Andrzej Łukasik: Dialog 1. Galileusz i spadanie ciał

Niektórych eksperymentów nigdy nie będzie można wykonać w rzeczywistym laboratorium. Jednak już samo przeprowadzone z sukcesem rozumowanie leżące u podstaw takiego eksperymentu ma istotne znaczenie dla naszego rozumienia świata.

Tekst ukazał się w „Filozofuj!” 2025 nr 1 (61), s. 35–36. W pełnej wersji graficznej jest dostępny w pliku PDF.

Małgosia: Jasiu, czytałam niedawno w „Filozofuj!” o eksperymentach myślowych. Wspominano tam też o tego typu eksperymentach w fizyce. Jednak fizyka to nauka doświadczalna i ostatecznym kryterium akceptacji teorii zawsze jest doświadczenie. Nawet Nagrodę Nobla przyznaje się jedynie za te teorie, które mają potwierdzenie empiryczne. A eksperymenty te wykonuje się w laboratoriach, nie w myślach… Mogę przecież pomyśleć sobie w zasadzie dowolną sytuację, w tym dowolny eksperyment. Po co zatem przeprowadzać eksperymenty jedynie pomyślane, a nie rzeczywiste?

Jaś: Eksperyment myślowy pełni bardzo ważną funkcję w fizyce. Nie jest to jednak dowolne fantazjowanie w stylu „co by było, gdyby…”, ale ścisłe rozumowanie przeprowadzone przy założeniu, że gdyby taki eksperyment zrealizować w rzeczywistości, to wszystko przebiegałoby dokładnie tak jak w eksperymencie myślowym.

Małgosia: Czy zatem fizycy stosują eksperymenty myślowe, ponieważ rzeczywiste doświadczenia są kosztowne – szczególnie we współczesnej fizyce – a teorie tanie?

Jaś: Bynajmniej! Powody są znacznie poważniejsze. Otóż zdarza się, że stan techniki eksperymentalnej na danym etapie rozwoju nauki nie pozwala na wykonanie prawdziwego eksperymentu. Niektórych eksperymentów, o których wkrótce dokładniej porozmawiamy, nigdy nie będzie można wykonać w rzeczywistym laboratorium. Jednak już samo przeprowadzone z sukcesem rozumowanie leżące u podstaw takiego eksperymentu ma istotne znaczenie dla naszego rozumienia świata.

Małgosia: Od czego zatem zaczniemy?

Jaś: Od Galileusza, któremu zawdzięczamy genialny pomysł, że księga przyrody jest zapisana językiem matematyki. Ta idea miała fundamentalne znaczenie dla powstania nowożytnego matematycznego przyrodoznawstwa.

Małgosia: Czy chodzi o problem spadania ciał, nad którym zastanawiali się już starożytni filozofowie przyrody?

Jaś: Tak. Zapewne pamiętasz, co twierdził Arystoteles na temat spadania ciał.

Małgosia: Oczywiście. Jego pogląd wydaje się całkowicie zgodny z naszymi obserwacjami zjawisk i nadal jest rozpowszechniony nawet wśród tych, którzy uczyli się fizyki Newtona. Na przykład widzę, że z drzewa zaczynają spadać jabłko i liść jabłoni. Widzę na własne oczy, że jabłko spada szybciej, a liść wolniej. Większość osób zapytana, dlaczego tak się dzieje, odpowiada, że jabłko spada szybciej, ponieważ jest cięższe. Tak twierdził również Arystoteles – ciała „ciężkie” spadają szybciej niż „lekkie”, ponieważ dążą do osiągnięcia swego „naturalnego miejsca”. W systemie Arystotelesa każda rzecz ma swoją „naturę” i wyznaczony przez nią „ruch naturalny”. „Naturalnym stanem” ciał jest ich spoczynek w „naturalnym miejscu”. Jeżeli ciało ciężkie – zbudowane głównie z żywiołu ziemi – pozbawimy podparcia, to „dąży ono” do zajęcia swego „naturalnego miejsca”, czyli porusza się w dół – do środka ziemi. Ciała lekkie, jak np. ogień, dążą „z natury” do góry. To bardzo prosta i dość przekonująca teoria.

Jaś: Według Arystotelesa każdy ruch odbywa się w pewnym ośrodku, który stawia opór poruszającemu się ciału. A co by było, gdyby ruch odbywał się w próżni?

Małgosia:: Ale wiemy przecież, że Arystoteles głosił, iż próżnia nie istnieje. Tak sądzono przez ponad dwa tysiące lat. Obowiązywała zasada horror vacui – że „natura boi się próżni”. Czy jednak Galileusz nie udowodnił, że w próżni wszystkie ciała spadałyby tak samo? Podobno zrzucał kule o różnej wielkości z krzywej wieży w Pizie…

Jaś: Nie wiemy, czy w rzeczywistości Galileusz przeprowadzał takie eksperymenty. Jednak wiemy o eksperymencie myślowym, który obalił pogląd Arystotelesa i jego późniejszych zwolenników. Zdaniem Arystotelesa ciało cięższe spada szybciej niż ciało lżejsze, ponieważ szybciej dąży do zajęcia swojego „naturalnego miejsca”.

Małgosia: Tak, zgadza się.

Jaś: Rozważmy zatem przypadek z dwiema kulami. Powiedzmy, że jedna waży 10 kg, a druga 1 kg. Zgodnie z teorią Arystotelesa kula o wadze 10 kg powinna spadać szybciej niż kula o wadze 1 kg.

Małgosia: Zgoda.

Jaś: A teraz połączmy obie kule. Ważą one razem 11 kg. A zatem – z jednej strony – powinny spadać szybciej niż kula o wadze 10 kg, ponieważ 11 kg to więcej niż 10 kg, ale – z drugiej strony – kula o wadze 1 kg powinna hamować ruch kuli cięższej, ponieważ wolniej dąży do zajęcia swojego „naturalnego miejsca”. Otrzymujemy zatem sprzeczność – połączone kule powinny spadać zarówno szybciej niż kula cięższa, jak i wolniej. A to jest niemożliwe.

Małgosia: A zatem jedynym sposobem uniknięcia tej sprzeczności jest wniosek, że ciała całkowicie niezależnie od swoich ciężarów będą spadać z takim samym przyspieszeniem? I to wiemy z eksperymentu myślowego?

Jaś: Tak. Ściśle rzecz biorąc, Galileusz nie znał jeszcze pojęcia przyspieszenia – to zawdzięczamy dopiero fizyce Newtona. Nie mógł również przeprowadzić takiego eksperymentu w próżni, gdzie nie ma oporu powietrza. Pompy próżniowe wynaleziono później. Jednak rozumowanie przeprowadzone w tym eksperymencie myślowym pokazuje, że twierdzenie o spadaniu cięższych ciał szybszym niż tych lżejszych zawiera sprzeczność, pomimo, iż wydaje się zgodne z naszymi obserwacjami spadających liści, jabłek itd.

Małgosia: Zatem różnice w prędkości spadania spowodowane są jedynie oporem ośrodka?

Jaś: Tak. Na tym polega potęga tego eksperymentu myślowego. Pokazuje on, że pogląd o zależności prędkości, a ściślej – przyspieszenia, od ciężaru ciał spadających w próżni prowadzi do sprzeczności, a zatem nie może być prawdziwy.

Małgosia: To piękne rozumowanie!

Jaś: Następne eksperymenty myślowe, które przeanalizujemy, będą prowadzić do jeszcze bardziej zdumiewających konkluzji.

Małgosia: Nie mogę się doczekać.

Andrzej Łukasik – absolwent fizyki i filozofii, dr hab. prof. UMCS. Jest pracownikiem Instytutu Filozofii Uniwersytetu Marii Curie-Skłodowskiej. Zainteresowania naukowe: filozofia przyrody i filozofia fizyki, głównie filozoficzne zagadnienia mechaniki kwantowej i teorii względności. Zainteresowania pozanaukowe: klasyczna muzyka gitarowa. E‑mail: lukasik@poczta.umcs.lublin.pl.