Fizyka I OO/Wykład I

Świat wielkości fizycznych, czyli co jest we Wszechświecie małe a co duże

Czas i przestrzeń — dwie podstawowe kategorie świata, w którym żyjemy. Co to jest czas? Co to jest przestrzeń? Fundamentalne pytania. Pytania, na które można otrzymać różne odpowiedzi, choć każdy intuicyjnie czuje, czym jest czas i czym jest przestrzeń. "Wszystko płynie", "Nigdy dwa razy nie wchodzisz do tej samej rzeki" — mówią starożytni filozofowie, myśląc o zmienności życia zanurzonego w czasie.

Czas jest to "gęsty i ciągły zbiór chwil" — mówi Wielka Encyklopedia PWN. A czym jest chwila? A przestrzeń… Coś, co nas otacza, coś, co ma trzy kierunki wzajemnie prostopadłe. Musimy się pogodzić z naszą nieudolnością, nie potrafimy odpowiedzieć w sposób zadowalający, czym jest czas i przestrzeń. Znacznie łatwiej mierzyć czas i odległość, trzeba tylko wybrać miarkę. Miarą odległości może być długość stopy, długość przedramienia (łokieć), może być długość kroku. Ze względu na to, że miary te są bardzo indywidualne, przez to niewygodne w użyciu, przyjęto za jednostkę uważać długość pewnej sztaby. Umieszczono ją w laboratorium w Sevres pod Paryżem. Długość tę nazwano jednym metrem. (Obecnie wzorzec jednego metra definiuje się jako drogę, którą przebywa światło w próżni w czasie [math]\nicefrac{1}{299792458}[/math] sekundy.) Miarą czasu natomiast jest okres, jaki upływa między dwoma periodycznymi zdarzeniami. Na przykład takimi periodycznymi zdarzeniami są kwitnienia jabłoni, przyloty ptaków, pełnia Księżyca, ruch wahadła w zegarze. Aby zmierzyć czas lub podać czas, jaki upłynął od jakiegoś zdarzenia, przyrównujemy go do czegoś, co odbywa się periodycznie. Jednostką powszechnie używaną (i obowiązującą w układzie SI) jest jedna sekunda. Do 1967 r. była ona zdefiniowana jako [math]\nicefrac{1}{86400}[/math] doby słonecznej.

Taka definicja wykorzystywała zjawiska astronomiczne. Obecnie definiuje się ją poprzez zjawiska zachodzące wewnątrz atomu.

Fizyk mierzy czas i odległość oraz jeszcze jedną wielkość ściśle z nimi związaną — prędkość, mówiącą o tym, jak szybko odległość zmienia się w czasie. Oceń rozmiary ziarnka piasku i porównaj z rozmiarami kilkuletniej topoli. Ależ to absurd, ziarnko jest nieporównywalnie małe z dużym drzewem! No tak, ale wystarczy porównać rozmiary tego ziarnka z rozmiarami wirusa, a rozmiary wirusa z rozmiarami atomu. Widzisz już, że trzeba być bardzo ostrożnym z oceną, co jest duże, a co małe.

Bardzo trudno wyobrazić sobie obiekty najmniejsze, jakimi zajmuje się fizyka, i największe — bo umykają one naszemu codziennemu doświadczeniu. Jeśli powiem Ci, że rozmiary atomu są rzędu [math]\unit{10^{-10}}{m}[/math], a rozmiary jądra atomowego [math]\unit{10^{-15}}{m}[/math], odpowiesz — "no, małe", jednakże liczby te w żaden sposób nie przemówią do Twojej wyobraźni. Spróbuj zastanowić się nad tym, jak wyglądałby model atomu, w którym jądro miałoby rozmiary jednego centymetra. W jakiej odległości od niego umieścić chmurę elektronów? Odpowiedź jest zdumiewająca! — kilkadziesiąt tysięcy centymetrów dalej, czyli kilkaset metrów od naszego jądra. Popatrz, jaki pusty jest atom. A teraz spójrz w Kosmos! Nasze Słońce jest typową gwiazdą w typowym zbiorowisku innych gwiazd, jakim jest Galaktyka. Galaktyka nie jest największą strukturą w Kosmosie. Ile jest galaktyk we Wszechświecie — nie wiemy, potrafimy, co najwyżej, szacować ich liczbę. Typowa odległość pomiędzy gwiazdami jest rzędu [math]\unit{l0^{16}}{m}[/math]. Znów podaję Ci wielkość, która niewiele mówi. Może lepiej tak — średnia odległość pomiędzy gwiazdami w galaktyce wynosi kilka lat świetlnych, to znaczy światło pędząc z prędkością prawie [math]\unit{300000}{\frac{ km}{s}}[/math] pokonuje tę odległość w ciągu kilku lat. Jeśli odległość obiektu, na przykład jakiejś galaktyki jest rzędu miliona lat świetlnych, oznacza to, że obraz tej galaktyki, który teraz oglądamy, został wyemitowany milion lat temu. Mamy więc bardzo "przestarzałe" informacje. Popatrz, jaki pusty jest Kosmos! Największą znaną prędkością jest prędkość rozchodzenia się światła (ściślej fal elektromagnetycznych) w próżni. W warunkach ziemskich jest ona niewyobrażalnie duża (niegdyś sądzono, że nieskończona). W Kosmosie prędkość rozchodzenia się sygnałów elektromagnetycznych jest istotnym ograniczeniem informacji, jakie do nas docierają. Widzimy Wszechświat jaki był, a nie jaki jest w tej chwili. Niemożność przekroczenia tej prędkości nie jest sprawą niedoskonałości technicznych — jak Ci się może wydawać — jest cechą świata, w którym żyjemy. Zdumiewająco duża jest średnia prędkość Ziemi krążącej wokół Słońca. Wynosi ona około [math]\unit{30}{\frac{ km}{s}}[/math]. Znacznie większa jest prędkość elektronu krążącego wokół jądra — [math]\unit{2500}{\frac{ km}{s}}[/math]. Jak mała w porównaniu z tym jest prędkość człowieka, który idąc piechotą przebywa jeden kilometr w 15 minut.

I jeszcze chwilę uwagi poświęć na refleksję o czasie. Około jednej sekundy upływa między kolejnymi uderzeniami serca, prawie 30 milionów sekund między kolejnymi wiosnami. Natomiast czas, poza który nie wykraczamy, czyli szacowany czas trwania Wszechświata — to 13-15 miliardów lat.

Na dobry początek

Nie trać czasu! Nie dlatego, że czas to pieniądz. Nie trać go dlatego, że czas to prezent, który otrzymujesz za darmo i którego z każdym dniem masz mniej. Prezent, który możesz stracić bezpowrotnie, ale nigdy bezkarnie, więc go nie trać. Planuj dzień, wykorzystuj chwile na pracę, rozrywkę i odpoczynek. Niech czas nie przecieka Ci przez palce, ale niech będzie tworzywem w Twoich rękach.