[ Pobierz całość w formacie PDF ]
jak
to odkryli
MT: Panie Tomku! Ca³y miesi¹c wyczekiwa³am
tej rozmowy. Obieca³ Pan powiedzieæ, sk¹d siê wzi¹³
najs³ynniejszy wzór fizyki i dlaczego mówienie, ¿e
wynika on z teorii wzglêdnoœci, jest ma³ym nieporo-
zumieniem.
TS:
Tak. Spodziewa³em siê takiej reakcji. Rzeczy-
wiœcie, kiedy pyta siê postronnych ludzi, sk¹d siê wzór
E
=
mc
2
bierze, to odpowiedŸ jest niemal zawsze taka
sama – z teorii wzglêdnoœci Einsteina. A jak siê pyta,
co on oznacza, to prawie ka¿dy odpowiada, ¿e masa
i energia s¹ równowa¿ne, tzn. jedno mo¿e siê zamie-
niaæ w drugie i odwrotnie. Dodatkowo od razu pojawia
siê informacja o bombie atomowej. ¯e to Albert Einste-
in przewidzia³ jej istnienie. Ka¿de z tych twierdzeñ jest
pó³prawd¹, z któr¹ czas najwy¿szy po ponad 100 latach
w koñcu siê rozprawiæ!
MT: Ca³kowicie mnie Pan teraz zaskoczy³. Mo-
¿e zacznijmy od pocz¹tku. Skoro nie wynika to z teo-
rii wzglêdnoœci to sk¹d siê bierze?
Wyjaśnień udziela
Tomasz Sowi
ń
ski
.
W 2005 roku skoń-
czył z wyrżnieniem
studia na Wydziale
Fizyki Uniwersytetu
Warszawskiego
w zakresie fizyki teo-
retycznej. Obecnie
jest asystentem
w Centrum Fizyki
Teoretycznej PAN.
Z zamiłowania zajmuje się popularyzacją nauki. W roku
2005 był nominowany do nagrody w konkursie Popularyza-
tor Nauki organizowanym przez Ministerstwo Nauki i Infor-
matyzacji oraz Polską Agencję Prasową.
Co to właściwie znaczy,
że
E
=
mc
2
?
MT: Rozumiem. Zatem oprócz zasad teorii
wzglêdnoœci potrzebne jest oddzia³ywanie.
TS:
Oddzia³ywanie, które oczywiœcie nie mo¿e
gwa³ciæ praw teorii wzglêdnoœci. Ono musi podlegaæ
tym restrykcjom, o których mówiliœmy wczeœniej.
MT: Jakie to mog¹ byæ oddzia³ywania?
TS:
Najpowszechniejszymi takimi oddzia³ywa-
niami w naszym ludzkim œwiecie s¹ oddzia³ywania
elektromagnetyczne. Ma³o kto zdaje sobie z tego spra-
wie, ale sam fakt, ¿e czytelnik bêdzie czyta³ ten arty-
ku³, jest wynikiem oddzia³ywania elektromagnetyczne-
go. To, ¿e gazetê mogê trzymaæ w rêku, to, ¿e siedzimy
teraz na krzes³ach, a nawet to, ¿e siê widzimy, jest
przejawem ró¿nych oddzia³ywañ elek-
tromagnetycznych. Ka¿de oddzia³ywa-
nie elektromagnetyczne jest przeno-
szone za pomoc¹ fal elektromagne-
tycznych o ró¿nej d³ugoœci. I tu docho-
dzimy do sedna sprawy...
MT: S³ucham? Jaki mo¿e byæ
zwi¹zek tego, ¿e siedzê na krzeœle
ze s³ynnym wzorem Einsteina?
Znów Pan mnie wpuszcza w maliny?
TS:
Ale¿ sk¹d! Sama Pani zaraz
na to wpadnie. Jakie fale elektromag-
netyczne s¹ najbardziej znane? Mówi-
liœmy ju¿ o tym dok³adnie pó³ roku te-
mu, przy omawianiu praw Maxwella
(MT 04/06).
MT: Œwiat³o widzialne. Pamiê-
tam! Mówi³ Pan, ¿e by³o to wielkim
zaskoczeniem dla Maxwella, ¿e
prêdkoœæ rozchodzenia siê fal elek-
tromagnetycznych by³a równa zmie-
rzonej wczeœniej prêdkoœci œwiat³a.
Okaza³o siê, ¿e œwiat³o to po prostu
fala elektromagnetyczna.
TS:
Jak ju¿ sobie powiedzieliœmy, teoria wzglêd-
noœci to zbiór zasad, jakim powinny podlegaæ wszelkie
zjawiska w przyrodzie. Mówi ona, jak nale¿y rozumieæ
takie pojêcia, jak równoczesnoœæ, up³yw czasu, pomiar
d³ugoœci. Mówi równie¿, jak te pojêcia s¹ ró¿ne dla ró¿-
nych obserwatorów i podaje jednoznaczny przepis, jak
mo¿na je t³umaczyæ od jednego obserwatora do drugie-
go. Nie mówi natomiast nic o samych
zjawiskach fizycznych. Nie mówi o tym,
czy dane zjawisko zachodzi, czy nie.
A wzór
E
=
mc
2
jest zwi¹zany z ca³¹ kla-
s¹ zjawisk, które na potrzeby tego arty-
ku³u nazwijmy oddzia³ywaniem.
MT: Czy pod tym terminem mam
rozumieæ powszechnie stosowane zna-
czenie?
TS:
Tak. Oddzia³ywanie nale¿y ro-
zumieæ jako wp³ywanie jednych obiek-
tów na inne. Bardzo wa¿ne jest, aby tu-
taj podkreœliæ, ¿e oddzia³ywanie jest je-
dynym sposobem detekcji obiektów. Je-
œli istnieje cia³o, które nie oddzia³uje
z ¿adnymi innymi, to jest niewykrywal-
ne. Bo jedynym sposobem wykrycia ja-
kiegoœ cia³a jest zbadanie jego wp³ywu
na nasz¹ rzeczywistoœæ. Z punktu widze-
nia nauk przyrodniczych sensowne jest
zatem zajmowanie siê tylko takimi
obiektami, które z czymœ oddzia³uj¹.
Bo tylko takie mo¿emy badaæ w ekspery-
mentach.
52
MT: S³ucham? Chce Pan powiedzieæ, ¿e ...
TS:
Chcê powiedzieæ, ¿e promieniowanie przeno-
si pêd. Tzn. jak œwiat³o pada na jak¹œ powierzchniê, to
naciska na ni¹ z pewn¹ si³¹.
MT: Niemo¿liwe! Czy to da siê jakoœ spraw-
dziæ?
TS:
Oczywiœcie. Wystarczy wykonaæ bardzo wy-
rafinowany eksperyment. Aby go zrozumieæ, nale¿y za-
uwa¿yæ, ¿e jeœli si³a ta rzeczywiœcie istnieje (tzn. rze-
czywiœcie promieniowanie przenosi PÊD), to musi ona
zale¿eæ od tego, czy promieniowanie siê odbija od po-
wierzchni, czy jest przez tê powierzchniê poch³aniane.
Dla uproszczenia przyjmijmy, ¿e œwiat³o puszczamy
zawsze prostopadle do powierzchni. Wtedy jeœli pro-
mieniowanie siê odbija, to si³a ta bêdzie dwa razy wiê-
ksza ni¿ w przypadku, gdy promieniowanie jest poch³a-
niane. Mo¿na zatem zrobiæ np. wiatraczek, którego
skrzyde³ka z jednej strony bêd¹ bia³e, a z drugiej czar-
ne. Jak siê poœwieci na ten wiatraczek œwiat³em, to
w skutek ró¿nicy si³ dzia³aj¹cych na strony o ró¿nych
kolorach zacznie siê on obracaæ.
MT: Ale w³aœciwie dlaczego te si³y s¹ ró¿ne?
Daje siê to jakoœ wyt³umaczyæ?
TS:
Oczywiœcie, ¿e siê daje. Jest to skutek dzia-
³ania powszechnie znanej w fizyce ZASADY ZACHO-
WANIA PÊDU. Otó¿ pêd jest tak¹ wielkoœci¹ fizyczn¹,
która nie mo¿e siê zmieniaæ, a jedynie przep³ywaæ
z jednego obiektu do innego. Podobnie jest z energi¹.
Podczas padania promieniowania prostopadle
na powierzchniê odblaskow¹ œwiat³o zmienia swój pêd
na przeciwny. Zatem jeœli na pocz¹tku mia³o pêd
p
, to
po odbiciu bêdzie mia³o pêd –
p
. Zatem zgodnie z zasa-
d¹ zachowania pêdu powierzchni zosta³ przekazany
pêd 2
p
. Bo tylko tak mo¿na zapewniæ, ¿e sumaryczny
pêd przed odbiciem i tu¿ po nim bêdzie dok³adnie taki
sam. Na pocz¹tku pêd powierzchni by³ równy 0, a pêd
œwiat³a
p
. Czyli w sumie
p
. Po dobiciu pêd powierzchni
wynosi 2
p
, a pêd œwiat³a –
p
. Czyli w sumie równie¿
p
.
MT: A jak bêdzie w przypadku powierzchni
poch³aniaj¹cej?
TS:
Jak œwiat³o pada na powierzchniê poch³ania-
j¹c¹, to przekazuje po prostu ca³y swój pêd tej powierz-
chni. Zatem przed uderzeniem œwiat³o mia³o pêd
p
,
a powierzchnia pêd 0. Po uderzeniu œwiat³a w ogóle
ju¿ nie ma, a zatem pêd p³ytki musi byæ równy
p
. Tylko
wtedy bowiem bêdzie spe³niona zasada zachowania
pêdu. Zatem w tym przypadku przekaz pêdu p³ytce bê-
dzie dwa razy mniejszy!
MT: Rozumiem. A pêd ma pewnie zwi¹zek
TS:
Jest coœ jeszcze o œwietle, co sprawi³o, ¿e
powsta³a teoria wzglêdnoœci. Pamiêta Pani?
MT: Oczywiœcie. Doœwiadczenie Michelsona-
Morleya, którego wynik sta³ siê postulatem teorii
wzglêdnoœci.
TS:
To jest bardzo cenna dla nas informacja. Bo
tym sposobem za³atwiamy warunek, jaki musi spe³niaæ
oddzia³ywanie, abyœmy uznali je za fizycznie dopusz-
czalne. Chodzi o zgodnoœæ z teori¹ wzglêdnoœci. Od-
dzia³ywanie elektromagnetyczne w oczywisty sposób
jest zgodne z teori¹ wzglêdnoœci, bo by³o fundamen-
tem, na którym ona powsta³a.
MT: Dobrze. Ale jaki to ma zwi¹zek ze wzorem
Einsteina? Na razie widzê tylko zwi¹zek z teori¹
wzglêdnoœci. Ale o tym ju¿ tyle mówiliœmy...
TS:
Otó¿, gdy Albert Einstein zda³ sobie sprawê,
¿e to oddzia³ywanie nie gwa³ci teorii wzglêdnoœci, po-
stanowi³ sprawdziæ, do jakich konsekwencji prowadz¹
jego w³asnoœci znane ju¿ od XIX wieku. I tu przysz³o
wielkie zaskoczenie.
MT: Chwileczkê. Skoro coœ wiadomo od XIX
wieku, to dlaczego dopiero w XX wieku mia³o jakieœ
konsekwencje?
TS:
Otó¿ potrzebne by³o œwie¿e spojrzenie na
naturê œwiat³a. Do czasów Maxwella uwa¿ano, ¿e
œwiat³o to jakiœ taki dziwny byt, który istnieje, ale nie
wiadomo by³o, co to tak naprawdê jest. PóŸniej dopiero
zrozumiano, czym jest pole elektromagnetyczne i prze-
widziano jego bardzo ciekawe w³asnoœci. Uda³o siê te
w³asnoœci potwierdziæ w eksperymentach, a by³o to
bardzo zaskakuj¹ce.
MT: Hm... np. co by³o zaskakuj¹ce?
TS:
Pole elektromagnetyczne, rozchodz¹c siê
w przestrzeni, przenosi energiê. Jest to dziœ dla nas
ca³kowicie naturalne. Wiemy przecie¿, ¿e pod wp³y-
wem œwiat³a ró¿ne rzeczy mo¿na podgrzaæ. Wiemy te¿,
¿e fale elektromagnetyczne s¹ wykorzystywane przy
przesy³aniu informacji. A przesy³anie informacji to prze-
cie¿ nic innego, jak przekazywanie okreœlonych porcji
energii. Ale okazuje siê, ¿e oprócz energii promieniowa-
nie elektromagnetyczne przenosi równie¿ PÊD.
z si³¹.
TS:
Tak. Naukowo mówi siê, ¿e si³a to zmiana
pêdu w jednostce czasu. Czyli si³a jest miar¹ tego, jak
szybko zmienia siê pêd (w tym przypadku pêd p³ytki)
53
jak
to odkryli
w czasie. A skoro przekaz pêdu jest dwa razy mniejszy
w drugim przypadku, to równie¿ si³a bêdzie dwa razy
mniejsza.
MT: Czy rzeczywiœcie da siê zrobiæ taki ekspe-
ryment z wiatraczkiem? Nie wierzê!
TS:
Nie trzeba wierzyæ. Wystarczy zobaczyæ. Ja
po raz pierwszy widzia³em taki wiatraczek, jak mia³em
15 lat. By³em wtedy pierwszy raz w ¿yciu na obozie na-
ukowym. Podczas tego obozu by³a wycieczka do plane-
tarium w Chorzowie. Tam jest taki wiatraczek i stoi
tam do dzisiaj. Kiedy to zobaczy³em, nie by³em w sta-
nie uwierzyæ, ¿e coœ takiego mo¿na zrobiæ. Wtedy po-
stanowi³em, ¿e kiedyœ bêdê fizykiem. Pewnie takich
wiatraczków jest wiele w ró¿nych miejscach. Na pe-
wno kiedyœ bêdzie równie¿ w powstaj¹cym w Warsza-
wie Centrum Nauki KOPERNIK.
MT: No dobrze, ale chyba troszkê odbiegliœmy
od tematu.
TS:
Ale¿ sk¹d. Wzór
E
=
mc
2
(choæ nadal jeszcze
nie powiedzieliœmy, co on oznacza) wynika w³aœciwie
z faktu, ¿e promieniowanie elektromagnetyczne przeno-
si energiê i pêd. Co ciekawsze, jest tak, ¿e wielkoœci te
s¹ do siebie proporcjonalne. Tzn. jak pêd promieniowa-
nia wzroœnie dwukrotnie, to niesiona przez nie energia
równie¿ wzroœnie dwukrotnie. W przypadku zwyk³ej
materii jest inaczej. Np. w przybli¿eniu ma³ych prêd-
koœci (tzn. gdy prêdkoœæ cia³a jest ma³a i mo¿na stoso-
waæ teoriê Galileusza) zale¿noœæ energii kinetycznej od
pêdu dana jest wzorem:
Tzn. energia cia³a jest proporcjonalna do kwadratu jego
pêdu. Jeœli pêd cia³a wzroœnie dwukrotnie, to jego
energia kinetyczna wzroœnie a¿ cztery razy!
MT: Rozumiem. Zatem œwiat³o zachowuje siê
inaczej ni¿ zwyk³e cia³a.
TS:
Tak, ale to nie jest nic dziwnego. Œwiat³o to
nie jest zwyk³a materia. To jest promieniowanie. Np.
wiemy, ¿e rozchodzi siê z prêdkoœci¹ œwiat³a dla ka¿de-
go obserwatora i nie mo¿na go zatrzymaæ. W przeci-
wieñstwie do zwyk³ej materii mo¿e natomiast zostaæ
zamienione na inny rodzaj energii, np. energiê ciepln¹.
Zwyk³ej materii nie mo¿na od tak sobie zniszczyæ.
MT: No tak. Ale wci¹¿ nie widzê zwi¹zku ze
s³ynnym wzorem.
TS:
I to mnie wcale nie dziwi. Wszystko, co sobie
powiedzieliœmy do tej pory, by³o znane od pocz¹tku XX
wieku. Aby wyci¹gn¹æ niesamowity wniosek z tych
puzzli, znów trzeba by³o wielkiego umys³u. Potrzeba
by³o specjalisty od eksperymentów myœlowych. Jakiœ
kandydat?
MT: Oczywiœcie Albert Einstein. Ju¿ s³ucham
z niecierpliwoœci¹.
TS:
WyobraŸmy sobie zamkniête, szeœcienne,
czarne wewn¹trz pude³ko. W œrodku zupe³nie puste.
Pude³ko jest odizolowane od otoczenia, tzn. nie dzia³aj¹
na nie ¿adne zewnêtrzne si³y.
MT: Ale po co komuœ puste pude³ko? Co ten
Einstein nie wymyœli...
W pewnym momencie, na skutek zachodz¹cych
pewnych zjawisk (np. reakcji chemicznych), na jednej
ze œcianek tego pude³ka zostaje wyemitowane i wys³a-
ne do przeciwleg³ej œcianki promieniowanie elektro-
magnetyczne (np. œwiat³o). Poniewa¿ pude³ko jest pu-
ste w œrodku, to œwiat³o dociera do przeciwleg³ej œcian-
ki, która jest czarna i zostaje poch³oniête.
MT: Rozumiem. I co siê dzieje dalej?
TS:
Nic. Koniec eksperymentu. Z tego wynika, ¿e
E
=
mc
2
.
MT: Ha, ha, ha... Dobry dowcip. No niech Pan
powie, co siê dzieje dalej.
TS:
Naprawdê nic siê nie dzieje. Z tego napraw-
dê wynika s³ynny wzór Einsteina.
MT: No dobrze. To niech Pan mi to wyt³uma-
czy, bo jestem w zupe³nym lesie. Znam Pana ju¿ od
pó³ roku, ale tego siê nie spodziewa³am.
TS:
PrzeprowadŸmy najpierw inny eksperyment
myœlowy, który mo¿na by³oby sprawdziæ. Np. na desko-
rolce. Krzyœ stoi na jednym jej koñcu i w pewnym mo-
mencie skacze w ten sposób, aby wyl¹dowaæ na dru-
gim jej koñcu. Co siê stanie? Otó¿, poniewa¿ na ten
uk³ad fizyczny (deskorolka + Krzyœ) nie dzia³aj¹ ¿adne
zewnêtrzne si³y (a œciœle mówi¹c – równowa¿¹ siê
one), to jego œrodek masy nie mo¿e siê przesun¹æ.
Jedynie, co siê stanie, to Krzyœ znajdzie siê na drugim
koñcu deskorolki, która siê troszkê przesunie w prze-
ciwnym kierunku. Wszystko stanie siê tak, aby œrodek
masy tego uk³adu siê nie przesun¹³.
MT: Hm... Dlaczego?
TS:
Jest to spowodowane zasad¹ zachowania
pêdu. Na pocz¹tku, gdy Krzyœ stoi na deksorolce, ca³ko-
wity pêd uk³adu wynosi 0. Gdy Krzyœ podskoczy do
przodu, bêdzie mia³ pewien pêd skierowany do przodu.
Zatem, aby by³a spe³niona zasada zachowania pêdu
i ca³kowity pêd uk³adu by³ równy 0, deskorolka musi
mieæ w tym czasie dok³adnie taki sam pêd, ale skiero-
p
2
E
=
2
m
54
 wany do ty³u. Bêdzie siê zatem cofa³a. Po wyl¹dowaniu
Krzysia na drugim koñcu znów i Krzyœ, i deskorolka bê-
d¹ sta³y w miejscu. Jak siê dok³adnie to przeanalizuje
i przeliczy, to siê oka¿e, ¿e po eksperymencie Krzyœ jest
po drugiej stronie deskorolki, a ona przesunê³a siê
w ty³ dok³adnie o tyle, aby œrodek masy ca³ego uk³adu
siê nie przesun¹³.
MT: Rozumiem. W pude³ku Einsteina bêdzie
tak samo?
TS:
Zasada zachowania pêdu obowi¹zuje zaw-
sze. Œcianka, emituj¹c promieniowanie elektromagne-
tyczne w jakimœ kierunku, musi zacz¹æ poruszaæ siê
(razem z ca³ym pude³kiem) w przeciwnym. Tak aby su-
maryczny pêd promieniowania i pude³ka by³ równy 0.
Po dotarciu promieniowania do drugiego koñca pêd
promieniowania zatrzyma pude³ko. Na pocz¹tku (przed
emisj¹) nie by³o promieniowania i teraz (po poch³oniê-
ciu) te¿ nie ma promieniowania. Jest tylko pude³ko,
które siê przesunê³o.
MT: No dobrze. Przesunê³o siê, ale co z tego.
Pan mnie zwodzi na manowce.
TS:
Ale¿ sk¹d¿e. Pomyœlmy, co powie osoba,
która widzi tylko pude³ko, a nie widzi, co siê dzieje
w œrodku. Widzi, ¿e pude³ko stoi i nie dzia³aj¹ na nie
¿adne si³y. Nagle to pude³ko zaczyna poruszaæ siê
w jedn¹ stronê, a póŸniej zatrzymuje. Jeœli taka osoba
jest fizykiem, która nie zna eksperymentu Einsteina
i nie wierzy w si³y nadprzyrodzone, to natychmiast bê-
dzie umia³a to wyt³umaczyæ tylko w jeden sposób. Po-
to sytuacja taka jest ca³kowicie nierozró¿nialna (dla
zewnêtrznego obserwatora) od takiej sytuacji, w której
z jednego koñca na drugi przesunê³a siê masa
m
, jeœli
tylko spe³niony jest zwi¹zek:
E
=
mc
2
,
gdzie
c
jest prêdkoœci¹ œwiat³a.
MT: Czyli to, czego szukamy? Jak zatem mam
rozumieæ ten wzór?
wie sobie, ¿e zapewne w œrodku jest coœ (tak jak Krzyœ
na deskorolce), co by³o po jednej stronie pude³ka i na-
gle odepchnê³o siê od jego œciany i przesunê³o do dru-
giego koñca. Po prostu w pude³ku przesunê³a siê pe-
wna masa z jednego koñca na drugi.
MT: Hm... rzeczywiœcie takie wyt³umaczenie
jest dobre.
TS:
Ale my wiemy, ¿e by³o zupe³nie inaczej. To
nie masa siê przesunê³a, a promieniowanie. To energia
przep³ynê³a z jednego koñca na drugi. Wykorzystuj¹c
fakty, o których mówiliœmy, tzn. ¿e energia promienio-
wania jest proporcjonalna do jego pêdu, ¿e œrodek ma-
sy nie mo¿e siê przesun¹æ, jeœli nie ma zewnêtrznych
si³ dzia³aj¹cych na uk³ad oraz oczywiœcie zasadê zacho-
wania pêdu, mo¿na dok³adnie wyliczyæ, jaka masa mu-
sia³aby siê przemieœciæ z jednego koñca na drugi tego
pude³ka, aby obie sytuacje by³y nierozró¿nialne. Okazu-
je siê, ¿e ten zwi¹zek nie zale¿y ani od tego, jak to pro-
mieniowanie jest wysy³ane, ani od tego, jaki kszta³t ma
pude³ko.
Zwi¹zek jest uniwersalny!
Jeœli z jednego
koñca na drugi przep³ynê³a energia promieniowania
E
,
TS:
W³aœnie w taki sposób, jak przed chwil¹ po-
wiedzieliœmy. Masa i energia s¹ ze sob¹ równowa¿ne
w tym sensie, ¿e przemieszczenie masy
m
z jednego
miejsca w drugie jest równowa¿ne, tzn. nierozró¿nialne
dla zewnêtrznego obserwatora, przesuniêciu energii
E
danej wzorem Einsteina.
MT: Rozumiem. To faktycznie zdumiewaj¹ce...
Ten eksperyment Einsteina, wydawa³oby siê, jest ta-
ki banalny. Ale wpaϾ na niego to istny majstersztyk!
TS:
Nie tylko wpaœæ na taki pomys³, ale jeszcze
wyci¹gn¹æ z tego tak ciekawe wnioski. Tu naprawdê
trzeba du¿ej odwagi w formu³owaniu myœli i du¿ej in-
tuicji co do tego, jak ten œwiat dzia³a.
MT: No dobrze. Ale zatem dlaczego mówi siê,
¿e ten wzór przyczyni³ siê do budowy atomowej?
Czy to ma jakiœ zwi¹zek?
TS:
Oczywiœcie, ¿e ma. Ale wcale nie taki banal-
ny. Bo dopiero, jak Einstein zobaczy³ ten wzór, to sobie
uzmys³owi³, ¿e na razie dotyczy on tylko oddzia³ywañ
elektromagnetycznych. Ale... a zreszt¹ porozmawiamy
o tym nastêpnym razem. Zapraszam!
55
[ Pobierz całość w formacie PDF ]

zanotowane.pl

doc.pisz.pl

pdf.pisz.pl

vader.opx.pl