Mi a titka a fizika újkori szédületes fejlődésének?

 

Mi az oka annak, hogy a természetre vonatkozó tudásunk, különösen a fizika, csak 300-400 év óta indult olyan rohamos fejlődésnek, hogy alig tudjuk nyomon követni eredményeit? Pedig régebben, két-három ezer évvel ezelőtt is éltek okos emberek, nagy szellemek, akiknek irodalmi, művészeti alkotásait még ma is csodáljuk.
A válaszban sok körülményre hivatkozhatnánk, de célszerű, ha azokat emeljük ki, amelyek a fizika tudományában is előbbre visznek bennünket.

 

Megfigyelés, kísérlet, mérés, számolás

Ma már az általános iskolát végzett gyermek is tudja, hogy az ismeretszerzés legfőbb forrása a természet megfigyelése, az észlelés. Hogy még jobban, egymás után többször is megfigyelhessük azt a jelenséget, szándékosan, tervszerűen idézzük elő: kísérletezünk.
Mi is megtanultuk már azt, hogy a szabadesést úgy tanulmányozhatjuk, hogy például egy acélgolyót egyre magasabbról ejtegetünk le.
A kísérletben szereplő adatokat mérni is kell. Kísérletünkben mértük az esés magasságát és az esési időt.
A mért adatokkal számolni kell, hogy valami törvényszerűséget állapíthassunk meg. Valóban kiszámítottuk, hogy az esés idejével hogyan változik az esés útjának hossza.
E nélkül a négy mozzanat - megfigyelés, kísérlet, mérés és számolás - nélkül nincs természetkutató munka, nem születik tudás! Ámde ezt az egyszerűnek és természetesnek látszó igazságot csak 1500 körül ismerték fel, és az 1452-ben született Leonardo da Vinci mondta ki először határozottan.
Ezért a természet kutatására szolgáló eredményes módszert csak az 1500-as évektől számíthatjuk.

Megfigyelés, kísérlet, mérés ás számítás nélkül nincs természetkutató munka. Ma már ifjúkorban, az általános iskolában is gyakorolják ezt a tanulók

 

Forradalom a számolásban

A mérés, a számolás elengedhetetlen kelléke a kutatásnak. Ma már a tízes számrendszerrel és a ma használatos - úgynevezett arab - számjegyekkel könnyű a számolás.

De kevesen tudják azt, hogy ez a számrendszer csak 1500 után jött általános használatba Európában. Azelőtt a római számírás volt általános (ábra). A római számjegyekkel való számolás pedig olyan nehéz, hogy például az egyszerű osztást az egyetemeken tanították. Ma a harmadik osztályos általános iskolás is elvégzi.

Ezt az osztást arab számjegyekkel ma egy 10 éves gyerek is játszva elvégzi. De az l500-as évek előtt használt római számírás olyan nehézzé tette, hogy egyetemi képzettség kellett hozzá. Valóban, akkoriban egyetemen tanították az osztást

A számolás csak azóta lehetett a fizikai ismeretszerzés biztos alapja, amióta az egyszerű, szinte mechanikus számolási eljárás meghonosult, tehát az 1500-as évektől kezdve.

De ma már, a rakéták és az atomenergia felszabadításának korában, nem elegendő az ember számolási készsége sem. Hiszen ahhoz, hogy a rakétát sikeresen irányíthassák, másodpercek, percek alatt kell annyi számolást végezni, amihez több embernek hetekre lenne szüksége. Egy atomerőmű tervezéséhez szükséges számításokkal pedig egy ügyes számoló évszázadok alatt lenne csak készen. A munka, a haladás meggyorsítására elektromos számolóautomatákat készítettek. Ezek másodpercenként sok ezer, sőt több millió számolási műveletet végeznek el (ábra). (A mai számítógépek nagyságrendekkel többre képesek.)

Elektromos (elektronikus) számológépek másodpercenként több millió műveletet (szorzást, osztást) is elvégezhetnek

 

A tudomány célja - a jólét emelése

A kísérletezésen, mérésen és számoláson alapuló természetkutatás elé - 100 évvel Leonardo da Vinci után - James Bacon (Dzsémsz Békn) angol tudós és államférfi tűzte ki a ma is elismert gyakorlati célt: A természetkutatás nemcsak tudásunkat növeli, hanem az emberiség életét is gazdagabbá, boldogabbá teszi.
Ez az új, gyakorlati célkitűzés is gyorsította a fejlődést. Régebben, az ókorban, sőt még az újkor elején is csak egyes emberek, saját költségükön művelték a tudományt. Évekig, sőt évtizedekig tartott, míg egy-egy tudományos eredményről a másik kutató tudomást szerzett.
Bezzeg ma a rádió, az újságok egy nap alatt elterjesztik a tudományos felfedezések hírét, és azokat felhasználhatja a többi kutató. (Az Internet méginkább naprakász kommunikációt biztosít.)
A természettudományok fejlődésében 1500 után beállott fordulatban nagy része van annak, hogy a könyvnyomtatás is 1500 után terjedt el. A könyvnyomtatás jelentősége a gondolatközlésben, az ismeretek terjesztésében legalább akkora, mint ma a rádióé, a televízióé.
Az egyes tudósok, kutatók magára hagyottsága is csak az 1600-as évek óta szűnt meg. Ezóra alakultak tudományos társaságok a természettudományok művelésére. Emlékezzünk arra, hogy például hazánkban csak 1825-ben alakult meg a Magyar Tudományos Akadémia.
Ma pedig a különböző szakterületeken a tudományos kutatóintézetek százai működnek az egyes országokban.
Ne felejtsük el azt se, hogy a nyilvános iskola csak az újabb kor szülötte. A kötelező és általános népoktatás és benne a természettudományok, a fizika alaposabb tanítása még napjainknak is komoly problémája.

 

Egységes nyelvet a tudományban !

Még egy fontos tényre kell rámutatnunk. Előnyös lenne-e az emberiségre, ha a mintegy 600-féle különböző nyelv helyett egyetlen közös nyelvet használna? Vagy ha a különböző pénznemek helyett egy közös pénzrendszert fogadna el?
Ez annyira előnyös és ésszerű lenne, hogy el kell jönnie annak az időnek, amikor valósággá lesz.
A tudomány, a fizika haladására éppen ilyen előnyös és nélkülözhetetlen, hogy a világon mindenütt egységes fizikai nyelvet használjanak.
Könyvünkben már eddig is sokszor kellett hosszúságot, időt, sebességet mérni, sőt a sebesség megváltozását, a gyorsulást is, továbbá súlyt, tömeget, erőt, gravitációs vonzást. Ezek mérésére bizonyos alapmennyiségeket (pl. méter, kilogramm, másodperc) kell választanunk, hogy ezekkel összehasonlíthassuk azokat, amelyeket mérni akarunk.
De az említetteket és a többi fizikai fogalmat, mennyiséget röviden jelölni is kell. Képzelhető, milyen zűrzavar keletkeznék abból, ha például a hosszúság mérésére minden nemzet más egységet használna: az egyik méterben, a másik ölben, a harmadik hüvelykben mérné a hosszúságot.
- A hosszúság jelzésére pedig az egyik "l" betűt, a másik "h" betűt használna és így tovább.
Pedig ez volt a helyzet még a múlt század közepén is!
Ma már csodálkozunk azon, hogy a világ kultúrállamainak többsége csak 1875-ben fogadott el közös mértékrendszert: a méterrendszert. (Magyarországon 1876-ban iktatták törvénybe.) Azóta fejezzük ki általában a hosszúságot méterben, a tömeget kilogrammban, az erőt kilogrammsúlyban (ma már newtonban). Az időt már régóta egységesen másodpercben mérjük.

 

Alapmennyiségek - alapegységek

Egészen röviden megemlítjük, hogy mit értünk alapegységeken.
A méter. - Párizs mellett, egy föld alatti helyiségben gondosan elzárva őriznek egy platina rudat. A rúdon két finom, bekarcolt vonal van. A méter e két vonal közötti távolság. Ez körülbelül akkora, mint a Föld kerületének negyvenmilliomod része. (Jelenleg a Kripton atom egy bizonyos hullámhossza a méter alapja, lásd a méter címszavánál.)
A kilogramm tömeg. - Ugyanott őriznek agy platinából készült hengert is. Ennek tömegét tekintjük 1 kilogrammnak (ez majdnem pontosan akkora, mint 1 liter 4°C- ú víz tömege).

A kilogrammsúly. - Említettük, hogy az egy kilogramm tömegnek a súlya a Föld különböző helyein más és más, aszerint, hogy közelebb vagy távolabb van-e a Föld középpontjához. Ha tehát a kilogrammsúlyt is mint egy meghatározott egységet rögzíteni akarjuk, akkor azt mondjuk, hogy legyen ez az 1 kilogramm mintatömeg a 45. szélességi körön a tengerszint magasságában és legyen a légnyomás 760 higanymilliméter. Ilyen körülmények között az 1 kilogramm tömeg súlyát 1 kilogrammsúlynak nevezzük. Ez az erő egysége (ábra).

1 kilogramm tömegnek csak a 45. szélességi fokon, a tengerszinten 1 kilogrammsúly (1 kilopond) a súlya. A sarkon 2,6 grammsúllyal nagyobb, az egyenlítőn pedig 2,6 grammsúllyal kisebb erővel vonzza a Föld

A kilogrammsúlynak külön nevet adunk: 1 kilopond (mert a súly latinul pondus, ejtsd: pondusz).
A hosszúság, a tömeg, az idő, az erő fizikai alapmennyiségek. A mérésükre szolgáló méter (m), kilogramm (kg), másodperc (mp, szokásos még a szekundum - másodperc - szóból származó sec jelölés és az s is) és a kilopond (kp) pedig alapegységek.
De miért nevezzük Őket alapegységeknek?

 

Leszármaztatott mennyiségek

Lássunk egy példát. Ugye, a gépkocsi sebességét úgy tudjuk meg, hogy megmérjük, mekkora utat tesz meg bizonyos idő alatt. Például 100 métert 5 másodperc alatt. Akkor a gépkocsi sebessége 100 méter osztva 5 másodperccel = 20 méter másodpercenként.
A gépkocsi sebessége egészen más valami, mint akár a hosszúság, akár az idő, és mégis úgy tudom meg a sebességet, hogy a hosszúságot elosztom az idővel.
A hosszúság, az idő fizikai alapmennyiségek. A sebességet visszavezettem az alapmennyiségekre. De úgy is mondhatom, hogy a sebességet leszármaztattam az alapmennyiségekből. A sebesség leszármaztatott mennyiség.
Vagy például gondoljunk egy téglának a köbtartalmára. A köbtartalom nyilvánvalóan nem hosszúság, nem idő, nem súly és nem tömeg, hanem egészen más valami. És mégis, annak a téglának a köbtartalmát megadhatom, ha a szélességét, hosszúságát ás magasságát összeszorzom, vagyis ha három hosszúságot összeszorzok. Íme, a köbtartalmat visszavezettem a hosszúságra, az egyik alapmennyiségre. A köbtartalmat leszármaztattam a hosszúságból.
A fizikának a sebességen, a köbtartalmon, a gyorsuláson kívül még számtalan más mennyisége van. Ezeket mind leszármaztatott mennyiségeknek nevezzük, mert visszavezethetők az említett alapmennyiségekre:
a hosszúságra, időre, súlyra, tömegre.

 

Az abszolút mértékrendszer

Ha fizikával foglalkozó könyvet olvasunk, találkozunk ezzel a kifejezéssel: abszolút mértékrendszer.
Mit jelent ez?
Ez egyszerűen azt jelenti, hogy a hosszúságot centiméterben, a tömeget grammokban, az időt pedig másodpercekben fejezzük ki, és minden más fizikai mennyiséget ezekre az alapmennyiségekre vezetünk vissza.
Sokkal helyesebb ezt a mértékrendszert centiméter-gramm-szekundum (másodperc) vagy röviden CGS-rendszernek nevezni. Az "abszolút" szó megtévesztő és helytelen.
De ha a CGS-rendszerben csak a centiméter, a grammtömeg és a másodperc szerepel, szóval a hosszúság, a tömeg és az idő alapmennyiségek, akkor hol marad az erő? Előbb ezt is az alapmennyiségek közé soroltuk!
Már több példában láttuk, hogyha ismerjük a tömeget és az erő által a tömeg mozgatása közben okozott sebességváltozást, akkor az erőt már kiszámíthatjuk. Tehát a CGS-rendszerben az erő már leszármaztatott mennyiség.
A felsorolt négy alapmennyiség közül elegendő három is, hogy segítségükkel felépíthessük a fizikai mennyiségek rendszerét.
A fizikusok rendszerint a hosszúságot, az időt és a tömeget, az alkalmazott fizik művelői, a mérnökök pedig a hosszúságot, az időt és az erőt választják alapmennyiségnek, és ezekre vezetik vissza a többit.

 

Van még megegyezni való!

Az előzők szerint az alapmennyiségekben, az alapegységekben nemzetközileg megegyeztek a tudósok. De szükség van arra is, hogy az alapmennyiségeket, az egységeket, a leszármaztatott mennyiségeket (pl. sebesség, gyorsulás) rövid jelekkel, egységesen jelöljék az egész világon. Például a hosszúság jele ugyanaz legyen mindenütt a világon, a grammot is egyformán jelöljék.
Megtörtént-e már ez is?
Sajnos, nem. Így például hazánkban a gramm rövidítése hivatalosan "g", de ugyancsak a "g" betű jelenti a szabadon eső test gyorsulását ig. Külföldi könyvekben pedig a gramm jelzésére a "gr" és "gm" rövidítéseket találjuk.
Így vagyunk a többi jelzésekkel is. Sőt az angolok és az amerikaiak láb-font-szekundum-rendszert is használják a mi CGS-rendszerünk helyett.

A bábeli állapotok példái a könyvekben - és újságokban - ma is használt külföldi hosszúságmértékek, amelyek a hosszúságot nem méterben, illetve centiméterben adják meg.

1 yard = 3 láb = 91,44 cm
1 láb = 12 hüvelyk = 30,48 cm
1 angol mérföld mérföld = 1760 yard = 1609,34 m
1 tengeri mérföld = 6080 láb 1853,25 m
1 kataszteri öl = 6 bécsi láb = 1,896 m
1 verszt = 500szazseny = 1,067 km

Ha a világon mindenütt ugyanazokat a jelöléseket, egységeket, ugyanazt a mértékrendszert használnák, ez könnyebbé tenné az eredmények felhasználását, összehasonlítását.

(Mindenképpen meg kell jegyezni, hogy 1960 óta a természettudományokban a legtöbb mennyiséget a súlyok és mértékek azévi általános konferenciáján bevezetett nemzetközi mértékegységrendszerrel fejezzük ki. - System International - rövidítve SI-mértékegységek.)


Felhasznált irodalom