Când trăiești într-o lume complexă, trebuie să o simplifici ca să o poți înțelege.
(Terry Pratchett)

Prin cercurile fizicienilor circulă de foarte mulți ani un banc, o anecdotă, care spune cam așa:

O fermă de lactate avea probleme mari cu producția de lapte, așa că fermierul care o deținea a scris universității locale în speranța că cei mai educați ca el îi vor da o mână de ajutor. A fost creată o echipă de profesori din mai multe domenii, condusă de un fizician teoretician, care au studiat intens problema timp de două săptămâni.

Academicienii noștri au venit la fermă, au studiat tot ce era de studiat. S-au întors apoi la universitate, cu caiete întregi de notițe și pline de informații, iar scrierea raportului final a rămas în sarcina celui care conducea echipa. La scurt timp după aceea, fizicianul teoretician s-a întors la fermă, spunându-i fermierului:

“Am aici soluția, dar funcționează numai în cazul unor vaci sferice aflate în vid.”

Bancul respectiv apare sub o grămadă de forme: ba e un concurs la mijloc, ba e vorba de cai sferici, ba de găini sferice. Cea de mai sus e doar o variantă, din alte numeroase variante,

Acuma, adevărat, este un soi de inside joke și chiar nu mă aștept să râzi cu gura până la urechi. Nici măcar să zâmbești. Pentru că pur și simplu nu știi destule lucruri despre premisa bancului, deci punch-line-ul este foarte sec (am vorbit despre structura unei glume în postarea Hai să ne râdem: omul și umorul). În postarea asta o să îți explic la ce se referă de fapt bancul de mai sus, astfel încât să poți râde (sau măcar zâmbi) când l-oi reciti. Sper.

Simplifică, simplifică, simplifică!

Ceea ce pare a fi o glumă care ne înfățișează perfect cât de deconectați sunt fizicienii de realitate este de fapt o glumă care ilustrează unul din cele mai importante principii din fizică, fără ajutorul căruia am fi de-a dreptul copleșiți de toate misterele Universului.

Imaginează-ți că tocmai ai aruncat un pix și vrei să afli ce fel de forțe acționează asupra lui și eventual să îi calculezi și traseul cât mai precis posibil. Pare simplu, dar nu e pentru că trebuie să ții cont de următoarele:

  • Rezistența aerului;
  • Este un obiect flexibil? Dacă da, atunci când îl arunci, o să oscileze și o să se flexeze;
  • Dar variația densității aerului din cameră? Aerul nu are fix aceeași densitate peste tot în locul în care te afli;
  • Este câmpul gravitațional din cameră constant? Cum rămâne cu interacțiunea gravitațională dintre pix și birourile din stânga lui? Absolut orice obiect făcut din materie are un câmp gravitațional, adică gravitație;
  • Poate pixul să interacționeze electrostatic cu alte obiecte din jur sau poate interacționa electromagnetic cu câmpul magnetic al Pământului?
Ce alte chestii mai poți face cu un pix.

Acuma ia exemplul cu pixul aruncat și aplică-l tuturor întrebărilor pe care le-a avut vreodată știința despre Univers. Orice lucru sau fenomen pe care l-am studiat și pe care îl vom studia vreodată este extraordinar de complex și complicat, iar dacă am încerca să explicăm deodată toate lucrurile pe care acesta îl implică am fi pur și simplu copleșiți și n-am mai înțelege nimic!

Așa primul pas în a afla răspunsul la o întrebare care ne macină este să simplificăm cât de mult putem problema. Nu-ți face griji, un fizician este mult mai conectat la realitate decât mine și tine, dar simplificarea asta exagerată este o adevărată necesitate pentru a înțelege realitatea.

‘When we say ‘it’s not rocket science’ we mean it’s something far more complicated.’
©Wilbur Dawbarn

Cum simplificăm problema cu pixul aruncat în aer?

  • Îi aplicăm un centru de masă (fix mijlocul pixului);
  • Luăm în considerare doar interacținea gravitațională cu un câmp graviațional constant, adică gravitația Pământului.

Fizica de clasa a VI-a

Îți sună oarecum cunoscută toată treaba asta? Cred și eu, te-ai întâlnit cu acest concept în primii ani în care ai studiat fizică, sub forma diagramei corpului liber. Uite aici un exemplu, ca să îți reîmprospătez memoria:

O diagramă a corpului liber.

Să zicem că vrei să afli forța de care dispune o sanie care coboară un deal. Pentru a simplifica totul, o desenăm sub forma unui dreptunghi asupra căruia aplicăm 3 forțe: forța de frecare dintre sanie și pământ (notată cu Ff și o săgeată roșie), forța normală exercitată de deal și care împinge sania în sus (notat cu FN și o săgeată verde) și forța exercitată de gravitația Pământului sau greutatea saniei (notată cu Fg și o săgeată purpurie). Mai avem și unghiul planului înclinat (adică unghiul dealului). Și aia e!

În momentul de față, chiar nu e nevoie să luăm în considerare denivelările de pe deal sau faptul că sania are doar 2 tălpi (cu niște dimensiuni specifice) care intră în contact cu pământul, temperatura de afară sau felul în care este dispusă masa acelei sănii. Ce avem în desen ne este de ajuns.

Notă: diagrama corpului liber poate să fie și pur și simplu un punct, nu neapărat un dreptunghi. De fapt, îndrăznesc să spun că poate fi orice, atâta timp cât e simplut.

Less is more

Exemplele prezentate până acum fac parte din fizica mecanică (a.k.a. mecanică Newtoniană), dar simplificarea asta se găsește peste tot în știință. În fizica ce tratează electromagnetismul pornim întotdeauna de la premisa că avem de a face cu niște conductori și izolatori perfecți, chit că în realitate nici un conductor sau izolator nu este perfect.

De asemenea, în chimie avem gazul ideal, chit că în realitate nu există un gaz ideal (deși multe gaze reale se comportă aproximativ ca un gaz ideal). Tot în fizică avem așa-numitul black body, un corp fizic teoretic care absoarbe toată radiația electromagnetică care pică pe el, indiferent de frecvență sau unghi. În realitate nu există nici un corp care să absoarbă 100% din radiațiile electromagnetice.

Nici măcar găurile negre nu absorb 100% din radiația electromagnetică. Deși, da, sunt cele mai apropiate lucruri de un black body, aproape perfecte.

Vaca sferică în vid este un astfel de corp fizic ideal. Lumea reală conține o infinitate de detalii pe care dacă le luăm în considerare din start, ne pot copleși. Este absolut necesar să simplificăm cât mai mult fenomenele pe care le întâlnim în Univers. Le simplificăm cât putem de mult, pentru ca apoi să adăugăm puțin câte puțin noi detalii.

Eliminând anumite variabile din problemă (de exemplu presiunea, rezistența atmosferică, rezistența electrică etc), putem vedea unele lucruri mai clar. De aceea auzi din când în când profesori de fizică ce spun “să ne imaginăm că acest obiect se află în vid” sau “să luăm în considerare un corp care alunecă fără fricțiune”.

Astfel, mai întâi rezolvăm niște probleme cu premise și condiții ideale (black body, gaz ideal, izolatori electrici perfecți, suprafețe fără nici un fel de fricțiune etc) din care extragem niște reguli generale, după care ne orientăm către concret, către niște probleme particulare. Dacă modelul über-simplificat rezultat se comportă măcar puțin ca în lumea reală, asta înseamnă că suntem pe drumul cel bun. Astfel, dacă vrei să afli răspunsul la o anumită problemă ce ține de o vacă în formă de vacă, trebuie mai întâi să rezolvi probleme ce țin de o vacă în formă de sferă.

©Nepluno

Bineînțeles, asta nu înseamnă că simplificările de genul ăsta se pot aplica absolut oriunde. Mereu sunt excepții și e important să știi când să NU simplifici, dar ca regulă generală această simplificare a ajutat enorm știința și omenirea de-a lungul istoriei umane. Ce vreau să spun cu asta? Păi dacă tot s-a terminat postarea asta, hai să vorbim un pic despre

Modelele științifice