FIZYKA I Notatki do wykładów dla studentów I roku

Instytut Fizyki
FIZYKA I
Notatki do wykładów dla studentów
I roku Wydziału PPT PWr
kierunku Fizyka Techniczna
specjalności Inżynieria Biomedyczna
Semestr zimowy, rok akademicki 2005/06
Autor: Dr hab. inż. Włodzimierz Salejda, prof. PWr
e-mail: [email protected]
e-mail: [email protected]
tel. sł. 320 20 20
strona domowa: http://www.if.pwr.wroc.pl/˜wsalejda
Wrocław, październik 2005 r.
Fizyka a postęp cywilizacyjny
Wiedza i technologia to główne siły napędowe postępu cywilizacyjnego obserwowanego obecnie w krajach wysoko rozwiniętych Europy, Dalekiego Wschodu i Ameryki Północnej1 . W procesie tym znaczącą rolę odgrywa wiedza fizyczna, ponieważ osiągnięcia fizyki nowożytnej (od XVI wieku) przyczyniły się w decydującej mierze do dokonania najważniejszych wynalazków i spowodowały wiele
istotnych wydarzeń w historii. Do najważniejszych wynalazków zaliczamy wynalezienie: baterii elektrycznej (1800), lodówki (1850), silnika benzynowego (1885), samolotu (1903), tranzystora (1948),
sztucznego satelity (1957), minikomputera (1960). W grupie najważniejszych wydarzeń należy odnotować udoskonalenie silnika parowego przez Jamesa Watta (1775), uruchomienie masowej produkcji
samochodów przez Henry Forda (1903) oraz zrzucenie bomb atomowych na Japonię (1945).
W rozwoju nauki i techniki wiodącą rolę odgrywały badania podstawowe i odkrycia dokonane
przez fizyków takich, jak: Galileo Galilei (1564–1642), Isaac Newton (1645–1727), Dmitrij Mendelejew
(1834–1907), Ernest Rutherford (1871–1937), Albert Einstein (1879–1953), Niels Bohr (1885–1962),
Edwin Powell Hubble (1889–1953), Werner Heisenberg (1901–76), Edwin Schrödinger (1887-1961),
Enrico Fermi (1901–54) oraz Richard Feynman (1918–1988).
Mechanika kwantowa była pierwszą i najważniejszą rewolucją naukową XX wieku, która utorowała drogę rewolucji informatycznej i rewolucji w biologii molekularnej. Prace w zakresie kwantowej
fizyki ciała stałego zaowocowały wynalezieniem tranzystora (1948, John Bardeen (1908–1991), Walter Hauser Brattain (1902–87), William Shockley (1910–89)), co pociągnęło za sobą opracowanie
technologii litograficznych, technik produkcji obwodów scalonych, skonstruowanie procesorów oraz
mikroprocesorów. W 2000 roku nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki otrzymali prekursorzy rewolucji informatycznej: Zhores Alferov2 (1930), Herbert Kroemer3 (1928) i Jack Kilby4 (1923). Dwaj
pierwsi zostali uhonorowani za pionierskie prace nad półprzewodnikowymi heterostrukturami stosowanymi obecnie w superszybkich urządzeniach elektronicznych i optoelektronicznych, a J. Kilby
za wynalezienie układów scalonych (co zainicjowało, trwający do dzisiaj, proces ich miniaturyzacji;
mikroprocesory firm Intel i AMD zawierają obecnie ponad 30 milionów tranzystorów upakowanych
na powierzchni nie większej od 1 cm2 .). Osiągnięcia i prace wyżej wymienionych noblistów stworzyły
podstawy fizyczne, na których oparty jest obecny przemysł komputerowy.
W roku 2001 Erica Cornella, Wolfganga Ketterle i Carla Wiemana wyróżniono nagrodą Nobla w dziedzinie fizyki za otrzymanie nowego czysto kwantowego stanu materii — kondensatu
Bosego-Einsteina5 — i badania nad jego niecodziennymi właściwościami.
Lauretami nagrody Nobla z fizyki w 2003 r. zostali Aleksy Abrikosov6, Vitalij Ginzburg oraz Anthony Leggett7 , których uhonorowano za pionierski wkład do teorii nadprzewodnictwa i nadciekłości.
Warto zwrócić uwagę, że wymienione wyżej wybrane nagrody Nobla dotyczą badań podstawowych
w zakresie fizyki fazy skondensowanej.
1
Patrz także rozdział zatytułowany Ocali nas nauka zamieszczony pod koniec tego opracowania.
Opracował podstawy fizyczne działania lasera półprzewodnikowego (1963), który zbudował i uruchomił w 1970
roku na heterozłączu GaAs–GaAlAs.
3
Twórca inżynierii szczeliny energetycznej. tj. materiałów półprzewodnikowych ze zmienną szczeliną energetyczną,
której początki sięgają roku 1957.
4
Wspówynalazca układów scalonych, których koncepcja wysunięta została w 1958 roku. Obok J. Kilby za współwynalazcę układów scalonych uznawany jest Robert Noyce (zmarł w 1990 roku), który zainicjował ich produkcję
w technologii planarnej na bazie krzemu (zamiast germanu).
5
W bardzo niskich temperaturach atomy metali alkalicznych kondensują w stan kawntowy.
6
Na zaproszenie prof. Jerzego Czerwonki, ówczesnego dyrektora Instytutu Fizyki, gościł we Wrocławiu. Szerzej pisze
o tym J. Czerwonko w broszurze pt. Goście naszego Instytutu (w najweselszym baraku obozu) , Oficyna Wydawnicza
PWr, 2004.
7
Na zaproszenie prof. Jerzego Czerwonki, ówczesnego dyrektora Instytutu Fizyki, przebywał miwsiąc we Wrocławiu. Opisuje to J. Czerwonko w broszurze pt. Goście naszego Instytutu (w najweselszym baraku obozu) , Oficyna
Wydawnicza PWr, 2004.
2
2
A. Einstein w latach 1916–17 sformułował kwantową teorię promieniownia. Umożliwiło to skonstruowanie masera w 1958 roku dla mikrofal (Charles Townes (1915) i Arthur Schawlow (1921))
i lasera w 1962 roku (Teodor Maiman). Wynalazki te przyczyniły się to do rozwoju technik światłowodowych, na których oparta jest globalna telekomunikacja naziemna oraz sieci komputerowe. Lasery
są wykorzystywane w odtwarzaczach płyt kompaktowych, w mikrokomputerach do zapisu i odczytu
informacji. Znajdują szerokie zastosowanie w medycynie (okulistyka, diagnostyka, chirurgia, endoskopy, laseroterapia, diagnostyka medyczna). W ostatniej dekadzie XX wieku dokonano kolejnych
spektakularnych osiągnięć w dziedzinie elektroniki kwantowej. Pierwsza niebieska dioda zaświeciła
w 1993 roku. Shuji Nakamura skonstruował niebieski laser w 1995 roku, emitujący falę o długości
∼ 420 nm=4, 2 · 10−7 m. Stwarza to nowe technologiczne i komercyjne możliwości zastosowań (np.
znaczne zwiększenie gęstości zapisu informacji na nośnikach optycznych typu DVD, produkcja kolorowych dysplejów i drukarek laserowych o dużej rozdzielczości).
Postęp w dziedzinie technik opracowanych i używanych w fizyce fazy skondensowanej do badania
struktury przestrzennej ciał stałych umożliwił opracowanie metod tomografii komputerowej (stosowanej w medycynie do tworzenia atlasu genów człowieka oraz do obrazowania tkanek i narządów),
tomografii pozytonowej (obrazowanie tkanek i narządów za pomocą emisji pozytonów) oraz nieinwazyjnej metody obrazowania tkanek i narządów za pomocą rezonansu magnetycznego (tzw. rezonans
magnetyczny), co było możliwe dzięki osiągnięciom fizyków w dziedzinie magnetycznego rezonansu
jądrowego (NMR).
Fizycy mają swój udział w rozwoju telekomunikacji satelitarnej (poprzez uczestnictwo w programach lotów kosmicznych), telefonii komórkowej oraz urządzeń elektronicznych powszechnego użytku.
Fizycy pracujący na amerykańskich uniwersytetach byli w latach 70-ych XX wieku pionierami sieci
komputerowych, których obecnym wcieleniem jest globalna sieć komputerowa Internet. Idea WWW,
dzięki której w Internecie stały się dostępne multimedia, została zaproponowana wprawdzie przez
matematyka Toma Bernersa-Lee’go, ale zrealizowano ją po raz pierwszy w 1991 roku w Europejskim
Centrum Badań Jądrowych w Zurichu (CERN).
W najbardziej dynamicznie rozwijającym się obecnie w tempie wykładniczym przemyśle produkcji komputerów8 , już dzisiaj widoczne są granice rozwoju technologii opartych na krzemie oraz
dostrzega się konieczność opracowania nowych technik i technologii. Dotychczasowe osiągnięcia mechaniki kwantowej stwarzają realne perspektywy konstrukcji nowych komputerów, tzw. komputerów
kwantowych, których możliwości przerastają znacznie moce obliczeniowe komputerów klasycznych.
Wspomnieć należy inne znaczące osiągnięcia fizyków, którymi są: wynalezienie radia, telewizji i radaru, zbadanie struktury atomu i rozszczepienie jądra atomowego, odkrycie genu (nośnika
informacji genetycznej) i struktury przestrzennej kwasu dezyksorybonukleinowego (DNA). Obecne
spektakularne osiągnięcia biologii molekularnej, związane z rozszyfrowywaniem genomu człowieka9,
są konsekwencją rozwoju fizyki kwantowej.
Jesteśmy przekonani, że w przyszłości fizyka będzie przyczyniała się także do rozwoju nauki i priorytetowych technologii XXI wieku, do których zaliczamy: mikroelektronikę, biotechnologię, inżynierię
materiałową i przemysł nowych materiałów, telekomunikację, produkcję samolotów pasażerskich i narzędzi mechanicznych, robotykę i przemysł komputerowy (urządzenia i oprogramowanie).
Przytoczone wyżej wybrane przykłady świadczą o tym, że wiedza fizyczna i metodologia fizyki
stanowią podstawę teoretyczną techniki i technologii będących najważniejszymi przejawami rozwoju
cywilizycyjnego. Dlatego też fizyka wchodzi do kanonu programu kształcenia w wyższych uczelniach
technicznych.
Matematycznym wyrazem tego są prawa Moore’a i postaci N (tk ) = N (0)atk , gdzie a > 1, a N (tk ) to wartość
zmiennej N w chwili czasu tk .
9
W dniu 12 lutego 2001 roku dwie amerykańskie grupy badawcze zakomunikowały o tym, że zidentyfikowały prawie
95% genów człowieka, których liczbę szacuje się na ≃ 30 000.
8
3
Spis podręczników do kursów Fizyki w roku akademickim 2004/2005
Podręczniki w języku polskim
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
16.
17.
18.
19.
20.
21.
22.
23.
24.
25.
26.
27.
28.
29.
30.
A.V. Astachov, Kurs fizyki, t. I–III, WNT, Warszawa 1990.
C. Bobrowski, Fizyka – krótki kurs, WNT, Warszawa 1995.
W. Bogusz, J. Garbarczyk, F. Krok, Podstawy fizyki, Oficyna Wyd. Pol. Warszawskiej, 1997.
F.S. Crowford, Fale, PWN, Warszawa 1975.
Ćwiczenia laboratotyjne z fizyki, Cz. I–IV, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, 1996–99. Wersja elektroniczna podręcznika dostępna w Internecie pod adresem
http://www.if.pwr.wroc.pl/dydaktyka/LPF/. (Opisy cwiczeń i instrukcje robocze na stronie
http://www.if.pwr.wroc.pl/LPF/)
R.P. Feynman, R.B. Leighton, M. Sands, Feynmana wykładu z fizyki, t. I–II, PWN, Warszawa
1971–74 oraz wznowienia tomów wydane w latach 2002–2004; t. III, Mechanika kwantowa,
PWN, Warszawa.
J. Gomułkiewicz, Wykłady z fizyki (w zarysie), Oficyna Wyd. PWr, 1995.
D. Halliday, R. Resnick, J. Walker, Podstawy fizyki, t. I-V, Wyd. Naukowe PWN,
Warszawa 2003; podręcznik podstawowy; www.pwn.com.pl.
J. Walker, Podstawy fizyki. Zbiór zadań, Wyd. Naukowe PWN, Warszawa 2005;
www.pwn.com.pl.
D. Halliday, R. Resnick, Fizyka, PWN, Warszawa 1996.
A. Hennel, Zadania i problemy z fizyki, cz. I–II, Wyd. Naukowe PWN, Warszawa 1997.
P.G. Hewitt, Fizyka wokół nas, PWN, Warszawa 2000.
L. Jacak, Krótki wykład z fizyki ogólnej, Oficyna Wyd. PWr, 1996, 1998, 2001.
A. Januszajtis, Fizyka dla Politechnik, cz. I–III, PWN, Warszawa 1977–91.
B.N. Javorskij, A. A. Pinskij, Elementy fizyki, t. I, II, PWN, Warszawa 1976–77.
B.N. Javorskij i inni, Kurs fizyki, t. I–III, PWN, Warszawa 1979.
K. Jezierski, B. Kołodka, K. Sierański, Wzory i prawa z objaśnieniami, cz. I–III, Oficyna Wyd.
Scripta, Wrocław 1995–2004.
K. Jezierski, B. Kołodka, K. Sierański, Zadania z rozwiązaniami, Oficyna Wyd. Scripta, Wrocław 1996.
K. Jezierski, B. Kołodka, K. Sierański, Zadania z rozwiązaniami. Część I. Skrypt do ćwiczeń
z fizyki dla studentów I roku PWr, Oficyna Wyd. Scripta, Wrocław 1998.
K. Sierański, P. Sitarek, K.Jezierski, Repetytorium. Wzory i prawa z objaśnieniami, Oficyna
Wyd. Scripta, Wrocław 2002.
K. Jezierski, K. Sierański, I. Szlufarska, Repetytorium. Zadania z rozwiązaniami, Oficyna Wyd.
Scripta, Wrocław 1997 i 2003 (uzupełnione wydanie)
C. Kittel, W.D. Knight, N.A. Ruderman, Mechanika, PWN, Warszawa 1973.
Z. Kleszczewski, Fizyka klasyczna, Wyd. Pol. -ląskiej, Gliwice 2001.
Z. Kleszczewski, Fizyka kwantowa, atomowa i ciała stałego, Wyd. Pol. -ląskiej, Gliwice 2000.
Z. Kleszczewski, Wybrane zagadnienia z optyki falowej, Wyd. Pol. -ląskiej, Gliwice 2004.
J. Massalski, M. Massalska, Fizyka dla inżynierów, t. I–II, WNT, 1975–77.
J. Nowak, M. Zając, Optyka elementarna, Oficyna Wyd. PWr, 1998.
J. Orear,Fizyka, t. I–II, WNT, Warszawa 1993.
A. Radosz, Cząstki i pola, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, 1995.
W. Salejda, R. Poprawski, J. Misiewicz, L. Jacak, Fizyka dla wyższych szkół technicznych, Wrocław 2001. Całość e-podręcznika w przygotowaniu, w Internecie dostępny jest obecnie rozdział
pt. Termodynamika, adres: http://www.if.pwr.wroc.pl/dydaktyka/podr/.
4
31. W. Salejda, M.H. Tyc, Zbiór zadań z fizyki, Wrocław 2001 – podręcznik internetowy dostępny
pod adresem http://www.if.pwr.wroc.pl/dydaktyka/zbior/.
32. I.W. Savieliev, Kurs fizyki, t. I–III, WNT, Warszawa 1989; Wykłady z fizyki, t. I–III, WNT,
Warszawa, 1993.
33. S. Szczeniowski, Fizyka doświadczalna, t. I–VI, PWN, Warszawa 1972–83.
34. E.H. Wichmann, Fizyka kwantowa, PWN, Warszawa 1973.
35. H. Wojewoda, Zadania z fizyki dla kandydatów na Politechnikę Wrocławską i studentów kursów
fizyki elementarnej, Oficyna Wydawnicza PWr, Wrocław 1997.
36. E. Wnuczak, Fizyka. Wybrane działy, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, 1995.
37. A.K. Wróblewski, J.A. Zakrzewski, Wstęp do fizyki, t. I–II, PWN, Warszawa 1984–91.
38. Zasoby i dokumenty dostępne w Internecie; wystarczy uruchomić przeglądarkę www.google.pl,
podać hasło i wędrować po stronach, ściągać informacje, czytać i czytać10...
Podręczniki w języku angielskim (nie przetłumaczone dotąd na polski)
39.
40.
41.
42.
43.
H. Benson, University Physics, Revised Edition, Wiley, 1995.
D.C. Giancoli, Physics: principles with applications, Prentice Hall, 1998.
D.C. Giancoli, Physics for Scientists and Engineers with Modern Physics, Prentice Hall, 2000.
R.A. Serway, Physics for Scientists and Engineers, Saunders College Publishing, 1996.
H.D. Young, R.A. Freedman, Sears and Zemansky’s University Physics with Modern Physics,
Addison-Wesley, 2000.
E-materiały do kursu fizyki (i nie tylko) dostępne w Internecie na stronach AGH im. S. Staszica
w Krakowie.
1. Główna strona materiałów dydaktycznych AGH w Krakowie:
http://www.dydaktyka.agh.edu.pl/.
2. Strona Ośrodka Edukacji Niestacjonarnej AGH:
http://www.oen.agh.edu.pl/.
3. Strona Wydziału Fizyki i Techniki Jądrowej AGH:
http://www.ftj.agh.edu.pl/.
4. Testy komputerowe z fizyki AGH:
http://www.oen.agh.edu.pl/STI/fizyka/.
5. e-Fizyka, AGH, kurs internetowy:
http://oen.dydaktyka.agh.edu.pl/dydaktyka/fizyka/a− e− fizyka/;
http://www.ftj.agh.edu.pl/˜kakol/efizyka/.
6. e-Chemia, AGH: kurs internetowy:
http://oen.dydaktyka.agh.edu.pl/dydaktyka/chemia/a−e− chemia/.
7. Algebra liniowa i analiza matematyczna, AGH:
http://oen.dydaktyka.agh.edu.pl/dydaktyka/matematyka/a− algebra− analiza/.
8. Matematyka zakres I roku, AGH:
http://oen.dydaktyka.agh.edu.pl/dydaktyka/matematyka/a− matem− 1− rok/.
10
Przykładowo podanie hasła physics powoduje wyszukanie ponad 23 900 000 miejsc w ciągu 0,17 s.
5
Literatura popularnonaukowa zalecana do kursów Fizyki w roku akademickim 2004/2005
1. R. Dawkins, -lepy zegarmistrz, czyli, jak ewolucja dowodzi, że wiat nie został zaplanowany,
PIW, Warszawa 1994.
2. I. Stewart, Czy Bóg gra w kości? Nowa matematyka chaosu, PWN, Warszawa 1994;
www.pwn.com.pl.
3. S. Weinberg, Sen o teorii ostatecznej, Alkazar, 1994.
4. J. Barrow, Początek Wszechświata, CIS, Warszawa 1995.
5. P. Davies, Ostatnie trzy minuty, CIS, Warszawa 1995.
6. I. Nowikow, Czarne dziury i Wszechświat, Prószyński i S-ka, Warszawa 1995;
www.proszynski.pl.
7. R. Penrose, Nowy umysl cesarza. O komputerach, umyśle i prawach fizyki, PWN, W-wa 1995.
8. R. Dawkins, Samolubny gen, Prószyński i S-ka, Warszawa 1996.
9. A. Dressler, Podróż do wielkiego atraktora. Badania przestrzeni międzygalaktycznej, Zysk i S-ka,
Poznań, 1996.
10. L. Lederman, D. Teresi, Boska cząstka, Prószyński i S-ka, Warszawa 1996.
11. J. Gleick, Chaos. Narodziny nowej nauki, Zysk i S-ka, Poznań 1997.
12. J. Gribbin, W poszukiwaniu kota Schroedingera, Zysk i S-ka, Poznań 1997.
13. M. Kaku, Wizje, czyli jak nauka zmieni świat w XXI wieku, Prószyński i S-ka, Warszawa 1997.
14. R. Penrose, Makroświat, mikroświat, ludzki umysł, Prószyński i S-ka, Warszawa 1997.
15. C. Pichover, Czarne dziury, Amber, 1997.
16. A. Einstein, L. Infeld, Ewolucja fizyki, Prószyński i S-ka, Warszawa 1998.
17. M. Gardner (redaktor wydania), Wielkie eseje w nauce, Prószyński i S-ka, Warszawa 1998.
18. D. Goldsmith, Największa pomyłka Einsteina? Stała kosmologiczna i inne niewiadome w fizyce
Wszechświata, Prószyński i S-ka, Warszawa 1998.
19. J. Gribbin, Encyklopedia fizyki współczesnej, Amber, 1998.
20. J. Gribbin, Kosmologia, Prószyński i S-ka, Warszawa 1998.
21. P. Halperin, Struktura Wszechświata, Prószyński i S-ka, Warszawa 1998.
22. I. Nowikow, Rzeka czasu, Prószyński i S-ka, Warszawa 1998.
23. B.K. Ridley, Czas, przestrzeń, rzeczy, CIS, Warszawa 1998.
24. E. Schroedinger, Czym jest życie?, Prószyński i S-ka, Warszawa 1998.
25. S. Weinberg, Pierwsze trzy minuty. Współczesne poglądy na początki Wszechświata, Wydanie
II, Prószyński i S-ka, Warszawa 1998.
26. J. Bernstein, Teoria wszystkiego, Prószyński i S-ka, Warszawa 1999.
27. R.P. Brennan, Na ramionach olbrzymów, WNT, Warszawa 1999.
28. S. Chandrasekhar, Prawda i piękno. Estetyka i motywacja w nauce, Prószyński i S-ka, Warszawa 1999.
29. J. Gleick, Geniusz. Życie i nauka Richarda Feynmana, Zysk S-ka, Poznań, 1999.
30. J. Gribbin, Kotki Schroedingera, Zysk i S-ka, Poznań 1999.
31. J. Horgan, Koniec nauki, czyli o granicach wiedzy u schyłku ery naukowej, Prószyński i S-ka,
Warszawa 1999.
32. G. Milburn, Inżynieria kwantowa, Prószyński i S-ka, Warszawa 1999.
33. C.P. Snow, Dwie kultury, Prószyński i S-ka, Warszawa 1999.
34. R. Feynman, Charakter praw fizycznych, Prószyński i S-ka, Warszawa 2000.
35. R. Gilmore, Alicja w krainie kwantów, Prószyński i S-ka, Warszawa 2000.
36. A.H. Guth, Wszechświat inflacyjny. W poszukiwaniu nowej teorii pochodzenia kosmosu, seria:
Na ścieżkach nauki, Prószyński i S-ka, Warszawa 2002.
6
37. W.D. Hillis, Wzory na krzemowej płytce, CIS, Warszawa 2000.
38. A. Liddle, Wprowadzenie do kosmologii współczesnej, Prószyński i S-ka, Warszawa 2000.
39. F. Capra, Tao fizyki. W poszukiwaniu podobieństw między fizyką współczesną a mistycyzmem
Wschodu, Wydanie II poprawione i uzupełnione, Biblioteka nowej myśli, Rebis, Poznań 2001.
40. E. Regis, Nanotechnologie. Narodziny nowej nauki, czyli świat cząsteczka po cząsteczce, seria:
Na ścieżkach nauki, Prószyński i S-ka, Warszawa 2001.
41. A. Pais, Pan Bóg jest wyrafinowany... Nauka i życie Alberta Einsteina, Prószyński i S-ka, Warszawa 2001.
42. K. Ernst, Einstein na huśtawce, czyli fizyka zabaw, gier i zabawek, Prószyński i S-ka, W-wa
2001.
43. R. Gilmore, Alicja w Krainie Kwantów. Alegoria fizyki kwantowej, Prószyński i S-ka, W-wa
2001.
44. C.J. Hogan, Mała księga Wielkiego Wybuchu, Prószyński i S-ka, Warszawa 2003.
45. F.H. Shu, Galaktyki, gwiazdy, życie. Fizyka Wszechświata, Prószyński i S-ka, Warszawa 2004.
46. S. Bajtlik, Kosmiczny alfabet, Prószyński i S-ka, Warszawa 2004.
47. M.Heller, Kosmologia kwantowa, Prószyński i S-ka, Warszawa 2004.
48. R. Zubrin, Narodziny cywilizacji kosmicznej, Prószyński i S-ka, Warszawa 2004.
49. B. Greene, Piękno Wszechświata. Superstruny, ukryte wymiary i poszukiwanie teorii ostatecznej, Prószyński i S-ka, Warszawa 2004.
50. M. Heller, Początek jest wszędzie. Nowa hipoteza pochodzenia Wszechświata, Prószyński i S-ka,
Warszawa 2004.
51. R. Dawkins, Rozplatanie tęczy. Nauka, złudzenia i apetyt na cuda, Prószyński i S-ka, Warszawa
2004.
52. A. Lightman, -wiatło z przeszłości. Dzieje kosmologii współczesnej, Prószyński i S-ka, Warszawa
2004.
53. J. Losee, Wprowadzenie do filozofii nauki, Prószyński i S-ka, Warszawa 2004.
54. I. Steward, J. Cohen, Wytwory rzeczywistości. Ewolucja umysłu ciekawego, Prószyński i S-ka,
Warszawa 2004.
7
Metodologia fizyki
Rozpoczniemy ten rozdział od odpowiedzi na pytanie: Co to jest nauka? Rada Amerykańskiego
Towarzystwa Fizycznego zaproponowała następujące określenie:
Nauka to systematyczne przedsięwzięcie gromadzenia wiedzy o świecie i porządkowania tej wiedzy w zwartej postaci weryfikowalnych praw i teorii. Sukces i wiarygodność
nauki są oparte na gotowości naukowców do:
1. Poddawania (wystawiania) swoich idei i wyników na niezależne sprawdzanie
(weryfikowanie)11 i odtwarzanie przez innych naukowców; wymaga to pełnej
i otwartej wymiany danych, procedur i materiałów.
2. Porzucania (odstępowaniu) lub modyfikowania przyjętych wniosków, kiedy zostają one skonfrontowane z pełniejszymi lub bardziej wiarygodnymi dowodami
doświadczalnymi12.
Stosowanie się do powyższych zasad dostarcza mechanizmu samokorekcji, który jest
fundamentem wiarygodności nauki.
Tak zdefiniowana nauka jest nazywana nauką twardą, co odpowiada w języku angielskim słowu
science.
Co to jest fizyka? Fizyka to podstawowa nauka przyrodnicza. Zajmuje się badaniem właściwości materii i zjawisk zachodzących we Wszechświecie oraz wykrywaniem ogólnych praw, którym te
zjawiska podlegają. Pod pojęciem Wszechświatu rozumiemy dostępny doświadczeniu13 obszar czasoprzestrzeni.
Nowożytną fizykę rozwijaną od wieku XVI do dzisiaj można podzielić na:
1. Fizykę klasyczną obejmującą mechanikę, termodynamikę i elektromagnetyzm.
2. Fizykę postklasyczną14 , do której zaliczamy: szczególną i ogólną teorię względności, mechanikę
kwantową (w tym fizykę: atomu, jądra atomowego, ciała stałego), elektrodynamikę kwantową,
fizykę cząstek elementarnych i astrofizykę. Te dziedziny powstały w wieku XX.
11
Jest to podstawowy atrybut tzw. twardej nauki, która jest otwarta, prze”roczysta, transparentna.
Twarda nauka jest falsyfikowalna w sensie zaproponowanym przez K. Poppera.
13
Znaczenia terminów zredagowanych czcionką, jakiej użyto w słowie doświadczenie są podane w słowniku
terminologicznym.
14
Za datę narodzin fizyki postklasycznej można umownie przyjąć rok 1900 (należący do wieku XIX), kiedy to Max
Planck podał wzór określający zależność spektralnej zdolności emisyjnej ciała doskonale czarnego od częstotliwości
i temperatury. Miało to miejsce na dwóch zebraniach Niemieckiego Towarzystwa Fizycznego, które odbyły sie w Berlinie
19 października i 14 grudnia 1900 roku.
12
8
Fizyka wypracowała odpowiednią metodologię, u podstaw której leży założenie o tym, że Wszechświat istnieje obiektywnie i jest poznawalny. Metodologia fizyki (credo fizyki, credo fizyka) polega
na:
• obserwowaniu rzeczy (ciał) i zjawisk,
• wykonywaniu eksperymentów (także myślowych i komputerowych),
• wyciąganiu i formułowaniu wniosków w postaci możliwie ogólnych teorii,
• weryfikacji doświadczalnej tychże teorii.
Obserwacje i eksperymentowanie stanowią domenę głównie fizyki doświadczalnej i związane są w naturalny sposób z planowaniem i projektowaniem doświadczeń. To z kolei wymaga twórczego myślenia (odgrywającego istotną rolę na etapie przygotowywania i przeprowadzania eksperymentów)
oraz umiejętności abstrahowania polegającego na odróżnieniu istotnych od nieistotnych elementów
i czynników w prowadzanych badaniach. Przed przystąpieniem do wykonywania doświadczeń należy
skonstruować i zbudować stanowisko pomiarowe co pociąga za sobą konieczność stosowania bardzo
złożonych i kosztownych przyrządów lub urządzeń. Przykładowo w USA na przełomie lat 80. i 90.
XX wieku podjęto budowę największego i najdroższego instrumentu fizycznego zwanego Nadprzewodzącym Superakceleratorem, na którym miały być przeprowadzene kluczowe dla fizyki cząstek
elementarnych eksperymenty. Superakcelerator nadawałby protonom energię kinetyczną Ek rzędu
1013 eV= 1, 6 · 10−6 J, co oznaczałoby, że ich prędkość byłaby rzędu 0, 999999995c q
= (1 − 5 · 10−9 )c,
gdzie c—prędkość światła (podana wartość prędkości nie odpowiada liczbie v = 2Ek /mprotonu =
4, 5 · 1010 m/s, ponieważ przy tak dużych energiach Ek nie można stosować fizyki klasycznej lecz
dynamikę relatywistyczną). Projekt budowy przewidywał wydanie na ten cel ponad 5 mld dolarów.
Jednakże w 1993 roku Kongres USA podjął decyzję i wstrzymaniu finansowania budowy superakceleratora mimo wydanie na ten cel w latach poprzednich 2 mld dolarów. Być może dalsze prace
zostaną wznowione w niedalekiej przyszłości, ponieważ prezydentem USA jest George Walker Bush,
były gubernator stanu Texas, na terytorium którego był budowany superakcelerator.
Twórcze myślenie i wnioskowanie indukcyjne stanowią główną domenę fizyki teoretycznej15 i odgrywają najistotniejszą rolę w procesie opracowywania wyników obserwacji i pomiarów. Wtedy poszukiwane są prawidłowości i porządek w danych doświadczalnych, formułowane są wnioski, hipotezy,
uogólnienia, nowe pojęcia i idee, modele i teorie, prawa i zasady. Teorie fizyczne nie są li tylko prostą
konsekwencją obserwacji i doświadczeń chociaż są wynikiem dążenia do ich wyjaśnienia, zracjonalizowania lub uporządkowania. Wyniki doświadczeń mogą inspirować formułowanie teorii fizycznych,
które są następnie akceptowane lub nie w oparciu i obserwacje i eksperyment16.
15
W tym kontekście laureat nagrody Nobla Leon Lederman napisał: Niewątpliwie teoretykom niezasłużenie przypisuje
się część zasług za dokonanie pewnych odkryć. Sekwencję „teoretyk, eksperymentator, odkrycie” porównywano czasem
do sekwencji „farmer, świnia, trufle”. Farmer prowadzi świnię w okolice, gdzie być może rosną trufle. -winia wytrwale
ich szuka, wreszcie znajduje, a gdy zamierza je pożreć, farmer zabiera je dla siebie.
16
W naukach przyrodniczych akceptowane są teorie falsyfikowalne, tj. takie których przewidywania i wnioski można
eksperymentalnie obalić, tj. wskazać na ich fałszywość. Mówimy wówczas, że dana teoria (model) została sfalsyfikowana.
Jest to podejście o ograniczonym zakresie stosowalności z uwagi na to, że wyniki pomiarów są obarczone niepewnościami
pomiarowymi. W tym sensie absolutnie dokładne potwierdzenie lub obalenie danej teorii fizycznej nie jest możliwe. Jak
widzimy obserwacja i doświadczenie to ”ródła poznania i poznawania przyrody, a zarazem kryterium jej poznawalności.
9
W celu zrozumienia grupy podobnych zjawisk fizycznych lub właściwości obiektów posługujemy
się modelami i modelowaniem.
Pod pojęciem modelu rozumiemy zarówno teoretyczny jak i fizyczny obiekt, którego obserwacja
lub analiza ułatwia i umożliwia poznanie właściwości lub rozwiązanie innego badanego obiektu lub
zjawiska. Modele formułujemy w celu poglądowego i przybliżonego wyobrażenia sobie myślowego
lub wizualnego obrazu obiektu lub zjawiska, jeśli nie wiemy co aktualnie dzieje się. Budujemy je na
zasadzie analogii za pomocą obiektów lub pojęć, które są nam dobrze znane. Konstruując model
idealizujemy badany układ lub zjawiska przyjmując określone założenia upraszczające. W tym celu
stosujemy zasadę abstrahowania, tj. myślowego eliminowania wybranych właściwości oraz wpływu
określonych czynników lub ich zmian na badane zjawisko lub obiekt. Najczęściej formułujemy modele
teoretyczne (używając odpowiedniego aparatu matematycznego17), które są hipotetyczną konstrukcją myślową będącą uproszczonym obrazem badanego obiektu, układu ciał, zjawisk lub procesów
uwzględniającym ich najistotniejsze właściwości.
Modelowanie to doświadczalna lub matematyczna metoda badania układów i zjawisk fizycznych
na podstawie skonstruowanych modeli. Modele teoretyczne badamy wykorzystując do tego celu aparat matematyczny oraz coraz częściej posługując się w tym celu metodami numerycznymi lub symulacjami wykonywanymi na komputerach. Przykładowo: model ruchu harmonicznego to matematyczna
analogia nietłumionego ruchu drgającego wahadeł: matematycznego, fizycznego, skrętnego, masy
podwieszonej do sprężyny, jak również drgań elektrycznych w układzie LC; model silnika cieplnego
to wyidealizowana konstrukcja myślowa rzeczywistego silnika cieplnego; model gazu idealnego to
hipotetyczna konstrukcja myślowa stworzona w celu zrozumienia właściwości gazów rzeczywistych;
model płynu idealnego to myślowe wyobrażenie płynów ściśliwych i lepkich; model bryły sztywnej
to hipotetyczna koncepcja nieodkształcalnego (niedeformowalneg) ciała stałego; model Bohra atomu
wodoru to teoretyczna konstrukcja związanego układu złożonego z protonu oraz elektronu oddziaływujących ze sobą siłami elektrycznymi; standardowy model cząstek elementarnych to uproszczony
obraz oddziaływań fundamentalnych i budowy materii na poziomie mikroskopowym; standardowy
model rozszerzającego się Wszechświata to wyidealizowany scenariusz historii jego ewolucji.
Teoria to usystematyzowany zbiór praw, zasad i twierdzeń (wiedza) pomocny w wyjaśnieniu określonego zbioru zjawisk lub właściwości badanych obiektów. Każda teoria posługuje się modelami
oraz modelowaniem i ma na celu rozwiązanie określonej grupy zagadnień. Przykładem służą między
innymi: atomistyczna teoria budowy materii, teoria względności (fizyka obiektów poruszających się
z prędkościami bliskimi prędkości światła), teoria sprężystości, teoria pola elektromagnetycznego,
teoria magnetyzmu, teoria grawitacji, teoria cząstek elementarnych.
Prawo fizyczne opisuje prawidłowość występująca w przyrodzie. Jest wyrażane najczęściej w postaci zależności funkcyjnej między dwoma lub więcej wielkościami fizycznymi spełnionej w określonych warunkach. Przykładowo: prawa Kirchhoffa, prawa Keplera, prawo Archimedesa, prawo indukcji
elektromagnetycznej Faraday’a, prawo promieniowania Stefana-Boltzmanna.
Wsród praw fizyki istnieją prawa szczególnie ważne, fundamentalne i uniwersalne zwane zasadami.
Zasada jest wyrażana jako zdanie złożone z dwóch członów, z których pierwszy jest założeniem,
a drugi tezą. Przykłady: zasady dynamiki Newtona, zasady zachowania energii, pędu, momentu pędu,
pierwsza i druga zasada termodynamiki, zasada względności, zasada nieoznaczoności Heisenberga.
17
Językiem fizyki jest matematyka.
10
Warto w tym miejscu zwrócić uwagę na nowe możliwości eksperymentowania, symulowania zjawisk fizycznych, badania nierozwiązywalnych analitycznie zagadnień oraz weryfikacji teorii, jakie oferuje fizyka komputerowa. Jest to interdyscyplinarna dziedzina fizyki, która powstała na pograniczu
fizyki teoretycznej, metod modelowania matematycznego (algorytmy i metody numeryczne), techniki
komputerowej i informatyki (programowanie). Fizyka komputerowa rozwinęła się w ostatnich latach
XX wieku i jest naturalną konsekwencją spektakularnego rozwoju przemysłu komputerowego, wzrostu mocy obliczeniowych komputerów, ich dostępności i łatwości posługiwania się. Jej narzędziami
badawczymi są komputery. Coraz szybsze i bardziej wydajne maszyny cyfrowe pozwalają na prowadzenie eksperymentów komputerowych, projektowanie materiałów, symulowanie zjawisk i procesów
fizycznych w warunkach ekstremalnych, nieosiągalnych w warunkach ziemskich lub niewykonalnych
z uwagi na ogromne koszty realizacji. Ponadto komputer jest niezwykle cennym narzędziem w przypadkach analizowania zagadnień18, których dokładnych rozwiązań nie znamy. Fizyka komputerowa
umożliwia wyznaczanie przybliżonych rozwiązań problemów nierozwiązywalnych analitycznie. Wymaga to od fizyka (komputerowego) dobrej znajomości analizy numerycznej (w celu wyboru odpowiedniej metody lub algorytmu) oraz języka programowania (umożliwiającego zapisanie algorytmu
w postaci procedury zrozumiałej dla komputera). W tym kopntekście należy zwrócić uwagę na fizykę przetwarzania informacji, której głównym celem jest skonstruowanie komputera kwantowego —
podstawowego narzędzia informatyki kwantowej.
Jak widzimy metodologia fizyki polega na obserwacji zjawisk i procesów, prowadzeniu doświadczeń, wykonywaniu pomiarów, wysuwaniu nowych koncepcji, pojęć oraz idei, stawianiu hipotez, odkrywanie praw i zasad, budowaniu modeli oraz teorii, które następnie stosowane są do przewidywania
właściwości materiałów lub przebiegu zjawisk (niezbędnych także do produkcji dóbr materialnych).
Teorie fizyczne poddawane są weryfikacji pod kątem ich zgodności z rzeczywistością (mówimy, że
poddawane są weryfikacji doświadczalnej)19. W ten sposób mamy do czynienia z samouzgodnionym procesem poznawania przyrody będącym istotą metodologii fizyki. Jest to właściwe zespolenie
praktyki z teorią, bo jak twierdził Richard Feynman: ”You do not know anything until you have
practiced”.
Warto w tym miejscu wskazać dziedziny, którymi fizyka nie zajmuje się. Są to między: teoria absolutu, numerologia, astrologia, psychokineza, czarnoksięstwo, jasnowidztwo, telepatia, spirytualizm,
życie pozagrobowe, wróżbiarstwo (w tym przewidywanie końca świata), zjawiska nadprzyrodzone,
magia, ufologia. Wymienione dyscypliny nie są przedmiotem zainteresowania fizyki, ponieważ leżą
poza zasięgiem jej metodologii. Wprawdzie fizyka nie zajmuje się teologią, ale w jej orbicie zainteresowań znajduje sie toelogia20
18
Jest to zazwyczaj problem matematyczny sformułowany za pomocą równań algebraicznych, wyrażeń zawierających pochodne (zwyczajne lub cząstkowe) całki, równań różniczkowych, układów równań (liniowych lub nieliniowych,
algebraicznych lub różniczkowych).
19
Można to krótko skwitować stwierdzeniem: Fizyk nie uwierzy, dopóki nie zmierzy.
20
Neologizm wywodzący się od angielskiej nazwy Theory of Everythink (TOE), tj. teorii wszystkiego (teorii ostatecznej). Podkreślmy jednak, że różnica między teologią a toelogią jest zasadnicza. Jak między słowami hipoteza
i hipoteka.
11
Wielkości fizyczne
Pod pojęciem wielkości fizycznej X rozumiemy właściwość obiektu lub zjawiska, którą można porównać ilościowo (mówimy krótko zmierzyć) z taką samą właściwością innego obiektu lub zjawiska.
W tym określeniu podana jest jednocześnie definicja pomiaru, który polega na ilościowym porównaniu
danej (mówimy mierzonej) wielkości fizycznej z wielkością przyjętą za wzorzec (zazwyczaj odczytywaną lub wskazywaną przez przyrząd). Tak więc wielkość fizyczna to właściwość obiektu lub zjawiska
fizycznego, którą można zmierzyć.
Wielkości fizyczne dzielimy na podstawowe, pomocnicze i pochodne. W charakterze wielkości
podstawowych wybieramy te, które dzięki odpowiednim przyrządom i technice pomiarowej można
możliwie precyzyjnie zmierzyć, a wzorce ich jednostek możliwie prosto i dokładnie odtwarzać. Zbiór
wielkości podstawowych jest ustalany umowami międzynarodowymi (patrz dalej). W SI wielkościami
podstawowymi są: czas, długość, masa, temperatura, natężenie prądu, światłość oraz ilość materii,
a wielkościami pomocniczymi: kąt płaski i kąt przestrzenny. Jednostki miar wielkości podstawowych są w SI jednoznacznie zdefiniowane (patrz słownik terminologiczny oraz podane dalej definicje
jednostki miar wielkości podstawowych) i zatwierdzone przez międzynarodową konferencję, która odbyła się w 1991 roku. Używane są także wielokrotności lub podwielokrotności tych jednostek (patrz
tabela).
12
Definicje jednostek miary
podstawowych wielkości fizycznych w SI
METR (m) — jednostka miary długości
Metr jest to długość drogi przebytej przez światło w czasie (1/299792458) sekundy.
KILOGRAM (kg) — jednostka miary masy
Kilogram to masa cylindra wykonanego ze stopu platyny i irydu, przechowywanego
w Międzynarodowym Biurze Miar i Wag w pobliżu Paryża.
SEKUNDA (s) — jednostka miary czasu
Sekunda jest to czas trwania 9 192 631 770 okresów promieniowania elektromagnetycznego emitowanego podczas przejścia elektronu między jednoznacznie określonymi
poziomami energetycznymi atomu cezu (133
55 Cs).
KELWIN (K) — jednostka miary temperatura
Kelwin to 1/273, 16 część temperatury punktu potrójnego wody.
AMPER (A) — jednostka miary natężenia prądu
Amper to natężenie prądu płynącego w dwóch długich, równoległych przewodnikach, odległych o 1 metr, znajdujących się w próżni, powodującego powstanie siły
oddziaływania magnetycznego między tymi przewodnikami wynoszącej 2, 0·10−7 Newtona na każdy metr ich długości.
KANDELA (cd) — jednostka miary światłości
Kandela to natężenie promieniowania elektromagnetycznego o częstotliwości
5, 4·1014 Hz i mocy 1/683 wata emitowanej przez ”ródło w kąt bryłowy równy jednemy
steradianowi.
MOL (mol) — jednostka miary ilości materii
Mol to ilość materii, w której liczba molekuł jest równa liczbie atomów zawartych
w 0, 012 kg węgla 12 C. Liczba tych atomów jest równa liczbie Avogadro i NA ≃ 6, 022 ·
1023 molekuł/mol.
RADIAN (rd) — jednostka miary kąta płaskiego
Radian jest to kąt płaski i wierzchołku umieszczonym w środku okręgu, którego ramiona wyznaczają na okręgu łuk i długości równej promieniowi tego okręgu.
STERADIAN (sr) — jednostka miary kąta sferycznego
Steradian jest to kąt sferyczny (bryłowy) o wierzchołku umieszczonym w środku sfery,
wyznaczający na jej powierzchni wycinek, którego pole jest równe kwadratowi promienia tej sfery.
13
Analiza wymiarowa
Każda wielkość fizyczna21 X ma określony wymiar, który oznacza jej fizyczną naturę.
[X] to symbol wymiaru wielkości fizycznej X.
Wymiar wielkości podstawowych jest określany za pomocą definicji tychże wielkości.
Wymiary wielkości podstawowych: długość, czas i masa umownie oznacza się za pomocą symboli,
odpowiednio, L, T i M.
Wymiar [X] pochodnej wielkości fizycznej X jest:
• określany za pomocą praw lub zasad fizycznych,
• wyrażany jako iloczyn lub iloraz podstawowych wielkości fizycznych, podniesionych do odpowiednich potęg.
Przykład 1. Pęd to wektor ~p = m~v → [p] = ML/T (bo [v] = L/T ).
Przykład 2. Wymiar F~ : [F ] = ML/T 2 , ponieważ F~ = m · ~a, i ~a — przyspieszenie.
Analiza wymiarowa oparta jest na następującej własności:
Wymiar wielkości fizycznej to wielkość algebraiczna
⇓
Reguły analizy wymiarowej
R1. Wielkości fizyczne mogą być dodawane lub odejmowane pod warunkiem, że mają ten sam
wymiar.
R2. Wymiary strony lewej i prawej poprawnie sformułowanej równości powinny być takie same.
R1 oznacza, że nie można dodawać do siebie np. długości i masy, R2 mówi, że nie można ich ze sobą
porównywać.
Przykład 1. Czy poprawnym jest wzór
s = const at2,
określający zależność przebytej drogi s od czasu w ruchu jednostajnie przyspieszonym z przyspieszeniem a bez prędkości początkowej.
Rozwiązanie: [s] = L, a wymiar prawej strony [at2] = [a][t2] = (L/T 2 )T 2 = L.
Odpowied”: wzór jest poprawna z dokładnością do bezwymiarowego czynnika const.
21
Konwencja: dużymi literami będziemy oznaczali wielkości fizyczne.
14
Zastosowanie analizy wymiarowej w celu wyznaczenia postaci zależności funkcyjne typu iloczynowego między kilkoma wielkościami fizycznymi.
Przykład 2. Załóżmy, że hipotetyczna zależność między przyspieszeniem a ciała wykonującego
ruch po okręgu o promieniu R ze stałą prędkością v > 0 jest typu
a =∝ v α Rβ .
Jakie są wartości wykładników α i β?
Rozwiązanie: skorzystamy z R2 → [a] = LT −2, ten sam wymiar powinna mieć prawa strona wzoru
(L/T )α Lβ = Lα+β T −α → α + β = 1 i − α = −2.
Odpowied”: α = 2, β = −1 i a =∝ v 2R−1 =∝ v 2/R.
Przykład 3. Uniwersalne stałe przyrody:
— stała grawitacji G = 6, 67 · 1011 m3 /(kg·s2 ) i [G] = L3 M−1 T−2 ,
— stała Diraca h̄ = h/2π = 1, 06 · 10−34 kg·m2/s, gdzie h= 6, 63 · 10−34 kg·m2/s — stała Plancka
i [h̄] = M1L2 T−1 ,
— prędkość światła c= 3, 0 · 108 m/s i [c] = L1 T−1 .
Korzystając z analizy wymiarowej utworzyć z nich wielkości: (1) tP (czas Plancka), (2) lP (długość
Plancka), (3) mP (masa Plancka) i wymiarach, odpowiednio, czasu, długości i masy.
Ws-ka. Założyć, że tP = Gαh̄β cγ .
Rozwiązanie: Załóżmy, że mp = Gαh̄β cγ . Po podstawieniu wymiarów wielkości z lewej strony
równości otrzymujemy
L3α M−α T−2α Mβ L2β T−β Lγ T−γ = M1 L0 T0 .
Stąd wynika układ równań:
3α + 2β + γ = 0, −α + β = 1, −2α − β − γ = 0,
którego rozwiązaniami są:
β = γ = −α = 1/2.
Odpowied”: mP =
s
h̄ · c
.
G
15
Szacowanie wartości wielkości fizycznych
W wielu zagadnieniach interesuje nas przybliżona wartość rozpatrywanej wielkości fizycznej X.
Może to być spowodowane tym, że wyznaczenie dokładnej wartości trwałoby długo lub wymagałoby
dodatkowych informacji lub danych, którymi nie dysponujemy lub są nam niepotrzebne. W innych
przypadkach chcemy jedynie mieć grube oszacowanie wartości wielkości fizycznej z dokładnością, jak
mówimy, co do rzędu.
Szacowanie prowadzimy w ten sposób, że liczby określające miary stosowanych wielkości fizycznych w wybranym układzie jednostek (SI) zaokrąglamy do jednej cyfry znaczącej i zapisujemy je
w postaci dziesiętnej (np. l = 4200 m jako l ≃ 4, 0 · 103 m, a t = 3600 s jako t ≃ 4, 0 · 103 s). Następnie na tak otrzymanych liczbach dokonujemy operacji algebraicznych i otrzymany wynik zapisujemy
ponownie w postaci dziesiętnej z jedną cyfrą znaczącą. Przykładowo, jeśli szacujemy rząd wartość
prędkości v = l/t, gdzie l = 2 160 000 m i t = 3600 s, to w szacowaniach kładziemy l ≃ 2, 0 · 106 m,
t ≃ 4, 0 · 103 s i otrzymujemy v ≃ 2, 0 · 106 /4, 0 · 103 = 0, 5 · 103 = 5, 0 · 102 m/s.
Przykład. Spróbujmy oszacować grubość d kartki papieru trzymanej w rękach książki, której grubość D jest równa 4, 4 cm, a liczba N zawartych w niej stron wynosi 1515. Wtedy szacunkowa wartość
grubości pojedynczej kartki wynosi d = D/N = 4, 4 · 10−2 /1515 ≃ 4, 0 · 10−2 /2, 0 · 103 = 2, 0 · 10−5 m.
Oznacza to, że grubość kartki jest rzędu setnych części (dokładniej 2, 0 · 10−2 ) milimetra.
Zadanie. Oszacować liczbę: (a) oddechów człowieka w ciągu jego życia, (b) uderzeń serca w ciągu
życia człowieka, ę atomów w 1 m3 ciała stałego (przyjąć, że średnica atomu jest rzędu 10−10 m), (d)
oszacować powierzchnię i objętość swego ciała.
16
Nazwy przedrostków
Czynnik Przedrostek Symbol
1024
1021
1018
1015
1012
109
106
103
102
101
10−1
10−2
10−3
10−6
10−9
10−12
10−15
10−18
10−21
10−24
jotta
zetta
eksa
peta
tera
giga
mega
kilo
hekto
deka
decy
centy
mili
mikro
nano
piko
fempto
atto
zepto
jokto
17
Y
Z
E
P
T
G
M
k
h
da
d
c
m
µ
n
p
f
a
z
y
Wybrane dane i Wszechświecie
Pod pojęciem Wszechświatu rozumiemy dostępny doświadczeniu obszar czasoprzestrzeni.
Podstawowe dane dotyczące rozmiaru, wieku i składu Wszechświata — areny
obiektów i zjawisk fizycznych.
Wiek Wszechświata (słowa te pisane są na początku XXI w.)
(4, 7 ± 1, 6) · 1017 sekund = (15 ± 5) miliardów lat.
Rozmiary liniowe22 Wszechświata
(1, 4 ± 0, 5) · 1026 metrów.
Wszechświat wypełnia materia występująca pod postacią cząstek masowych
i bezmasowych.
Liczba cząstek masowych we Wszechświecie (nukleonów: protonów i neutronów), jest rzędu 1078.
Liczba fotonów (cząstek bezmasowych) jest rzędu 1087.
Szacuje się, że w jednym metrze sześciennym znajduje sie średnio 1/10
nukleonu23 oraz 109 fotonów.
Wszechświat jest obiektem dynamicznym, ponieważ rozszerza się o czym świadczą obecne dane astrofizyczne i radioastronomiczne.
22
Jest to wynik działania 3600 · 24 · 365, 25 · 1, 0 · 1010 s · 3, 0 · 108 m/s = 0, 947 · 1026 metra oraz 3600 · 24 · 365, 25 ·
2, 0 · 1010 s · 3, 0 · 108 m/s = 1, 894 · 1026 metra; średnia arytmetyczna tych wyników jest równa 3600 · 24 · 365, 25 · 1, 5 ·
1010 s · 3, 0 · 108 m/s = 1, 4 · 1026 metra.
23
Oznacza to, że w 10 m3 znajduje się jeden proton.
18
Charakterystyczne odległości
i rozmiary wybranych obiektów
Obiekt
Odległość
(m)
Promień Wszechświata
Najodleglejsza galaktyka
odkryta w lutym 2004 r
Galaktyka Andromedy
Najbliższa gwiazda
Proxima Centauri
Rok świetlny
Słońce
Księżyc
-rednica Ziemi
Odległość sztucznego
satelity od pow-chni Ziemi
Rozmiar liniowy muchy
Rozmiar liniowy pyłku kurzu
Rozmiar liniowy bakterii
Rozmiar liniowy wirusów
-rednica atomu wodoru
-rednica jądra atomu
-rednica protonu
-rednica kwarka
Długość Plancka
2 · 1026
1, 2 · 1026
2, 0 · 1022
4, 0 · 1016
9, 46 · 1015
1, 5 · 1011
3, 8 · 108
6, 4 · 106
2, 0 · 105
5, 0 · 10−3
10−4
10−5 ÷ 10−6
10−7 ÷ 10−8
10−10
10−14
10−15
10−18
1, 6 · 10−35
Rozpiętość 61 rzędów wielkości.
19
Charakterystyczne czasy wybranych
obiektów lub zjawisk fizycznych
Obiekt
Czas trwania (s)
Czas życia protonu
Wiek Wszechświata
Wiek Ziemi
Wiek studenta(tki)
Rok
Doba
Okres między
uderzeniami serca
człowieka
Okres słyszalnej
fali d”więkowej
Okres fali radiowej
Okres drgań atomów
w ciele stałym
Okres fali świetlnej
Czas zderzenia jąder
Czas życia najbardziej
nietrwałej cząstki
Czas Plancka
≃ 1039
4 · 1017(5 · 1017 )
13, 7(≃ 15 mld. lat)
1, 3 · 1017
6, 3 · 108
3, 2 · 107
8, 6 · 104
0, 8 · 10−1
1, 0 · 10−3
1, 0 · 10−6
1, 0 · 10−13
2, 0 · 10−15
1, 0 · 10−22
1, 0 · 10−23
5, 4 · 10−44
Rozpiętość 61 rzędów.
20
Charakterystyczne wartości
mas wybranych obiektów
Obiekt
Masa
(kg)
Wszechświat
Droga Mleczna
Słońce
Ziemia
Księżyc
Planetoida Eros
Niewielka góra
Transatlantyk
Koń
Człowiek
Żaba
Winogrono
Komar
Ziarnko kurzu
Bakteria
Cząsteczka penicyliny
Atom wodoru
Elektron
≃ 1053
2 · 1041
2 · 1030
6 · 1024
7 · 1022
5 · 1014
1 · 1012
7 · 107
1 · 103
7 · 101
1 · 10−1
3 · 10−3
10−5
7 · 10−10
10−15
5 · 10−17
1, 67 · 10−27
9, 11 · 10−31
Rozpiętość 83 rzędy.
Jednostka masy atomowej — 1, 66 · 10−27 kg.
21
Wybrane wypowiedzi uczonych o fizyce i nauce
1. Naukę tworzy się z faktów, tak jak dom buduje się z kamieni, lecz zbiór faktów nie jest nauką,
tak jak stos kamieni nie jest domem.
H. Poincare
2. Credo redukcjonizmu: Celem nauki jest poszukiwanie takiego prostego układu zasad fundamentalnych, za pomocą których można wyjaśnić znane fakty i przewidzieć nowe. Ponieważ cała
materia składa się z tych samych podstawowych jednostek, ostateczne podstawy wszystkich nauk
przyrodniczych muszą być oparte na prawach rządzących zachowaniem się tych cząstek elementarnych.
T.D. Lee (noblista)
3. Nauka to raczej sposób myślenia niż zasób wiedzy. Jej celem jest odkrycie zasady rządzącej
światem, poszukiwanie możliwych prawidłowości, penetrowanie związków między rzeczami —
od subjądrowych cząstek, z których być może składa się cała materia, do żyjących organizmów,
społeczności ludzkich, aż po kosmos jako całość.
Carl Sagan
4. Niezależnie od wszystkiego główna metoda prowadząca w nauce do celu polega na tym, by
naprawdę się nad czymś zastanowić.
Carl Sagan
5. Eksperyment oznacza obserwację i pomiar. Wymaga stworzenia specjalnych warunków, zapewniających dokonanie najbardziej owocnych obserwacji i precyzyjnych pomiarów.
L. Lederman (noblista z 1988 r.), D. Teresi
6. O teoretykach i doświadczalnikach: Niewątpliwie teoretykom niezasłużenie przypisuje się część
zasług za dokonanie pewnych odkryć. Sekwencja teoretyk, eksperymentator, odkrycie porównuje
się czasami do sekwencji farmer, świnia, trufle. Farmer prowadzi świnię w okolice, gdzie być
może, rosną trufle. -winia wytrwale ich szuka, a gdy zamierza je pożreć, farmer zabiera je dla
siebie.
L. Lederman (noblista z 1988 r.), D. Teresi
7. You do not know anything until you have practiced. Nie wiesz nic, dopóki nie doświadczysz
(poćwiczysz, wypraktykujesz).
Richard Feynman (noblista z 1965 r.)
8. The scientist does not study nature because it is useful; he studies it because he delights in it,
and he delights in it because it is beautiful. If nature werw not beautiful, it would not be worth
knowing, and if nature werw not worth knowing, life would not be worth living.
Uczony nie bada przyrody dlatego, że jest to użyteczne; bada ją, bo sprawia mu to przyjemność,
a sprawia mu przyjemność, bo przyroda jest piękna. Gdyby nie była piękna, nie warto by jej
było poznawać, życie nie byłoby warte, aby je przeżyć. [...] mówię tutaj i owym wewnętrznym
pięknie, płynącym z harmonijnego ładu części, uchwytnego dla czystego rozumu.
H. Poincare
22
Fizyka wokół nas, Paul G. Hewitt, Wydawnictwa Naukowe PWN, Warszawa 2000 r.
O nauce
[...] w XVI wieku polski astronom Kopernik wywołał spore zamieszanie publikując książkę, w której
udowadniał, że Ziemia obraca się wokół nieruchomego Słońca. Ten obraz kłócił się z powszechnym
wyobrażeniem, w myśl którego Ziemia jest środkiem Wszechświata. Był on również sprzeczny z nauczaniem Kościoła, który potępił te poglądy na 200 lat. Z kolei włoski fizyk Galileusz został aresztowany za popularyzowanie teorii Kopernika oraz inne odkrycia naukowe. Jeszcze wiek pó”niej obrońcy
Kopernika nie doczekali się uznania.
Historia lubi się powtarzać. We wczesnych latach XIX wieku geolodzy napotkali gwałtowny sprzeciw, gdy zakwestionowali biblijny sposób stworzenia świata. Pó”niej w połowie wieku uzyskali oni
aprobatę, ale za to potępiona została teoria ewolucji, a jej nauczanie było zakazane. Każdy wiek ma
swych intelektualnych buntowników, którzy przez jakiś czas byli prześladowani, potępiani i karani,
a następnie okazywali się nieszkodliwi, a nawet istotnie przyczyniali się do poprawy warunków życia.
”Na każdym skrzyżowaniu dróg wiodących w przyszłość każdy duch postępu spotyka się z oporem ze
strony strażników przeszłości”.
O metodzie naukowej
Metoda naukowa została wprowadzona w XVI wieku i opiera się na następującym schemacie:
1. Sformułowanie problemu.
2. Postawienie hipotezy.
3. Przewidywanie konsekwencji hipotezy.
4. Przeprowadzenie eksperymentów potwierdzających przewidywania i hipotezę.
5. Sformułowanie najprostszej reguły, która łączy w jedną teorię trzy główne elementy: hipotezę,
przewidywania, eksperyment.
O postawie naukowej
Uczeni muszą się godzić się z odkryciami doświadczalnymi, nawet jeśli one im nie odpowiadają. Muszą oni dążyć do tego, by odróżniać to, co widzą, od tego, co chcieliby widzieć, ponieważ naukowcy —
podobnie jak inni ludzie — mają zdolności do samooszukiwania się24 . Ludzie zawsze chętnie przyjmują
ogólne reguły, przekonania, wierzenia, idee i hipotezy, nie bacząc na ich wiarygodność. Mało tego,
one trwają często jeszcze długo po wykazaniu ich bezsensowności, fałszywości, a przynajmniej niepewności. Najpowszechniejsze poglądy są często najmniej kwestionowane. Jeszcze częściej zdarza się,
że pogląd raz przyjęty trudno obalić, gdyż argumenty przemawiające za nim są akceptowane, przemawiające zaś przeciwko niemu — odrzucane, pomniejszane lub zniekształcane. [...] Podstawową zasadą
w nauce jest, by wszystkie hipotezy były sprawdzalne, a ponadto możliwe do odrzucenia. W nauce
ważniejsze jest posiadanie narzędzi umożliwiających odrzucenie hipotezy niż jej akceptację. To najważniejszy czynnik, który różni naukę od działalności pozanaukowej. [...] Jeśli nie można określić
sposobu na odrzucenie hipotezy, to nie ma ona charakteru naukowego.
Przykład hipotezy: Atomy to najmniejsze cząstki materii, jakie istnieją w przyrodzie.
Przykład spekulacji: Przestrzeń jest przesiąknięta substancją, która jest niewykrywalna.
Inny przykład spekulacji jest przedstawiony dalej w rozdziale zatytułowanym Raelianie.
24
W procesie edukacyjnym nie wystarcza mieć świadomość, że inni mogą ciebie oszukiwać; bardziej istotna jest
świadomość własnych skłonności do okłamywania siebie samego.
23
Słownik terminologiczny z zakresu metodologii fizyki
Abstrahowanie — procedura badawcza polegająca na: (a) nie uwzględnianiu istnienia wybranych
cech i związków, (b) zaniedbywaniu wpływu wybranych czynników na inne, ę nie uwzględnianu
zmienności wybranych czynników podczas badania obiektu lub zjawiska. Abstrahowanie pozwala
eliminować myślowo właściwości i czynniki uznane za nieistotne lub mało istotne i rozpatrywać
tylko te cechy i czynniki uznane za decydujące przy formułowaniu uproszczonego obrazu (modelu)
badanego obiektu lub zjawiska.
Amper — natężenie prądu płynącego w dwóch długich, równoległych przewodnikach, odległych
o 1 metr, znajdujących się w próżni, powodującego powstanie siły oddziaływania magnetycznego
między tymi przewodnikami wynoszącej 2, 0 · 10−7 Newtona na każdy metr ich długości.
Dedukcjonizm — wnioskowanie, rozumowanie zgodne z zasadami wynikania logicznego.
Cyfry znaczące — cyfry występujące w zapisie liczby z pominięciem zer początkowych oraz zer
końcowych, chyba że zera końcowe wskazują na dokładność określenia liczby.
Indukcja — wnioskowanie, rozumowanie polegające na wyprowadzaniu wniosków ogólnych z przesłanek bedących ich przypadkami szczególnymi.
Eksperyment (doświadczenie) — działanie polegające na wywołaniu określonego zjawiska w kontrolowanych warunkach (naturalnych lub sztucznie stworzonych, tj. w laboratoriach) zbadaniu jego
przebiegu, szczególnych właściwości i zależności oraz wykonaniu stosownych pomiarów i zgromadzeniu wyników tychże pomiarów. Doświadczenie przeprowadzamy najczęściej w celu potwierdzenie lub
obalenie sformułowanej uprzednio hipotezy.
Falsyfikacja — procedura mająca na celu wykazanie fałszywości danego twierdzenia lub hipotezy.
Fizyk — pochodzi od greckiego słowa physikos oznaczającego znawcę przyrody.
Fizyka — pochodzi od greckiego słowa physike oznaczającego naukę przyrodniczą.
Fizyka doświadczalna — część fizyki zajmująca się wykrywaniem zjawisk i ich ilościowym badaniem
za pomocą obserwacji i doświadczeń przy użyciu odpowiedniej aparatury.
Fizyka teoretyczna — część fizyki, która ma na celu matematyczne opracowanie wyników doświadczalnych oraz formułowanie ich fizycznej interpretacji w postaci możliwie ogólnych teorii pozwalających wyciągać wnioski nadające się do doświadczalnego sprawdzenia i praktycznego zastosowania.
Idealizacja — zabieg poznawczy polegający na przyjmowaniu założeń upraszczających analizę
obiektu lub zjawiska.
Jednostka miary — ustalona miara danej wielkości fizycznej.
Jednostka pochodna — jednostka pochodnej wielkości fizycznej.
Jednostka podstawowa — jednostka, która została zdefiniowana w sposób arbitralny bez posługiwania się innymi jednostkami; patrz jednostki podstawowe SI.
Jednostki uzupełniające — jednostki kąta płaskiego (radian) i sferycznego (steradian).
Kandela — natężenie promieniowania elektromagnetycznego o częstotliwości 5, 4 · 1014 Hz i mocy
1/683 wata emitowanej przez ”ródło w kąt bryłowy równy jednemy steradianowi.
Kelwin — jeden Kelwin to 1/273, 16 część temperatury punktu potrójnego wody.
Kilogram — wzorcem jednostki masy (kilograma) jest cylinder wykonany ze stopu platyny i irydu,
przechowywany w Międzynarodowym Biurze Miar i Wag w pobliżu Paryża.
Metoda indukcji — wykonywanie obserwacji i eksperymentów oraz wyprowadzanie na ich podstawie uogólnień i formułowanie hipotez.
Metodologia — określony sposób postępowania, który ma na celu zbadanie rzeczywistości (tj.
właściwości materii lub zjawisk).
Metr — jest to długość drogi przebytej przez światło w czasie (1/299792458) sekundy.
Model — uproszczona wersja (materialna lub wyobrażenie) zjawiska lub obiektu uwzględniająca
najistotniejsze cechy i właściwości.
Modelowanie — doświadczalna lub matematyczna metoda badania układów i zjawisk fizycznych
na podstawie skonstruowanych modeli.
24
Mol — ilość materii, w której liczba molekuł jest równa liczbie atomów zawartych w 0, 012 kg
węgla 12C.
Niepewność pomiaru – parametr charakteryzujący rozrzut wartości wyników pomiarów, który
można w uzasadniony sposób przypisać wynikowi pomiaru wielkości fizycznej.
Obserwacja — usystematyzowane i przemyślane badanie przedmiotu lub zjawiska i wykonywanie
pomiarów za pomocą stosownych przyrządów w celu otrzymania i zgromadzenia danych doświadczalnych.
Pomiar — porównanie mierzonej wielkości fizycznej obiektu lub zjawiska z taką samą wielkością
wzorcowego obiektu lub zjawiska. Fizyk nie uwierzy, dopóki nie zmierzy – to przysłowie, którego
większość fizyków przestrzega.
Prawidłowość — obiektywne powtarzające sie związki lub relacje właściwości lub zjawisk.
Prawo fizyczne — należycie uzasadnione i dostatecznie sprawdzone twierdzenie dotyczące prawidłowości występującej w przyrodzie.
Radian — jednostka kąta płaskiego w SI; radian jest to kąt płaski i wierzchołku umieszczonym
w środku okręgu, którego ramiona wyznaczają na okręgu łuk i długości równej promieniowi tego
okręgu.
Redukcjonizm — pogląd zgodnie z którym obiekty i zjawiska złożone oraz rządzące nimi prawa
dadzą się wyjaśnić na podstawie analizy obiektów i zjawisk prostszych oraz odpowiadających im
mniej skomplikowanych praw.
Rząd wartości wielkości fizycznej — wartość wielkości fizycznej wyrażona przez najbliższą potęgę
dziesięciu w przyjętym układzie jednostek miar.
Sekunda — jest to czas trwania 9 192 631 770 okresów promieniowania elektromagnetycznego emitowanego podczas przejścia elektronu między jednoznacznie określonymi poziomami energetycznymi
atomu cezu (133
55 Cs); wzorcowym czasomierzem jest atomy zegar cezowy.
SI — Międzynarodowy Układ Jednostek zwany SI (od Systeme International d’Unites), w którym jednostkami i wielkościami podstawowymi są: metr (m) – jednostka długość, której wymiar
oznaczamy za pomocą L, kilogram (kg) – jednostka masy, której wymiar oznaczamy jako M, sekunda (s) – jednostka czasu, którego wymiar oznaczamy przy pomocy T , Kelvin (K) – jednostka
temperatury, Amper (A) – jednostka natężenia prądu, kandela (cd) – jednostka natężenie światła,
mol – bezwymiarowa jednostka ilości materii.
Steradian — jednostka kąta sferycznego w SI; steradian jest to kąt sferyczny (bryłowy) o wierzchołku umieszczonym w środku sfery, wyznaczający na jej powierzchni wycinek, którego pole jest
równe kwadratowi promienia tej sfery.
Technika — całokształt sposobów, narzędzi i umiejętności stosowanych do wytwarzania dóbr
materialnych i opanowywania przyrody.
Technologia — proces wytwarzania określonych dóbr; metoda obróbki i przeróbki materiałów;
także nauka o tych procesach.
Teoria — usystematyzowany zbiór praw, zasad i twierdzeń (także wiedza) pomocny w wyjaśnieniu
określonego zbioru zjawisk lub właściwości badanych obiektów.
Wektor osiowy (polarny)=pseudowektor — wektora i następującej właściwości: wektor równoległy
do płaszczyzny zwierciadła zmienia swój zwrot na przeciwny po odbiciu w zwierciadle. Przykładowo
moment siły jest pseudowektorem
Wektor polarny (biegunowy) — wektora o następującej właściwości: wektor równoległy do płaszczyzny zwierciadła nie zmienia swego zwrotu na przeciwny po odbiciu w zwierciadle. Przykładowo:
wektor położenia, wektor siły.
Wielkość fizyczna — właściwość obiektu lub zjawiska, którą można porównać ilościowo z taką samą
właściwością innego obiektu lub zjawiska.
Wielkość pochodna — wielkość fizyczna, którą jednoznacznie zdefiniowano (posługując się, między
innymi, prawami lub zasadami fizycznymi) za pomocą wielkości podstawowych.
25
Wielkość podstawowa — jedna z siedmiu wielkości fizycznych przyjętych na zasadzie umowy jako
wielkości podstawowe w Międzynarodowym Układzie Jednostek zwanym SI (patrz jednostki podstawowe SI).
Wielkość skalarna — wielkość fizyczna, której wartość (w wybranym układzie jednostek) wyrażamy za pomocą liczby (określającej liczbę jednostek). O takiej wielkości mówimy krótko skalar.
Przykładowo – wielkości podstawowe są skalarne.
Wielkość tensorowa — wielkość fizyczna opisywana za pomocą macierzy, a jej wyrazy nosza nazwę
składowych tensora.
Wielkości uzupełniające — w SI są to kąt płaski i kąt sferyczny.
Wielkość wektorowa — wielkość fizyczna, której ilościowy opis wymaga użycie n liczb zwanych
współrzędnymi (lub składowymi) wektora; liczba całkowita n, to wymiar przestrzeni, w której wielkość wektorowa jest określona.
Zasada fizyczna — prawo fizyczne zawierające treść podstawową dla fizyki lub jej dziedziny.
Włodzimierz Salejda
Wrocław, 29 września 2005 r.
26
Ocali nas nauka — na podstawie artykułu prof. dr. hab. Łukasza Turskiego.
Lektura większości czasopism, oglądanie programów telewizyjnych lub wysłuchiwanie audycji radiowych przekonuje, że nauka nie cieszy się dobrą opinią. Serial Z Archiwum X nie pozostawia cienia
wątpliwości, że naukowcy są zaprzedani złym mocom, tj. rządom, pracodawcom, zarządom korporacji, pieniądzom, przywódcom (Saddamowi Husajnowi, przywódcy Korei Północnej) etc. Prawie cała
współczesna publicystyka (radiowa, telewizyjna, prasowa) potępia dość powszechnie naukę. Stawia
się znak równości między nauka i paranaukami, np. astronomii z astrologią. Formułuje się tezy o społecznej wsteczności współczesnej nauki (zwłaszcza teorii względności lub mechaniki kwantowej, które
obarcza się odpowiedzialnością za Hiroszimę, Nagasaki i Czarnobyl).
Takie podejście jest wynikiem działalności tzw. miłośników ludu w postaci czołowych działaczy
komunizmu i faszyzmu. Dzięki temu wykreowana została wielkoprzemysłowa klasa robotnicza, która
miała do spełnienia misję dziejową i być motorem postępu. Koniec wieku XX wykazał, że masy
przestały odgrywać decydująca rolę w życiu gospodarczym. Rewolucja naukowa zastąpiła siłę mięśni
człowieka silnikiem elektrycznym lub spalinowym, a człowieka na taśmie zastąpiły roboty i komputery. Dzisiejszy rozwój cywilizacji napędzają technologie i wiedza. Bez tych dwóch czynników jest
nie do pomyślenia rozwój cywilizacji ziemskiej, przed którą stoją bardzo poważne zdania.
Technologie i wiedza nie mogą się obyć bez ludzkiego umysłu. Najważniejszy w rozwoju społecznym i ekonomicznym jest ludzki umysł. Był i jest motorem rozwoju wolnych społeczeństw. Te
systemy społeczno-polityczne i religijne, które starały się umysł zniewolić, te, w których nauka została zamkniętaw pałacach władzy i za murami świątyń czy też za zasiekami, zginęły albo w starciu
z wolnymi narodami, albo padły pod ciężarem własnej niemocy. Nikt i nic nie jest w stanie zastąpić
rozumu. Wolny umysł człowieka to najwspanialszy twór w znanej nam części wszechświata. To on
jest motorem technologii i wiedzy. Jest on także ”ródłem systemów totalitarnych.
Nowa gospodarka jest oparta na wiedzy. Będzie potrzebowała ludzi dobrze wykształconych. Obecnie uwidocznią się dążenia do wolności intelektualnej. Coraz pełniej zacznie się uwidaczniać dążenie
do zastosowania produktów działalności wolnego umysłu w praktyce. Nauka wyzwoli człowieka. Nie
walka klas. Wolne społeczeństwo nie jest klientem polityków, tj. miłośników ludu. Błędne doktryny
gospodarcze i społeczne zrodziły u wielu humanistów i ludu niechęć, nienawiść i wrogość wobec tzw.
twardych nauk, które jakoby mają zagrażać istnieniu społeczeństwa.
Szamani nawołują ludzi za pomocą zaklęć do wykonywania ich poleceń. Szkoła nie miała być
miejscem, gdzie zdobywa się wiedzę i kształci talenty, lecz jedynie przygotowuje się pracownika do
wykonywania prymitywnych czynności przy taśmie. Nauka zawsze była w konflikcie z totalitarnymi
systemami XX wieku wyrosłymi z błędnych teorii społecznych XIX wieku. Zniszczenie nauk przyrodniczych w Niemczech hitlerowskich doprowadziło do klęski III Rzeszy w II wojnie światowej.
Strach przed nauką ma swoje ”ródła w powszechnym wśród intelektualistów analfabetyzmie naukowym mimo, że nosząw kieszeni telefony komórkowe, karty bankowew portfelach, na rękach zegarki
elektroniczne, w zębach laserowo utwardzalne plomby dentystyczne, rozruszniki w sercu itd. Nauka
ma na sumieniu grzechy w rodzaju zimnej fuzji lekkich jąder, sprawa Schöna itd. Wszystkie te
oszustwa zostały nieomal natychmiast odkryte i napiętnowane. Dzisiejsze środowisko człowieka jest
zdrowsze i bezpieczniejsze niż XIX wieczne. Nie spełniają się apokaliptyczne wizje następstw efektu
cieplarnianego.
Nauka jest jedynym dostarczycielem bezpiecznej prawdy. Bez nauki nie będziemy jej znali. To
nie nauka, ale nieuctwo może zgładzić świat. W jaki sposób? Otwórzcie łamy gazety codziennej,
a szczególnie tabloidu. Włączcie telewizory. Codziennie możecie czytać i oglądać próby generalne.
27
Raelianie — przykład zręcznych spekulacji religijno-pseudonaukowych
Guru Raelian, Rael — dziennikarz francuski Claude Vorilhon — bardzo zręcznie, wręcz po mistrzowsku, manipuluje osiągnięciami naukowymi i technicznymi oraz wierzeniami judochrześcijańskimi w celu pozyskania
wyznawców. Cóż on takiego istotnego mówi? Oto zwięzła opowiastka o raelianach.
13 grudnia 1973 roku Rael na kraterze wulkanu (a więc ponownie na górze, ale nie Synai, jak to było
w przypadku Mojżesza) skontaktował się z istotami podającymi się za Elohim, którzy byli jakoby wysłannikami cywilizacji zamieszkującymi naszą Galaktykę, tj. Drogę Mleczną. Gdzie konkretnie żyje ta cywilizacja,
guru nie informuje. Wysłannicy stwierdzili: To my stworzyliśmy ludzkość. Wasi przodkowie brali nas za bogów. Zainicjowaliśmy wszystkie religie na Ziemi. Teraz, kiedy ludzie są w stanie to zrozumieć, pragniemy
powrócić oficjalnie na waszą planetę i spotkać się z wami w ambasadzie specjalnie dla nas wybudowanej. Wysłannicy przekazali również informacje o tym, że życie zostało stworzone laboratoryjnie dzięki świetnemu
opanowaniu biologii molekularnej oraz genetyki. Znajomość syntezy DNA pozwoliła na stworzenie roślin,
zwierząt oraz ludzi na naszej planecie. Jak zrodzili się i powstali Elohim? Gdzie jest ich miejsce w Drodze
Mlecznej? Ile potrzebowali czasu, aby dolecieć na Ziemię? Podobno na własnej planecie społeczeństwo nie
pozwoliło im eksperymentować, więc zaczęli poszukiwania w naszej Galaktyce. Wybrali Ziemię. Budowanie ambasady w pobliżu Jerozolimy, w której raelianie przyjmą Elohim, ma na celu uzasadnienie zbierania
funduszy na rzecz grupy religijnej.
Raelianie na nowo interpretują Biblię proponując m.in. nowy pogląd na akt stworzenie człowieka:
1. Biblia nie opisuje działalności bożej, ale eksperyment naukowy, którzy przeprowadzili przybysze z kosmosu.
2. Słowo Elohim zostało błędnie przetłumaczone. Nie oznacza ono bóg, ponieważ jest liczby mnogiej.
Wierne tłumaczenie wedle nich jest następujące: ci, którzy przybyli z nieba.
3. Biblia kłamie.
4. Wypędzenie z raju opisuje zdarzenie historyczne, którego autorami byli Elohim. Pierwotnie stworzeni
przez Elohim ludzie byli bardzo agresywni. Wysłannicy postanowili wypędzić ich z laboratorium, gdzie
mieli wszystko potrzebne im do życia. Po wypędzeniu praprzodków z laboratorium Elohim postanowili
jednak unicestwić wszystkich naszych praprzodków, którzy byli zbyt agresywni. Elohim spowodowali
potop.
5. Elohim dowiedzieli się, że sami są wynikiem eksperymentu genetycznego. Po potopie postanowili
zaszczepić ponownie życie na Ziemi, ale tym razem postanowili nigdy więcej go nie niszczyć, nie
ingerować w bieg spraw i nie zmieniać rozwoju ludzkości. Będą za to zsyłać posłańców, których
zadanie jest nauczanie ludzi o ich pochodzeniu i tworzenie religii. To ma uzasadniać takie postacie
jak: Mojżesz, Jezus, Budda.
6. Jezus był synem Ziemianki i Elohim. Zmartwychwstał dzięki klonowaniu.
7. Żyjemy w czasach, w których człowiek jest w stanie wszystko to zrozumieć i zbliżamy się poziomem
wiedzy do Elohim.
8. Apokalipsa jest opacznie zinterpretowana w Biblii. Nie oznacza ona bynajmniej potwornego końca
świata, ale objawienie, które rozpoczęło się w 1948 roku, kiedy to lud żydowski stworzył w 1948 roku
państwo Izrael.
9. Innym widocznym znakiem objawienia jest postępujące oświecenie ludzkości. Wyrazem tego jest odzyskiwanie wzroku przez niewidomych itp. Cuda techniki, cały postęp techniczny i cywilizacyjny jest
także przejawem odbywającego się objawienia.
10. Rael, guru Raelian, doznał zaszczytu odbycia wizyty na planecie Elohim. Przeniósł go tam pojazd
międzyplanetarny. Spotkał tam osoby dawno uznane za zmarłe. Zostały odtworzone, aby żyć wiecznie.
11. Jeśli mamy w swoim życiu przewagę czynów pozytywnych, to dostajemy prawo do wiecznej egzystencji.
28
12. Elohim wyznaczyli Raelowi konkretne zadanie do wykonania. Ma on zbudować jak najbliżej Jerozolimy, gmach ambasady, w której Ziemianie spotkają się z Elohim.
13. Elohim polecili także Raelowi tworzenie na Ziemi ruchu mający na celu propagowanie na Ziemi przekazu Elohim.
14. -więta raelian: 13 XII (pierwsze spotkanie Raela z Elohim), pierwsza niedziela kwietnia (rocznica
stworzenia pierwszego człowieka), 7 X (drugie spotkanie Raela z Elohim), 6 VIII (dzień wybuchu
bomby atomowej w Hiroszimie).
15. Przesłanie raelian: odpowiedzialność, kochanie siebie i innych, szacunek dla wszystkich, pokój dla
planety, wolność wyboru, rozwój intelektualny, nakaz postępowania zgodnego z własnym sumieniem,
nawet gdyby było to sprzeczne z zaleceniami Elohim, dotyczy to zwłaszcza poświęcania życia jednostki
w imię dobra większości, bo życie jednostki jest o wiele bardziej drogocenne niż życie mas; przestrzeganie tej reguły zlikwiduje wojny rozpoczynane obłudnie w imię światowego pokoju; są przeciw karze
śmierci; optują za rozbrojeniem; nie powinniśmy spożywać używek, gdyż szkodzą one organizmowi
człowieka i genom; społeczeństwo powinno być pluralistyczny (to jest zabezpieczenie przed fanatyzmem i dyskryminacją); każdy ma prawo do wolności myśli i słowa, każdy ma prawo do wyboru
swojej religii; chcą zniesienia państw i stworzenia jednego federacyjnego Rządu -wiatowego by krzewić
świadomość planetarną, a nie zamykać się w przynależności rasowej lub krajowej; akceptowana jest:
świadoma prokreacja, klonowanie, eutanazja, klonowanie, aborcja i antykoncepcja, wolny seks, różne
preferencje seksualne, wychowanie seksualne.
16. Podstawowym prawem człowieka jest prawo do dysponowania własnym kodem genetycznym.
17. Żyj tak jak chcesz, pod warunkiem, że szanujesz poglądy innych i nikomu nie szkodzisz.
Raelianie są od 1990 roku oficjalnie zarejestrowanym ruchem religijnym. Liczą ponad 30 tys. wyznawców. Uważają się za ruch ateistyczny. Nie prowadzą życia wspólnotowego. Wyznawca przeznacza 103% jest
wykorzystywane na potrzeby lokalne, a pozostałe na rzecz forum międzynarodowego. Nikogo nie zmuszają
do płacenia składek. Dają wolność osobistą wyznawcom. Nie ma dyskryminacji płciowej. Można się zapisać i wypisać. Koncepcja panspermy została ostatnio wzmocniona przez Francisa Criega, laureata nagrody
Nobla i odkrywcy struktury DNA, który jest zwolennikiem tezy, że to cywilizacje pozaziemskie umieściły
mikroby w statkach kosmicznych zaopatrzonych w odpowiednie osłony przed promieniowaniem i wysłały je
w przestrzeń kosmiczną i na powierzchnie planet w celu zaszczepienia na nich życia.
Przyjęcie do raelian to misterium, w którym członek ruchu przekazuje swój plan komórkowy za pomocą
upoważnionego do tego celu Przewodnika. Odwołują się do klonowania, w czym upatrują ziszczenie odwiecznego marzenia o nieśmiertelności. Twierdzą, że podstawowym prawem człowieka jest prawo do dysponowania
własnym kodem genetycznym. Jeśli przyjąć takie rozumowanie, to na nas nieraelianach spoczywa obowiązek
respektowania ich praw. Bardzo zręcznie i inteligentnie prowadzą marketing w celu pozyskania zwolenników i wyznawców. Sięgają do podstawowych pragnień człowieka, jakim jest niewątpliwie nieśmiertelność.
W końcu 2002 r. ogłosili, że narodziła się sklonowana istota ludzka. Dali jej na imię Ewa. Nie bez powodu.
Odniesienia do Biblii są oczywiste. Firma Clonaid, działa na rzecz raelian i ma za zadanie udowodnienie,
że człowiek osiągnął już poziom wiedzy i umiejętności Elohim. Jest więc przygotowany do niesienia życia
poza Ziemię. Klonowanie z użyciem matki zastępczej jest pierwszym etapem działalności raelian. Następnie
maja zamiar zrealizować hodowlę człowieka bez matki zastępczej, a potem umożliwić przeniesienie zawartości pamięci starego (tj. osobowości i pamięci) umierającego osobnika do młodego organizmu. Koncepcje
raelian zmuszają do myślenia. Są dość inteligentnie skonstruowane. Raelianie nie próbują przekonywać do
siebie kogokolwiek. Oni informują ludzi o przesłaniu, jakie odebrał ich Guru. Nie są sektą, ponieważ nie
prowadzą żadnych wspólnot. Ich wyznawcy żyją i pracują jak inni członkowie społeczeństwa. Utrzymują
kontakt ze społeczeństwem. Nie żyją obok niego i kosztem jego. Ruch nacelowany jest na judochrześcijan,
ludzi rozczarowanych mistycyzmem i tęskniących za czymś wprawdzie idealnym ale namacalnym, bardziej
realnym, którego istotę da się ogarnąć rozumem.
Włodzimierz Salejda
Wrocław, 22 lutego 2004 r.
29