În imagine: câmpul magnetic al Pământului, protejând Terra de radiaţia solară

În jurul anului 1900 fizicienii aveau o concepţie mecanicistă a universului. Newton arătase că sistemul solar este o colecţie de obiecte care interacţionează prin forţe care acţionează la distanţă. Pe la finalul secolului al XIX-lea începuseră să se acumuleze dovezi cu privire la existenţa reală a atomilor. Imaginea newtoniană a lumii macroscopice se transfera la nivelul lumii microscopice. Actorii pe scenă erau acum atomii, în locul planetelor, iar forţele erau electrice, nu gravitaţionale - dar părea să fie o variaţiune pe aceeaşi temă.



Unii fizicieni însă au început să observe că această abordare mecanicistă nu funcţionează foarte bine. La un nivel mai profund, funcţionarea universului era înţeleasă în termeni de "câmpuri".

Întârzieri ale forţelor exercitate la distanţă

Ce i-a convins pe fizicieni că au nevoie de noul concept al câmpului forţei? Să începem cu forţa magnetică. Un magnet în formă de bară are o axă de-a lungul căreia orbitele electronilor sunt aliniate, ca în imaginea de mai jos.




Pământul, de asemenea, este un magnet, deşi nu are formă de bară. Interacţiunea dintre Pământ şi bară face cele două corpuri să "dorească" să-şi alinieze axele în direcţii opuse (electronii se rotesc în planuri paralele, într-un caz aceştia rotindu-se în sensul acelor de ceasornic, în celălalt în sensul opus). Vezi imaginea de mai jos.



La o scară mai mică, doi magneţi în formă de bară se vor alinia ca în imaginea de mai jos.



Este clar că două persoane separate de un perete subţire ca o coală de hârtie ar putea folosi doi magneţi în formă de bară pentru a transmite semnale. Fiecare persoană ar simţi propriul magnet cum se mişcă, reacţie la orice rotaţie a magnetului celeilalte persoane. Comunicarea ar fi pe o distanţă foarte scurtă, dar un aparat foarte sensibil ar putea capta semnalele la o distanţă mult mai mare. În fapt nu e nicio diferenţă faţă de modul în care funcţionează radioul: electronii care se deplasează în antena de transmisie exercită o forţă asupra electronilor din antena de recepţie. În fapt, atât forţe electrice, cât şi forţe magnetice sunt implicate în semnalele radio, dar păstrăm lucrurile simple pentru moment.

O întrebare este aceea dacă este vreo întârziere în acest tip de comunicaţie care implică forţe magnetice (şi electrice). Newton ar fi crezut că nu, întrucât concepţia lui asupra fizicii presupunea acţiunea instantanee la distanţă. Noi ştim că, în fapt, există o întârziere. Dacă suni la distanţă, folosind un satelit de comunicaţii, vei vedea că ai întârziere de jumătate de secundă. Măsurători moderne au arătat că forţele gravitaţionale, magnetice şi electrice se deplasează cu viteza luminii, 3x108 m/s.  O să vorbim în curând despre faptul că lumina este, în fapt, făcută din electricitate şi magnetism.

Dacă forţele au nevoie de ceva timp pentru a se deplasa prin spaţiu, atunci e evident e există "ceva" care se deplasează prin spaţiu. Faptul că ceea ce călătoreşte prin spaţiu o face cu aceeaşi viteză în toate direcţiile, invocă metafora cu valurile unui lac.


Dovezi suplimentarea privind realitatea câmpurilor de forţă: acestea poartă energie

Argumentul puternic privind noţiunea de deplasare a forţei vine de la faptul că aceasta are energie. Imaginează-ţi că o persoană care ţine un magnet decide să-i schimbe poziţia, ajungând la situaţia din imaginea de mai jos.



Persoana trebuie să efectueze lucru mecanic pentru a-i schimba poziţia, iar dacă eliberează magnetul, revenirea la poziţia iniţială a magnetului presupune eliberarea de energie. Persoana a stocat energie atunci când a schimbat poziţia magnetului. Până acum totul este uşor explicat fără a utiliza conceptul de câmp al forţei.

Dar imaginează-ţi acum că două persoane  simulat schimbă poziţia magneţilor în formă de bară, ajung în configuraţia de mai jos.


 

Imaginează-ţi, de dragul argumentaţiei, că cele două persoane pot inversa poziţia magnetiţilor aşa de repede, că magneţii sunt poziţionaţi în poziţia finală înainte ca semnalul forţei să ajungă la celălalt magnet. Pe timpul inversării poziţiei, fiecare magnet încă simte forţele exercitate de magnetul celălalt, aflat încă în poziţia iniţială. Chiar dacă cei doi magneţi stau aliniaţi pe timpul întoarcerii lor, întârzierea face ca fiecare persoană să simtă rezistenţă în timpul în care schimbă poziţia magnetului. Cum poate fi astfel? Amândoi efectuează lucru mecanic, deci trebuie să stocheze energia magnetică undeva. Dar în concepţia tradiţională newtoniană materia interacţionează prin intermediul unor forţe instantanee la distanţă, apărând o energie de interacţiune de la poziţiile relative ale obiectelor care interacţionează prin intermediul forţelor. Dacă magneţii nu şi-au schimbat orientarea lor relativă, cum poate fi stocată energie magnetică?

Singurul răspuns posibil este că energia trebuie să fi fost transmisă prin vibraţiile forţei magnetice care străbate spaţiul dintre magneţi. Câmpurile de forţă poartă energie prin spaţiu, ceea ce furnizează o dovadă puternică că sunt reale.

Această idee nu este astăzi o idee atât de radicală cum a fost pentru înaintaşii noştri. Noi suntem obişnuiţi cu ideea că antenele care transmit mesaje radio consumă energie, pe care o transmit cumva prin spaţiu. O persoană care lucrează în apropierea unei asemenea antene trebuie să aibă grijă să nu fie prea aproape, pentru că energia poate afecta ţesutul viu.


Câmpul gravitaţional

Dat fiind faptul că aceste câmpuri de forţă sunt reale, cum le definim, măsurăm şi calculăm? O metaforă utilă ar putea fi modelul vântului de care se lovesc navigatorii. În orice direcţie s-ar deplasa, nava va simţi o anumită forţă generată de vânt, iar această forţă va fi într-o anumită direcţie. Vremea se schimbă continuu, desigur, dar să ne imaginăm că vânturile respectă anumite tipare.

Definiţiile în fizică descriu cum să măsori lucrul pe care-l defineşti. Căpitanul navei poate măsura câmpul de forţă al vântului prin determinarea direcţiei vântului şi a tăriei acestuia. Afişarea măsurătorilor pe o hartă va duce la o descriere a câmpului de forţă al vântului, aşa cum este reprezentat în imaginea de mai jos. Această metodă este cunoscută drept "marea de săgeţi".





Să vedem acum modul în care aceste concepte sunt aplicate câmpurilor de forţe fundamentale ale universului. Să începem cu câmpul gravitaţional, care e mai uşor de înţeles. Am întâlnit deja câmpul gravitaţional, g, pe care l-am definit în funcţie de energie. g a fost definit drept numărul care face ca ecuaţia GE = mgh să dea răspunsul corect. Cu toate acestea, ştim că un câmp gravitaţional are o direcţie asociată: jos!

Acest aspect poate fi uşor exprimat prin următoarea definiție:

"Câmpul gravitaţional, g, în orice punct din spaţiu, este determinat prin plasarea unei mase m în acel punct. Valoare câmpului este dată de egalitatea g = F/m, unde F este forţa gravitaţională a masei de test".


Cu această nouă definiţie vom avea unitatea de măsură N/Kg, nu J/kg/m. Acestea sunt unităţi echivalente.

Partea mai subtilă este următoarea: câmpul gravitaţional ne spune ce forţe vor fi exercitate asupra masei de test de către Pământ, Soare, Lună şi restul universului, dacă inserăm masa de test la punctul în discuţie. Câmpul încă există în toate punctele în care nu l-am măsurat.


Surse şi "chiuvete"

Dacă creăm o imagine tip "mare de săgeţi" pentru a reprezenta câmpul gravitațional ce înconjoară Pământul, rezultatul aminteşte despre apa coborând de-a lungul  unu burlan. Din acest motiv Pământul poate fi privit ca o "chiuvetă gravitaţională". Câmpurile gravitaţionale doar atrag, nu resping.



Informaţii despre câmp înseamnă informaţii despre sursa câmpului. Dacă nişte extratereştri ar identifica modelul câmpului gravitaţional al Terrei, ar şti imediat de existenţa planetei, iar dacă ar şti masa planetei, ar putea prezice influenţa gravitaţională asupra spaţiului din jurul acesteia.


Câmpul electric

Definiţia câmpului electric este similară cu cea a câmpului gravitaţional:

"Câmpul electric, E, în orice punct din spaţiu, este determinat prin plasarea unei sarcini de test q în acel punct. Vectorul câmpului electric este stabilit de relaţia E = F/q, unde F este forţa electrică asupra sarcinii de test".


Sarcinile sunt ceea ce creează câmpurile electrice. Spre deosebire de gravitaţie, care doar atrage, electricitatea se manifestă în ambele moduri, atracţie şi respingere. O sarcină pozitivă este o sursă de câmpuri electrice, iar o sarcină negativă este o "chiuvetă".

— ••• —
Acest articol este parte din cartea "Fizica conceptuală" de Benjamin Crowell
 

CUPRINS

6.1 Câmpurile de forţă - despărţirea de universul mecanicist

 


Dacă găsiţi scientia.ro util, sprijiniţi-ne cu o donaţie.


PayPal ()
CoinGate Payment ButtonCriptomonedă
Susţine-ne pe Patreon!