Strona głównaPytania → Dlaczego w szkole uczymy się...

Dlaczego w szkole uczymy się o prawie powszechnego ciążenia Newtona?

Pytanie

Pyta Krzysztof

Dlaczego w szkole uczymy się o prawie powszechnego ciążenia, skoro to Ogólna Teoria Względności jest najbardziej prawdopodobną teorią?

Odpowiedź

Odpowiada dr hab. Piotr Sułkowski

Jednym z najistotniejszych aspektów teorii fizycznych jest zakres ich stosowalności. Ważne są nie tylko równania opisujące zachowanie fizycznych obiektów, ale także zakres parametrów — np. skal energii lub odległości — na jakich te równania obowiązują. Jeśli na pewnych skalach teoria poprawnie opisuje zjawiska fizyczne, to znaczy że jest ona poprawna. Przy innych skalach teoria taka może nie być poprawna i niezgodna z doświadczeniem — wtedy pojawia się potrzeba sformułowania bardziej ogólnej teorii, która do tej oryginalnie rozważanej redukuje się w odpowiednim zakresie parametrów.

Taka właśnie sytuacja zachodzi w przypadku fizyki Newtona i Einsteina. Teoria Newtona jest poprawna w przypadku obiektów poruszających się z prędkościami zaniedbywalnymi w porównaniu z prędkością światła i w polach grawitacyjnych o niewielkim natężeniu. Doskonale się ona sprawdza do opisu zjawisk znanych z życia codziennego, w zastosowaniach w technice, przy projektowania budynków i mostów, etc. Dlatego też należy się tej teorii w pierwszej kolejności nauczyć, i dlatego znajduje się ona w programach szkolnych. Natomiast kiedy wykraczamy poza zakres jej stosowalności, to wtedy należy użyć bardziej dokładnej teorii, czyli właśnie Ogólnej Teorii Względności.

Analogiczna sytuacja ma miejsce dla innych teorii fizycznych. Sama w sobie fizyka klasyczna jest tylko granicą teorii kwantowej, w sytuacji gdy stałą Plancka można uznać za zaniedbywalną. Nie oznacza to, że teorie klasyczne są błędne, a tylko to, że obowiązują one w pewnym zakresie badanych parametrów. Inny przykład to ruch cieczy, który w odpowiednim zakresie parametrów opisywany jest równaniami hydrodynamicznymi. Natomiast na poziomie mikroskopowym ciecz składa się wielu elementarnych cząsteczek, i przy analizie jej zachowania na bardzo małych odległościach równania hydrodynamiki przestają być wystarczające.

Niezależnie od zakresu stosowalności teorii na różnych skalach, w procesie nauczania, a także w całej historii nauki, znaczenie ma też to, że zazwyczaj teorie opisujące zjawiska w skalach bliższych życiu codziennemu wymagają mniej skomplikowanego aparatu matematycznego. W szczególności aparat matematyczny potrzebny do zrozumienia teorii Newtona (czyli zasadniczo rachunek różniczkowy i całkowy) jest znacznie prostszy, niż aparat matematyczny potrzebny do opisu teorii Einsteina (wymagający znajomości geometrii riemannowskiej, rachunku tensorowego, etc.). Nie jest możliwe nauczenie się bardziej skomplikowanej matematyki, bez zrozumienia najpierw bardziej elementarnych zagadnień, co ma swoje oczywiste odzwierciedlenie w programach nauczania.