Nauka i Metoda/Mechanika Nowa/Mechanika i Rad

Z Wikiźródeł, wolnej biblioteki
Przejdź do nawigacji Przejdź do wyszukiwania
<<< Dane tekstu >>>
Autor Henri Poincaré
Tytuł Mechanika i Rad
Pochodzenie Nauka i Metoda /
Mechanika Nowa
Data wydania 1911
Wydawnictwo G. Centnerszwer i Ska.
Druk Drukarnia Narodowa w Krakowie
Miejsce wyd. Warszawa
Tłumacz Maksymilian Horwitz
Źródło Skany na Commons
Inne Pobierz jako: Pobierz jako ePub Pobierz jako PDF Pobierz jako MOBI
Cały tekst
Pobierz jako: Pobierz Cały tekst jako ePub Pobierz Cały tekst jako PDF Pobierz Cały tekst jako MOBI
Cała Księga Trzecia
Pobierz jako: Pobierz Cała Księga Trzecia jako ePub Pobierz Cała Księga Trzecia jako PDF Pobierz Cała Księga Trzecia jako MOBI
Indeks stron

Rozdział I.
Mechanika i rad.
I.
Wstęp.

Czy zasady ogólne Dynamiki, które od czasów Newtona były podstawą nauki fizycznej i zdawały się niewzruszonemi, mają być teraz porzucone albo przynajmniej poddane głębokiej modyfikacji? Pytanie takie nasuwa się wielu umysłom od kilku lat. Odkrycie radu obaliło, ich zdaniem, dogmaty naukowe, uważane za najtrwalsze: z jednej strony niemożliwość transmutacji metali; z drugiej postulaty podstawowe Mechaniki. Być może, zbyt pośpiesznie uznano te nowości za ostatecznie ustalone i obalono wczorajszych bożków; być może, wypadałoby raczej poczekać z zajęciem stanowiska na doświadczenia liczniejsze i bardziej decydujące. Niemniej przeto należy już dzisiaj znać nowe poglądy oraz poważne bardzo argumenty, na których się one opierają.
Przypomnijmy przedewszystkim w paru słowach, na czym polegają owe zasady.
A. Ruch punktu materjalnego odosobnionego i niepodległego działaniu żadnej siły zewnętrznej jest prostodrożny i jednostajny; jestto zasada bezwładności: niemasz przyspieszenia bez siły;
B. Przyspieszenie punktu ruchomego posiada ten sam kierunek, co wypadkowa wszystkich sił, którym punkt ten podlega; równa się ono ilorazowi tej wypadkowej przez współczynnik, zwany masą punktu ruchomego.
Określona w ten sposób masa ruchomego punktu jest wielkością stałą; nie zależy ona od prędkości, nabytej przez ten punkt; jest ona taka sama niezależnie od tego, czy siła jest równoległa do prędkości i zdąża jedynie do przyspieszenia lub zwolnienia ruchu punktu, alboteż czy siła ta jest prostopadła do prędkości i zdąża do odchylenia tego ruchu na prawo lub na lewo, to znaczy do skrzywienia drogi.
C. Wszystkie siły, działające na dany punkt materjalny, są wynikiem działania innych punktów materjalnych; zależą one jedynie od położeń i prędkości względnych tych poszczególnych punktów materjalnych.
Skombinowanie zasad B i C daje zasadę ruchu względnego, według której prawa ruchu układu materjalnego są te same, czy się odnosi ten układ do osi stałych, czy też odniesie się go do osi ruchomych, przenoszących się ruchem postępowym prostodrożnym i jednostajnym, tak iż niemożliwe jest odróżnienie ruchu bezwzględnego (absolutnego) od ruchu względnego, odniesionego do takich ruchomych osi;
D. Jeżeli punkt materjalny A działa na inny punkt materjalny B, ciało B oddziaływa również na A, i dwa te działania są siłami równemi i wbrew przeciwnemi. Jestto zasada równości działania i oddziaływania albo, krócej, zasada oddziaływania.
Obserwacje astronomiczne, najpospolitsze zjawiska fizyczne potwierdziły, zdałoby się, te zasady w sposób zupełny, stały i bardzo ścisły. Zapewne, mówi się dzisiaj, ale to dlatego tylko, że zawsze operowano jedynie niewielkiemi prędkościami; np. Merkury, który jest najszybszą planetą, przebiega zaledwie 100 kilometrów na sekundę. Czy ciało to zachowywałoby się w taki sam sposób, gdyby prędkość jego była stokrotnie większa? Pytanie to pozwala nam w każdym razie co do jednego nie żywić niepokoju: jakiekolwiek będą postępy automobilizmu, upłynie jeszcze dużo czasu, zanim będziemy musieli zrzec się stosowania do naszych maszyn klasycznych zasad Dynamiki.
W jakiż sposób potrafiono osiągnąć prędkości tysiąc razy większe, niż prędkość Merkurego, równe np. dziesiątej lub trzeciej części prędkości światła albo nawet jeszcze bardziej zbliżone do tej prędkości? Za sprawą promieni katodowych i promieni radu.
Wiadomo, że rad wysyła trzy gatunki promieni, które oznacza się zapomocą liter greckich α, β, γ; poniżej — o ile nie będzie wyraźnie powiedziane co innego — będziemy stale mówili o promieniach β, analogicznych do promieni katodowych.
Po odkryciu promieni katodowych zjawiły się dwie teorje: Crookes przypisywał obserwowane zjawiska istnemu bombardowaniu cząsteczkami; Hertz — szczególnym falowaniom eteru. Było to wznowieniem sporu o teorje światła, który przed stuleciem rozdzielił fizyków na dwa obozy; Crookes podjął teorję emisji, porzuconą w optyce; Hertz trzymał się teorji undulacyjnej. Fakty zdają się przyznawać słuszność Hertzowi.
Stwierdzono, po pierwsze, że promienie katodowe niosą ze sobą ujemny ładunek elektryczny; ulegają one odchyleniu przez pole magnetyczne i przez pole elektryczne; i odchylenia te są właśnie takie same, jakie wywoływałyby te same pola w ruchu pocisków, ożywionych bardzo wielką prędkością i noszących silne ładunki elektryczności. Te dwa odchylenia zależne są od dwu ilości: od prędkości oraz od stosunku ładunku elektrycznego pocisku do jego masy; nie można poznać wartości bezwzględnej tej masy ani wartości ładunku lecz jedynie ich stosunek; w rzeczy bowiem samej, skoro podwoimy ładunek i masę, nie zmieniając prędkości, podwoimy przez to siłę, która dąży do odchylenia pocisku; ponieważ przecie masa jego również jest podwojona, przyspieszenie oraz widome odchylenie nie będą zmienione. Obserwacja dwu odchyleń dostarczy nam tedy dwu równań dla oznaczenia tych dwu niewiadomych. Daje to prędkość równą 10.000 do 30.000 kilometrów na sekundę; stosunek ładunku do masy jest również bardzo duży. Można go porównać z odpowiednim stosunkiem, dotyczącym jonu wodoru w elektrolizie; otóż pocisk katodowy niesie około tysiąc razy więcej elektryczności, niżby niosła taka sama masa wodoru w elektrolicie.
Dla potwierdzenia tych poglądów potrzebaby bezpośredniego pomiaru tej prędkości, aby ją można było porównać z prędkością w powyżej wskazany sposób wyliczoną. Dawniejsze doświadczenia J. J. Thomsona dały wyniki sto razy za małe; ale też były one obciążone rozlicznemi błędami. Kwestję tę podjął ponownie Wiechert, i do doświadczenia swego wprowadził drgania hertzowskie: otrzymane rezultaty zgadzają się z teorją przynajmniej co do rzędu wielkości; wielce byłoby ciekawe ponowne przeprowadzenie tych doświadczeń. Jakkolwiekbądź, teorja undulacyjna zdaje się bezsilną, skoro idzie o zdanie sprawy z całokształtu tych faktów.
Te same rachunki, wykonane dla promieni β radu dały jeszcze znaczniejsze prędkości, 100.000, 200.000 kilometrów i więcej jeszcze. Prędkości te przewyższają o wiele wszystkie nam znane. Wprawdzie, jak wiadomo oddawna, światło przebiega 300.000 kilometrów na sekundę; lecz nie jest ono przenoszeniem materji, gdy natomiast, skoro się przyjmuje teorję emisji dla promieni katodowych, istniałyby cząsteczki materjalne istotnie ożywione pomienionemi prędkościami, i wypada zbadać, czy zwykłe prawa Mechaniki jeszcze się do nich dają stosować.

II.
Masa podłużna i masa poprzeczna.

Wiadomo, że prądy elektryczne rodzą zjawiska indukcji w szczególności samoindukcji [»self-induction«]. Gdy prąd wzmaga się, natenczas rozwija się elektrobodźcza siła samoindukcji, przeciwdziałająca temu prądowi; gdy natomiast prąd słabnie, elektrobodźcza siła samoindukcji działa w kierunku podtrzymania prądu. Samoindukcja przeciwstawia się tedy wszelkiej zmianie w napięciu prądu, podobnie jak w Mechanice bezwładność ciała sprzeciwia się wszelkiej zmianie w prędkości. Samoindukcja jest zatym istną bezwładnością. Wszystko odbywa się tak, jakgdyby prąd nie mógł krążyć, nie wprawiwszy w ruch otaczającego eteru, i jakgdyby naskutek tego bezwładność tego eteru dążyła do utrzymania stałego napięcia tego prądu. Trzeba przezwyciężyć tę bezwładność, by prąd zaczął krążyć, trzeba również ją przezwyciężyć, by mógł on ustać.
Promień katodowy, który jest deszczem pocisków naładowanych elektrycznością ujemną może być przyrównany do prądu; zapewne, prąd ten różni się, przynajmniej na pierwsze wejrzenie, od zwykłych prądów przewodnictwa, kiedy to materja jest nieruchoma, a elektryczność krąży poprzez materję. Jestto prąd przeniesienia (konwekcyjny), przy którym elektryczność, przylegająca do materjalnego ciałka niesiona jest ruchem tego ciałka. Lecz Rowland dowiódł, że prądy konwekcyjne wywołują te same objawy magnetyczne, co prądy przewodnictwa; muszą one przeto wywoływać te same objawy indukcji.
Albowiem, gdyby było inaczej, gwałciłoby to zasadę zachowania energji; zresztą Crémieu i Pender zastosowali metodę, która bezpośrednio uwidocznia te objawy indukcji.
Jeśli prędkość katodowego ciałka ulegnie zmianie, zmieni się również napięcie odpowiadającego mu prądu; i powstaną zjawiska samoindukcji, zmierzające do sprzeciwiania się tej zmianie. Ciałka te winny tedy posiadać podwójną bezwładność: swą bezwładność oraz własną bezwładność pozorną, pochodzącą od samoindukcji, wywołującej te same objawy. Będą one tedy więc posiadały masę pozorną, składającą się z ich masy rzeczywistej oraz z masy fikcyjnej pochodzenia elektromagnetycznego. Rachunek wskazuje, że fikcyjna ta masa zmienia się z prędkością, i że siła bezwładności, pochodząca od samoindukcji, nie jest jednakowa, gdy prędkość pocisku przyspiesza się lub zwalnia, albo też gdy się odchyla; to samo stosuje się więc do pozornej całkowitej siły bezwładności.
Całkowita pozorna masa nie jest tedy jednakowa, gdy siła rzeczywista, działająca na ciałko, jest równoległa do jego prędkości i zdąża do przyspieszania ruchu, alboteż gdy jest ona prostopadła do tej prędkości i zdąża do zmienienia jej kierunku. Trzeba zatym rozróżniać masę całkowitą podłużną i masę całkowitą poprzeczną. Masy te zależne są zresztą od prędkości. Taki jest wynik prac teoretycznych Abrahama.
Co określa się przy pomiarach, o których mówiliśmy w rozdziale poprzednim, kiedy się mierzy oba odchylenia? Z jednej strony prędkość, z drugiej zaś stosunek ładunku do całkowitej masy poprzecznej. Jakże wobec tego wyodrębnić w tej masie całkowitej masę rzeczywistą i fikcyjną masę elektromagnetyczną? Gdybyśmy mieli jedynie właściwe promienie katodowe, byłby to zamysł niewykonalny; na szczęście przecież posiadamy promienie radu, które, jak widzieliśmy, są o wiele szybsze. Nie wszystkie te promienie są identyczne i nie zachowują się w jednakowy sposób pod działaniem pola elektrycznego i magnetycznego. Doświadczenie okazuje, że odchylenie elektryczne jest funkcją odchylenia magnetycznego, i można, chwytając na czułą kliszę promienie radu, które uległy działaniu obu pól, sfotografować krzywą, przedstawiającą związek między temi obu odchyleniami. Zrobił to Kaufmann i wyprowadził stąd związek między prędkością i stosunkiem ładunku do pozornej całkowitej masy, który to stosunek nazwiemy ε.
Możnaby przypuścić, że istnieje kilka gatunków promieni, z których każdy jest scharakteryzowany przez określoną prędkość, określony ładunek i określoną masę. Lecz hypoteza ta jest mało prawdopodobna; bo i dlaczegóżby wszystkie ciałka o tej samej masie miały przyjmować zawsze tę samą prędkość? Naturalniejsze jest przypuścić, że ładunek oraz rzeczywista masa są jednakowe dla wszystkich pocisków, i że różnią się one jedynie swą prędkością. Jeżeli stosunek ε jest funkcją prędkości, to nie dlatego, że masa rzeczywista zmienia się z tą prędkością; lecz ponieważ fikcyjna masa elektromagnetyczna zależy od tej prędkości, pozorna masa całkowita, jedyna dająca się obserwować, musi od niej zależeć, pomimo że masa rzeczywista od niej nie zależy i jest stała.
Rachunki Abrahama dają nam prawo, według którego masa fikcyjna zmienia się w funkcji prędkości; doświadczenie Kaufmanna daje prawo zmiany masy całkowitej. Zestawienie tych dwu praw pozwoli tedy określić stosunek masy rzeczywistej do masy całkowitej.
Taką jest metoda, którą posługiwał się Kaufmann dla oznaczenia tego stosunku. I otrzymał wynik zgoła niespodziewany: masa rzeczywista jest równa zeru.
Dało to pochop do koncepcji całkiem nieoczekiwanych. Rozciągnięto na wszystkie ciała to, czego dowiedziono jedynie dla ciałek katodowych. To, co my nazywamy masą, miałoby być tylko pozorem; wszelka bezwładność miałaby być pochodzenia elektromagnetycznego. Ale w takim razie masa przestałaby być stałą, wzrastałaby z prędkością; przybliżenie stała dla prędkości mniejszych niż 1000 kilometrów na sekundę, masa rosłaby następnie i stawałaby się nieskończoną dla prędkości światła. Masa poprzeczna przestałaby być równa podłużnej: byłyby one jedynie przybliżenie równe dla niezbyt wielkich prędkości. Zasada B Mechaniki przestałaby być prawdziwa.

III.
Promienie kanałowe.

Przy obecnym stanie rzeczy wniosek taki może się zdawaĆ przedwczesnym. Czy można stosować do całej materji to, co zostało ustanowione tylko dla tych tak lekkich ciałek, którą są jedynie emanacją materji i, być może, nie są nawet prawdziwą materją? Zanim przecież przystąpimy do tej kwestji, wypada powiedzieć parę słów o innym rodzaju promieni. Mam na myśli promienie kanałowe, Kanalstrahlen Goldsteina. Katoda wysyła jednocześnie z promienia katodowemi, naładowanemi elektrycznością ujemną, promienie kanałowe, naładowane elektrycznością dodatnią. Promienie te, nie będąc odpychane przez katod, pozostają naogół w jego sąsiedztwie i tworzą »powłokę chamois« którą nie bardzo jest łatwo zauważyć; jeżeli przecież katod jest podziurawiony i jeśli prawie zupełnie zamyka rurkę, promienie kanałowe będą się rozchodziły w tył od katodu, w kierunku przeciwnym niż promienie katodowe, co umożliwi ich zbadanie. W ten sposób powiodło się uwidocznić ich dodatni ładunek i wykazać, że odchylenia elektryczne i magnetyczne zachodzą i tutaj, podobnie jak dla promieni katodowych, lecz są o wiele słabsze.
Rad wysyła również promienie analogiczne do promieni kanałowych i względnie bardzo łatwo pochłanialne, które nazwano promieniami α.
Można, jak w wypadku promieni katodowych, zmierzyć oba odchylenia, i wyprowadzić z nich prędkość oraz stosunek ε. Wyniki są mniej stałe, niż dla promieni katodowych, lecz prędkość jak również stosunek ε są mniejsze; ciałka dodatnie są mniej obarczone ładunkami niż ciałka ujemne; albo też, jeśli zrobić przypuszczenie naturalniejsze, że ładunki są równe i odwrotne co do znaków, ciałka dodatnie są znacznie większe. Ciałka te, z których jedne są naładowane dodatnio, drugie ujemnie, otrzymały nazwę elektronów.

IV.
Teorja Lorentza.

Ale elektrony przejawiają swoje istnienie nietylko w tych promieniach, w których widzimy je ożywione olbrzymiemi prędkościami. Odgrywają one również, jak zobaczymy, bardzo różne od powyższej role, służą ku wytłumaczeniu najważniejszych zjawisk optyki i elektryczności. Świetna synteza, którą pokrótce przedstawimy, jest dziełem Lorentza.
Cała materja jest utworzona z elektronów, noszących olbrzymie ładunki, a jeśli wydaje się nam ona obojętna, to dlatego, że ładunki o przeciwnych znakach tych elektronów wzajem się kompensują. Można sobie np. wyobrazić pewnego rodzaju układ słoneczny, utworzony przez jeden wielki elektron dodatni, dokoła którego grawitują liczne małe planety, które są elektronami ujemnemi, i są przyciągane przez elektryczność o przeciwnym znaku, stanowiącą ładunek elektronu centralnego. Ładunki ujemne tych planet kompensują ładunek dodatni tego Słońca, tak iż suma algiebraiczna wszystkich tych ładunków równa się zeru.
Wszystkie te elektrony kąpią się w eterze. Eter jest wszędzie tożsamy w stosunku do siebie, zakłócenia rozchodzą się według tych samych praw, co światło lub drgania hertzowskie w próżni. Poza elektronami i eterem niema nic. Gdy fala świetlna przenika do części eteru, w której znajduje się duża ilość elektronów, elektrony te zaczynają się poruszać pod wpływem zakłócenia eteru i z kolei oddziaływują na eter. W ten sposób tłumaczyłoby się załamanie, rozpraszanie, podwójne załamanie i pochłanianie. Podobnież, jeżeli elektron zostaje wprawiony w ruch naskutek jakiejkolwiek przyczyny, mąci on eter dokoła siebie i wywołuje fale świetlne, co tłumaczy emisję światła przez ciała żarzące się.
W niektórych ciałach, np. w metalach, mielibyśmy elektrony nieruchome, między któremi krążą elektrony ruchome, korzystające z zupełnej swobody prócz swobody porzucenia tego metalu i przekroczenia powierzchni, która je oddziela od zewnętrznej próżni lub od powietrza lub od jakiegokolwiek innego niemetalicznego ciała. Te ruchome elektrony zachowują się tedy wewnątrz metalicznego ciała tak, jak według kinetycznej teorji gazów cząsteczki gazu wewnątrz naczynia, w którym gaz ten jest zamknięty. Ale pod wpływem różnicy potencjału elektrony ruchome ujemne miałyby dążność do kierowania się w jedną stronę, elektrony ruchome dodatnie — w drugą. To wywoływałoby prądy elektryczne, i dlatego to ciała byłyby przewodnikami. Z drugiej strony prędkości naszych elektronów byłyby tym większe, im wyższą byłaby temperatura, jeżeli przyjmujemy porównanie z teorją kinetyczną gazów, kiedy jeden z tych ruchomych elektronów napotyka powierzchnię metalicznego ciała, której to powierzchni nie może przekroczyć, zostaje on odbity jak kula bilardowa od bandy, i prędkość jego ulega nagłej zmianie kierunku. A elektron, jak zobaczymy poniżej, kiedy zmienia kierunek, staje się źródłem fali świetlnej, i dlatego to gorące metale żarzą się.
W innych ciałach, w dielektrykach i ciałach przezroczystych, elektrony ruchome korzystają z daleko mniejszej swobody. Pozostają one jakgdyby przywiązane do nieruchomych elektronów, które je przyciągają. Im bardziej się od nich oddalają, tym większa jest ta atrakcja, która usiłuje zawrócić je wstecz. Odchylenia ich mogą być przeto tylko niewielkie; nie mogą krążyć lecz jedynie wahać się dokoła swego położenia średniego. Dla tego to powodu ciała te nie są przewodnikami; mają one pozatym być przeważnie przezroczyste oraz załamujące dlatego, że drgania świetlne udzielają się elektronom ruchomym, mogącym dokonywać wahań, i że wynika stąd zakłócenie.
Nie mogę podać tutaj szczegółów rachunku; ograniczę się powiedzeniem, że ta teorja zdaje sprawę ze wszystkich faktów znanych i że pozwala przewidywać fakty nowe, jak np. zjawisko Zeemana.

V.
Konsekwencje mechaniczne.

Możemy teraz rozważyć dwie hypotezy:
1° Elektrony dodatnie posiadają masę rzeczywistą o wiele większą niż ich fikcyjna masa elektromagnetyczna; jedynie elektrony ujemne są pozbawione masy rzeczywistej. Możnaby nawet przypuścić, że prócz elektronów o obu znakach istnieją atomy obojętne, nie posiadające innej masy poza swą masą rzeczywistą. W takim razie Mechanika pozostaje nietknięta; niema potrzeby zmieniać jej praw; masa rzeczywista jest stała; ruchy ulegają poprostu zakłóceniom naskutek objawów samoindukcji, co było i dawniej wiadome; zakłócenia te są zresztą tak nieznaczne, że można ich nie brać w rachubę, z wyjątkiem wypadku elektronów ujemnych, które, nie posiadając masy rzeczywistej, nie są prawdziwą materją;
2°. Ale istnieje i inne stanowisko; można przypuścić, że niema atomów obojętnych, i że elektrony dodatnie, równie jak ujemne, nie posiadają masy rzeczywistej. Natenczas, skoro masa rzeczywista znika, wyraz masa traci wszelkie znaczenie, albo też będzie oznaczał fikcyjną masę elektromagnetyczną; w takim razie masa przestanie być stała, masa poprzeczna nie będzie równa masie podłużnej, zasady Mechaniki będą obalone.
Przedewszystkim słówko wyjaśnienia. Powiedzieliśmy, że dla tego samego ładunku masa całkowita elektronu dodatniego jest o wiele większa niż masa elektronu ujemnego. Skoro tak, tedy naturalne jest przypuścić, że elektron dodatni posiada prócz swej masy fikcyjnej znaczną masę rzeczywistą; co sprowadziłoby nas z powrotem do pierwszej hypotezy. Lecz można również przypuścić, że masa rzeczywista jest równa zeru zarówno dla jednych jak dla drugich, ale masa fikcyjna elektronu dodatniego jest o wiele większa dlatego, że elektron ten jest o wiele mniejszy. Nie omyliłem się: o wiele mniejszy. Albowiem przy tej hypotezie bezwładność jest pochodzenia wyłącznie elektromagnetycznego; sprowadza się ona do bezwładności eteru; elektrony nie są niczym same przez się; są to poprostu dziury w eterze, dokoła których eter się burzy; im mniejsze są te dziury, tym więcej będzie eteru, tym większą przeto będzie bezwładność eteru.
Jak zdecydować wybór między temi dwiema hypotezami? Czy operując z promieniami kanałowemi tak, jak to zrobił Kaufmann z promieniami β? Jestto niemożliwe; prędkość tych promieni jest o wiele za mała. Czyż zatym każdy będzie musiał się zdecydować według swego temperamentu, konserwatyści pójdą w jedną stronę, zwolennicy rzeczy nowych w drugą? Być może, ale żeby dobrze zrozumieć argumenty nowatorów, trzeba będzie uwzględnić inne jeszcze ich rozważania.



Tekst jest własnością publiczną (public domain). Szczegóły licencji na stronach autora: Henri Poincaré i tłumacza: Maksymilian Horwitz.