcze wielu innych, których z konieczności pominąłem. Przypuszczalnie Faradaya praktyczne zastosowanie indukcji elektromagnetycznej interesowałoby tylko o tyle, że gdyby znał żarówkę, dzięki temu mógłby również pracować w nocy. Kontrowersyjnym przykładem są Piotr i Maria Curie, którzy odmówili opatentowania radu. Co z jednej strony może i było błędem, gdyż warunki, w jakich z początku prowadzili doświadczenia, były – delikatnie mówiąc – dalekie od optymalnych. Dochody z patentu pozwoliłyby im z pewnością choćby zainwestować w porządne laboratorium. Ale, jak mówiła Maria, rad, jest siłą natury, którą oni tylko odkryli – należy więc do całej ludzkości. Można to uznać za przesadny idealizm, ale z pewnością należy uszanować.

 

        Pod koniec XIX w. coraz częstsze były głosy, że fizyka jest nauką „skończoną”: nie pozostało już nic do odkrycia, można jedynie coraz dokładniej obliczać poszczególne wartości i szukać kolejnych zastosowań technicznych. Kiedy pewien młody student zastanawiał się nad ostatecznym wyborem kierunku, profesor usilnie odradzał mu fizykę, posługując się powyższymi argumentami. Na szczęście ten go nie posłuchał i wkrótce stanie się jednym z tych, którzy „postawią na głowie” całą dziewiętnastowieczną fizykę. Ów student nazywał się Max Planck.

...ale o tym – w kolejnej części...

________________________________________________________________________

Dla zainteresowanych, podaję niektóre pozycje, z których sam korzystałem przy pisaniu tego i kolejnych tekstów. Wszystkie napisane w sposób dostępny dla niespecjalistów. Życzę inspirującej lektury!

Brian Green, Piękno Wszechświata, Prószyński i S-ka, Warszawa 2001

Alan H. Guth, Wszechświat inflacyjny, Prószyński i S-ka, Warszawa 2001

Stephen Hawking, Krótka historia czasu, Zysk i S-ka, Poznań 2008

Stephen Hawking, Wszechświat w skorupce orzecha, Zysk i S-ka, Poznań 2014

Leon Lederman, Dick Teresi, Boska cząstka, Prószyński i S-ka, Warszawa 1996

Leon Lederman, Dalej niż boska cząstka, Prószyński i S-ka, Warszawa 2015

Richard Panek, Ciemna strona wszechświata, Prószyński i S-ka, Warszawa 2011

Kip Thorne, Czarne dziury i krzywizny czasu, Prószyński i S-ka, Warszawa 2004

Steven Weinberg, Pierwsze trzy minuty, Prószyński i S-ka, Warszawa 1998

---------

grafiki z internetu

 

 

 

 

Podobne artykuły


31
komentarze: 24 | wyświetlenia: 8010
28
komentarze: 36 | wyświetlenia: 11623
25
komentarze: 10 | wyświetlenia: 51138
18
komentarze: 6 | wyświetlenia: 11559
52
komentarze: 50 | wyświetlenia: 29927
46
komentarze: 32 | wyświetlenia: 143918
13
komentarze: 38 | wyświetlenia: 2801
13
komentarze: 20 | wyświetlenia: 2737
26
komentarze: 16 | wyświetlenia: 8215
28
komentarze: 6 | wyświetlenia: 8897
8
komentarze: 26 | wyświetlenia: 2832
22
komentarze: 10 | wyświetlenia: 3835
 
Autor
Artykuł

Powiązane tematy





  greenway,  30/04/2016

Imponujące zestawienie. Lecz cóż by fizyka uczyniła bez matematyki?

  Darwolf  (www),  30/04/2016

@greenway: Zastanawiam się, co masz na myśli? W żadnym miejscu nie kwestionuję znaczenia matematyki, ktora jest podstawowym narzędziem teoretyków. Ale nie piszę tu specjalistycznej publikacji, tylko artkuł, który z założenia ma być przystępny nawet dla naukowych ignorantów. Nie mogę więc "straszyć" wzorami, poza tymi najważniejszymi, których niesposób unikąć a artykule o takiej tematyce.

  Darwolf  (www),  30/04/2016

@greenway: Odnośnie tego, spotkalem się kiedyś z taką anegdotą:
Kiedy Wolfgang Pauli polecał Einsteinowi młodego kandydata na doktoranta, stwierdził: "Jest bardzo uzdolniony, ale niezbyt rozumie różnicę między fizyką a matematyką. I odnoszę wrażenie, że nawet Ty, Mistrzu zaczynasz gubić to rozróżnienie..."

  greenway,  30/04/2016

@Darwolf: Bardzo mi się podoba twój artykuł i niewątpliwie wzory matematyczne są tu zbędne. Fizyka po prostu posługuje się w opisie badanej rzeczywistości aparatem matematycznym. Zatem w kontekście opinii Rutherforda o prymacie fizyki nad innymi dyscyplinami nauki nasunęło mi się przekornie to oklepane powiedzenie o matematyce jako królowej nauk. To wszystko, poza tym niecierpliwie czekam na dalszy ciąg twego wspaniałego artykułu. :)

1) Bywało tak, że zastosowania wyprzedzały osiągnięcia badaczy. Np. najpierw powstała maszyna parowa a termodynamika znacznie później.
2) Autorytet (błędy popełnione przez autorytet) często blokuje możliwości rozwoju i taką rolę odegrał również autorytet Arystotelesa. Nie zmienia to faktu, że Arystoteles był jednym z najwybitniejszych, jeśli nie najwybitniejszym umysłem w historii cywilizacji europejskiej.

  lewi,  01/05/2016

@Adam Jezierski: „Arystoteles był największym filozofem i uczonym starożytnego świata” — zauważa Michael H. Hart w książce 100 postaci, które miały największy wpływ na dzieje ludzkości (tłum. P. Amsterdamski). Taka wypowiedź wcale nie dziwi, bo Arystoteles (384-322 p.n.e.) to rzeczywiście nieprzeciętna postać. Uczył się u znanego filozofa Platona. Był też osobistym nauczycielem królewskiego syna, ...  wyświetl więcej

  bardek,  02/05/2016

Wcale nie ma pewności, że od Grecji wszystko zaczęło się. Grecy mieli wspaniałych nauczycieli: Egipcjan, od południa i całą sztafetę przekazów od strony wschodniej. Prawie sześć tysięcy lat temu nagle pojawiła się cywilizacja Sumeryjska. Wiedzieli na przykład o wszystkich planetach, łącznie z Plutonem pomimo, że jeszcze trzysta lat temu w Europie nie wiedziano o istnieniu planet dalszych niż Satur ...  wyświetl więcej

  Darwolf  (www),  03/05/2016

@bardek: Równania Maxwella wrzuciłem z tego samego powodu, co F=ma; i (w następnej części) E=mc^2 i transformacje Lorentza. Unikam tu "katowania" czytelników wzorami - ale te najważniejsze trudno pominąć.
S. Hawking mówił, że każdy wzór zamieszczony w książce zmniejsza jej sprzedaż o połowę;)
...ale - "Wszystko należy upraszczać, tak jak to tylko możliwe. Ale nie bardziej!"
- Podobno to słowa A.E.

Chodzi tylko o to, ze wzór F = ma coś mówi czytelnikowi, a układ równań Maxwelle'a - nic. Matematyki nie należy unikać, ale dobierać należy.

  gaqez10  (www),  09/08/2016

Interesujący artykuł, czekam na więcej!

  Darwolf  (www),  11/08/2016

@gaqez10: Są trzy kolejne części:
Cz.II: http://eiba.pl/eq
Cz.III: http://eiba.pl/f3
Cz.IV: http://eiba.pl/f2
Część V. jeszcze niedokończona, ale będzie:) - chociaż trudno mi powiedzieć, kiedy...



Dodaj swoją opinię
W trosce o jakość komentarzy wymagamy od użytkowników, aby zalogowali się przed dodaniem komentarza. Jeżeli nie posiadasz jeszcze swojego konta, zarejestruj się. To tylko chwila, a uzyskasz dostęp do dodatkowych możliwości!
 

© 2005-2017 grupa EIOBA. Wrocław, Polska