nauki ścisłe
Autor: ak | dodano: 2015-09-23
EKSPERYMENTY MYŚLOWE. WYPRAWY W GŁĄB WYOBRAŹNI

EKSPERYMENTY MYŚLOWE. Wyprawy w głąb wyobraźni

Eksperymenty myślowe Einsteina to osobna, bogata, ale nie zawsze jednoznaczna spuścizna

Sabine Hossenfelder

Gedankenexperiment, niemieckie słowo określające „eksperyment myślowy”, stało się słynne dzięki odbywanym przez Alberta Einsteina wyprawom w głąb wyobraźni, które zaowocowały największymi przełomami w fizyce. Zrozumienie, że prędkość światła jest stała, kluczowy fakt dla szczególnej teorii względności, uczony wiązał ze swoimi marzeniami, kiedy jako nastolatek wyobrażał sobie, że podróżuje na wiązce światła. Ogólna teoria względności, czyli jego monumentalny opis grawitacji, wyrosła z rozważań na temat odczuć obserwatora jadącego windą. W obydwu przypadkach Einstein stworzył nowe teorie opisujące otaczającą nas rzeczywistość, przezwyciężając dzięki wyobraźni ograniczenia związane z eksperymentami w laboratorium.

Einstein nie był pierwszym ani ostatnim teoretykiem, który postępował w ten sposób, ale to jego niezwykłe osiągnięcia sprawiły, że gedankenexperiment stał się kamieniem węgielnym współczesnej fizyki teoretycznej. Dziś teoretycy regularnie sięgają po eksperymenty myślowe, aby konstruować nowe teorie albo szukać niespójności i nowych zjawisk w ramach teorii już istniejących.

Wykorzystanie eksperymentów myślowych we współczesnej fizyce wymaga jednak postawienia kilku trudnych pytań. Kiedy zmierzamy do wielkiej unifikacji, która połączyłaby mikroskopowy świat mechaniki kwantowej z relatywistycznym, ein­steinowskim opisem całego Wszechświata, okazuje się, że nawet najczęściej pojawiające się pomysły nie mają żadnego oparcia obserwacyjnego w rzeczywistych eksperymentach. Czy więc sama wyobraźnia wystarczy? W jakim stopniu możemy zaufać logicznej dedukcji? Gdzie leży granica pomiędzy intuicją naukową i fantazją? Spuścizna po Einsteinie nie daje jednoznacznych rozstrzygnięć. Z jednej strony jego zaufanie do potęgi rozumu przyniosło bez wątpienia niezwykłe sukcesy. Z drugiej – jego najbardziej znane eksperymenty myślowe opierały się na wynikach rzeczywistych eksperymentów, na przykład na klasycznym doświadczeniu Michelsona-Morleya, które potwierdziło stałość prędkości światła. Co więcej, Einstein usilnie trwał tylko przy tym, co może być zmierzone, a to w niektórych przypadkach nie pozwalało mu zajrzeć w głębsze warstwy rzeczywistości. Jednak nawet jego pomyłki w eksperymentach myślowych przyczyniały się do następujących później przełomów.

Spróbujemy przyjrzeć się kilku najsłynniejszym eksperymentom myślowym Einsteina, wskazując, co było sukcesem, gdzie pojawiły się błędy i jakie jest znaczenie tych eksperymentów dla problemów pojawiających się na froncie fizyki teoretycznej.

 

Winda bez okien

geniusz Einsteina polegał na tym, że prowadząc eksperymenty myślowe, umiał ocenić, które aspekty są kluczowe, a które można pominąć. Rozważmy najbardziej znany spośród nich, eksperyment myślowy z windą, który uczony zaczął rozwijać w 1907 roku. Einstein stwierdził, że obserwator zamknięty we wnętrzu pozbawionej okien kabiny nie jest w stanie stwierdzić, czy spoczywa w polu grawitacyjnym, czy może porusza się do góry ze stałym przyspieszeniem. Następnie wyraził przekonanie, że prawa fizyki w obydwu tych przypadkach powinny wyglądać identycznie. W myśl tej „zasady równoważności” lokalnie (we wnętrzu kabiny) skutki grawitacji są takie same, jak przyspieszanie przy braku grawitacji. Wniosek ten przetłumaczony na równania matematyczne stał się fundamentem ogólnej teorii względności. Innymi słowy, eksperyment myślowy z windą zmotywował Einsteina do śmiałego intelektualnego kroku, który w końcu doprowadził go do stworzenia geometrycznego opisu grawitacji.

 

Więcej w miesięczniku „Świat Nauki" nr 10/2015 »
Drukuj »
Ten artykuł nie został jeszcze skomentowany.
Aktualne numery
11/2017
10/2017 - specjalny
Kalendarium
Listopad
22
W 1904 r. urodził się Louis Néel, francuski fizyk, laureat Nagrody Nobla.
Warto przeczytać
Zmyl trop to użyteczna, ale i pełna powabu oraz przekonująca, kieszonkowa esencja wszystkiego, co chcielibyście wiedzieć o obronie przed inwigilacją.

Logowanie

Nazwa użytkownika

Hasło

Autor: ak | dodano: 2015-09-23
EKSPERYMENTY MYŚLOWE. WYPRAWY W GŁĄB WYOBRAŹNI

EKSPERYMENTY MYŚLOWE. Wyprawy w głąb wyobraźni

Eksperymenty myślowe Einsteina to osobna, bogata, ale nie zawsze jednoznaczna spuścizna

Sabine Hossenfelder

Gedankenexperiment, niemieckie słowo określające „eksperyment myślowy”, stało się słynne dzięki odbywanym przez Alberta Einsteina wyprawom w głąb wyobraźni, które zaowocowały największymi przełomami w fizyce. Zrozumienie, że prędkość światła jest stała, kluczowy fakt dla szczególnej teorii względności, uczony wiązał ze swoimi marzeniami, kiedy jako nastolatek wyobrażał sobie, że podróżuje na wiązce światła. Ogólna teoria względności, czyli jego monumentalny opis grawitacji, wyrosła z rozważań na temat odczuć obserwatora jadącego windą. W obydwu przypadkach Einstein stworzył nowe teorie opisujące otaczającą nas rzeczywistość, przezwyciężając dzięki wyobraźni ograniczenia związane z eksperymentami w laboratorium.

Einstein nie był pierwszym ani ostatnim teoretykiem, który postępował w ten sposób, ale to jego niezwykłe osiągnięcia sprawiły, że gedankenexperiment stał się kamieniem węgielnym współczesnej fizyki teoretycznej. Dziś teoretycy regularnie sięgają po eksperymenty myślowe, aby konstruować nowe teorie albo szukać niespójności i nowych zjawisk w ramach teorii już istniejących.

Wykorzystanie eksperymentów myślowych we współczesnej fizyce wymaga jednak postawienia kilku trudnych pytań. Kiedy zmierzamy do wielkiej unifikacji, która połączyłaby mikroskopowy świat mechaniki kwantowej z relatywistycznym, ein­steinowskim opisem całego Wszechświata, okazuje się, że nawet najczęściej pojawiające się pomysły nie mają żadnego oparcia obserwacyjnego w rzeczywistych eksperymentach. Czy więc sama wyobraźnia wystarczy? W jakim stopniu możemy zaufać logicznej dedukcji? Gdzie leży granica pomiędzy intuicją naukową i fantazją? Spuścizna po Einsteinie nie daje jednoznacznych rozstrzygnięć. Z jednej strony jego zaufanie do potęgi rozumu przyniosło bez wątpienia niezwykłe sukcesy. Z drugiej – jego najbardziej znane eksperymenty myślowe opierały się na wynikach rzeczywistych eksperymentów, na przykład na klasycznym doświadczeniu Michelsona-Morleya, które potwierdziło stałość prędkości światła. Co więcej, Einstein usilnie trwał tylko przy tym, co może być zmierzone, a to w niektórych przypadkach nie pozwalało mu zajrzeć w głębsze warstwy rzeczywistości. Jednak nawet jego pomyłki w eksperymentach myślowych przyczyniały się do następujących później przełomów.

Spróbujemy przyjrzeć się kilku najsłynniejszym eksperymentom myślowym Einsteina, wskazując, co było sukcesem, gdzie pojawiły się błędy i jakie jest znaczenie tych eksperymentów dla problemów pojawiających się na froncie fizyki teoretycznej.

 

Winda bez okien

geniusz Einsteina polegał na tym, że prowadząc eksperymenty myślowe, umiał ocenić, które aspekty są kluczowe, a które można pominąć. Rozważmy najbardziej znany spośród nich, eksperyment myślowy z windą, który uczony zaczął rozwijać w 1907 roku. Einstein stwierdził, że obserwator zamknięty we wnętrzu pozbawionej okien kabiny nie jest w stanie stwierdzić, czy spoczywa w polu grawitacyjnym, czy może porusza się do góry ze stałym przyspieszeniem. Następnie wyraził przekonanie, że prawa fizyki w obydwu tych przypadkach powinny wyglądać identycznie. W myśl tej „zasady równoważności” lokalnie (we wnętrzu kabiny) skutki grawitacji są takie same, jak przyspieszanie przy braku grawitacji. Wniosek ten przetłumaczony na równania matematyczne stał się fundamentem ogólnej teorii względności. Innymi słowy, eksperyment myślowy z windą zmotywował Einsteina do śmiałego intelektualnego kroku, który w końcu doprowadził go do stworzenia geometrycznego opisu grawitacji.