Przez niektórych fizyków ,tak postawione pytanie, może być uznane za bezsensowne. To tak, jak by prosić o wytłumaczenie, co to jest papierowość.
Pytania w fizyce muszą odnosić się do pomiarów, a mierzymy tylko wielkości fizyczne. Elektryczność nie jest wielkością fizyczną, ale ładunek elektryczny lub natężenie pola elektrycznego - tak. Z drugiej jednak strony ,radykalny operacjonizm w fizyce nie zawsze jest dobry i do rygorystycznego utrzymania.
Pozostanę więc przy tym pytaniu tytułowym na mocy tradycji językowej, operujemy bowiem w fizyce takimi pojęciami jak: względność ruchu, elektryczność, magnetyzm, itd. mając na myśli w pierwszej fazie analizy ich sensu- zjawiskowość, bez odnoszenia się do wielkości fizycznych, czy innych parametrów pomiarowych i liczbowych charakterystycznych dla tej zjawiskowości fizycznej.
Przyroda w swej fundamentalnej warstwie wydaje się być grą fenomenów, zjawisk i względnie trwałych w czasie -kompleksów tych fenomenów, czyli ciał, lub żargonowo pisząc: obiektów.
Siatka relacji przyczynowych między zjawiskami jest osadzona na siatce kategorialnej (pojęć) i ujęta w struktury matematyczne (formalne) stanowiąc wiedzę o przyrodzie ,ale tylko naiwny realizm przypuszcza ,że w przyrodzie ,poza umysłem, istnieją wielkości fizyczne.
Wiedza jest prawdą o przyrodzie, ale przyroda nieustannie ją koryguje, przebudowuje, a czasami nawet ją obala w tych momentach, gdy ukazuje człowiekowi swoje nowe oblicze, przed tym nieznane.
Wiedza o elektryczności, to bardzo późna wiedza. Jeszcze w wiekach XVII i XVIII miała charakter indukcyjnego zbierania informacji o spostrzeżonych faktach, np. nabywania przez ciała potarte o inne ciała, własności takiej, jaką znali starożytni w odniesieniu do potartego o sukno bursztynu, z łacińska zwanego elektronem.
O tym ,że istnieją dwa rodzaje własności elektrycznych dowiedziano się wtedy, gdy badano oddziaływanie pomiędzy ciałami naelektryzowanymi. Otton v.Guericke(1602-1686) stwierdził odpychanie się ciał naelektryzowanych równoimiennie i skonstruował pierwszą na świecie maszynę elektrostatyczną pozwalającą elektryzować ciała.
Już wtedy (od XVII wieku)przez elektryczność rozumiano dwa rodzaje fluidów, niestwarzalnych, niezniszczalnych, a kompensujących się w swych działaniach. Jednak doświadczalna i obserwacyjna wiedza o elektryczności została przekształcona w dyscyplinę naukową dopiero wskutek sformułowania prawa Coulomba .
Charles Auguste de Coulomb w 1785 roku ,stosując wagę skręceń pomysłu Henry Cavendisha ,wykonał odpowiednie pomiary i ustalił, że siła elektryczna miedzy dwoma ilościami elektryczności jest do nich proporcjonalna, a odwrotnie proporcjonalna do kwadratu odległości miedzy nimi.
Rys.1 z A.k.Wróblewski,J.A.Zakrzewski,Wstęp do fizyki,t.2,2,Warszwa,1991,s.82
W analogii do prawa Newtona opisującego siły grawitacyjne, i pod wpływem matematyków Greena i Poissona narodziła się koncepcja pola elektrycznych sił ,ostatecznie rozwinięta przez Carla Friedricha Gaussa (1777-1855) w teorię potencjału z jej słynnymi równaniami różniczkowymi [1].
Od tego czasu rozdział kategorialny na ładunki i pola jest nieusuwalny w nauce o elektryczności. Z jednej strony, dynamika ładunków elektrycznych w materiałach, czyli prądy elektryczne, a z drugiej strony dynamika pola elektrycznego i jego związki z polem magnetycznym.
Od czasów Ampere’a, Biota ,Savarta , Kirchhoffa i Faraday’a, nauka o elektryczności wzbogaciła się o “ciało obce”, to jest o pole magnetyczne, stąd pojawił się – jeszcze przed J.C.Maxwellem- termin “elektromagnetyzm”.
Bardzo długo , bo aż do czasów wystąpienia Alberta Einsteina, własności magnetyczne ciał, oraz pole magnetyczne były wprawdzie powiązane z elektrycznością, a dokładnie z prądem elektrycznym, lecz natura magnetyzmu miała być - w myśl badaczy – czymś całkowicie innym od natury elektryczności.
Mówiono nawet o “masach magnetycznych” skupionych w biegunach magnesu i podawano prawo oddziaływania mas magnetycznych w analogii do prawa Coulomba dla ładunków elektrycznych( w naszych liceach jeszcze w 1962 roku !) [2].
Dopiero szczególna teoria względności pokazała ,że magnetyzm jest efektem relatywistycznym oddziaływania elektrycznego, ma naturę elektryczną i tym samym magnetyzm jest zjawiskiem elektrycznym, a istnienie monopoli magnetycznych, to dotychczas tylko ponętna hipoteza.
Dowód matematyczny tego faktu ,że siły magnetyczne między ładunkami elektrycznymi będącymi w ruch względnym, mają naturę elektryczną i są wynikiem efektu relatywistycznego (skrócenia Lorentza-Fitzgeralda),wykorzystujący niezmienniczość ładunku i prawo Coulomba , można znaleźć w każdym dobrym podręczniku akademickim [3] z tym, że jego ewidentna elementarność pozwala go wprowadzić nawet w ostatniej klasie liceum.
Praca Jamesa Clerka Maxwella(1831-1879), z roku 1862 [4], w której obok prądów przewodzenia, wprowadził prądy przesunięcia, występujące w każdym dielektryku pod wpływem zmiennego pola, zaczyna i jednocześnie kończy budowę podstaw nauki o elektryczności ,które to podstawy do dziś mają taką samą nazwę : “elektrodynamika klasyczna”.
Wszystko co dzieje się później, może mieć logo:
Czym jest elektryczność? Dlaczego istnieje elektryczność? Jaką naturę ma prąd elektryczny w ciałach stałych, cieczach, gazach i w próżni?
Oczywiście rozstrzygnięcie przychodzi od strony przyrody.
Robert Millikan, stosując metodę opracowaną przez F.Ehrenhafta, ustala w latach 1913-1921 (szereg wariantów eksperymentu)) ,że fluid elektryczny ma naturę nieciągłą, dyskretną.
Rys.2 zaczerpnięty z loc.cit. s.61
Istnieją najmniejsze ładunki elektryczne o wartości 1,6*10E(-19) [C] o nazwie “elektron” wprowadzonej dużo wcześniej, bo w roku 1890 ,przez Johnstone Stoney’a [5].
Seria eksperymentów, nierzadko przypadkowych z prądami w gazach rozrzedzonych, badanie widm promieniowania ciał, prowadzą do powstania atomistyki, w ramach której symbolem elektryczności staje się elektron.
Elektron w atomie w stanie związanym, elektron swobodny w polach sprzężonych, elektron w oddziaływaniu ze światłem, elektron w krysztale, elektron pod wielkim ciśnieniem we wnętrzach gwiazd, elektron w spotkaniu z antyelektronem.
Życie z elektronami nie było jednak usłane różami. Jeżeli przyjmiemy, że elektron jest punktem (czyli pozbawimy go rozmiarów), to klasyczna teoria elektronów(kinetyka, dynamika, oddziaływania) jest elegancka, poza jednym miejscem: prowadzi do nieskończoności, gdy chcemy utrzymać klasyczne pojęcia potencjału i natężenia pola. Te wielkości fizyczne uciekają do nieskończoności w miarę zbliżania się do elektronu [6].
Wobec tego ,gdy przyjmiemy, że elektron jest maleńką kulką o skończonych rozmiarach(Lorentz-Abraham),wtedy natychmiast obiekt ten powinien eksplodować: jest bowiem zbudowany z ujemnego ładunku, więc jego części odpychają się i obiekt zostaje rozerwany.
Teoria relatywistycznego elektronu Diraca, daje początek elektrodynamice kwantowej, a w następnej fazie umożliwia Schwingerowi,Feynmanowi,Weinbergowi,Tomonadze, ,Salamowi i t’Hooftowi zbudowanie przepięknej kwantowej teorii pola (KTP), w ramach której wiele tajemnic elektryczności zostaje wyjaśnionych, a następnie wykorzystanych w subtelnej technologii kwantowej. Obrazem elektronu jest punkt, nieskończoności zostają wyeliminowane sprytną techniką matematyczną zwaną renormalizacją.
Rys.3
Jednak aktualna sytuacja jest taka: w przestrzeni o rozmiarach powyżej 10E(-10) [m] doskonałą rolę spełnia elektrodynamika klasyczna i jest ona od początków relatywistycznie niezmiennicza.
Natomiast poniżej 10E(-10) [m], to królestwo kwantowej teorii pola (KTP).Jej filozoficzne podstawy, to symetria sprzężenia ładunkowego ( C ) : znany nam wszechświat nie uległby zmianie, gdyby ktoś nagle zmienił wszystkie ładunki ujemne na dodatnie (i odwrotnie).
Owe dwa rodzaje ładunków elektrycznych przypominają inną dualność: lewy i prawy obrót, czyli skrętność w przyrodzie. Możliwe ,że odkryjemy kiedyś to “jedno”, co ma dwie twarze: ujemną i dodatnią.
QED wprowadza jednak niesamowite dziwności. Oddziaływanie między naładowanymi cząstkami (elektronami, protonami) tłumaczy wymianą między nimi fotonów wirtualnych ,ale przy okazji każe im znikać i pojawiać się ! Występują efekty jeszcze bardziej tajemnicze : anihilacja i kreacja cząstek.
Na przykład spotkanie elektron-antyelektron(pozytron) jest katastrofą ! Obydwie cząstki znikają, anihilują, a w ich miejsce pojawia się kwant promieniowania gamma, którego energia musi być jednak, co najmniej dwa razy większa od spoczynkowej masy/energii pojedynczej cząstki.
Rys.4
Istnieje także proces odwrotny : kreacji pary cząstka/antycząstka. Z czystej energii pola promieniowania ExB powstaje np. elektron i antyelektron i zachowany jest nie tylko ładunek elektryczny, ale wszystkie addytywne liczby kwantowe, gdyż wszystkie liczby kwantowe antyelektronu mają znak przeciwny do znaku liczb elektronu.
KTP ostatecznie więc niszczy wiarę dotychczasowej fizyki w istnienie trwałego ,niezmiennego substratu zjawisk elektrycznych.
W procesach i zjawiskach zachowywane są nie podłoże, substancja, lecz bardzo abstrakcyjne wielkości, takie jak energia, pęd, ładunek, a przede wszystkim formy struktur i reguły ich przekształceń.
Po drodze , w historii najnowszej QED, występuje jeszcze małe “trzęsienie ziemi” w postaci odkrycia kwarków ,obdarzonych ułamkowymi wartościami ładunku elementarnego, ale efektywna teoria oddziaływania silnego (czyli kwantowa chromodynamika – QCD) pod hasłem “asymptotyczna swoboda” opracowana przez Wilczka i Grossa, a nagrodzona Noblem, utwierdza niezwykle silnie przeświadczenie ,iż elektron pośród swobodnych ładunków elektrycznych nadal jest elementarnym w sensie fundamentalnym, a elektryczność powszechnym atrybutem Przyrody w wymiarach mikro, podobnie jak grawitacja w wymiarach mega.
Bycie przyrody w przejawach fundamentalnych jest na stałe sprzężone z ładunkiem elektrycznym. We wszechświecie poznawanym przez nas ,nie ma substancji pozbawionej ładunku elektrycznego, chociaż sam wszechświat rozumiany jako kula Hubble’a nie wykazuje prawdopodobnie ładunku elektrycznego nie zrównoważonego. Wszystkie oddziaływania -poza grawitacyjnym -są przejawem ładunku elektrycznego.
Wszechświat w wymiarach mikro zasadza się na elektryczności, istnieje dzięki oddziaływaniom między ładunkami elektrycznymi. Struktura molekularna wszystkich ciał (stałych , ciekłych i gazowych ), które nas otaczają na powierzchni Ziemi jest uformowana i utrzymywana przez oddziaływanie elektromagnetyczne. Nasz świat istnienia rzeczy jest elektryczny ! Ich istnienie jest uwarunkowane elektrycznym oddziaływaniem.
Odkryliśmy to bardzo późno, dlatego że czynnikiem przemożnym, organizującym życie ludzkie w sposób widoczny, dotykalny (ruch, budowanie, zamieszkiwanie) jest grawitacja Ziemi. Elektryczność, to na ogół parametr niewidzialny ,jeśli pominiemy elektryczność atmosferyczną, o której człowiek dowiedział się też bardzo późno.
Ostatnie trzy wieki, to objawienie się elektrycznej natury świata ludzkiego. Nie byłoby istnienia życia na Ziemi, gdyby nie otulina elektromagnetyczna, czyli magnetosfera ziemska. Magnetosfery planet, to zarazem ekosfery życia takiego, jakie znamy.
Rys.5
Ostatnie sto lat, to budowanie przez człowieka sztucznej elektromagnetycznej sfery na powierzchni Ziemi. W szybkim tempie powstaje cywilizacja elektromagnetyczna, w której elektryczność jest czynnikiem dominującym. Czy może to pozostać bez wpływu na kształt życia organicznego na Ziemi? A czy znamy rodzaj i intensywność tego wpływu?
Literatura
[1] M.Laue, Historia fizyki,Warszawa,1960,s.72-75
[2]J.Weyssenhoff,Zasady elektromagnetyki i optyki klasycznej,Tom I,Warszawa,1957,s.71-73
[3]E.M.Purcell, Elektryczność i magnetyzm,Warszawa,1971,s.211-218
[4]R.Penrose,Droga do rzeczywistości,Warszawa,2007,s.421-435
[5] D.L.Anderson,Odkrycie elektronu,Warszawa,1966
[6]F.Rohrlich,Klasyczna teoria cząstek naładowanych,Warszawa,1981,s.125-130
No modern scientist comes close to Einstein's moral as well as scientific stature (John Horgan)
Nowości od blogera
Inne tematy w dziale Kultura
