Pierwsze prawo Newtona Rewolucja w postrzeganiu natury

Pierwsze prawo Newtona w istocie stwierdza, że nie ma różnicy pomiędzy ruchem z niezmienną prędkością po torze prostoliniowym a stanem spoczynku. Oba te stany są  tym samym, a różnica wynika jedynie z umiejscowienia obserwatora. Obserwator nie jest w stanie odróżnić czy porusza się on sam a inny obserwator jest w spoczynku, czy też jest odwrotnie. Ktoś inny się porusza, a ja spoczywam. A może to ja się poruszam, a ktoś znajduje się w bezruchu. A może obaj poruszamy się z identyczną prędkością w tym samym kierunku albo obaj jesteśmy w stanie spoczynku?

Ruch i spoczynek są stanami, które tak naprawdę mogą być określone w zależności od obserwatora. Żaden z obserwatorów nie może sobie przypisać w sposób bezwzględny stanu spoczynku lub stanu ruchu. Istnieje więc ruch, który nie musi mieć przyczyny. Ruch z  prędkością po torze prostoliniowym może być tak samo wieczny, jak spoczynek.  

Zasady dynamiki Newtona stały się podstawą nowoczesnej fizyki i sposobu opisywania rzeczywistości. Zwane są też prawami ruchu. Przełomowe dzieło - "Matematyczne zasady filozofii naturalnej", a w oryginale: "Philosophiae naturalis principia mathematica" Newton stanowi punkt zwrotny w historii cywilizacji ludzkiej. Każdy kto ukończył chociażby szkołę podstawową zetknął się z zasadami dynamiki Newtona.

 

"Matematyczne zasady filozofii naturalnej" to opracowanie teoretyczne obserwacji ruchu, które nie tylko objaśniało zjawiska ruchu, ale też zawierało formuły matematyczne pozwalające obliczać położenia poruszających się ciał w przyszłości. Znalazły się też tam odniesienia do wzajemnych oddziaływań ciał między sobą - trzecia zasada dynamiki oraz prawo powszechnego ciążenia. Zasady te lub prawa są uważane za obowiązujące w całym Wszechświecie i we wszystkich momentach istnienia świata. Są uważane jako prawa uniwersalne. Użyłem sformułowania "są uważane" ponieważ nie zostały nigdzie udowodnione w sposób bezwzględny. Jednak porównywanie danych obserwacyjnych z danymi teoretycznymi nigdy nie wykazało fundamentalnych rozbieżności, natomiast praktyczne zastosowanie okazało się nieocenione.

W tym wpisie zajmę się tylko pierwszym prawem Newtona. Pozostałe prawa opiszę w kolejnych tekstach tego bloga.  

Zacznę od przytoczenia definicji, która składa się tylko z jednego zdania:

"W inercjalnym układzie odniesienia, jeśli na ciało nie działa żadna siła lub siły działające równoważą się, to ciało pozostaje w spoczynku lub porusza się ruchem jednostajnym prostoliniowym"

Newton w dużej mierze korzystał z osiągnięć intelektualnych wcześniejszych myślicieli, a zwłaszcza Galileusza. Sam zresztą napisał o tym w słowach: "To że mogłem zobaczyć dalej i widzieć więcej, zawdzięczam temu, że stanąłem na ramionach gigantów którzy byli przede mną". 

Przed Newtonem, około półtora tysiąca lat wcześniej opisywaniem ruchu zajmował się Arystoteles. Postać ta jest legendarna. Był nauczycielem Aleksandra Wielkiego, ale do historii przeszedł głównie dzięki swoim tekstom dotyczącym objaśniania natury. Przez setki lat jego poglądy inspirowały innych myślicieli. W kręgach chrześcijańskich jego twierdzenia  w dalszym ciągu uznawane są za obowiązujące, pomimo rozbieżności z nowoczesnym pojmowaniem świata.

Galileusz swoimi obserwacjami i eksperymentami stworzył podstawy wiedzy o tym jak rzeczywiście zachowuje się świat natury. W dużej mierze właśnie na odkryciach Galileusza opierał się Newton. 

Przełom intelektualny, który zawdzięczamy zasadom dynamiki Newtona polega przede wszystkim na tym, że różne zdarzenia w świecie naturalnym mogą się dziać same z siebie. Bez potrzeby ingerencji sił nadprzyrodzonych. I właśnie to zdanie, że jeśli nie działa żadna siła, to ciało znajduje się nadal w ruchu, było zaprzeczeniem opisu Arystotelesa. Ruch ze stałą prędkością po torze prostoliniowym był tożsamy ze stanem spoczynku, a różnica wynikała jedynie od usytuowania obserwatora. Arystoteles natomiast uważał, że każdy ruch jest procesem i musi być podtrzymywany, zaś spoczynek jedynie jest stanem, który może trwać sam z siebie. 

Newton zastosował język matematyczny do opisu zjawisk fizycznych. To było także ogromnie ważnym krokiem, ponieważ dawało nieocenione możliwości praktyczne. Zamiast twierdzenia, że "niezbadane są wyroki nieba", wystarczyło zastosować wzór i podstawić dane. Otrzymany wynik można było zweryfikować eksperymentalnie. Obserwacji i pomiar były argumentami na poprawność teorii. Do tej pory nie odnotowano przypadku, w dziedzinie stosowalności i dokładności pomiaru, aby zasady Newtona nie zgodziły się z obserwacją. 

Fundamentalnie nie ma podstaw aby móc udowodnić prawdziwość teorii Newtona. Nie da się udowodnić w sposób logiczny. Przy użyciu jedynie czystego rozumowania. Nie można powiedzieć dlaczego tak jest.  Po prostu zaobserwowano, że jest tak a nie inaczej. I nie ma sensu dopytywać się dlaczego. 

Prawa fizyki nie są odgórnie nadane i nie mają źródła kodyfikacyjnego. Nie jest nigdzie zapisane, że ciało w spoczynku ma trwać wiecznie w tym stanie. 

To na podstawie obserwacji, wielu powtarzalnych obserwacji udało się zauważyć, że to co jest w spoczynku pozostaje w spoczynku. Do czasów Newtona uważano, że taka jest wola Stwórcy. Newton zaś rozwinął ideę Galileusza mówiącą o tym, że ciała materialne mają pewną właściwość, którą nazwali masą. Pojęcie masy wymaga jednak opisu, który tutaj byłby zbyt długi, więc poświęcę temu zagadnieniu osobny wpis.  

Chociaż od sformułowania pierwszej zasady dynamiki przez Newtona upłynęło ponad trzysta lat, to nie wystąpił przypadek, aby ta zasada okazała się niezgodna z obserwacją.

Warunkiem utrzymania stanu spoczynku lub stanu ruchu jednostajnego prostoliniowego jest brak działania siły zewnętrznej, lub niezrównoważonych sił zewnętrznych. W skrócie można powiedzieć, że siła jest przyczyną zmiany. Jeśli więc nie występuje przyczyna, to spoczynek lub ruch pozostają w stanie niezakłóconym. Pojęcie siły jednak wymaga szerszego opisu, co uczynię w osobnym wpisie. 

W skrócie można pierwszą zasadę Newtona podsumowując następująco: 

Stan ruchu ze stałą prędkością i niezmiennym kierunku i stan spoczynku różnią się od siebie tylko względnym umiejscowieniem obserwatora. Obserwator nie ma możliwości bezwzględnej oceny, czy się porusza, czy spoczywa. Obie możliwości są równoważne. Zmiany położeń są przeliczalne i pod względem matematycznym w równym stopniu poprawne. 

Oba te stany nie wymagają przyczyny do trwania w czasie. Mogą trwać wiecznie, o ile nic nie zakłóci tego stanu. 

Oznacza to tyle, że nie odczuwając żadnych sił nie mogę powiedzieć, że ja poruszam się do przodu a otaczające obiekty są nieruchome. Równie dobrze zmiana położenia mojego i otoczenia może być opisana jako ruch obiektów otaczających do tyłu, a ja pozostaję w spoczynku. Matematyczny opisy zmian położeń mogą być łatwo ujednolicone poprzez transformację układów odniesienia. 

Stan ruchu jednostajnego prostoliniowego lub stan spoczynku może zakłócić działanie pojedynczej siły, bądź siły wypadkowej.  Zmiany zachodzące w stanie spoczynku lub stanie ruchu jednostajnego prostoliniowego pod wpływem siły jest treścią drugiego prawa dynamiki Newtona, które opiszę w osobnym wpisie na blogu.  

Chyba większość z nas jechała pociągiem i chyba większość doświadczyła zdarzenia, że pociąg stojący na sąsiednim torze rozpoczynał swoją podróż. Pierwsze sekundy zaś obserwacji podpowiadały nam, że to my właśnie ruszyliśmy. Dopiero po chwili uzmysłowiliśmy sobie, że przecież nie czujemy żadnych wstrząsów, nie czujemy żadnej reakcji z kanapą ani żadne wrażenia słuchowe, charakterystyczne dla jazdy do nas nie docierają. 

Pierwsze prawo Newtona właśnie o tym mówi. Nie da się odróżnić, czy pędzimy czy przeciwnie spoczywamy statecznie. O ile tylko prędkość nie zmienia wartości co do szybkości, ani kierunku to nie jesteśmy w stanie odróżnić tych dwóch stanów. 

Newton nigdy nie miał sposobności jechać pociągiem, ale dzięki niemu potrafimy wyjaśnić dziwny rodzaj iluzji,  której doświadczamy niekiedy podczas oczekiwania na rozpoczęcie podróży koleją.