กลศาสตร์และความพยายามที่จะอิงฟิสิกส์ทั้งหมดไว้กับมัน ตอนที่ 2
แปลจากหนังสือ out of my later years
เขียนโดยแอลเบิร์ต ไอน์สไตน์
แปลโดยคุณราชัย ประกอบการ
มันเป็นโชคดีสำหรับการพัฒนาของกลศาสตร์และด้วยเหตุนี้ สำหรับการพัฒนาของฟิสิกส์โดยทั่วไปด้วยที่ว่าการขาดความชัดเจนแน่นอนในแนวคิดเกี่ยวกับเวลาที่มีตัวตนจริงยังถูกบดบังอยู่จากนักปรัชญาก่อนๆ ในเรื่องการตีความที่ได้โดยการทดลองและสังเกตของมัน เต็มไปด้วยความเชื่อมั่นในความหมายที่แท้จริงของโครงสร้างเชิงอวกาศ-เวลา พวกเขาพัฒนารากฐานของกลศาสตร์ ซึ่งเราจะระบุอย่างมีลักษณะเป็นแผน ดังต่อไปนี้ :
(ก) แนวคิดเกี่ยวกับจุดวัตถุ : วัตถุทางกายภาพ ซึ่ง-ในเรื่องตำแหน่งและการเคลื่อนที่ของมัน - สามารถอธิบายได้ด้วยความถูกต้องแม่นยำพอเหมือนเป็นจุดที่มีพิกัด x1 , x2 , x3 คำอธิบายเกี่ยวกับการเคลื่อนที่ของมัน (สัมพัทธ์กับ “อวกาศ” B0 ) โดยการให้ x1 , x2 , x3 เป็นฟังก์ชันของเวลา
(ข) กฎของความเฉื่อย : การหายไปของส่วนประกอบของความเร่ง สำหรับจุดวัตถุ ซึ่งไกลออกไปจากจุดอื่นๆ ทั้งมวลพอ
(ค) กฎของการเคลื่อนที่ (สำหรับจุดวัตถุ) : แรง = มวล x ความเร่ง
(ง) กฎของแรง (กริยาและปฏิกิริยาระหว่างจุดวัตถุ) ใน (ข) นี้ ไม่มีอะไรมากไปกว่า กรณีพิเศษที่สำคัญของ (ค) ทฤษฎีที่แท้จริงมีอยู่จริง เมื่อกฎของแรงถูกกำหนดให้เท่านั้น ประการแรกแรงจะต้องเป็นไปตามกฎความเท่ากันของกิริยาและปฏิกิริยาเท่านั้น เพื่อที่ระบบของจุด - ที่เชื่อมต่อกันอย่างถาวร – จะได้ประพฤติตัวเหมือนจุดวัตถุจุดหนึ่ง
กฎพื้นฐานเหล่านี้รวมทั้งกฎของนิวตันสำหรับแรงโน้มถ่วง ประกอบเป็นรากฐานของกลศาสตร์ของตัววัตถุท้องฟ้า ในกลศาสตร์ของนิวตันนี้และในทางตรงกันข้าม ความคิดเกี่ยวกับอวกาศข้างต้นที่ได้จากตัววัตถุแข็งเกร็ง อวกาศ B0 นี้เข้ามาในรูปแบบ ซึ่งมีความคิดใหม่อยู่ ; มันไม่ใช่สำหรับทุกๆ B0 ที่ (ข) และ (ค) ต้องการความถูกต้อง (สำหรับกฎของแรงที่กำหนดให้) แต่สำหรับ B0 ในเงื่อนไขของการเคลื่อนที่ที่เหมาะสม (ระบบเฉื่อย) เท่านั้น เนื่องด้วยข้อเท็จจริงนี้อวกาศเชิงพิกัดเข้าถือสิทธิ คุณสมบัติเชิงฟิสิกส์ที่เป็นอิสระ ซึ่งไม่ได้มีอยู่ในความคิดเชิงเรขาคณิต เกี่ยวกับอวกาศเท่านั้นสถานการณ์ซึ่งได้ให้เรื่องที่ต้องคิดไตร่ตรองอย่างมากแก่นิวตัน (การทดลอง – ถัง)2
(2) ข้อบกพร่องนี้ของทฤษฎี สามารถขจัดออกไปได้โดยการกำหนดกฎของกลศาสตร์ แบบที่จะสามารถได้ ความถูกต้องสำหรับ B0 ทั้งหมดเท่านั้น นี่เป็นหนึ่งในขั้นตอนซึ่งนำไปสู่ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป ข้อบกพร่องที่สองที่ขจัดออกไปได้ด้วย โดยการนำทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปมาใช้เท่านั้น อยู่ในข้อเท็จจริงที่ว่า ตัวกลศาสตร์เองไม่ได้ให้เหตุผลสำหรับความเท่ากันของมวลโน้มถ่วงและมวลเฉื่อยของจุดวัตถุ
กลศาสตร์แบบฉบับเป็นแบบแผนโดยทั่วไปเท่านั้น ; มันกลายเป็นทฤษฎีเพียงโดยการชี้บอกอย่างชัดแจ้งของกฎของแรง(ง)ดังที่นิวตันได้ทำอย่างประสบความสำเร็จมากเหลือเกินสำหรับ กลศาสตร์ท้องฟ้า จากมุมมองของความมุ่งหมายที่มีความเรียบง่ายทางตรรกะ มากที่สุดของรากฐานนี้ วิธีการเชิงทฤษฎีนี้ไม่เพียงพอตราบใดที่กฎของแรงไม่อาจได้มา โดยการพิจารณาทางตรรกะและเป็นทางการ ดังนั้นทางเลือกของพวกมันคือ ที่เริ่มจากเหตุไปหาผลเป็นส่วนใหญ่อย่างไม่เจาะจง กฎของแรงเชิงความโน้มถ่วงของนิวตันด้วย ถูกแยกออกจากกฎของแรงที่เป็นไปได้อื่นๆโดยเฉพาะโดยความสำเร็จของมัน
ทั้งๆที่ ในปัจจุบัน เรารู้อย่างแน่นอนว่ากลศาสตร์แบบฉบับไม่สามารถเป็นรากฐานที่มีอิทธิพลเหนือฟิสิกส์ทั้งหมด มันยังคงครอบครองจุดศูนย์กลางของความคิดในฟิสิกส์ของเราทั้งหมดอยู่ เหตุผลในเรื่องนี้ อยู่ในข้อเท็จจริงที่ว่า โดยไม่คำนึงถึงความก้าวหน้าที่สำคัญที่ไปถึงตั้งแต่ยุคสมัยของนิวตัน เรายังไม่ได้รากฐานใหม่ของฟิสิกส์ที่เกี่ยวข้อง ซึ่งเราอาจจะมั่นใจว่าความยุ่งยากทั้งหมดของปรากฏการณ์ที่มีการสืบสวนหาข้อเท็จจริงและของระบบเชิงทฤษฎีเป็นบางส่วนชนิดที่ประสบความสำเร็จ จะอนุมานได้อย่างมีตรรกะจากมัน ในแนวทางต่อไปนี้ ฉันจะพยายามที่จะอธิบายสั้นๆว่าเรื่องราวเป็นอย่างไร
อันดับแรกเราพยายามที่จะเข้าใจในจิตใจของเราอย่างชัดเจนว่า ระบบของกลศาสตร์แบบฉบับได้ แสดงให้เห็นแล้วว่าเพียงพอที่จะใช้เป็นรากฐานสำหรับฟิสิกส์ทั้งหมดมากเพียงใด เนื่องจากตรงนี้เรากำลังเกี่ยวข้องกับรากฐานของฟิสิกส์และกับการพัฒนาของมันเท่านั้น เราไม่จำเป็นต้องให้ความสนใจในความก้าวหน้าแบบเป็นทางการของกลศาสตร์อย่างเดียว (สมการของลากรองจ์, สมการแบบบัญญัติ และอื่นๆ) แต่ว่าข้อสังเกตหนึ่งดูเหมือนจะขาดไม่ได้ ความคิด “จุดวัตถุ” นี้เป็นพื้นฐานสำหรับกลศาสตร์ ถ้าตอนนี้เราเสาะหากลศาสตร์ของวัตถุทางกายภาพซึ่งไม่อาจถือตัวมันเองว่าเป็นจุดวัตถุได้ – และพูดกันอย่างเข้มงวด ทุกๆวัตถุที่ “ประสาทสัมผัสของเรารับรู้ได้” เป็นประเภทนี้ – ถ้าอย่างนั้นเกิดคำถามนี้ขึ้น : เราจะนึกภาพวัตถุว่าถูกสร้างขึ้นจากจุดวัตถุได้อย่างไรและเราจะต้องถือว่าแรงอะไรเช่นที่กระทำระหว่างพวกมัน? วิธีการถามคำถามนี้เป็นสิ่งที่ขาดไม่ได้ – ถ้ากลศาสตร์ต้องอ้างสิทธิอธิบายวัตถุนี้อย่างสมบูรณ์
เป็นธรรมดากับแนวโน้มของกลศาสตร์ที่จะทึกทักเอาจุดวัตถุเหล่านี้ และกฎของแรงที่กระทำระหว่างพวกมัน ที่เหมือนไม่เปลี่ยนแปลง เนื่องจากการเปลี่ยนแปลงเวลาจะอยู่ภายนอกขอบเขตของคำอธิบายเชิงกล จากนี้เราจะเห็นได้ว่า กลศาสตร์แบบฉบับจะต้องนำเราไปสู่โครงสร้างที่มีลักษณะเชิงอะตอมของสสาร ตอนนี้เราตระหนักด้วยความกระจ่างชัดเป็นพิเศษว่านักทฤษฎีเหล่านี้ ผู้ซึ่งเชื่อว่าทฤษฎีมาจากประสบการณ์ โดยการสรุปจากกรณีเฉพาะผิดพลาดมากเพียงใด แม้แต่นิวตันผู้ยิ่งใหญ่ก็ไม่อาจปลดเปลื้องตัวเขาเองจากความผิดพลาดนี้ได้ (“Hypothesis non fingo”)*
* ฉันไม่ได้สร้างสมมุติฐาน
เพื่อที่จะช่วยตัวมันเองไม่ให้กลายเป็นหลงทางอย่างหมดหวังในแนวความคิดนี้ (ที่มีลักษณะเชิงอะตอม) แรกสุดวิทยาศาสตร์ดำเนินต่อไปด้วยวิธีการต่อไปนี้ กลศาสตร์ของระบบถูกกำหนดถ้าพลังงานศักย์ของมันถูกกำหนดให้เป็นฟังก์ชั่นของการเรียงตัวของมัน ตอนนี้ถ้าแรงที่กระทำเป็นชนิดที่รับประกันการรักษาคุณสมบัติบางอย่างของลำดับของการเรียงตัวของระบบไว้ถ้าอย่างนั้นการเรียงตัวอาจจะอธิบายได้ด้วยความถูกต้องแม่นยำพอโดยจำนวนของตัวแปรการเรียงตัว qrจำนวนที่ค่อนข้างน้อย ; พลังงานศักย์ได้รับการพิจารณาตราบใดที่มันขึ้นอยู่กับตัวแปรเหล่านี้เท่านั้น (ยกตัวอย่างเช่น การอธิบายการเรียงตัว ของตัววัตถุที่แข็งเกร็งในเชิงปฏิบัติโดยหกตัวแปร)
วิธีการที่สองของการประยุกต์ใช้กลศาสตร์ ซึ่งหลีกเลี่ยงการพิจารณา หน่วยย่อยของสสารลงไปสู่จุดวัตถุ “ที่แท้จริง” เป็นกลศาสตร์ของสิ่งที่เรียกกันว่าตัวกลางที่ต่อเนื่อง กลศาสตร์นี้อธิบายลักษณะได้โดยเรื่องที่แต่งขึ้นตามจินตนาการที่ว่าความหนาแน่นของสสาร และอัตราเร็วของสสารขึ้นอยู่กับพิกัดและเวลาอย่างต่อเนื่องโดยเฉพาะอย่างยิ่ง ส่วนหนึ่งของอันตรกิริยานี้ที่ไม่ได้กำหนดให้อย่างชัดแจ้งอาจถือได้ว่าเป็นแรงพื้นผิว( แรงกด ) ซึ่งเป็นฟังก์ชั่นที่ต่อเนื่องของตำแหน่งที่ตั้งอีก ในกรณีนี้เราพบทฤษฎีพลศาสตร์ของน้ำ และทฤษฎีเกี่ยวกับความยืดหยุ่นของตัววัตถุของแข็ง ทฤษฎีเหล่านี้หลีกเลี่ยงการนำจุดวัตถุมาใช้อย่างชัดแจ้ง โดยเรื่องที่แต่งขึ้นตามจินตนาการ ซึ่งเมื่อพิจารณาในแง่มุมของรากฐานของกลศาสตร์แบบฉบับ จะมีได้เพียงนัยสำคัญโดยประมาณเท่านั้น
นอกเหนือจากนัยสำคัญในเชิงปฏิบัติที่สำคัญยิ่งของพวกมัน วิทยาศาสตร์ประเภทเหล่านี้ – โดยการขยายโลกของความคิดเชิงคณิตศาสตร์ให้กว้างขึ้น – ได้สร้างเครื่องมือช่วยแบบเป็นทางการเหล่านั้น (สมการเชิงอนุพันธ์แบบบางส่วน) ซึ่งจำเป็นสำหรับความพยายามที่เกิดขึ้นภายหลังในการกำหนด โครงร่างทั้งหมดของฟิสิกส์ด้วยวิธีการ ซึ่งใหม่ถ้าเทียบกับวิธีการของนิวตัน
สองวิธีการของการประยุกต์ใช้กลศาสตร์นี้เป็นส่วนหนึ่งของสิ่งที่เรียกว่าฟิสิกส์ “ที่เชื่อว่าความรู้ของมนุษย์ถูกจำกัดอยู่แต่สิ่งที่รับรู้ได้โดยประสาทสัมผัสเท่านั้น” มันเป็นลักษณะพิเศษของฟิสิกส์ชนิดนี้ที่มันใช้ประโยชน์จากแนวคิดซึ่งอยู่ใกล้ประสบการณ์มากที่สุดเท่าที่จะมากได้แต่ซึ่งด้วยเหตุผลนี้ ต้องเลิก การรวมรากฐานเข้าด้วยกันเป็นหนึ่งเดียวเป็นส่วนใหญ่ ความร้อน , ไฟฟ้า และแสง อธิบายได้โดยตัวแปรพิเศษของสภาวะและค่าคงตัวของสสารที่แตกต่างจากสภาวะเชิงกล ; และเพื่อจะกำหนดตัวแปรเหล่านี้ทั้งหมดในสภาพการพึ่งพาที่สัมพันธ์กันของพวกมันเป็นภาระที่ค่อนข้างได้มาจากการทดลองและสังเกต บุคคลที่อยู่ร่วมสมัยเดียวกับแมกซ์เวลล์จำนวนมากได้เห็นความมุ่งหมายขั้นสูงสุด
ของฟิสิกส์ด้วยวิธีการเสนอเช่นนั้นซึ่งพวกเขาคิดว่าอาจได้มาโดยการสรุปจากกรณีเฉพาะจากประสบการณ์เท่านั้น เนื่องจากความใกล้ชิดที่สัมพันธ์กันของแนวคิดนี้ที่ใช้กับประสบการณ์ จากมุมมองของทฤษฎีเชิงความรู้ เซนต์ มิลล์ และ อี. มัค มีจุดยืนที่มั่นคงโดยประมาณในหลักการนี้
ตามความเชื่อของฉัน ความสำเร็จอันยิ่งใหญ่ของกลศาสตร์ของนิวตันอยู่ในข้อเท็จจริงที่ว่าการประยุกต์ใช้ที่สอดคล้องกันของมันได้นำไปเกินขอบเขตการนำเสนอที่เชื่อว่าความรู้ของมนุษย์ถูกจำกัดอยู่แต่สิ่งที่รับรู้ได้โดยประสาทสัมผัสเท่านั้นนี้ โดยเฉพาะในสาขาวิชาเกี่ยวกับปรากฏการณ์เชิงความร้อน สิ่งนี้เกิดขึ้นในทฤษฎีจลน์ของก๊าซและในลักษณะทั่วไป ในกลศาสตร์เชิงสถิติ อันแรกได้เชื่อมโยงสมการของสถานะของก๊าซอุดมคติ ความหนืด การแพร่กระจาย และการนำความร้อนของก๊าซ และปรากฏการณ์เชิงการวัดรังสีของก๊าซ และให้ความสัมพันธ์ทางตรรกะของปรากฏการณ์ซึ่งจากมุมมองของประสบการณ์ตรง ไม่มีอะไรเลยที่จะเกี่ยวข้องกัน อันหลังให้การตีความเชิงกลของความคิดและกฎทางอุณหพลศาสตร์นอกเหนือจากการค้นพบขีดจำกัดของความสามารถประยุกต์ใช้ของความคิดและกฎนี้กับทฤษฎีแบบฉบับของความร้อน ทฤษฎีจลน์นี้ ซึ่งเหนือกว่าฟิสิกส์ที่เชื่อว่าความรู้ของมนุษย์ถูกจำกัดอยู่แต่สิ่งที่รับรู้ได้โดยประสาทสัมผัสเท่านั้น อย่างมากในเรื่องที่เกี่ยวกับการมีรากฐานร่วมกันเป็นหนึ่งเดียวทางตรรกะ ยิ่งกว่านั้น ทำให้เกิดค่าที่ชัดเจนแน่นอนสำหรับขนาดที่แท้จริงของอะตอมและโมเลกุลซึ่งเป็นผลจากวิธีการที่เป็นอิสระหลายวิธี และจึงอยู่ในตำแหน่งเหนือกว่าขอบเขตความสงสัยที่มีเหตุผล ความก้าวหน้าที่เป็นตัวชี้ขาดเหล่านี้ ให้รับการชดใช้โดยการเรียบเรียงสภาวะที่ดำรงอยู่อย่างอิสระที่มีลักษณะเชิงอะตอมให้สอดคล้องกับจุดวัตถุ ลักษณะที่เป็นการคาดเดาอย่างสร้างสรรค์ซึ่งสภาวะที่ดำรงอยู่อย่างอิสระเป็นที่ประจักษ์ชัด ไม่มีใครจะหวังได้และที่จะ “เห็น “อะตอม ” โดยตรง” กฎที่เกี่ยวข้องกับตัวแปรที่เชื่อมโยงโดยตรงกว่ากับข้อเท็จจริงเชิงการทดลอง (ยกตัวอย่างเช่น : อุณหภูมิ , ความดัน , อัตราเร็ว) อนุมานได้จาก ความคิดพื้นฐาน โดยวิธีการคำนวณที่ยุ่งยากซับซ้อน ด้วยวิธีการนี้ฟิสิกส์ (อย่างน้อยส่วนหนึ่งของมัน) ที่แต่เดิมถูกสร้างในเชิงที่เชื่อว่าความรู้ของมนุษย์ถูกจำกัดอยู่แต่สิ่งที่รับรู้ได้โดยประสาทสัมผัสเท่านั้น มากกว่าถูกเปลี่ยน โดยถูกวางรากฐานบนกลศาสตร์ของนิวตันสำหรับอะตอมและโมเลกุลให้เป็นรากฐานที่ดึงออกมาจากการทดลองโดยตรงอีกแต่มีลักษณะที่สอดคล้องกันมากกว่า


