Œ W I T L U D Z K O Œ C I —
D O ΠW I A D C Z E N I E P R Z E T R W A N I A

Pocz¹tki naukowego

spojrzenia na œwiat siêgaj¹
czasów prehistorycznych, gdy
cz³owiek pierwotny zacz¹³
tworzyæ i wykorzystywaæ do
celów praktycznych pierwsze
prymitywne narzêdzia, potrafi³
siê nimi pos³u¿yæ do polowañ
na dzikie zwierzêta oraz przed
nimi obroniæ. Opanowanie
sztuki rozniecania i przecho-
wywania ognia stanowi³o nie
lada rewolucjê naukowo-tech-
niczn¹.

Chocia¿ nie istnia³o wtedy pojêcie nauki i techni-

ki, osi¹gniêcia te wed³ug wspó³czesnej terminologii
niew¹tpliwie nale¿¹ do tej kategorii. By³y bowiem
œwiadectwem obserwacji i refleksji, umiejêtnoœci prze-
chowywania i przekazywania wiedzy nastêpnym poko-
leniom.

Obserwacje i rozwój wiedzy stymulowane by³y

przez potrzeby dnia codziennego, instynkt przetrwania
we wrogim œrodowisku, powolne trwaj¹ce ca³e tysi¹c-
lecia przemiany intelektu.

S T A R O ¯ Y T N O Œ Æ –
T R I U M F I

K L Ê S K A M Y Œ L I

W mrokach historii

i zapomnienia gin¹ zdarze-
nia, które doprowadzi³y do
powstania systemów filozo-
ficznych staro¿ytnoœci, roz-
woju nauki kap³anów egip-
skich, nauki greckiej i ca³ego
bogactwa myœli staro¿ytnej.
Bezpoœrednim czynnikiem,
pobudzaj¹cym ich twórców
by³a obserwacja. Dotyczy³a
natury zarówno przyrody,
jak i spo³eczeñstwa. Nie is-
tnia³y wtedy granice roz-
dzielaj¹ce te œwiaty, a prze-
ciwnie, tworzywem je ³¹cz¹-
cym by³a religia, system
wierzeñ reguluj¹cych stosu-

nek cz³owieka do natury.
Systemy filozoficzne ce-
chowa³y siê wiêksz¹ ab-
strakcj¹ przyjmowanych
modeli, a rozum by³ g³ów-

nym sêdzi¹ w os¹dzaniu ich prawdziwoœci. Mo¿na po-
wiedzieæ z ca³¹ stanowczoœci¹, ¿e pocz¹tki naukowe-
go myœlenia by³y dzie³em myœlicieli greckich

, którzy

tworzyli myœlowe modele czêsto stosuj¹c regu³y geo-
metrii do wyjaœniania zjawisk na niebie i ziemi. Bujny
okres rozwoju nauki zdominowanej przez Greków, za-
pocz¹tkowany przez Talesa z Miletu (640–550 r. p.n.e.),
trwa³ przez kilka stuleci a¿ do kulminacji, jakim by³o
stworzenie przez Ptolemeusza (90–168 r. n.e.) systemu
geocentrycznego z Ziemi¹ jako centrum Wszechœwiata.
W okresie tym œciera³y siê ró¿ne pogl¹dy na tematy do-
tycz¹ce budowy materii i Wszechœwiata, niejednokrot-
nie lepsze ni¿ przyjête ówczeœnie jako oficjalne.

Przyk³adowo, Arystarch z Samos (320–250 r. p.n.e.)

by³ pierwszym twórc¹ systemu heliocentrycznego ze
S³oñcem w centrum. Nie umiej¹c jednak uzasadniæ do-
wodami swych pogl¹dów, uleg³ autorytetom. Demokryt
(460–370 r. p.n.e.) by³ twórc¹ atomizmu. Niektóre z na-
uk by³y tak doskona³e, ¿e przetrwa³y do naszych cza-
sów w formie zasadniczo niezmienionej.

Wymieniæ tu nale¿a³oby ca³y system geometrii,

zwany dzisiaj geometri¹ Euklidesow¹, która ci¹gle sta-
nowi podstawê nauki szkolnej i zastosowañ. Po okresie
œwietnoœci nast¹pi³y jednak wieki mistycyzmu, w któ-
rych oparto naukê na mniej lub bardziej irracjonalnych
dogmatach. Brakowa³o nowej myœli, któr¹ przynios³y
dopiero...

TEKST TRUDNY

!!!

j a k t o o d k r y l i

eureka!

M

Ł

ODY

TECHNIK

1/2006

3

30

0

Słowo teoria wywołuje zwykle

dwa typy reakcji.

Pierwszy – „to nie na moją głowę”. Drugi –

„w życiu mi się i tak nie przyda, bo liczy się

praktyka”. Jest prawdą, że tylko najtęższe

umysły tworzą teorie, czyli spójne i nie-

sprzeczne konstrukcje opisujące językiem ma-

tematyki obszary rzeczywistości fizycznej,

zgodne z wynikami pomiarów gromadzonych

wcześniej doświadczeń i obserwacji. Ale zro-

zumieć teorię może, a nawet musi każdy

z nas, jeżeli chce pojmować i przewidywać

prawidłowo przebieg zjawisk fizycznych

w otaczającej rzeczywistości.

Człowiek pierwotny –

władca ognia i myśli-

wy.

Ptolemeusz – twórca sys-

temu świata z Ziemią

w centrum.

Czym są i jak powstają
TEORIE FIZYCZNE

M . H e n r y k G o n d e k

C Z A S Y N O W O ¯ Y T N E –
N O W Y I M P U L S :
E K S P E R Y M E N T Y

Prawdziwa w dzisiejszym

pojêciu metoda naukowa rozpoczê-
³a siê wtedy, kiedy twórcy, bêd¹cy
do tej pory obserwatorami i myœli-
cielami, uœwiadomili sobie, ¿e:
1. mo¿na budowaæ

urz¹dzenia –
przyrz¹dy nauko-
we, którymi daje
siê obserwowaæ
rzeczy i zjawiska
niedostêpne dla
naturalnych
zmys³ów cz³owieka. Prekursorem by³ Galileusz
w zakresie badania zjawisk astronomicznych za po-
moc¹ stworzonej w 1609 roku pierwszej lunety, która
otworzy³a przed nim œwiat do tej pory przez nikogo
nieobserwowany,

2. zjawiska odbywaj¹ce siê na Ziemi mo¿na badaæ,

powtarzaj¹c je wielokrotnie, przez zapocz¹tkowywa-
nie ich w takich samych warunkach. Dawa³o to mo¿-
liwoœæ poprawiania i uœciœlania osi¹ganych wyników
oraz poprawnego wyci¹gania zeñ wniosków. Ponad-
to tworzone teorie ka¿dy uczony móg³ weryfikowaæ,
czyni¹c je przez to obiektywnymi i niezale¿nymi od
ich twórcy,

3. przy planowaniu doœwiadczeñ i wyci¹ganiu z nich

wniosków nale¿y pomijaæ pewne zjawiska, które
zniekszta³caj¹ ich przebieg i przez to nie pozwalaj¹
na poprawne formu³owanie praw. Przyk³adem mo¿e
tu byæ ruch cia³a w oœrodku materialnym, który temu
ruchowi przeciwstawia siê si³a oporu. Aby mo¿na
by³o sformu³owaæ prawo bezw³adnoœci, nale¿y pomi-
n¹æ wp³yw oœrodka.

Pierwszym badaczem podkreœlaj¹cym wagê ob-

serwacji i eksperymentu w naukowym poznaniu by³
Robert Bacon (1214–1294). Jednak empiryzm jako doj-
rza³y kierunek metodologii naukowej rozwin¹³ siê do-
piero w okresie ¿ycia takich uczonych jak znany
wszystkim Miko³aj Kopernik (1473–1543), twórca no-
wo¿ytnego systemu heliocentrycznego, Tycho de Bra-
che, niezmordowany obserwator gwiazd, w przekona-
niu którego tylko dok³adne obserwacje mog¹ roz-
strzygn¹æ jeszcze trwaj¹cy spór pomiêdzy zwolenni-
kami ci¹gle uznawanego systemu Ptolemeusza a no-
wymi pogl¹dami Kopernika. Wreszcie, Jan Kepler
(1571–1630), który z obserwacji tego ostatniego sfor-
mu³owa³ s³ynne prawa bêd¹ce potwierdzeniem teorii
Kopernika. I na koniec, wspomniany ju¿ Galileo Galilei
(1564–1642), który badaniem spadku cia³ ze s³ynnej
wie¿y w Pizie wykaza³, ¿e przy pominiêciu oporów po-
wietrza wszystkie cia³a niezale¿nie od swojej wagi
spadaj¹ jednoczeœnie. Stworzy³ tym samym podwali-
ny dla Isaaca Newtona (1643–1727), który by³ jego
nastêpc¹ naukowym i pierwszym twórc¹ systemu me-
chaniki, w ramach której wyjaœnia wiêkszoœæ osi¹g-
niêtych rezultatów swoich poprzedników, a przez to
odsy³a na dobre pogl¹dy Arystotelesa do historii.

W S P Ó £ C Z E S N O Œ Æ –
D O ΠW I A D C Z E N I E I

M Y ΠL B E Z B A R I E R

W czasach wspó³czesnych nauka kontynuuje

idee zapocz¹tkowane przez twórców z poprzedniego
okresu. Zasadnicza idea rozwoju nauki uleg³a dopraco-
waniu. W œwiadomoœæ naukowców g³êboko wry³a siê
rola eksperymentu jako wiod¹cego, prowadz¹cego do
odkryæ na szerok¹ skalê. Na drugim miejscu jest two-
rzenie modelu matematycznego rozpatrywanego zja-
wiska czy te¿ ca³ej klasy zjawisk.

Opracowanie takich modeli jest niezbêdne do

stworzenia teorii naukowej potwierdzaj¹cej te modele.
Wyjaœnijmy na prostym przyk³adzie, na czym to polega.

Rozwa¿my swobodny spadek cia³a

z wysokoœci

h rozpatrywany przez Galileusza.

W zjawisku tym wystêpuje szereg towarzy-
sz¹cych zjawisk, które musimy pomin¹æ, aby
sformu³owaæ idealne prawo swobodnego
spadku. Nale¿¹ do nich takie zjawiska jak:
1. opór stawiany przez powietrze, zjawiska

hydrodynamiczne,

2. zjawiska akustyczne,
3. zjawiska cieplne.

Ponadto musimy pomin¹æ wp³yw ru-

chu obrotowego Ziemi i zmianê si³y ciê¿koœ-
ci wraz z wysokoœci¹. To oczywiœcie dzisiaj
wiemy. Galileusz tego nie wiedzia³. Celem
wyeliminowania zjawisk (1 – 3) mo¿emy dzi-
siaj prowadziæ eksperyment w rurze pró¿-
niowej. Liczne pomiary czasu spadania cia³
przekonaj¹ nas do stwierdzenia, ¿e niezale¿-
nie od masy cia³, stosunek wysokoœci

h do

kwadratu czasu spadania

t

2

jest zawsze

sta³y, to jest

h/t

2

= c = const. Ponadto, stwierdzamy

te¿, ¿e stosunek przyrostu prêdkoœci

∆V = V na drodze

h do czasu t jest równy podwojonej powy¿szej sta³ej c.
Zapisuj¹c za pomoc¹ wzoru:

V/t = 2c. Oznacza to nic

innego jak fakt, ¿e ruch cia³a swobodnie spadaj¹cego
jest jednostajnie przyspieszony. Powy¿sze dwa wzory
stanowi¹ istotê matematycznego modelu ruchu cia³a
swobodnie spadaj¹cego, którego sformu³owanie zajê³o
Galileuszowi kilka lat obserwacji i eksperymentowa-
nia. Od czasów Newtona wiemy dodatkowo, ¿e sta³a
c = g/2, gdzie g = 9,81 m/s

2

jest tak zwanym przyspie-

szeniem ziemskim.

N a u k a n i e j e s t n i c z y m i n n y m , j a k w y r a f i n o w a ną f o r m ą c o d z i e n n e g o m y ś l e n i a

A l b e r t E i n s t e i n

N a j b a r d z i e j p r a k t y c z n ą r z e c z ą j e s t d o b r a t e o r i a

L u d w i g B o l t z m a n n

Galileo Galilei – eksperymentator

i obserwator, twórca lunety, pier-

wszy zobaczył góry księżycowe,

fazy Wenus, powierzchnię Marsa.

Odkrył księżyce Jowisza.

A. Einstein – twórca szczególnej i ogólnej teorii względnoś-

ci. Związek pomiędzy masą i energią objaśnia, skąd się

bierze kolosalna energia przy wybuchu bomby atomowej.

Swobodny

spadek ciała

w próżni z wy-

sokości h od-

bywa się ru-

chem jednos-

tajnie przy-

spieszonym

niezależnie od

jego masy.

M

Ł

ODY

TECHNIK

1/2006

3

31

1

EE =

= m

mcc

2

2

Wyznaczaj¹c z pierwszego wzoru czas

i podstawiaj¹c do prêdkoœci wyznaczonej z drugiego

wzoru:

,

otrzymaliœmy wzór na prêdkoœæ z jak¹ cia³o uderza
w ziemiê, spadaj¹c swobodnie z wysokoœci

h.

Ten najprostszy przyk³ad modelu daje nam wy-

obra¿enie, jak pracuj¹ fizycy badaj¹cy nowe zjawiska.
Budowanie modeli, koniecznie opartych na matematy-
ce, jest ich g³ównym zajêciem po otrzymaniu wyników
osi¹gniêtych przez fizyków eksperymentalnych. Maj¹c
sformu³owanych wiele takich jednostkowych modeli, fi-
zycy teoretyczni mog¹ siê pokusiæ o opracowanie teorii
objaœniaj¹cej te jednostkowe przyk³ady. Praca nad tak¹
teori¹ to czasami wiele lat ¿ycia niejednego fizyka.
A mo¿e siê zdarzyæ, ¿e to praca, któr¹ nie sposób wy-
konaæ za ¿ycia jednego pokolenia. Tylko nieliczni doz-
naj¹ tej satysfakcji, jaka towarzyszy ukoñczeniu przy-
najmniej w g³ównym zarysie pe³nej teorii. Na ogó³ fizy-
cy zadowalaj¹ siê pracami cz¹stkowymi prowadz¹cymi
do takiej teorii. Isaac Newton by³ jednym z wielkich
myœlicieli, którym uda³o siê sformu³owaæ zasadniczy
trzon mechaniki zwa-
nej dziœ jego nazwis-
kiem. Omawiany powy-
¿ej model swobodnego
spadku jest tylko jed-
nym z trywialnych
wniosków wynikaj¹-
cych z praw jego me-
chaniki. Mechanika ta, po³¹czona z prawem grawitacji,
wyjaœnia wielk¹ liczbê zjawisk zarówno ziemskich, jak
i astronomicznych, których nie potrafi³y wyjaœniæ ¿adne
pogl¹dy formu³owane przed Newtonem.

Fizycy zafascynowani faktem, ¿e matematyka

tak dobrze modeluje rzeczywistoœæ, staraj¹ siê wyci¹g-
n¹æ jak najwiêcej wniosków z badanej teorii i przewi-
dzieæ oraz opisaæ nowe zjawiska mo¿liwe do badania
w ramach teorii. I na ogó³ im siê to udaje. Zjawisko
przyp³ywów i odp³ywów morskich jest przyk³adem,
którego Newton nie spodziewa³ siê wyjaœniæ, a które
wynika z jego teorii.

Najpiêkniejsz¹ cech¹ teorii jest mo¿liwoœæ prze-

widywania wyników przysz³ych eksperymentów. Jak
mówi³ wielki fizyk Ludwig Boltzmann – „najbardziej
praktyczn¹ rzecz¹ jest dobra teoria”. Niestety, bardzo
krytyczny stosunek do jego teorii wspó³czesnych mu
badaczy by³ przyczyn¹ za³amania psychicznego, które
doprowadzi³o go do samobójstwa. Potwierdzenie doœ-
wiadczalne jego kinetycznej teorii gazów przysz³o za
póŸno.

Nowe zjawiska potwierdzane potem przez zapla-

nowane z góry eksperymenty stanowi¹ wspania³e po-
twierdzenie teorii i s¹ Ÿród³em satysfakcji poznawczej
fizyka. Ta satysfakcja czêsto jest jedynym motywem
badañ uczonego. Negatywny wynik doœwiadczenia
stanowi niestety przeciwko sformu³owanemu modelo-
wi i w ca³oœci go odrzuca, natomiast teoriê, z której on
wynika³, ogranicza i zawê¿a jej zakres stosowalnoœci.
I tak niestety siê dzieje. Ka¿da teoria ma w³asne grani-
ce stosowalnoœci, znajomoœæ których uzyskujemy

w rozwiniêtym jej
stadium. W ni-
czym to nie um-
niejsza samej te-
orii, je¿eli j¹ sto-
sujemy w ramach
tych granic.

Na powy¿szym rysunku przedstawiono schemat

tworzenia teorii fizycznej: od obserwacji zjawisk fizycz-
nych, prowadzenia pomiarów podczas wykonywanych
doœwiadczeñ, do tworzenia matematycznego modelu.
Nastêpnie, poprzez tworzenie teorii fizycznej, przewi-
dywanie nowych zjawisk, do jej eksperymentalnego
potwierdzenia lub obalenia. Istnienie przewidywañ
niezgodnych z pomiarami doœwiadczeñ prowadzi do
odrzucenia modeli lub nawet ca³ej teorii i powrót do
pracy nad now¹. Ponadto, ka¿da nowa teoria rozszerza-
j¹ca istniej¹c¹ musi spe³niaæ podstawowy warunek:
w zakresie stosowalnoœci starej teorii musi dawaæ

przewidywania co naj-
mniej tak dok³adne,
jak stara. W przeciw-
nym przypadku zosta-
je wykluczona.

A co ze zjawis-

kami wykraczaj¹cymi
poza mo¿liwoœci wy-

jaœnienia ich przez dan¹ teoriê? Klasyczna mechanika
Newtona uzyska³a ju¿ swoje rozszerzenia pod postaci¹
zupe³nie nowych teorii. Szczególna teoria wzglêdnoœci
sformu³owana przez A. Einsteina w 1905 roku zajmuje
siê zjawiskami przebiegaj¹cymi z prêdkoœciami bliski-
mi nieprzekraczalnej prêdkoœci œwiat³a w pró¿ni wyno-
sz¹cej oko³o 300 000 km/s. A wiêc badanie cz¹stek ele-
mentarnych i zjawiska zachodz¹ce w akceleratorach –
przyspieszaczach cz¹stek – ca³kowicie jej podlegaj¹.
Ogólna teoria wzglêdnoœci, stanowi¹ca zupe³nie nowej
kategorii teoriê grawitacji pojmowanej jako efekt za-

Akceptacja teorii

to długa i mozol-

na droga

Centrum Drogi Mlecznej

M

Ł

ODY

TECHNIK

1/2006

3

32

2

Postępom fizyki w starożytności i średnich wiekach

nie tyle szkodził wpływ Arystotelesa, ile brak sku-

tecznej metody polegającej na łączeniu doświadcze-

nia z matematyką.

Czesław Białobrzeski

krzywienia czasoprzestrzeni, sformu³owana przez tego
samego uczonego w 1916 roku, stanowi podstawê do
badania Wszechœwiata – gwiazd, galaktyk oraz global-
nych jego w³aœciwoœci. Ugruntowa³a now¹ dziedzinê
fizyki i astronomii, jak¹ jest kosmologia.

Przewidywania jej w postaci egzotycznych

obiektów, jak czarne dziury, pulsary, gwiazdy neutrono-
we, zajmuj¹ liczne rzesze fizyków teoretyków i astrono-
mów obserwatorów.

Obserwatoria kosmiczne jak HUBBLE i CHAN-

DRA zbieraj¹ ka¿dej doby niezliczone iloœci informacji
o Wszechœwiecie podlegaj¹ce obróbce komputerowej
i fotograficznej.

Drugi biegun penetracji naukowej – mikroœwiat,

a wiêc œwiat wnêtrza atomu i cz¹stek elementarnych,
równie¿ umykaj¹cy klasycznej nauce Newtona, oparty
zosta³ na stworzonej w latach 20. XX wieku mechanice
kwantowej i kwantowej teorii pola. Twórcy teorii, jak
Schrödinger, de Broglie, Bohr, Heisenberg, Dirac, a po-
tem Feynman i inni, nawet nie przypuszczali, ¿e mode-
le oparte na ich teorii stan¹ siê najdok³adniejszymi, je-
¿eli chodzi o zgodnoœæ z doœwiadczeniem, z jakim fizy-
cy kiedykolwiek mieli do czynienia.

Zgodnoœæ ich przewidywañ to ju¿ standardowo

osi¹gane 10 miejsce po przecinku.

Wszystkie opisane powy¿ej badania wymagaj¹

olbrzymich nak³adów finansowych i anga¿uj¹ potê¿ne
zespo³y naukowe na skalê miêdzynarodow¹. Nauka nie
jest w czasach dzisiejszych ograniczona do jakiegoœ
konkretnego kraju czy lokalnej spo³ecznoœci uczonych.
Powstaj¹ miêdzynarodowe zespo³y badawcze zatrud-
niaj¹ce tysi¹ce ludzi. Na fotografii pokazany jest ob-
szar, jaki zajmuje akcelerator, zderzacz elektronowo-fo-
tonowy LEP o obwodzie 27 km oraz supersynchrotron
protonowy SPS o obwodzie 6 km, które znajduj¹ siê

w tunelach pod ziemi¹ w miêdzynarodowym oœrodku
fizyki CERN w okolicach Genewy.

Badania naukowe w dziedzinie fizyki nie by³yby

do pomyœlenia bez stosowania metod wspó³czesnej
matematyki. Kto tego nie rozumie, nie powinien siê zaj-
mowaæ t¹ dziedzin¹. Fizyka stymuluje rozwój matema-
tyki. Wiele teorii matematycznych powstawa³o równo-
legle z teoriami fizycznymi na potrzeby tych ostatnich.
Tak by³o z teori¹ przestrzeni Hilberta, na której jest
oparta teoria kwantów. Albert Einstein nie móg³ sfor-
mu³owaæ ogólnej teorii wzglêdnoœci, zanim nie odkry³
stworzonej wczeœniej przez B. Riemanna geometrii naz-
wanej jego nazwiskiem – geometri¹ Riemanna. Z kolei
powstanie szczególnej teorii wzglêdnoœci pobudzi³o
wyobraŸniê H. Minkowskiego do wymyœlenia nowej
geometrii nazywanej dzisiaj geometri¹ Minkowskiego,
a bêd¹cej doskona³ym modelem czasoprzestrzeni,
w której, w pierwszym przybli¿eniu, mo¿na pomin¹æ
pole grawitacyjne. Kierowanie siê œcis³¹ metodologi¹
opart¹ na matematyce i eksperymencie fizycznym daje
nam gwarancjê odkryæ i nie widaæ, aby coœ mog³o
zmieniæ ten stan rzeczy.

!

M

Ł

ODY

TECHNIK

1/2006

3

33

3

Okrąg przedstawiający tunel akceleratora LEP w CERN

pod Genewą