Eine Eine
3507
BLOG

Masa i energia - dwie zmory fizyki

Eine Eine Kultura Obserwuj notkę 68

 

 
O masie i energii ze stanowiska fizyki tyle już napisano tekstu ,że można by było skupić go w kilkuset tomach. I nadal te dwa fundamentalne pojęcia potrafią sprowokować namiętne spory między fizykami.
Oczywiście, nikt nie wątpi w prawdziwość odpowiednich formuł matematycznych, dopóki doświadczenie ich nie zakwestionuje, ale w tym wpisie chodzi mi o rozumienie tych pojęć, a nie o efektywne obliczanie potrzebne dla działania urządzenia technicznego, w którym te dwie wielkości fizyczne mogą odgrywać zasadniczą rolę.
Samych rodzajów masy jest bezliku, i można od różnorodnych ich nazw dostać zamętu myślowego.
Jest bowiem [lista niepełna]:
         *     masa bezwładna
 
         *   masa ciężka [grawitacyjna]
  • masa spoczynkowa

 

  • masa relatywistyczna

 

  • masa poprzeczna

 

  • masa podłużna

 

  • masa Higgsa

 

Masę bezwładną jakiegoś ciała definiuje się w fizyce klasycznej [ruch z prędkościami o wartościach dalekich od wartości prędkości światła] , jako współczynnik w równaniu ruchu I.Newtona
1. F = m*a
Gdzie
F-siła
a-przyspieszenie ciała pod wpływem stałej siły F,
wówczas
współczynnik proporcjonalności m, jest masą ciała[1].
 
Taka definicja masy być może zadowoli matematyka, ale przecież wiadomo ,że na ogół matematyk nie musi być fizykiem. Jaki jest związek tego pojęcia z fizyką zjawisk?
Kolejna [w stosunku do poprzedniej]  odpowiedź brzmi:
 
masa jest miarą bezwładności ciała.
 
Im większa masa , tym większa bezwładność ciała i odwrotnie. To nawet wygląda przekonująco ,tylko :
co to jest bezwładność ciała?
 
A no ,własność polegająca na tym ,że ciała stawiają opór wobec zmian stanu kinematycznego.
Chcesz ze spoczynku wprawić w ruch ciało, czujesz opór, tym większy , im większa jego masa. Chcesz zatrzymać ciało będące w ruchu ,natrafiasz na jego opór, tym większy ,im większa jego masa. Każda próba zmiany stanu kinematycznego ciała [zmiany prędkości] przez siły zewnętrzne, natrafia na opór ze strony ciała.
 
Sytuacja jest jednak dziwna: skąd ciało wie ,że trzeba się tak zachowywać? Być przekonanym, że ciała zawsze tak się zachowują to inaczej przypisywać ciałom nieożywionym jakiejś formy życia, vis vitae .
Takie więc wyjaśnienie sensu słowa “masa ” ,wciąga termin [bezwładność] o jeszcze bardziej tajemniczym znaczeniu. Dodatkowo, powstaje niepokojąca pętelka logiczna: wyjaśnienie bezwładności wymaga masy, wyjaśnienie masy wymaga bezwładności.
 
Spryciarz Ernest Mach zaproponował taką interpretację zjawiska bezwładności ciał:
 
ciała są bezwładne ,gdyż pozostają w powiązaniu fizycznym ze wszystkimi ciałami wszechświata, z całym wszechświatem.
Czyli nie jest to ich wewnętrzna własność, tylko objaw holistycznej natury świata. Koncepcja Macha jednocześnie likwiduje zagadkę masy.
Ciała mają masę ,ponieważ istnieją inne ciała, istnieje wszechświat. Gdy poruszam krzesłem ,to poruszam gwiazdami w odległej galaktyce.
Obraz fascynujący –zwłaszcza dla humanistów-ale na gruncie współczesnej fizyki nie do “ugryzienia”, gdyż ruch gwiazdy wywołany ruchem mojego krzesła jest obdarzony nieskończenie małym przyspieszeniem, i nie wiadomo jak go z Ziemi zmierzyć...
 
Do idei Macha w pewnym sensie nawiązał P.Higgs formułując hipotezę istnienia we wszechświecie pola skalarnego, w którym zanurzone są cząstki materii. Podczas ruchu, cząstki materii natrafiają na opór pola, gdyż zderzają się z bozonami tego pola [bozon Higgsa] , który to opór, my interpretujemy, jako ich masę [2].
 
Takich kłopotów nie będziemy mieli z pojęciem masy grawitacyjnej. Jest to masa przynależna materii i podlegająca oddziaływaniu grawitacyjnemu, oraz sama takie oddziaływanie wytwarzająca. Taka masa występuje w słynnym prawie ciążenia [grawitacji] I.Newtona
2. F = G* m(1)*m(2)/r^2
gdzie
G- stała grawitacji
m(1),m(2) – punktowe masy grawitujące
r – odległość między środkami tych mas.
Każde ciało ma więc masę bezwładną, oraz masę grawitacyjną.
Doświadczenie [pomiary Eotvos,1891] pokazało , że w naszym otoczeniu [wszechświecie] te dwie wielkości są równe. Albert Einstein w OTW wykazał teoretycznie, że muszą być równe.
Największe jednak zamieszanie w kwestii rozumienia pojęcia masy wprowadziła szczególna teoria względności.
 
Najpierw –przewidziała zależność masy ciała od jego prędkości
 
 
[rys. pokazuje wyniki pomiarów masy elektronu przy różnych jego prędkościach uzyskane w 1963 roku przez F.Zamboniego – cytuję za[3] ].
 
Następnie, A.Einstein teoretycznie pokazał w swej dynamice relatywistycznej [bardzo poważnie dopomógł mu H.Minkowski swoją geometryczną reprezentacją STW] ,że istnieje masa ciała, która jest absolutna, nierelatywna, nazwana przez niego masą spoczynkową m(0) i jest opisana przez obiekt matematyczny zwany czterowektorem energii-pędu.
 
Formalny zapis wartości tego czterowektora:
 
3. m(0)^2*c^4 = m^2*c^4 – p^2*c^2
 
gdzie
m(0)-masa spoczynkowa ,czyli masa ze stanowiska układu nieruchomego
c-prędkość światła w próżni
m- masa ciała w ruchu, ”relatywistyczna”
p- pęd relatywistyczny ciała
Wcześniej, Einstein wykazał, że istnieje równoważność pomiędzy masą spoczynkową ciała i energią według formuły
 
4. E(0) = m(0)*c^2
 
Wobec czego równanie 3. może być zapisane
 
5. E(0)^2 = E^2 – (p*c)^2
 
gdzie
 
6. E = m*c^2
 
i definiuje energię ciała w ruchu, a m – masą relatywistyczną.
Tym samym prawa strona równania 5., to cztery składowe czterowektora zwanego masą spoczynkową:
  • składowa czasowa

 

E = m*c^2 ,
gdzie m-masa relatywistyczna wyznaczona związkiem
  1. m = gamma*m(0)
oraz
  • trzy składowe p(x),p(y),p(z) pędu relatywistycznego, który jest obliczany wzorem

 

  1. p = m*v = gamma*m(0)*v
Uwaga !
Gamma jest współczynnikiem relatywistycznym postaci
1 : qsr [1-(v/c)^2]
Związki 3. oraz 5. mogą być przedstawione w trójkącie prostokątnym
 
 
[ na rys. 2 pokazane są tylko dwie składowe czterowektora masy spoczynkowej (t,x) ] dla którego tw. Pitagorasa jest ze znakiem “minus”, dlatego, że przy prędkościach przyświetlnych –przestrzeń zjawisk uzyskuje metrykę pseudoeuklidesową.
 
Masa spoczynkowa ciała, jako długość czterowektora ,  jest niezmiennikiem transformacji Lorentza, czyli wielkością absolutną.
 
Natomiast jego składowe : E –energia w ruchu , p- relatywistyczny pęd ciała zmieniają się, są względne dla różnych obserwatorów inercjalnych.
Tak więc w sposób nie spostrzeżony, do rozważań o masie ciał wprowadziłem pojęcie energii.
 
To bardzo stare pojęcie, występujące już w metafizyce i fizyce Arystotelesa [4]: ενεργεια [energeia]- rozumiane jako działanie aktualizujące potencję, czyli akt realizacji możliwości.
Już starożytni rozumieli ,że realizacja pewnego działania wymaga uprzedniego stanu gotowości układu, stanu zdolności do działania.
W czasach nowożytnych, fizyka klasyczna zdefiniowała energię, jako stan zdolności układu do wykonania określonej pracy i jej wartość mierzyła wartością wykonanej pracy. Energia więc [podobnie jak masa], jest wielkością skalarną.
 
STW zmieniła- moim zdaniem – sens tego fundamentalnego pojęcia.
W obszarach doświadczeń związanych z ultra wielkimi prędkościami ciał, energia przestaje być odróżnialna od masy oraz od pędu ciała.
 Te trzy wielkości [m, E, p] stają się fizycznie tożsame.
Moim zdaniem to odkrycie dowodzi, że prędkość c, która jest graniczną wartością rozprzestrzeniania się fizycznych sygnałów, jednocześnie rozgranicza dwa fizyczne światy:
 
jeden ten w którym żyjemy i pomiarami stwierdzamy odrębność ontyczną takich atrybutów materii jak masa, energia, pęd ,oraz
drugi świat prędkości ponad c, do którego sposób przejścia jest nadal problemem, i w którym szereg własności znika, lub jest zastępowane przez wielkości zupełnie nieznane dotychczas.
 
Sytuacja jednak jest znacznie bardziej zagadkowa ,jeśli zwrócimy uwagę na tożsamość masy spoczynkowej[czyli ciała nieruchomego], oraz energii. W tym ujęciu [wzór 4.] masa spoczynkowa ciała [ która jest absolutną wielkością w STW] staje się jakby manifestacją, wizualizacją energii !
 
Masa spoczynkowa ,parametr charakterystyczny materii - jest wizualizacją energii w świecie.
 
Tym samym [pamiętając o definicji materii w teorii względności, przedstawionej w poprzednim wpisie] możemy wypowiedzieć:
 
Materia jest przejawem energii.
 
Wszystko, na co natrafiamy, jako na materię cząsteczkową, to takie osobliwe miejsca czasoprzestrzeni, w których występuje niezwykła koncentracja energii spoczynkowej, energia staje się naocznością .
A co z materią polową?
Nie wszystkie bozony mają masy spoczynkowe.
Na przykład ,najbardziej dostępne człowiekowi pole elektromagnetyczne ma strukturę kwantową, ale jego kwanty [fotony] nie tylko nie mają masy spoczynkowej [mając jednocześnie energię i pęd!] ,ale w ogóle pojęcie masy do nich nie jest stosowane.
Kwanty pola ExB nie mają energii kinetycznej ruchu, lecz ich energia jest energią oscylacji wektorów E i B
[E(f) = h*f],
i pole elektromagnetyczne w żadnym sensie nie jest obiektem mechanicznym.
Wobec tego :
 
Pola fizyczne reprezentują energię fizyczną w nierozwiniętej formie, skrytą nadal.
 
Uobecnia się ona pośrednio, przez skutkowanie.
Istnieje wprawdzie gęstość energii polu, oraz strumień energii [i jego matematyczna reprezentacja :wektor Pointinga-Umowa] ,ale energia w tej formie ,pod tą postacią –
 
jest aktem lub stanem “w połowie drogi” do wizualizacji poprzez materię cząstkową.
 
Kreacja pary “cząstka- antycząstka’ jest zamianą energii kwantów pola elektromagnetycznego w materię cząsteczkową ,czyli jest wizualizacją energii.
 
W OTW ,każde zdarzenie fizyczne definiowane jest przez wartość energii z nim związanej, ale próby ustalenia jakiejś swoistej zunifikowanej formy energii będącej jednością energii grawitacyjnej i pola ExB [pomijając inne formy oddziaływań jak np. słabe, silne], do tej pory, nie zakończyły się powodzeniem.
 
Nie mamy do tej pory doświadczalnego dowodu istnienia grawitonu [bozon pola grawitacyjnego], a określenie jego masy jest mocno hipotetyczne [bo w ramach kwantowej teorii grawitacji].
 
Unifikacja pola ExB i pola grawitacyjnego jest ciągle ideą hipotetyczną i nadal nie mamy dowodu doświadczalnego o udziale pola ExB w zmianie metryki czasoprzestrzeni [zakrzywienie].
 
Inaczej pisząc: w teorii względności, energia jest wielkością niesłychanie tajemniczą i ta aura tajemniczości nie pozostaje bez wpływu na rozumienie pojęcia energii w całej fizyce.
 
Richard Feynman ,który sam o sobie mawiał :” zgrywus”, w swym pamiętnym kursie fizyki [5] okpił czytelnika chcącego się dowiedzieć od niewątpliwego autorytetu, jakim ten zgrywus w dziedzinie fizyki był ,czym jest energia i na stronach 63-65 stwierdził ,że liczyć energię to potrafimy, wiemy że podlega ona zasadzie zachowania ,lecz nie wiemy - czym ona jest.
  Paul Dirac napisał [6]:
“gdy znam równanie, potrafię go rozwiązać, to rozumiem przyrodę”
Wtóruje mu R.Feynnman [7]:
“język symboli matematycznych najlepiej opisuje przyrodę i odkrywa przed nami jej strukturę”
Zadziwiająca konsekwencja. 
Ale czy ta konsekwencja, nie jest po części przyczyną tego ,że współcześnie -fizyka staje się matematyką i technologią [ jak to gdzieś raczył zauważyć gotenks]?
I takie pojęcia, jak masa, oraz energia, stają się zmorą dla tych którzy fizykę nadal chcą pojmować, jako naukę o przyrodzie, w jej istnieniu i przejawach?
 
 
Literatura
[1] D.Halliday,R.Resnick,J.Walker, Podstawy fizyki,t.1,Warszawa,2003,s.90-91
[2]L.M.Lederman, Boska cząstka,Warszawa,1983
[3] A.K.Wróblewski,J.A.Zakrzewski, Wstęp do fizyki,t.1,Warszawa,1976,s.225
[4] Arystoteles, Dzieła wszystkie,t.2,Warszawa,1990,s.759
[5]R.Feynman,R.Leighton,M.Sands, Feynmana wykłady z fizyki,t.1,część 1,Warszawa,1968,s.63-65
[6] P.A.M.Dirac ,The Principles of Quantum Mechanics,ed.4,Oxford,1982.
[7] R.Feynnman, Charakter praw fizycznych,Warszawa,2000.

 

Eine
O mnie Eine

No modern scientist comes close to Einstein's moral as well as scientific stature (John Horgan)

Nowości od blogera

Komentarze

Inne tematy w dziale Kultura