Andrzej Łukasik: Dialog 2. Wiadro Newtona i przestrzeń absolutna

O to wiadro sprzeczają się fizycy i filozofowie od ponad trzech stuleci.

Tekst ukazał się w „Filozofuj!” 2025 nr 2 (62), s. 30–32. W pełnej wersji graficznej jest dostępny w pliku PDF.

Małgosia: Jasiu, czy naprawdę sądzisz, że w „Filozofuj!” wypada rozmawiać o wiadrze? Czy to nie jest zbyt trywialny temat?

Jaś: Nie, Małgosiu! To nie jest byle jakie wiadro, tylko eksperyment myślowy „wiadro Newtona”, zaproponowany przez twórcę mechaniki klasycznej w Philosophiae naturalis principia mathematica, który miał na celu wykazanie istnienia przestrzeni absolutnej. O to wiadro sprzeczają się fizycy i filozofowie od ponad trzech stuleci.

Małgosia: Zaczynajmy zatem.

Jaś: Wiesz zapewne, że Isaac Newton, poza tym, że sformułował słynne trzy zasady dynamiki i prawo powszechnego ciążenia, które stały się podstawą mechaniki klasycznej, przedstawił też na kartach Pryncypiów swoje poglądy na temat czasu i przestrzeni.

Małgosia: Oczywiście. Koncepcję Newtona nazywamy absolutystyczną, co znaczy, że zgodnie z nią czas i przestrzeń istnieją całkowicie niezależnie od materii. Newton pisał, że absolutna przestrzeń ze swej natury istnieje niezależnie od czegokolwiek zewnętrznego. Jest ona – używając powszechnie przyjętej metafory – swego rodzaju pojemnikiem, w którym znajdują się rzeczy i rozgrywają się wszystkie zdarzenia opisywane przez mechanikę klasyczną. Ale co ma do tego wiadro?

Jaś: Pamiętasz, że zgodnie z mechaniką klasyczną wszelki ruch jest względny, to znaczy, że aby mówić o ruchu jakiegoś ciała, musimy określić układ odniesienia, czy też układ współrzędnych, względem którego rozpatrujemy ruch?

Małgosia: To wykazał już Galileusz, który sformułował zasadę względności, zwaną dzisiaj zasadą względności Galileusza.

Jaś: A zatem także wiadro porusza się albo nie porusza – w zależności od tego, jaki układ odniesienia wybierzemy. Jeśli wiadro stoi w laboratorium, to nie porusza się względem laboratorium, ale porusza się wraz z Ziemią względem Słońca, Słońce względem centrum naszej galaktyki, a galaktyki poruszają się względem siebie. Wszelki ruch jest względny, a prawa fizyki mają taką samą matematyczną postać w każdym inercjalnym układzie odniesienia, to znaczy w takim układzie, który porusza się ruchem jednostajnym prostoliniowym, czyli nie przyspiesza i nie zwalnia. Na podstawie tego, jak wyglądają prawa fizyki w takim układzie, nie da się rozstrzygnąć, czy znajdujemy się w spoczynku, czy też poruszamy się ruchem jednostajnym prostoliniowym.

Małgosia: Po co zatem Newtonowi przestrzeń absolutna?

Jaś: Kręciłaś się kiedyś na karuzeli?

Małgosia: Co za pytanie! Oczywiście, że tak.

Jaś: W takim układzie odniesienia pojawiają się tzw. „pozorne siły” bezwładności, odpychające nas od osi obrotu. Newton był przekonany o istnieniu przestrzeni absolutnej, która jest nieskończona i stanowi absolutny układ odniesienia. Wprawdzie nie możemy jej w żaden sposób zaobserwować, ale pewne zjawiska fizyczne świadczą o jej istnieniu.

Małgosia: Na przykład siły bezwładności?

Jaś: Tak. Wyobraź sobie wiadro napełnione wodą, które wieszamy na skręconym sznurze. Najpierw wiadro spoczywa, możemy je przytrzymać, i wówczas powierzchnia wody jest płaska. Następnie puszczamy wiadro – sznur się rozkręca i wiadro zaczyna wirować. Początkowo powierzchnia wody jest płaska, a wiadro wiruje. Po pewnym czasie woda również zaczyna wirować i widzimy, że jej powierzchnia staje się wklęsła – przybiera kształt paraboloidy obrotowej. W pewnym momencie wiadro wiruje z taką samą prędkością jak woda, a zatem nie ma ruchu względnego wody, ruchu wody względem wiadra.

Małgosia: Zgoda.

Jaś: W pewnej chwili zatrzymuję wiadro. Wiadro już nie wiruje, ale woda jeszcze przez pewien czas – tak. Teraz woda wiruje względem wiadra. Pytanie jest następujące – jak wyjaśnić występowanie deformacji powierzchni wody? Deformacja pojawia się zarówno wtedy, gdy woda wiruje względem wiadra, jak i wówczas, gdy nie ma jej ruchu względnego. Widzimy, że kształt powierzchni wody jest inny w przypadku, gdy woda spoczywa, a inny w przypadku, gdy wiruje. Względem czego wiruje woda?

Małgosia: Względem jakiejś osi obrotu…

Jaś: Względem osi w przestrzeni absolutnej. Tak przynajmniej sądził Newton. Choć sama przestrzeń absolutna jest nieobserwowalna, czyli nie można jej zobaczyć, dotknąć itd., to jednak, zdaniem Newtona, należy założyć jej istnienie, by wyjaśnić eksperyment z wirującym wiadrem z wodą. Prędkość jest względna, ale przyspieszenie jest absolutne.

Małgosia: Ale dlaczego to właściwie jest eksperyment myślowy? Każdy może takie doświadczenie wykonać w domu. Gdy woda wiruje, widać wklęśnięcie powierzchni, a gdy nie wiruje, jej powierzchnia jest płaska. To chyba przekonujący dowód na absolutne wirowanie.

Jaś: A gdyby wiadro pozostało w spoczynku i zamiast niego wprowadzić w ruch obrotowy całe laboratorium, w którym przeprowadzamy nasz eksperyment – myślowy oczywiście? A gdyby laboratorium zaczęło wirować w przeciwną stronę? Czy wówczas również powierzchnia wody uległaby deformacji?

Małgosia: Tego raczej nie zrobimy, ale jeżeli eksperyment ten ma być dowodem na absolutne wirowanie wody, to gdyby wirowało laboratorium, wówczas powierzchnia wody powinna pozostać płaska.

Jaś: A gdyby wiadro z wodą wirowało w pustym kosmosie pozbawionym jakiejkolwiek materii?

Małgosia: Przy braku grawitacji nie da się nalać wody do wiadra – woda przyjmie postać kuli i nie będzie wypełniać naczynia tak, jak to się dzieje na Ziemi.

Jaś: Newton przeprowadza jeszcze jeden eksperyment myślowy. Wyobraź sobie dwie kule połączone liną i znajdujące się w zupełnie pustym Wszechświecie. Jeżeli kule te znajdują się w spoczynku względem siebie, lina nie jest napięta. Jeżeli jednak wprawiamy je w ruch obrotowy względem ich środka masy, wówczas lina napina się w wyniku działania odosiowych sił bezwładności i napięcie to możemy zmierzyć. Możemy zatem odróżnić spoczynek od absolutnego wirowania. Dokładnie tak samo, jak w przypadku wirującego wiadra z wodą. Także wówczas, gdy wykonujesz piruet, twoje ręce są odrzucane na zewnątrz osi obrotu.

Małgosia: To brzmi przekonująco. Musimy zatem przyjąć istnienie przestrzeni absolutnej?

Jaś: Tak sądził Newton. Ale sprawa nie jest prosta. Już filozof George Berkeley zauważył, że ruch wirowy wody jest złożeniem ruchu względem osi symetrii wiadra, ruchu obrotowego Ziemi oraz ruchu Ziemi wokół Słońca i w rzeczywistości nie istnieje w „przestrzeni absolutnej” żadna ustalona oś, wokół której wiruje woda. Ruch obrotowy wiadra i wody jest niezwykle skomplikowany. Zdaniem Newtona masa ciała jest miarą ilości materii i jest stała, ale dziewiętnastowieczny fizyk i filozof Ernst Mach twierdził, że masa ciała, a zatem i jego bezwładność, nie jest wewnętrzną, czyli absolutną własnością ciał, ale rezultatem oddziaływania grawitacyjnego z całym Wszechświatem.

Małgosia: To znaczy, że gdyby Wszechświat zawierał tylko połowę gwiazd, masa danego ciała byłaby dwa razy mniejsza, a gdyby we Wszechświecie istniało tylko jedno ciało, na przykład wiadro z wodą, to nie miałoby sensu mówienie o jakimkolwiek ruchu, także obrotowym?

Jaś: Tak głosi twierdzenie, które nazywamy zasadą Macha. Tylko względny ruch ma znaczenie.

Małgosia: Ale widzimy, że wirująca woda w wiadrze ma inny kształt niż woda spoczywająca.

Jaś: Dlatego właśnie „wiadro Newtona” jest tak intrygującym eksperymentem. Dyskusje na temat sposobu istnienia czy też ontologicznego statusu przestrzeni – czy jest bytem niezależnym od materii, jak twierdził Newton, czy też jedynie systemem relacji między ciałami materialnymi, jak utrzymywał matematyk i filozof Gottfried Leibniz – są nadal aktualne. Spór ten jest obecnie prowadzony na gruncie filozoficznych interpretacji czasoprzestrzeni w ogólnej teorii względności Alberta Einsteina, współczesnej teorii grawitacji.

Małgosia: Odtąd zawsze, gdy będę nalewać wody do wiadra, będę myśleć o Newtonie.

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.