Biblioteka
  Wiw.pl   Na bieżąco:  Informacje   Co nowego   Matematyka i przyroda:  Astronomia   Biologia   Fizyka   Matematyka   Modelowanie rzeczywistości   Humanistyka:  Filozofia   Historia   Kultura antyczna   Literatura   Sztuka   Czytaj:  Biblioteka   Delta   Wielcy i więksi   Przydatne:  Słowniki   Co i gdzie studiować   Wszechświat w obrazkach    
  Jesteś tutaj:   Wirtualny Wszechświat > Biblioteka > Klasycy nauki




Rozdział dziesiąty
Teorie fizyki współczesnej
Znaczenie teorii fizycznych. - Wielkie wrażenie na laikach sprawia efemeryczność teorii naukowych. Widzą oni, jak teorie te po okresie powodzenia kolejno zostają porzucane; widzą, jak ruiny gromadzą się na ruinach; przewidują, że na teorie modne obecnie, również czeka rychły upadek i wnoszą stąd, że są zupełnie jałowe i próżne. Takie poglądy nazywają tezą o bankructwie nauki.

Sceptycyzm ich jest jednak powierzchowny; nie zdają sobie sprawy z celu i roli teorii naukowych, w przeciwnym bowiem razie zrozumieliby, że ruiny też mogą czemuś służyć.

Żadna teoria nie wydawał się lepiej potwierdzona od teorii Fresnela, wiążącej światło z ruchem eteru, a jednak ustąpiła ona miejsca teorii Maxwella. Czy znaczy to, że dzieło Fresnela okazało się bezużyteczne? Bynajmniej, gdyż celem Fresnela nie było stwierdzenie, czy istnieje eter, czy składa się z atomów i czy atomy te poruszają się rzeczywiście w tym lub w innym kierunku - jego celem było przewidywanie zjawisk optycznych.

Otóż do tego celu teoria Fresnela nadaje się dziś równie dobrze, jak teoria Maxwella. Równania różniczkowe zawsze są prawdziwe; zawsze można je całkować za pomocą tych samych metod i wyniki tego całkowania zachowują wartość na zawsze.

Niech nikt nam nie mówi, że w ten sposób sprowadzamy teorie fizyczne do prostych przepisów praktycznych; równania te wyrażają pewne stosunki; jeżeli zaś równania pozostają prawdziwe, to dlatego, że odnośne stosunki nadal trwają. Mówią nam one, obecnie i w przeszłości, że między "czymś" i "czymś innym" zachodzi pewien stosunek; tyle, że to "coś" nazywaliśmy dawniej "ruchem", obecnie zaś nazywamy "prądem elektrycznym". Lecz nazwy te były tylko obrazami zastępującymi rzeczywiste przedmioty, które przyroda wiecznie będzie przed nami ukrywała. Prawdziwe stosunki między tymi rzeczywistymi przedmiotami są jedyną rzeczywistością, do której możemy dotrzeć, a jedynym warunkiem jest, by te same stosunki zachodziły między przedmiotami, co między obrazami, którymi zmuszeni jesteśmy je zastąpić. Skoro znamy te stosunki, jest już sprawą bez znaczenia, czy osądzimy za dogodne zastąpienie jednego obrazu innym.

Czy przyczyną pewnego zjawiska okresowego (na przykład drgań elektrycznych) są rzeczywiście wibracje jakiegoś atomu, który na podobieństwo wahadła przesuwa się rzeczywiście w tym lub w innym kierunku - nie jest to ani pewne, ani interesujące. To, że między drganiami elektrycznymi, ruchem okresowym wahadła i wszystkimi zjawiskami okresowymi zachodzi wewnętrzne powinowactwo, odpowiadające głębokiej rzeczywistości, że powinowactwo to, to podobieństwo lub raczej ten paralelizm sięga nawet szczegółów tych zjawisk, że jest on konsekwencją zasad ogólniejszych, mianowicie zasady zachowania energii i zasady najmniejszego działania - to są rzeczy, co do których nie ma żadnych wątpliwości, to prawda, która pozostanie zawsze ważna, niezależnie od tego, w jaką przebierzemy ją szatę.

Wielu fizyków podało różne teorie rozszczepiania światła; pierwsze z nich miały znaczne braki i zawierały jedynie małą część prawdy. Następnie przyszła teoria Helmholtza; później próbowano ją modyfikować na różne sposoby i nawet sam Helmholtz obmyślił inną teorię, opartą na równaniach Maxwella. Jest jednak rzeczą godną uwagi, że wszyscy badacze, którzy zajmowali się tym zagadnieniem po Helmholtzu, doszli do tych samych co on równań, choć pozornie przyjmowali zupełnie inne wstępne założenia. Ośmieliłbym się twierdzić, że wszystkie te teorie są równocześnie prawdziwe, nie tylko dlatego, że przewidują takie same fakty, ale dlatego, że opisują pewien ich stosunek, mianowicie stosunek absorpcji do anomalnej dyspersji. W przesłankach tych teorii prawdziwe jest to, co jest wspólne wszystkim autorom; jest to ustanowienie takiego związku między pewnymi rzeczami, które jedni nazywają tak, a inni inaczej.

Wytoczono wiele zarzutów przeciw teorii kinetycznej gazów; trudno byłoby na nie odpowiedzieć, gdyby upatrywać w niej prawdę absolutną. Wszystkie te zarzuty nie zmieniają faktu, że była ona bardzo pożyteczna, czego dowodem jest odkrycie za jej pomocą pewnego prawdziwego związku, dawniej głęboko utajonego, a mianowicie związku między ciśnieniem gazowym i ciśnieniem osmotycznym. W tym sensie można twierdzić, że jest ona prawdziwa.

Gdy fizyk wykrywa sprzeczność między dwiema teoriami, które są mu jednakowo drogie, mówi niekiedy: Nie niepokójmy się z tego powodu, lecz trzymajmy mocno oba końce łańcucha, choć nie widzimy ogniw pośrednich. Argument ten, zakrawający na tłumaczenie zakłopotanego teologa, byłby śmieszny, gdyby teorie fizyczne miały takie znaczenie, jakie przypisują im laicy. W razie sprzeczności przynajmniej jedną z nich należałoby wówczas uważać za błędną. Inaczej wygląda sytuacja, gdy szukamy w teoria fizycznych tylko tego, czego w nich należy upatrywać. Możliwe, że obie teorie wyrażają prawdziwe związki, a sprzeczność zachodzi jedynie między obrazami, w które przyodzieliśmy rzeczywistość.

Tym, którzy uważają, że zbytnio zawężamy obszar badań naukowych, odpowiemy następująco: pytania, które ku waszemu żalowi z góry odrzucamy, nie tylko są nierozwiązywalne, ale iluzoryczne i pozbawione treści.

Ten lub ów filozof utrzymuje, że wszystkie zjawiska fizyczne można wyjaśnić jako konsekwencje zderzeń między atomami. Jeśli chce w ten sposób powiedzieć po prostu, że między zjawiskami fizycznymi zachodzą te same związki, co między wzajemnymi zderzeniami wielkiej liczby kul bilardowych - doskonale, jest to twierdzenie sprawdzalne i może być prawdziwe. Ale filozof taki chce powiedzieć coś więcej, a nam się zdaje, że go rozumiemy, bo zdaje się nam, że wiemy, co to jest zderzenie samo w sobie. Dlaczego? Po prostu dlatego, że widzieliśmy wiele razy grę w bilard. Czy mamy sądzić, że Bóg, oglądając swoje dzieło, doznaje tych samych wrażeń, co my, gdy przyglądamy się grze w bilard? Jeśli twierdzeniu filozofa nie chcemy nadać tego dziwacznego znaczenia, a jednocześnie odrzucamy to zawężone znaczenie, które wyłożyliśmy przed chwilą i które jest znaczeniem właściwym, to nie będzie ono miało żadnego znaczenia.

Hipotezy tego rodzaju mają jedynie metaforyczne znaczenie. Uczony nie ma więcej powodów, by się ich wyrzekać niż poeta, by zrezygnować z metafor, ale wiedzieć powinien, jaka jest ich wartość. Bywają one pożyteczne, gdy zaspokajają pewne potrzeby umysłu, a nie są szkodliwe, o ile są hipotezami neutralnymi.

Rozważania te wyjaśniają nam, dlaczego pewne teorie, o których sądzono, że zostały odrzucone i ostatecznie potępione przez doświadczenie, odradzają się nagle z popiołów i zaczynają nowe życie. Wyrażały one bowiem prawdziwe związki i nie przestały ich wyrażać wtedy, gdy z takiego lub innego powodu uznaliśmy za stosowne wyrazić ten sam związek innymi słowami. Takie teorie zachowały dzięki temu pewne życie utajone.

Zaledwie piętnaście lat temu czy było coś śmieszniejszego i bardziej staromodnego niż płyny Coulomba? A przecież obecnie pojawiają się znowu pod nazwą elektronów. Czym różnią się te cząstki naładowane w sposób trwały od molekuł elektrycznych Coulomba? Wprawdzie elektrony to małe, ale to bardzo małe cząstki materii dźwigające ładunek elektryczny, czyli cząstki mające określoną masę (której zresztą obecnie zaczęto im odmawiać), lecz i Coulomb nie odmawiał masy swoim fluidom, a jeśli to czynił, to z wielkim żalem. Zbyt śmiałe byłoby przypuszczenie, że wiara w elektrony nie ulegnie nigdy zaćmieniu, ale warto zwrócić uwagę na to nieoczekiwane odrodzenie.

Najbardziej uderzającym przykładem jest jednak zasada Carnot. Carnot ustanowił ją wychodząc z błędnych założeń; gdy fizycy doszli do wniosku, że ciepło nie jest niezniszczalne, lecz może przekształcać się w pracę, porzucili zupełnie jego pomysły, ale później wrócił do nich Clausius i zapewnił im ostateczne zwycięstwo. Teoria Carnot w pierwotnej postaci wyrażała obok związków rzeczywistych wiele związków nie odpowiadających rzeczywistości i pozostałości po starych poglądach, ale ich obecność nie podważała słuszności tamtych związków. Clausius musiał tylko je usunąć, tak jak się obłamuje zeschłe gałęzie.

W ten sposób została sformułowana druga zasada termodynamiki. Opisywała ona zawsze te same stosunki, choć na pozór między różnymi przedmiotami. To wystarcza, by zasada zachowała swoja wartość. Nawet dowody Carnot nie przepadły całkowicie; dotyczyły one błędnej treści, ale forma ich (czyli ich istota) pozostała poprawna.

Powyższe uwagi rzucają światło na rolę zasad ogólnych, takich jak zasada zachowania energii i zasada najmniejszego działania.

Zasady te mają ogromną wartość; ustanowiono je dzięki wykryciu pierwiastków wspólnych w licznych prawach fizycznych; stanowią one przeto jak gdyby kwintesencję niezliczonych obserwacji.

Jednak właśnie z ich ogólnego charakteru wynika wskazana przez nas w rozdziale ósmym właściwość tych zasad, która polega na tym, że doświadczenie nie może ich obalić. Ponieważ nie potrafimy podać ogólnego określenia energii, zasada zachowania energii oznacza po prostu, że istnieje coś, co jest stałe. Otóż niezależnie od tego, jakie pojawią się nowe koncepcje świata fizycznego, które nasuną nam przyszłe doświadczenia, z góry możemy być pewni, że zawsze coś będzie stałe i to coś będziemy mogli nazwać energią.

Czy to oznacza, że zasada ta nie ma żadnego znaczenia, że degeneruje się do tautologii? Bynajmniej, gdyż powiada ona, że różne rzeczy, którym chcemy dać nazwę energii, związane są rzeczywistym powinowactwem; zasada ta wyraża prawdziwy związek między tymi rzeczami.

Skoro jednak zasada ta ma pewien sens, to może być błędna; może się zdarzyć, że nie będziemy mieli prawa rozciągać nieograniczenie jej stosowalności - a przecież pewni jesteśmy z góry, że doświadczenie potwierdzi ją w ścisłym tego słowa znaczeniu. W jaki sposób poznamy zatem, że dotarliśmy do ostatecznych kresów zakresu ważności tej zasady? Po prostu przez to, że przestanie być użyteczna, to znaczy, nie będzie już pozwalać na trafne przewidywania nowych zjawisk. Pewni będziemy wówczas, że sformułowany związek nie odpowiada rzeczywistości; w przeciwnym bowiem razie byłby płodny; doświadczenie, nie sprzeciwiając się wprost kolejnemu rozciągnięciu naszej zasady, nakaże jednak, by je stanowczo odrzucić.

Fizyka a mechanizm. - Większość teoretyków wykazuje stałą predylekcję do objaśnień, zapożyczonych z mechaniki lub dynamiki. Jedni byliby zadowoleni, gdyby mogli wyjaśnić wszystkie zjawiska za pomocą ruchów cząsteczek, oddziałujących zgodnie z pewnymi prawami. Inni są bardziej wymagający: chcieliby oni wykluczyć oddziaływania na odległość; ich zdaniem, cząsteczki poruszają się po drogach prostoliniowych i zmieniają kierunek ruchu tylko pod wpływem zderzeń. Inni wreszcie, jak Hertz, eliminują również siły i zakładają, że cząstki są połączone pewnymi więzami geometrycznymi, analogicznymi do naszych układów z przegubami; chcą oni w ten sposób sprowadzić dynamikę do kinematyki.

Wszyscy, jednym słowem, chcą nagiąć przyrodę do pewnej formy, którą uważają za jedyną, satysfakcjonującą wymogi intelektualne. Czy przyroda okaże się dostatecznie elastyczna?

Pytanie to rozważymy w rozdziale dwunastym, analizując teorię Maxwella. Przekonamy się, że gdy są spełnione zasady zachowania energii i najmniejszego działania, to wyjaśnienie mechaniczne nie tylko jest możliwe, ale takich wyjaśnień można podać nieskończenie wiele.* Dzięki pewnemu znanemu twierdzeniu Königsa o układach przegubowych dałoby się wykazać, że wszystko można wyjaśnić za pomocą połączeń Hertza lub też sił centralnych, i to na dowolnie dużo sposobów. Można byłoby zapewne również łatwo dowieść, że wszystko da się wyjaśnić przez zwyczajne zderzenia.

* Jeśli przyjmujemy, że możliwość sformułowania zasady najmniejszego działania jest równoważna z podaniem mechanicznego wyjaśnienia, to mechanicyzm staje się pustym pojęciem, gdyż zasadę tę można podać dla wszystkich znanych teorii pola - P.A.

Oczywiście, nie można przy tym ograniczać się do materii zwyczajnej, którą postrzegamy zmysłowo i której ruchy obserwujemy bezpośrednio. Trzeba albo założyć, że zwyczajna materia składa się z atomów, których ruchy wewnętrzne nie są dla nas obserwowalne, a dostępne zmysłowo jest tylko przesunięcie atomu w całości, albo też wyobrazić sobie jeden z tych subtelnych płynów, które pod nazwą eteru lub inną zawsze odgrywały ważną rolę w teoriach fizycznych.

Częstokroć fizycy posuwają się jeszcze dalej i uważają eter za jedyną prawdziwą materię. Najbardziej umiarkowani uznają zwyczajną materię za zagęszczony eter, w czym nie ma nic, co mogłoby nas razić; inni natomiast zmniejszają jeszcze bardziej jej znaczenie i widzą w niej jedynie miejsce geometryczne punktów osobliwych w eterze. Na przykład, zdaniem lorda Kelvina, to co nazywamy materią, jest po prostu miejscem geometrycznym punktów, w których eter porusza się ruchem wirowym; Riemann sądzi, że to miejsce, w którym eter ustawicznie ulega zniszczeniu; dla innych autorów najnowszych prac, jak Wiechert lub Larmor, jest to miejsce geometryczne punktów, w których eter ulega bardzo szczególnemu skręceniu. Jeśli chcemy przyjąć jedno z tych stanowisk, musimy jeszcze odpowiedzieć na pytanie, jakim prawem przypisujemy eterowi, pod pozorem, że jest to prawdziwa materia, własności mechaniczne materii zwyczajnej, która jest tylko materią pozorną.

Dawne fluidy, cieplik, elektryczność i tak dalej, zostały porzucone, gdy zauważono, że ciepło nie jest niezniszczalne. Porzucone je jednak również z innego powodu. Materializując je, podkreślano poniekąd ich indywidualność, w pewnym sensie kopano między nimi przepaść. Trzeba było ją jakoś zapełnić, gdy zjawiło się żywe odczucie jedności przyrody i gdy zauważono głębokie związki łączące jej części. Dawni fizycy, mnożąc fluidy, nie tylko tworzyli bez potrzeby coraz to nowe byty, ale również zrywali rzeczywiste związki.

Nie wystarcza, by dana teoria nie prowadziła do fałszywych związków, nie może również przesłaniać związków rzeczywistych.

A nasz eter, czy istnieje rzeczywiście?

Wiadomo, skąd pochodzi wiara w eter. Gdy światło leci do nas z odległej gwiazdy, przez kilka lat nie jest już na gwieździe, nie jest jeszcze na Ziemi - musi więc być gdziekolwiek, dźwigane, że tak powiem, przez jakieś materialne podłoże.*

* Warto zwrócić uwagę na ontologiczne założenie ukryte w tym stwierdzeniu. Dla tradycyjnych fizyków nie ma nic dziwnego w stwierdzeniu, że cząstka istnieje w próżni, natomiast nie dopuszczali oni, by światło mogło istnieć samo z siebie - sądzili, że fala jest zawsze falą jakiegoś ośrodka. Odrzucenie tego założenia pozwala również uniknąć problemu nielokalności w czasie, o którym pisze Poincaré w następnym akapicie. Z podobnym ontologicznym założeniem mamy do czynienia w kwantowych rozważaniach, czy elektron może istnieć jednocześnie w dwóch różnych miejscach. To łatwo zrozumieć - wystarczy wyrzec się ontologicznych założeń. Prawdziwą zagadką jest to, w jaki sposób nagle przechodzi do stanu, w którym jest już tylko w jednym miejscu - P.A.

Tę samą myśl można wyrazić w postaci bardziej matematycznej i abstrakcyjnej. Bezpośrednio stwierdzamy jedynie zmiany zachodzące w cząsteczkach materialnych; widzimy, na przykład, że klisza fotograficzna zmienia się pod wpływem zjawisk, które zachodziły kilka lat wcześniej w rozżarzonej masie gwiazdy. W zwykłej mechanice stan badanego układu zależy jedynie od jego stanu w chwili bezpośrednio poprzedzającej daną chwilę; układ zachowuje się zatem zgodnie z pewnym równaniem różniczkowym. Gdybyśmy nie zakładali istnienia eteru, stan materialnego Wszechświata zależałby nie tylko od stanu bezpośrednio wcześniejszego, ale również od stanów o wiele dawniejszych; układ zachowywałby się zgodnie z równaniem o różnicach skończonych (nielokalnym w czasie). W celu uniknięcia tego odstępstwa od ogólnych praw mechaniki wynaleźliśmy eter.

Ten argument zmusza nas tylko do napełnienia eterem przestrzeni międzyplanetarnej, ale nie zmusza do przyjęcia, że eter przenika nawet ośrodki materialne. Eksperyment Fizeau idzie dalej. Interferencja promieni, które przeszły przez powietrze lub wodę w ruchu, zdaje się wskazywać, że dwa ośrodki wzajem się przenikają, a mimo to przesuwają się względem siebie. Mamy wrażenie, że eter jest czymś niemal namacalnym.

Można sobie wyobrazić doświadczenia, które pozwoliłyby na jeszcze bliższy kontakt z eterem. Załóżmy, że newtonowska zasada akcji i reakcji nie jest spełniona w odniesieniu do samej materii i że doświadczenie potwierdziło to przypuszczenie. Suma geometryczna wszystkich sił, działających na wszystkie cząsteczki materialne, nie byłaby wówczas równa zeru. Aby uniknąć konieczności zmieniania całej mechaniki, musielibyśmy wówczas wprowadzić eter, który pozwoliłby zrównoważyć to pozorne oddziaływanie na materię przez oddziaływanie materii na coś innego.

Możemy również wyobrazić sobie, że doświadczenia wykazały, iż ruch Ziemi wpływa na zjawiska optyczne i elektryczne. Wynikałoby z tego, że zjawiska te pozwalają wykryć nie tylko ruchy względne ciał materialnych, lecz również ruchy bezwzględne. W tym przypadku również musielibyśmy przyjąć istnienie eteru, aby te rzekomo absolutne ruchy nie były przesunięciami względem pustej przestrzeni, lecz względem czegoś konkretnego.

Czy kiedykolwiek dojdziemy do tego? Nie żywię takiej nadziei i niebawem objaśnię dlaczego, a przecież nie jest ona bynajmniej tak niedorzeczna, skoro inni ją mieli.

Gdyby na przykład prawdziwa była teoria Lorentza, którą szczegółowo rozważymy w rozdziale trzynastym, to zasada Newtona nie obowiązywałaby w stosunku do samej tylko materii, i odstępstwa od tej zasady byłyby niemal dostępne doświadczalnie.

Z drugiej strony, wielu uczonych badało wpływ ruchu Ziemi na zjawiska optyczne. Rezultaty były zawsze negatywne. Jeśli jednak przeprowadzono te doświadczenia, to dlatego, że nie było z góry pewne, jakie będą wyniki. Według panujących obecnie teorii, kompensacja, która tu zdaje się zachodzić, jest tylko przybliżona i oczekiwać należy, że dokładniejsze metody dadzą pozytywne wyniki.

Moim zdaniem ta nadzieja jest złudna, ale warto było wykazać, że powodzenie wspomnianych tu eksperymentów otworzyłoby przed nami nowy świat.

Mam nadzieję, że czytelnicy wybaczą mi tu krótką dygresję, chciałbym bowiem wytłumaczyć, dlaczego wbrew Lorentzowi nie wierzę, by najdokładniejsze nawet obserwacje mogły kiedykolwiek doprowadzić do wykrycia czegoś więcej niż tylko ruchy względne ciał materialnych. Przeprowadzono doświadczenia, który powinny wykryć wyrazy pierwszego rzędu; rezultaty były negatywne. Czy mogło to być dziełem przypadku? Nikt w to nie uwierzył; wielu fizyków usiłowało znaleźć wyjaśnienie tego faktu, co udało się Lorentzowi: wykazał on, że wyrazy pierwszego rzędu muszą się wzajemnie znosić, ale nie jest tak w przypadku wyrazów rzędu drugiego. Wówczas przeprowadzono dokładniejsze doświadczenia, lecz i w tym razem otrzymano negatywne wyniki. To również nie mogło być rzeczą przypadku i domagało się wyjaśnienia, które zostało znalezione, bo hipotez nigdy nie brakuje.

To jeszcze nie wszystko: któż nie czuje, że w tym wszystkim zbyt dużą rolę odgrywa przypadek? Czyż nie jest przypadkiem ów dziwny zbieg okoliczności, który sprawia, że pewne efekty występują wyłącznie po to, by zagwarantować wzajemne kasowanie się wyrazów pierwszego rzędu, a efekty najzupełniej inne powodują kasowanie się wyrazów drugiego rzędu? Nie, należy znaleźć jedno i to samo wyjaśnienie kasowania się wyrazów pierwszego i drugiego rzędu; wszystko przemawia za tym, że wytłumaczenie to będzie dotyczyło również wyrazów wyższego rzędu i wzajemne kasowanie się tych wyrazów będzie ścisłe i absolutne.*

* Lorentz tłumaczył zjawiska pierwszego rzędu dynamicznie, jako konsekwencję elektrodynamiki Maxwella, a w celu wyjaśnienia zjawisk drugiego rzędu - czyli eksperymentu Michelsona-Morleya, odwoływał się do hipotezy kontrakcji Fitzgeralda. Warto zwrócić uwagę, że na pytanie Shanklanda o znaczenie doświadczenia Michelsona-Morleya Einstein odpowiedział, iż doświadczenia dotyczące efektów pierwszego rzędu były wystarczające - P.A.

Obecny stan nauki. - W dziejach rozwoju fizyki rozróżnić można dwie przeciwne tendencje. Z jednej strony, co chwila wykrywa się nowe związki między przedmiotami, które zawsze wydawały się całkowicie niezależne; luźne fakty przestają być sobie obce i łączą się w jednej wielkiej syntezie. Nauka kroczy ku jedności i prostocie.

Z drugiej strony, codziennie odkrywamy nowe zjawiska, które muszą długo czekać na swoje miejsce, a niejednokrotnie zdarza się, że znalezienie dla nich miejsca wymaga zburzenia jakiejś części istniejącego gmachu. Nawet w zjawiskach znanych, które naszym tępym zmysłom wydawały się zupełnie monotonne, odkrywamy dziś coraz to bardziej urozmaicone szczegóły; to, co uważaliśmy za proste, staje się znowu złożone. Nauka kroczy ku rozmaitości i złożoności.

Która z tych dwóch tendencji, tryumfujących na zmianę, ostatecznie weźmie górę? Jeśli pierwsza, nauka jest możliwa, ale nic nie dowodzi tego a priori i obawiać się można, że po próżnych usiłowaniach nagięcia opornej przyrody do naszego ideału jedności, zalani wzbierającą falą nowych faktów, będziemy zmuszeni zrzec się ich ogarnięcia, porzucić nasz ideał i zredukować naukę do rejestru niezliczonych recept.

Na to pytanie nie możemy odpowiedzieć. Możemy jedynie obserwować naukę obecną i porównywać ją z wczorajszą - nic ponad to. Zestawienie to pozwoli nam niewątpliwie na pewne domysły co do przyszłości.

Przez pięćdziesięciu laty żywiono wielkie nadzieje. Odkrycie zachowania energii i jej przemian ujawniło jedność sił przyrody. Okazało się, że zjawiska cieplne można wyjaśnić jako konsekwencję ruchów molekularnych. Uczeni nie wiedzieli wprawdzie, jaka jest istota tych ruchów, ale nie wątpili, że wkrótce ją poznają. W przypadku światła wydawało się, że to zadanie zostało już wykonane. Mniej daleko posunięta była znajomość elektryczności. Niedawno elektryczność dokonała zaboru i objęła magnetyzm. Był to znaczny krok ku jedności, i to krok ostateczny. Nikt jednak nie wiedział, jak włączyć elektryczność do ogólnej teorii mechanicznej, ale też nikt nie wątpił w możliwość takiej redukcji - wszyscy w to wierzyli. Podobna redukcja własności molekularnych ciał materialnych wydawała się jeszcze łatwiejsza, lecz wszystkie jej szczegóły pozostawały we mgle. Słowem nadzieje były wielkie, lecz mgliste.

Dziś, cóż widzimy?

Przede wszystkim dostrzegamy postęp, postęp olbrzymi. Związek między elektrycznością i światłem jest już znany; trzy dziedziny - optyka, elektryczność i magnetyzm, niegdyś oddzielne, dziś stanowią jedną, a synteza ta wydaje się ostateczna.

Zwycięstwo to zostało odniesione pewnym kosztem. Zjawiska optyczne stanowią szczególną klasę zjawisk elektrycznych; dopóki uważano je za niezależne, łatwo je było wyjaśnić za pomocą pewnych ruchów, które - jak się wydawało - znane były we wszystkich szczegółach, szło to jak po maśle; dziś natomiast wyjaśnienie to można zachować tylko pod warunkiem, że daje się je rozciągnąć na całą dziedzinę elektryczności. Jak się okazuje, nie odbywa się to bez przeszkód.

Najbardziej zadowalająca jest teoria Lorentza, która - jak się przekonamy w ostatnim rozdziale - wyjaśnia prądy elektryczne jako ruch małych cząstek z ładunkiem elektrycznym. Teoria ta, bez wątpienia, najlepiej opisuje znane fakty, naświetla najwięcej prawdziwych związków; jest to teoria, po której zostanie najwięcej śladów w przyszłej, ostatecznej teorii naukowej. Ma ona jednak jedną ważną wadę, o której wspomniałem powyżej: jest sprzeczna z newtonowską teorią akcji i reakcji; albo raczej, zdaniem Lorentza, zasada ta nie odnosi się do samej materii - jest prawdziwa tylko wtedy, gdy uwzględniamy istnienie eteru i oddziaływania między eterem i materią. Otóż obecnie wydaje się mało prawdopodobne, by tak było rzeczywiście.*

* Wyjaśnienie tej kwestii wymagało dwóch rewolucyjnych kroków. Po pierwsze, trzeba było przyjąć, że pole elektromagnetyczne może istnieć samodzielnie, bez pomocy eteru. Po drugie, należało uznać, że pole elektromagnetyczne w określonych sytuacjach należy uważać za zbiór fotonów; jak dowiodły pomiary rozpraszania Comptona, oddziaływanie elektronu z fotonem jest zgodne z zasadami zachowania pędu i energii, a tym samym z zasadą akcji i reakcji - P.A.

Dzięki Lorentzowi poznaliśmy związek między wynikami badań Fizeau optycznych własności ciał w ruchu, prawami normalnego i anomalnego rozszczepiania linii i prawami absorpcji oraz związek między nimi i innymi właściwościami eteru; związki te zapewne nigdy nie zostaną zerwane. Proszę zwrócić uwagę, z jaką łatwością nowe zjawisko Zeemana znalazło w tej teorii przygotowane miejsce, a nawet pomogło w wyjaśnieniu rotacji magnetycznej Faradaya, która oparła się atakom Maxwella. Łatwość ta dowodzi, że teoria Lorentza nie jest tylko sztucznym zlepkiem, skazanym na rozpad. W przyszłości zapewne będzie zmodyfikowana, ale nie zburzona.

Lorentz nie miał szerszych ambicji niż tylko ujęcie w ramach jednej teorii całej optyki i elektrodynamiki ciał w ruchu; nie miał on pretensji do mechanicznego wyjaśnienia tych zjawisk. Larmor idzie dalej; zachowując w teorii Lorentza to, co w niej jest istotne, szczepi on na nie, że tak powiem, poglądy Mac-Cullagha na kierunek ruchów eteru. Prędkość eteru ma jego zdaniem ten sam kierunek i wielkość, co siła magnetyczna. Prędkość ta jest zatem znana, bowiem siłę magnetyczną można wyznaczyć doświadczalnie. Choć to przedsięwzięcie wydaje się bardzo pomysłowe, wykrywamy w nim tą samą wadę, co w teorii Lorentza, i to w stopniu wzmocnionym. Akcja nie jest równa reakcji. W teorii Lorentza nie wiadomo, jakie są ruchy eteru; dzięki tej nieświadomości mogliśmy przypuszczać, że kompensują one ruchy materii i przywracają równość akcji i reakcji. W teorii Larmora ruchy eteru są znane i możemy stwierdzić, że taka kompensacja nie ma miejsca.

Jeśli, jak sądzę, próba Larmora zakończyła się niepowodzeniem, czy to znaczy, że mechaniczne wyjaśnienie zjawisk elektrycznych nie jest możliwe? Bynajmniej, jak już powiedzieliśmy, jeśli tylko pewne zjawisko jest zgodne z zasadami zachowania energii i najmniejszego działania, to dopuszcza nieskończenie wiele wyjaśnień mechanicznych. To dotyczy również zjawisk optycznych i elektrycznych.

To jednak nie wystarcza; wyjaśnienie mechaniczne, by było dobre, musi być proste. Wybór jednego z pośród wielu możliwych wyjaśnień wymaga jakiegoś argumentu poza samą koniecznością dokonania wyboru. Otóż nie znamy na razie teorii, czyniącej zadość temu warunkowi, czyli nie ma teorii, która byłaby do czegoś zdatna. Czy mamy tego żałować? W ten sposób zapomnielibyśmy o naszym prawdziwym celu - nie jest nim znalezienie mechanicznego wyjaśnienia, lecz jedność fizyki.

Powinniśmy zatem zakreślić granice naszej ambicji; nie usiłujmy sformułować wyjaśnienia mechanicznego, zadowólmy się wykazaniem, że gdybyśmy chcieli, zawsze moglibyśmy je podać. A to się nam udało: zasadę zachowania energii potwierdzają wszystkie doświadczenia, a przyłącza się do niej również zasada najmniejszego działania, w postaci odpowiadającej tej dziedzinie fizyki. I tę zasadę potwierdzają wszystkie doświadczenia, przynajmniej w dziedzinie zjawisk odwracalnych, zachodzących zgodnie z równaniami Lagrange'a, czyli najogólniejszymi prawami mechaniki.

Zjawiska nieodwracalne stawiają większy opór. I one wszakże dają się uporządkować w harmonijną całość - dzieje się to za sprawą zasady Carnot. Przez długi czas termodynamika ograniczała się do badań nad rozszerzaniem ciał i zmian w ich stanie. Od pewnego czasu stała się bardziej śmiała i znacznie rozszerzyła swój zakres. Zawdzięczamy jej teorię stosu, teorię zjawisk termoelektrycznych; nie ma w całej fizyce dziedziny, która nie zostałaby objęta badaniami termodynamicznymi, zaatakowała ona nawet chemię. Wszędzie panują takie same prawa, wszędzie pod rozmaitością pozorów znajdujemy zasadę Carnot oraz tak niesłychanie abstrakcyjne pojęcie entropii, równie powszechne jak pojęcie energii i jak one wykazujące cechy czegoś realnego. Zdawało się, że nie podlega mu ciepło promieniste, ale niedawno przekonano się, że i ono podporządkowane jest tym samym prawom.

W ten sposób ujawniają się nowe analogie, sięgające często szczegółów. Opór omowy okazuje się podobny do lepkości cieczy, histereza do tarcia ciał stałych. We wszystkich przypadkach tarcie jest wzorem, który naśladują wszystkie zjawiska nieodwracalne - a to powinowactwo jest rzeczywiste i głębokie.

Uczeni próbowali również znaleźć mechaniczne wyjaśnienie tych zjawisk, ale bez powodzenia. Takie wytłumaczenie wymagałoby przyjęcia założenia, że nieodwracalność jest pozorna - zjawiska elementarne są odwracalne i podlegają znanym prawom dynamiki, ale są nadzwyczaj liczne, z upływem czasu mieszają się coraz bardziej i dla tępych naszych oczu wszystko zdaje się dążyć do pełnej jednostajności; ewolucja układu przebiega w jednym kierunku, bez nadziei powrotu. Pozorna nieodwracalność jest zatem po prostu przejawem działania prawa wielkich liczb. Jedynie istota o zmysłach nieskończenie subtelnych, w rodzaju urojonego demona Maxwella, potrafiłaby rozwikłać tą poplątaną sieć i zmienić kierunek biegu zdarzeń.

Koncepcja ta, związana z teorią kinetyczną gazów, powstała kosztem wielkich wysiłków i ostatecznie okazała się mało płodna, ale to jeszcze może się zmienić. Nie ma tu miejsca na rozważenia, czy nie prowadzi ona do sprzeczności i czy odpowiada ściśle prawdziwej naturze rzeczy.

Mimo to chciałbym wspomnieć o oryginalnych pomysłach fizyka Gouy'ego, dotyczących ruchów Browna. Według niego, ten osobliwy rodzaj ruchu nie podlega zasadzie Carnot. Cząstki, poruszające się ruchem Browna, są według niego mniejsze niż oka tej gęstej sieci, mogą przez nie przenikać i w ten sposób kazać światu postępować wstecz. Obserwując to zjawisko można odnieść wrażenie, że widzimy demona Maxwella przy pracy.*

* Jak wykazali Einstein, Smoluchowski i Szilard, ruchy Browna nie są bynajmniej sprzeczne z drugą zasadą termodynamiki, ale kwestia ta jest zbyt subtelna, by można ją było wyjaśnić w przypisie. Warto natomiast zapoznać się z analizą działania koła zębatego z zapadką, jaką przedstawił Feynman w książce Charakter praw fizycznych (Prószyński i S-ka, Warszawa 2000) - P.A.

Tak więc znane od dawna zjawiska są coraz lepiej uporządkowane; równocześnie poznajemy nowe zjawiska, domagające się miejsca, które też w większości przypadków - takich jak zjawisko Zeemana - natychmiast znajdują.*

* Wbrew temu, co pisze Poincaré, na poprawne wyjaśnienie zjawiska Zeemana przyszło jeszcze trochę poczekać. Teoria Lorentza zjawiska Zeemana była błędna i trudno zrozumieć, dlaczego między innymi na nią powoływał się komitet Nagrody Nobla, gdy przyznał nagrodę holenderskiemu teoretykowi. Wyjaśnienie zjawiska Zeemana stało się możliwe dopiero po sformułowaniu mechaniki kwantowej i odkryciu spinu elektronu - P.A.

Lecz mamy jeszcze promieniowanie katodowe, promienie X, promieniowanie uranu i radu. To cały świat, którego istnienia nikt nie podejrzewał. Iluż niespodziewanych gości trzeba gdzieś ulokować!

Nikt nie może teraz przewidzieć, jakie zajmą oni miejsce. Nikt nie przypuszcza wszakże, by miały one zakłócić ogólną jedność; sądzi się raczej, że ją uzupełnią. Nowe rodzaje promieniowania wydają się związane ze zjawiskiem luminescencji; nie tylko wywołują one fluorescencję, ale niekiedy powstają w tych samych co ona warunkach.

Nie są one również obce przyczynom, które powodują przeskok iskry pod działaniem światła ultrafioletowego.

Wreszcie, i przed wszystkim, wydaje się, że we wszystkich tych zjawiskach biorą udział prawdziwe jony, tym tylko różniące się od zwykłych, że poruszają się z bez porównania większą prędkością niż w elektrolitach.

Wszystko to jest jeszcze bardzo nieokreślone, ale z czasem nabierze ścisłości.

Fosforescencja, działanie światła na iskrę, stanowiły obszary nieco odizolowane, a z tego powodu również w pewnym stopniu zaniedbane. Można się teraz spodziewać, że przeprowadzona zostanie nowa linia łączności, która ułatwi nawiązanie kontaktu między tymi dziedzinami, a całą resztą nauki.

Nie tylko odkrywamy nowe zjawiska, ale nawet w zjawiskach, o których sądziliśmy, że je dobrze znamy, dostrzegamy teraz nowe, nieoczekiwane strony. W swobodnym eterze prawa zachowują swą majestatyczną prostotę, natomiast materia we właściwym znaczeniu tego słowa zdaje się coraz bardziej złożona; cokolwiek o niej mówimy, ma tylko przybliżony charakter i co chwila jesteśmy zmuszeni uzupełniać nasze wzory nowymi wyrazami.

Nie łamie to wszakże ram teorii naukowych; związki wykryte między przedmiotami, które uważaliśmy za proste, nie przestają istnieć wtedy, gdy odkrywamy ich złożoność, a tylko to się liczy. Równania nasze stają się wprawdzie coraz bardziej skomplikowane, by ściśle opisywały skomplikowane zjawiska, nic wszakże nie zmienia związków, pozwalających na wyprowadzenie tych równań, jedne z drugich. Słowem, postać tych równań jest zachowana.

Weźmy dla przykładu prawa odbicia. Fresnel wyprowadził je z teorii prostej i pociągającej, którą - jak się zdawało - potwierdzało doświadczenie. Później coraz dokładniejsze badania pozwoliły stwierdzić, że potwierdzenie to było tylko przybliżone; wszędzie dostrzegamy ślady polaryzacji eliptycznej. Dzięki pomocy, jaką było to pierwsze przybliżenie, znaleziono przyczynę tych anomalii - jest nią obecność warstwy przejściowej. Teoria Fresnela, przynajmniej w swej zasadniczej części, okazała się trwała.

Nasuwa się tu jedna uwaga. Wszystkie te związki nie zostałyby zauważone, gdyby uczeni z góry zdawali sobie sprawę ze stopnia złożoności badanych zjawisk i przedmiotów. Dawno już powiedziano: gdyby Tycho posiadał instrumenty dziesięć razy dokładniejsze, nie byłoby nigdy ani Keplera, ani Newtona, ani astronomii. Jest nieszczęściem dla nauki, gdy rodzi się zbyt późno, kiedy metody i instrumenty pomiarowe są zbyt doskonałe. W takim położeniu znajduje się dziś fizykochemia; jej współczesnym twórcom często utrudnia pracę znajomość cyfr na trzecim i czwartym miejscu po przecinku; na szczęście są to ludzie mocnej wiary.

W miarę jak coraz lepiej poznajemy właściwości materii, stwierdzamy, że obowiązuje w niej ciągłość. Od czasu prac Andrewsa i Van der Waalsa zdajemy sobie sprawę z tego, w jaki sposób następuje przejście od stanu ciekłego do stanu gazowego; wiadomo, że przejście to nie jest nagłe. Podobnie, nie ma przepaści między stanami ciekłym i stałym. W sprawozdaniu z jednego z niedawnych kongresów naukowych znalazłem obok pracy o sztywności cieczy pracę o rozlewaniu się ciał stałych.

Tendencja ta podważa oczywiście prostotę nauki; pewne zjawisko kiedyś można było zilustrować za pomocą kilku linii prostych: dziś trzeba je połączyć za pomocą mniej lub bardziej skomplikowanych krzywych. Wygrywa na tym jedność. Te ostro odcięte kategorie oszczędzały umysłowi zmęczenia, ale go nie zadawalały.

Metody fizyki wtargnęły do chemii: narodziła się fizykochemia. Jest ona jeszcze bardzo młoda, ale już teraz widać, że pozwoli powiązać ze sobą takie zjawiska jak elektroliza, osmoza, ruchy jonów.

Jakie można wyciągnąć wnioski z tego pobieżnego wykładu?

Wziąwszy wszystko pod uwagę, wolno stwierdzić, że zbliżamy się do jedności. Nie posuwamy się naprzód tak prędko, jak się tego spodziewano pięćdziesiąt lat temu, nie zawsze idziemy przewidzianą drogą, ale w rezultacie dokonaliśmy rozległych podbojów.


[  góra strony  ]

Wiw.pl  |  Na bieżąco  |  Informacje  |  Co nowego  |  Matematyka i przyroda  |  Astronomia  |  Biologia  |  Fizyka  |  Matematyka  |  Modelowanie rzeczywistości  |  Humanistyka  |  Filozofia  |  Historia  |  Kultura antyczna  |  Literatura  |  Sztuka  |  Czytaj  |  Biblioteka  |  Delta  |  Wielcy i więksi  |  Przydatne  |  Słowniki  |  Co i gdzie studiować  |  Wszechświat w obrazkach