FIZIKA

Pripremio: Dalibor Čavizović

Istorija naučnih istraživanja

Kelvinovi atomi

S imenom Vilijama Tomsona (lorda Kelvina) susrećemo se na samim počecima upoznavanja sa prirodnim naukama. Principi termodinamike, koje je postavio ovaj veliki fizičar omogućili su brz razvoj pomorskog i kopnenog transporta 18. i 19. veka, kao i prelaz na industrijski način proizvodnje. Nezaobilazan su alat pri demistifikovanju mnogih paranaučnih "izuma" koji se svakodnevno pojavljuju na stranicama štampe, pa i onih novina koje drže do svog ugleda (tzv. perpetuum mobile I i II vrste). Njegova istraživanja daleko prevazilaze okvire termodinamike: lord Kelvin je ostavio trag u mnogim oblastima fizike, tehničkih nauka i matematike. U čast lorda Kelvina osnovna jedinica za merenje temperaure ponela je njegovo ime. Ipak, malo ko će Kelvinovo ime povezati sa teorijom atoma i počecima kvantne mehanike.

Vilijam Tomson je zadužio nauku istraživanjima zakona termodinamike, mehanike fluida i elektriciteta. Eksperimentima koje je izvodio i koji leže u osnovama dinamičke teorije toplote uspeo je da uskladi teorije Karnoa i Džula, koje su tada izgledale protivrečne. Danas je klasična termodinamika aksiomatski zaokružena oblast fizike, dobrim delom zahvaljujući naučnom radu lorda Kelvina: on je nezavisno od Klauziusa formulisao II princip termodinamike (koji tvrdi da je proces kojim bi se energija dobijena hlađenjem nekog toplotnog rezervoara u celosti iskoristila za dobijanje mehaničkog rada u prirodi nemoguć).

Godine 1848. predložio je apsolutnu temperatursku skalu, nezavisnu od vrste termometrijske supstance (Celzijusova temperaturska skala se definiše prema kritičnim tačkama vode). Što se tiče fizike elektriciteta, Tomson se bavio matematičkim zasnivanjem fizike električnih pojava. Osim toga, i proučavanjem teorije električnih oscilacija, hidrodinamikom, teorijom talasa. On je dao i jednu od prvih procena starosti Sunca i Zemlje, zasnovanu na termodinamici.

Osim teorijskom fizikom, Vilijam Tomson se bavio i čisto praktičnim problemima: radio je na razvoju električnog telegrafa (1854), gde je uveo dosta inovacija. S angažmanom na ovom projektu su povezana i neka njegova teorijska istraživanja prostiranja električnih signala, koja su bila osnova za usavršavanje metoda prenošenja signala kroz podmorske kablove i prostiranje električnih signala izvan provodnika. Osim toga konstruisao je uređaj za merenje plime i oseke, usavršio mornarički kompas...

Mladost uz brata

Vilijamov otac Džejms Tomson je predavao matematiku i inženjerske nauke na Kraljevskom akademskom institutu u Belfastu. Bio je autor popularnih udžbenika matematike, koji su doživeli nekoliko desetina izdanja. 1832. godine dobio je mesto predavača matematike u Glazgovu, gde se porodica preselila u oktobru naredne godine.

Prvo obrazovanje Vilijam i njegov stariji brat Džejms dobili su kod kuće, od oca. Potom su pošli na koledž u Glazgovu, i ubrzo prešli na koledž u Kembridžu. Oba mladića su dobila široko obrazovanje. Vilijam je pokazao veliko interesovanje za muziku, književnost i klasike: sa 12 godina dobio je nagradu za prevođenje dela Lukijana Samostate na engleski jezik. Ipak, najveće interesovanje je pokazao za studije matematike i fizike: svet elektriciteta mu je posebno zaokupio maštu.

Naučni i pronalazački rad

Za vreme studija u Kembridžu Vilijam Tomson je objavio nekoliko radova o primeni Furijeovih redova u fizici i, u jednoj svojoj ranoj publikaciji iz 1842, postavio analogije između prostiranja toplote i elektriciteta. Ovde je pokazao kako rešenja izvesnih problema u jednoj od ovih oblasti mogu da se primene u drugoj.

Ubrzo potom, 1845. godine otišao je u Pariz, gde je nekoliko meseci stažirao kod Anrija Renoa. U Parizu je proučava probleme iz oblasti elektrostatike. Termodinamikom je počeo da se bavi 1849, kada je uspeo da usaglasi Karnoov princip sa, u to vreme, nekim novim eksperimentima. Tada se u njegovim radovima prvi put pojavljuje jedna od formulacija II zakona termodinamike. Zajedno sa Džulom 1852. provodi istraživanja hlađenja gasa pri njegovoj ekspanziji, a bez vršenja rada (tzv. adijabatsko hlađenje gasa), koja su poslužila kao prelazni stepenik sa teorije idealnih ka teoriji realnih gasova. Istraživanja termoelektričnih pojava koje je započeo 1855. i otkriće tzv. Tomsonovog efekta (prenos toplote tokom elektriciteta), izazvala su veliko interesovanje i nešto kasnije rezultirala brojnim praktičnim primenama.

Pedesetih godina 19. veka Vilijam Tomson se zainteresovao problemom transatlantske telegrafije. Godine 1858. je kao elektroinženjer na brodu „Agamemnon“ učestvovao u prvom pokušaju postavljanja telegrafskog kabla na dnu okeana. Neuspešan pokušaj je verovatno podsticajno delovao na Tomsona. Narednih osam godina je uporno savladavao naučno-tehničke probleme različite vrste koje je ovaj zadatak postavljao. Tomson je primetio da same osnove prostiranja električnih signala kroz kablove nisu postavljene na odgovarajući način, pa je problemu prišao sa teorijske strane: istraživao je prostiranje električnih impulsa duž provodnika.

Prvo postavljanje kabla ispod Atlantika

Njegovi napori uskoro su urodili plodom: osim postavljenih teorijskih osnova, ubrzo su razrešeni brojni inženjerski problemi, a transatlantski kabl je uspešno projektovan i postavljen. Tomson je pri tome izveo i neke rezultate koji leže u osnovama teorije električnih oscilacija. Konačno, 1866. je sa parobroda „Great Eastern“ (prvi paraobrod čija je konstrukcija u celosti metalna) nadgledao radove na ovom velikom inženjerskom poduhvatu 19. veka. Zbog velikih zasluga na projektu transatlantskog telegrafa, promovisan je u viteza i dobio je baronsku titulu. Bio je prvi britanski naučnik koji je postao lord. Od tada je poznat kao lord Kelvin. Ime Kelvin dobio je po reci koja protiče nedaleko od mesta na kojem se nalazila njegova laboratorija na Glazgovskom univerzitetu.

Kelvin i Darvin

U Kelvinovo vreme vođena je živa diskusija oko Darvinove teorije evolucije. Ova je teorija sagledavala razvoj života na Zemlji iz jednog novog i u to vreme provokativnog ugla. A u takvoj atmosferi nova pitanja niču kao pečurke posle kiše. Među njima našla su se i ona vezana za starost Zemlje i života na njoj. U diskusiju se uključilo mnogo onovremenih teologa, filozofa, prirodnjaka... među njima i Kelvin.

Budući da je imao zavidno iskustvo u proučavanju problema vezanim sa provođenjem toplote, Kelvin je problemu starosti Zemlje prišao sa te strane. Pretpostavio je da je naša planeta nekada davno bila suviše vrela da bi na njoj postojao život. Zatim je primenom zakona koji upravljaju zagrevanjem (hlađenjem) tela izračunao vreme potrebno da se planeta ohladi do današnje temperature. Njegove prve procene su ukazivale na starost Zemlje od 20 do 400 miliona godina. Kasnije je ovu procenu dodatno suzio na period od 20 do 40 miliona godina.

Kada je Darvin izašao u naučnu javnost sa svojom teorijom evolucije, Kelvin se uključio u diskusiju i ukazao da je period u kojem je Zemlja bila pogodna za život relativno kratak. Po njegovom mišljenju, za Darvinovu evoluciju nije bilo dovoljno vremena. Umesto Darvinove teorije, razrađivao je teističku verziju, u kojoj bi sam proces evolucije bivao ubrzavan povremenim božanskim uplivima.

Kelvin je procenio i starost Sunca, pri čemu je uzeo u obzir u to vreme jedini poznati izvor energije: energiju nastalu u hemijskim reakcijama.

Ovakva procena starosti Zemlje uglavnom je posledica nepoznavanja približnih vrednosti nekih fizičkih parametara (kao što su specifični toplotni kapaciteti pojedinih minerala i temperature topljenja stena) i građe same planete. Što se tiče starosti Sunca, koju je Kelvin takođe procenio na nekoliko stotina miliona godina, on nije mogao znati da izvor energije Sunca nisu hemijske reakcije koje se na njemu odvijaju, već su to nuklearne reakcije.

Vrtlozi i teorija atoma

U pokretnim fluidima ponekad nastaju vrtlozi, koji mogu svoj oblik i veličinu zadržati veoma dugo. Vrtložna strujanja se stvaraju svakodnevno u našoj atmosferi (cikloni, koji mogu dugo da se zadrže nad nekim područjem), u vodenim tokovima (virovi), u atmosferama drugih planeta (velika crvena pega na Jupiteru je ciklon koji se kreće atmosferom ove planete i koji svoju formu održava vekovima)...

Pun zamah istraživanja dinamike fluida dobijaju u 19. veku kada je matematički aparat, neophodan za dobar teorijski opis ove oblasti fizike, u potpunosti razvijen. Tada se mnoga ugledna imena evropske fizike počinju baviti istraživanjima fluida. Da stvari budu interesantnije, isti matematički aparat je primenljiv i u fizici elektriciteta (druge oblasti koja se u to vreme brzo razvijala), a ovakva „škrtost“ prirode, kada se slični obrasci pojavljuju u sasvim različitim manifestacijama prirodnih pojava uvek deluju inspirativno za istraživače.

Za vreme bavljenja fizikom fluida, nemački naučnik Helmholc je primetio da jezgro vrtložnog kretanja ima oblik niti. Proučavajući međusobno dejstvo dvaju vrtloga, primetio je da se njihova jezgra mogu "umrsiti" (slično kao dve niti). Zapravo, međudelovanje dvaju vrtloga (koje se najbolje vidi kao međudelovanje dvaju njihovih jezgara) podseća na magnetne sile koje deluju među provodnicima kroz koje protiče električna struja. Zbog dejstva između vrtložnih kretanja, dva vrtloga mogu i da se „sliju“ (tj. jedan da zahvati drugi) i formiraju novi. Kao rezultat provedenih istraživanja, Helmholc je formulisao teoriju vrtložnih kretanja. Saglasno ovoj teoriji, vrtložna linija nekog vrtloga u idealnom fluidu je uvek zatvorena kriva (tj. u obliku je petlje). Slivanjem dvaju vrtložnih kretanja nastaje novi vrtlog sa složenim strujnim linijama u obliku petlji različitog tipa (tj. broja i razmeštaja čvorova koji definišu oblik petlje). Zanimljiva osobina formiranih strujnih linija je da se one odlikuju izuzetnom stabilnošću, tj. one su (kao uostalom i strujne linije roditeljskih vrtloga) u stanju da svoj oblik i veličinu zadrže veoma dugo!

Helmholcova zapažanja su ostavila izuzetan utisak na Kelvina. On je (kao i većina istraživača tog vremena) bio ubeđen da je materija izgrađena od sitnih elementarnih delića, atoma. Na ovo su ukazivala sva saznanja koja su proizlazila iz hemije i fizike gasova. Ali jasan fizički model, koji bi objasnio na koji način samo nekoliko tipova ovih elementarnih delića materije svojim ponavljanjem mogu da izgrade svekoliki materijalni svet u to vreme još nije postojao, čak nije bio ni na vidiku. Drugo, možda još zagonetnije pitanje, bilo je zašto strukture koje ovakvi atomi grade (pa i sami atomi uostalom) pokazuju toliku stabilnost i svoje oblike mogu toliko dugo da održavaju?

Kelvinu je na um pala ideja da su za sve možda odgovorne različite manifestacije sveprisutnog fluida (tj. fluida koji prožima ceo prostor): etra. U redu, ideja nije nova. Postojanje etra je još u antičko doba postulirao Aristotel. U 19. veku je postojanje etra uzimano kao nesumnjivo, a teorija elektriciteta koju je stvorio Džejms Maksvel dugo je smatrana kontroverznom, baš zbog određene nesaglasnosti sa njegovim postojanjem.

Po Kelvinovoj zamisli, međutim, u sveprisutnom etru mogu nastati stabilna vrtložna kretanja. Ovakva vrtložna kretanja etra, prema Helmholcovoj teoriji, mogu formirati stabilne strujne linije različitih vrsta, kojima odgovaraju različiti tipovi petlji. Da stvari budu interesantnije, slivanjem više eterskih vrtloga mogu nastati različiti tipovi novih, manje ili više stabilnih vrtloga koji bi mogli da odgovaraju molekulima! Time bi se lako objasnila stabilnost atoma, a zakoni hemije mogli opisati topologijom petlji.

Kelvin je na ovu temu objavio nekoliko publikacija i otprilike tu stao. Ipak, njegov model atoma je veoma ozbiljno shvatan gotovo dve decenije. On je inspirisao i škotskog fizičara Pitera Tajta koji je želeo da razjasni kada se dve petlje razlikuju a kada ih možemo smatrati istim? Tajt je uradio klasifikaciju petlji koje su imale do deset čvorova (preseka) i time utemeljio ovu oblast topologije. Tajtovo intuitivno poimanje različitosti dveju petlji je i danas koristan alat.

Dalibor Čavizović

Kompletni tekstove sa slikama i prilozima potražite u magazinu
"PLANETA" - štampano izdanje ili u ON LINE prodaji Elektronskog izdanja
"Novinarnica"