Αδρανειακές δυνάμεις. Ένα αναπάντητο ερώτημα

31-12-2014
 
Submit to FacebookSubmit to TwitterSubmit to Google PlusSubmit to StumbleuponSubmit to Delicious

Όλοι γνωρίζουμε τις βαρυτικές και ηλεκτρομαγνητικές δυνάμεις. Λίγοι όμως έχουν υπόψη τους ότι από τις έρευνες του Νεύτωνα ήρθαν στο προσκήνιο οι λεγόμενες αδρανειακές δυνάμεις ή πιο απλά φυγόκεντρες δυνάμεις, δυνάμεις δηλαδή που παρουσιάζονται κατά την περιστροφή ενός σώματος και τείνουν να το εκτρέψουν από την τροχιά του. Χαρακτηρίστηκαν ως αδρανειακές καθώς οφείλονται στην αδράνεια, την αντίσταση δηλαδή των σωμάτων σε κάθε μεταβολή της κινητικής τους κατάστασης. Οι δυνάμεις αυτές είναι συνεχώς παρούσες και μάλιστα αποτελούν και μια από τις πιο βασικές συνιστώσες της περιστροφής των μεγάλων κυκλώνων (επίδραση Coriolis), ως συνέπεια του φαινομένου της περιστροφής της Γης. Ο Νεύτωνας (1642-1727) θεωρούσε ότι οι αδρανειακές δυνάμεις οφείλονται στον απόλυτο ακίνητο χώρο, μες στον οποίο υπάρχει το Σύμπαν, μια εξήγηση όμως  τόσο αμφισβητήσιμη όσο και ο απόλυτος ακίνητος Νευτώνειος χώρος. Για τον λόγο αυτό ο Mach (1838-1916) προσπάθησε στη συνέχεια να δώσει μια πιο εμπειριστική και ποσοτική εξήγηση. 

Ας δούμε στη συνέχεια δύο κρίσιμα πειράματα που προτείνει ο Νεύτωνας και στα οποία αναφέρθηκε σε μεγάλη έκταση ο Mach.

Το πρώτο αφορά ένα κουβά γεμάτο νερό, κρεμασμένο με ένα σχοινί από την οροφή ενός εργαστηρίου. Τυλίγοντας το σχοινί και αφήνοντάς το να ξετυλιχθεί αρχίζει ο κουβάς να περιστρέφεται. Αρχικά το νερό είναι σε ηρεμία ως προς τον κουβά και η επιφάνεια του νερού είναι επίπεδη. Σύντομα ο κουβάς τίθεται σε γρήγορη περιστροφή ως προς το νερό, ενώ το νερό παραμένει ακόμη επίπεδο. Τελικά το νερό επανέρχεται σε ηρεμία ως προς τον κουβά, καθώς περιστρέφονται και τα δύο μαζί ως προς το εργαστήριο, ταυτόχρονα όμως η επιφάνεια του νερού κυρτώνεται και το νερό αναρριχάται στα τοιχώματα του κουβά. Η κυρτότητα της επιφάνειας του νερού υποδηλώνει την άσκηση δυνάμεων που παραμορφώνουν το νερό βγάζοντάς το από την κατάσταση της επίπεδης ισορροπίας που είχε κάτω από την επίδραση του γήινου βαρυτικού πεδίου. Προφανώς οι δυνάμεις αυτές προήλθαν από την κίνηση του νερού, μια κίνηση όμως όχι ως προς τα τοιχώματα του κουβά, εφόσον κατά την περίοδο σχετικής κίνησης κουβά και νερού δεν παρατηρήθηκε καμία κύρτωση της επιφάνειας του νερού. Οπότε η κίνηση του νερού θα πρέπει να θεωρηθεί ως προς το εργαστήριο ή μάλλον προς τη Γη ή ακόμη καλύτερα προς το ευρύτερο σύμπαν.

Το δεύτερο πείραμα του Νεύτωνα είναι καθαρά νοητικό και σκοπεύει να δείξει ότι οι κινήσεις οι υπεύθυνες για τις αδρανειακές δυνάμεις μπορούν να υπάρξουν και χωρίς κανένα υλικό αντικείμενο αναφοράς. Ας θεωρήσουμε ένα υποθετικό κενό Σύμπαν, μέσα στο οποίο υπάρχουν δύο βάρη συνδεδεμένα μεταξύ τους με ένα σχοινί. Τα βάρη αυτά μπορούν είτε να είναι ακίνητα είτε να περιστρέφονται γύρω από το κοινό τους κέντρο. Ο μόνος τροπος να εξακριβώσουμε τι συμβαίνει είναι να ελέγξουμε μέσω της παρατήρησης αν ασκούνται ή όχι δυνάμεις κατά μήκος του τεντωμένου σχοινιού. Στη περίπτωση λοιπόν της περιστροφής εμφανίζονται και πάλι αδρανειακές δυνάμεις, αλλά αυτή η κίνηση δεν συμβαίνει προς κανένα υλικό αντικείμενο, γιατί τα μόνα υλικά αντικείμενα του υποθετικού αυτού Σύμπαντος είναι τα δύο βάρη, τα οποία όμως είναι ακίνητα το ένα ως προς το άλλο. Έτσι ο Νεύτωνας υποστήριζε την ύπαρξη ενός απόλυτου ακίνητου κενού χώρου, ο οποίος έχει τη μυστηριώδη ιδιότητα να επιδρά.

Ο Mach απέρριψε εντονότατα το δεύτερο νοητικό πείραμα του Νεύτωνα θεωρώντας ως αδικαιολόγητο το άλμα από τον πραγματικό κόσμο σε ένα κόσμο κενό από οποιαδήποτε ύλη εκτός αυτής των δύο συνδεδεμένων βαρών. Οι επαγωγικές γενικεύσεις είναι κατ’ αυτόν επιτρεπτές μόνο μέσα στα πλαίσια του πραγματικού.   Υποστήριξε ότι η εισαγωγή του απολύτου χώρου από τον Νεύτωνα δεν ήταν αναγκαία και ότι ο χώρος αποτελεί ένα άχρηστο μεταφυσικό στοιχείο που επιβαρύνει την οικονομική επιστημονική περιγραφή. Χαρακτήριζε μάλιστα τον απόλυτο χώρο, στο έργο του  Επιστήμη της Μηχανικής, εννοιολογικό τερατούργημα, ένα πράγμα που υπάρχει μόνο στη φαντασία μας και είναι αδύνατο να καταδειχθεί  από οποιαδήποτε εμπειρία. Απελευθέρωσε λοιπόν την κατάσταση της αδράνειας από τη δράση του απόλυτου Νευτώνειου χώρου, θεωρώντας την ως αποτέλεσμα της αλληλεπίδρασης ενός αντικειμένου με το υπόλοιπο σύμπαν (Αρχή του Mach). Αντικατέστησε έτσι τον μη παρατηρήσιμο απόλυτο χώρο με τους απλανείς αστέρες, τη συνολική δηλαδή μάζα του υλικού σύμπαντος. Τοποθέτησε στη θέση μιας ιδεατής μαθηματικής κατασκευής ένα πραγματικό υλικό σύστημα. Δεν μπόρεσε όμως να δώσει μια επαρκή εξήγηση για το πώς οι απλανείς αστέρες προκαλούν αυτά τα φαινόμενα. 

Η δυσκολία που συνεπάγεται μια τέτοια θεωρία είναι η παραδοχή της ύπαρξης μιας μορφής δύναμης που  επενεργεί σε τεράστιες αποστάσεις και δεν επηρεάζεται διόλου από τις γειτονικότερες προς το αντικείμενο μάζες. Φυσικά οι δυνάμεις αυτές δεν ανήκουν σε κανένα από τα 4 παραδεκτά είδη (βαρυτικές, ηλεκτρο-μαγνητικές, ισχυρές πυρηνικές και ασθενούς επίδρασης) που εξαρτώνται από την απόσταση και τη σχετική ταχύτητα και όχι τη σχετική επιτάχυνση. Ο Mach απλά αξίωσε την ύπαρξη τέτοιων δυνάμεων, αλλά δεν κατάφερε να δώσει κάποιο επιστημονικό μοντέλο που να αποτελεί ένα αιτιώδη μηχανισμό τους.

Ο Einstein ήλπιζε ότι θα δώσει μια εξήγηση για τις αδρανειακές δυνάμεις στα πλαίσια της γενικής θεωρίας της σχετικότητας, αλλά το όλο εγχείρημα δεν ευοδώθηκε.

Συνεπώς κάποιες δυνάμεις τόσο σαφείς και πραγματικές ώστε να τις βλέπουμε με ένα τόσο απλό πείραμα όπως αυτό του κουβά με νερό παραμένουν ακόμη ένα άλυτο αίνιγμα της φυσικής των καθημερινών διαστάσεων, τη στιγμή που η φυσική, μικρής και μεγάλης κλίμακας, έχει κάνει θαύματα στους τομείς της.

Πηγές

Αλέξ. Κοϋρέ, Από τον κλειστό κόσμο στο Απειρο Σύμπαν, Εκδ. Ευρύαλος ,1989.

Sclar, L, Space, Time and Space-Time, Berkeley : University of California Press, 1974.

John Losee, Φιλοσοφία της Επιστήμης, Εκδ. Βάνιας, Θεσ/νίκη, 1991.

Jonathan Powers, Φιλοσοφία και Νέα Φυσική, ΠΕΚ, Ηράκλειο 1995.