Avem intuiţia că materia nu ar trebui să apară de nicăieri sau să dispară fără urmă. Materia ar trebui, prin urmare, să existe într-o cantitate ce se conservă. Dacă materia nu s-ar conserva, atunci ar trebui să se creeze sau să se distrugă atomi.
Dar dispariţia ori crearea de atomi nu se întâmplă în niciun proces obişnuit din viaţa de zi cu zi, cum ar fi reacţiile chimice.
Pe de altă parte, v-am avertizat deja că nu ar trebui să credeţi că o lege a fizicii este adevărată doar pentru că sună bine. Legile fizicii trebuie descoperite prin experimente, şi par să existe experimente ce sunt excepţii ale conservării materiei. Un buştean cântăreşte mai mult decât cenuşa sa. A dispărut pur şi simplu o parte din materie când a fost ars buşteanul?
Chimistul francez Antoine-Laurent Lavoisier a fost primul om de ştiinţă care a realizat că nu există astfel de excepţii. Lavoisier a lansat ipoteza că atunci când lemnul arde, spre exemplu, presupusa pierdere de greutate este rezultatul gazelor din compoziţia flăcărilor ce se degajă.
Portret al chimistului Lavoisier şi al soţiei sale, realizat de Jacques-Louis David, 1788. Lavoisier a inventat conceptul de conservare a masei. Soţul este înfăţişat cu aparatul său ştiinţific, iar în fundal, pe partea stângă, este şevaletul doamnei Lavoisier, care, se crede, a fost o studentă a lui David.
Înainte de Lavoisier, chimiştii nu cântăreau aproape niciodată substanţele pentru a determina ce cantitate din fiecare substanţă suferă diversele reacţii. De asemenea nu înţelegeau foarte bine faptul că gazele reprezintă o altă stare a materiei şi nu încercaseră să efectueze reacţii în spaţii etanşe pentru a determina dacă gazele erau consumate din aer sau degajate în acesta. Pentru aceasta există cel puţin o scuză practică, şi anume, dacă efectuezi o reacţie într-un spaţiu închis, fără a exista loc pentru expansiune, provoci o explozie! Lavoisier a inventat o balanţă ce putea măsura mase miligramice şi a descoperit cum să efectueze reacţii într-un bol cu susul în jos într-un bazin cu apă, ca expansiunea gazelor să aibă loc împingând o parte din apă din bazin. Într-un experiment crucial, Lavoisier a încălzit un compus roşu al mercurului, pe care îl putem numi astăzi oxid de mercur (HgO) într-o astfel de cameră. S-a produs un gaz (Lavoisier l-a numit „oxigen”), care a împins o parte din apă afară, iar compusul roşu s-a transformat în metalul mercur, lichid şi de culoare argintie. Punctul crucial a fost că masa totală a sistemului a fost exact aceeaşi şi înainte şi după reacţie. Bazându-se pe mai multe observaţii de acest tip, Lavoisier a propus o lege generală a naturii, accea că materia se conservă întotdeauna.
În limbaj colocvial, spunem că ceva ar trebui „conservat” căci altfel vom rămâne fără acel ceva. Care este diferenţa între aceasta şi sensul cuvântului „conservare” în fizică?
Deşi Lavoisier era un funcţionar public onest şi energetic, a fost prins în vâltoarea Regimului Terorii şi a fost condamnat la moarte în anul 1794. A cerut o amânare de cincisprezece zile a execuţiei sale pentru a termina nişte experimente ce considera că ar fi putut fi valoroase pentru Republică. Judecătorul, Coffinhal, a replicat că „statul nu are nevoie de oameni de ştiinţă.” Ca un experiment ştiinţific, Lavoisier a decis să încerce să determine cât va mai fi conştient după ce a fost ghilotinat, clipind din ochi cât va putea. A clipit de doisprezece ori după ce i-a fost tăiat capul. Ironic, judecătorul Coffinhal a fost el însuşi executat la doar trei luni mai târziu, căzând victimă a aceluiaşi haos.
Coloana de apă mai lată în apropierea robinetului şi mai îngustă mai jos. Acest lucru poate fi înţeles utilizând conservarea masei. Având în vedere că nici nu se creează şi nici nu se distruge materie, masa de apă ce părăseşte robinetul într-o secundă trebuie să fie aceeaşi cu cea ce trece print-un anumit punct, aflat mai jos, în acelaşi interval de timp. Viteza apei crescând pe măsură ce curge, cele două cantităţi de apă pot fi egale doar în cazul în care coloana de apă este mai îngustă în partea de jos.
Fizicienii nu sunt diferiţi de instalatori şi balerine în ceea ce priveşte utilizarea unui vocabular tehnic ce le permite să facă distincţii clare. O ţeavă nu este doar o ţeavă, este o ţeavă din PVC. O săritură nu este doar o săritură, este un grand jeté (mişcare clasică din batet, cu un picior în faţă, paralel cu solul şi celălalt către spate). Trebuie aşadar să fim mai precişi în legătura cu cantitatea de materie ce se conservă. Având în vedere că fizica este o ştiinţă matematică, definiţiile din fizică sunt în general definiţii ale unor numere, şi definim aceste numere prin operaţii, adică indicăm paşii necesari măsurării acelei cantităţi. Spre exemplu, unul din modurile în care un electrician ştie că voltajul şi curentul sunt două lucruri distincte este că acestea se măsoară în feluri complet diferite.
Dacă rogi o cameră plină cu oameni obişnuiţi să definească masa unui obiect, vor propune probabil mai multe definiţii vagi şi se vor exprima de parcă toate ar însemna mai mult sau mai puţin acelaşi lucru: „cât spaţiu ocupă”, „cât cântăreşte”, „câtă materie cuprinde”. Dintre acestea, primele două pot fi uşor eliminate. Dacă masa ar fi o unitate de măsură a spaţiului ocupat de un obiect, atunci masa nu s-ar mai conserva când am strânge în mâini spuma. Deşi Lavoisier s-a folosit de greutate în experimentele sale, greutatea nu este o definiţie riguroasă, deoarece aceasta măsoară cât de tare afectează gravitaţia un obiect, iar gravitaţia variază cu poziţia. Gravitaţia este măsurabil mai slabă pe vârful unui munte decât la nivelul mării şi cu mult mai slabă pe Lună. Motivul pentru care aceasta nu a contat pentru Lavoisier a fost faptul că el a făcut toate experimentele în acelaşi loc. A treia propunere este mai bună, dar cum să definim mai exact „cantitatea de materie”? Pentru a o defini prin operaţii, am putea face ceva asemănător figurii f. O masa mai mare este mai greu de mişcat în faţă şi în spate – este mai greu de pus în mişcare, şi mai greu de oprit. Din acest motiv, vibraţia masei atârnate de resort va continua mai mult cu cât masa este mai mare. Dacă atârnăm două mase diferite de resort, şi ambelor le ia acelaşi timp să completeze o oscilaţie, putem afirma că o mase egale.
Timpul necesar efectuării unui ciclu de vibraţie depinde de masa acestuia.
Astronauta Tamara Jernigan cântărindu-se la bordul Staţiei Spaţie. Este legată de un scaun ataşat de un resort, precum masa din figura f. (NASA)
De vreme ce am început acest capitol prin punerea în evidenţă a relaţiei dintre legile de conservare şi simetrii, vă întrebaţi probabil ce simetrie explică conservarea masei. Ne vom întoarce la asta la sfârşitul capitolului.
Când învăţaţi despre o nouă proprietate fizică, precum masa, trebui să ştiţi ce unităţi se folosesc pentru măsurarea acesteia. Vom divaga puţin pentru a prezenta sistemul metric după care ne vom întoarce la partea de fizică.
— ••• —
Acest articol este parte din cartea "Fizica conceptuală" de Benjamin Crowell
CUPRINS
1.2. Conservarea masei
