Hvað er rafhleðsla?

Answer

Spyrjandi segir í skeyti til svarshöfundar:

Ég var að lesa svar þitt við spurningunni: Hvað er rafmagn? á Vísindavefnum. Ég þakka svarið en fannst þú ekki komast að kjarnanum í spurningunni vegna þess að í svarinu gerir þú ráð fyrir að rafhleðslur séu staðall. Spurningin var hins vegar um hvað þetta fyrirbæri sé. Þess vegna bið ég þig að útskýra betur, annaðhvort á Vísindavefnum eða beint til mín og helst með tilvísun í heimildir, hvað þetta fyrirbæri er.

Þessi viðbrögð spyrjanda eru eðlileg og víst er hér úr vöndu að ráða. Lítum fyrst á það sem sagt er um rafhleðslu í umræddu svari um rafmagn:

Rafhleðsla (e. electric charge) er einn af grundvallareiginleikum efnisins og fylgir til dæmis langflestum tegundum öreinda (e. elementary particles) og kvarka (e. quarks), sem eru smæstu eindir efnisins.

Það er rétt hjá spyrjanda að þarna er ekki sagt nánar hvað rafhleðsla sé, heldur eingöngu að hún sé einn af grundvallareiginleikum efnisins. En með því er hins vegar einmitt átt við það að um þetta verði ekkert meira sagt!

Mörg hugtök eðlisfræðinnar er hægt að skilgreina út frá öðrum hugtökum. Þannig munu margir kannast við að við skilgreinum hraða sem vegalengd eða færslu deilt með tíma. Við getum síðan vísað í þessa skilgreiningu ef við erum spurð "Hvað er hraði?" Svo getum við skilgreint hröðun sem hraðabreytingu deilt með tíma. Við getum líka skilgreint vinnu eða staðarorku sem margfeldi krafts og færslu og notað það hugtak til að skilgreina aðra tegund orku, hreyfiorkuna sem hlutur hefur vegna hreyfingar sinnar. Og þannig mætti lengi telja hinar ýmsu skilgreiningar eðlisfræðinnar.

Af þessu kann að virðast sem unnt sé að "skilgreina" öll hugtök eðlisfræðinnar með vísun til annarra hugtaka. En þá gæti samt læðst að okkur illur grunur því að fjöldi þessara hugtaka er endanleg tala. Þess vegna hljótum við að enda fyrr eða síðar með hugtak sem við getum annaðhvort ekki skilgreint út frá öðrum eða þá að við verðum að byggja skilgreininguna á hugtökum sem við höfðum áður skilgreint. Þar með værum við komin í hring og hefðum búið til það sem kallað er klifun í rökfræði, fullyrðingakerfi sem er sjálfkrafa rétt og segir í rauninni ekki neitt um veruleikann; það er hliðstætt setningunni "Allir piparsveinar eru ógiftir".

En í stað þess að teygja þennan lopa rökfræðinnar skulum við skoða áþreifanleg dæmi. Lítum aftur á það sem sagt var hér á undan um skilgreiningu á hraða og hröðun. Var ekki eitthvað skrýtið við þann texta? Jú, einmitt: Þar var ekkert sagt um það hvernig vegalengd eða færsla væri skilgreind! Spurningunni "Hvað er lengd?" var ekki svarað!

Þetta er ekki tilviljun því að lengd er einmitt eitt af grundvallarhugtökum eðlisfræðinnar ásamt massa, tíma, rafhleðslu eða rafstraumi og nokkrum öðrum. Þetta sést til dæmis í einingakerfinu sem notað er nú á dögum og hefur stundum kennt við MKSC eða MKSA þar sem M stendur fyrir lengdareininguna metra, K fyrir massaeininguna kílógramm, S fyrir tímaeininguna sekúndu, C fyrir rafhleðslueininguna kúlomb (Coulomb á erlendum málum) og A fyrir rafstraumseininguna amper.

(Það skiptir að sjálfsögðu litlu hvort straumur eða hleðsla er valin sem grunnstærð því að straumurinn er einfaldlega hleðsla á tímaeiningu. Ef við veljum strauminn mundum við síðan segja að rafhleðsla sé það sem safnast upp við rafstraum en þá mætti síðan spyrja hvað rafstraumur sé. -- Þetta er annars dæmi um að okkur er að nokkru marki frjálst að velja grunnstærðirnar í byrjun en höldum okkur síðan við upphaflegt val).

Hitt er svo annað mál að hægt er að setja fram svokallaðar aðgerðaskilgreiningar (e. operational definitions) á grunnstærðum eða grunnhugtökum eðlisfræðinnar. Slíkar skilgreiningar felast í því að tilgreina hvernig viðkomandi stærð er mæld, til dæmis hvernig við mælum vegalengd eða rafhleðslu. Hins vegar er ekki sjálfgefið að lesendum finnist slíkar lýsingar svara spurningunum "Hvað er lengd?" eða "Hvað er rafhleðsla", og því verður ekki fjölyrt frekar um þetta hér.